电动机的控制与保护.docx
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电动机的控制与保护
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
电动机的控制与保护
姓名_____________
学号_____________
系部_____________
专业_____________
年级_____________
指导教师_____________
2011年10月
摘要……………………………………………………………………5
前言……………………………………………………………………5
1机电一体化概要………………………………………………………5
2机电一体化技术发展…………………………………………………6
2.1数字化…………………………………………………………………6
2.2智能化…………………………………………………………………7
2.3模块化…………………………………………………………………7
2.4网络化…………………………………………………………………7
2.5人性化…………………………………………………………………7
2.6微型化…………………………………………………………………7
2.7集成化…………………………………………………………………8
2.8带源化…………………………………………………………………8
2.9绿色化…………………………………………………………………8
3机电一体化技术的发展趋势…………………………………………8
3.1光机电一体化方向……………………………………………………8
3.2柔性化方向……………………………………………………………9
3.3智能化方向……………………………………………………………9
机电一体化的电机控制与保护………………………………………9
1电机技术简述…………………………………………………………9
2电机的分类……………………………………………………………9
3电动机的结构型式……………………………………………………11
（1）开启式…………………………………………………………………11
（2）防护式…………………………………………………………………11
（3）封闭式…………………………………………………………………11
（4）防爆式…………………………………………………………………11
4电动机工作原理………………………………………………………11
4.1电动机旋转磁场的产生………………………………………………12
4.2旋转磁场的方向………………………………………………………14
5三相异步电动机的控制和保护………………………………………14
5.1三相鼠笼式异步电动机的起动控制…………………………………14
5.1.1直接起动………………………………………………………………14
（1）点动控制………………………………………………………………15
（2）长动控制………………………………………………………………15
5.1.2降压起动………………………………………………………………16
（1）星形--三角形（Y--）换接起动……………………………………16
（2）串电阻（或电抗）降压起动控制线路………………………………17
（3）自耦降压起动…………………………………………………………18
5.2三相鼠笼式异步电动机的制动控制…………………………………19
5.2.1反接制动………………………………………………………………19
5.2.2能耗制动………………………………………………………………20
5.3三相鼠笼式异步电动机的正反转控制………………………………21
5.3.1简单的正反转控制……………………………………………………21
5.3.2带电气互锁的正反转控制电路………………………………………21
5.4三相鼠笼式异步电动机的顺序启动控制……………………………22
6交流电动机的调速原理………………………………………………23
6.1变极调速………………………………………………………………23
6.2改变转差率s调速……………………………………………………24
6.3改变电源频率调速……………………………………………………24
7电动机的运行维护……………………………………………………25
7.1电动机启动前的准备…………………………………………………25
7.2启动时应该注意的问题………………………………………………26
7.3电动机运行中的监视…………………………………………………26
7.3.1监视电动机的温度………………………………………………………26
7.3.2监视电动机的电流………………………………………………………27
7.3.3监视电动机的电压………………………………………………………27
7.3.4注意电动机的振动、噪声和气味………………………………………27
7.3.5注意传动装置的检查。
…………………………………………………27
7.3.6注意轴承的工作情况……………………………………………………28
7.3.7注意交流电动机的润滑或直流电动机的换向器火花…………………28
7.4电动机的定期检查和保养………………………………………………28
结论………………………………………………………………………………29
参考文献…………………………………………………………………………30
摘要
在机械工程领域，机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶，因而机电一体化是现代科学技术发展的必然结果。
近几十年来随着电子技术及现代控制理论的发展，中小功率的电动机在工农业生产及人们的生活中都有其广泛的应用，特别是家用电器的广泛使用，更需要中小功率电动机，它的使用，保养维护工作也是越来越重要。
本设计主要简述机电一体化技术的基本概要和发展背景，分析了机电一体化技术的发展趋势，着重介绍关于机电一体化中的电机控制与保护方面内容。
