《电工与电子技术》课件第8章

第8章异步电动机及控制电路8.1三相异步电动机的结构和工作原理

8.2三相异步电动机的电磁转矩及机械特性8.3三相异步电动机的铭牌8.4三相异步电动机的起动、调速和制动8.5单相异步电动机8.6常用低压电器8.7电动机的控制系统8.1三相异步电动机的结构和工作原理

8.1.1三相异步电动机的结构

三相异步电动机主要由定子和转子两部分组成。其中定子为固定部分，包括机座、铁芯、三相绕组等。机座通常由铸铁或铸钢制成。机座内装有用0.5mm厚的硅钢片叠成的筒形铁芯，铁芯的内圆周上有若干均匀分布的平行槽，用来嵌放三相绕组，如图8.1所示。

图8.1定子结构(a)定子硅钢片；(b)未嵌绕组的定子；(c)嵌有绕组的定子定子绕组的三个首端U1、V1、W1和三个末端U2、V2、W2都从机座上的接线盒中引出，如图8.2所示。三相定子绕组可接成星形，如图8.2(a)所示；也可接成三角形，如图8.2(b)所示。实际使用时，应根据铭牌上的规定连接。

图8.2三相定子绕组的连接(a)星形连接；(b)三角形连接

转子主要由转子铁芯和转子绕组组成。转子铁芯是由相互绝缘的硅钢片压装在转轴上而形成的，在转子铁芯的外圆开有均匀分布的槽，以嵌放转子绕组。转子绕组根据结构形式不同分为笼型和绕线式两种。笼型转子的结构如图8.3所示，其铁芯由0.5mm厚的硅钢片叠加而成，并固定在转轴上。在转子的外圆周上有若干均匀分布的平行槽，槽内放置裸导体，这些导体的两端分别焊接在两个铜环(称为端环)上，如图8.3(a)所示。转子绕组的外形与鼠笼相似，故称为笼型转子，如图8.3(b)所示。图8.3笼型转子(a)笼型绕组；(b)转子外形；(c)铸铝笼型转子目前，100kW以下的中小型笼型异步电动机的转子通常是用熔化的铝浇铸在槽内而制成的，称为铸铝转子。在浇铸的同时，把转子的端环和冷却电动机用的扇叶也一起用铝铸成，如图8.3(c)所示。铸铝转子的制造比较简便。图8.4所示为笼型异步电动机的结构示意图。

绕线式转子的结构如图8.5所示。通常把转子三相绕组的三个末端接在一起，成为星形连接，三个首端分别接到固定在转轴上的三个铜滑环上，滑环除相互绝缘外，还与转轴绝缘。在各个环上，分别放置着固定不动的电刷，通过电刷与滑环的接触，使转子绕组与外加变阻器接通，以便起动电动机。但在正常运转时，把外加变阻器转到零位，同时使转子绕组的三个首端接在一起。图8.4笼型异步电动机的结构示意图图8.5绕线式转子的结构(a)转子硅钢片；(b)转子外形；(c)转子等效电路笼型和绕线式两类异步电动机只是在转子结构上有所不同，其工作原理完全一样。笼型异步电动机应用较为普遍；绕线式异步电动机具有较好的起动和调速性能，一般用于要求起动频繁和在一定范围内调速的场合，如大型立式车床和起重设备等。8.1.2三相异步电动机的工作原理

若在三相对称定子绕组中通入三相对称电流，便会在定子绕组和气隙间产生旋转磁场，转子导体在旋转磁场的作用下产生电磁感应使转子旋转。下面来分析旋转磁场是如何产生的。

1.旋转磁场的产生

三相异步电动机定子绕组是由三相对称绕组构成的，其各相绕组的首端分别用U1、V1、W1表示，末端分别用U2、V2、W2表示，连接方式如图8.6所示。图8.6三相异步电动机定子绕组Y连接示意图(a)内部绕组示意图；(b)接线原理图三相绕组W1W2、U1U2、V1V2在空间上互差120°。通入三相对称电流：

iU=Imsinωt

iV=Imsin(ωt－120°)

iW=Imsin(ωt+120°)

其波形如图8.7(a)所示。图8.7两极旋转磁场示意图旋转磁场的极对数p与定子绕组的布置有关，如果每相绕组由两个串联的线圈组成，如图8.8所示，W1W2与W1′W2′串联，U1U2与U1′U2′串联，V1V2与V1′V2′串联，这时的定子铁芯至少要有12个槽，每相绕组占四个槽，每相中两个相隔180°角的线圈串联组成一相。当三相对称交流电流通过这些线圈时，就会产生两对磁极的旋转磁场，且电流每变化一周，旋转磁场转半周，读者可自行画图分析。图8.8四极定子绕组的分布与连接(a)内部绕组示意图；(b)接线原理图

2.旋转磁场的转速与转向

根据上述分析，电流变化一周时，两极(p=1)的旋转磁场在空间旋转一周，用f1表示电流的频率，用n1表示旋转磁场的转速，则

n1=60f1(r/min)

对于四极(p=2)旋转磁场，电流变化一周，合成磁场在空间只旋转了半周，故有

依此类推，具有p对磁极的异步电动机，其旋转磁场的转速为(8.1)我国的电源标准频率为f1=50Hz，因此不同磁极对数的电动机所对应的旋转磁场转速也不同，如表8.1所示。

