《电工电子技术及应用》课件-第7章

第7章电动机及其控制7.1三相异步电动机的结构与工作原理7.2异步电动机的参数和铭牌7.3三相异步电动机的继电器控制7.4三速异步电动机启动和

自动加速控制电路习题7

7.1三相异步电动机的结构与工作原理

7.1.1三相异步电动机的结构三相异步电动机主要由定子部分和转子部分组成。定子部分主要包括定子铁芯、三相定子绕组、机座等;转子部分主要由转子铁芯、转子绕组等组成。图7.1.1所示的是三相异步电动机的构造分解图。图7.1.1三相异步电动机的构造

机座是用铸铁或铸钢制成的,它的作用是保护和固定三相定子铁芯,通常机座的外表要求散热性能好,所以一般都铸有散热片。铁芯是由互相绝缘的硅钢片叠成的。

异步电动机的定子铁芯是磁路的一部分,是用0.35~0.5mm的硅钢片叠压而成,铁芯的内圆周表面冲有槽,如图7.

1.2所示,用以放置三相对称绕组U1U2、V1V2、W1W2,三相定子绕组有的接成星形,有的接成三角形。图7.1.2定子铁芯和定子绕组

三相异步电动机的转子铁芯是用0.5mm的硅钢片叠压而成,转子铁芯是圆柱状,也用硅钢片叠成,表面冲有槽,如图7.

1.3所示。铁芯装在转轴上,轴上加机械负载。转子铁芯还

用来安放转子绕组。

异步电动机的转子绕组分为两种:笼型异步电动机和绕线转子异步电动机。图7.1.3转子铁芯和定子铁芯

笼型的转子绕组做成鼠笼状,就是在转子铁芯的每个槽中插一根铜条,其两端用端环连接,也可在槽中浇铸铝液,铸成一鼠笼,如图7.1.4所示,这样便可以用比较便宜的铝来代替

铜,称为铸铝转子。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。图7.1.4鼠笼式转子

绕线转子异步电动机的构造如图7.1.5所示,它的转子绕组同定子绕组一样,也是三相的,一般接成星形。三相引出线接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上,通过电刷装置与

外电路相连,这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电机的启动及调速特性。但笼型电动机由于构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便,成为生产上应用得最广泛的一种电动机。图7.1.5绕线转子异步电动机的构造

7.1.2三相异步电动机的工作原理

图7.1.6是一个异步电动机的模型,在一个装有手柄的蹄形磁铁磁极间放有一个可以自由转动的、由铜条组成的转子。铜条两端分别用铜环连接起来,形似鼠笼,作为笼型转子。磁

极和转子之间没有电气和机械联系。当转动磁铁摇柄时,发现转子跟着磁极一起转动。摇得快,转子转得也快;摇得慢,转子转得也慢;反摇,转子马上反转。图7.1.6异步电动机转子转动的演示

1.旋转磁场

三相异步电动机的定子铁芯中放有三相对称绕组U1U2、V1V2和W1W2

,设将三相绕组接成星形,如图7.1.7(a)所示,接在三相电源上,绕组中便通入三相对称电流:

其波形如图7.1.7(b)所示。取绕组始端到末端的方向作为电流的参考方向。在电流的正半周时,其值为正,其实际方向与参考方向一致;在负半周时,其值为负,其实际方向与参考方向相反。图7.1.7三相对称电流

在ωt=0°的瞬时,定子绕组中的电流方向如图7.1.7(b)所示。此时,U向绕组中没有电流;V向绕组电流为负值,电流的流向是由尾端V2

流进,从首端V

1

流出;W向绕组电流为正值,电流的流向是由首端W1

流进,从流尾端W2出。根据右手定则可判断出每个绕组产生的磁场的方向,从而得到合成磁场的方向如图7.1.8(a)所示。

在ωt=60°的瞬时,定子绕组中的电流方向如图7.1.7(b)所示。此时,W向绕组中没有电流;V向绕组电流为负值,电流的流向是由尾端V2

流进,从首端V

1

流出;U向绕组电流为正值,电流的流向是由首端U

1

流进,从流尾端U2

出。根据右手定则可判断出每个绕组产生的磁场的方向,从而得到合成磁场的方向如图7.1.8(b)所示。

同理可得在ωt=90°时的三相电流的合成磁场,它比ωt=60°时的合成磁场在空间又转过了30°,如图7.1.8(c)所示。图7.1.8三相电流产生的旋转磁场

三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关,每相绕组只有一个线圈,绕组的始端之间相差120°空间角,则产生的旋转磁场具有一对磁极,即p=1(p是磁极对数)。每相绕组有两个线圈串联,绕组的始端之间相差60°空间角,则产生的旋转磁场具有两对极,即p=2。

当旋转磁场具有p对磁极时,磁场的转速为

因此,旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁极对数p,而后者又决定于三相绕组的安排情况。对某一异步电动机讲,f1和p通常是一定的,所以磁场转速n0

