电工电子技术课件-第5章-异步电动机及其控制

第5章异步电动机及其控制5.1异步电动机的基础知识5.3三相异步电动机的控制5.4常用控制电器5.5电气控制电路5.2异步电动机的电磁转矩和机械特性第1章第5章异步电动机及其控制5.1异步电动机的基础知识5.15.1异步电动机的基本知识1.

三相异步电动机的结构鼠笼式三相异步电动机绕线式定子转子定子铁芯机座定子绕组转子铁芯转轴转子绕组风罩风叶转子定子端盖5.1异步电动机的基本知识1.三相异步电动机的结构鼠笼2问题与讨论鼠笼型电动机的定子各部分结构和作用如何？鼠笼型异步机转子各部分的结构和作用是什么？定子铁芯是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成，在其内圆冲有分布的槽。定子铁芯的作用：一是槽内可用来嵌放定子绕组；二是定子铁芯构成电动机磁路的一部分。定子绕组是由铜导线绕制而成。构成电动机电路的一部分。机座是电动机的支架，一般用铸铁或铸钢制成。转子铁芯冲片铸铝笼形转子笼形转子绕组转子铁芯是也是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成，在其外圆冲有分布的槽。转子铁芯可嵌放转子绕组，构成电机磁路的另一部分。转子绕组大部分是浇铸铝笼型，大功率也有铜条制成的笼型转子导体，构成电机电路的一部分。由转轴输出机械能。问题与讨论鼠笼型电动机的定子各部分结构和作用如何？鼠笼型异步32.

三相异步电动机的工作原理(1)旋转磁场的产生n1AXBYCZ三相定子绕组中通过的电流0iAiBiCωti

电流出ωt=0时电流和磁场情况NS电流入AAA同理可分析出其它时刻电流的磁场转向。2.三相异步电动机的工作原理(1)旋转磁场的产生n1AX4显然，异步电动机中旋转磁场代替了旋转磁极。定子电流旋转磁场的方向：取决于三相电流的相序。若要改变异步电动机的旋转方向：只需换接其中两相的顺序即可。0iAiBiCωti0iBiAiCωti显然，异步电动机中旋转磁场代替了旋转磁极。定子电流旋转磁场的5问题与讨论旋转磁场的极对数和同步转速n1之间有什么关系？AXYCBZAiBiAiCYZCBX此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数p=1。极对数p=1时：

将每相绕组分成两段，按上图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。XiBiAiCAA'XCX'BC'YZ'ZB'Y'此时同步转速问题与讨论旋转磁场的极对数和同步转速n1之间有什么关系？AX6ωt=0时转子电流和转子旋转情况n1AXBYCZNSω(2)电动机的转动原理用右手定则可判断出转子导体中感应电流的方向如图示；再用左手定则判断出转子导体的受力方向为上右下左，因此转子顺着同步磁场n1的方向转动。异步机的转动原理

三相对称定子绕组中通入对称三相交流电，即在气隙中形成一个在时间上、空间上都随时间变化的一个旋转磁场。固定不动的转子导体与旋转磁场相切割后感应电流成为载流导体。载流导体又和旋转磁场相互作用，对轴生成电磁转矩，于是电动机就顺着同步转速的方向转动起来。问题与讨论电动机的转速n能等于同步转速n1吗？转子与旋转磁场间没有相对运动提示：如果转子不切割磁场不能生成感应电流转子不是载流导体则不能受力转动结论：n≠n1异步！ωt=0时转子电流和转子旋转情况n1AXBYCZNSω(27

转差率S的概念：转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：电动机起动瞬间:（转差率最大）转子最大转速:（转差率最小）电动机运行之中:显然电动机的转差率随电动机的转速升高而减小。转差率S的概念：转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转83.