旋转磁场的转速n1也称为同步转速。改变三相交流电的相序，即将三相电源线中任意两相对调(例如W、U)，旋转磁场的转向将会改变。

3.转动原理

图8.9为三相异步电动机转动原理示意图。为简单起见，图中用一对磁极来进行分析。

定子绕组接通对称三相电源后，绕组中便有三相电流通过，在空间产生了旋转磁场。转子导体在旋转磁场的作用下产生感应电动势，感应电动势的方向用右手定则来判断。感应电动势在转子的闭合电路中产生感应电流，此电流与旋转磁场相互作用所产生电磁力的方向可用左手定则来判断，电磁力对转子的作用形成电磁转矩，在电磁转矩的作用下，转子跟随旋转磁场同向转动，但转子的转速n一定小于旋转磁场的转速n1。这是因为，若n=n1，转子和旋转磁场间就不存在相对运动，即转子绕组不切割磁力线，电磁转矩等于零，转子就不能转动。图8.9转动原理示意图由于转子的转速n与同步转速n1间存在着一定的差值，故将这种电动机称为异步电动机。通常把n1和n的差值与n1的比值称为异步电动机的转差率，用s表示，即或用百分数表示转差率s是描述异步电动机运行情况的一个重要物理量。在电动机起动瞬间，n=0，这时s=1。随着转子转速的增高，转差率变小，额定情况运行时，转差率一般为0.02~0.06。由此可见，转差率s的变化范围在0~1之间。

【例8.1】

一台三相异步电动机，定子绕组接到频率f1=50Hz的三相对称电源上，已知它在额定转速nN=960r/min下运行，求：

(1)该电动机的磁极对数p为多少？

(2)额定转差率是多少？

解

(1)求磁极对数。

由于异步电动机的额定转差率很小，故可根据额定转速(960r/min)来估算旋转磁场的同步转速n1=1000r/min，于是可以计算磁极对数

(2)额定转差率8.2三相异步电动机的电磁转矩及机械特性

8.2.1电磁转矩

从异步电动机的工作原理知道，异步电动机的电磁转矩是由具有转子电流I2的转子绕组在磁场中受力而产生的，因此，电磁转矩的大小与转子电流I2和反映磁场强度的每极磁通成Φ正比。此外，转子电路是存在感抗的，因此I2和E2之间有一相位差，即转子电路的功率因数cosj2＜1。综上所述，可以得到异步电动机电磁转矩的物理表达式为

T=CTΦI2cosj2(8.3)式中的CT称为异步电动机的转矩常数，它与电动机本身的结构有关。该式没有反映出电磁转矩的一些外部条件，如电源电压U1、转子转速n2以及转子电路参数之间的关系。为了直接反映这些因素对电磁转矩的影响，需要对上式进一步推导变换后得到(8.4)上式表示了电磁转矩与外加电压U1、转差率s以及与转子电路参数R2和X20之间的关系，称为异步电动机的电磁转矩表达式。若定子电路的外加电压U1及其频率f1为定值，则R2和X20均为常数，因此，电磁转矩仅随转差率s而改变。把不同的s值(0~1之间)代入式(8.4)中，便可绘出转矩特性曲线，如图8.10所示。转矩特性曲线又称T－s曲线。

从T－s曲线可以看出，当s=1时(即起动瞬时)，转子和旋转磁场之间的相对运动虽然为最大，但电动机的电磁转矩并不是最大。这是因为，起动时虽然转子中感应电流I2为最大，但cosj2却很小，它们的乘积I2cosj2不是很大，所以这时的电磁转矩不大。图8.10转矩特性曲线8.2.2三相异步电动机的机械特性

在电力拖动中，为了更清楚地说明转子转速与电磁转矩之间的关系，常把T-s曲线改画成n-T曲线，称为电动机的机械特性曲线，它反映了电动机电磁转矩和转速之间的关系，如图8.11所示。图8.11机械特性曲线

1.机械特性分析

机械特性曲线可分为两个区段。

(1)ab区段。此段称为稳定工作区，在这个区段内，电动机的转速n较高，s值较小，且随n的减小，I2的增加大于cosj2的减小，因而乘积I2cosj2增加，使电磁转矩随转子转速的下降而增大。

(2)bc区段。此段称为不稳定工作区，在这个区段内，电动机的转速较低，s值较大。随着n的减小，I2的增加小于cosj2的减小，因而乘积I2cosj2减小，使得电磁转矩随转子转速的下降而减小。电动机起动过程如下：在接通电源起动的瞬间，n=0，s=1，此时的转矩称为起动转矩，即图8.11中的Tst。当起动转矩大于电动机轴上的负载转矩时，转子便旋转起来，并逐渐加速，电动机的电磁转矩沿着n-T曲线的c→b区段上升，经过最大转矩Tmax后又沿着b→a区段逐渐下降，直至T等于额定负载转矩TN时，电动机就以某一转速等速旋转，这时稳定运行于d点。由此可见，只要异步电动机的起动转矩大于轴上的负载转矩，一经起动后，便可立即进入机械特性曲线的ab区段稳定运行。

2.三个特殊的转矩

(1)额定转矩TN，是指电动机在额定负载时轴上输出的转矩。电动机稳定运行时，电磁转矩T必然与负载转矩相等，因此，可用额定电磁转矩表示额定输出转矩。电动机的额定转矩可以通过电动机铭牌上的额定功率和额定转速求出：

T=TL

P2=TΩ

式中Ω为机械角速度，单位为弧度/秒(rad/s)。

由上式得到(8.5)其中转矩T的单位是牛·米(N·m)；功率P2的单位是千瓦(kW)；转速n的单位是转/每分钟(r/min)。

为了保证电动机在运行时安全可靠，不轻易停车，应使电动机的带负载能力留有一定的余量，所以额定转矩一般只应为最大转矩的一半左右。

(2)最大转矩Tm，是电动机所能提供的极限转矩，即对应于临界转差率sm的临界转矩。临界转差率sm可用数学方法求出：(8.6)由式(8.6)可知，当转子绕组的漏感抗X20等于转子绕组的电阻R2时，异步电动机所产生的电磁转矩达到最大值。由于笼型电动机转子的电阻R2很小，故sm很小，因此转矩曲线的Oa段是很陡的。对绕线式电动机，如果它的转子电路不外接电阻而自行闭合，其电阻也较小，故sm也不大。就一般而言，异步电动机sm大约在0.04(大型电动机)到0.2(小型电动机)之间。

