《电工电子技术 》课件-第5章 异步电动机与电气控制

第5章异步电动机与电气控制5.1三相异步电动机5.2三相异步电动机的运行5.3单相异步电动机5.4常用控制电动机5.5低压电器5.6基本控制电路5.7行程、时间控制电路5.1三相异步电动机下一页返回5.1.1三相异步电动机的构造三相异步电动机分主要由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两个基本部分组成。其构造如下图5-1所示。图5-1三相异步电动机构造1.定子定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。三相绕组根据需要可接成星形(Y)和三角形(△)。2.转子转子由转子铁芯、转子绕组和转轴三部分组成。转子绕组有笼型和绕线型两种结构。5.1三相异步电动机下一页返回5.1.2三相异步电动机的铭牌和技术数据铭牌的作用是向使用者简要说明这台设备的一些额定数据和使用方法，因此看懂铭牌，按照铭牌的规定去使用设备，是正确使用这台设备的先决条件。型号是为了便于各部门业务和简化技术文件对产品名称、规格、形式的叙述等而引用的一种代号，由汉语拼音字母、国际通用符号和阿拉伯数字三部分组成。5.2三相异步电动机的运行下一页返回5.2.1旋转磁场1.旋转磁场的产生图5-8旋转磁场的产生过程由分析可知,当定子绕组中通入三相电流后,当三相电流不断地随时间变化时，它们共同产生的合成磁场也随着电流的变化而在空间不断地旋转着,这就是旋转磁场,如图5-8所示。这个旋转磁场同磁极在空间旋转所产生的作用是一样的。5.2三相异步电动机的运行下一页返回5.2.1旋转磁场2.旋转磁场的转向图5-9旋转磁场的正转

图5-10旋转磁场的反转旋转磁场的转向与三相电流的相序一致。如果将与三相电源相联接的电动机三根导线中的任意两根的对调一下，则定子电流的相序随之改变，旋转磁场的旋转方向也发生改变，电动机就会反转。5.2三相异步电动机的运行下一页返回5.2.1旋转磁场3.旋转磁场的极数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定子绕组的安排有关。三相绕组的始端之间相差120o，则产生的旋转磁场具有一对极,即p=1。三相绕组的始端之间只相差60o的空间角,则产生的旋转磁场具有两对极,即p=2。图5-11三相电流产生的旋转磁场（P=2）5.2三相异步电动机的运行下一页返回5.2.1旋转磁场4.旋转磁场的转速三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速决定于旋转磁场的极数。可以证明在磁极对数p=l的情况下,三相定子电流变化一个周期，所产生的合成旋转磁场在空间亦旋转一周。当电源频率为f时，对应的旋转磁场转速n0=60f。当电动机的旋转磁场具有p对磁极时，合成旋转磁场的转速为：我国电力网电源频率f=50Hz,故当电动机磁极对数p分别为1、2、3、4时,相应的同步转速n0分别为3000、1500、1000、750r/min。5.2三相异步电动机的运行下一页返回5.2.2电动机的转动原理1.三相异步电动机工作原理电动机转动的工作原理：根据安培定律，载流导体与磁场相互作用而产生电磁力F，其方向由左手定则决定。电磁力对于转子转轴所形成的转矩称为电磁转矩T，在它的作用下，电动机转子便转动起来，其工作原理如图5-12所示。图5-12三相异步电动机转动原理图该电动机只有在转子转速n低于同步转速n0时,才能产生电磁转矩并驱动负载稳定运行。因此这种电动机称为异步电动机。5.2三相异步电动机的运行下一页返回5.2.2电动机的转动原理2.转差率异步电动机的转子转速n与旋转磁场的同步转速n0之差是保证异步电动机工作的必要条件。这两个转速之差与同步转速之比称为转差率，用s表示，即由于异步电动机的转速n<n0，且n>0，故转差率在0到1的范围内,即0<s<1。对于常用的异步电动机,在额定负载时的额定转速很接近同步转速，所以它的额定转差率sN很小，约为0.01-0.07,s有时也用百分数来表示。5.2三相异步电动机的运行下一页返回5.2.2电动机的转动原理3.