第13-14章：电动机及继电控制

电动机及继电控制电机是机械能与电能相互转换的设备。异步电机是交流电机的一种，也叫感应电机。主要作为电动机使用。按定子绕组的相数分类：主要内容三相异步电动机的基本结构和工作原理电动机的特性起动与反转调速与制动铭牌数据电动机的选择单相运行方式继电接触器控制系统一、基本结构笼型电动机拆散形状图由定子和转子构成：定子和转子都有铁芯和绕组。鼠笼式转子绕组有铜条和铸铝两种形式。

定子的三相绕组为U、V、W。首端用U1、V1、W1表示；末端用U2、V2、W2表示。转子分为鼠笼式和绕线式：绕线式转子绕组的形式与定子绕组基本相同。绕线式转子3个绕组的末端连接在一起接成星形联接方式，3个首端连接在3个铜集电环上，起动变阻器和调速变阻器通过电刷与集电环和转子绕组相连接。所以，异步电机在运行时，必须从电网吸收无功功率，因此它的功率因数总是小于1。二、工作原理1、旋转实验2、旋转磁场的产生

把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电流流过。SN结论：

(1)绕组中通入三相对称电流，可以产生在空间旋转的合成磁场。

(2)磁场旋转方向与电流相序一致。(3)磁场转速(同步转速n0)与电流频率有关。同步转速no与磁场磁极对数p的关系为：静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。3、工作原理转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。

电动机在正常运转时，其转子的转速n总是稍低于旋转磁场的转速，即同步转速no，因而称为异步电动机。又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应电动机。

异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即：

转差率是异步电动机的一个重要参数。异步电动机在额定负载下运行时的转差率约为：1%~9%。例题：有一台4极感应电动机，电压频率为50Hz，转速为1440r／min，试求这台感应电动机的转差率。

解：因为磁极对数p=2，所以同步转速为：转差率为：注意：没有给出极对数，也应能算。

主要内容三相异步电动机的基本结构和工作原理电动机的特性起动与反转调速与制动铭牌数据电动机的选择单相运行方式继电接触器控制系统电动机的特性：一、电路分析二、电磁转矩三、机械特性（1）定子电路分析忽略R1和X1上的压降，则：一、电路分析（2）转子电路分析为n=0即s=1时的转子电动势。为n=0即s=1时的转子漏抗。因为：可见：异步电动机的转子电流和功率因数都与转差率s有关，如图所示：转子每相电流：转子的功率因数为：二、电磁转矩

三相异步电动机的电磁转矩T是由气隙磁场的磁通m与转子电流I2cos相互作用而产生的，故电磁转矩T与转子电流的有功分量及气隙磁场的磁通m成正比，即：

式中：KT是一个与电动机结构有关的常数。－－K是一常数。将I2、I2cos的表达式及与U1的关系式代入上式，得三相异步电动机电磁转矩公式的另一个表示式：

可见：

T与转差率s有关；

T与定子每相电压U12成正比，电源电压对转矩影响较大。同时，T还受到转子电阻R2的影响。

三、机械特性定义：

输入电压一定时，电机转速n与转矩T之间的关系。

电机的稳定运行区和不稳定运行区。

电动机在额定负载下工作时的电磁转矩称为额定转矩，忽略空载损耗转矩，则额定转矩等于机械负载转矩。

PN是电动机的额定功率，单位为kW（1）额定转矩

nN是电动机的额定转速。（2）起动转矩电动机刚起动（n=0，s=1）时的转矩称为起动转矩。电动机的起动转矩与额定转矩的比值称为起动能力：

例：有两台功率都为PN的=7.5kW三相异步电动机UN=380V、nN=962r/min一台，另一台UN=380V、nN=1450r/min，求两台电动机的额定转矩。

