电动机正反转联锁控制电路设计报告电气工程课程设计概述.docx
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电动机正反转联锁控制电路设计报告电气工程课程设计概述
目录
1.概述...................................................2
（1）.三相异步电动机.......................................2
（2）.三相异步电动机的构造.................................2
（3）.三相异步电动机的工作原理.............................4
（4）.三相异步电机的启动方法...............................9
2.三相异步电动机正反转控制电路设计......................15
（1）.设计目的..........................................15
（2）.设计原理..........................................15
（3）.设计内容及要求....................................15
（4）.设计步骤..........................................16
1）.器材选取...........................................16
2）.三相异步电动机正反转联锁控制电路的设计.........17
3）.带信号灯及过载保护的三相异步电动机联锁正反转控制电路的设计............................................18
3.总结及心得体会........................................19
4.主要参考文献..........................................21
1.概述
（1）.三相异步电动机
实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。
电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。
把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。
在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。
它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。
对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：
（1）基本构造；
（2）工作原理；（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动的基本原理和方法；（5）应用场合和如何正确使用。
（2）．三相异步电动机的构造
三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。
此外还有端盖、风扇等附属部分，如图1-1所示。
图1-1三相电动机的结构示意图
1）．定子
三相异步电动机的定子由三部分组成：
定子
定子铁心
由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。
定子绕组
三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。
这三相绕组可接成星形或三角形。
机座
机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组
2）．转子
三相异步电动机的转子由三部分组成：
转子
转子铁心
由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。
转子绕组
转子绕组有两种形式：
鼠笼式--鼠笼式异步电动机。
绕线式--绕线式异步电动机。
转轴
转轴上加机械负载
鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。
为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。
（3）．三相异步电动机的工作原理
1）．基本原理
为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图1-2所示。
图1-2三相异步电动机工作原理
（1）．演示实验：
在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。
（2）．现象解释：
当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。
感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。
转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。
（3）．结论：
欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。
2）．旋转磁场
（1）．产生
图1-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。
并接成星形与三相电源U、V、W相联。
则三相定子绕组便通过三相对称电流：
随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场（图1-4）。
图1-3三相异步电动机定子接线
当t=00时，
，AX绕组中无电流；
为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；
为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1-4（a）所示。
当t=1200时，
，BY绕组中无电流；
为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；
为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1-4（b）所示。
当t=2400时，
，CZ绕组中无电流；
为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；
为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1-4（c）所示。
可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。
随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。