把式(8.6)的临界转差率代入式(8.4)可得出最大转矩为(8.7)此式表明，异步电动机的最大转矩Tm和转子电阻R2的大小无关，但当R2增大时，sm也增大，转矩曲线向右偏移；反之则向左偏移。利用这一原理，对绕线式转子的电机可通过调节其外接电阻的大小对电动机进行调速。最大转矩是稳定工作区与不稳定区的分界点，电动机稳定运行时的工作点不能超过此点，即TN应小于它的最大转矩Tm。如果把额定转矩设计得很接近最大转矩，则电动机略微过载，便会导致自动停车。为此，要求电动机应具备一定的过载能力。所谓过载能力，就是最大转矩与额定转矩的比值：(8.8)λm一般在1.8~2.2之间。

(3)起动转矩Tst，是电动机在接通电源刚被起动的一瞬间所产生的转矩，这时n=0，s=1，由式(8.4)可得出起动转矩的大小为(8.9)由式(8.9)可以看出，随着转子电路中电阻R2的增加，起动转矩Tst也逐渐增加。当R2=X20时，s=sm=1，可使最大转矩在起动时出现，这一点在生产上具有实际意义。绕线式电动机在转子电路中串接适当的起动电阻，不仅可减小转子电流I2，而且可使起动转矩增加，这是因为增加R2可增大功率因数cosj2。

为了反映电动机的起动性能，把起动转矩与额定转矩之比称为起动能力，用λs表示，即(8.10)普通笼型电动机的起动能力较差，λs在0.8～2.2之间，常采用轻载起动。绕线式异步电动机的转子可以通过滑环外接电阻来调节起动能力。

【例8.2】

一台Y225M-4型三相异步电动机，由铭牌可知UN=380V，PN=45kW，nN=1480r/min，起动能力λs=1.9，过载能力λm=2。试求：

(1)额定转差率；

(2)起动转矩；

(3)最大转矩。

解

(1)由额定转速为1480r/min可推算出同步转速n0=1500r/min，所以

(2)由已知条件可求额定转矩(3)最大转矩为Tm=λmTN=2×290.4=580.8N·m

8.3三相异步电动机的铭牌

为了使用户能正确合理地使用电动机，电动机的外壳上都附有铭牌。铭牌上标有这台电动机额定运行时的主要技术数据，如功率、电压、电流、转速等。所谓额定运行，是指电动机生产厂家按照国家生产标准，根据电动机的设计和试验数据而规定的每台电动机的正常运行状态和条件。铭牌上的主要数据称为额定值。

表8.2为某台异步电动机的铭牌数据。

1.型号

为了适应不同用途和不同工作环境的需要，电动机制成不同的系列，每种系列用不同的型号表示。如Y160L-4中，Y表示三相笼型异步电动机；160表示机座中心高度为

160mm;Ｌ表示长机座(Ｓ表示短机座，Ｍ表示中机座)；４表示４极电动机。

2.额定功率PN

额定功率是指电动机在额定工作情况下转轴上输出的机械功率，单位为瓦(W)或千瓦(kW)。

3.额定电压UN

额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压，单位为伏(V)或千伏(kV)。

4.额定电流IN

额定电流是指电动机在额定电压下运行，输出额定功率时，定子绕组的线电流，单位为安培(A)。

5.接法

接法是指定子三相绕组的接法。对于Y系列异步电动机，当功率PN≤3kW时定子绕组为星形接法，功率PN≥

4kW时定子绕组为三角形接法。

电动机铭牌上标注有两种电压值220／380V，对应两种接法△/Y，其意思是当电源线电压是220V时，定子绕组作三角形连接；当电源线电压是380V时，定子绕组作星形连接。这两种连接方式都能保证每相定子绕组均在额定电压下运行。

6.额定转速nN

额定转速是指电动机在额定运行状态下转子的转速，单位为r/min。三相异步电动机的额定转速一般略低于同步转速。

7.额定频率fN

额定频率是指电动机所接交流电源的频率。我国规定工业用交流电源的频率为50Hz。

8.工作方式

工作方式是指电动机的运行状态，根据发热条件可分为三种：S1表示连续工作方式，允许电动机在额定负载下连续长期运行；S2表示短时工作方式，电动机在额定负载下只能在规定时间短时运行；S3表示断续工作方式，电动机可在额定负载下按规定周期性重复短时运行。

8.4三相异步电动机的起动、调速和制动

8.4.1三相异步电动机的起动

1.直接起动

直接起动又称为全压起动，即起动时，将电动机的额定电压直接接到电动机的定子绕组上进行起动。直接起动的特点是:不需另加起动设备，起动时间短，但起动电流大，一般只允许小功率异步电动机(PN≤7.5kW)进行直接起动，对大功率的异步电动机应采取减压起动，以限制起动电流。

2.降压起动

降压起动是指通过起动设备先将额定电压降低后再加到电动机的定子绕组上，从而限制电动机的起动电流，待电动机的转速上升到稳定值后，再使定子绕组承受全压，从而使电动机在额定电压下稳定运行。由于起动转矩与电源电压的平方成正比，所以当定子端电压下降时，起动转矩下降较多，故降压起动只适合于对起动转矩要求不高的场合，若必须采用减压起动，则要注意应尽量轻载或空载起动。