是个常数。

2.电动机的转动原理

当电动机的定子绕组通过三相交流电时,便在气隙中产生旋转磁场。设旋转磁场以顺时针速度n0

旋转,则静止的转子绕组和旋转磁场就有了相对运动,从而在转子导体中产生了感应电动势,其方向可用右手定则判断。可假定磁场不动,导体以相反方向切割磁力线,从而判断出上半部分的导体感应电动势的方向是从里到外,下半部分的导体感应电动势的方向相反,如图7.1.9所示。图7.1.9转子转动原理

3.转差率

电动机转子转动的方向与磁场旋转的方向相同,但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0

相等,即n<n0

。因为如果两者相等,则转子与旋转磁场之间就没有相对运动,因而磁通就不切割转子导条,转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在,这样转子就不可能继续以n0

的转速转动。因此转子转速与磁场转速之间必须要有差别。这就是异步电动机名称的由来。而旋转磁场的转速n0

常称为同步转速。

用转差率s来表示转子转速n与同步转速n0相差的程度,即

7.2异步电动机的参数和铭牌

要正确使用电动机,必须要看懂铭牌。现以Y3132M4型电动机为例,来说明铭牌上各个数据的意义。

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。例如,Y代表三相异步电动机,3代表第3次更新,132代表机座中心高度,M代表长度号①,4代表极对数。

2.电压

铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%。三相异步电动机的额定电压有380V、3000V及6000V等多种。

3.电流

铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。

4.功率与效率

铭牌上所标的功率值是指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率值。输出功率与输入功率不等,其差值等于电动机本身的损耗功率,包括铜损耗、铁损耗及机械损耗等。所谓效率η就是输出功率与输入功率的比值。

5.功率因数

因为电动机是电感性负载,定子相电流比相电压滞后一个φ角,cosφ就是电动机的功率因数。

6.转速

由于生产机械对转速的要求不同,需要生产不同磁极数的异步电动机,因此有不同的转速等级。最常用的是四个极的(n0=1500r/min)。

7.绝缘等级

绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。所谓极限温度,是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度。

8.工作方式

电动机的工作方式分为八类,分别用字母S1~S8表示。例如:连续工作方式(S1);短时工作方式(S2),分10min、30min、60min、90min四种;断续周期性工作方式(S3),其周期由一个额定负载时间和一个停止时间组成,额定负载时间与整个周期之比称为负载持续率,标准持续率有15%、25%、40%、60%几种,每个周期为10min。

此外,Y3132M4型电动机的主要技术数据还有:功率因数0.84,效率(%)87。

7.3三相异步电动机的继电器控制

7.3.1常用控制电器1.刀开关刀开关是一种手动电器,用来不频繁地接通和断开电路,起到隔离电源的作用,其外形和符号如图7.3.1所示。刀开关由静触头、动触片、手柄、底板构成,通常刀开关的进线接在静触头,负载接在另一侧,保证当切断电源时,触刀不带电。图7.3.1刀开关

2.按钮

按钮通常用来接通或断开控制电路(其中电流很小),从而控制电动机或其他电气设备的运行。将按钮帽按下时,下面一对原来断开的静触点被动触点接通,以接通某一控制电路;

而上面一对原来接通的静触点则被断开,以断开另一控制电路。

原来就接通的触点,称为动断触点或常闭触点;原来就断开的触点,称为动合触点或常开触点。常见控制按钮如图7.

3.2所示。图7.3.2控制按钮

3.交流接触器

交流接触器常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路,每小时可开闭千余次。接触器主要由电磁铁和触点两部分组成。它是利用电磁铁的吸引力而动作的。图7.3.3所示是交流接触器的主要结构图。当吸引线圈通电后,吸引“山”字形动铁芯(上铁芯),从而使动合触点闭合。图7.3.3交流接触器

4.热继电器

热继电器用来保护电动机使之免受长期过载的危害。

热继电器是利用电流的热效应而动作的,它的原理图如图7.3.4所示。热元件是一段电阻不大的电阻丝,接在电动机的主电路中。双金属片由两种具有不同线膨胀系数的金属碾压而成。图中,下层金属的膨胀系数大,上层金属的膨胀系数小。当主电路中电流超过容许值而使双金属片受热时,它便向上弯曲,因而脱扣,扣板在弹簧的拉力下将动断触点断开。触点是接在电动机的控制电路中的。控制电路断开而使接触器的线圈断电,从而断开电动机的主电路。由于热惯性,热继电器不能作短路保护。因为发生短路事故时,要求电路立即断开,而热继电器是不能立即动作的。图7.3.4热继电器

5.熔断器

熔断器是最简便的而且是有效的短路保护电器,如图7.

