第2章-三相交流异步电动机与拖动控制1

电机与电气控制案例教程

学习目标：1.认识各种低压电器2.认识各种交流电动机3.学会各种控制电路并能对电路故障进行诊断与维修第二章三相交流异步电动机与拖动控制2.1案例1：三相交流鼠笼式异步电动机的点动控制【案例说明】电动葫芦、地面操作的小型行车及某些机床辅助运动的电气控制都是通过单向点动控制线路实现的。也就是当生产机械需要做调整运动时，需要进行点动控制。2.1.1【解决方案】控制电路的实现

(b)主电路控制电路图2-1单向点动控制电路接触器和按钮组成的控制电路是目前广泛采用的电动机控制方式。该电路的特点：是采用了接触器控制，因此控制安全，达到了以小电流控制大电流的目的。由熔断器FU1和FU2实现短路保护将交流电能转换为机械能的装置叫交流电动机。2.1.2【知识进阶1】三相交流异步电动机的结构与基本原理异步电机同步电机

交流电机分类单相异步电动机三相异步电机主要用作电动机

1.三相异步电动机的结构组成部分：定子和转子。注意：各部分的组成作用。由铁心和绕组组成。

铁心：是由一片片的硅钢片加工成一定的形状，然后叠压成为铁心的。

绕组：有三相，称为三相对称交流绕组。绕组按照一定的尺寸绕制成形，并按照一定的规律嵌放在铁心槽中。1）.定子定子铁心的组成铁心由硅纲片叠成铁心中的槽与线圈导体铁心剖面图定子绕组的组成绕组展开图铁心与展开线鼠笼转子2）转子3）气隙异步电机的气隙比同容量直流电机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，一般为0.2~2.5mm。气隙大小对电机性能影响很大，气隙愈大则为建立磁场所需励磁电流就大，从而降低电机的功率因数。太小会使加工和装配困难，运转时定转子之间易发生扫膛。2.铭牌（1）型号我国生产的异步电动机的主要产品系列:（1）型号产

品

名

称

新代号

意义

老

代

号

异步电动机

Y

异

J、JO、JS、JK

绕线式异步电动机

YR

异

JR、JRO

高起动转矩异步电动

YQ

异起

JQ、JQO

多速异步电动机

YD

异多

JD、JDO

精密机床异步电动机

YJ

异精

JJO

大型绕线式高速异步电动机

YRK

异绕快

YRG

Y系列。YD系列是变极多速三相异步电动机。YR系列是三相绕线式异步电动机。YZ和YZR系列是起重和冶金用三相异步电动机。YB系列是防爆式鼠笼异步电动机。YCT系列是电磁调速异步电动机。（2）

额定值额定功率PN

额定运行时，轴上输出的机械功率，单位为kW额定电流IN电动机在额定电压下运行，输出功率达到额定值，流入定子绕组的线电流，单位为A。额定电压UN和接法

额定运行状态时，定子绕组应加的线电压，单位为V220D/380YV电源为380V时，电动机定子绕组用星型联结

电压为220V时，电动机定子绕组用三角形联结

注：无论是哪种接法上式计算功率的公式不变。额定频率fN

额定转速nN

加在电动机定子绕组上的允许频率。我国电力网的频率规定为50Hz。

电动机在额定电压、额定频率和额定输出的情况下。单位为r/min。绝缘等级

电动机内部所有绝缘材料允许的最高温度等级，它决定了电动机工作时允许的温升

绝缘耐热等级

A

E

B

F

H

C

允许最高温度/℃

105

120

130

155

180

180以上

允许最高温升/℃

65

80

90

115

140

140以上

Y系列

定额按电动机在额定运行时的持续时间，定额分为连续（S1）、短时（S2）及断续（S3）三种

防护等级

提示电动机防止杂物与水进入的能力。它是由外壳防护标志字母IP后跟2位具有特定含义的数字代码进行表定的

。防护等级（第一位数字）定义防护等级（第二位数字）定义0123456有专门的防护装置能防止直径大于50mm的固体侵入能防止直径大于12mm的固体侵入能防止直径大于2.5mm的固体侵入能防止直径大于1mm的固体侵入防尘完全防止灰尘进入壳内012345678无防护防止滴水侵入倾斜15°时仍可防止滴水防止喷洒的水侵入防止飞溅的水侵入防止喷射的水侵入防止大浪的侵入防止浸水时水的侵入防止沉没时水的侵入噪声器