关键词：
机电一体化发展电机控制工作原理运行维护
前言
1机电一体化概要
机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。
机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容。
但其基本特征可概括为：
机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。
由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。
因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。
2机电一体化技术发展
“机电一体化”一词始于上世纪六七十年代，当时的人们一直认为机电一体化就是机械与电子的结合，国内早期也将其与“机械电子学”并用，现如今“机电一体化”更加的深入人心。
80年代是信息技术启蒙的年代，当时典型的机电一体化产品是如数控车床、工业机器人和汽车的电子控制系统等，微机作为关键技术引入了飞行器系统后，使机械—电子系统在高度控制、排气控制、振动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。
其后光学也进入了机电一体化领域，随即产生了“光机电一体化”的新领域。
随着90年代的到来，通讯技术也渗透到机电一体化行业，如带有远程遥控控制的机器人，使机械、电气、电子等与虚拟的多媒体技术紧密联系起来了，使机电一体化机械多功能化，性能更加优越化，特别是在微传感器和执行器技术的发展，和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合，开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化”。
之后，机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展，稳步进入了21世纪。
如今机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。
1.1数字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。
数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。
数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。
1.2智能化 即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。
随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。
1.3模块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。
如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。
这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。
1.4网络化 由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。
而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。
给人们带来无穷的知识和方便。
1.5人性化 机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。
1.6微型化 微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。
微机电系统（MicroElectronicMechanicalSystems，简称MEMS）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。
自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。
1.7集成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。
为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。
1.8带源化 是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。
由于在许多场合无法使用电能。
带源化是机电一体化产品的发展方向之一。
1.9绿色化 科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。
所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。
绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。
在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。
3机电一体化技术的发展趋势
以微电子技术、软件技术、计算机技术及通信技术为核心而引发的数字化、网络化、综合化、个性化信息技术革命，不仅深刻地影响着全球的科技、经济、社会和军事的发展，而且也深刻影响着机电一体化的发展趋势。
专家预测，机电一体化技术将向以下几个方向发展：
3.1光机电一体化方向
一般机电一体化系统是由传感系统、能源（下转第80页）（上接第81页）（动力）系统、信息处理系统、机械结构等部件组成。
引进光学技术，利用光学技术的先天特点，就能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源系统和信息处理系统。
3.2柔性化方向