电动机的选择（1）电源的选择在三相异步电动机中，中小功率电动机大多数采用三相380V电压，也有使用三相220V电压的。（2）防护形式的选择电机的防护方式主要有开启式、防护式、封闭式和防爆式等四种。一般主要根据使用环境进行选择。（3）功率的选择选用电动机的功率要满足所带负载的要求。一般电动机的额定功率要比负载功率大一些，以留有一定余量.（4）转速的选择应该根据生产机械的要求来选择电动机的额定转速。5.3单相异步电动机下一页返回5.3.1单相交流异步电动机的结构及应用单相交流异步电动机主要由定子部分、转子部分和起动装置等组成。1.定子部分单相异步电动机的定子包括机座、铁心、绕组三大部分。（1）机座采用铸铁、铸铝或钢板制成，其结构型式主要取决于电机的使用场合及冷却方式。（2）铁心部分定子铁心多用铁损小、导磁性能好，厚度一般为0.35～0.5㎜的硅钢片冲槽叠压而成。（3）绕组单相异步电动机的定子绕组，一般都采用两相绕组的形式，即主绕组和辅助绕组。5.3单相异步电动机下一页返回5.3.1单相交流异步电动机的结构及应用2.转子部分单相异步电动机的转子主要有转轴、铁心、绕组三部分。（1）转轴转轴用含碳轴钢车制而成，两端安置用于转动的轴承。（2）铁心转子铁心是先用与定子铁心相同的硅钢片冲制，将冲有齿槽的转子铁心叠装后压入转轴。（3）绕组单相异步电动机的转子绕组一般有两种型式，即笼型和电枢型。5.3单相异步电动机下一页返回5.3.2单相交流异步电动机的起动装置除电容运转式电动机和罩极式电动机外，一般单相异步电动机在起动结束后辅助绕组都必须脱离电源，以免烧坏。因此，为保证单相异步电动机的正常起动和安全运行，就需配有相应的起动装置。起动装置的类型有很多，主要可分为离心开关和起动继电器两大类。图5-13离心开关结构示意图5-14电压型起动继电器原理接线图5-15电流型起动继电器原理接线图5-16差动型起动继电器原理接线图5.3单相异步电动机下一页返回5.3.3单相交流异步电动机的应用单相异步电动机是用单相交流电源供电的一类驱动用电机，具有结构简单、成本低廉、运行可靠及维修方便等一系列优点。特别是因为它可以直接使用普通民用电源，所以广泛的运用于各行各业和日常生活，作为各类工农业生产工具、日用电器、仪器仪表、商业服务、办公用具和文教卫生设备中的动力源，与人们的工作、学习和生活有着极为密切的关系。和容量相同的三相异步电机比较，单相异步电动机的体积较大，运行性能也较差，所以单相异步电动机通常只做成小型的，其容量从几瓦到几百瓦。由于只需单相交流220V电源电压，故使用方便，应用广泛，并且有噪声小、对无线电系统干扰小等优点，因而多用在小型动力机械和家用电器等设备上，如电钻、小型鼓风机、医疗器械、风扇、洗衣机、冰箱、冷冻机、空调机、抽油烟机、电影放映机及家用水泵等，是日常现代化设备必不可少的驱动源。在工业上，单相异步电动机也常用于通风与锅炉设备以及其它伺服机构上。5.4常用控制电动机下一页返回控制电机是指在自动控制系统中作为传递信息、转换控制信号用的电机。控制电机与前述的驱动电机在电磁过程和遵循的基本电磁规律上没有本质区别。但是驱动电机是作为动力使用的，主要任务是完成能量的转换，面临的主要问题是如何提高转换的效率。而控制电机在自动控制系统中，只起一个元件的作用，其主要任务是完成控制信号的传递和转换，能量转换对控制电机来说是次要的，因此它要求具有较高的精确度和可靠性，能够对信号作出快速反应。此外控制电机还具有输出功率小、质量轻、体积小、动作灵敏、耗电少等优点。控制电机主要有伺服电动机、步进电动机、力矩电机、开关磁阻电机、直流无刷电机等。其中，伺服电动机和步进电动机在工业上使用广泛。5.4常用控制电动机下一页返回5.4.1伺服电动机伺服电动机又称为执行电动机，它在自动控制系统中作为执行元件，具有服从控制信号的要求而动作的职能。在电压信号到来之前，转子静止不动；而电压信号到来时，转子立即转动；当电压信号消失后，转子也能自行停转。1.交流伺服电动机的基本结构交流伺服电动机主要由定子和转子两部分构成。在定子铁心中嵌放两个形式相同、在空间上互差90°电角度的两相绕组:励磁绕组和控制绕组。其转子有两种基本形式:笼型转子和非磁性空心杯转子。目前广泛使用笼型转子。5.4常用控制电动机下一页返回5.4.1伺服电动机2.交流伺服电动机的工作原理图5-17所示为交流伺服电动机工作原理图。其中f1、f2为励磁绕组，两端施加恒定的励磁电压；k1、k2为控制绕组，两端施加控制电压。由于励磁绕组和控制绕组在空间上互差90°电角度，只要励磁电压uf与控制电压uk有一定的相位差(最佳为90°)，就能够在电动机的气隙中产生旋转磁场，转子就会转动起来。图5-17交流伺服电动机工作原理图5.4常用控制电动机下一页返回5.4.1伺服电动机3.交流伺服电动机的控制方式交流伺服电动机的控制方式有三种:幅值控制、相位控制和幅一相控制。图5-18幅值控制

