单元五交流电动机及控制

单元五交流电动机及控制5.1三相异步电动机的构造5.2三相异步电动机的工作原理5.3三相异步电动机铭牌和技术数据5.4三相异步电动机的起动、调速和制动5.5控制和保护器件5.6基本控制电路1.理解三相交流异步电动机的基本构造和转动原理。本章要求：3.理解三相交流异步电动机的机械特性，掌握起动和反转的基本方法,了解调速和制动的方法。2.理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义。电动机的分类：电动机交流电动机直流电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机他励、并励电动机串励、复励电动机1.定子1三相异步电动机的结构铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。U1----U2V1----V2

W1----W2三相绕组机座：铸钢或铸铁定子三相绕组的连接方法W2U2V2V1W1U1接线盒W1U1V1W2U2V2U1V1W1W2U2V2Y连接连接三相异步交流电工机原理视频

转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。2.转子鼠笼转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。(1)

鼠笼式转子铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。(2)

绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。鼠笼式绕线式鼠笼式电动机与绕线式电动机的比较：鼠笼式：

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。绕线式：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。一、旋转磁场

定子三相绕组通入三相交流电(星形连接)U1U2V1V2W1W21.旋转磁场的产生o2

三相异步电动机的转动原理o规定

i:“+”首端流入，尾端流出。

i:“–”尾端流入，首端流出。U1V2W1V1W2U2(•)电流出()电流入U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2三相电流合成磁

场的分布情况合成磁场方向向下合成磁场旋转60°U1U2V2W1V1W2合成磁场旋转90°600

toU1U1U2W2V1W1V2U1U1U2W2V1W1V2分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场

即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°取决于三相电流的相序2.旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。任意调换两根电源进线(电路如图)U1U2W1W2V1V20to3.旋转磁场的极对数P当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：otU1U2V1V2W1W2U1U2V2W1V1W2

若定子每相绕组由两个线圈串联

，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。W1'V2'U1V1W1U2V2W2U1'U2'V1'W2'极对数旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关4.旋转磁场的转速工频：旋转磁场的转速取决于磁场的磁极对数p=1时0toU1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2p=2时0旋转磁场转速(同步转速)n1与极对数p的关系极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速旋转磁场转速n1与频率f1和极对数p有关。可见:

当三相异步电动机的三相定子绕组接通三相交流电源，流过三相对称电流后，就能在电动机的气隙中产生转速为n1的旋转磁场。静止的转子绕组便相对磁场运动而切割磁感线，感应出电动势。由于转子绕组自成闭合回路，在转子导体中便有电流流过，如忽略转子电路的感抗，感应电流方向与电动势方向相同，该电流再与旋转磁场相互作用，便在转子绕组中产生电磁力，形成电磁转矩，带动异步电动机的转子顺着旋转磁场的方向，以n(n＜n1)的转速转动起来。如使旋转磁场的方向改变，则转子的转动方向也跟着改变。转动原理转差率:异步电动机转子转向与旋转磁场转向相同,一般情况下，异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速。因为假如n=n1，则转子绕组与旋转磁场之间就没有相对运动，就不会切割磁力线，就不会感应电动势并产生电流，也不会产生电磁转矩使转子继续转动，所以通常转子转速小于同步转速，这就是异步电动机的“异步”由来。转速差(—)是异步电动机运行的必要条件。此值与同步转速之比，称之为转差率，用符号s表示异步电动机在额定状态下运行的转差率，称为额定转差率，用表示SN。异步电动机的额定转速nN接近同步转速n1，因此SN很小，一般为0.01～0.06。3

三相异步电动机铭牌和技术数据1.型号

例如：Y132M－4

用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。磁极数(极对数p=2)机座长度代号机座中心高（mm）三相异步电动机2.连接方式：Y、△3.电压：电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。例如：380/220V、Y/是指线电压为380V时采用Y连接；线电压为220V时采用连接。说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5%。因为在电动机满载或接近满载情况下运行时，电压过高或过低都会使电动机的电流大于额定值,从而使电动机过热。4.电流：电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。例如：Y/6.73/11.64A表示星形连接下电机的线电流为6.73A；三角形连接下线电流为11.64A。两种接法下相电流均为6.73A。