常用的降压起动方法有以下三种：

(1)Y-△降压起动。这种起动方法仅适用于电动机正常运行时为三角形(△)连接的异步电动机。起动时，把定子绕组接成星形(Y)，起动完毕后切换为三角形(△)，其原理电路如图8.12所示。图8.12Y-△降压起动原理电路设每相阻抗的模为z，三角形(△)连接直接起动时，每相绕组中的起动电流为Ul／z，线电流为

(8.11)星形(Y)连接起动时，每相绕组承受的电压为Ul/，每相绕组中的起动电流为Ul/(

z)，由于星形连接的线电流等于相电流，故(8.12)比较式(8.11)和式(8.12)，得到(8.13)

即星形连接时的起动电流是三角形连接的1／3。但三相异步电动机的转矩T∝U2l，故星形连接时的起动转矩也降为直接起动时的1/3，在轻载或空载下频繁起动的笼型异步电动机常采用这种降压起动方法。

(2)自耦变压器降压启动。利用自耦变压器也可进行降压起动，原理电路如图8.13所示。这种起动方法在起动时，定子绕组接三相自耦变压器的低压输出端，起动完毕后，切除自耦变压器并将定子绕组直接接上三相交流电源，使电动机在额定电压下稳定运行。图8.13自耦变压器降压起动原理电路图8.14自耦变压器降压起动时起动电流的计算可根据图8.14来计算自耦变压器降压起动时的起动电流。设自耦变压器的变比为K，电动机每相阻抗的模为z，直接起动时的起动电流为I1st=Ul/z。采用自耦变压器起动时，定子绕组的电流(变压器的副边电流)为而此时变压器原边电流等于副边电流的1/K，故起动电流为(8.14)因自耦变压器价格较高，故此法应用较少。

(3)转子串电阻起动。对于绕线式异步电动机，主要采用转子串电阻的方法进行起动。由于转子电阻增大不但会减小转子电流，从而减小定子的起动电流，而且可以提高起动转矩，故这种起动方法可以满足对起动的两方面的要求：减小起动电流，增大起动转矩。绕线式异步电动机的转子从各相滑环处可外接变阻器，其原理如图8.15所示。起动时，调节起动变阻器的手柄，将起动电阻Rst调到最大值，然后闭合电源开关QS起动电动机，随着转速的增加，逐步转动手柄，即均匀减小起动电阻Rst，直到转速接近额定转速时，将起动电阻完全切除，使转子串联电阻短接起来。由于笼型异步电动机的转子电阻是固定的，无法改变，所以笼型异步电动机不能采用此种起动方法。图8.15绕线式异步电动机串电阻起动原理

【例8.3】

已知一台笼型异步电动机，PN＝30kW，

△连接运行，U1N=380V，I1N=60A，n=1488r/min，Tst/TN=1.2，Ist/IN=6。供电变压器要求起动电流不大于150A,负载转矩为73N·m，问：

(1)电动机能否直接起动?

(2)电动机能否采用Y-△降压起动?

(3)若采用三个抽头的自耦变压器起动，则应用50％、

60％、80％中的哪个抽头?

解

(1)电动机的额定转矩直接起动时的起动转矩

Tst=1.2TN=1.2×192.54=231N·m>73N·m

直接起动时的起动电流

Ist=6IN=6×60=360A>150A

从以上结果可以看出，虽然满足直接起动时对起动转矩的要求，但起动电流却大于供电系统要求的最大电流，所以不能采用直接起动，应采用降压起动。

(2)Y-△降压起动，起动转矩

起动电流起动电流和起动转矩均满足要求，故可以采用Y-△降压起动。

(3)自耦变压器降压起动。按50%抽头，起动电流和起动转矩分别为

Ist1=(0.5)2×Ist=(0.5)2×360=90A<150A

Tst1=(0.5)2×Tst=(0.5)2×231=57.75N·m<73N·m

按60%抽头，起动电流和起动转矩分别为

Ist2=(0.6)2×Ist=(0.6)2×360=129.6A<150A

Tst2=(0.6)2×Tst=(0.6)2×231=83.16N·m>73N·m

按80%抽头，起动电流和起动转矩分别为

Ist3=(0.8)2×Ist=(0.8)2×360=230.4A>150A

Tst3=(0.8)2×Tst=(0.8)2×231=147.84N·m>73N·m8.4.2三相异步电动机的调速

调速是指在同一负载下人为地改变电动机的转速。电动机的转速公式为(8.15)因此，电动机的调速方法有三种：变频(f1)调速、变极(p)调速和变转差率(s)调速。

1.变频调速

变频调速是指通过改变电源的频率改变电动机的转速。它采用一套专用的变频器来改变电源的频率以实现变频调速。变频调速以电源频率f1=50Hz为基本频率(基频)，当在基频

50Hz以下变频调速时，由于U1≈E1=4.44f1N1KN1Φ1，如果降低频率而保持电压不变，则随f1的下降将会使磁通Φ1增大，电动机的磁路就会越来越饱和，励磁电流将大大增加，电动机将无法正常运行，故在降低频率的同时，必须降低电源电压，且保持这样才能保持磁通Φ1在调速过程中不变，电磁转矩不变，属于恒转矩调速。

当从基频50Hz往上变频调速时，如果也按比例升高电压，则电压会超过电动机的额定电压，这是不允许的，因此只好保持电压不变，频率越往上调，磁通Φ1就越小。这是一种弱磁调速的方法，属于恒功率调速。

