三相异步电动机及其控制电路.docx

1、三相异步电动机及其控制电路第5章 三相异步电动机及其控制线路5.1 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

2、制动的基本原理和基本方法；（5）应用场合和如何正确使用。5.1.1 三相异步电动机的结构与工作原理1三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5-1所示。图 5-1 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

3、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0.21.0mm之间。2三相异步电动机的转动原理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5-2所示。图 5-2 三相异步电动机工作原理

4、 (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5-3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

5、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5-4)。 图 5-3 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5-4（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5-4（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

6、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5-4（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 5-4 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

7、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： （5-1）由（5-1）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

8、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5-1表5-1p123456n0300015001000750600500（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

9、理量。即： (5-2)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，n0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S1。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0.0150.06之间。根据式(4-2),可以得到电动机的转速常用公式 (5-3)例 有一台三相异步电动机，其额定转速 n=975r/min，电源频

10、率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率S。 解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。显然，与975r/min最相近的同步转速n0=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。因此，额定负载时的转差率为： （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。总结：1、三相异步

11、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）。2、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，并且旋转的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义；3、三相电源流过在空间互差一定角度按一定规律排列的三相绕组时，便会产生旋转磁场； 4、旋转磁场的方向是由三相绕组中电源相序决定的；5、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： 6、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： 转差率是异步电动机的一个重要的物理量，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0.0150.06之间

12、。7、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。5.1.2 三相异步电机的转矩特性与机械特性1电磁转矩（简称转矩） 异步电动机的转矩T是由旋转磁场的每极磁通与转子电流I2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。 经理论证明，它们的关系是： （5-4） 其中 T为电磁转矩 KT为与电机结构有关的常数 为旋转磁场每个极的磁通量 I2为转子绕组电流的有效值 2为转子电流滞后于转子电势的相位角 若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为： （5-5） 其中 为常数 U1为定子绕组的

13、相电压 S为转差率 R2为转子每相绕组的电阻 X20为转子静止时每相绕组的感抗由上式可知，转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。2机械特性曲线 图 5-5 三相异步电动机的机械特性曲线在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：1）额定转矩TN 额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出

14、转矩。 （5-6） 式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，TN的单位是牛米。 当忽略电动机本身机械摩擦转矩T0时，阻转矩近似为负载转矩TL，电动机作等速旋转时，电磁转矩T必与阻转矩TL相等，即T= TL。额定负载时，则有TN= TL。2）最大转矩Tm Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。 最大转矩的转差率为Sm，此时的Sm叫做临界转差率，见图5-5（a） 最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载系数，即 = Tm/ TN 一般三相异步的过载系数在1.82.2之间。在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根

15、据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。3）起动转矩Tst， Tst为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s时的转矩。为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：TstTN，一般的三相异步电动机有Tst/TN=12.2。3电动机的负载能力自适应分析电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。直至新的平衡。此过程中，时， 电源提供的功率自动增加。总结：1、电磁转矩T的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。 转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，

16、对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。2、在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线。其特性见图5-53、三个转矩：1）额定转矩TN 额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。 2）最大转矩Tm Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。3）起动转矩Tst， Tst为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s时的转矩。4、电动机的负载能力自适应分析电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变

17、化，这种特性称为自适应负载能力。5.2三相异步电动机的使用电动机或其他电气设备电路的接通或断开，目前普遍采用继电器、接触器、按钮及开关等控制电器来组成控制系统。这种控制系统一般称为继电接触器控制系统。任何复杂的控制电路，都是由一些基本的单元电路组成的。因此，在本节中我们主要讨论继电接触器控制的一些基本电路。要弄清一个控制电路的原理，必须了解其中各个电器元件的结构，动作原理以及它们的控制作用。电器的种类繁多，可分为手动的和自动的两类。手动电器是由工作人员手动操纵的，例如刀开关、点火开关等。而自动电器则是按照指令、信号或某个物理量的变化而自动动作的，例如各种继电器、接触器、电磁阀等。因此本节首先对

18、这些常用控制电器作简单介绍。5.2.1 常用低压电器介绍1手动电器1）刀开关 刀开关又叫闸刀开关，一般用于不频繁操作的低压电路中，用作接通和切断电源，有时也用来控制小容量电动机的直接起动与停机。 刀开关由闸刀（动触点）、静插座（静触点）、手柄和绝缘底板等组成。 刀开关的种类很多。按极数（刀片数）分为单极、双极和三极；按结构分为平板式和条架式；按操作方式分为直接手柄操作式、杠杆操作机构式和电动操作机构式；按转换方向分为单投和双投等。 图5-6 刀开关的电路符号 刀开关一般与熔断器串联使用，以便在短路或过负荷时熔断器熔断而自动切断电路。 刀开关的额定电压通常为250V和500V，额定电流在1500