三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机型号Y132M-4功率7.5KW频率50Hz电压380V

电流15.4A

接法Δ转速1440r/min绝缘等级B工作方式连续标准编号工作制S1

B级绝缘年月编号××电机厂Y表示异步机，132（mm）表示机座中心高度；M代表中机座（L长机座、S短机座）。额定功率指的是电动机输出的机械功率。额定电压、电流均指电动机额定运行情况下的定子线电压、线电流的数值。额定转速指的是电动机转子的转速n

。三相异步电动机的定子绕组有两种接法：Y形和Δ形

。三相定子绕组由机壳外面的接线盒引出，左下图为Y接连线图；右下图为Δ接连线图。3.三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机Y表示异步机，9同步转速：转差率：解：三相异步电动机p=3，电源f1=50Hz，电机额定转速n=960r/min。求：转差率s，转子电动势的频率f2例：同步转速：转差率：解：三相异步电动机p10

若能给单相异步电动机一个外力使它转动起来，则顺时针旋转磁场B1和逆时针旋转磁场B2产生的合成电磁转矩不再为零，在这个合成转矩的作用下，即使不需要其它的外在因素，单相异步电动机仍将沿着原来的运动方向继续运转。3.

单相异步电动机简介实验室、家庭及办公场所通常是单相供电，因此实验室的很多仪器、各种电动小型工具、家用洗衣机、电冰箱、电风扇等，都采用单相异步电动机。单相异步机采用鼠笼式转子结构，一般容量多在0.75KW以下。

在单相异步电动机的定子绕组通入单相交流电，电动机内产生一个大小及方向随时间沿定子绕组轴线方向变化的磁场，称为脉动磁场。SN若11脉动磁场可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的旋转磁场B1、B2。问题与讨论单相异步电动机为什么不会自行起动？顺时针方向旋转的磁场B1对转子产生顺时针方向的电磁转矩；逆时针方向旋转的磁场B2对转子产生逆时针方向的电磁转矩。由于在任何时刻这两个电磁转矩都大小相等、方向相反，所以单向异步机的转子不会自行起动，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。合成的脉动磁场在任一时刻都是大小随时间变化，但磁场的轴向不变。脉动磁场可以分解为两个大小相等、转速相同、转向12如何让单相异步电动机转动起来？电容分相法可让单相异步机转动如何让单相异步电动机转动起来？电容分相法可让单相异步机转动13

上图所示分别为单相异步电动机的定子磁场分别在ωt=0°、ωt=

45°、ωt=

90°三个时刻时的合成磁场方向。可见合成磁场随着时间按顺时针方向旋转。即加入电容起动绕组后，单相异步电动机的合成磁场就是一个旋转磁场，因此它就可以自行起动了。上图所示分别为单相异步电动机的定子磁场分别145.2异步电动机的电磁转矩和机械转矩1.

异步电动机的电磁转矩电磁转矩与电源电压的平方成正比：（牛顿米）

三相异步机转子中各载流导体在旋转磁场作用下，受到电磁力所形成的转矩之总和，称为电磁转矩

T：结构常数每极磁通转子电流转子电路功率因数5.2异步电动机的电磁转矩和机械转矩1.异步电动机的电磁15必须指出：

T∝U12的关系并不意味着电动机的工作电压越高，电动机实际输出的转矩就越大。电动机稳定运行情况下，不论电源电压是高是低，其输出机械转矩的大小，只决定于负载转矩的大小。换言之，当T＝TL时，电动机稳定在某一速度下运行；若T>TL时，电动机加速运行；在T<TL时，电动机将做减速运行或者直至停转。TTm0ssm1n＝0n＝n0Sm称为临界转差率，对应电动机的最大转矩Tm。λm是电机的过载系数，反映了其过载能力。必须指出：TTm0ssm1n＝0n＝n0Sm162.