第一台：

第二台：解：（3）最大转矩对应于最大转矩的转差率sm可由

求得，为：最大转矩为：

T

n

U1改变

R2改变

过载系数：

一般三相异步电动机的=1.8～2.2。主要内容三相异步电动机的基本结构和工作原理电动机的特性起动与反转调速与制动铭牌数据电动机的选择单相运行方式继电接触器控制系统一、起动1．直接起动利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压上的起动方式，又叫全压起动。优点：起动简单。缺点：起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正常工作。适用范围：电动机容量在10kW以下，并且小于供电变压器容量的20％。（1）Y-Δ换接起动：在起动时将定子绕组连接成星形，通电后电动机运转，当转速升高到接近额定转速时再换接成三角形。2．降压起动适用范围：正常运行时定子绕组是三角形连接。优点：起动电流为全压起动时的1／3。缺点：起动转矩为全压起动时的1／3。为何是三分之一？？

利用三相自耦变压器将电动机在起动时的端电压降低，以达到减小起动电流的目的。（2）自耦降压起动：

自耦变压器备有40％、60％、80％等多种抽头，使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。（3）绕线式异步电动机转子绕组串入附加电阻后，既可以降低起动电流，又可以增大起动转矩。三相异步电动机的转动方向由旋转磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取决于定子绕组中通入三相电流的相序。二、反转因此，只要将电动机三相供电电源中的任意两相对调，这时接到电动机定子绕组的电流相序相应被改变，旋转磁场的方向也就被改变，电动机就实现了反转。主要内容三相异步电动机的基本结构和工作原理电动机的特性起动与反转调速与制动铭牌数据电动机的选择单相运行方式继电接触器控制系统三相异步电动机的转速：1．变极调速通过改变电动机的定子绕组所形成的磁极对数p来调速。因磁极对数只能是按1、2、3、…、的规律变化，所以用这种方法调速，电动机的转速不能连续、平滑地进行调节。一、三相异步电动机的调速通过变频器把频率为50Hz工频的三相交流电源变换成为频率和电压均可调节的三相交流电源，然后供给三相异步电动机，从而使电动机的速度得到调节。变频调速属于无级调速，具有机械特性曲线较硬的特点。3．变转差率调速通过改变转子绕组中串接调速电阻的大小来调整转差率实现平滑调速的，又称为变阻调速。调速电阻的接法与起动电阻相同。这种方法只适用于绕线式异步电动机。2．变频调速在空调器中应用变频器，主要是解决空调器制冷或制热不均匀、室温波动大、缺乏舒适感、浪费电力、电动机频繁起动对电网冲击大等问题。电动机起动时采用高频率运行，达到快速起动、快速制冷的效果。而后，根据室温的变化逐渐降低变频器的频率，降低电机转速，最后根据室温的现状，使变频器以一定的频率运行，达到室温恒定的效果。电冰箱和空调器一样是采用空气压缩机。在节能、环保的要求下，采用变频技术是势在必行。电风扇和风机原有的调速器是靠串接电抗器或者晶闸管移相调压调速，这两种方法都是改变电机转差率。但转差率的变化范围很小，这就使调速范围很小。在电风扇和风机中应用变频调速器后，调速范围大，性能稳定和优良，并可大量节省电力。

如：100W电风扇在50Hz时为700转/分，而在5Hz时为70转/分，此时电动机的功率只有0.1W左右。1．能耗制动

电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直流电源。由于电动机转子的惯性作用继续旋转与直流电产生的恒定磁场相互作用，产生的电磁转矩方向与电动机转子转动方向相反，起到制动作用。二、三相异步电动机的制动特点：是制动准确、平稳，但需要额外的直流电源。电动机停车时将三相电源中的任意两相对调，使电动机产生的旋转磁场改变方向，电磁转矩方向也随之改变，成为制动转矩。2．反接制动

注意：当电动机转速接近为零时，要及时断开电源防止电动机反转。特点：简单，制动效果好，但由于反接时旋转磁场与转子间的相对速度高，因而电流较大。对于功率较大的电动机制动时必须在定子电路（鼠笼式）或转子电路（绕线式）中接入电阻，用以限制电流。电动机转速超过旋转磁场的转速时，电磁转矩的方向与转子的运动方向相反，从而限制转子的转速，起到了制动作用。3．发电反馈制动因为当转子转速大于旋转磁场的转速时，有电能从电动机的定子返回给电源，实际上这时电动机已经转入发电机运行，所以这种制动称为发电反馈制动。主要内容三相异步电动机的基本结构和工作原理电动机的特性起动与反转调速与制动铭牌数据电动机的选择单相运行方式继电接触器控制系统型号：铭牌数据：功率：电动机在铭牌规定条件下正常工作时转轴上输出的机械功率，称为额定功率或容量。电压：电动机的额定电流：额定状态下运行时的频率：电动机所接交流电源的频率。线电压。线电流。转速：额定转速。接线方法：三相三线制主要内容三相异步电动机的基本结构和工作原理电动机的特性起动与反转调速与制动铭牌数据电动机的选择单相运行方式继电接触器控制系统

