《電工電子技術(shù) 》課件-第5章 異步電動機與電氣控制

第5章異步電動機與電氣控制5.1三相異步電動機5.2三相異步電動機的運行5.3單相異步電動機5.4常用控制電動機5.5低壓電器5.6基本控制電路5.7行程、時間控制電路5.1三相異步電動機下一頁返回5.1.1三相異步電動機的構(gòu)造三相異步電動機分主要由定子(固定部分)和轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)部分)兩個基本部分組成。其構(gòu)造如下圖5-1所示。圖5-1三相異步電動機構(gòu)造1.定子定子由定子鐵芯、定子繞組和機座三部分組成。三相繞組根據(jù)需要可接成星形(Y)和三角形(△)。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸三部分組成。轉(zhuǎn)子繞組有籠型和繞線型兩種結(jié)構(gòu)。5.1三相異步電動機下一頁返回5.1.2三相異步電動機的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù)銘牌的作用是向使用者簡要說明這臺設(shè)備的一些額定數(shù)據(jù)和使用方法，因此看懂銘牌，按照銘牌的規(guī)定去使用設(shè)備，是正確使用這臺設(shè)備的先決條件。型號是為了便于各部門業(yè)務(wù)和簡化技術(shù)文件對產(chǎn)品名稱、規(guī)格、形式的敘述等而引用的一種代號，由漢語拼音字母、國際通用符號和阿拉伯數(shù)字三部分組成。5.2三相異步電動機的運行下一頁返回5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生圖5-8旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生過程由分析可知,當定子繞組中通入三相電流后,當三相電流不斷地隨時間變化時，它們共同產(chǎn)生的合成磁場也隨著電流的變化而在空間不斷地旋轉(zhuǎn)著,這就是旋轉(zhuǎn)磁場,如圖5-8所示。這個旋轉(zhuǎn)磁場同磁極在空間旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的作用是一樣的。5.2三相異步電動機的運行下一頁返回5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場2.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向圖5-9旋轉(zhuǎn)磁場的正轉(zhuǎn)

圖5-10旋轉(zhuǎn)磁場的反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與三相電流的相序一致。如果將與三相電源相聯(lián)接的電動機三根導(dǎo)線中的任意兩根的對調(diào)一下，則定子電流的相序隨之改變，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向也發(fā)生改變，電動機就會反轉(zhuǎn)。5.2三相異步電動機的運行下一頁返回5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場3.旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)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)和三相定子繞組的安排有關(guān)。三相繞組的始端之間相差120o，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有一對極,即p=1。三相繞組的始端之間只相差60o的空間角,則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有兩對極,即p=2。圖5-11三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（P=2）5.2三相異步電動機的運行下一頁返回5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場4.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速三相異步電動機的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速決定于旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)。可以證明在磁極對數(shù)p=l的情況下,三相定子電流變化一個周期，所產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁場在空間亦旋轉(zhuǎn)一周。