异步电动机的机械特性TmTstTNT反DEnT0nNn0ABC同步转速额定转速最大转矩起动转矩额定转矩负载阻转矩电动机的转速随输出转矩的变化而变化的关系曲线称为机械特性。D点是电动机的额定工作点。对应的转矩是额定转矩；对应的转速是额定转速。AB段是稳定运行段。电动机随着负载的增加而转速略有下降；随负载的减少而转速略有上升（E点）电动机若要迅速起动起来，起动转矩Tst

必须大于转轴上的负载阻转矩TN。BC段始终处于不稳定的过渡状态。2.异步电动机的机械特性TmTstTNT反DEnT0nNn17异步电动机的额定转矩公式

当常数为9550时，P2N的单位是千瓦【KW】；若常数为9.55时，P2N的单位用瓦【W】。式中λS称为起动能力（系数）。异步电动机的额定转矩公式当常数为9550时，P18例：例：195.3三相异步电动机的控制5.3.1三相异步电动机的起动1．直接起动电动机容量在10kW以下，并且小于供电变压器容量的20％直接起动是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：5.3三相异步电动机的控制5.3.1三相异步电动机的起202．降压起动起动转矩均为全压起动时的1／3。Δ运行时，首尾相接构成闭环Y起动时，绕组尾端连成一点适用范围：正常运行时定子绕组为三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电动机。优点：缺点：起动电流为全压起动时的1／3。QS1L3V2L2L1QS2FUV1U1U2W1W2V1U1W1W2U2V2Y-Δ降压起动：起动时定子绕组连成星形，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．降压起动起动转矩均为全压起动时的1／3。Δ运行时，首尾相21AZBYXC正常运行UPABCXYZ起动UP'Y－起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。

所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合。（2）Y－起动Ist↓时Tst↓。AZBYXC正常UPABCXYZ起动UP'Y－起动应注22三相异步电动机，电源电压=380V，三相定子绕组接法运行，额定电流IN=20A，启动电流Ist/IN=7，求：（1）接法时的启动电流Ist

（2）若启动时改为Y接法，求IstY（1）Ist=7IN=720=140A（2）IstY=Ist/3=140/3=47A例：解：三相异步电动机，电源电压=380V，三相23利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，以达到减小起动电流的目的。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。自耦降压起动：运行时开关上打与电机直通起动时开关向下打，与自耦变压器相连。QS1L3V1L2L1QS2FUV1U1U1W1W1L2L1L3优点：缺点：具有不同的抽头，可以根据起动转矩的要求，比较方便的得到不同的电压。体积大、成本高。适用范围：适用于容量较大的电动机或不能用Y-Δ降压起动的鼠笼式三相异步电动机。利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电24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。绕线式异步电动机的起动

绕线式异步电动机的起动性能和调速性能都优于鼠笼式异步机，但其结构复杂，维修不易且造价较高。绕线式异步电动机转子绕组串入附加电阻后，既251.改变极对数p

有级调速。由上式可看出，异步电动机调速的方法有三种：5.3.2三相异步电动机的调速三相异步电动机的转速2.改变转差率s

无级调速。3.改变电源频率f1（变频调速）

无级调速。

第三种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。1.改变极对数p有级调速。由上式可看265.3.3三相异步电动机的制动1.能耗制动

电动机断电后由于机械惯性总要经过一段时间才能停下来。为了提高生产效率及安全，采用一定的方法让高速运转的电动机迅速停转，就是所谓的制动。制动方法：n0=0R＋－M~3NSnF＋当电动机三相定子绕组与交流电源断开后，把直流电通入两相绕组，产生固定不动的磁场n0。电动机由于惯性仍在运转。转子导体切割固定磁场感应电流，载流导体受到与转子惯性方向相反的电磁力使电机迅速停转。能耗制动常用于生产机械中的各种机床制动。5.3.3三相异步电动机的制动1.能耗制动272.反接制动n0NSnF＋把与电源相连接的三根火线任意两根的位置对调，使旋转磁场反向旋转，产生制动转矩。电动机由于惯性仍在运转。转子导体切割反向旋转磁场感应电流，载流导体受到与转子惯性方向相反的电磁力使电机迅速停转。反接制动适用于中型车床和铣床的主轴制动。ABM~3C3.再生发电制动n0=0NSnF＋起重机快速下放重物，使重物拖动转子出现n>n0情况时，电动机处于发电状态，此时在转子导体中感应电流，感应电流的方向与原电流方向相反，因此产生的电磁转矩方向也相反，这种制动称为再生发电制动。2.反接制动n0NSnF＋把与电源相连接的三根火线任意两根285.4常用控制电器5.4.1常用低压电器1．开关电器HK系列瓷底胶盖刀开关图符号及外形图组合开关图符号及外形图组合开关内部解剖图刀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。5.4常用控制电器5.4.1常用低压电器1．开关电器29断路器（自动空气开关）简介断路器产品外形图UVW弹簧主触头搭钩电磁脱扣器欠电压脱扣器热脱扣器