从以上分析可以看出，虽然变频器本身价格较贵，但变频调速可以在较大范围内实现平滑的无极调速，且具有硬的机械特性，是一种理想的调速方法。随着电力电子器件生产技术水平的不断提高，变频调速的应用范围将更加广泛。

2.变极调速

变极调速通过改变异步电动机定子绕组的接线方式，从而改变电动机的极对数来实现调速。但由于电动机的磁极对数总是成倍增长的，所以电动机的转速无法实现连续调速。由于笼型异步电动机转子的极数能自动与定子绕组的极数相适应，故一般笼型异步电动机可采用这种方法调速。

图8.16所示为把4极变为2极定子绕组连接的变极调速原理图。变极调速的平滑性差，调速的挡数也很少，在机床上应用时必须与齿轮箱配合，才能得到更多挡的速度。变极调速设备简单，运行可靠，既可获得恒转矩调速，也可获得恒功率调速，能适应不同生产机械的需要，若对调速平滑性要求不高，则也是一种行之有效的方法。

图8.16变极调速原理(a)4极定子绕组；(b)2极定子绕组

3.变转差率调速

对于绕线式异步电动机，可以通过改变转子电阻来改变转差率，从而改变电动机的转速。若增大转子电阻R2，则电动机的转差率s增大，转速下降，工作点下移，机械特性变软。当平滑调节转子电阻时，可以实现无极调速，但调速范围较小。这种调速方法设备简单，但电能损耗较大，常用于起重设备。8.4.3三相异步电动机的制动

1.能耗制动

能耗制动是指电动机切断三相交流电源的同时，在它的定子绕组中通入直流电，此直流电产生的固定磁场与惯性旋转的转子之间相互作用，会产生一个制动力矩，从而使电动机停转。当电动机的转速为零时，转子与固定磁场之间不再有相对运动，电动机的制动转矩等于零，制动过程结束。能耗制动的原理如图8.17所示。图8.17能耗制动原理(a)接线图；(b)原理示意图正常运行时，将QS闭合，电动机接三相交流电源起动运行。制动时，将QS断开，切断交流电源，并将直流电源引入电动机的V、W两相，在电动机内部形成恒定的静止磁场。电动机由于惯性仍按顺时针旋转，则转子绕组做切割磁力线运动，依据右手螺旋法则，转子绕组中将产生感应电流，如图8.17(b)所示。又根据左手定则可以判断，电动机的转子将受到与其旋转方向相反的电磁力的作用，由于该力矩与运动方向相反，故为制动力矩，它将使电动机很快停转。

制动过程中，电动机的动能全部转化成电能消耗在转子回路中，会引起电动机发热，因此一般需要在制动回路中串联一个大电阻，以减小制动电流。

能耗制动的特点是制动平稳，冲击小，耗能少，但需要一直流电源，且制动时间较长，一般多用于起重提升设备及机床等生产机械中。

2.反接制动

反接制动是指制动时，改变定子绕组任意两相的相序，使得电动机的旋转磁场反向，这时反向磁场与原来惯性旋转的转子之间相互作用，产生一个与转子转向相反的电磁转矩，迫使电动机的转速迅速下降，当转速接近零时，切断电动机的电源。反接制动的原理如图8.18所示。显然，反接制动比能耗制动所用的时间要短。图8.18反接制动原理(a)接线图；(b)原理示意图反接制动的优点是制动时间短，操作简单，但会形成反向磁场，使得转子的相对转速远大于同步转速，转差率大大增大，转子绕组中的感应电流很大，能耗也较大，一般要在制动回路串入大电阻。另外，反接制动时，制动转矩较大，会对生产机械造成一定的机械冲击，影响加工精度，通常用于一些频繁正反转且功率小于10kW的小型生产机械中。

8.5单相异步电动机

8.5.1单相异步电动机的基本结构和工作原理

单相异步电动机具有与三相异步电动机相似的结构，也是由定子和转子组成，只是定子只有一相绕组，转子一般是笼型。当单相交流电通入定子绕组时，电动机内就会产生一交变磁通，它的方向总是垂直向上或是垂直向下，其轴线始终在YY1位置，这表明该磁场是一个脉振磁场，在空间上不旋转，如图8.19(a)所示。图8.19单相异步电动机的脉振磁场(a)脉振磁场；(b)YY1位置脉振磁场的磁感应强度

YY1位置上的磁感应强度的大小随单相绕组中通过的电流而改变，可表示为

B=Bmsinωt

它随时间的变化规律如图8.19(b)所示。脉振磁场可以分解成两个以角速度ω向相反方向旋转的旋转磁场，且每个旋转磁场磁感应强度的最大值等于脉振磁场磁感应强度最大值的一半，即即可以认为在单相异步电动机的气隙中，存在着两个大小相等方向相反的旋转磁场。当转子静止时，这两个方向相反的旋转磁场对转子产生大小相等方向相反的电磁转矩，因而转子不能自行起动。但若用某种方法，使转子朝某一方向转动一下，则和转子同方向旋转的旋转磁场(称为正向旋转磁场)对转子作用所产生的转矩T1将大于反向旋转磁场所产生的转矩T2。当作用于电动机轴上的负载阻转矩小于电动机的合成电磁转矩时，转子便能沿着正向不停地旋转。8.5.2单相异步电动机的起动方法及基本类型

为了使单相异步电动机能自行起动和改善运行性能，除了在单相异步电动机定子铁芯上装有工作(主)绕组外，还常常装有起动(辅助)绕组。

按产生旋转磁场的不同方式可把单相异步电动机分为分相式和罩极式两大类。分相式异步电动机可以分为电阻分相起动式和电容分相起动式；罩极式单相异步电动机有凸极式和隐极式两种，目前最常用的是凸极式。