震动量

为了降低电动机运输时带来的噪声

。中小型电动机噪声量的大致范围在50～100dB之间

表示电动机震动的情况

3.三相异步电动机的工作原理交流电动机的工作原理主要是产生旋转磁场3.三相异步电动机的工作原理

(1)旋转磁场空间位置对称的三相绕组通入三相对称的交流电流建立起一个恒速旋转的磁场,称为旋转磁场对称三相绕组：3个外形、尺寸、匝数都完全相同，首端彼此互隔120度，对称的放置在定子槽内的3隔独立的绕组iu,iv,iw图2-6三相异步电动机最简单的定子绕组旋转磁场的产生磁势电流产生磁势(按右手螺旋定则分析)。分析时磁势用箭头表示方向。导体中电流用●和X表示方向。如图所示。●X电流流进电流流出旋转磁场的产生磁场旋转示意图旋转磁场的产生

(a)(b)(c)(d)图2-7

三相交流电产生旋转磁场示意图结论：电流经过一个周期的变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转一周，即在空间旋转的角度为360°。

旋转磁场的产生旋转磁场的转向(a)(b)(c)(d)图2-7

三相交流电产生旋转磁场示意图当通入三相绕组中电流的相序为iU→iv→iw，旋转磁场在空间是沿绕组始端U→V→W方向旋转的，在图中即按顺时针方向旋转旋转磁场的转向结论：旋转磁场的方向是由三相电流的相序决定的，即把通入三相绕组中的电流相序任意调换其中的两相，就可改变旋转磁场的方向。旋转磁场的转速n1（又称同步转速）旋转磁场的转速为

p

1

2

3

4

5

6

n1(r/min)

3000

1500

1000

750

600

500

表2-4不同磁极对数时的同步转速(2)三相异步电动机的工作原理

设某个时候旋转磁场方向如图所示。磁场转速n1转子导体与旋转磁场之间存在着相对运动，根据右手定则,转子绕组内电动势和电流方向如图所示根据左手定则，转子导体受力，方向如图所示。转子于是在电磁力矩的作用下被拖动，沿旋转磁场的旋转方向转动，形成转矩转子转速n<n1

nNSn1

转子转速n总是小于旋转磁场的转速n1。所以称为异步电动机

异步电动机的定子和转子之间能量的传递是靠电磁感应作用的，故异步电动机又称感应电动机

其中由定子绕组切割磁场产生的感应电动势的大小为由于定子绕组本身的阻抗压降比电源电压要小得多，即可以近似认为电源电压U1与感应电动势E1相等结论：当外加电源电压U1不变时，定子绕组中的主磁通фm也基本不变。（3）三相异步电动机的几个重要概念转差同步转速n1与转子转速n二者之差电动机的转速随负载的变化而变化。转差率转差率(也叫滑差率)s“转差”与同步转速n1的比值s=（n1−n）/n1正常运行的异步电动机，其s很小，一般s=0.01~0.05功率异步电动机在正常运行时从电源上得到的电功率称为电动机的输入功率，用P1表示电动机在正常运行时，拖动负载的及机械功率称为电动机的输出功率，用P2表示一般电动机铭牌上标的功率值，是电动机在额定运行时的输出功率。效率：电动机输出功率P2与输入功率P1的比值，输出功率功率平衡方程式

异步电动机的功率流程图

P2=P1−PCu1−PFe−PCu2−Pmec−Pad=P1−ΣP总损耗电磁转矩输出转矩空载转矩转矩2.1.3【知识进阶2】电气控制系统图电气控制系统图：将电气控制系统中各电器元件及它们之间的连接线路用一定的图形表达出来电气控制系统图一般包括电气原理图、电器布置图和电气安装接线图三种1.电气控制系统图的图形符号电气图示符号有图形符号、文字符号及回路标号等。2.电气控制系统图1）电气原理图电气原理图是指用国家标准规定的图形符号和文字符号代表各种元件，依据控制要求和各电器的动作原理，用线条代表导线连接起来。它包括所有电气元件的导电部件和接线端子，但不按电气元件的实际位置来画，也不反映电气元件的尺寸及安装方式。

