项目4 交流电动机及其应用

项目4交流电动机及其应用项目4交流电动机及其应用任务分析3相关知识4任务实施5归纳总结6学习目标1任务提出2学习目标(1)了解三相异步电动机的基本结构，理解转动原理、机械特性和经济运行，掌握启动和反转的方法，理解调速和制动的方法及原理。(2)理解三相异步电动机的铭牌数据的意义。(3)了解单相异步电动机和同步电动机的构造、原理、特性和用途。电动机是实现能量转换和信号转换的电磁装置，用作能量转换的电动机称为动力电动机。用作信号转换的电动机称为控制电动机。在动力电动机中，将机械能转换成电能的称为发电机；将电能转换为机械能的称为电动机。学习目标与其他电动机相比，异步电动机结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，易于实现自动控制和远距离操纵，简化生产机械的结构，提高劳动生产率和产品质量，降低劳动强度，因而获得了极为广泛的应用。电动机中以三相异步电动机应用最广，异步电动机的总容量约占各种电动机总容量的85%左右。异步电动机和变压器相似，都是利用电磁现象进行能量的转换和传递。其主要区别在于“动”和“静”，在学习过程中注意加以对照。任务提出

汽车发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时(怠速以上)，向所有用电设备(起动机除外)供电，同时向蓄电池充电。那么汽车发电机如何组成？如何拆装呢？任务分析

汽车发电机随着汽车技术的进步，汽车的用电量越来越高。汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰，目前所有汽车均采用交流发电机。我们就需要掌握交流电机的相关知识。相关知识任务4.1三相异步电动机的基本结构任务4.2三相异步电动机的工作原理任务4.3常用控制电器任务4.4三相异步电动机的机械特性任务4.5三相异步电动机的运行任务4.6三相异步电动机基本控制电路任务4.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机主要是由定子和转子两大部分组成，这两部分之间由气隙隔开。根据转子结构的不同，分为笼型和绕线型两种。如图4-1所示为三相笼型异步电动机的结构。图4-1三相笼型异步电动机结构图1-轴承；2-前端盖；3-转轴；4-接线盒；5-吊环；6-定子铁心；7-转子；8-定子绕组；9-机座；10-后端盖；11-风罩；12-风扇

任务4.1三相异步电动机的基本结构定子是由机壳(包括机座和端盖)、定子铁芯和定子绕组3部分组成。定子的作用是产生旋转磁场，并与转子构成磁的通路。1定子转子由转轴、转子铁芯和转子绕组3部分组成。转子在电磁力作用下产生电磁转矩使转子转动。

气隙、定子铁芯、转子铁芯构成电动机完整的磁路部分。2转子相关知识任务4.1三相异步电动机的基本结构任务4.2三相异步电动机的工作原理任务4.3常用控制电器任务4.4三相异步电动机的机械特性任务4.5三相异步电动机的运行任务4.6三相异步电动机基本控制电路任务4.2三相异步电动机的工作原理旋转磁场的概念1三相异步电动机的工作原理24.2.1.1三相绕组通过三相交流电流产生的旋转磁场图4-2三相绕组通过三相交流电流产生的两极旋转磁场(a)简化的三相绕组分布图；(b)按星形连接的三相绕组接通三相电源；(c)三相对称电流的波形图；(d)二极绕组的旋转磁场4.2.1.1三相绕组通过三相交流电流产生的旋转磁场将一组三相绕组沿铁芯内圆表面均匀分布，各相绕组互差120°，三相绕组的尾端U2、V2、W2接成星形联结，U1、V1、W1接电源，如图4-2(a)、(b)所示。绕组通过交流电流，电流的波形如图4-2(c)所示。U相电流先达到最大值，经过T/3的时间，V相达到最大值，再经过T/3的时间，W相达到最大值。设定达到正的最大值的一相电流(U相)是从首端(U1)流进(用符号表示)，尾端(U2)流出(用符号⊙表示)，其他两相(V、W)均为负的1/2最大值，电流是从尾端流进，首端流出，如图4-2(d)所示4.2.1.1三相绕组通过三相交流电流产生的旋转磁场按照右手螺旋定则可画出磁力线方向(即磁场方向)；经过T/3时间，V相达到最大值，电流从V1端流进，V2端流出。其他两相与之相反，画出磁力线与U相达最大值时比较，磁场沿U、V、W的方向旋转120°；电流经过T/3的时间，W相达到最大值，电流从W1端流进，W2端流出，其他两相与之相反，画出磁力线与V相达最大值时比较，磁场沿U、V、W的方向又旋转了120°；再经过T/3的时间，又重复了前面分析的状态。一相绕组通过一相交流电流产生的磁场，就像一个两极圆形磁铁的空间旋转一样。4.2.1.2两组三相线圈通过三相交流电流产生四极旋转磁场图4-3三相绕组通过三相交流电流产生的四极旋转磁场(a)简化的三相绕组分布图；(b)按星形连接的三相绕组接通三相电源；(c)三相对称电流的波形图；(d)四极绕组的旋转磁场