图5-19相位控制

图5-20幅-相控制5.4常用控制电动机下一页返回5.4.2步进电动机步进电动机是一种能将电脉冲信号变换为转角或转速的控制电机。其转动的角度与输入电脉冲的个数成正比，而其转速则与输入电脉冲的频率成正比，因此又称为脉冲电动机。步进电动机能快速启动、反转及制动，有较大的调速范围，不受电压、负载及环境条件变化的影响，在数控技术、自动绘图设备、自动记录设备、工业设施的自动控制、家用电器等许多领域都得到广泛的应用。交流电动机、直流电动机等都是平滑旋转的，而步进电动机却是一步一步地旋转，即输入一个信号，电动机转过一个角度。步进电动机种类多，按运动方式可分为旋转型和直线型两种。通常使用的旋转型步进电动机又分为反应式、永磁式两种。5.4常用控制电动机下一页返回5.4.2步进电动机(一)反应式步进电动机的结构三相反应式步进电动机的结构，如图5-21所示。定子和转子铁心均由硅钢片叠成，定子上有6个磁极，不带小齿，每两个相对的磁极上有一相控制绕组，转子只有四个齿，转子上面没有绕组。图5-21三相反应式步进电动机结构示意图(二)反应式步进电动机的运行方式工作时脉冲电信号按一定的顺序轮流加到定子三相绕组上，按其通电顺序的不同，三相反应式步进电动机有三拍、六拍及双三拍三种运行方式.5.5低压电器下一页返回在工业生产与日常生活等领域用电中，经常用到一些起控制及保护作用的开关及保护器，他们大都属于低压电器，低压电器是指工作在直流1500V、交流1200V以下的各种电器，按动作性质可分为手动电器和自动电器两种.5.5.1开关电器刀开关俗称刀闸开关或刀闸，是一种最常用的手动电器，刀开关一般与熔断器串联使用.以便在短路或过载时熔断器熔断而自动切断电路。刀开关的额定电压通常为250V和500V，额定电流在1500A以下。图5-22刀开关5.5低压电器下一页返回组合开关又称转换开关.是一种转动式的闸刀开关.主要用于接通或切断电路、换接电源、控制小型鼠笼式三相异步电动机的启动、停止、正反转和局部照明。组合开关的结构如图5-23所示。与刀开关相比.组合开关具有体积小、使用方便、通断电路能力强等优点。图5-23组合开关2.组合开关5.5低压电器下一页返回3.自动开关自动开关又称自动空气开关或自动空气断路器.其主要特点是具有自动保护功能.当发生短路、过载、欠电压等故障时能自动切断电路.起到保护作用。如图5-24所不是自动开关的结构原理图，它主要由触点系统、操作机构和保护元件等三部分组成。图5-24自动开关5.5低压电器下一页返回5.5.2熔断器与断路器1.熔断器(FU)熔断器是一种最常见的短路保护器，主要由熔体和外壳组成。熔体一般用电阻率较高的易熔合金制成。熔断器串联在电路中，当电路出现严重过载或短路时，熔体因过热而迅速熔断，从而达到保护电路和设备使其不受损坏的作用。电气控制电路中常用的熔断器如图5-25所示。图5-25熔断器5.5低压电器下一页返回5.5.2熔断器与断路器2.断路器(QF)断路器俗称自动空气开关，用于低压(500V以下)交、直流配电系统中，相当于刀开关、熔断器、过电流继电器、欠电压继电器和热继电器的一种组合作用，因而它是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的开关电器。图5-26断路器5.5低压电器下一页返回5.5.3按钮（SB）按钮是一种手动主令电器，主令电器是自动控制系统中用于接通或断开控制电路(指小电流电路)的电器设备.用以发送控制指令或进行程序控制。主令电器主要有控制按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关等。