DZ型低压断路器工作原理图

低压断路器的三副主触头串联在被保护的三相主电路中，由于搭钩钩住弹簧，使主触头保持闭合状态。当线路正常工作时，电磁脱扣器中线圈所产生的吸力不能将它的衔铁吸合。如果线路发生短路和产生较大过电流时，电磁脱扣器中线圈所产生的吸力增大，将衔铁吸合，并撞击杠杆，把搭钩顶上去，在弹簧的作用下切断主触头，实现了短路保护。如果线路上电压下降或失去电压时，欠电压脱扣器的吸力减小或失去吸力，衔铁被弹簧拉开，撞击杠杆，把搭钩顶开，切断主触头，实现了过载保护。

工作原理断路器（自动空气开关）简介断路器产品外形图UVW弹簧主触头搭30熔断器简介熔断器产品外形图熔断器简称保险丝，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。①一般照明电路，熔体IN>IL；熔断器熔体选用的原则②单台电动机：熔体IN>（1.5～2.5）IL；③多台电动机：熔体IN≥（1.5～2.5）倍最大电机IN加其余电机的额定电流。图符号FU熔断器简介熔断器产品外形图熔断器简称保险丝，是最简单有效的短31触头系统电磁系统交流接触器简介接触器结构组成及作用：交流接触器结构原理图铁芯、衔铁通电线圈三对主触头：控制主电路的通、断.两对辅助常开触头、两对辅助常闭触头：自锁和互锁交流接触器产品外形图触头系统电磁系统交流接触器简介接触器结构组成及作用：交流接触32

发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被烤热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，扣板被弹簧拉回，常闭触头断开。热继电器简介热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路以保护电器的设备。热继电器产品图结构原理图和图符号工作原理：发热元件I常闭触头双金属片扣板发热元件常闭触头FRFR发热元件串接在主电路中；常闭触点串接在控制电路中发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属33线圈通电衔铁吸合（向下）连杆动作触头动作时间继电器简介结构原理图时间继电器产品外形图通电延时：当线圈通电时触头延时动作，线圈断电时使触头瞬时复位；断电延时：线圈断电时使触头延时复位，线圈通电时使触头瞬时动作。线圈衔铁调整螺钉延时打开触头延时闭合触头气室时间继电器是电路中控制动作时间的设备。它利用电磁原理来实现触头的延时接通和断开。线圈通电衔铁吸合（向下）连杆动作34时间继电器触头类型断电式常闭断电后延时闭合常开断电后延时断开通电式瞬时动作延时动作常闭触点常开触点常开通电后延时闭合常闭通电后延时断开时间继电器触头类型断电式常闭常开35控制按钮简介结构原理图及图符号控制按钮产品外形图控制按钮是一种结构简单，应用广泛的主令电器。控制按钮由按钮帽、复位弹簧桥式触点和外壳构成。动触点和上面的静触点组成常闭；和下面的静触点组成常开。按下按钮，常闭触点断开、常开触点闭合；松开按钮，在弹簧作用下各触点恢复原态。常开(动合)按钮电路符号SB常闭(动断)按钮SB电路符号复合按钮SB电路符号控制按钮简介结构原理图及图符号控制按钮产品外形图控制按钮是一36位置开关（行程开关）简介结构原理图及图符号位置开关产品外形图位置开关又称行程开关或限位开关，其作用是将机械位移转换成电信号，使电动机运行状态发生改变，即按一定行程自动停车、反转、变速或循环。工作原理：当运动机构的挡铁压到位置开关的滚轮上时，转动杠杆连同转轴一起转动，凸轮撞动撞块使得常闭触点断开，常开触点闭合；挡铁移开后，复位弹簧使其复位。STST位置开关（行程开关）简介结构原理图及图符号位置开关产品外形图375.4.2常用高压控制电器简介高压断路器产品外形图高压隔离开关产品外形图高压断路器是既能接通和断开高压线路的工作电流，又能自动切断短路电流的高压开关设备。工作原理：