4.2.1.2两组三相线圈通过三相交流电流产生四极旋转磁场将两组三相线圈按照每组三相线圈沿铁芯内圆表面占1/2均匀分布，各相线圈互差60°，如图4-3(a)所示。同一相的两个线圈串联连接，如图4-3(b)所示。当U相电流达到正的最大值时，电流从U1、U2端流入，

U1´、U2´端流出，V、W相电流均为负的量1/2最大值，电流方向与U相相反，按照右手螺旋定则画出的磁场是一个四极磁场(磁极对数p=2)；经过T/3时间，V相达到正的最大值，电流从V1、V2端流入，

V1´、V2´端流出，其他两相均达到负的1/2最大值，电流方向与V相相反，画出磁力线与U相电流达最大值时相比较，磁场沿着U-V相序方向旋转了60°；再经过T/3的时间，W相电流又达到正的最大值，所得的结果是磁场沿着U-V-W相序方向又旋转了60°，如图4-3(c)、(d)所示。再经过T/3的时间，又重复了前面的分析状态。4.2.1.3三相绕组产生旋转磁场的基本规律根据上述分析，可以归纳三相绕组通过三相交流电流所产生磁场的规律：(1)

旋转磁场的磁极对数与每一相的绕组数有关(2)

旋转磁场每分钟的转速用n1表示，称为同步转速，与交流电的频率f成正比，与绕组的磁极对数成反比，即 n1=60f/p(3)由右手螺旋定则判定磁场的方向，总是与达到正的最大值的那一相绕组轴线的方向是一致的。(4)旋转磁场的旋转方向取决于绕组中电流的方向。因此，要改变旋转磁场的旋转方向，只要改变电流的相序即可。4.2.2三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理如图4-4所示。三相异步电动机的定子绕组，通入三相对称交流电流，便产生旋转磁场，其转速为同步转速，即n1=60f/p。图4-4三相异步电动机的工作原理4.2.2三相异步电动机的工作原理

转子有一闭合绕组，由于旋转磁场与转子绕组存在相对运动，旋转磁场切割转子绕组，在转子绕组中便产生感应电动势，即有感应电流流过。转子绕组感应电动势的方向由右手螺旋定则确定，若略去转子绕组电抗，则感应电势的方向即是感应电流的方向。转子中的感应电流与旋转磁场相互作用，在转子上产生电磁力F，电磁力的方向用左手螺旋定则判定。电磁力所形成的电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场的方向转动。工作原理4.2.2三相异步电动机的工作原理转子转动的方向与旋转磁场的方向相同，但两者的转速不相同。转子的转速称为转子转速，用n表示。n总是小于n1，因为n与n1如果相同，转子绕组与旋转磁场就没有相对运动，转子绕组中就不会感应出电势和电流，这样转子不会受到电磁转矩的作用，当然不会继续转动。n不会大于n1，否则电动机将变成发电机运行。由此可见，异步电动机转子的转速n总是和同步转速n1存在一定差别，“异步”因而得名。n和n1的差异是异步电动机产生电磁转矩的必要条件。转子的转速n与同步转速n1的差异引出了转差率的概念，即转子的转速n与同步转速n1之差(△n=n－n1)称为转差；转差与同步转速的比值称为转差率，用S表示，即

S=(n－n1)/n1 (4-2)相关知识任务4.1三相异步电动机的基本结构任务4.2三相异步电动机的工作原理任务4.3常用控制电器任务4.4三相异步电动机的机械特性任务4.5三相异步电动机的运行任务4.6三相异步电动机基本控制电路任务4.3常用控制电器控制电器是指对电动机和生产机械实现保护和控制作用的电工设备。它分为手动和自动两种，前者是由运行人员用手直接操作来进行切换的，如刀开关、按钮等；后者是指在完成接通、断开、启动、反向和停止等动作是自动进行的，如接触器、继电器等。下面对几种常用控制电器作简要介绍。4.3.1刀开关4.3.3按钮4.3.5熔断器4.3.2组合开关4.3.4空气断路器4.3.6交流接触器4.3.8中间继电器4.3.7热继电器4.3.1刀开关低压刀开关又称闸刀开关，是一种用来接通或切断电路的手动低压开关。用低压刀开关来接通和切断电路的时候，在刀刃和夹座之间会产生电弧。电路的电压越高，电流越大，电弧就越大。电弧会烧坏闸刀，严重时还会伤人。所以低压刀开关一般用于电流在500A以下，电压在1500V以下的不常开闭的线路中。低压刀开关的种类很多，常用的有开启式负荷开关、铁壳开关和板形刀开关。开启式负荷开关就是通常所说的胶木闸刀开关，其结构和图形符号如图4-5所示。图4-5

