机电传动控制：B第一章_机电传动断续控制-2012

1、第1章 机电传动断续控制1.1 三相异步电动机1.2 常用低压电器1.3 基本控制电路1.4 机电传动断续控制电路分析 用电动机带动生产机械运动的传动方式称为机电传动。电动机：把电能转换为机械能，用以拖动工作机构完成生产机械所规定的某一任务。传动装置：实现电动机与工作机构的运动连接，并根据工作机构的需要完成速度和方向的变换。控制设备：由各种电器元件组成，用以控制电动机的运转。机电传动控制电动机自动控制分类断续控制 控制信号为断续变化的开关量，异步电动机的继电器控制系统。连续控制 控制信号为连续变化的模拟量，如某些设备的直流电动机调速系统。数字控制 控制信号为离散的数字量，如机床的数控系统。1.

2、1 三相异步电动机 三相异步电动机分成两个基本部分：定子(固定部分)转子(旋转部分) 1.三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机的定子是由机座(铸铁或铸钢制成)、装在机座内的圆筒形铁心(由互相绝缘的硅钢片叠成)、铁心内圆周表面槽中放置的对称三相定子绕组(接成星形或三角形)组成的。铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。U1- U2 V1- V2W1- W2三相绕组机座：铸钢或铸铁（a）定子铁心 （b）定子冲片 定子铁心及冲片示意图 (1)定子 转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。 同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。 笼型转子和铸铝的笼型转子 转子外形 三相异步电动机转子是铁心和绕组组

3、成的。转子铁心是圆柱状，也用硅钢片叠成，表面冲有槽。铁心装在转轴上，轴上加机械负载。根据构造上的不同分为两种形式：笼型和绕线型。(2)转子绕线型转子 线绕式异步电动机的构造如图所示，它的转子绕组同定子绕组一样，也是三相的，并连成星形。每相的始端连接在三个铜制的滑环上，滑环固定在转轴上。环与环、环与转轴都互相绝缘。在环上用弹簧压着碳质电刷。启动电阻和调速电阻是借助于电刷同滑环和转子绕组连接。 笼型电动机与绕线型电动机的的比较笼型： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线型： 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。异步电动机是怎样旋转起

4、来的？ 电动机的转子是怎样旋转起来的，各类不同的电动机各有它的特殊性。2. 三相异步电动机的工作原理磁极旋转1nnneifeeiiNSNSSff磁铁磁铁闭合线圈闭合线圈方向用右手定则确定e磁极旋转f方向用左手定则确定 在定子三相绕组通入三相交流电，产生旋转磁场；由于有旋转磁场，在转子导体中产生了感应电流而载流导体在磁场中又受到电磁力的作用，于是使转子转动，这就是异步电动机旋转的基本原理异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极 此图为三相异步电动机的示意图，三相绕组AX、BY、CZ的空间位置互差120o,若将X、Y、Z接于一点A、B、C分别接三相电源，便有对称的三相电流通入相应的定子绕组，即旋转磁场规定

5、 i : “+” 首端流入，尾端流出。i : “” 尾端流入，首端流出。AYCBZ1n()电流出()电流入XAYCBZ1n()电流出()电流入X定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)o 三相电流合成磁场的分布情况U1U2V2W1V1W2U1V2W1V1U2W2U1U2V2W1V1W2600 tIm0右手螺旋定则：直线电流磁场，大拇指指向电流方向，另外四指弯曲指的方向为磁感线的方向。旋转磁场的产生分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场综合上述分析可的，获得一对极旋转磁场的条件是：（1）一组三相对称的绕组。（2）对称的三相绕组中通过对称的三相电流。2.旋转磁场的旋转方向AU1U2W2V1W

6、1V2AU1U2W2V1W1V2任意调换两根电源进线(电路如图) U1 U2W1W2V1V2 当三相异步电动机接通电源时，定子绕组就会产生旋转磁场，转子相当于磁场中的闭合线圈，随着磁场的旋转，转子就会旋转起来。3. 旋转磁场的转速大小 一个电流周期，旋转磁场在空间转过360电流频率为 fHz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋转f圈。每分钟旋转n0称为同步转速 4.旋转磁场的极数和转速极对数（P）的概念BiAXBYCZAiCiBiAXBYCZAiCiBiAXBYCZAiCiAXBYCZAiCiAXYCBZNSAXYCBZNSAXYCBZNSNS 当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，

7、即种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。即：p=14.旋转磁场的转速工频： 旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时Im0AXYCBZAXYCBZAXYCBZ极对数（P）的改变 如果每个绕组有两个线圈串联（三相绕组有12个有效边），那么三个绕组的始端之间相差60空间角，则产生的旋转磁场具有两对极(即P=2)，将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。CYABCXYZAXBZp=2时Im0旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系：旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。即: 当频率f1一定时，旋转磁场的转速取决于磁场的极数，当旋转磁场具有P对极时，磁场的转速为 P

