第四章 电动异步机及其控制

第四章电动异步机及其控制第一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第4章异步电动机及其控制

电动机的作用是将电能转化为机械能。生产机械由电动机驱动有很多优点：

简化生产机械结构、提高生产率和产品质量，能实现自动控制和远程操纵，减轻体力劳动等。第二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五三相异步电动机的构造：定子和转子。第一节三相异步电动机的构造定子部分转子部分第三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五一、定子第一节三相异步电动机的构造机座：起固定和支撑定子铁心的作用，一般用铸铁制造。定子铁心：由硅钢片冲叠而成，铁心内开有均匀的槽，用以嵌放定子绕组。定子绕组：完全相同的三相定子绕组是由铜导线绕制而成，空间互差120度，可接成Y或Δ。第四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五二、转子转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成，嵌放转子绕组。转子绕组：有鼠笼式和绕线式两种。(1)鼠笼式转子

在转子铁心槽内放铜条，两端部用短路环形成一体，或在槽中浇铸铝液，形成转子绕组。第一节三相异步电动机的构造第五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五(2)绕线式转子

同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。三相绕组端线连接到装在转轴上的三个铜滑环上，通过一组电刷与外电路相连接，便于串入电阻改善电动机的运行性能。

鼠笼式和绕线式只是在转子构造上不同，它们的工作原理是一样的。滑环第六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式电动机应用：无特殊要求的一般生产机械的拖动，如水泵、通风机、运输机、传送带和机床等都采用鼠笼式异步电动机。缺点：是调速困难，起动性能较差，不能人为改变电动机的机械特性。优点：结构简单、价格低廉、工作可靠。第七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：绕线式电动机缺点：结构复杂、价格较贵、维护工作量大。优点：起动性能较好，可在不大的范围内平滑调速；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。应用：重载和频繁起动的生产机械，如起重机、锻压机等。第八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第二节异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作基于电磁感应的两个基本现象：1、通电导体周围产生感应磁场2、磁场中载流导体受电磁力作用第九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)一、旋转磁场的产生AXBYCZABCo1、旋转磁场的产生第十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

i“+”：首端流入，尾端流出。

i“–”：尾端流入，首端流出。

AYCBZX(•)电流出电流参考方向：取绕组始端到末端的方向为电流的参考方向，AX。电流实际方向：o()电流入第十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五AXYCBZAXYCBZAXYCBZ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°合成磁场旋转90°600900o第十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五AXYCBZAXYCBZAXYCBZ合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°分析可知：当定子绕组中通入三相电流后，它们产生的合成磁场是随着电流的交变在空间不断地旋转着。

即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°第十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五o2、旋转磁场的旋转方向

如果任意调换两根电源进线，旋转磁场还会顺时针旋转吗？绕组中电流出现正幅值的相序：

ABCAXBYCZABC第十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五oAAXYCBZAAXYCBZ2、旋转磁场的旋转方向任意调换两根电源进线(电路如图)600绕组中电流出现正幅值的相序：

ACB合成磁场逆时针旋转60°AXBYCZABCBCiAiC

iB第十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五旋转方向：取决于三相绕组电流的相序。改变电动机旋转方向的方法：改变相序（换接其中两相）2、旋转磁场的旋转方向oo第十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五方法：将与电源相接的任意两相互换(改变相序)，

就可实现反转。

三相异步电动机的正、反转正转反转ABCM3~电源ABCM3~电源第十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五3、旋转磁场的转速p=1时

旋转磁场的转速取决于磁场的极对数AXYCBZAXYCBZAXYCBZ18003600o工频：第十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五op=2时600第十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五旋转磁场转速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。可见:极对数每个电流周期磁场转过的空间角度旋转磁场转速n0第二十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五二、转子的转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则

感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力FF电磁转矩TnF第二十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

转差率：

由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，即异步电动机如果:无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。旋转磁场转速n0常称为同步转速。第二十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比。即：

转差率：

上式也可写为：转差率s电动机起动瞬间:n＝0，s＝1（转差率最大）异步电动机额定运行时，转速n小于n0

，并且接近n0

第二十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第三节异步电动机的机械特性一、异步电动机的电磁转矩

