中职初等教育校本教材电力拖动.docx

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中职初等教育校本教材电力拖动

第二章电力拖动与电气控制

第一节三相异步电动机

电动机是利用电磁感应原理把电能转换为机械能的电气设备，根据所用的电流的不同，可分为交流电动机和直流电动机两大类，交流电动机按所使用的电源相数不同，又可分为单相电动机和三相电动机两种。

其中，三相电动机又分为三相同步电动机和三相异步电动机两种。

三相异步电动机具有结构简单，工作可靠，使用和维修方便等优点，在工农业生产中和生活中得到广泛应用。

本章以三相异步电动机为例，说明电动机的结构和检测方法。

一、三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机主要由静止的定子和转动的转子两大部分组成，定了与转子留有0.2~2mm的空隙，三相异步电动机的结构如图2—1—1所示。

图2—1—1三相异步电动机结构图

（一）定子

定子由机座、定子铁心和绕组三部分组成。

如图2—1—2图所示。

图2—1—2三相电动机定子结构

1．机座

机座的主要作用是固定和支撑定子铁心，在机座内圆中固定铁心，为了加强散热能力，在机座的外表面做成很多均匀分的“肋条”，加大散热面积，提高散热效果，定子端部一侧装有风扇，起轴向通风散热作用，风扇罩起安全防护作用。

2．定子铁心

定子铁心由导磁良好，厚度在0.35~0.5mm，且冲有一定槽形的硅钢片叠压而成，铁心内圆均匀分布的槽形用来嵌放绕组。

3．定子绕组

定子绕组由线圈按一定规律连接而成，三相异步电动机有三个独立绕组，电流通过三个绕组时产生旋转磁场，带动转子旋转，把电能转化为机械能。

（二）转子

转子是电动机的旋转部分，由转子铁心、转子绕组和转轴组成。

如图2—1—3所示

图2—1—3三相异步电动机转子结构

1．转子铁心

转子铁心由厚度为0.35~0.5mm冲槽的硅钢片叠压而成，固定在转子支架和转轴上，是电动机主磁路的一部分。

2．转子绕组

转子绕组分为鼠笼式和绕线式两种。

定子绕组通电流产生的旋转磁场，由于电磁感应作用，带动转子转动，从而把电能转化为机械能。

3．转轴

转轴由中碳钢制成，两端用轴承支撑，向外输送机械转矩。

二、三相异步电动机铭牌

每一台电动机在出厂时外壳上都有一块铭牌，上面标注该电动的各种技术参数，如图2—1—4所示

三相交流异步电动机

型号Y3—112M—2功率4.0kw频率50HZ

电压380V电流8.1A转速2930r/min

接法△功率因数0.88防护等级IP55

工作方式连续绝缘等级F重量41kg

标准编号：

××××出厂编号：

××××

××××电机厂×年×月×日

图4—4电动机铭牌

图2—1—4三相交流电动机铭牌

（一）型号

自20世纪50年代以来，我国对三相鼠笼转子电动机进地了多次改良，Y系列电动机是20世纪80年代定型的产品，与过去的J、JO系列产品比较，其效率、起动能力等指标均有大幅度提高。

从20世纪90年代起，又研发了Y2系列电动机，进一步提高了绝缘等级，减小了体积和重量，而且起动转矩大，节能性能好。

2005年又通过了Y3系列产品的设计审查，结构更新颖，效率高，噪声低，性能稳定，跃居国外同类产品的先进水平。

型号Y3—112M—2的含义：

“Y3”表示第三次改进型设计，“112”中心高为112mm；“M”表示机座为中机座（L表示长机座，S表示短机座），“2”表示极数为2极电动机。

（二）额定值

（1）额定功率：

4.0kw

（2）额定转速：

2930r/min（分/转）

（3）额定电压：

380V

（4）额定电流：

8.1A

（5）额定频率：

50HZ

（三）接法

三相异步电动机外壳上的接线盒上有六个接线柱，分别用来连接电动机定子三个绕组的首尾端，电动机三个定子绕组之间的连接有三角形和星形两种接法，“▽”表示为三角形接法，“Y”表示为星形接法。