图1-4旋转磁场的形成
（2）．旋转磁场的方向
旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。
这时，转子的旋转方向也跟着改变。
（3）．三相异步电动机的极数与转速
1）.极数（磁极对数p）
三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。
旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。
当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；
当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；
同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。
极数p与绕组的始端之间的空间角的关系为：
2）．转速n
三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：
（1-1）
由（1-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。
对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。
在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表1-1
表1-1
p
1
2
3
4
5
6
n0
3000
1500
1000
750
600
500
3）．转差率s
电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。
也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。
旋转磁场的转速n0常称为同步转速。
转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。
即：
（1-2）
转差率是异步电动机的一个重要的物理量。
当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。
转子转动起来之后，n>0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S<1。
如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。
反之，S减小。
异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。
在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。
根据式（1-2）,可以得到电动机的转速常用公式
（1-3）
4）．三相异步电动机的定子电路与转子电路
三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。
给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。
（4）.三相异步电机的启动方法
三相异步电动机的起动方法主要有直接起动、传统减压启动和软启动三种启动方法。
下面就分别做详细介绍。
1）.直接起动
直接起动，也叫全压起动。
起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压（即全压）直接加到异步电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。
一般情况下，直接起动时起动电流为额定电流的3～8倍，起动转矩为额定转矩的1～2倍。
根据对国产电动机实际测量，某些笼型异步电动机起动电流甚至可以达到8～12倍。
直接起动的起动线路是最简单的，如图1-5所示。
然而这种起动方法有诸多不足。
对于需要频繁起动的电动机，过大的起动电流会造成电动机的发热，缩短电动机的使用寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路进而烧毁电动机；另外过大的起动电流，会使线路电压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一电网的其他设备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。
这是因为Ts及Tm均与电网电压的平方成正比，电网电压的显著下降，可使Ts及Tm均下降到低于Tz。
一般情况下，异步电动机的功率小于7．5kW时允许直接起动。
如果功率大于7．5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求的话，电动机也可允许直接起动。
如果不能满足上式的要求，则必须采用减压启动的方法，通过减压，把启动电流Ist限制到允许的数值。
图1-5直接启动原理图
2）.传统减压起动
减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，待起动后，再把电压恢复到额定值。
减压起动虽然可以减小起动电流，但是同时起动转矩也会减小。
因此，减压起动方法一般只适用于轻载或空载情况。
传统减压起动的具体方法很多，这里介绍以下三种减压起动的方法：
（1）.定子串接电阻或电抗起动定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压。
由三相异步电动机的等效电路可知：
起动电流正比于定子绕组的电压，因而定子绕组串电阻或电抗可以达到减小起动电流的目的。
但考虑到起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩会降低的更多。
因此，这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。
对于容量较小的异步电动机，一般采用定子绕组串电阻降压；但对于容量较大的异步电动机，考虑到串接电阻会造成铜耗较大，故采用定子绕组串电抗降压起动。
如图1-6所示：
当起动电机时，合上开关Q，交流接触器KM断开，使电源经电阻或电抗R流进电机。
当电机起动完成时KM吸合，短接电阻或电抗R。
图1-6定子串电阻或电抗起动原理图
（2）.星-三角形（丫-△）起动
星-三角形起动法是电动机起动时，定子绕组为星形（丫）接法，当转速上升至接近额定转速时，将绕组切换为三角形（△）接法，使电动机转为正常运行的一种起动方式。
星-三角形起动方法虽然简单，但电动机定子绕组的六个出线端都要引出来，略显麻烦。
图1-7为星-三角形起动法的原理图。
接触器KM2和KM3互锁，即其中一个闭合时，必须保证另一个断开。
KM2闭合时，定子绕组为星形（丫）接法，使电动机起动。
切换至KM3闭合，定子绕组改为三角形（△）接法，电动机转为正常运行。
