《電工電子技術及應用》課件-第7章

第7章電動機及其控制7.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理7.2異步電動機的參數(shù)和銘牌7.3三相異步電動機的繼電器控制7.4三速異步電動機啟動和

自動加速控制電路習題7

7.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理

7.1.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)三相異步電動機主要由定子部分和轉(zhuǎn)子部分組成。定子部分主要包括定子鐵芯、三相定子繞組、機座等;轉(zhuǎn)子部分主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組等組成。圖7.1.1所示的是三相異步電動機的構(gòu)造分解圖。圖7.1.1三相異步電動機的構(gòu)造

機座是用鑄鐵或鑄鋼制成的,它的作用是保護和固定三相定子鐵芯,通常機座的外表要求散熱性能好,所以一般都鑄有散熱片。鐵芯是由互相絕緣的硅鋼片疊成的。

異步電動機的定子鐵芯是磁路的一部分,是用0.35~0.5mm的硅鋼片疊壓而成,鐵芯的內(nèi)圓周表面沖有槽,如圖7.

1.2所示,用以放置三相對稱繞組U1U2、V1V2、W1W2,三相定子繞組有的接成星形,有的接成三角形。圖7.1.2定子鐵芯和定子繞組

三相異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯是用0.5mm的硅鋼片疊壓而成,轉(zhuǎn)子鐵芯是圓柱狀,也用硅鋼片疊成,表面沖有槽,如圖7.

1.3所示。鐵芯裝在轉(zhuǎn)軸上,軸上加機械負載。轉(zhuǎn)子鐵芯還

用來安放轉(zhuǎn)子繞組。

異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組分為兩種:籠型異步電動機和繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。圖7.1.3轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯

籠型的轉(zhuǎn)子繞組做成鼠籠狀,就是在轉(zhuǎn)子鐵芯的每個槽中插一根銅條,其兩端用端環(huán)連接,也可在槽中澆鑄鋁液,鑄成一鼠籠,如圖7.1.4所示,這樣便可以用比較便宜的鋁來代替

銅,稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子。100kW以下的異步電動機一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。圖7.1.4鼠籠式轉(zhuǎn)子

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的構(gòu)造如圖7.1.5所示,它的轉(zhuǎn)子繞組同定子繞組一樣,也是三相的,一般接成星形。三相引出線接到轉(zhuǎn)軸上的三個與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上,通過電刷裝置與

外電路相連,這就有可能在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻或電動勢以改善電機的啟動及調(diào)速特性。但籠型電動機由于構(gòu)造簡單、價格低廉、工作可靠、使用方便,成為生產(chǎn)上應用得最廣泛的一種電動機。圖7.1.5繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的構(gòu)造

7.1.2三相異步電動機的工作原理

圖7.1.6是一個異步電動機的模型,在一個裝有手柄的蹄形磁鐵磁極間放有一個可以自由轉(zhuǎn)動的、由銅條組成的轉(zhuǎn)子。銅條兩端分別用銅環(huán)連接起來,形似鼠籠,作為籠型轉(zhuǎn)子。磁

極和轉(zhuǎn)子之間沒有電氣和機械聯(lián)系。當轉(zhuǎn)動磁鐵搖柄時,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子跟著磁極一起轉(zhuǎn)動。搖得快,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)得也快;搖得慢,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)得也慢;反搖,轉(zhuǎn)子馬上反轉(zhuǎn)。圖7.1.6異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的演示

1.旋轉(zhuǎn)磁場

三相異步電動機的定子鐵芯中放有三相對稱繞組U1U2、V1V2和W1W2

,設將三相繞組接成星形,如圖7.1.7(a)所示,接在三相電源上,繞組中便通入三相對稱電流:

其波形如圖7.1.7(b)所示。取繞組始端到末端的方向作為電流的參考方向。在電流的正半周時,其值為正,其實際方向與參考方向一致;在負半周時,其值為負,其實際方向與參考方向相反。圖7.1.7三相對稱電流