KH系列闸刀开关及图形符号4.3.2组合开关组合开关又称转换开关，它的结构与上述刀开关不同，通过驱动转轴实现触头的闭合与分断，也是一种手动控制开关。转换开关通断能力较低，一般用于小容量电动机的直接启动、电动机的正反转控制及机床照明控制电路中。它结构紧凑、体积小、操作方便。如图4-6所示为HZ10-10/3型转换开关的结构示意图及图形符号。它有三对静触片，分别装在三层绝缘垫板上，并分别与接线柱相连，以便和电源、用电设备相接。图4-6

HZ10-10/3组合开关及图形符号4.3.3按钮控制按钮是一种结构简单、使用广泛的手动主令电器，它可以与接触器或继电器配合，对电动机实现远距离的自动控制，用于实现控制线路的电气联锁。如图4-7所示，控制按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，通常做成复合式，即具有常闭触点和常开触点。图4-7按钮结构示意图1－按钮帽；2－复位弹簧；3－动触点；4－常开静触点；5－常闭静触点；按钮触点的接触面积比较小，其额定电流一般只有5A

4.3.4空气断路器空气断路器也称为自动空气开关，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁启动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。空气断路器由操作机构、触点、保护装置(各种脱扣器)、灭弧系统等组成，如图4-8所示。图4-8空气断路器工作原理图4.3.5熔断器熔断器是一种简单而有效的保护电器，在电路中主要起过载和短路保护作用。保险丝就是一种最简单的熔断器。熔断器主要由熔体和安装熔体的绝缘管(绝缘座)组成。使用时，熔体串接于被保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。熔断器种类很多，常用的有3种：插入式熔断器、螺旋式熔断器和封闭管式熔断器，如图4-9所示。熔断器的选用，除了根据应用场合选择适当的结构形式外，主要是选择熔体的额定电流。4.3.5熔断器图4-9熔断器(a)管式；(b)插式；(c)螺旋式4.3.5熔断器熔体的额定电流可按以下方法选择。保护无启动过程的平稳负载，如照明线路、电阻、电炉等，熔体额定电流略大于或等于负荷电路中的额定电流。1保护单台长期工作的电动机熔体电流可按最大启动电流选取，也可按下式选取

IRN≥(1.5～2.5)IN (4-3)2保护多台长期工作的电动机(供电干线)

IRN≥(1.5～2.5)INmax+ΣIN (4-4)34.3.6交流接触器接触器是一种用来频繁地接通或切断负载主电路和大容量控制电路、便于实现远距离控制的自动切换电器。一般情况下接触器是用按钮操作的，在自动控制系统中也可用继电器、限位开关或其他控制元件组成自动控制电路以实现控制。接触器除前述功能外，还具有失压或欠压保护作用。接触器按其所控制的电流种类划分为交流和直流两种，交流接触器主要用于工频50Hz和60Hz的电路。无论是交流还是直流接触器，它们主要由电磁机构、触头系统和灭弧装置等组成，如图4-10所示。4.3.6交流接触器图4-10

CJ系列交流接触器(a)外形和结构；(b)线圈与触头的电气符号1-灭弧罩；2-触头压力弹簧片；3-主触头；4-反作用弹簧；5-线圈；6-短路环；7-静铁芯；8-缓冲弹簧；9-动铁芯；10-辅助常开触头；11-辅助常闭触头