转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。常数，与电机结构有关旋转磁场每极磁通转子电流转子电路的功率因数第二十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五由公式可知电磁转矩公式1.T与定子每相绕组电压成正比。U1T2.当电源电压U1一定时，T是

s的函数。3.R2

的大小对

T有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转距。第二十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。

自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载）。第二十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第四节

异步电动机的起动和调速一、异步电动机的起动起动问题：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。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：原因：起动：

n=0，s=1,接通电源。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

第二十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五异步电动机的起动方法(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）以下介绍降压起动和转子串电阻起动。

异步电动机起动时的主要问题是：起动电流较大。第二十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五设：电机每相阻抗为1.降压起动（鼠笼式异步电动机）(1)Y－换接起动

降压起动时的电流为直接起动时的+－

起动U1U2V1V1W1W2+－正常运行U1U2V1V2W1W2第二十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五Y－

起动器接线简图L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△动触点Y动触点静触点第三十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五Y起动L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起动UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2Y－

起动器接线简图第三十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2正常运行Ul+＿U1V1V2W1W2Y－

起动器接线简图第三十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。

(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第三十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五(2)自耦降压起动L1L3L2FUQ

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QQ2

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。第三十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

依据变压器的一次、二次侧电压电流关系，可求得线路起动电流Ist´´。不用变压器时：电动机的电压为UN电动机的起动电流为Ist，和线路电流相同采用自偶变压器时：电动机的电压为U'，U'＝xUN电动机的起动电流为Ist，Ist＝x

Ist电动机的起动转矩为Tst电动机的起动转矩为第三十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五采用自耦降压法起动时，若加到电动机上的电压与额定电压之比为x，则线路起动电流Ist"

为电动机的起动转距Tst´为结论：第三十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五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•第三十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五

若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。常用于要求起动转矩较大的生产机械上。R2­ÞTst

­TO转子电路串电阻起动的特点第三十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五1.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恒功率调速频率调节范围：0.5~几百赫兹三种电气调速方法二、三相异步电动机的调速第三十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2.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··NNSS第四十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五A1X1A2X2ii••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第四十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五To3.变转差率调速

(无级调速)

变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。nn'••TLTLs

´s••Tso第四十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第五节异步电动机的铭牌数据和选择第四十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五1.型号

磁极数(极对数p=2)例如：Y132M－4

用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号机座中心高（mm）三相异步电动机教材表7.8.1中列出了各种电动机的系列代号。一、异步电动机的铭牌数据第四十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五异步电动机产品名称代号产品名称异步电动机绕线式异步电动机防爆型异步电动机高起动转矩异步电动机新代号汉字意义老代号Y异异绕异爆异起YRYBYQJ、JOJR、JROJB、JBOJQ、JQO第四十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2.接法接线盒定子三相绕组的联接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y联结W1U1V1W2U2V2联结第四十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五3.电压例如：380/220V、Y/是指线电压为380V时采用Y联结；线电压为220V时采用

联结。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。电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。三相异步电动机的额定电压有380V，3000V,

及6000V等多种。第四十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五4.电流例如：Y/6.73/11.64A

表示星形联结下电机的线电流为6.73A；三角形联结下线电流为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％电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。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。第四十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五注意：实用中应选择容量合适的电机，防止出现“大马拉小车”的现象。6.功率因数PN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。P2cosO第四十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五如：n

N=1440转/分

sN=0.048.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级最高(180ºC)。9.工作方式电机的工作方式分为八类，用S1－S8表示。有连续工作方式，短时工作方式，断续工作方式等。第五十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五1、功率的选择功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。1）对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。2）对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。三、异步电动机的选择第五十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2、种类和型式的选择1）种类的选择一般应用场合应尽可能选用鼠笼式电动机。只有在需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场合才选用绕线式电动机。2）结构型式的选择根据工作环境的条件选择不同的结构型式，如开启式、防护式、封闭式电动机。3、电压和转速的选择根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。

Y系列鼠笼电动机的额定电压只有380V一个等级。大功率电动机才采用3000V和6000V。第五十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五第六节常用低压电器一、组合开关（常用于接通和断开电源路）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。OQOO电路符号

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。第五十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五刀闸开关控制对象：380V，5.5kW以下小电机电路符号QS返回