合理选择电动机关系到生产机械的安全运行和投资效益。可根据生产机械所需功率选择电动机的容量，根据工作环境选择电动机的结构形式，根据生产机械对调速、起动的要求选择电动机的类型，根据生产机械的转速选择电动机的转速。电动机型式的选择：开启式：通风散热好，价格便宜，适用于干燥无灰尘的场所。防护式：可防止杂物掉入电机内部，但不能防尘。封闭式：能防止尘土和潮气进入，适用于多尘、潮湿的场所。但体积大，散热差，价格较高。防爆式：使用于有爆炸性气体的场所。电动机的绝缘如果损坏，运行中机壳就会带电。一旦机壳带电而电动机又没有良好的接地装置，当操作人员接触到机壳时，就会发生触电事故。注意：因此，电动机的安装、使用一定要有接地保护。在电源中性点直接接地系统，采用保护接中性线，在电动机密集地区应将中性线重复接地。在电源中性点不接地系统，应采用保护接地。主要内容三相异步电动机的基本结构和工作原理电动机的特性起动与反转调速与制动铭牌数据电动机的选择单相运行方式继电接触器控制系统起动前断了一相：三相异步电机的单相起动；电动机嗡嗡作响，不能起动，时间长可能烧毁电机绕组。所以，应给三相异步电机的单相配备“缺相保护”装置。三相异步电机的定子电路的三相电源线，如果断了一根。2.工作时断了一相：三相异步电机的单相运行；若额定负载不减，电机会因过热而损坏。主要内容三相异步电动机的基本结构和工作原理电动机的特性起动与反转调速与制动铭牌数据电动机的选择单相运行方式继电接触器控制系统

就现代机床或其它生产机械而言，它们的运动部件大多是由电动机来带动的。因此，在生产过程中要求对电动机进行自动控制，使生产机械各部件的动作按顺序进行，以保证生产过程和加工工艺合乎预定要求。由开关、按钮、继电器、接触器等组成的控制电路，对异步电动机的起动、停止、正反转、调速、制动等进行的控制，称为继电接触器控制电路。

此控制是一种有触点的断续控制，其优点是结构简单、价格便宜、维护方便、抗干扰能力强；特点：缺点是电器的体积大、触点容易烧坏、寿命短，尤其是生产工艺流程改变时，需拆除原有线路，重新接线。

任何复杂的控制线路，都是由一些基本的单元电路组成的。因此，本章主要讨论继电接触控制的一些基本单元控制线路。它们是点动控制、单向直接起动控制、正反转控制、行程控制、时间控制等。一、常用低压电器凡是自动或手动接通和断开电路，以及能实现对电路或非电对象切换、控制、保护、检测、变换和调节目的的电气元件称为电器。按其工作电压分类:工作电压在交流1200V或直流1500V以下的各种电器，称低压电器。高于交流1200V或直流1500V的电器，称高压电器。

电器按其职能分类：用于各种控制电路和控制系统的电器，称为控制电器。如开关、按钮、接触器等。用于保护电路及用电设备的电器称为保护电器。如熔断器、热继电器等。控制电器的种类很多，按其动作方式可分为手动和自动两类。手动电器的动作是由工作人员手动操纵的，如刀开关、组合开关、按钮等。自动电器的动作是根据指令、信号或某个物理量的变化自动进行的，如各种继电器、接触器、行程开关等。1、手动电器刀开关：由闸刀（动触点）、静插座（静触点）、手柄和绝缘底板等组成。刀开关又叫闸刀开关，实用中有胶盖闸刀开关和铁壳开关。一般用于不频繁操作的低压电路中，用作接通和切断电源，或用来将电路与电源隔离，有时也用来控制小容量电动机的直接起动与停机。刀形隔离器