4.3.7热继电器热继电器是一种应用广泛的保护性低压控制电器。它是利用电流通过热元件所产生的热效应反时限动作电器，如图4-11所示。当负载电流超过允许值时，反映被保护设备工作状态的热继电器便会动作、切断电路，从而对电气设备起过负荷保护作用。此外，它也可以对其他电气设备的发热状态进行控制。图4-11热继电器(a)外形；(b)电气符号4.3.7热继电器热继电器按动作原理可分为以下两种。选用热继电器时，应根据负载(电动机)的额定电流来确定其型号和加热元件的电流等级。(1)双金属片式利用两种热膨胀系数不同的金属(常为锰镍与铜板)轧制成双金属片，受热后发生弯曲，从而推动机构使触头闭合进而切断电路。(2)热敏电阻式它是利用某种材料的电阻值随温度变化的物理性能而制成的。4.3.8中间继电器选用中间继电器时，主要根据控制电路的电压和控制的需要来选择线圈额定电压等级和触点(动合和动断)数目。中间继电器的结构与动作原理与交流接触器相似，都是由电磁系统和触点系统组成，所不同的是其容量小些，触点数多些(可多达8对)，它也有动合和动断触点，但没有主、辅触点之分，也没有灭弧装置。在继电—接触器控制电路中，为解决接触器触点少的矛盾，而采用触点多、容量相对较大的中间继电器，用它作为中间环节，用以信号传递与转换，或同时控制多个电路，对小容量电动机(额定电流小于5A)也可代替接触器作为接通和切断电源用。相关知识任务4.1三相异步电动机的基本结构任务4.2三相异步电动机的工作原理任务4.3常用控制电器任务4.4三相异步电动机的机械特性任务4.5三相异步电动机的运行任务4.6三相异步电动机基本控制电路任务4.4三相异步电动机的机械特性异步电动机电磁转矩—转差率特性(转矩特性)T=f(s)只是间接反映了电动机电磁转矩和转速间的关系，使用不便，电力拖动中往往采用电磁转矩和转速间的关系曲线n=f(T)，即所谓异步电动机的机械特性。任务4.4三相异步电动机的机械特性如果定子电压和频率都保持为额定值，而且若是绕线式异步电动机，则其转子电路中不另外串联电阻或电抗，这时的转矩特性和机械特性称为固有转矩特性和固有机械特性，简称固有特性，否则称为人为特性。4.4.1固有特性4.4.2人为特性4.4.3三相异步电动机的铭牌数据4.4.1固有特性电动机制成之后，同步转速n1=60f1/p在给定频率下是个定值，因此电动机的转速n和转差率S之间存在简单的数量对应关系为根据上述对应关系可由T=f(s)的转矩特性直接获得电动机的机械特性曲线n=f(T)，只须将曲线T=f(s)的横轴S坐标换为对应的转速为n，继而将整个坐标系连同曲线顺时针转动90°即可。三相异步电动机的固有特性如图4-12所示。在转矩特性的OM段和机械特性的n1M段，S增加时，T增加，n减小；在转矩特性的MS段和机械特性的MS段，S增加时，T减小，n减小。4.4.1固有特性图4-12三相异步电动机的固有特性4.4.1固有特性因有特性上的N、M和S三个特殊的工作点代表了三相异步电动机的三个重要的工作状态。4.4.1.1额定状态4.4.1.2临界状态4.4.1.3启动状态4.4.1.1额定状态长期运行时电动机的工作范围应在固有转矩特性的ON和固有机械特性的n1N段，称稳定运行区，T增大、n减小的机械特性称为硬特性。SN为额定转差率；nN为额定转速；TN为额定转矩。实际选用电动机时，应考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据过载系数求出电动机最大转矩，额定转矩是电动机在额定负载时的转矩，它可由电动机铭牌所标的额定输出功率PN(W)和额定转速nN(转/分)求得。4.4.1.2临界状态这是电动机的电磁转矩等于最大值时的状态，工作点在特性曲线上的M，这时的电磁转矩TM称为最大转矩，SM为临界转差率，nM为临界转速。

(X2为转子静止时的电抗)堵转时，S=1，转子与旋转磁场的相对运动速度最大，因而电流要比额定电流大得多，时间一长，电动机会严重过热，甚至烧坏。因此，电动机的最大转矩TM和额定转矩TN之比KM称为过载系数。它反映了电动机的过载能力。

，Y系列三相异步电动机

。4.4.1.3启动状态这是电动机刚接通电源，转子尚未工作时的状态，工作点在特性曲线上的S点。这时的转差率S=1，转速n=0，对应的电磁转矩TS称为启动转矩。定子线电流用IS表示，称为启动电流。启动状态说明了电动机的直接启动能力，因为只有在TS﹥TL时，电动机才能启动起来。TS大，电动机才能重载启动；TS小，电动机只能轻载，甚至空载启动。因此，通常用启动转矩TS和额定转矩TN的比值来说明异步电动机的直接启动能力，用KS表示，即KS=TS/TN直接启动时，启动电流远大于额定电流，这也是直接启动应予以考虑的问题，电动机的启动电流IS与额定电流IN的比值用KI表示，即Y系列三相异步电动机的