绘制电气原理图应遵循的原则

2）电器布置图

电器布置图是表示电气设备上所有电器元件的实际安装位置，为电气控制设备的安装、维修提供必要的技术资料。电气元件均用粗实线绘制出简单的外形轮廓，而不必按其外形形状画出3）电气安装接线图电气安装接线图反映电气设备个控制单元内部元件之间的接线关系2.1.4【知识进阶3】涉及的低压电器1.低压电器的定义凡是自动和手动接通和断开电路，以及能实现对电路或非电对象进行切换、控制、保护、检测、变换和调节目的的电器元件统称为电器。低压电器是指用于交流额定电压1200V及以下、直流额定电压1500V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器产品。

低压电器配电电器控制电器接触器继电器起动器……时间继电器热继电器……开关熔断器……2.低压电器的分类1）按用途分类2）按动作方式分类（1）自动切换电器：依靠电器本身参数变化或外来信号的作用，而自动完成接通、分断或使电机起动、反向以及停止等动作的电器，如接触器、继电器等（2）非自动切换电器：依靠外力来进行切换等动作的电器。如按钮、刀开关等。3）按执行功能分类（1）有触点电器：利用可分离的动触点和静触点的接触和分离来实现电路的通断。（2）无触点电器：利用晶闸管开关效应，即没有触点的道统或截止来实现电路的通断。3.低压电器的常用术语闭合时间：断开时间：通断时间：分断能力：接通能力：通断能力：操作频率：通电持续率机械寿命：电气寿命：4.涉及的新元器件介绍

1）按钮常开(动合)按钮电路符号SB复合按钮复合按钮：常开按钮和常闭按钮做在一起。电路符号SB常闭(动断)按钮电路符号SB无论在何时，操作的过程都符合“先断再合”。接触器是一种自动的电磁式开关，适用于远距离频繁地接通或断开交直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。接触器按主触点通过的电流种类，分为交流接触器和直流接触器两种。2)接触器~~~线圈铁芯衔铁主触头弹簧辅助触头M3~电机交流接触器结构动作过程线圈通电衔铁被吸合触头闭合电机接通电源电磁系统交流接触器的电磁系统主要由线圈、静铁芯和衔铁（动铁芯）三部分组成。其作用是利用电磁线圈的通电或断电，使衔铁和静铁芯吸合或释放，从而带动动触点与静触点闭合或分断，实现接通或断开电路的目的。衔铁运动方式：图2-17交流接触器电磁系统结构图a)衔铁直线运动式；b）衔铁绕轴转动拍合式为了减少工作过程中交变磁场在铁芯中产生的涡流及磁滞损耗，避免铁芯过热，交流接触器的铁芯和衔铁一般用E形硅钢片叠压铆成。

交流接触器的线圈一般做成粗而短的圆筒形，并且绕在绝缘骨架上，使铁芯与线圈之间有一定间隙。短路环的作用保证了铁芯与衔铁在任何时刻都有吸力，衔铁将始终被吸住，振动和噪声会显著减小。

原因：交流接触器在运行过程中，线圈中通入的交流电在铁芯中产生交变的磁通，因此铁芯与衔铁间的吸力也是变化的。这会使衔铁产生振动，发出噪声图2-18加短路环后的磁通和电磁吸力图a)磁通示意图；b)电磁吸力图触点系统触点接触形式：点接触、线接触、面接触

图2-19触点的三种接触形式a)点接触；b）线接触；c)面接触点接触适用于电流不大，触头压力小的场合；线接触适用于接电次数多，电流大的场合；面接触适用于大电流的场合。(a)(b)(c)图2-20触点的结构形式a)点接触桥式触点；b)面接触桥式触点；c）线接触指形触点触点的结构形式触点系统接触器线圈接触器主触头－－用于主电路（流过的电流大，需加灭弧装置）常开常闭接触器辅助触头－－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。KMKMKMKM灭弧装置电弧产生：交流接触器在断开大电流或高电压电路时，在动、静触点之间会产生很强的电弧