未来机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。
在这系统中，各子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同环境条件做出不同反应。
其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具有“行动”是可以改变的。
这样，既明显地增加了系统的能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。
3.3智能化方向
今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。
这主要得益于模糊技术与信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展。
机电一体化的电机控制与保护
1电机技术简述
电机时利用电磁感应原理工工作的机械，随着生产发展而来的，而又促进了社会生产力的不断提高，19世纪电动机代替了蒸汽机作为原动力，虽经过一个世纪电动机的结构变化不大但是电动机的类型增加了许多，运行的性能有了很大的提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在普通的旋转电机的基础上又发展出许多种类的控制电机，控制点击具有可靠性高，精度好，响应快速的特点，现在已经成为电机学科的独立分支。
2电机的分类
按功能用途分，可分为发电机，电动机，变压器和控制电机四大类，电动机的功能时将电能转化为机械能，作为生产机械的动力，也是最主要的用电设施；另一种分类是按照电机的结构和转速分类，可分为变压器和旋转电机，根据电源电流的不同旋转电机又可分为直流电机和交流电机两类，交流电机又分为同步电机可异步电机。
按照电动机的种类不同电力拖动又分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。
从电力拖动问世到现在一致都是交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域，在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的电力拖动方式，十九世纪末，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动的启动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求，由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，好长时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动主要用于恒转速系统。
虽然直流电动机具有调速性能优这一突出特点，但是它具有电刷和换向器，使它的故障率较高，电动机的使用环境也受到限制，其电压等级，额定转速，单机容量的发展也受到了限制。
所以上个世纪六十年代后，随着电力电子技术的发展，半导体交流技术的交流调速系统得以实现，特别时七十年代后，大规模的集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利的条件，如交流电机的串级调速，各种类型的变频调速无换向器电动机调速，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽，稳态精度高，动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能在调速性能方面完全可与直流电力拖动相媲美。
除此之外，有一交流电力拖动具有调速性能优良，维修费用低等优点，因此它今后将广泛应用于各个工业电气自动化领域中，并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流。
经历了一个多世纪的发展，电动机自身的理论基本成熟，随着电工技术的发展，对电能的转换，控制以及高效使用要求是越来越高。
电磁材料的性能不断的提高，电工电子技术的应用，为电动机的发展注入了新的活力。
未来电动机将会沿着单位功率体积更小，几点能量转化效率更高，控制更灵活的方向发展，在不久的未来它们将同时出现在我们面前。
3电动机的结构型式
电动机常制成以下几种结构型式：
（1）开启式
在构造上无特殊防护装置，用于干燥无灰尘的场所。
通风非常良好。
（2）防护式
在机壳或端盖下面有通风罩，以防止铁屑等杂物掉入。
也有将外壳做成挡板状，以防止在一定角度内有雨水滴溅入其中。
（3）封闭式
它的外壳严密封闭，靠自身风扇或外部风扇冷却，并在外壳带有散热片。
在灰尘多、潮湿或含有酸性气体的场所，可采用它。
（4）防爆式
整个电机严密封闭，用于有爆炸性气体的场所。
4电动机工作原理
目前较常用的主要交流电动机，它可分为两种：
1、三相异步电动机。
2、单项交流电动机。
三相异步电动机主要用在工业上，而单向交流电动机主要用在民用电器上，下面将以三相异步电动机为例介绍其工作原理。
下面图形所示为一台三相笼型异步电动机的示意图。
在定子铁心嵌放着三相绕组U1-U2,V1-V2,W1-W2,转子槽内放有导条，导条两端用短路环接起来，形成一个笼型的闭合绕组，定子三相绕组可接成星形也可接成三角形。
由旋转磁场分析可知，如果定子对称三相绕组被施以对称的三相电压，就有对称的三相电流流过，并且会在电机的气缝中形成一个旋转的磁场，这个磁场的转速n1称为同步转速，它与电网的频率f1及电机的磁极对数p的关系为：
n1=60f1/p
如转向与三相绕组的排列以及三相电流的相序有关，图4-1
图中U、V、W、相以顺时针排列，当定子绕组中通以UVW相序的三相电流时，定子旋转磁场将以顺时针旋转，由于转子是静止的，转子与旋转磁场之间有相对运动，转子导体因切割磁场而产生感应电动势，因转子绕组自身闭合，转子绕组内使有电流通过，转子有功电流与转子感应电动势同相位，载有有功分量电流的转子绕组在定子旋转磁场作用下，将产生电磁力F，推动电动机转动，如示意图：