。4.4.2人为特性定子电压降低人为特性1转子电阻增加时的人为特性24.4.2.1定子电压降低人为特性由于临界转差率和临界转速与电压无关而转矩是正比于电压的平方的，因此电压降低后的人为特性如图4-13所示。图4-13电压降低后的人为特性4.4.2.2转子电阻增加时的人为特性由于临界转差率Sm正比于转子电阻R2，(Sm=R2/X20)最大转矩TM却与转子电阻R2无关。因此，绕线式异步电动机在转子电路中串入电阻时的人为特性如图4-14所示，转子电阻增加后，TS的大小则与R2和X2的相对大小有关。(1)当R2<X2时，SM<1，R2增大，TS增大。(2)当R2=X2时，SM=1，TS=TM，此时的启动转矩最大。(3)当R2>X2时，SM>1，R2增加时，启动转矩TS减小。图4-14转子电阻增加时的人为特性4.4.3三相异步电动机的铭牌数据异步电动机的铭牌是选择及正确使用电动机的依据，要能明了铭牌各项数据的意义。型号表示电动机的种类和形式。注意“-”后最后一位数据为磁极数，不是磁极对数。1型号额定功率指在额定运行状态下电动机转轴上输出的机械功率，记为

或

，它不是电动机从电源吸收的电功率

，额定功率又称容量，单位为kW。2额定功率PN

4.4.3三相异步电动机的铭牌数据电动机在正常运行时，定子三相绕组所接线电压，实际运行时，定子绕组外接线电压不得超过额定值的5%。1)电压过低2)电压过高3)额定电流IN4)额定频率fN

5)额定转速nN

6)额定功率因数λN

7)绝缘等级IN绕线式异步电动机的铭牌上，除了上述额定数据外，还标有转子绕组的额定电流和转子绕组开路时的额定线电压。除铭牌数据外，还有ηN，KM，KS和KI等都是电动机的重要技术数据，它们可以从产品目录或电工手册中查到。3额定电压UN相关知识任务4.1三相异步电动机的基本结构任务4.2三相异步电动机的工作原理任务4.3常用控制电器任务4.4三相异步电动机的机械特性任务4.5三相异步电动机的运行任务4.6三相异步电动机基本控制电路任务4.5三相异步电动机的运行

电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行的过程称为启动过程，三相异步电动机有多种起步方法。在选择何种起步方法时，要考虑启动性能。异步电动机的启动性能包括启动电流、启动转矩、启动时间和启动可靠性等。其中人们最关注的是启动电流和启动转矩。任务4.5三相异步电动机的运行实际生产中，电动机往往要经常启动，停车。其启动性能的影响就不容忽视。1要有足够的启动转矩。TS必须大于TL

，电动机才能拖动负载一起启动，而且两者差值越大，启动过程所需时间就越少，有利于提高劳动生产率。启动转矩过小时，势必延长启动时间或根本无法启动。2需要限制启动电流，因为IS远大于IN，频繁启动的电动机，大的启动电流所产生热量会积累而导致温升过高，大的启动电流会引起线路电压跌落而影响周围其他用电设备的正常工作，而且会延长电动机本身的启动时间。4.5.1笼式异步电动机的启动一般情况下总希望启动电流小些，启动转矩大些，故必须选择适当的启动方法。4.5.1.2减压启动若电动机启动电流过大或电动机启动频繁，为减小启动电流常采用降压启动，降压启动在减小启动电流的同时，启动转矩显著减小，故只用于轻载或空载启动，待启动结束后，再恢复全压运转。1．Y-△换接启动2．自耦减压启动4.5.1.1直接(全压)启动直接启动就是将电动机的定子绕组直接加上额定电压启动。此法简便，启动迅速，无须专用的启动设备，是小型笼式异步电动机常用的启动方法。1．Y-△换接启动正常运行时定子绕组为三角形接法的电动机，在启动时将定子绕组改接为星形，启动后再还原为三角形，则启动电流和启动转矩均为三角形启动时的1/3。设定子绕组在启动时(n=0，S=1)各相等效阻抗为Z。Y-△启动(定子绕组接成星形)与直接启动(定子绕组接成三角形)相比较，设电源电压为

则有定子线电压定子相电压1．Y-△换接启动启动相电流启动线电流启动转矩Y-△换接启动设备简单，维护方便，动作可靠，故获得广泛应用。2．自耦减压启动自耦减压启动又称自耦变压器启动或补偿器启动。这种启动方法既适用于正常运行时联结成三角形的电动机，也适用于联结成星形的电动机。正常运行时定子绕组为星形接法的异步电动机，可利用三相自耦变压器在启动时将电动机的定子电压(外接电源电压)降低，启动后再切除自耦变压器，将电压恢复到额定值。如果三相自耦变压器Tr，每相绕组备有一个或多个抽头，每个抽头的降压比为