大电流开关

负荷开关

组合开关

刀开关的种类很多。按极数（刀片数）分为单极、双极和三极；按接线方式分板前接线和板后接线；按转换方向分为单投(HD)和双投(HS)等。刀开关的文字符号用Q或S，图形符号如下图所示：单极三极（多线表示）三极（单线表示）Q（S）Q（S）Q（S）按钮：钥匙式

带灯式

旋钮式

按钮是用来发出指令信号的手动电器，主要用于接通或断开小电流的控制电路，从而控制电动机或其他电气设备的运行。按钮由外壳、按钮帽、两对静触点、一对动触点和复位弹簧组成。在常态时，静触点1由动触点接通、静触点2是断开的；按下按钮帽时静触点的通断状态发生变化。种类：单联按钮开关只有一组常开触点和常闭触点，还有双联和三联等等。常闭触点是按钮未按下时闭合、按下后断开的触点。常开触点是按钮未按下时断开、按下后闭合的触点。SB常开触点SB常闭触点规定：下开上闭，左开右闭按钮按下时，常闭触点先断开，然后常开触点闭合；SB复合触点松开后，依靠复位弹簧使触点恢复到原来的位置；常开触点先复位，常闭触点后复位。按钮内的触点对数及类型可根据需要组合，最少具有一对常闭触点或常开触点。2、自动电器熔断器：熔断器主要作短路或过载保护用，串联在被保护的线路中。FU线路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当线路短路或严重过载时熔断器熔断，起到保护线路上其他电器设备的作用。它的文字符号用FU；图形符号是：断路器：断路器又叫自动空气开关或自动开关，它的主要特点是具有自动保护功能，当发生短路、过载、欠电压等故障时能自动切断电路，起到保护作用。其图形符号和文字符号如下图所示：Q（S）断路器主要由触点系统、操作机构和保护元件3部分组成。F释放拉簧主触点脱扣连杆锁钩连杆欠压过流脱扣器主触点靠操作机构（手动或电动）来闭合。开关的脱扣机构是一套连杆装置，有过流脱扣器和欠压脱扣器等，它们都是电磁铁。主触点闭合后就被锁钩锁住。在正常情况下，过流脱扣器的衔铁是释放着的，一旦发生严重过载或短路故障，线圈因流过大电流而产生较大的电磁吸力，把衔铁往下吸而顶开锁钩，使主触点断开，起到了过流保护作用。欠压脱扣器的工作情况与之相反，正常情况下吸住衔铁，主触点闭合，电压严重下降或断电时释放衔铁而使主触点断开，实现了欠压保护。电源电压正常时，必须重新合闸才能工作。交流接触器：交流接触器是利用电磁原理制成的一种自动电器，是继电接触器控制系统中最重要和最常用的电器。它主要由电磁铁、触点、和灭弧装置三部份组成。靠电磁铁吸引动铁心带动触点完成对电路的接通与关断。断开状态闭合状态交流接触器图形符号及文字符号如下图所示：KM吸引线圈KM常开辅助触点KM常闭辅助触点KM常开主触点根据用途不同，交流接触器的触点分主触点和辅助触点两种。主触点：一般比较大，接触电阻较小，用于接通或分断较大的电流，常接在主电路中；一般都为桥梁形结构,并且设置两个断点。辅助触点：一般比较小，接触电阻较大，用于接通或分断较小的电流，常接在控制电路（或辅助电路）中。为了减小铁损，交流接触器的铁心由硅钢片叠成；为消除铁心的颤动和噪音，还要在铁心的部分端面加上短路环。继电器：