1.单相异步电动机电容分相起动

现以单相异步电动机电容分相起动为例，分析其工作原理。图8.20(a)所示为一台最简单的带有电容辅助绕组的单相异步电动机。

辅助绕组Z1Z2在串接电容器后再与主绕组U1U2并联。当电动机与电源接通时，各绕组就分别通过一交变电流。电流i2超前电压一个电角度，而i1滞后电压一个角度，如果电容选择合适，可使两绕组中的电流i1和i2有90°电角度的相位差，其相量图如图8.20(b)所示。图8.21所示为ωt＝0、45°和90°时的电流波形和磁场分布情况，从图中可看出，当电流随时间变化时，其磁场也在空间不断地旋转，笼型转子在旋转磁场的作用下，跟随旋转磁场沿同一方向转动起来。图8.20电容分相起动式单相异步电动机(a)结构示意图；(b)电流相量图图8.21电容式单相异电动机的旋转磁场(a)电流波形；(b)旋转磁场电容分相起动式电动机的转向与旋转磁场的方向有关，旋转磁场的方向与两绕组电流的相位有关。由旋转磁场产生的过程可知，旋转磁场的方向是由i1和i2的超前和滞后关系决定的，如果把电容器串接到主绕组中，则i1将超前于i2约90°电角度，于是旋转磁场反转，笼型转子也跟着反转(其过程读者可自行分析)。

2.罩极式单相异步电动机

凸极式罩极单相异步电动机的基本结构如图8.22(a)所示。其定子铁芯做成凸极式的磁极，形状类似直流电动机的定子。定子铁芯上面绕有集中绕组，称为主绕组。两个凸出的磁极上各有一凹槽，把每个磁极分成两个部分，即P1和P2。两个斜对角的较小部分P2(约占一个凸出磁极表面的1／3～1／4)上各套有一短路铜环，称为被罩部分。当定子绕组中通过交变电流时，磁极中就有交变磁通穿过。由于短路铜环内产生的感应电流阻碍其中的磁通变化，所以被罩部分磁极P2中的磁通Φ2在相位上要滞后于磁极P1中的磁通Φ1。如图8.22(b)所示，当Φ1随定子绕组中电流的变化上升到最大时，而Φ2却很小，这时磁场的轴线接近于磁极P1的中心处。当Φ1下降到最小时，Φ2则上升到最大，这时磁场的轴线就转移到接近于磁极P2的中心线处。随着定子绕组电流不断地变化，在电动机的气隙内就形成一个从磁极的未罩部分转向被罩部分(即从P1转向P2)的两极旋转磁场(或称平移磁场)。在此旋转磁场的作用下，笼型转子随之而转动。当电源电流方向改变时，磁极中的磁场方向也随之改变，磁场的中线也从P1移向P2，电动机的转向不变。罩极在铁芯中的位置是不变的，所以旋转磁场的方向也是固定不变的。要改变凸极式罩极电动机的方向，只能改变罩极的方向，这一般难以实现，因此凸极式罩极电动机通常用于不需改变转向的电气设备中。图8.22凸极式罩极异步电动机(a)结构示意图；(b)旋转磁场

8.6常用低压电器

8.6.1非自动切换电器

1.闸刀开关

闸刀开关是结构最简单的手动电器，主要用于对电路进行接通、断开控制或隔离电源，有时也可用于控制小容量异步电动机的直接起动及停止。闸刀开关由瓷底板、熔丝、胶盖、触头及触刀等构成，故又称瓷底胶盖刀开关。其外形、结构和电气符号如图8.23所示。图8.23闸刀开关的外形、结构及电气符号(a)外形；(b)结构；(c)电气符号闸刀开关没有专门的灭弧装置，因此不宜用于经常分合的电路。但因其结构简单，价格便宜，故在一般的照明电路中经常采用。按极数不同，闸刀开关分为单极、双极和三极开关。三极开关也可用来直接控制5.5kW以下异步电动机的起动和停止。

2.转换开关

转换开关又称组合开关，它具有多触头、多位置、体积小、性能可靠、操作方便、安装灵活等特点，多用在机床电气控制电路中作为电源的引入开关，也可以用于不频繁地接通和断开电路，换接电源和负载，以及控制5kW及以下小容量异步电动机的正反转和Ｙ-△降压起动。

转换开关按操作机构可分为无限位和有限位两种，其结构略有不同。HZ10系列转换开关的外形、结构及电气符号如图8.24所示。它由装在数层绝缘垫板内的动、静触片组成。动触片装在附有手柄的绝缘方轴上，方轴每旋转90°，触片便轮流接通或分断；顶盖部分由手柄、扭簧、凸轮等零件构成。这种开关适于在频率50Hz、交流电压380V以下使用，或用在直流电压220V以下的电气设备中，在设备中不频繁地接通或分断电路，控制小型异步电动机的正反转等。

图8.24HZ10系列转换开关(a)外形；(b)结构；(c)、(d)电气符号转换开关的图形符号按新国标，根据其在电路中的功能而定。如用作机床电源引入开关(通常不带负载时操作)，需用三极隔离开关符号，如图8.24(c)所示；若用作控制小型异步电动机的起停开关(如机床中直接起动切削液泵电动机)，要用三极负荷(负荷隔离)开关符号，如图8.24(d)所示。开关的文字符号使用规定是：用于动力电路的开关，第一位字母必须用Q；用于控制电路或照明电路，第一位字母必须用S。

3.按钮开关

按钮开关是一种手动操作接通或分断小电流控制电路的主令电器。一般情况下它不直接控制主电路的通断，主要利用按钮开关远距离发出手动指令或信号去控制接触器、继电器等电磁装置，实现主电路的分合、功能转换或电气联锁。