凡功率小于3kw的电动机，定子绕组通以星形方式连结，3kw以上的电动机则以三角形连结。

具体连接方法如图所示如图2—1—5和图2—1—6所示

图2—1—5三角形接法图2—1—6星形接法

三角形接法接线示意图星形接法接线示意图

（四）工作制（工作方式）

电动机的工作方式一般分为连续、短时和断续三种方式，“连续”用代号S1表示，可以长期连续工作。

“短时”用代号S2表示，只能在规定的时间内短时运行，我国规定有10min、30min、60min、90min四种。

“断续”用代号S3表示，只能以间歇方式运行

第二节三相异步电动机的检测

凡是存放过久或大修过的电动机，在使用之前，必须进行一定的检测，以保证电动机能够正常投入运行，检测的项目及方法如下所述。

一、绝缘性能的检测

电动机绝缘性能一般用兆欧表进行检测，检测的内容包括相绕组之间的绝缘性能、绕组与外壳之间的绝缘性能。

选用兆欧表时应根据被电动的额定电压采用不同规格的兆欧表。

额定电压在500V以下的用500V的兆欧表，500~3000V之间的电动机，则选用1000V的兆欧表。

对于500V以下的电动机，冷态时的绝缘电阻应不低于1兆欧姆，热态时应不低于0.5兆欧姆，全部更新绕组的电动机绝缘电阻应不低于5兆欧姆。

二、绕组直流电阻的检测

绕组直流电阻应在冷态时进行检测，检测时应保持转子静止不动，并在电动的接线盒的接线柱上进行测量。

测量时，对于绕组直流电阻大于1欧姆的电动机，可用直流单臂电桥检测，对于小于1欧姆的电动机，则用直流双臂电桥检测，绕组电阻值偏大的可用万用表电阻挡进行检测。

对于三相异步电动机来说，三相绕组的直流电阻值应是对称的，任一绕组的直流电阻值与三相绕组平均值的差距都不得超过4%。

否则视为不合格。

三、绕组首尾端的判别

修复后的电动机必须进行三相绕组的首、尾端的鉴别，否则绕组首、尾端一旦弄错，就会影响电动机的正常使用，严重的话会烧坏电动机的绕组。

电动三相绕组的首尾端的判断，都是根据电磁感应原理来判断的，下面介绍两种常用的判别方法。

（一）36V低压交流电源法判别步骤

第一步，先用万用表（或兆欧表）测量六条引出线中的任意两条之间的直流电阻，若任意两根引出线之间有一定的电阻值，则说明这两根引出线是同一相。

用这样的方法把三相绕组分出来。

第二步，分出三相绕组后，在三相绕组中任取两相绕组串联（不分头尾，任意连接）后，接上36V的交流电源。

第三步，将余下的一相绕组接上电压表。

结论：

若电压表有电压指示值，则说明串联的两相绕组是“首—尾—首—尾”相连。

若电压表指示为零，可将串联的两相绕组中的某一相两端对调，再进行同样的方法操作，直至电压表有电压值指示。

第四步，将判断出两相绕组的首尾端作好标记，再把任意一相绕组接上电压表，余下的与前次操作接电压表的绕组串联，则可判定三相绕组的首尾端。

（二）1.5V干电池判别法

第一步，先用万用表（或兆欧表）测量六条引出线中的任意两条之间的直流电阻，若任意两根引出线之间有一定的电阻值，则说明这两根引出线是同一相。

用这样的方法把三相绕组分出来。

第二步，分出三相绕组后，在三相绕组中任取两相绕组串联（不分头尾，任意连接）后，接上毫安表。

第三步，将余下的一相绕组接上1.5V干电池。

如果接通或断开瞬间，毫安表的指针正偏或反偏，则说明串联的两相绕组连接头为“首尾”相连，如果毫安表指针不动，则说明串联的两相绕组连接头同为“首端或尾端”。