當電源頻率為f時，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0=60f。當電動機的旋轉(zhuǎn)磁場具有p對磁極時，合成旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：我國電力網(wǎng)電源頻率f=50Hz,故當電動機磁極對數(shù)p分別為1、2、3、4時,相應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速n0分別為3000、1500、1000、750r/min。5.2三相異步電動機的運行下一頁返回5.2.2電動機的轉(zhuǎn)動原理1.三相異步電動機工作原理電動機轉(zhuǎn)動的工作原理：根據(jù)安培定律，載流導(dǎo)體與磁場相互作用而產(chǎn)生電磁力F，其方向由左手定則決定。電磁力對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸所形成的轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩T，在它的作用下，電動機轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動起來，其工作原理如圖5-12所示。圖5-12三相異步電動機轉(zhuǎn)動原理圖該電動機只有在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n低于同步轉(zhuǎn)速n0時,才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩并驅(qū)動負載穩(wěn)定運行。因此這種電動機稱為異步電動機。5.2三相異步電動機的運行下一頁返回5.2.2電動機的轉(zhuǎn)動原理2.轉(zhuǎn)差率異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n0之差是保證異步電動機工作的必要條件。這兩個轉(zhuǎn)速之差與同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即由于異步電動機的轉(zhuǎn)速n<n0，且n>0，故轉(zhuǎn)差率在0到1的范圍內(nèi),即0<s<1。對于常用的異步電動機,在額定負載時的額定轉(zhuǎn)速很接近同步轉(zhuǎn)速，所以它的額定轉(zhuǎn)差率sN很小，約為0.01-0.07,s有時也用百分數(shù)來表示。5.2三相異步電動機的運行下一頁返回5.2.2電動機的轉(zhuǎn)動原理3.電動機的選擇（1）電源的選擇在三相異步電動機中，中小功率電動機大多數(shù)采用三相380V電壓，也有使用三相220V電壓的。（2）防護形式的選擇電機的防護方式主要有開啟式、防護式、封閉式和防爆式等四種。一般主要根據(jù)使用環(huán)境進行選擇。（3）功率的選擇選用電動機的功率要滿足所帶負載的要求。一般電動機的額定功率要比負載功率大一些，以留有一定余量.（4）轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)該根據(jù)生產(chǎn)機械的要求來選擇電動機的額定轉(zhuǎn)速。5.3單相異步電動機下一頁返回5.3.1單相交流異步電動機的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用單相交流異步電動機主要由定子部分、轉(zhuǎn)子部分和起動裝置等組成。1.定子部分單相異步電動機的定子包括機座、鐵心、繞組三大部分。（1）機座采用鑄鐵、鑄鋁或鋼板制成，其結(jié)構(gòu)型式主要取決于電機的使用場合及冷卻方式。（2）鐵心部分定子鐵心多用鐵損小、導(dǎo)磁性能好，厚度一般為0.35～0.5㎜的硅鋼片沖槽疊壓而成。（3）繞組單相異步電動機的定子繞組，一般都采用兩相繞組的形式，即主繞組和輔助繞組。5.3單相異步電動機下一頁返回5.3.1單相交流異步電動機的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2.轉(zhuǎn)子部分單相異步電動機的轉(zhuǎn)子主要有轉(zhuǎn)軸、鐵心、繞組三部分。（1）轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸用含碳軸鋼車制而成，兩端安置用于轉(zhuǎn)動的軸承。（2）鐵心轉(zhuǎn)子鐵心是先用與定子鐵心相同的硅鋼片沖制，將沖有齒槽的轉(zhuǎn)子鐵心疊裝后壓入轉(zhuǎn)軸。（3）繞組單相異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組一般有兩種型式，即籠型和電樞型。5.3單相異步電動機下一頁返回5.3.2單相交流異步電動機的起動裝置除電容運轉(zhuǎn)式電動機和罩極式電動機外，一般單相異步電動機在起動結(jié)束后輔助繞組都必須脫離電源，以免燒壞。