电弧特点：外部有白炽弧光，内部有很高的温度和密度很大的电流。电弧的破坏力：1）会灼伤触点，减少触点的使用寿命；2）会使电路切断时间延长，甚至造成弧光短路或引起火灾事故。

灭弧方法图2-21灭弧装置a)双断口电动力灭弧；b）纵缝灭弧图2-22栅片灭弧装置II电弧灭弧栅片灭弧罩触点灭弧方法有三种：双断口电动力灭弧、纵缝灭弧、栅片灭弧辅助部件交流接触器的辅助部件有反作用弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构及底座、接线柱等。

（2）型号（3）工作原理

当接触器的线圈通电后，线圈中流过的电流产生磁场，使铁芯产生足够大的吸力，克服反作用弹簧的反作用力，将衔铁吸合，通过传动机构带动三对主触点和常开辅助触点闭合，常闭辅助触点断开。当接触器线圈断电或电压显著下降时，由于电磁吸力消失或过小，衔铁在反作用弹簧力的作用下复位，带动各触点恢复到原始状态。（4）交流接触器的应用

选择交流接触器时应注意以下几点：

①触器的额定电压不得低于被控制电路的最高电压②接触器的定电流应大于被控制电路的最大电流，对于电动机负载有下列经验公式：接触器在频繁起动、制动和正反转的场合时，一般其额定电流降一个等级来选用。③电磁线圈的额定电压应与所接控制电路的电压相一致。④接触器的触点数量和种类应满足主电路和控制线路的要求。3）刀开关封闭式负荷开关可用于手动不频繁的接通和断开带负载的电路以及作为线路末端的短路保护，也可用于控制15kW以下的交流电动机不频繁的直接起动和停止。

图2－25负荷开关图形符号图2-24HH系列封闭式负荷开关型号

4）低压断路器低压断路器即低压自动空气开关作用：可实现短路、过载、失压保护。低压断路器具有操作安全、工作可靠、动作值可调、分断能力较高等优点

DZ47-60型低压断路器的结构a)外形b）结构图2-26DZ47-60型低压断路器断路器主要由触点系统、灭弧装置、操作机构、热脱扣器、电磁脱扣器及外壳等部分组成。低压断路器工作原理工作原理：过流时，过流脱扣器将脱钩顶开，断开电源；欠压时，欠压脱扣器将脱钩顶开，断开电源。图2-27低压断路器工作原理示意图1,9－弹簧；2－触点；3－锁键；4－搭钩；5－轴；6－过电流脱扣器；7－杠杆；8，10－衔铁；11－欠电流脱扣器；12－双金属片；13－电阻丝DZ10型低压断路器

DZ10系列为大电流系列，作为电气控制柜的电源总开关。通常将它装在控制柜内，将操作手柄伸在外面，露出“分”与“合”的字样DZ10LE型漏电保护断路器作用：漏电开关，是一种安全保护电器，在线路或设备出现对地漏电或人身触电时，迅速通过常闭触点断开电路，能有效的保证人身和线路的安全。（a）外形（b）工作组原理图图2-28漏电保护断路器工作原理：当出现漏电和人身触电时，漏电或触电电流将经过大地流回电源的中性点，因此零序电流互感器一次侧三相电流的相量和就不为零，互感器的二次侧将感应出电流，此电流通过使漏电脱扣器线圈，使其动作，则低压断路器分闸切断了主电路，从而保障了人身安全。（2）型号（3）符号QF图2-29低压断路器的符号5）常用的低压熔断器

作用：用于短路保护。结构及工作原理熔断器一般由熔断体和底座组成。熔断体主要包括熔体、填料（有的没有填料）、熔管、触刀、盖板、熔断指示器等部件。工作原理：熔断器使用时利用金属导体作为熔体串联在被保护的电路中，当电路发生过载或短路故障时，通过熔断器的电流超过某一规定值时，以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动分断电路，起到保护作用。熔断器分类RLl系列螺旋式熔断器RM10系列无填料封闭管式熔断器RT系列有填料封闭管式熔断器