19、A以下。 考虑到电机较大的起动电流，刀闸的额定电流值应如下选择：35倍异步电机额定电流2）按钮按钮常用于接通、断开控制电路，它的结构和电路符号见图5-7。按钮上的触点分为常开触点和常闭触点，由于按钮的结构特点，按钮只起发出“接通”和“断开”信号的作用。 图 5-7 按钮的结构和符号2自动电器1）熔断器 熔断器主要作短路或过载保护用，串联在被保护的线路中。线路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当线路短路或过载时熔断器熔断，起到保护线路上其他电器设备的作用。 熔断器的结构有管式、磁插式、螺旋式、等几种。其核心部分熔体（熔丝或熔片）是用电阻率较高的易熔合金制成，如铅锡合金；或者是用截面积较小的导体

20、制成。 熔体额定电流的选择：1无冲击电流的场合（如电灯、电炉）； 图5-8 熔断器的电路符号2一台电动机的熔体：熔体额定电流电动机的起动电流2.5；如果电动机起动频繁，则为：熔体额定电流电动机的起动电流(1.62)；3几台电动机合用的总熔体：熔体额定电流=(1.52.5)容量最大的电动机的额定电流+其余电动机的额定电流之和。2）交流接触器接触器是一种自动开关，是电力拖动中主要的控制电器之一，它分为直流和交流两类。其中，交流接触器常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路。图5-9是交流接触器的主要结构图。接触器主要由电磁铁和触头两部分组成。它是利用电磁铁的吸引力而动作的。当电磁线圈通电后，吸引山

21、字形动铁心 (上铁心)，而使常开触头闭合。 图5-9 接触器工作原理图根据用途不同，接触器的触头分主缺点： KM1和KM2线圈不能同时通电，因此不能同时按下SB1和SB2，也不能在电动机正转时按下反转起动按钮，或在电动机反转时按下正转起动按钮。如果操作错误，将引起主回路电源短路。2）带电气互锁的正反转控制电路将接触器KM1的辅助常闭触点串入KM2的线圈回路中，从而保证在KM1线圈通电时KM2线圈回路总是断开的；将接触器KM2的辅助常闭触点串入KM1的线圈回路中，从而保证在KM2线圈通电时KM1线圈回路总是断开的。这样接触器的辅助常闭触点KM1和KM2保证了两个接触器线圈不能同时通电，这种控制方

22、式称为互锁或者联锁，这两个辅助常开触点称为互锁或者联锁触点。 图5-16 带电气互锁的正反转控制缺点：电路在具体操作时，若电动机处于正转状态要反转时必须先按停止按钮SB3，使互锁触点KM1闭合后按下反转起动按钮SB2才能使电动机反转；若电动机处于反转状态要正转时必须先按停止按钮SB3，使互锁触点KM2闭合后按下正转起动按钮SB1才能使电动机正转。5.2.4三相异步电动机的控制上一节课我们讲了电动机的点动与长动控制，这一节课我们在此基础上进一步讲述电动机的继电器接触器控制系统。2正反转控制3）同时具有电气互锁和机械互锁的正反转控制电路采用复式按钮，将SB1按钮的常闭触点串接在KM2的线圈电路中；

23、将SB2的常闭触点串接在KM1的线圈电路中；这样，无论何时，只要按下反转起动按钮，在KM2线圈通电之前就首先使KM1断电，从而保证KM1和KM2不同时通电；从反转到正转的情况也是一样。这种由机械按钮实现的互锁也叫机械或按钮互锁。 图5-17具有电气互锁和机械互锁的正反转控制3Y降压起动控制按下起动按钮SB1，时间继电器KT和接触器KM2同时通电吸合，KM2的常开主触点闭合，把定子绕组连接成星形，其常开辅助触点闭合，接通接触器KM1。KM1的常开主触点闭合，将定子接入电源，电动机在星形连接下起动。KM1的一对常开辅助触点闭合，进行自锁。经一定延时，KT的常闭触点断开，KM2断电复位，接触器KM3

24、通电吸合。KM3的常开主触点将定子绕组接成三角形，使电动机在额定 图5-18 Y降压起动控制电压下正常运行。与按钮SB1串联的KM3的常闭辅助触点的作用是：当电动机正常运行时，该常闭触点断开，切断了KT、KM2的通路，即使误按SB1，KT和KM2也不会通电，以免影响电路正常运行。若要停车，则按下停止按钮SB3，接触器KM1、KM2同时断电释放，电动机脱离电源停止转动。4行程控制1）限位控制（图5-19）当生产机械的运动部件到达预定的位置时压下行程开关的触杆，将常闭触点断开，接触器线圈断电，使电动机断电而停止运行。 图5-19 限位控制 图5-20行程往返控制2）行程往返控制（图5-20）按下正