在ωt=0°的瞬時,定子繞組中的電流方向如圖7.1.7(b)所示。此時,U向繞組中沒有電流;V向繞組電流為負值,電流的流向是由尾端V2

流進,從首端V

1

流出;W向繞組電流為正值,電流的流向是由首端W1

流進,從流尾端W2出。根據(jù)右手定則可判斷出每個繞組產(chǎn)生的磁場的方向,從而得到合成磁場的方向如圖7.1.8(a)所示。

在ωt=60°的瞬時,定子繞組中的電流方向如圖7.1.7(b)所示。此時,W向繞組中沒有電流;V向繞組電流為負值,電流的流向是由尾端V2

流進,從首端V

1

流出;U向繞組電流為正值,電流的流向是由首端U

1

流進,從流尾端U2

出。根據(jù)右手定則可判斷出每個繞組產(chǎn)生的磁場的方向,從而得到合成磁場的方向如圖7.1.8(b)所示。

同理可得在ωt=90°時的三相電流的合成磁場,它比ωt=60°時的合成磁場在空間又轉(zhuǎn)過了30°,如圖7.1.8(c)所示。圖7.1.8三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場

三相異步電動機的極數(shù)就是旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)和三相繞組的安排有關,每相繞組只有一個線圈,繞組的始端之間相差120°空間角,則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有一對磁極,即p=1(p是磁極對數(shù))。每相繞組有兩個線圈串聯(lián),繞組的始端之間相差60°空間角,則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有兩對極,即p=2。

當旋轉(zhuǎn)磁場具有p對磁極時,磁場的轉(zhuǎn)速為

因此,旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0決定于電流頻率f1和磁極對數(shù)p,而后者又決定于三相繞組的安排情況。對某一異步電動機講,f1和p通常是一定的,所以磁場轉(zhuǎn)速n0

是個常數(shù)。

2.電動機的轉(zhuǎn)動原理

當電動機的定子繞組通過三相交流電時,便在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。設旋轉(zhuǎn)磁場以順時針速度n0

旋轉(zhuǎn),則靜止的轉(zhuǎn)子繞組和旋轉(zhuǎn)磁場就有了相對運動,從而在轉(zhuǎn)子導體中產(chǎn)生了感應電動勢,其方向可用右手定則判斷。可假定磁場不動,導體以相反方向切割磁力線,從而判斷出上半部分的導體感應電動勢的方向是從里到外,下半部分的導體感應電動勢的方向相反,如圖7.1.9所示。圖7.1.9轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理

3.轉(zhuǎn)差率

電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同,但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n不可能達到與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0

相等,即n<n0

。因為如果兩者相等,則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間就沒有相對運動,因而磁通就不切割轉(zhuǎn)子導條,轉(zhuǎn)子電動勢、轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)矩也就都不存在,這樣轉(zhuǎn)子就不可能繼續(xù)以n0

的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速之間必須要有差別。這就是異步電動機名稱的由來。而旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0

常稱為同步轉(zhuǎn)速。

用轉(zhuǎn)差率s來表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n0相差的程度,即

7.2異步電動機的參數(shù)和銘牌

要正確使用電動機,必須要看懂銘牌?，F(xiàn)以Y3132M4型電動機為例,來說明銘牌上各個數(shù)據(jù)的意義。

1.型號

為了適應不同用途和不同工作環(huán)境的需要,電動機制成不同的系列,每種系列用不同的型號表示。例如,Y代表三相異步電動機,3代表第3次更新,132代表機座中心高度,M代表長度號①,4代表極對數(shù)。

2.電壓

銘牌上所標的電壓值是指電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。一般規(guī)定電動機的電壓不應高于或低于額定值的5%。三相異步電動機的額定電壓有380V、3000V及6000V等多種。

3.電流

銘牌上所標的電流值是指電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。

4.功率與效率

銘牌上所標的功率值是指電動機在額定運行時軸上輸出的機械功率值。輸出功率與輸入功率不等,其差值等于電動機本身的損耗功率,包括銅損耗、鐵損耗及機械損耗等。所謂效率η就是輸出功率與輸入功率的比值。

5.功率因數(shù)

因為電動機是電感性負載,定子相電流比相電壓滯后一個φ角,cosφ就是電動機的功率因數(shù)。

6.轉(zhuǎn)速

由于生產(chǎn)機械對轉(zhuǎn)速的要求不同,需要生產(chǎn)不同磁極數(shù)的異步電動機,因此有不同的轉(zhuǎn)速等級。最常用的是四個極的(n0=1500r/min)。

7.絕緣等級

絕緣等級是按電動機繞組所用的絕緣材料在使用時容許的極限溫度來分級的。所謂極限溫度,是指電機絕緣結(jié)構(gòu)中最熱點的最高容許溫度。

8.工作方式

電動機的工作方式分為八類,分別用字母S1~S8表示。例如:連續(xù)工作方式(S1);短時工作方式(S2),分10min、30min、60min、90min四種;斷續(xù)周期性工作方式(S3),其周期由一個額定負載時間和一個停止時間組成,額定負載時間與整個周期之比稱為負載持續(xù)率,標準持續(xù)率有15%、25%、40%、60%幾種,每個周期為10min。