，自耦变压器启动下标a、b代表直接启动。定子线电压2．自耦减压启动定子相电压电动机启动相电流电动机启动线电流电流供给线电流启动转矩4.5.2绕线式异步电动机的启动三相绕线式异步电动机启动时，转子回路串接适当的三相对称电阻，既能限制启动电流，又能增大启动转矩，且能使启动转矩等于最大转矩。启动结束后，可以切除外串电阻，电动机的效率不受影响。对于重载和频繁启动的生产机械，三相鼠笼式异步电动机难以满足要求时，才选用三相绕线式异步电动机。因为，绕线式异步电动机与鼠笼式异步电动机相比较，结构较复杂，控制维护较困难，制造成本较高，价格较贵。转子电路串联电阻启动1转子电路串联变阻器频敏启动24.5.2.1转子电路串联电阻启动对绕线式电动机可在转子每相绕组中串入适当大小的相同电阻(称启动电阻)进行启动。随着转速上升逐段切除启动电阻，转速接近额定值时，完全切除启动电阻，直接短接转子各相绕组，投入正常运行。(1)其他条件不变，启动电阻的串入将使转子电流减小，从而使定子相电流减小，达到减小启动电流的目的。(2)由异步电动机的机械特性可知，适当地串接启动电阻可使启动转矩增大。4.5.2.1转子电路串联电阻启动绕线式三相异步电动机转子串电阻两极启动接线原理图及机械特性如图4-15所示。在图4-15(a)中，R为转子串联总电阻，R1和R2为分级启动电阻，1K、2K为开关。启动前，1K、2K断开，电动机启动时接通三相电源，启动电阻R=R′+R″全部接入转子回路。图4-15(b)为对应的机械特性。图中T1为启动转矩，T2为切换转矩，T1和T2均大于TZ。图4-15绕线式异步电动机转子串电阻分极启动(a)接线原理图；(b)机械特性4.5.2.2转子电路串联变阻器频敏启动转子串频敏变阻器启动的三相绕线式异步电动机接线原理图如图4-16所示，启动开始，开关K断开，电动机转子串入频敏变阻器启动。电动机转速达到稳定值后，开关K接通，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。图4-16绕线式三相异步电动机4.5.2.2转子电路串联变阻器频敏启动频敏变阻器是一个三相铁芯线圈，它的铁芯由实心铁板或钢板叠成，板的厚度为30～50mm时，称为板式铁芯结构；它的铁芯由厚壁钢板制成的铁芯发和上下层厚钢板制成的铁轭组成时，称为发式铁芯结构。频敏变阻器每一相的等值电路图如图4-17所示。图4-17敏频变阻器的等值电路图4.5.2.2转子电路串联变阻器频敏启动图中忽略了每相绕组的漏阻抗x1，r1为每相绕组的电阻，xp为频敏变阻器的等值电抗，rp为频敏变阻器的等值电阻。由于频敏变阻器的磁密取得较高，铁芯处于饱和状态，励磁电流较大，则xp较小；而铁芯较厚，滞涡流损耗较大，则rp较大。频敏变阻器的工作原理：转子回路串频敏变阻器启动过程是随着转子回路频率

的降低，频敏变阻器的阻抗

自动减小的过程，从而启动过程中，既限制了启动电流，又得到较大的启动转矩。其工作过程如下所述。相关知识任务4.1三相异步电动机的基本结构任务4.2三相异步电动机的工作原理任务4.3常用控制电器任务4.4三相异步电动机的机械特性任务4.5三相异步电动机的运行任务4.6三相异步电动机基本控制电路任务4.6三相异步电动机基本控制电路由于不同生产机械的工作性质和加工工艺不同，使得它们对电动机的控制要求不同。在以电动机为动力的生产机械中，要根据生产过程的要求对电动机进行启动、停止、正转或反转、调速及制动等方面的控制。对电动机的控制常要用到开关、继电器及接触器等控制电器组成的控制电路——这种控制电路称为继电接触器控制系统。任务4.6三相异步电动机基本控制电路4.6.1直接启动控制4.6.2行程控制4.6.3时间控制4.6.4正反转控制电路4.6.5