型号

符号2.1.5【知识进阶4】电路故障诊断与维修1.检查线路2.试车与调整3.仪表测量检查1）电压测量法

（1）分阶测量法

（2）分段测量法

（3）对地测量法图2-34电压的分阶测量法图2-35电压的分段测量法图2-36电压的对地测量法2.电阻测量法（1）分阶电阻测量法（2）分段电阻测量法图2-37分阶电阻测量法图2-38分段电阻测量法图2-39局部短接法图2-40长短接法（3）短接法2.1.6【知识进阶5】电机故障判断及维修电动机运行或故障时，可通过看、听、闻、摸四种方法来及时预防和排除故障，保证电动机的安全运行。【问题探讨】（1）点动控制适合什么场合？（2）在三相交流鼠笼式异步电动机点动控制中，需要那些低压电器及设备？（3）为什么目前应用最广泛的是异步电动机（4）要使三相交流异步电动机动起来的条件是什么？如何动的？其转速的大小与哪些因数有关？（5）交流电动机的转向由什么决定?（6）三相交流异步电动机鼠笼式和绕线式在结构上有何区别？?（7）异步电动机的“异步”体现在哪？（8）三相异步电动机的优缺点？（9）要实现单相点动控制前应如何进行检查？（10）点动控制线路通电试车需要按一定的步骤吗？如何实现？（11）在电控线路故障诊断与检修时常用什么方法？（12）什么叫“短路”保护？利用哪些电器可以实现这个保护环节？2.2案例2：三相鼠笼式异步电动机的单向直接起动控制

【案例说明】在一些小型通风机、台钻、水泵以及皮带运输机等机械设备中，通常用单向起动控制线路来控制只需要单方向运转的小功率电动机。以下部分是解决单向直接起动控制电路的方案及相关知识。2.2.1【解决方案】控制电路的实现2-41接触器控制的电动机单向直接起动控制电路KMM3~ABCKMFUQFR异步机的直接起动+过载保护发热元件热继电器触头主电路控制电路KMSB1SB2FR~停车按钮起动按钮自锁自锁（失压保护）的作用按下按钮（SB2），线圈（KM）通电，电机起动；同时，辅助触头（KM）闭合，即使按钮松开，线圈保持通电状态，电机连续运行。采用继电器、接触器控制后，电源电压<85%时，接触器触头自动断开，可避免烧坏电机；另外，在电源停电后突然再来电时，可避免电机自动起动而伤人。电机工作时，若因负载过重而使电流增大，但又比短路电流小。此时熔断器起不了保护作用，应加热继电器，进行过载保护。2.2.2【知识进阶1】三相鼠笼式异步电动机的拖动方式（直接起动）1.异步电动机的起动性能起动是指电动机通电后转速从零开始逐渐升高高正常运转的过程。对异步电动机的起动性能要求主要有下面几个方面。电动机应有足够大的起动转矩。在保证一定大小的起动转矩的前提下，电动机的起动电流应尽量小。起动所需的设备简单、经济、操作方便。起动过程的能量损耗应尽量小。异步电动机起动的主要问题是起动电流大，而起动转矩并不大。而一般情况下的起动要求是尽可能限制起动电流，有足够大的起动转矩。三相异步电动机的起动一般有直接起动和降压起动。2.三相鼠笼式异步电动机的直接起动直接起动又叫全压起动，优点是所需要电气设备少，线路简单，缺点是起动电流大。起动转矩小如电动机的起动电流倍数、容量与电网容量满足下列经验公式，则电动机便可直接起动3.异步电动机的机械特性图2－42异步电动机的固有机械特性三相异步电动机的机械特性是指电动机电磁转矩Tem与转速n之间的关系，即n=f(Tem)。因为异步电动机的转速n与转差率s之间存在着一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常也用T=f(S)的形式表示，称为T-S曲线，如图2－42所示。2.2.3【知识进阶2】涉及的低压电器继电器和接触器的工作原理一样。主要区别在于，接触器的主触头可以通过大电流，而继电器的触头只能通过小电流。继电器没有灭弧装置，也无主辅触点之分所以，继电器只能用于控制电路中。继电器中间继电器电压继电器电流继电器时间继电器