因此，為保證單相異步電動機的正常起動和安全運行，就需配有相應(yīng)的起動裝置。起動裝置的類型有很多，主要可分為離心開關(guān)和起動繼電器兩大類。圖5-13離心開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖5-14電壓型起動繼電器原理接線圖5-15電流型起動繼電器原理接線圖5-16差動型起動繼電器原理接線圖5.3單相異步電動機下一頁返回5.3.3單相交流異步電動機的應(yīng)用單相異步電動機是用單相交流電源供電的一類驅(qū)動用電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠及維修方便等一系列優(yōu)點。特別是因為它可以直接使用普通民用電源，所以廣泛的運用于各行各業(yè)和日常生活，作為各類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具、日用電器、儀器儀表、商業(yè)服務(wù)、辦公用具和文教衛(wèi)生設(shè)備中的動力源，與人們的工作、學(xué)習(xí)和生活有著極為密切的關(guān)系。和容量相同的三相異步電機比較，單相異步電動機的體積較大，運行性能也較差，所以單相異步電動機通常只做成小型的，其容量從幾瓦到幾百瓦。由于只需單相交流220V電源電壓，故使用方便，應(yīng)用廣泛，并且有噪聲小、對無線電系統(tǒng)干擾小等優(yōu)點，因而多用在小型動力機械和家用電器等設(shè)備上，如電鉆、小型鼓風機、醫(yī)療器械、風扇、洗衣機、冰箱、冷凍機、空調(diào)機、抽油煙機、電影放映機及家用水泵等，是日常現(xiàn)代化設(shè)備必不可少的驅(qū)動源。在工業(yè)上，單相異步電動機也常用于通風與鍋爐設(shè)備以及其它伺服機構(gòu)上。5.4常用控制電動機下一頁返回控制電機是指在自動控制系統(tǒng)中作為傳遞信息、轉(zhuǎn)換控制信號用的電機?？刂齐姍C與前述的驅(qū)動電機在電磁過程和遵循的基本電磁規(guī)律上沒有本質(zhì)區(qū)別。但是驅(qū)動電機是作為動力使用的，主要任務(wù)是完成能量的轉(zhuǎn)換，面臨的主要問題是如何提高轉(zhuǎn)換的效率。而控制電機在自動控制系統(tǒng)中，只起一個元件的作用，其主要任務(wù)是完成控制信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換對控制電機來說是次要的，因此它要求具有較高的精確度和可靠性，能夠?qū)π盘栕鞒隹焖俜磻?yīng)。此外控制電機還具有輸出功率小、質(zhì)量輕、體積小、動作靈敏、耗電少等優(yōu)點。控制電機主要有伺服電動機、步進電動機、力矩電機、開關(guān)磁阻電機、直流無刷電機等。其中，伺服電動機和步進電動機在工業(yè)上使用廣泛。5.4常用控制電動機下一頁返回5.4.1伺服電動機伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機，它在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，具有服從控制信號的要求而動作的職能。在電壓信號到來之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；而電壓信號到來時，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當電壓信號消失后，轉(zhuǎn)子也能自行停轉(zhuǎn)。1.交流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。在定子鐵心中嵌放兩個形式相同、在空間上互差90°電角度的兩相繞組:勵磁繞組和控制繞組。其轉(zhuǎn)子有兩種基本形式:籠型轉(zhuǎn)子和非磁性空心杯轉(zhuǎn)子。目前廣泛使用籠型轉(zhuǎn)子。5.4常用控制電動機下一頁返回5.4.1伺服電動機2.交流伺服電動機的工作原理圖5-17所示為交流伺服電動機工作原理圖。其中f1、f2為勵磁繞組，兩端施加恒定的勵磁電壓；k1、k2為控制繞組，兩端施加控制電壓。由于勵磁繞組和控制繞組在空間上互差90°電角度，只要勵磁電壓uf與控制電壓uk有一定的相位差(最佳為90°)，就能夠在電動機的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動起來。圖5-17交流伺服電動機工作原理圖5.4常用控制電動機下一頁返回5.4.1伺服電動機3.交流伺服電動機的控制方式交流伺服電動機的控制方式有三種:幅值控制、相位控制和幅一相控制。圖5-18幅值控制

圖5-19相位控制