25、向起动按钮SB1，电动机正向起动运行，带动工作台向前运动。当运行到SQ2位置时，挡块压下SQ2，接触器KM1断电释放，KM2通电吸合，电动机反向起动运行，使工作台后退。工作台退到SQ1位置时，挡块压下SQ1，KM2断电释放，KM1通电吸合，电动机又正向起动运行，工作台又向前进，如此一直循环下去，直到需要停止时按下SB3，KM1和KM2线圈同时断电释放，电动机脱离电源停止转动。总结：1、异步电动机有两种直接起动方法：直接起动和降压起动。直接起动简单、经济，应尽量采用；电机容量较大时应采用降压起动以限制起动电流，常用的降压起动方法有Y降压起动、自耦变压器降压起动和定子串电阻降压起动等。2、异步电动

26、机的直接起动和正反转控制电路时控制的基本环节，应掌握它们的工作原理和分析方法，明确自锁和互锁的含义和思想方法。3、首先了解工艺过程及控制要求；4、搞清控制系统中各电机、电器的作用以及它们的控制关系；5、主电路、控制电路分开阅读或设计；6、控制电路中，根据控制要求按自上而下、自左而右的顺序进行读图或设计；7、同一个电器的所有线圈、触头不论在什么位置都叫相同的名字；8、原理图上所有电器，必须按国家统一符号标注，且均按未通电状态表示；9、继电器、接触器的线圈只能并联，不能串联；10、控制顺序只能由控制电路实现，不能由主电路实现习题：1、有一台四极三相异步电动机，电源电压的频率为50Hz，满载时电动机

27、的转差率为0.02。求电动机的同步转速、转子转速和转子电流频率。2、稳定运行的三相异步电动机，当负载转矩增加，为什么电磁转矩相应增大；当负载转矩超过电动机的最大磁转矩时，会产生什么现象？ 3、已知某三相异步电动机的技术数据为：PN=2.8KW，UN=220V/380V，IN=10A/5.8A，nN=2890r/min,cosN=0.89,f1=50Hz.求： 电动机的磁极对数p 额定转矩TN和额定效率N。4、试设计一台异步电动机既能连续长动工作，又能点动工作的继电器接触器控制线路。5、一台三相交流电动机，额定相电压为220v，工作时每相负载Z=(50+j25)。(1)当电源线电压为380V时，

28、绕组应如何连接？(2)当电源线电压为220v时，绕组应如何连接?(3)分别求上述两种情况下的负载相电流和线电流。6、某三相交流电动机，额定相电压为380V，工作时每相阻抗Z=(40+j10) ，接在220V三相交流电源中，正常工作时，各相负载星形联结。但当起动时，为防止起动时电流过大烧坏电动机，改为三角形联结。试分别计算电动机正常工作时和起动时的功率。实验八 三相异步电动机的正、反转控制一、实验目的1了解交流接触器、热继电器的结构，并掌握其工作原理。2掌握电动机实现正、反转控制的原理。3掌握电动机正、反转控制线路正确的接线方法和操作方法。二、实验原理 1直接起动的正反转 不少生产机械，例如吊车

29、、刨床等都需要上下、左右等两个方向的运动，这就要求拖动它的电动机必须能实现正、反转控制。 由三相异步电动机工作原理可知，电动机的转动方向与旋转磁场的方向一致，要改变电动机的转向只要改变旋转磁场的方向即可，而旋转磁场的方向由三相电源的相序决定。因此将电动机的三根电源线中的任意两根对调，便可实现电动机的反转，其原理图如右图所示。在右图的主电路中，SB3是停机按钮，SB1正转起动按钮，KM1正转控制接触器，当KM1的线圈通电，其主触头闭合，定子绕组三个头分别接入电源的A、B、C三相，电动机正转。SB2是反转起动按钮，KM2是反转控制接触器，当KM2的线圈通电，其主触头闭合，定子绕组三个头分别接入电源

30、的C、B、A三相，电动机反转。可见当通入定子绕组的电流相序改变时，电动机就反转。注意：（1）为保证正转或反转能连续工作，在电路中设置了两个自锁开关，他们分别与其起动开关并联。如果没有自锁开关，则本电路只能实现点动运转控制。（2）为保证正转时，反转控制电路可靠断开，即KM1与KM2不能同时闭合，因此在电路中分别设置了两个互锁开关。三、实验仪器1控制电路装置 一套2三相异步电动机 一台四、实验步骤1按图连接好线路(注意电动机绕组接成Y形联接)，由同学相互检查无误并请教师检查同意后，合上开关QS。2接触器点动控制 按下正转按钮SB1电动机旋转，松手后电动机停止转动。3电动机自锁控制 将交流接触器KM1的一对常开辅助触头并联到SB1上，按下正转按钮，电动机正向旋转，松手后电动机继续转动。4电动机正反转控制 （1）正转 按下正转按钮SB1，观察电动机正向旋转。（2）停机 按下停止按钮SB3。（3）反转 按下反转按钮SB2，观察电动机反向旋动。五、实验注意事项1实验电路较复杂，相与相的触头距离近，因此接线时要求十分小心。2