1项目一 三相交流异步电动机直接启动电路的接线与调试.docx

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1项目一三相交流异步电动机直接启动电路的接线与调试

项目一三相交流异步电动机直接启动电路的接线与调试

工业生产中的大多数机械设备都是通过电动机进行拖动的，要是电动机按照生产工艺的要求正常地运转，就要组成具备相应控制功能的电路。

这些电路无论简单或复杂，一般都是由电动控制、自锁控制、正反转控制、Y-△形降压启动控制等基本电气控制电路组合而成。

本章从最基础的三相异步电动机的直接启动引入，讲述了三相交流异步电动机的结构、基本工作原理、铭牌参数以及故障检修方法，以及一些低压控制电器的在电机控制电路中的使用。

学习目标

熟悉三相交流异步电动机的基本结构、工作原理、铭牌参数以及检修；

熟悉开启式刀开关、封闭式刀开关、组合开关以及隔离开关的结构、工作原理、型号、规格、正确选择和使用方法以及其在控制线路中的作用；

能分析三相交流异步电动机直接启动控制线路的电气原理并掌握电气控制线路中的保护措施；

能正确安装和操作负荷开关直接启动控制电路。

相关知识

一、三相交流异步电动机的结构

三相异步电动机的种类很多，但各种三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都是由定子和转子这两大基本部分组成，此外还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图1-1所示。

（a）三相鼠笼式异步电动机的外形图

（b）三相交流异步电动机的构件分解图

图1-1三相鼠笼式异步电动机结构图

（一）定子

1.机座 

机座是电动机的外壳，支撑电机各部件，并通过机座的底脚将电机安装固定。

全封闭式电机的定子铁心紧贴机座内壁，故机座外壳上的散热筋是电机的主要散热面。

中小型电机采用铸铁机座。

大型电机一般采用钢板焊接机座。

如图1-2所示。

2.定子铁心 

定子铁心是电机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。

为了增强导磁能力和减小铁耗，定子铁心常选用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。

定子铁心内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。

如图1-3所示。

3.定子绕组 

定子绕组是异步电动机的电路部分，其材料主要采用紫铜。

小型异步电动机常采用三相单层绕组，大中型异步电动机常采用三相双层短矩叠绕组形式，三相绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上，首端分别标为U1、V1、W1，末端分别标为U2、V2、W2，这6个出线端可根据需要将三相绕组接成Y形或△形。

如图1-4所示。

图1-2定子图1-3定子铁芯

图1-4三相交流异步电动机的定子绕组连接方式

（二）转子

转子是电动机的旋转部分，包括转子铁心、转子绕组、转轴、端盖、轴承、轴承端盖和风扇等其它附件部件。

1.转轴   

转轴的作用是固定铁芯和传递机械功率。

为保证其强度和刚度，转轴一般由低碳钢或合金钢制成。

2.转子铁心   

 转子铁心也是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。

铁心材料也用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，故通常用冲制定子铁芯冲片剩余下来的内圆部分制作。

转子铁芯固定在转轴上，其外圆上开有槽，用来嵌放转子绕组。

3.转子绕组

作用是切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

根据构造的不同分为鼠笼式转子和绕线式转子。

如图1-5所示。

图1-5转子绕组

（1）鼠笼式转子：

若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。

小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。

如图1-6所示。

图1-6笼型转子

a）笼型绕组     b）转子外形    c）铸铝笼型转子

（2）绕线式转子：

绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集电环（滑环）上，再通过电刷与外电路联接，如图1-7所示。

转子绕组通过滑环和电刷可外串电阻以改善异步电动机的起动和调速性能。

与鼠笼式转子相比较，绕线式转子造价高，制造工艺和维修较复杂。

因此，仅用于要求起动转矩大，起动电流小和需要调速的场合。

为了减小电刷磨损和摩擦损耗，绕线型异步电动机一般还装有提刷短路装置，在电动机起动完毕而不需调速时，可将电刷提起并同时将3个滑环短接。

图1-7绕线式转子异步电动机的转子接线示意图

a）接线图   b）提刷装置3.转轴

二、三相交流异步电动机的工作原理

三相异步电动机转动原理如下：

三相交流电通入定子绕组，产生旋转磁场。

磁力线切割转子导条使导条两端出现感应电动势，闭合的导条中便有感应电流流过。

在感应电流与旋转磁场相互作用下，转子导条受到电磁力并形成电磁转矩，从而使转子转动。

1.旋转磁场产生

三相对称交流电流的相序（即电流出现正幅值的顺序）为U→V→W。

不同时刻，三相电流正负不同，也就是三相电流的实际方向不同。

在某一时刻，将每相电流所产生的磁场相加，便得出三相电流的合成磁场。

不同时刻合成磁场的方向也不同，如图1-8所示。

图1-8三相电流产生的旋转磁场（p=1）

2.转动原理

三相异步电动机转子转动原理示意图如图1-9所示。

图中N、S表示由通入定子的三相交流电产生的两极旋转磁场。

图1-9转子转动原理示意图

转子中只表示出分别靠近N极和S极的两根导条（铜或铝）。

当旋转磁场向顺时针方向旋转时，其磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势，闭合的导条中就有感应电流。