在同一高压电路中，高压隔离开关与高压断路器串联配合操作：接通电路时，必须先合上高压隔离开关，再合高压断路器；断开电路时，必须先断开高压断路器，切断工作电流后，再打开高压隔离开关。高压隔离开关是用来将高压电路中需停电的部分与带电部分可靠地分离开来，并留有间隙，以保证停电时检修人员的安全。5.4.2常用高压控制电器简介高压断路器产品外形图高压隔38主触头：检验学习结果组合开关用于三相异步电动机控制时，额定电流应如何选择？低压断路器有哪些保护功能？热继电器的作用？其常闭触点应串联接在电路的哪个部分？接触器主要有哪几个部分组成？各部分图符号如何表示？额定电流一般选择为电动机额定电流值的1.5～2.5倍。答案在书中找低压断路器具有短路保护、过载保护、断电保护及欠压保护等功能。热继电器在电路中起过载保护作用，其常闭触点应串联接在控制电路中，与接触器的线圈相串联。接触器主要有触头部分和电磁部分组成：辅助常开：辅助常闭：线圈KMKMKMKM主触头串接在主电路中；辅助触头与线圈接在控制电路中。主触头：检验学习结果组合开关用于三相异步电动机控制时，额定电395.5电气控制电路1.点动控制电路B'C'KMSB动作过程按下按钮（SB）→线圈

（KM）通电→主触头（KM）闭合→电机转动；

控制电路主电路M3~L1KMFUQSL2L3松开按钮（SB）→线圈

（KM）断电→主触头（KM）打开→电机停转。

5.5电气控制电路1.点动控制电路B'C'KMSB动402.电动机单向连续运转控制电路控制过程按下按钮（SB2）→线圈

（KM）通电→KM主触头闭合，辅助常开闭合自锁→电动机连续运转；控制电路主电路M3~L1KMFUQSL2L3按下停止按钮（SB1）→线圈

（KM）断电→KM主触头/辅助触头均打开→电动机停转。

B'C'自保持KMSB1起动按钮停车按钮KMSB22.电动机单向连续运转控制电路控制过程按下按钮（SB2）41简单的接触器控制原理L1L2L3M3~刀闸起隔离作用辅助常开自锁停止按钮接常闭起动按钮接常开三对主触头主电路通断复位弹簧衔铁铁芯通电线圈简单的接触器控制原理L1L2L3M刀闸起隔离作用辅助常开自锁42M3~L1L2L3KMFUQSFR电流成回路，只要接两相就可以了。发热元件热继电器常闭触头KMSB1KMSB2FR电动机单向连续运转加过载保护控制电路主电路控制电路ML1L2L3KMFUQSFR电流成回路，只要发热元件热继电43

下面控制电路能否实现既能点动、又能连续运行思考不能点动！KMSB1KMSB2FRSB3下面控制电路能否实现既能点动、思考不能点动！443.电动机正、反转控制电路SB2和SB3不能同时按下，否则会造成短路！KM2M3~L1L2L3KM1FUQSFRKM1KM1SB1SB2FRKM2KM2SB3主电路SB2KM1线圈得电KM1常开闭合自锁电动机正转；SB1电动机停转。操作过程：SB3KM2线圈得电KM2常开闭合自锁电动机反转；SB1电动机停转。控制电路3.电动机正、反转控制电路SB2和SB3不能同时按下，否45上述正、反转控制电路有何问题？如何改进控制电路，从而避免上述情况发生？很容易在电动机正转时按下反转按钮或在电动机反转时按下正转按钮，由此可造成两相短路！在正、反转控制电路中串联上正、反转接触器的互锁常闭触头可以避免两相短路：KM1