5.功率与效率鼠笼电机

=72％~93％额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2，它不等于从电源吸取的电功率P1。6.功率因数三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7~0.9。空载时功率因数很低，只有

0.2~0.3。额定负载时，功率因数最高。

7.额定转速电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。如：n

N=1440转/分

sN=0.049.绝缘等级指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105ºC)，H级最(180ºC)。8.额定转差率例：一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组△型连接，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：

1)额定电流IN?起动电流Ist2)额定转差率sN?3)额定转矩

TN、最大转矩Tmax、和起动转矩TSt

。

1)解:

2）由nN=1480r/min，可知p=2（四极电动机）3）4三相异步电动机的起动、调速、制动一、起动1.起动性能起动：

n=0，s=1,接通电源。起动问题：起动电流大，起动转矩小。

一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5~7倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.0~2.2)倍。原因：大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作频繁起动时造成热量积累，使电机过热后果：起动时，n=0，转子导体切割磁力线速度很大，转子感应电势转子电流定子电流

2.起动方法(1)直接起动

二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。(2)降压起动：星形-三角形(Y－)

换接起动自耦降压起动（适用于鼠笼式电动机）(3)转子串电阻起动（适用于绕线式电动机）L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△动触点Y动触点静触点1.降压起动(降压限流)(1)Y－换接起动Y－起动器接线简图

降压起动时的电流为直接起动时的Y－起动器接线简图Y起动L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起动UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2Y－起动器接线简图

工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2正常运行Ul+＿U1V1V2W1W2(a)仅适用于正常运行为三角形连接的电机。

(b)Y－起动Y－换接起动适合于空载或轻载起动的场合Y-换接起动应注意的问题正常运行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起动+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V1(2)自耦降压起动

Q2下合：接入自耦变压器，降压起动。

Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。合刀闸开关QL1L3L2FUQQ2

自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y－起动的鼠笼式异步电动机。RRR滑环电刷定子转子起动时将适当的R串入转子电路中，起动后将R短路。起动电阻

2.绕线式电动机转子电路串电阻起动•

方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。电动机正转电动机反转二、三相异步电动机的正、反转电源~UVWM3~UVW电源~M3~1变频调速(无级调速)

f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~变频调速方法恒转距调速（f1<f1N）恒功率调速（f1>f1N）频率调节范围：0.5~几百赫兹三种电气调速方法三、三相异步电动机的调速2变极调速

(有级调速)

变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。A1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSSA1X1A2X2ii••P=1采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。A1··A2X1X2SN四、三相异步电动机的制动1

能耗制动

在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。制动方法机械制动电气制动能耗制动反接制动发电反馈制动nF转子Tn0=02

反接制动停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。

M3~+-运转制动•RPM3~运转制动•nF转子Tn03

发电反馈制动

当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。nF转子Tn0n>n0解：

在例1中(1)如果负载转矩为510.2N•m,试问在U=UN和U´=0.9UN两种情况下电动机能否起动？（2）采用Y-

换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为额定转矩的80%和50%时，电动机能否起动？

(1)在U=UN时

Tst=551.8N•m>510.2N.m不能起动

(2)Ist=7IN=784.2=589.4A

在U´=0.9UN时能起动例2:在80%额定负载时不能起动在50%额定负载时可以起动(3)5常用控制和保护电器

实现继电接触控制的电气设备，统称为控制电器，如刀闸、按钮、继电器、接触器等。下面介绍常用控制电器的用途及电工表示符号。电动机的控制包括电动机的起动、制动、反转等电动机的自动保护：

短路保护是因短路电流会引起电器设备绝缘损坏产生强大的电动力，使电动机和电器设备产生机械性损坏，故要求迅速、可靠切断电源。通常采用熔断器FU和过流继电器等。(瞬时性)