3.5所示。熔断器中的熔片或熔丝用电阻率较高的易熔合金制成,例如铅锡合金等;或用截面积甚小的良导体制成,例如铜、

银等。线路在正常工作情况下,熔断器中的熔丝或熔片不应熔断。一旦发生短路或严重过载时,熔断器中的熔丝或熔片应立即熔断。图7.3.5熔断器

7.3.2电动机基本控制线路

1.笼型电动机直接启动的控制线路

图7.3.6所示是中、小容量笼型电动机直接启动的控制线路,其中用了组合开关Q、交流接触器KM、按钮SB、热继电器FR及熔断器FU等几种电器。图7.3.6笼型电动机自锁控制线路

如果将图7.3.6中的自锁触点KM除去,则可对电动机实现点动控制,就是按下启动按钮SB2,电动机就转动,一松手就停止。这在生产上也是常用的,例如在调整时用。

2.笼型电动机正反转的控制线路

图7.3.7(a)所示的控制线路中,正转接触器KMF的一个动断辅助触点串接在反转接触器KMR的线圈电路中,而反转接触器的一个动断辅助触点串接在正转接触器的线圈电路中。这两个动断触点称为联锁触点。这样一来,当按下正转启动按钮SBF时,正转接触器线圈通电,主触点KMF闭合,电动机正转。与此同时,联锁触点断开了反转接触器KMR的线圈电路。因此,即使误按反转启动按钮SBR,反转接触器也不能动作。

但是这种控制电路有个缺点,就是在正转过程中要求反转,必须先按停止按钮SB1,让联锁触点KMF闭合后,才能按反转启动按钮使电动机反转,带来操作上的不方便。为了解决这个问题,在生产上常采用复式按钮和触点联锁的控制电路,如图7.3.7(b)所示,当电动机正转时,按下反转启动按钮SBR,它的动断触点断开,而使正转接触器的线圈KMF断电,主触点KMF断开。与此同时,串接在反转控制电路中的动断触点KMF恢复闭合,反转接触器的线圈通电,电动机就反转。同时串接在正转控制电路中的动断触点KMR断开,起着联锁保护的作用。图7.3.7笼型电动机正反转控制线路

3.时间控制

在交流电路中常采用空气式时间继电器,如图7.3.8所示,它是利用空气阻尼作用而达到动作延时的目的。当吸引线圈通电后就将动铁芯吸下,使动铁芯与活塞杆之间有一段距离。在释放弹簧的作用下,活塞杆就向下移动。在伞形活塞的表面固定有一层橡皮膜。因此当活塞向下移动时,在膜上面造成空气稀薄的空间,活塞受到下面空气的压力,不能迅速下移。当空气由进气孔进入时,活塞才逐渐下移。移动到最后位置时,杠杆使微动开关动作。延时时间即为自电磁铁吸引线圈通电时刻起到微动开关动作时为止的这段时间。通过调节螺钉调节进气孔的大小,就可调节延时时间。图7.3.8空气式时间继电器

吸引线圈断电后,依靠恢复弹簧的作用而复原。空气经由出气孔被迅速排出。图7.3.8所示的时间继电器是通电延时,有两个延时触点:一个是延时断开的动断触点,一个是延时闭合的动合触点。此外,还有两个瞬时触点,即通电后下面的微动开关瞬时动作。图7.3.9是单台电机时间控制线路,能实现电机运行时间的定时控制。图7.3.9单台电机时间控制线路

7.4三速异步电动机启动和自动加速控制电路

图7.4.1所示为由两只时间继电器构成的三速异步电动机启动和自动加速控制电路图。图7.4.1中,SB1为停止按钮开关;SB2为启动按钮开关;KA为中间继电器;1KM为电动机低速运转控制交流接触器;2KM为电动机中速运转控制交流接触器;3KM为电动机高速运转控制交流接触器;1KT为时间继电器,有一组常开延时闭合触点1KT1,一组常闭延时断开触点1KT2;2KT也为时间继电器,有一组常闭延时断开触点2KT1,一组常开延时闭合触点2KT2。图7.4.1三速异步电动机启动和自动加速控制电路图

7.4.1工作原理

图7.4.1所示电路的工作原理可从以下几个方面来进行分析说明。

1.启动控制

合上电源开关QS,按下启动开关SB2按钮后,KA继电器线圈得电,KA2常开触点闭合后自锁,其KA1与KA4常开触点闭合后,使1KM与1KT线圈均得电。

当1KM线圈得电后,其1KM1和1KM2常闭触点均断开,1KM4~1KM7常开触点均闭合,使电动机得电,启动低速运转。

2.中速运行控制

当1KT时间继电器线圈得电,经一段时间延时后,其常开延时断开触点1KT2断开,切断了1KM线圈的供电,使1KM失电,从而使1KM1和1KM2常闭触点复位接通,1KM4~

1KM7常开触点断。

与此同时,1KT时间继电器的常开延时闭合触点1KT1闭合,又使