刀闸开关适用于不频繁接通和断开电路；组合开关适用于机床设备的电源引入开关。第五十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五二、按钮(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。(a)外形图常闭触点常开触点第五十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五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4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1234123按钮帽SBSBSB第五十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五三、交流接触器用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。(a)外形(b)结构构成：主要由电磁铁和触点两部分组成，触点又可分为主触点和辅助触点。第五十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五M3~三、交流接触器动作过程线圈通电衔铁被吸合触头闭合电机接通电源~380~~线圈辅助触点铁心衔铁主触点常闭常开弹簧电机第五十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五M3~三、交流接触器动作过程线圈通电衔铁被吸合触头闭合电机接通电源~220~380~~动画第五十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五接触器有关符号：接触器主触头－－用于主电路（流过的电流大，需加灭弧装置）接触器辅助触头－－用于控制电路（流过的电流小，无需加灭弧装置）接触器控制对象：电动机及其它电力负载接触器技术指标：额定工作电压、电流、触点数目等。KM常开常闭KMKM接触器线圈KM第六十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五四、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。中间继电器电流继电器电压继电器时间继电器（具有延时功能）热继电器（做过载保护）…...继电器类型：第六十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五五、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)结构第六十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五~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。发热元件扣板五、热继电器工作原理结构原理图双金属片常闭触头第六十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五热继电器的符号串联在主电路中串联在控制电路中常闭触头FR发热元件FR第六十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五六、熔断器用于低压线路中的短路保护。熔断器简称保险丝，是最简单有效的短路保护装置。

熔断器中的熔丝和熔片是用易熔合金制成的，当流过熔体的电流大于它的整定值时，熔体立刻熔断，切断电源，起到保护作用。熔断器产品外形图电路符号FU第六十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期五六、熔断器熔断器额定电流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)单台电机第六十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期五可实现短路、过载、失压保护。七、自动空气断路器(自动开关)锁钩主触点手动闭合过流脱扣器欠压脱扣器衔铁释放自动空气断路器原理图连杆装置释放弹簧第六十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期五主电路控制电路第七节常用电动机控制电路1.电路SB1KMSB2FRKM

FRKMFUQ3~M..保险丝热继电器发热元件开关接触器主触点起动按钮停止按钮接触器线圈接触器辅助触点热继电器动断触点原理图一、单向旋转控制电路第六十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期五控制电路电动机的保护SB1KMSB2FRKM

FRKMFUQ3~M..热继电器过载保护保险丝短路保护接触器零压、欠压保护热继电器动断触点主电路控制电路第六十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期五电动机的保护

短路保护:

通常采用熔断器FU。一旦发生短路事故，熔丝立即熔断，电动机立即停车。

失压(零压)保护:

是指电源电压消失或电压严重下降时，电动机停转；在电源电压恢复正常时，电动机不能自行起动。常用的失压保护：采用继电器、接触器控制。

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。第七十页，共八十二页，编辑于2023年，星期五KMFRKM..KMSB1SB2..控制电路合上开关Q起动2.控制原理KM辅助触点闭合自锁。按下起动按钮SB2

,KM线圈通电，KM主触点闭合，电动机运转。通电转动KM主电路

FR3~MFUQQ第七十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期五合上开关Q2.控制原理FRKM..KMSB1SB2..控制电路KM辅助触点闭合自锁。按下起动按钮SB2,KM线圈通电，KM主触点闭合，电动机运转。通电起动KM转动主电路

FR3~MFUQQ松开起动按钮SB2利用自身辅助触点，维持线圈通电的作用称自锁自锁第七十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2.控制原理FRKM..KMSB1SB2..控制电路通电主电路

FRFUQ3~MQ转动KM自锁停车

按下停止按钮SB1,

KM线圈断电KM主触点断开,电动机停转。KM辅助触点断开，取消自锁。第七十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期五2.控制原理转动停车

按下停止按钮SB1,

KM线圈断电KM主触点断开,电动机停转。KM辅助触点断开，取消自锁。

停转FRKM..KMSB1SB2..控制电路通电主电路

FRFUQ3~MQ断电KM去掉KM辅助触点,实现点动控制。第七十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期五3.点动控制FR..控制电路主电路

FRFUQ3~MQKMSB2KM第七十