图5-27按钮5.5低压电器下一页返回5.5.4交流接触器(KM)接触器主要用来远距离接通和分断低压电力线路以及频繁控制交、直流电动机通、断的执行电器。接触器按电流种类分为交流接触器和直流接触器。一般情况下，交流接触器有五对常开触头，两对常闭触头。图5-28交流接触器5.5低压电器下一页返回5.5.5继电器继电器是一种根据电量(电压、电流)或非电量(转速、时间、温度等)的变化来接通或断开控制电路，实现自动控制或保护电力拖动装置的电器。1.中间继电器中间继电器通常用来传递信号和同时控制多个电路，也可用来直接控制小容量电动机或其他电气执行元件。中间继电器的结构和工作原理与交流接触器基本相同。图5-29中间继电器5.5低压电器下一页返回5.5.5继电器2.热继电器(FR)热继电器是一种感受元件受热而动作的电器，常用作电动机的过载、断相和缺相保护。热继电器的结构、工作原理如图5-30所示，主要由发热元件、热膨胀系数不同的双金属片、触点和动作机构组成。图5-30热继电器5.6基本控制电路下一页返回在生产实践中，大量采用的是额定功率小于7.5KW的三相笼型异步电动机，对于此类电动机，一般采用直接起到控制方法。5.6.1点动控制电路如图5-31所示，为带灭弧装置的交流接触器控制电路。其动作过程如下。（1）启动：合上刀开关QS→按下按钮SB→接触器KM线圈通电→KM常开主触点闭合→电动机启动运行。（2）停机：松开按钮SB→接触器KM线圈失电→KM常开主触点打开→电动机停止运行。图5-31点动控制电路5.6基本控制电路下一页返回5.6.2自锁控制电路如图5-32所示，为电动机直接启动控制电路。其动作过程如下。图5-32自锁控制电路5.6基本控制电路下一页返回5.6.3正反转控制电路如图5-33所示电路可以实现电动机的正反转控制。SB1为正向启动控制按钮，SB2为反向启动控制按钮，SB3为停机按钮。通过接触器KM1,KM2实现电动机的正反转控制。动作过程如下：图5-33正反转控制电路5.6基本控制电路下一页返回5.6.4互锁控制如图5-34(a)所示，为带接触器互锁的正反转控制电路。将接触器KM1的辅助常闭触点串入KM2的线圈回路中，从而保证在KM1的线圈通电时，KM2的线圈回路总是断开的，将接触器KM2的辅助常闭触点串入KM1的线圈回路中，从而保证在KM2的线圈通电时KM1的线圈回路总是断开的。这样，接触器的辅助常闭触点KM1和KM2保证了两个接触器的线圈。不能同时通电。这种控制方式称为互锁，两个辅助常闭触点称为互锁触点。图5-34(b)中采用了复式按钮，SB与KM都互锁。图5-34互锁控制5.6基本控制电路下一页返回5.6.5多地控制电路有些生产机械由于工作需要，要在两个或两个以上的地点进行控制。对于图5-35控制电路来说，它只能一地控制，如要另一地进行同样控制，则就需在那个地方再装一组启动和停止按钮。利用这组按钮也可控制这一接触器KM线圈。这时这两组按钮的接线原则是:启动按钮并联，停止按钮串联。图5-35两地控制电路5.7行程、时间控制电路下一页返回5.7.1行程开关及行程控制电路1.行程开关行程开关也称位置开关，主要用于将机械位移变为电信号，以实现对机械运动的电气控制。行程开关的结构及工作原理与按钮的相似，如图5-36所示为直动式行程开关的原理不意图及符号。图5-36行程开关5.7行程、时间控制电路下一页返回5.7.1行程开关及行程控制电路2.行程控制行程控制使用的控制电器为行程开关，行程控制分限位控制和自动往返控制两类。(1)限位控制具有限位控制的控制电路.是将行程开关SQ的常闭触点与接触器KM的线圈串联，如图5-37所示。图5-37限位控制5.7行程、时间控制电路下一页返回5.7.1行程开关及行程控制电路2.行程控制(2)自动往返控制有些生产机械如刨床、铣床等要求工作台在一定距离内作子往复自动循环运行。如图5-38所示为自动往返控制电路。行程开关SQ3和SQ4仍起极限保护作用。图5-38自动往返控制电路5.7行程、时间控制电路下一页返回5.7.2时间继电器及时间控制某些生产机械的控制电路需要按一定的时间间隔来接通或断开某些控制电路，如三相异步电动机的Y-△换接启动，这就需要采用时间继电器来实现延时控制。1.时