钮开关根据使用要求，按不同形式安装和操作，其种类异常繁多。按钮一般是由按钮帽、复位弹簧、桥式动触头、静触头和外壳、接线柱等构成的。图8.25为LA19系列按钮的外形、结构和电气符号。图8.25LA19系列按钮的外形、结构和电气符号(a)外形；(b)结构；(c)电气符号按钮按用途和触头的结构不同，可分为起动按钮(常开按钮)、停止按钮(常闭按钮)及复合按钮(常开、常闭组合按钮)。

4.位置开关

位置开关又称限制开关，包括常说的行程开关、限位开关和终端保护开关。它的作用与按钮开关相仿，按钮是用手指按动的，而位置开关是利用生产机械某些运动部件的碰撞使其触头动作，对控制电路发出接通或断开指令的电器。

位置开关常用来限制运动部件的位置或行程，使运动机械按一定行程自动停车、反转或变速，以实现自动控制的要求。常用的位置开关有LX19系列和JLXK1系列，各种系列的位置开关其结构基本相同，由触头或微动开关、操作机构和外壳组成。生产机械的挡铁触动操作机械，推动微动开关，使触头闭合或断开。为了使微动开关在生产机械缓慢运动时仍能快速断开，通常将触头系统设计成跳跃式瞬动结构。按传动方式的不同，位置开关可分为按钮式、单轮转动式及双轮转动式等数种，图8.26所示为JLXK1系列位置开关的外形图和电气符号。位置开关根据结构不同分为自动复位式和非自动复位式两种。自动复位式是指挡铁移开后，依靠开关内的恢复弹簧来复原。如图8.26(a)、(b)所示。非自动复位式具有两个转轮(见图8.26(c))，当运动部件反向移动时挡铁碰撞另一转轮使其复位，通常称它为双向机械操作的位置开关。图8.26JLXK1系列位置开关的外形图和电气符号(a)按钮式；(b)单轮转动式；(c)双轮转动式；(d)电气符号8.6.2自动切换电器

1.低压断路器

低压断路器是一种用于自动切断电路故障的保护电器，可作为低压配电的总电源开关，也可用在电动机主电路上作为短路、过载或欠电压保护开关。

具有电磁(过电流)脱扣、热脱扣和欠电压脱扣器的低压断路器的动作原理如图8.27所示。图8.27断路器的动作原理图8.27中2为低压断路器的三副主触头，串联在被保护的三相主电路中。操作断路器的合闸机构后，三副主触头2由锁链键3钩住搭钩4，克服弹簧1的拉力，保持在闭合状态。搭钩4可以绕轴5转动。如果搭钩4被杠杆7顶开，则主触头2就断开主电路。搭钩被顶开这一动作可以由电磁脱扣器6、热脱扣器双金属片12受热弯曲或欠电压脱扣器11三者中的任一个来完成。电磁脱扣器6的线圈与热元件13都串联在被保护的主电路中，欠电压脱扣器11的线圈并联在被保护的主电路中。当电路正常工作时，电磁脱扣器6的线圈所产生的吸力不能将衔铁8吸合，只有当电路发生短路或产生很大的过电流时，其吸力才足以将衔铁8吸合，撞击杠杆7，把搭钩4顶上去，主触头2被分开，切断了主电路。当电路负载发生过载，但又未达到电磁脱扣器的动作电流时，流过热元件13的过载电流使双金属片12受热弯曲，撞击杠杆7，顶开搭钩4，使主触头2分开，起到了过载保护作用。欠电压脱扣器11的线圈并联在主电路中，当电压下降到某一值时，欠电压脱扣器11的吸力减小，衔铁10被弹簧9拉开，撞击杠杆7，把搭钩4顶开，主触头2分开，起到了欠压或失压保护作用。

低压断路器具有操作安全、动作值可调整、分断能力较高、动作过后故障排除就可重复使用的特点，因此在自动控制系统中常用它作为电源引入开关和电动机保护使用。

2.熔断器

熔断器在电气控制系统中主要起短路保护作用。使用时，熔断器串接在被保护电路中，在正常情况下相当于一根导线。当通过熔断器的电流大于规定值时，以其自身产生的热量使熔体(熔丝)熔化而自动分断电路，从而起到保护电气设备的作用。

在电气控制电路中常用的熔断器有RL1系列螺旋式熔断器和RC1A系列插入式熔断器，其外形结构和电气符号如图8.28所示。图8.28熔断器外形结构及电气符号(a)插入式；(b)螺旋式；(c)电气符号熔断器主要由熔断体和底座两部件组成。熔断体由熔体、熔管、触刀等组成。在RL1系列螺旋式熔断器的熔断管内，除了装有熔丝外，在熔丝周围还填满石英砂，以作为熄灭电弧用。

熔断管的一端有一小红点，熔丝熔断后红点自动脱落，显示熔丝已熔断。使用时将熔管带有红点的一端插入瓷帽，瓷帽上有螺纹，将瓷帽连同熔断管一起拧进瓷底座，熔丝便接通电路。在装接时，用电设备的连接线接到连接金属螺纹壳的上接线端，电源线接到瓷底座上的下接线端。这样，在更换熔丝时，旋出瓷帽后螺纹壳上不会带电，保证了安全。

在照明和电热电路中选用的熔体额定电流应等于或略大于保护设备的额定电流。而保护电动机的熔体，为了防止在起动时被熔断，又能在短路时尽快熔断，一般可选用熔体的额定电流约等于电动机额定电流的1.5~2.5倍。