PLC控制4.6.1直接启动控制电动机接上电源，转速由零开始增大，直至稳定运转状态的过程，称为启动过程。对电动机启动的要求是：启动电流小，启动转矩大，启动时间短。异步电动机的启动问题是它在运行中的一个特殊问题。常用的方法有全压直接启动、自耦减压启动、Y-△启动、软启动和变频启动等。下面以鼠笼式异步电动机为例介绍几种常用的启动方式。4.6.1直接启动控制1直接启动(全压启动)2在定子电路串联电抗器(或电阻)启动3自耦变压器降压启动4星形—三角形联结启动4.6.1.1直接启动(全压启动)在电网和负载两方面都允许全压直接启动的情况下，鼠笼式异步电动机仍以直接启动为宜。这种启动方法是电动机经过开关或接触器，将电源电压直接加在定子绕组上。其接线优点是减少设备投资和维护费，操作简便；缺点是启动电流大，引起电压波动大。直接启动方法的应用，主要受供电变压器容量的限制。不经常启动的电动机，容量不宜超过变压器容量的30%；经常启动的电动机，容量不宜超过变压器容量的20%。4.6.1.2在定子电路串联电抗器(或电阻)启动定子电路串联电抗器的启动原理接线如图4-18所示。启动时，合上开关K1，并将开关K2合向“启动”位置，由于启动电流通过电抗器产生电压降，降低了加在定子绕组上的电压，从而使启动电流减小。待电动机转速稳定后，将开关K2合向“运行”位置切除电抗器，电动机在额定电压下运转。利用这种方法启动，如果启动电压降低为U/K，则启动电流降低为全压启动的1/K，启动转矩则降为全压启动时启动转矩的1/K2。图4-18定子电路中串联电抗器的启动原理接线4.6.1.3自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动简称为减压启动，原理接线如图4-19所示。启动时合上开关K1，并将开关K2合向“启动”位置，使定子绕组与自耦变压器低压端接通，降低启动电压，待电动机转速稳定后，将开关K2合向“运行”位置切除自耦变压器，电动机在额定电压下运行。图4-19自耦变压器降压启动4.6.1.4星形—三角形联结启动正常运行时，定子绕组作三角形联结的电动机，可以采用启动时将绕组换接成星形的方式降低加在绕组上的电压，启动完毕再换接成三角形的降压启动方法，如图4-20所示。图4-20星形—三角形换接启动原理接线4.6.2行程控制行程控制，就是当运动部件到达一定位置时采用行程开关来进行控制。行程开关又称限位开关或位置开关。它是一种根据运动部件的行程位置而切换电路工作状态的控制电器。行程开关的动作原理与控制按钮相似，如图4-21所示是一种行程开关的结构示意图。图4-21行程开关结构示意图4.6.2行程控制如图4-22所示是用行程开关来控制工作台前进与后退的示意图和控制电路。行程开关STa和STb分别装在工作台的原位和终点，由装在工作台上的挡块来撞动。工作台由电动机M带动。电动机的主电路和图4-22(b)是一样的，控制电路也只是多了行程开关的三个触点。图4-22用行程开关控制工作台的前进与后退(a)示意图(b)控制电路4.6.3时间控制时间控制，就是采用时间继电器进行延时控制。例如，电动机的Y-△换接启动，先是Y联结，经过一定时间待转速上升到接近额定值时换成△联结。这就得用时间继电器来控制。在交流电路中常采用空气式继电器，如图4-23所示，它是利用空气阻尼作用而达到动作延时的目的。图4-23通电延时空气式继电器4.6.3时间控制如图4-24所示是应用时间继电器的三相笼型异步电动机Y-△换接启动控制电路。其中用了图4-23所示的通电延时时间继电器KT的两个触点：延时断开的常闭触点和瞬时闭合的常开触点。KM1、KM2、KM3是三个交流接触器。启动时KM3工作，电动机成Y联结；运行时KM2工作，电动机成△联结。图4-24三相笼型异步电动机Y-△换接启动控制电路4.6.4正反转控制电路为了实现正反转，根据三相异步电动机原理，只要将接到电源的任意两根线对调一头即可。为此，只要用两个交流接触器就能实现这一要求，如图4-25所示。当正转接触器KMF工作时，电动机正转；当反接接触器KMR工作时，由于调换了两根电源线，所以电动机反转。图4-25用两个接触器实现电动机的正反转4.6.4正反转控制电路如果两个接触器同时工作，由图4-25可以见到，将有两根电源线通过它们的主触点而将电源短路了。所以对正反转控制控制线路最根本的要求是：必须保证两个接触器不能同时工作。这种在同一时间里两个接触器只允许一个工作的控制作用称为互锁或联锁。为确保动作可靠，其控制线路具有联锁功能，通常有按钮联锁、接触器辅助触点联锁和由它们共同组合而成的双重联锁。现分别介绍如下。1、接触器联锁的正反转控制电路2、按钮联锁的正反转控制电路3、接触器与按钮复合联锁的正反转控制电路4.6.4.1接触器联锁的正反转控制电路如图4-26所示的主电路使用两只交流接触器KM1和KM2分别接通电动机的正向、反向运转时的电源，其中KM2通电时，是将电源L1、L3两相对调后接入电动机，故能实现反转控制。图4-26电动机的正、反转控制线路(接触器辅助触点联锁)4.6.4.1接触器联锁的正反转控制电路控制线路的动作过程如下。(1)正向启动合上刀开关QK，再接下SB1→KM1线圈得电→KM1动断辅助触点分断→实现联锁；KM1主触点闭合→电动机M得电正向启动、运行；KM1动合辅助触点闭合→实现自保持。(2)反向启动先按SB3→KM1线圈失电→KM1动合辅助触点复位→解除自保持；KM1主触点复位→电动机断电停运；KM1动断辅助触点复位→解除联锁。再按SB2→KM2线圈得电→KM2动断辅助触点分断→实现联锁；KM2主触点闭合→电动机M得电反向启动、运行；KM2动合辅助触点闭合→实现自保持。(3)停车按下SB3→KM线圈失电→KM主触点复位→电动机M断电停车，KM动合辅助触点复位解除自保持。4.6.4.2按钮联锁的正反转控制电路把图4-27中的正转按钮SB1和反转按钮SB2换成两个复合按钮，并使复合按钮的常闭触点代替接触器的常闭联锁触点，就构成了按钮联锁的正反转控制电路。正反转启动控制线路中的主电路使用两只交流接触器KM1和KM2，分别接通电动机的正向、反向运转的电源。其中KM2得电时，将电源的L1、L3两相对调后送入电动机，实现反转控制。图4-27电动机的正、反转控制线路(按钮联锁)4.6.4.2按钮联锁的正反转控制电路这种线路的优点是操作方便，缺点是容易产生电源两相短路故障。所以此线路工作欠安全可靠，在实际工作中，经常采用的是接触器与按钮复合联锁的正反转控制电路。这种控制线路的工作原理与接触器联锁的正反转控制电路的工作原理基本相似，只是电动机从正转改变为反转时，可直接按下反转按钮SB2即可实现，不必先按停止按钮SB3。4.6.4.3接触器与按钮复合联锁的正反转控制电路如图4-28所示为接触器与按钮复合联锁的正反转控制电路。其主电路与单联锁线路完全相同，辅助电路实际是前两种单联锁线路的组合，具有双重联锁的正、反向启动控制功能。图4-28接触器与按钮复合联锁的正反转控制电路4.6.4.3接触器与按钮复合联锁的正反转控制电路正向启动。合上刀开关QK，按下SB1→SB1动断触点先分断→实现联锁；SB1动合触点闭合→KM1线圈得电→KM1动断辅助触点分断→实现联锁；KM1动合辅助触点闭合→实现自保持；KM1主触点闭合→电动机M得电正向启动、运行。1反向启动。按下SB2→SB2动断触点先分断→KMl线圈失电→KM1动断辅助触点复位→解除联锁，KM1动合辅助触点复位→解除自保持，KM1主触点复位→电动机M失电停运；SB2动合触点闭合→KM2线圈得电→KM2动合辅助触点闭合→实现自保持，KM2主触点闭合→电动机M得电反向启动、运行，KM2动断辅助触点分断→实现联锁。2停车。按下SB3，整个控制电路失电，主触点分断，电动机M失电停转。34.6.5