8、=1 n0 =3000 转/分 P =2 n0 =1500 转/分 P =3 n0 =1000 转/分 P =4 n0 = 750 转/分电动机转速电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速（额定转速）：n（ n0 ）电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但 n n0，所以称为异步电动机。注意：如果n =n0 ，转子与旋转磁场间没有相对运动，无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流，无转距。 转差率 转子的转速低于旋转磁场的转速,即有差异(n=n0-n),转子才能有切割磁场的结果,从而产生转矩,否则不能转动。因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。转差率S的概念 通常，我们把异步电

9、动机转子与旋转磁场之间的相对运动速度的百分率称为转差率，用S表示。转差率: 为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差n与磁场同步转速 n0 之比。即：转子转速亦可由转差率求得：转差率S是描述异步电动机运行情况的一个重要的物理量。在电动机起动瞬间，n=0, S=1; 电动机正常运行时，其额定转速与同步转速相近，所以一般S很小，S=0.010.09 。1.1.2 三相异步电动机特性分析三相异步电动机的单相“电磁”关系图 定子电路 转子电路电动机电路与变压器电路类似;定子相当初级，转子相当次级一般R10, R20。 根据电磁感应定律，定子每相绕组中产生的感应电势为：e1也是正弦量,在相位上比磁通滞后90

10、o,其有效值为: E1=4.44K1f1N1m f1 定子绕组中感应电势的频率，与电源的频率相等。N1 定子每相绕组串联的线圈匝数。m旋转磁场的每极磁通K1定子绕组的绕组系数，其值决定于绕组的结构，K1 T2电机能起动，否则不能起动。起动能力OTS1结论：、最大电磁转矩Tmax与转子电路电阻无关，但对应于最大电磁转矩的转差率Sm却与R2成正比。因此当增加转子电路的电阻时，出现最大电磁转矩的转差率也越大（转速降低）即T=f(S)曲线向增大方向偏移。、随着转子电路电阻的增加，起动转矩逐渐增加，而且当R2X20时，SSm，可使最大转矩在S时出现，这一点在生产上具有实际意义。另外，改变转子电路的电阻，

11、可以在一定范围内实现调速。例如电动机工作在额定转矩时，对于不同的R2的转差率分别由、三点所决定，于是得到了不同的转速，因此需要调速的生产机械，往往选用绕线式异步电动机来拖动。、影响最大电磁转矩和起动电磁转矩的最突出因素是电源电压，Tmax U12 ，Tst U12 。例如当降低到额定电压的时，转矩只有原来的，在曲线上表示出来是曲线下榻。IV. U1 和 R2变化对机械特性的影响(1) U1 变化对机械特性的影响TmTstT2TO(2) R2 变化对机械特性的影响 不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负

12、载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。 TOR2Tst n （1）降低定子电压 电动机的最大转距 和启动转距 与 成正比地下降。临界转差率 与定子电压无关，且电动机的同步转速 也与定子电压无关。可知降低定子电压的认为特性是一组过同步转速点的曲线簇。 异步电动机的机械特性除与电动机的参数有关外，还与外加定子电压Ul、定子电源频率fl、定子或者转子电路中串入的电阻或电抗等有关，将这些参数人为地加以改变而获得的机械特性称为异步电动机的人为机械特性。三相异步电机的人为机械特性对应于不同电源电压的人为特性转子电路串电阻的人为机械特性 （2）转子电路串接对称电阻三相异步电机的人为机械特性（3）改

13、变定子电源频率 三相异步电机的人为机械特性n=0,，s=1时转子绕组的漏磁感抗，与f1成正比改变频率f1的人为特性三相异步电机的人为机械特性（4）改变极对数 在保持电源频率f1不变的情况下，改变极对数p，同步转速 将随p的增大而减小 一个普通三相异步电机的极对数是固定不变的。但为了满足某些生产机械实现多级变速的要求，专门生产有极对数可变的多速异步电动机。变极多速异步电动机是利用改变绕组的接法来改变电动机的极对数。三相异步电动机的起动和制动1、异步电动机的起动n = 0，s =1, 接通电源。 异步电动机的起动性能： 起动电流（*） 起动转矩（*） 起动时间 起动的可靠性。起动：电动机从静止状态

14、一直加速到稳定转速的过程叫起动。（1）起动电流 在起动瞬间，旋转磁场对静止的转子有很大的相对转速，此时转子的感应电势为E20。假设电动机的额度转差率SN=0.05 ，则起动时转子的感应电势 ：相当于额定转速时转子感应电势的20倍，因此，起动时的转子电流也很大，但不是额度电流的20倍，因为这时转子感抗X20X2, X2也是随S变化的量。由于转子电流很大，与变压器负绕组增加引起原绕组电流增加的原理相似，所以定子电流也很大，中小型鼠笼式电动机起动电流为额定电流的5 -7 倍。 （2）起动转矩 刚起动时，虽然转子电流很大，但是由于转子感抗X20也很大，所以这时转子的功率因素很低，因此起动转矩Tst=K