圖5-20幅-相控制5.4常用控制電動機下一頁返回5.4.2步進電動機步進電動機是一種能將電脈沖信號變換為轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速的控制電機。其轉(zhuǎn)動的角度與輸入電脈沖的個數(shù)成正比，而其轉(zhuǎn)速則與輸入電脈沖的頻率成正比，因此又稱為脈沖電動機。步進電動機能快速啟動、反轉(zhuǎn)及制動，有較大的調(diào)速范圍，不受電壓、負載及環(huán)境條件變化的影響，在數(shù)控技術(shù)、自動繪圖設(shè)備、自動記錄設(shè)備、工業(yè)設(shè)施的自動控制、家用電器等許多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。交流電動機、直流電動機等都是平滑旋轉(zhuǎn)的，而步進電動機卻是一步一步地旋轉(zhuǎn)，即輸入一個信號，電動機轉(zhuǎn)過一個角度。步進電動機種類多，按運動方式可分為旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種。通常使用的旋轉(zhuǎn)型步進電動機又分為反應(yīng)式、永磁式兩種。5.4常用控制電動機下一頁返回5.4.2步進電動機(一)反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)，如圖5-21所示。定子和轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊成，定子上有6個磁極，不帶小齒，每兩個相對的磁極上有一相控制繞組，轉(zhuǎn)子只有四個齒，轉(zhuǎn)子上面沒有繞組。圖5-21三相反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖(二)反應(yīng)式步進電動機的運行方式工作時脈沖電信號按一定的順序輪流加到定子三相繞組上，按其通電順序的不同，三相反應(yīng)式步進電動機有三拍、六拍及雙三拍三種運行方式.5.5低壓電器下一頁返回在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活等領(lǐng)域用電中，經(jīng)常用到一些起控制及保護作用的開關(guān)及保護器，他們大都屬于低壓電器，低壓電器是指工作在直流1500V、交流1200V以下的各種電器，按動作性質(zhì)可分為手動電器和自動電器兩種.5.5.1開關(guān)電器刀開關(guān)俗稱刀閘開關(guān)或刀閘，是一種最常用的手動電器，刀開關(guān)一般與熔斷器串聯(lián)使用.以便在短路或過載時熔斷器熔斷而自動切斷電路。刀開關(guān)的額定電壓通常為250V和500V，額定電流在1500A以下。圖5-22刀開關(guān)5.5低壓電器下一頁返回組合開關(guān)又稱轉(zhuǎn)換開關(guān).是一種轉(zhuǎn)動式的閘刀開關(guān).主要用于接通或切斷電路、換接電源、控制小型鼠籠式三相異步電動機的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)和局部照明。組合開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖5-23所示。與刀開關(guān)相比.組合開關(guān)具有體積小、使用方便、通斷電路能力強等優(yōu)點。圖5-23組合開關(guān)2.組合開關(guān)5.5低壓電器下一頁返回3.自動開關(guān)自動開關(guān)又稱自動空氣開關(guān)或自動空氣斷路器.其主要特點是具有自動保護功能.當發(fā)生短路、過載、欠電壓等故障時能自動切斷電路.起到保護作用。如圖5-24所不是自動開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理圖，它主要由觸點系統(tǒng)、操作機構(gòu)和保護元件等三部分組成。圖5-24自動開關(guān)5.5低壓電器下一頁返回5.5.2熔斷器與斷路器1.熔斷器(FU)熔斷器是一種最常見的短路保護器，主要由熔體和外殼組成。熔體一般用電阻率較高的易熔合金制成。熔斷器串聯(lián)在電路中，當電路出現(xiàn)嚴重過載或短路時，熔體因過熱而迅速熔斷，從而達到保護電路和設(shè)備使其不受損壞的作用。電氣控制電路中常用的熔斷器如圖5-25所示。圖5-25熔斷器5.5低壓電器下一頁返回5.5.2熔斷器與斷路器2.斷路器(QF)斷路器俗稱自動空氣開關(guān)，用于低壓(500V以下)交、直流配電系統(tǒng)中，相當于刀開關(guān)、熔斷器、過電流繼電器、欠電壓繼電器和熱繼電器的一種組合作用，因而它是一種既有手動開關(guān)作用又能自動進行欠電壓、失電壓、過載和短路保護的開關(guān)電器。圖5-26斷路器5.5低壓電器下一頁返回5.5.3按鈕（SB）按鈕是一種手動主令電器，主令電器是自動控制系統(tǒng)中用于接通或斷開控制電路(指小電流電路)的電器設(shè)備.用以發(fā)送控制指令或進行程序控制。主令電器主要有控制按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)等。