第四步，用同样的方法可判断出另一相绕组（接1.5V干电池的一相）的首、尾端。

（三）灯泡试验法

第一步，将任意两相绕组串联（V1V2与W1W2）后，接上接上灯泡，另一相绕组（U1U2）的两端接到，36V交流电源上，如图2—2—1所示：

图2—2—1灯泡试验法判别首、尾端

第二步，接通交流电源，若灯泡发光，则说明串联的两相绕组是正串联，即第一相绕组的尾端接在第二相绕组的首端上。

第三步，用同样的方法测试，可判断出第三相绕组的首尾端。

四、起动前的检查

（一）检查电动机的清洁情况。

如果内部有灰尘或脏物，则应清洗干净，但决不允许用湿布或沾有汽油、煤油、机油、酒精的布擦拭电动机内部。

（二）检查电动机的紧固情况。

主要检查电动机端部的轴承、轴承盖、机座螺钉是否松动。

（三）检查转子转动是否灵活、有无摩擦杂音。

（四）检查熔断器、开关和导线的连接点是否牢固，导线有无松动或断股现象。

（五）检测绝缘电阻是否符合要求

（六）检查三相电源电压是否平衡，电源电压数值是否符合要求。

（七）检查定子绕组连接方式是否和铭牌标注一致。

五、空载试验

电动机使用前，要进行空载试验，试验合格后方可投入使用，空载运行时间约为20~30分钟。

试验目的主要是检测以下几个方面的内容

（一）检查电动机的运转情况，定子和转子之间是否有摩擦，运转是否平稳，是否夹带杂声，电动机是否有过高的温升。

（二）检测三相电流是否平衡，正常情况下，三相电流应基本相等，任一相电流与三相电流的平均值最大偏差不应超过10%。

（三）检测电动机空载电流的数值是否符合标准。

电动机空载电流约为额定电流的30~60%。

第三节低压电器

一、开关类控制电器

（一）刀开关

刀开关是手动控制电器中结构最简单的一种，主要用在不频繁接通或断开且功率较小的电动机等电器设备与电源的联系，在配电设备中也可作隔离开关，即用于电器设备长期停止运行或检修电路时切断电源。

故又称“隔离开关”。

刀开关的结构如图2—3—1（a）所示，主要由瓷手柄、动触点、瓷底座、上胶木盖、下胶木盖等组成。

按刀片的数目分单极、双极和三极刀开关，通常把刀开关和熔断器组合使用。

图2—3—1（a）刀开关外形结构图

用于照明电咱时，可选用额定电压为220V或250V、额定电流大于或等于电路最大工作电流的两极开关；用于小容量电动机的直接起动时，可选用额定电压为380V或500V、额定电流大于或等于电动机额定电流3倍的三极开关。

刀开关的图形符号如图2—3—1（b）所示。

图2—3—1（b）刀开关的图形符号

　　刀开关在切断电源时会产生电弧，因此在安装刀开关时手柄必须朝上，不得倒装或平装。

　　接线时应将电源线接在上端，负载接在下端，这样拉闸后刀片与电源隔离，可防止意外发生。

　　常用刀开关有HD系列及HS系列板用刀开关、HK系列开启式负荷开关和HH系列封闭式负荷开关。

（1）HD系列及HS系列刀开关

（2）HK系列开启式负荷开关

（3）HH系列封闭式负荷开关

　刀开关的型号含义和电气符号如图2—3—2所示。

（a）型号含义　　　　　　　　　　（b）电气符号　　　　

图2—3—2刀开关的型号含义和电气符号

（二）组合开关

组合开关又称转换开关，实质上也是刀开关的一种，它分为若干层，每一层的绝缘板上装有与机壳外接线柱相连的静触片，每层的静触在同一转轴上，转动手柄时，每层动触片随转轴一起转动，使多对触头同时接通和断开。