15、Istcos2并不大。与额度转矩相比，通常起动转矩太小，就不能带负载起动，或者起动时间拖得很长。起动转矩太大，在起动时可能使传动机构受到冲击而损坏。 一般，为了限制起动电流，并得到适当的电磁转矩。对于不同容量的异步电动机应采用不同的起动方法。 2、异步电动机的起动方法直接起动就是直接加额定电压起动，也叫全压起动优点：简单又经济，不需要专用得着起动设备，起动时间短，起动方式可靠。缺点：起动电流大，一般可达额定电流的47倍。电源允许的起动电流倍数可用下面的经验公式估算只有当电动机的起动电流倍数小于或等于电源允许的起动电流倍数时，才允许采用直接起动方法。二、三十千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动。

16、千伏安电源允许的启动电流电动机定子额定电流（2）降压起动（适用于笼型电动机）降压起动：为了限制起动电流，可以在定子电路中串联电阻或电抗，用降低每相绕组上电压的方法来限制起动电流。Y 换接起动：仅适用于正常运行时定子绕组 采用三角形接法的电动机。在起动时先接成星形待转速稳定后再接成三角形。 全压起动电流降压起动电流降压起动力矩全压起动力矩Y 起动时，起动电流减小的同时，起动转矩也减小了。D=StstYTT31所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合。设：电机每相阻抗为31=DllYII起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。起动电阻 （3）绕线型电动机转子电路串电阻起动（适用于绕线型电

17、动机）RstRstRst转子串电阻可提高电动机起动转距，起动时，在转子电路中接入起动电阻以提高起动转距，同时也限制了起动电流。起动电阻分成n段，在起动过程中逐步切换。异步电机的转距与电压的平方成正比，考虑电源电压的允许降落，一般选最大起动转距为 考虑起动时的带负载能力和快速性，切换转矩为 绕线型电动机转子串电阻起动，既可增大起动转距，又可限制起动电流。可实现大中容量电动机重载起动。负载转距起动级数越多，起动越平稳，而且起动过程中的平均转距越大，起动越快。常采用3或4级。三相绕线型异步电动机转子串电阻分级起动 方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。 正转反转三相异步电动机的正、反转电 源UV

18、WM3UVW电 源M33、三相异步电动机的制动 制动的目的：使电力拖动系统快速停车或者使拖动系统尽快减速；对于位能性负载，用制动可获得稳定的下降速度。 制动运行的特点：电磁转距与转速n方向相反，转距T对电动机起制动作用。制动时电动机将轴上吸收的机械能转换成电能。该电能将消耗于转子电路或反馈回电网。 制动的方法：1.抱闸：加机械抱闸2.能耗制动3.反接制动4.发电反馈制动（1）能耗制动能耗制动：就是在去除交流电之后，在定子绕组中通入直流电，形成恒定磁场。由于转子导体切割磁场，而产生与转向相反的制动力矩使转速急剧下降。由下图可见能耗制动时的机械特性曲线1）当直流励磁一定而转子电阻增加时，产生最大制

19、动转距时的转速也随之增加，但是所产生转距最大值不变。如图中曲线1和3所示。2）转子电路电阻不变，当增大直流励磁时，则产生的最大制动转距增大。但产生最大转距时的转速不变。如图中曲线1和2所示。笼型异步电机为了增大高速时的制动转距，就需要增大直流励磁电流；绕线型异步电机，则采用转子串电阻的方法。位能式负载位能性恒转矩负载特性由拖动系统中的某些具有位能的部件（如起重类型负载中的重物）造成。特点：转矩TL具有固定的方向，不随转速的方向改变而改变。不论重物被提升（n为正）或下放（n为负），负载转矩TL始终为反方向（+TL）。显然，位能性恒转矩负载特性在第一与第四象限内，表示恒值特性的直线是连续的！（2）

20、反接制动 1）转子反接的反接制动：保持定子旋转磁场不变使转子反转。异步电机带有位能负载，如果加大转子回路电阻，使其机械特性斜率加大。随着转子电阻的加大，特性斜率也越加越大。由特性曲线1变到特性曲线2，以至变到特性曲线3。电动机的起动转距 Tst 小于负载转距TL ，负载转距拖着电动机反转，使电动机转距与转速方向相反，起到制动作用。转子反接的反接制动机械特性2）定子两相反接的反接制动 异步电机在电动状态运行时，若将其定子两相绕组出线端对调，则定子旋转磁场方向改变，电动机转距和转速方向相反，起到制动作用。 电动机原来工作在电动状态，工作点为A。定子两相反接后，移到反接制动特性曲线的B点上。由于电动机转距为制动转距，时电动机转速下降。到n0时，必须及时切断电源，否则电动机将执行反转。 曲线1是笼型异步电机的机械特性 曲线2是绕线型异步电机的特性曲线定子两相反接的反接制动机械特性（3）发电反馈制动 如果用以原动机，或者其它转距（如位能性负载）去拖动异步电机，使电机转速高于同步转速，即nn0，s0 ，这时异步电机的电磁转距T将和转速n的方向相反，起制动作用。因异步电机转速超过旋转磁场速度即同步转速时，转子绕组导体