继电器是一种根据特定输入信号而动作的自动控制电器，其种类很多，有中间继电器、热继电器、时间继电器等类型。热继电器是一种过载保护电器。

热继电器是利用电流的热效应而动作的。IIII

当主电路中电流超过容许值而使双金属片受热时，它便向上弯曲扣板在弹簧的拉力下将长闭触点断开，从而断开主电路。II

热继电器的复位方式有手动和自动两种。热继电器动作（即常闭触点断开）后两分种可手动复位，五分钟后可自动复位。热继电器图形符号及文字符号为：FR热元件FR动断触点由于热惯性，热继电器不能作短路保护，对电动机的瞬间过载不会造成不必要的停车现象。中间继电器用途：中间继电器常用于传递信号以及用于同时控制多个电路，也可直接用于小容量电动机或其它电气的执行元件。结构：中间继电器与交流接触器的结构基本相同，只是其电磁系统小一些，触点多一些。种类：从工作电源分为直流、交流和交直流通用等类型。选用时主要应考虑额定电压及触点的允许额定电流值和触点数量。电压继电器：

用于电力拖动系统的电压保护和控制。其触点的动作与线圈的电压大小有关，使用时电压继电器的线圈与负载并联。电流继电器：

广泛用于电机、变压器和输电线路的过负荷及短路保护线路中。其触点的动作与流过线圈的电流大小有关，使用时电流继电器的线圈串联在被测量的电路中，以反映电路电流的变化。压力继电器：装在气路、水路或油路的分支管路中。当管路压力超过整定值时，触头动作，若管路中压力等于或低于整定值后，使触头复位。可通过调整螺母即改变控制压力。它常用做气压给水设备、消防系统或用于机床的气压、水压和油压等系统中的保护。温度继电器：是利用温度敏感元件（如热敏电阻）阻值随被测温度变化而改变的原理，经电子线路比较放大，驱动小型继电器动作，从而迅速而准确地直接反映某点的温度。时间继电器：是获得信号，经过人为整定的延时时间，使控制电路接通或断开的自动电器。晶体管式

电子式

光电继电器：是将发光头（电光源）和作为感测环节的接收头（光电管）分别置于被测部位的两侧，当接收头接收到发光头的信号时，继电器的触头就动作，一旦光线被遮断，继电器的触头就释放。

行程开关：将机械运动部件的、位置信号转换成为电信号的自动电器。

直动式

滚动式

微动开关

接近开关：又称为无触点行程开关，当某一物体接近其信号机构时，信号机构发出“动作”信号。

根据接近开关对被测物体的感测方法不同分为：涡流式、电容式、光电式、热释电式接近开关和霍尔接近开关。

如：光电接近开关是将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个感应头内，当有反光面即被测物体接近时，光电其器件接收到反射光后就输出信号，由此来感测物体的接近。

1、点动控制二、点动及直接起动控制电路点动不用加FR合上开关Q，三相电源被引入控制电路，但电动机还不能起动。按下按钮SB，接触器KM线圈通电，衔铁吸合，常开主触点闭合，电动机定子接入三相电源起动运转。松开按钮SB，接触器KM线圈断电，衔铁松开，常开主触点断开，电动机因断电而停转。实现了一点就动，一松就停的控制过程。2、直接起停控制（1）起动过程：按下起动按钮SBl接触器KM线圈通电接触器KM线圈通电，与SB1并联的KM的辅助常开触点闭合主触点闭合，电动机连续运转，从而实现了单向直接起动连续运转控制。（2）停止过程：按下停止按钮SB2接触器KM线圈断电与SBl并联的KM的辅助常开触点断开，以保证松开按钮SB2后KM线圈持续失电。串联在电动机回路中的KM的主触点持续断开，电动机停转。与SBl并联的KM辅助常开触点的这种作用称为自锁。起短路保护的是串接在主电路中的熔断器FU。起过载保护的是热继电器FR。图示控制电路还可实现短路保护、过载保护和零压保护。控制电路中也应有FU。起零压（或欠压）保护的是接触器KM线圈和自锁触点来实现的。当电源暂时断电或电压严重下降时，接触器KM线圈的电磁吸力不足，衔铁自行释放，使主、辅触点自行复位，切断电源，电动机停转。若电源恢复或电压正常，由于自锁已解除，电机不能自行起动。要起动电动机必须重新按下起动按钮，这样避免引起意外的人身和设备事故。三、电动机正反转控制电路（1）正向起动过程。按下起