圖5-27按鈕5.5低壓電器下一頁返回5.5.4交流接觸器(KM)接觸器主要用來遠距離接通和分斷低壓電力線路以及頻繁控制交、直流電動機通、斷的執(zhí)行電器。接觸器按電流種類分為交流接觸器和直流接觸器。一般情況下，交流接觸器有五對常開觸頭，兩對常閉觸頭。圖5-28交流接觸器5.5低壓電器下一頁返回5.5.5繼電器繼電器是一種根據(jù)電量(電壓、電流)或非電量(轉(zhuǎn)速、時間、溫度等)的變化來接通或斷開控制電路，實現(xiàn)自動控制或保護電力拖動裝置的電器。1.中間繼電器中間繼電器通常用來傳遞信號和同時控制多個電路，也可用來直接控制小容量電動機或其他電氣執(zhí)行元件。中間繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理與交流接觸器基本相同。圖5-29中間繼電器5.5低壓電器下一頁返回5.5.5繼電器2.熱繼電器(FR)熱繼電器是一種感受元件受熱而動作的電器，常用作電動機的過載、斷相和缺相保護。熱繼電器的結(jié)構(gòu)、工作原理如圖5-30所示，主要由發(fā)熱元件、熱膨脹系數(shù)不同的雙金屬片、觸點和動作機構(gòu)組成。圖5-30熱繼電器5.6基本控制電路下一頁返回在生產(chǎn)實踐中，大量采用的是額定功率小于7.5KW的三相籠型異步電動機，對于此類電動機，一般采用直接起到控制方法。5.6.1點動控制電路如圖5-31所示，為帶滅弧裝置的交流接觸器控制電路。其動作過程如下。（1）啟動：合上刀開關(guān)QS→按下按鈕SB→接觸器KM線圈通電→KM常開主觸點閉合→電動機啟動運行。（2）停機：松開按鈕SB→接觸器KM線圈失電→KM常開主觸點打開→電動機停止運行。圖5-31點動控制電路5.6基本控制電路下一頁返回5.6.2自鎖控制電路如圖5-32所示，為電動機直接啟動控制電路。其動作過程如下。圖5-32自鎖控制電路5.6基本控制電路下一頁返回5.6.3正反轉(zhuǎn)控制電路如圖5-33所示電路可以實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)控制。SB1為正向啟動控制按鈕，SB2為反向啟動控制按鈕，SB3為停機按鈕。通過接觸器KM1,KM2實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)控制。動作過程如下：圖5-33正反轉(zhuǎn)控制電路5.6基本控制電路下一頁返回5.6.4互鎖控制如圖5-34(a)所示，為帶接觸器互鎖的正反轉(zhuǎn)控制電路。將接觸器KM1的輔助常閉觸點串入KM2的線圈回路中，從而保證在KM1的線圈通電時，KM2的線圈回路總是斷開的，將接觸器KM2的輔助常閉觸點串入KM1的線圈回路中，從而保證在KM2的線圈通電時KM1的線圈回路總是斷開的。這樣，接觸器的輔助常閉觸點KM1和KM2保證了兩個接觸器的線圈。不能同時通電。這種控制方式稱為互鎖，兩個輔助常閉觸點稱為互鎖觸點。圖5-34(b)中采用了復(fù)式按鈕，SB與KM都互鎖。圖5-34互鎖控制5.6基本控制電路下一頁返回5.6.5多地控制電路有些生產(chǎn)機械由于工作需要，要在兩個或兩個以上的地點進行控制。對于圖5-35控制電路來說，它只能一地控制，如要另一地進行同樣控制，則就需在那個地方再裝一組啟動和停止按鈕。利用這組按鈕也可控制這一接觸器KM線圈。這時這兩組按鈕的接線原則是:啟動按鈕并聯(lián)，停止按鈕串聯(lián)。圖5-35兩地控制電路5.7行程、時間控制電路下一頁返回5.7.1行程開關(guān)及行程控制電路1.行程開關(guān)行程開關(guān)也稱位置開關(guān)，主要用于將機械位移變?yōu)殡娦盘?，以實現(xiàn)對機械運動的電氣控制。行程開關(guān)的結(jié)構(gòu)及工作原理與按鈕的相似，如圖5-36所示為直動式行程開關(guān)的原理不意圖及符號。圖5-36行程開關(guān)5.7行程、時間控制電路下一頁返回5.7.1行程開關(guān)及行程控制電路2.行程控制行程控制使用的控制電器為行程開關(guān)，行程控制分限位控制和自動往返控制兩類。(1)限位控制具有限位控制的控制電路.是將行程開關(guān)SQ的常閉觸點與接觸器KM的線圈串聯(lián)，如圖5-37所示。圖5-37限位控制5.7行程、時間控制電路下一頁返回5.7.1行程開關(guān)及行程控制電路2.行程控制(2)自動往返控制有些生產(chǎn)機械如刨床、銑床等要求工作臺在一定距離內(nèi)作子往復(fù)自動循環(huán)運行。如圖5-38所示為自動往返控制電路。行程開關(guān)SQ3和SQ4仍起極限保護作用。圖5-38自動往返控制電路5.7行程、時間控制電路下一頁返回5.7.2時間繼電器及時間控制某些生產(chǎn)機械的控制電路需要按一定的時間間隔來接通或斷開某些控制電路，如三相異步電動機的Y-△換接啟動，這就需要采用時間繼電器來實現(xiàn)延時控制。1.時