3.接触器

接触器是一种遥控电器，在电器自动控制中用它来频繁地接通和断开交直流电路。接触器还具有欠压(或失压)释放保护性能，控制容量大，且能远距离控制。接触器工作可靠，性能稳定，维修简便，它是电力拖动与自动控制系统中应用最广泛的控制电器之一。

接触器按其触头通过电流的种类，可分为交流接触器和直流接触器两种。

常用的交流接触器有CJ0、CJ10等系列产品。其结构均为正装、直动式双断点触头；塑料底座；灭弧罩用陶土压制而成；触头则采用银合金材料制成，具有较高的通断能力和使用寿命；中间装有静铁芯、线圈、衔铁(动铁芯)、主触头和触头支架，四副辅助触头(两常开、两常闭)组装在驱壳的两侧。辅助常开和常闭触头副是联动的，即常闭触头副打开时常开触头副闭合。其它组成部分还包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧片、短路环、接线柱等。图8.29为交流接触器的外形、结构原理图和电气符号。

图8.29交流接触器的外形、结构原理图和电气符号(a)外形；(b)结构原理图；(c)电气符号为了减小交流磁场在铁芯中产生的磁滞及涡流损耗，衔铁和静铁芯用硅钢片冲制后铆接而成，并在极面上安装短路环，以防止因交流电磁吸力周期变化而引起铁芯的振动与噪声。使用接触器时，主触头接在主电路中，承受较高的电压和较大的工作电流，辅助触点和线圈接在控制电路中，完成各种控制要求。

交流接触器的工作原理是：接触器的线圈与静铁芯固定不动。线圈在主令电器操作下通电后，铁芯线圈产生电磁吸力克服反作用弹簧与触头弹簧的反作用力，将衔铁吸合，并带动触头支架使动、静触头接触闭合，从而完成接通主电路的操作。当吸引线圈断电或电压显著下降时，由于电磁吸力消失或过小，衔铁与动触头在弹簧反作用力的作用下跳开，触点打开时产生电弧，电弧在回路电动力的驱动下迅速移动，并在灭弧室内冷却促使其熄灭，最后分断主电路。

4.热继电器

热继电器是利用电流的热效应来推动动作机构使触头系统闭合或分断的保护电器，主要用于电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡运行的保护及其它电气设备发热状态的控制。

热继电器的种类有许多种，其中以双金属片式用得最多。热继电器的外形及结构如图8.30所示。图8.30热继电器的外形及结构(a)外形；(b)结构双金属片式热继电器的基本结构由热元件、主双金属片、动作机构、触头系统、电流整定装置、复位机构和温度补偿元件等组成。热元件一般用康铜、镍铬合金材料制成，使用时将热元件串接在被保护电路中，利用电流通过时产生的热量，促使主双金属片弯曲变形。主双金属片是由两种热膨胀系数不同的金属片构成的，材料多为铁镍铬合金和铁镍合金，当受热时即弯曲变形，弯曲程度由各自材料的膨胀系数及温度所决定。动作机构大多利用杠杆传递及弓簧跳跃式机构完成触头的动作。触头系统多为单断点弓簧跳跃式动作，一般触头为一常闭一常开。通过调整推杆间隙，改变推杆移动距离，可以实现电流整定值的调节。温度补偿元件也为双金属片，它能使热继电器的动作性能在-30℃～40℃的范围内基本上不受周围介质温度变化的影响，其弯曲方向与主双金属片的弯曲方向相同，否则就起不到补偿作用。复位机构有手动和自动两种形式，可根据使用要求自由调整选择。

图8.31所示为两相结构的热继电器工作原理及电气符号。

图8.31热继电器工作原理及电气符号(a)工作原理；(b)电气符号图8.31所示是一种双金属片间接加热式热继电器，有两个主双金属片1、2与两个热元件3、4分别串接在主电路的两相中。动触头8与静触头9接在控制回路中。当负载电流超过整定电流值并经过一定时间后，发热元件所产生的热量使双金属片受热向右弯曲，并推动导板5向右移动一定距离，导板又推动温度补偿片6与推杆7，使动触头8与静触头9分断，从而使接触器线圈断电释放，将电源切除起到保护作用。电源切断后，电流消失，双金属片逐渐冷却，经过一段时间后恢复原状，于是动触头在失去作用力的情况下，靠自身弓簧13的弹性自动复位与静触头闭合。

8.7电动机的控制系统

在绘制、识读电气控制电路原理图时应遵循以下原则：

(1)原理图一般分为电源电路、主电路、控制电路、信号电路及照明电路几部分。

电源电路画成水平线，三相交流电源相序L1、L2、L3由上而下依次排列画出，中线N和保护地线PE画在相线之下。直流电源则正端在上、负端在下画出。电源开关要水平画出。

主电路是指受电的动力装置及保护电器，它通过的是电动机的工作电流，电流较大。主电路要垂直于电源电路画在原理图的左侧。

控制电路是指控制主电路工作状态的电路，信号电路是指显示主电路工作状态的电路，照明电路是指实现机床设备局部照明的电路。这些电路通过的电流都较小，画原理图时，控制电路、信号电路、照明电路要跨接在两相电源线之间，依次垂直画在主电路的右侧，且电路中的耗能元件(如接触器和继电器的线圈、信号灯、照明灯等)要画在电路的下方，而电器的触头要画在耗能元件的上方。

(2)各电器的触头位置都要按电路未通电或电器未受外力作用时的常态位置画出。分析原理时，应从触头的常态位置出发。

(3)各电器元件不画实际的外形图，而采用国家规定的统一国标符号画出。

(4)同一电器的各元件不是按它们的实际位置画在一起，而是按其在电路中所起作用分别