此外,Y3132M4型電動機的主要技術數(shù)據(jù)還有:功率因數(shù)0.84,效率(%)87。

7.3三相異步電動機的繼電器控制

7.3.1常用控制電器1.刀開關刀開關是一種手動電器,用來不頻繁地接通和斷開電路,起到隔離電源的作用,其外形和符號如圖7.3.1所示。刀開關由靜觸頭、動觸片、手柄、底板構(gòu)成,通常刀開關的進線接在靜觸頭,負載接在另一側(cè),保證當切斷電源時,觸刀不帶電。圖7.3.1刀開關

2.按鈕

按鈕通常用來接通或斷開控制電路(其中電流很小),從而控制電動機或其他電氣設備的運行。將按鈕帽按下時,下面一對原來斷開的靜觸點被動觸點接通,以接通某一控制電路;

而上面一對原來接通的靜觸點則被斷開,以斷開另一控制電路。

原來就接通的觸點,稱為動斷觸點或常閉觸點;原來就斷開的觸點,稱為動合觸點或常開觸點。常見控制按鈕如圖7.

3.2所示。圖7.3.2控制按鈕

3.交流接觸器

交流接觸器常用來接通和斷開電動機或其他設備的主電路,每小時可開閉千余次。接觸器主要由電磁鐵和觸點兩部分組成。它是利用電磁鐵的吸引力而動作的。圖7.3.3所示是交流接觸器的主要結(jié)構(gòu)圖。當吸引線圈通電后,吸引“山”字形動鐵芯(上鐵芯),從而使動合觸點閉合。圖7.3.3交流接觸器

4.熱繼電器

熱繼電器用來保護電動機使之免受長期過載的危害。

熱繼電器是利用電流的熱效應而動作的,它的原理圖如圖7.3.4所示。熱元件是一段電阻不大的電阻絲,接在電動機的主電路中。雙金屬片由兩種具有不同線膨脹系數(shù)的金屬碾壓而成。圖中,下層金屬的膨脹系數(shù)大,上層金屬的膨脹系數(shù)小。當主電路中電流超過容許值而使雙金屬片受熱時,它便向上彎曲,因而脫扣,扣板在彈簧的拉力下將動斷觸點斷開。觸點是接在電動機的控制電路中的。控制電路斷開而使接觸器的線圈斷電,從而斷開電動機的主電路。由于熱慣性,熱繼電器不能作短路保護。因為發(fā)生短路事故時,要求電路立即斷開,而熱繼電器是不能立即動作的。圖7.3.4熱繼電器

5.熔斷器

熔斷器是最簡便的而且是有效的短路保護電器,如圖7.

3.5所示。熔斷器中的熔片或熔絲用電阻率較高的易熔合金制成,例如鉛錫合金等;或用截面積甚小的良導體制成,例如銅、

銀等。線路在正常工作情況下,熔斷器中的熔絲或熔片不應熔斷。一旦發(fā)生短路或嚴重過載時,熔斷器中的熔絲或熔片應立即熔斷。圖7.3.5熔斷器

7.3.2電動機基本控制線路

1.籠型電動機直接啟動的控制線路

圖7.3.6所示是中、小容量籠型電動機直接啟動的控制線路,其中用了組合開關Q、交流接觸器KM、按鈕SB、熱繼電器FR及熔斷器FU等幾種電器。圖7.3.6籠型電動機自鎖控制線路

如果將圖7.3.6中的自鎖觸點KM除去,則可對電動機實現(xiàn)點動控制,就是按下啟動按鈕SB2,電動機就轉(zhuǎn)動,一松手就停止。這在生產(chǎn)上也是常用的,例如在調(diào)整時用。

2.籠型電動機正反轉(zhuǎn)的控制線路

圖7.3.7(a)所示的控制線路中,正轉(zhuǎn)接觸器KMF的一個動斷輔助觸點串接在反轉(zhuǎn)接觸器KMR的線圈電路中,而反轉(zhuǎn)接觸器的一個動斷輔助觸點串接在正轉(zhuǎn)接觸器的線圈電路中。這兩個動斷觸點稱為聯(lián)鎖觸點。這樣一來,當按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕SBF時,正轉(zhuǎn)接觸器線圈通電,主觸點KMF閉合,電動機正轉(zhuǎn)。與此同時,聯(lián)鎖觸點斷開了反轉(zhuǎn)接觸器KMR的線圈電路。因此,即使誤按反轉(zhuǎn)啟動按鈕SBR,反轉(zhuǎn)接觸器也不能動作。