如图2—3—3所示

图2—3—3组合开关外形结构

组合开关常用作电源引入开关，也可用作小容量电动机不经常起动或停止的控制，但它的通断能力较低，一般不可用来分断故障电源。

（三）按钮开关

　控制按钮由按钮帽1、复位弹簧2、桥式触头3、4、5和外壳等组成，通常做成复合式，即具有动合触点和动断触点，其结构如图2—3—4所示

图2—3—4按钮开关结构示意图

控制铵钮的种类很多，指示灯式按钮内可装入信号灯显示信号；紧急式按钮装有蘑菇形钮帽，以便于紧急操作；旋钮式按钮用于扭动旋钮来进行操作。

常见按钮的外形如图2—3—5所示：

图2—3—5按钮的外形、图形符号

（四）行程开关

　行程开关又称位置开关或限位开关。

它的作用与按钮相同，只是其触点的动作不是靠手动操作，而是利用生产机械某些运动部件上的挡铁碰撞其滚轮使触头动作来实现接通或分断电路的。

　行程开关的结构分为3个部分：

操作机构、触头系统和外壳，行程开关的外形及结构如图2—3—6所示

外形结构示意图

图2—3—6行程开关外形、结构示意图

　行程开关的型号含义和电气符号如图2—3—7所示。

（a）型号含义　　　　　　　　（b）电气符号

图2—3—7行程开关的型号含义和电气符号

二、熔断器　

　熔断器是一种结构简单、使用方便、价格低廉、控制有效的短路保护电器。

（一）熔断器的结构和工作原理

　　熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管（或熔座）组成。

　熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔体允许通过一定大小的电流而不熔断。

当电路发生短路或严重过载时，熔体中流过很大的故障电流，当电流产生的热量使熔体温度升高达到熔点时，熔体熔断并切断电路，从而达到保护的目的。

（二）熔断器的分类

　　熔断器的类型很多，按结构形式可分为插入式熔断器、螺旋式熔断器、封闭管式熔断器、快速熔断器和自复式熔断器等。

　熔断器的外形如图2—3—8所示。

（ａ）螺旋式熔断器　　（ｂ）圆筒形帽熔断器（ｃ）螺栓连接熔断器

图2—3—8熔断器的外形

熔断器的型号含义和电气符号如图2—3—9所示。

（a）型号含义　　　　（b）电气符号

图2—3—9熔断器型号及图型符号

三、漏电保护断路器

　　低压断路器（也称自动开关）是一种既可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，又可以接通和分断短路电流的开关电器。

低压断路器在电路中除起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、过载、欠压和漏电保护等。

（一）断路器的结构和工作原理

　　低压断路器主要由触头、灭弧装置、操动机构和保护装置等组成。

断路器的保护装置由各种脱扣器来实现。

断路器的脱扣器形式有：

欠压脱扣器、过电流脱扣器、分励脱扣器等。

其结构如2—3—10图所示。

1.灭弧室2.分励脱扣器3.辅助触头4.欠压脱扣器5.合闸电磁铁6.智能控制器

7.操作机构8.电动操作机构9.面板10.安全隔板11二次回路接线端子12.抽屉座

图2—3—10漏电保护断路器结构图

（二）断路器的分类

　　低压断路器的分类方式很多，按结构形式分有DW15、DW16、CW系列万能式（又称框架式）和DZ5系列、DZ15系列、DZ20系列、DZ25系列塑壳式断路器；

　　按灭弧介质分有空气式和真空式（目前国产多为空气式）；

　　按操作方式分有手动操作、电动操作和弹簧储能机械操作；

　　按极数分有单极式、二极式、三极式和四极式；按安装方式分有固定式、插入式、抽屉式和嵌入式等。

低压断路器容量范围很大，最小为4A，而最大可达5000A。

图2—3—11漏电保护断路器外形图

　　断路器的型号含义和电气符号如图2—3—12所示。

（a）型号含义　　　　　　　　　（b）电气符号

图2—3—12断路器的型号含义和电气符号

四、接触器

接触器是一种根据外来输入信号利用电磁铁操作，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。

主要用于控制电动机、电焊机、电热设备、电容器组等。

其工作原理为：

当电磁铁线圈得电，电磁铁吸合时，带动接触器触头闭合，使电路接通。

线圈失电时，电磁铁在弹簧力作用下释放，接触器触头断开，使电路切断。

　　接触器不仅能实现远距离集中控制，而且操作频率高、控制容量大，具有低压释放保护、工作可靠、使用寿命长和体积小等优点，是继电器——接触器控制系统中最重要和最常用的元件之一。