过载保护是为防止三相电动机在运行中电流超过额定值而设置的保护。常采用热继电器FR保护，也可采用自动开关和电流继电器保护。(判断性、延时性）

欠压是指电动机工作时，引起电流增加甚至使电动机停转，失压(零压)是指电源电压消失而使电动机停转，在电源电压恢复时，电动机可能自动重新起动(亦称自起动)，易造成人身或设备故障。常用的失压和欠压保护有：对接触器实行自锁；用低电压继电器组成失压、欠压保护。一、常用手动控制电器1、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。由闸刀（动触点）、静插座（静触点）、手柄和绝缘底板等组成。刀开关一般与熔断器串联使用，以便在短路或过载时熔断器熔断而自动切断电路。安装时电源线应接在静触点上，负荷线接在与闸刀相连的端子上。垂直安装时，手柄向上合为接通电源，向下拉为断开电源，不能接反，否则会因为闸刀松动落下而误将电源接通。刀开关的额定电流应大于其所控制的最大负荷电流。2.组合开关组合开关又称转换开关，由数层动、静触片组装在绝缘盒而成的。动触点装在转轴上，用手柄转动转轴使动触片与静触片接通与断开。可实现多条线路、不同连接方式的转换。

转换开关中的弹簧可使动、静触片快速断开，利于熄灭电弧。但转换开关的触片通流能力有限，一般用于交流380V、直流220V，电流100A以下的电路中做电源开关。M3~用组合开关起停电动机的接线图3.按钮(手动切换电器)(b)结构按钮常用于接通和断开控制电路。按钮的外形图和结构如图所示。按钮开关的外形和符号(a)外形图常闭触点常开触点复位弹簧支柱连杆常闭静触头桥式动触头常开静触头外壳4SBSB结构符号名称常闭按钮(停止按钮)常开按钮(起动按钮)复合按钮SB1234123按钮帽1.熔断器符号FU熔断器额定电流IF的选择(1)电灯、电炉等电阻性负载IF>IL(3)频繁起动的电机(2)单台电机用于低压线路中的短路保护。常用的熔断器有插入式熔断器、螺旋式熔断器、管式熔断器和有填料式熔断器。二、自动电器可实现短路、过载、失压保护。2.自动空气断路器(自动开关)主触点手动闭合衔铁释放锁钩过流脱扣器欠压脱扣器自动空气断路器原理图连杆装置释放弹簧用于自动往复控制或限位保护等。3.行程开关(限位开关)(b)示意图结构与按钮类似，但其动作要由机械撞击。未撞击撞击(a)外形图ST常开触点常闭触点ST(c)符号行程开关的外形符号交流接触器的外形与结构用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。(a)外形(b)结构4.交流接触器原理图弹簧常开辅触点常闭辅触点线圈衔铁常开主触点KMKM线圈KM常闭触点常开触点符号铁芯工作原理:交流接触器广泛用作电力拖动的开断和控制电路。它利用主触点来开闭电路，用辅助触点来执行控制指令。主触点一般只有常开触点，而辅助触点常有两对具有常开和常闭功能的触点。当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失,动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。

5.继电器

继电器和接触器的结构和工作原理大致相同。主要区别在于：

接触器的主触点可以通过大电流；

继电器的体积和触点容量小，触点数目多，且只能通过小电流。所以，继电器一般用于控制电路中。电流继电器：可用于过载或过载保护。电压继电器：主要作为欠压、失压保护。（一）中间继电器

中间继电器触头容量小，触点数目多，用于控制线路。通常用于传递信号和同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件。(b)符号KA线圈常开触头KA常闭触头KA(a)外形中间继电器外形与符号（二）热继电器用于电动机的过载保护。热继电器外形与结构(a)外形(b)结构发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被加热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，杠杆被弹簧拉回，常闭触点断开。工作原理发热元件~杠杆结构原理图双金属片常闭触头用于电动机的过载保护。发热元件常闭触点符号FR通电延时的空气式时间继电器结构示意图常开触头延时闭合常闭触头延时打开微动开关2微动开关1常开触头常闭触头线圈通电衔铁向下吸合连杆动作触头动作工作原理调节螺丝进气孔托板线圈动铁芯恢复弹簧挡块释放弹簧活塞杆橡皮膜排气孔(三)空气式时间继电器断电延时的空气式时间继电器结构示意图常闭延时闭合常闭延时断开常开触头常闭触头空气式时间继电器的延时范围大(