由控制电路中的时间继电器KT确定星-三角切换的时间。
定子绕组接成星形连接后，每相绕组的相电压为三角形连接（全压）时的l/
，故星-三角形起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动的1／3。
由于起动转矩小，该方法只适合于轻载起动的场合。
图1-7星-三角形起动法的原理图
（3）.自耦变压器起动
自耦变压器起动法就是电动机起动时，电源通过自耦变压器降压后接到电动机上，待转速上升至接近额定转速时，将自耦变压器从电源切除，而使电动机直接接到电网上转化为正常运行的一种起动方法。
图1-8所示为自耦变压器起动的自动控制主回路。
控制过程如下：
合上空气开关Q接通三相电源。
按启动按钮后KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头（例如65％）将三相电压的65％接入电动。
当时间继电器KT延时完毕闭合后，KM1线圈断电，使自耦变压器线圈封星端打开；同时KM2线圈断电，切断自耦变压器电源，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通电动机在全压下运行。
自耦变压器一般有65％和80％额定电压的两组抽头。
若自耦变压器的变比为k，与直接起动相比，采用自耦变压器起动时，其一次侧起动线电流和起动转矩都降低到直接起动的l／k2。
自耦变压器起动法不受电动机绕组接线方式（丫接法或△接法）的限制，允许的起动电流和所需起动转矩可通过改变抽头进行选择，但设备费用较高。
图1-8异步电动机的自耦变压器起动法
自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用非常广泛，有手动及自动控制线路。
其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择；缺点是质量大、体积大、价格高、维护检修费用高。
3）.软启动
软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。
在电动机定子回路中，通过串入限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。
它是软起动中的一个重要类别。
按限流器件不同可分为：
以电解液限流的液阻软起动；以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。
2.三相异步电动机正反转控制电路设计
（1）.设计目的
1）.了解三相异步电动机接触器联锁正反转控制的接线和操作方法。
2）.理解联锁和自锁的概念。
3）.掌握三相异步电动机接触器的正反转控制的基本原理与实物连接的要求。
（2）.设计原理
三相异步电动机的旋转方向是取决于磁场的旋转方向，而磁场的旋转方向又取决于电源的相序，所以电源的相序决定了电动机的旋转方向。
任意改变电源的相序时，电动机的旋转方向也会随之改变。
（3）.设计内容及要求
内容：
按钮联锁的电动机正反转控制电路设计
要求：
1）.按钮控制电机正反转
2）.电路中的联锁等设置合理
3）.正,反转时分别用信号灯表示
4）电机过载时候具有自动报警装置
（4）.设计步骤
1）.器材选取
三相异步电动机型号：
Y90S-4
参数：
额定功率（KW）1.1
额定电流（A）2.7
转速（r/min）1400
效率（%）78.0
功率因数（cosφ）0.78
堵转转矩/额定转矩（倍）2.3
堵转电流/额定电流（倍）6.5
最大转矩/额定转矩（倍）2.3
重量（Kg）25
热继电器型号：
JRS1-09-307/Z
参数：
JR热过载继电器
S三相双金属片式
1设计序号
09额定工作电流
307整定电流代号
Z组合安装
熔断器,按钮,继电器,常开常闭触点,导线若干。
2）.三相异步电动机正反转联锁控制电路的设计
图1-9
图1-9控制线路的动作过程是：
（1）.正转控制合上电源开关QS，按正转起动按钮SB5，正转控制回路接通，KM1的线圈通电动作，其常开触头闭合自锁、常闭触头断开对KM2的联锁，同时主触头闭合，主电路按U1、V1、W1相序接通，电动机正转。
（2）.反转控制要使电动机改变转向（即由正转变为反转）时应先按下停止按钮SB1，使正转控制电路断开电动机停转，然后才能使电动机反转，为什么要这样操作呢？
因为反转控制回中串联了正转接触器KM1的常闭触头，当KM1通电工作时，它是断开的，若这时直接按反转按钮SB4，反转接触器KM2是无法通电的，电动机也就得不到电源，故电动机仍然正转状态，不会反转。
电机停转后按下SB4，反转接触器KM2通电动作，主触头闭合，主电路按W1,V1,U1相序接通，电动机的电源相序改变了，故电动机作反向旋转。
3）.带信号灯及过载保护的三相异步电动机联锁正反转控制电路的设计
图1-10
图1-10工作过程如下：
合上电源开关QS
（1）.正转控制按正转起动按钮SB1，且SB1联锁开关断开，正转控制回路接通，KM1的线圈通电动作，其常开触头闭合自锁、常闭触头断开对KM2的联锁，信号灯L1亮，同时主触头闭合，主电路按Ua、Ub、Uc相序接通，电动机正转。
（2）.反转控制按反转起动按钮SB2，且SB2联锁开关断开，正转控制回路断开，反转控制回路接通，KM2的线圈通电动作，其常开触头闭合自锁、常闭触头断开对KM1的联锁，信号灯L2亮，同时主触头闭合，主电路按Uc、Ub、Ua相序接通，电动机反转。
（3）.无论电动机正转还是反转，当其出现过载时，接在主电路上的热继电器迅速动作，在控制回路上的热继电器常闭触点断开，则继电器KM1或KM2失电，电动机停止工作；同时热继电器的常开触点闭合，报警器H发出报警声。
3.总结及心得体会
此次的课程设计是对前面所学知识的综合运用。
设计的课题是《带信号灯及过载保护的三相异步电动机联锁正反转控制电路》，由课题中就能看出此次设计的主要目标就是正反转控制电路的设计,电路联锁,信号灯,过载保护及报警。
到自己着手设计时，发现还有好多知识点都淡忘了，就把需要的课本和资料都整理出来以便随时查阅。
通过这次课程设计，我基本掌握了三相异步电动机的相关知识，如三相异步电动机的结构及工作原理，三相异步电动机的启动方式及比较，还有三相异步电动机的正反转联锁控制及过载保护等。
事实说明，实践是对理论检验的最好方法，实践也是检验一个人的能力的最好办法。
经过这次的课程设计，我不仅学到了很多理论知识，更重要的是学到了很多动手的能力。
经过此次的实习，我希望老师在上课的时候应该多说一些实践上的心得，这样就能帮助学生在实习时克服很多的困难，增加学生的信心。
希望学校能够提供更多这样动手的机会，让我们实实在在学到一些本领。
4.主要参考文献
《电机学》辜承林华中科技大学出版社
《电气控制与PLC》熊幸明机械工业出版社
《电力拖动自动控制系统》陈伯时机械工业出版社
《怎样识读电气控制电路图》郑凤翼人民邮电出版社
《工程电气控制电路实例详解》段树成化学工业出版社
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