（一）接触器的结构及工作原理

　　交流接触器主要由电磁机构（包括电磁线圈1、铁心2和衔铁3）、触头系统（主触头4和辅助触头5）、灭弧装置（图中未画出）及其他部分组成。

其结构如图2—3—13所示，

图2—3—13交流接触器结构示意图

　如上图所示，当接触器线圈1通电后，在铁心2中产生磁通及电磁吸力。

此电磁吸力克服弹簧反力使得衔铁3吸合，带动触点机构4和5动作，常闭触点打开，常开触点闭合，互锁或接通线路。

线圈失电或线圈两端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧反力，使得衔铁释放，触点机构复位，断开线路或解除互锁。

　接触器外形如图2—3—14所示

图2—3—14接触器外形图

（二）接触器的主要技术参数及型号

1、接触器的主要技术参数有：

（1）额定电压　　　

（2）额定电流　

　（3）吸引线圈额定电压　

　（4）通断能力

（5）电气寿命和机械寿命

　（6）额定操作频率（次/h）

接触器的型号含义及电气符号如下图所示。

五、继电器

继电器是根据一定的信号（如电流、电压、时间和速度等物理量）的变化来接通或分断小电流电路和电器的自动控制电器。

继电器一般由3个基本部分组成：

检测机构、中间机构和执行机构。

（一）电磁式继电器

　　低压控制系统中的控制继电器大部分为电磁式结构。

下图为电磁式继电器的典型结构示意图。

图2—3—15电磁式继电器的典型结构示意图

电磁式继电器由电磁机构和触头系统两个主要部分组成。

电磁机构由线圈1、铁心2、衔铁7组成。

触头系统由于其触点都接在控制电路中，且电流小，故不装设灭弧装置。

它的触点一般为桥式触点，有动合和动断两种形式。

另外，为了实现继电器动作参数的改变，继电器一般还具有改变弹簧松紧和改变衔铁打开后气隙大小的装置，即反作用调节螺钉6。

　　当通过电流线圈1的电流超过某一定值，电磁吸力大于反作用弹簧力，衔铁7吸合并带动绝缘支架动作，使动断触点9断开，动合触点10闭合。

通过调节螺钉6来调节反作用力的大小，即调节继电器的动作参数值。

（二）电流继电器

　　电流继电器主要用于过载及短路保护。

　　电流继电器的线圈串联接入主电路，其线圈匝数少、导线粗、阻抗小，用来感测主电路的电流，触点接于控制电路，为执行元件。

　　电流继电器反映的是电流信号，常用的电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。

　　欠电流继电器用于欠电流保护，在电路正常工作时，欠电流继电器的衔铁是吸合的，其动合触点闭合，动断触点断开。

只有当电流降低到某一整定值时，衔铁释放，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路。

　　过电流继电器在电路正常工作时不动作，整定范围通常为额定电流的1.1～3.5倍。

当被保护线路的电流高于额定值，并达到过电流继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，控制电路失电，从而控制接触器及时分断电路，对电路起过流保护作用。

过流继电器外形图　　　　　　　欠流继电器外形图

图2—3—16电流继电器外形结构图

（三）电压继电器

　　电压继电器反映的是电压信号。

它的线圈并联在被测电路的两端，所以匝数多、导线细、阻抗大。

　　电压继电器用于电力拖动系统的电压保护和控制。

其线圈并联接入主电路，感测主电路的电压；触点接于控制电路，为执行元件。

　按吸合电压的大小，电压继电器可分为过电压继电器和欠电压继电器。

　过电压继电器用于线路的过电压保护，，当被保护的电路电压正常时衔铁不动作，当被保护电路的电压高于额定值，达到过电压继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，控制电路失电，控制接触器及时分断被保护电路。