但是這種控制電路有個缺點,就是在正轉(zhuǎn)過程中要求反轉(zhuǎn),必須先按停止按鈕SB1,讓聯(lián)鎖觸點KMF閉合后,才能按反轉(zhuǎn)啟動按鈕使電動機反轉(zhuǎn),帶來操作上的不方便。為了解決這個問題,在生產(chǎn)上常采用復式按鈕和觸點聯(lián)鎖的控制電路,如圖7.3.7(b)所示,當電動機正轉(zhuǎn)時,按下反轉(zhuǎn)啟動按鈕SBR,它的動斷觸點斷開,而使正轉(zhuǎn)接觸器的線圈KMF斷電,主觸點KMF斷開。與此同時,串接在反轉(zhuǎn)控制電路中的動斷觸點KMF恢復閉合,反轉(zhuǎn)接觸器的線圈通電,電動機就反轉(zhuǎn)。同時串接在正轉(zhuǎn)控制電路中的動斷觸點KMR斷開,起著聯(lián)鎖保護的作用。圖7.3.7籠型電動機正反轉(zhuǎn)控制線路

3.時間控制

在交流電路中常采用空氣式時間繼電器,如圖7.3.8所示,它是利用空氣阻尼作用而達到動作延時的目的。當吸引線圈通電后就將動鐵芯吸下,使動鐵芯與活塞桿之間有一段距離。在釋放彈簧的作用下,活塞桿就向下移動。在傘形活塞的表面固定有一層橡皮膜。因此當活塞向下移動時,在膜上面造成空氣稀薄的空間,活塞受到下面空氣的壓力,不能迅速下移。當空氣由進氣孔進入時,活塞才逐漸下移。移動到最后位置時,杠桿使微動開關動作。延時時間即為自電磁鐵吸引線圈通電時刻起到微動開關動作時為止的這段時間。通過調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)進氣孔的大小,就可調(diào)節(jié)延時時間。圖7.3.8空氣式時間繼電器

吸引線圈斷電后,依靠恢復彈簧的作用而復原?？諝饨?jīng)由出氣孔被迅速排出。圖7.3.8所示的時間繼電器是通電延時,有兩個延時觸點:一個是延時斷開的動斷觸點,一個是延時閉合的動合觸點。此外,還有兩個瞬時觸點,即通電后下面的微動開關瞬時動作。圖7.3.9是單臺電機時間控制線路,能實現(xiàn)電機運行時間的定時控制。圖7.3.9單臺電機時間控制線路

7.4三速異步電動機啟動和自動加速控制電路

圖7.4.1所示為由兩只時間繼電器構(gòu)成的三速異步電動機啟動和自動加速控制電路圖。圖7.4.1中,SB1為停止按鈕開關;SB2為啟動按鈕開關;KA為中間繼電器;1KM為電動機低速運轉(zhuǎn)控制交流接觸器;2KM為電動機中速運轉(zhuǎn)控制交流接觸器;3KM為電動機高速運轉(zhuǎn)控制交流接觸器;1KT為時間繼電器,有一組常開延時閉合觸點1KT1,一組常閉延時斷開觸點1KT2;2KT也為時間繼電器,有一組常閉延時斷開觸點2KT1,一組常開延時閉合觸點2KT2。圖7.4.1三速異步電動機啟動和自動加速控制電路圖

7.4.1工作原理

圖7.4.1所示電路的工作原理可從以下幾個方面來進行分析說明。

1.啟動控制

合上電源開關QS,按下啟動開關SB2按鈕后,KA繼電器線圈得電,KA2常開觸點閉合后自鎖,其KA1與KA4常開觸點閉合后,使1KM與1KT線圈均得電。

當1KM線圈得電后,其1KM1和1KM2常閉觸點均斷開,1KM4~1KM7常開觸點均閉合,使電動機得電,啟動低速運轉(zhuǎn)。

2.中速運行控制

當1KT時間繼電器線圈得電,經(jīng)一段時間延時后,其常開延時斷開觸點1KT2斷開,切斷了1KM線圈的供電,使1KM失電,從而使1KM1和1KM2常閉觸點復位接通,1KM4~

1KM7常開觸點斷。

與此同時,1KT時間繼電器的常開延時閉合觸點1KT1閉合,又使