电磁力对转轴形成一个电磁转矩，其作用方向与旋转磁场方向一致，拖着转子顺着转子磁场的方向旋转，将输入的电能转化为旋转的机械能，如果电动机轴上带有机械负载，则机械负载随着电动机的旋转面旋转，电动机对机械负载做了功。
图4-2
4.1电动机旋转磁场的产生
下图表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。
并接成星形与三相电源U、V、W相联。
则三相定子绕组便通过三相对称电流：
随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场。
图4-3三相异步电动机定子接线
当t=00时，
，AX绕组中无电流；
为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如下图（a）所示。
当t=1200时，BY绕组中无电流；为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如下图（b）所示。
当t=2400时，CZ绕组中无电流；为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如下图（c）所示。
可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。
随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。
图4-4旋转磁场的形成
4.2旋转磁场的方向
旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。
这时，转子的旋转方向也跟着改变。
综上分析可知，三相异步电动机转动的基本工作原理是：
（1）三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。
（2）转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流。
（3）转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转矩，驱使电动机转子转动。
5三相异步电动机的控制和保护
5.1三相鼠笼式异步电动机的起动控制
5.1.1直接起动
直接起动又称为全压起动，就是利用闸刀开关或接触器将电动机的定子绕组直接加到额定电压下起动。
这种方法只用于小容量的电动机或电动机容量远小于供电变压器容量的场合。
（1）点动控制
合上开关S，三相电源被引入控制电路，但电动机还不能起动。
按下
按钮SB，接触器KM线圈通电，衔铁吸合，常开主触点接通，电动机定子接入三相电源起动运转。
松开按钮SB。
点动控制,接触器KM线圈断电，衔铁松开，常开主触点断开，电动机因断电而停转。
图5-1点动控制
（2）长动控制
①起动过程。
按下起动按钮SB1，接触器KM线圈通电，与SB1并联的KM的辅助常开触点闭合，以保证松开按钮SBl后KM线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM的主触点持续闭合，电动机连续运转，从而实现连续运转控制。
②停止过程。
按下停止按钮SB2，接触器KM线圈断电，与SB1并联的KM的辅助常开触点断开，以保证松开按钮SB2后KM线圈持续失电，串联在电动机回路中的KM的主触点持续断开，电动机停转。
与SB1并联的KM的辅助常开触点的这种作用称为自锁。
图示控制电路还可实现短路保护、过载保护和零压保护。
起短路保护的是串接在主电路中的熔断器FU。
一旦电路发生短路故障，熔体立即熔断，电动机立即停转。
起过载保护的是热继电器FR。
当过载时，热继电器的发热元件发热，将其常闭触点断开使接触器KM线圈断电，串联在电动机回路中的KM的主触点断开，电动机停转。
同时KM辅助触点也断开，解除自锁。
故障排除后若图5-2长动控制
要重新起动，需按下FR的复位按钮，使FR的常闭触点复位（闭合）即可。
起零压（或欠压）保护的是接触器KM本身。
当电源暂时断电或电压严重下降时，接触器KM线圈的电磁吸力不足，衔铁自行释放，使主、辅触点自行复位，切断电源，电动机停转，同时解除自锁。
5.1.2降压起动
在起动时降低加在定子绕组上的电压，以减小起动电流，待转速上升到接近额定转速时，再恢复到全压运行。
此方法适于大中型鼠笼式异步电动机的轻载或空载起动。
（1）星形--三角形（Y--）换接起动
起动时，将三相定子绕组接成星形，待转速上升到接近额定转速时，再换成三角形。
这样，在起动时就把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的
。
此方法只能用于正常工作时定子绕组为三角形联接的电动机。
这种换接起动可采用星三角起动器来实现。
星三角起动器体积小、成本低、寿命长、动作可靠。
按下起动按钮SB1，时间继电器KT和接触器KM2同时通电吸合，KM2的常开主触点闭合，把定子绕组连接成星形，其常开辅助触点闭合，接通接触器KM1。
KM1的常开主触点闭合，将定子接入电源，电动机在星形连接下起动。
KM1的一对常开辅助触点闭合，进行自锁。
经一定延时，KT的常闭触点断开，KM2断电复位，接触器KM3通电吸合。
KM3的常开主触点将定子绕组接成三角形，使电动机在额定电压下正常运行。
与按钮SB1串联的KM3的常闭辅助触点的作用是：
当电动机正常运行时，该常闭触点断开，切断了KT、KM2的通路，即使误按SB1，KT图5-4Y—△降压起动控制
和KM2也不会通电，以免影响电路正常运行。
若要停车，则按下停止按钮SB3，接触器KM1、KM2同时断电释放，电动机脱离电源停止转动。
（2）串电阻（或电抗）降压起动控制线路
在电动机起动过程中，常在三相定子电路中串接
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