　　欠电压继电器用于电路的欠电压保护，其释放整定值为电路额定电压的0.1～0.6倍。

当被保护电路电压正常时衔铁可靠吸合，当被保护电路电压降至欠电压继电器的释放整定值时衔铁释放，触点机构复位，控制接触器及时分断被保护电路。

中间继电器实质上是一种电压继电器。

它的特点是触点数目较多，电流容量可增大，起到中间放大（触点数目和电流容量）的作用。

　　继电器的型号含义和电气符号如图2—3—17所示。

图2—3—17中间继电器外形图

继电器的型号含义和电气符号如图2—3—18所示

（a）型号含义（b）电气符号

图2—3—18继电器的型号含义和电气符号

（四）时间继电器

　　在自动控制系统中，有时需要继电器得到信号后不立即动作，而是要顺延一段时间后再动作并输出控制信号，以达到按时间顺序进行控制的目的。

时间继电器就能实现这种功能。

　时间继电器按工作原理分可分为：

电磁式、空气阻尼式（气囊式）、晶体管式、单片机控制式等。

其外形如下图所示。

图2—3—19时间继电器外形结构图

　　空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时的。

其外形如下图所示。

图2—3—20时间继电器外形结构图

　空气阻尼时间继电器由电磁机构、延时机构、触头系统三部分组成。

延时方式有通电延时和断电延时两种。

断电延时型结构及工作原理见下图：

当线圈1通电后，衔铁3连同推板5被铁心2吸引向下吸合，上方微动开关4压下，使上方微动开关触头迅速转换。

同时在空气室10内与橡皮膜9相连的活塞杆6也迅速向下移动，带动杠杆7左端迅速上移，微动开关14的延时常开触点马上闭合，常闭触点马上断开。

当线圈断电时，微动开关4迅速复位，在空气室10内与橡皮膜9相连的活塞杆6在弹簧8作用下也向上移动，由于橡皮膜下方的空气稀薄形成负压，起到空气阻尼的作用，因此活塞杆只能缓慢向上移动，移动速度由进气孔12的大小而定，可通过调节螺钉11调整。

经过一段延时后，活塞13才能移到最上端，并通过杠杆7压动开关14，使其常开触点延时断开，常闭触点延时闭合。

时间继电器的图形符号及文字符号如图2—3—21所示。

图2—3—21时间继电器的图形符号及文字符号

按延时方式可分为通电延时型时间继电器和断电延时型时间继电器。

　对于通电延时型时间继电器，当线圈得电时，其延时动合触点要延时一段时间才闭合，延时动断触点要延时一段时间才断开。

当线圈失电时，其延时动合触点迅速断开，延时动断触点迅速闭合。

　对于断电延时型时间继电器，当线圈得电时，其延时动合触点迅速闭合，延时动断触点迅速断开。

当线圈失电时，其延时动合触点要延时一段时间再断开，延时动断触点要延时一段时间再闭合。

（五）热继电器

　　热继电器主要用于过载、缺相及三相电流不平衡的保护。

　　热继电器的形式有多种，其中以双金属片式应用最多。

双金属片式热继电器主要由发热元件1、主双金属片2和触点4三部分组成，如下图所示。

主双金属片2是热继电器的感测元件，由两种膨胀系数不同的金属片辗压而成。

当串联在电动机定子绕组中的热元件有电流流过时，热元件产生的热量使双金属片伸长，由于膨胀系数不同，致使双金属片发生弯曲。

电动机正常运行时，双金属片的弯曲程度不足以使热继电器动作。

但是当电动机过载时，流过热元件的电流增大，加上时间效应，就会加大双金属片的弯曲程度，最终使双金属片推动导板3使热继电器的触点4动作，切断电动机的控制电路。

图2—3—22热继电器的外形图

JR0、JRl、JR2和JRl5系列的热继电器均为两相结构，是双热元件的热继电器，可以用作三相异步电动机的均衡过载保护和定子绕组为Y联结的三相异步电动机的断相保护，但不能用作定子绕组为△联结的三相异步电动机的断相保护。

　　JRl6和JR20系列热继电器均为带断相保护的热继电器，具有差动式断相保护机构。

选择时主要根据电动机定子绕组的联结方式来确定热继电器的型号，在三相异步电动机电路中，对Y联结的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，一般采用两相结构，