PLC控制PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，简称为可编程控制器。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController(PC)。4.6.5

PLC控制PLC程序设计基础及应用4.PLC的指令系统3.PLC的I/O响应时间2.PLC的结构和工作原理1.4.6.5.1

PLC的结构和工作原理PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但其结构和工作原理则大同小异。1．基本结构从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块和电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。PLC的基本结构一般由主机(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口、电源、编程器、扩展接口和外部设备接口等几个主要部分组成，如图4-29所示。4.6.5.1

PLC的结构和工作原理图4-29

PLC的硬件系统结构图4.6.5.1

PLC的结构和工作原理2．工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的。1继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点(包括其常开或常闭触点)在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。2PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。4.6.5.1

PLC的结构和工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。输入采样阶段01用户程序执行阶段02输出刷新阶段034.6.5.2

PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式(扫描技术)。以上两个主要原因，使得PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。4.6.5.3

PLC的指令系统1．PLC的编程语言PLC中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能。下面主要介绍梯形图和布尔助记符两种基本程序设计语言。(1)梯形图(LadderDiagram)。(2)布尔助记符(BooleanMnemonic)。(1)梯形图(LadderDiagram)程序设计语言梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。

在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述，如用

、

表示PLC编程元件的常开触点和常闭触点，用[]或○表示它们的线圈。梯形图中的编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数字加以区别。(1)梯形图(LadderDiagram)在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于掌握和学习；3)与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流(PowerFLow)不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；4)与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。(2)布尔助记符(BooleanMnemonic)程序设计语言布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。布尔助记符程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功