感应电流的方向可以根据右手定则来判断，判断的结果如图1-9所示。

导条中的感应电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电磁力F。

电磁力的方向可以由左手定则确定。

靠近N极和S极的两根导条产生的电磁力形成电磁转矩，使转子转动起来。

3．转向与转速

（1）电动机正反转

当通入电动机定子绕组的三相电流相序为U→V→W时，三相电流产生的旋转磁场是顺时针方向旋转。

这时由图1-8可知，转子转动方向也是顺时针方向。

由上面分析可知，电动机的转子转动方向和磁场旋转的方向是相同的，而磁场的旋转方向与通入定子绕组的三相电流相序有关。

当通入电动机定子绕组的三相电流相序变为U→W→V时，三相电流产生的旋转磁场将从原来顺时针方向（正转）变为逆时针方向旋转（反转），如图1-10所示。

图1-10旋转磁场的反转

电动机的转子转动方向也跟着变为逆时针方向（反转）。

所以，要使电动机反转，只要将三相电源的任意两相对调，即改变通入定子绕组的三相电流的相序，电动机就改变转动方向。

（2）电动机转速

三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速又取决于磁场的极数，旋转磁场的极数与定子绕组的安排有关。

①旋转磁场转速n0。

当旋转磁场具有p对极时，磁场的转速为

n0=60f1/p（r/min）

因此，旋转磁场的转速n0决定于电动机电源频率f1和磁场的极对数p。

对于某一异步电动机来说，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数，常称为同步转速。

旋转磁场极对数p决定于三相绕组的安排情况。

如果每个绕组有一个线圈，那么3个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极（即p=1），如图1-8所示。

如果每个绕组有两个线圈串联，如图1-11所示，那么3个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），如图1-12所示。

图1-11产生四极旋转磁场的定子绕组

图1-12三相交流电流产生的旋转磁场（p=2）

②电动机转速。

即转子转速n，如图1-9所示，电动机转速n与旋转磁场转速n0之间必须要有差别，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，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n的转速转动。

这就是异步电动机名称的由来。

③转差率s。

转子转速n与旋转磁场转速n0相差的程度用转差率s来表示，即

s=（n0−n）/n0

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。

转子转速越接近旋转磁场转速，则转差率越小。

由于三相异步电动机的额定转速与同步转速相近，所以它的转差率很小，通常异步电动机在额定负载时的转差率为1%～9%。

当n=0时（启动初始瞬间），s=1，这时转差率最大。

三、三相交流异步电动机的铭牌参数

1、额定参数的意义

表1-1三相交流异步电动机的名牌参数

三相异步电动机

型号

Y132S2-2

电压

380V

接法

△

容量

7.5kW

电流

15A

工作方式

连续

转速

2900r/min

功率因数

0.88

温升

80℃

频率

50Hz

绝缘等级

B

重量

××

×××电机厂      产品编号×××      年    月

⑴额定电压UN：

电动机额定状态运行时，定子绕组应施加的线电压，单位为V或kV。

⑵额定电流IN：

电动机额定状态运行时，定子绕组流过的线电流，同时也是电动机长期运行所不允许超过的最大电流，单位为A。

⑶额定频率fN：

电动机额定状态运行时，定子绕组应接电源的频率，我国电网规定的工频为50Hz。

⑷额定功率PN：

电动机额定状态运行时，轴上输出的机械功率，单位为W或kW。

⑸额定功率因数cosφN：

电动机额定状态运行时，定子回路的功率因数。

⑹额定转速nN:

在额定电压、额定频率下，转轴上有额定功率输出时，电动机的转子转速，单位是r/min。

2、型号

例如：

Y代表异步电动机，YR代表异步绕线式电动机。

下面以一具体型号说明其意义：

3、防护等级

防护等级：

指电动机外壳防止异物和水进入电机内部的等级。

外壳防护等级是以字母“IP”和其后的两位数字表示的。

“IP”为国际防护的缩写字母，IP后面第一位数字表示产品外壳按防止固体异物进入内部、防止人体触及内部的带电部分和运动部件的防护等级，共分为五级。

IP后面第二位数字表示电机对水侵害（滴水、淋水、溅水、喷水、浸水及潜水等）的防护等级，共分七级。

数字越大，防护能力越强。

如IP23表示防护大于12mm的固体和防止与垂直方向成60°角范围内的淋水不直接进入电机内。

4、绝缘等级

绝缘等级表示电机所用绝缘材料的耐热等级，它决定了电机的允许温升。

如B级绝缘电机的允许温升为80℃，即允许的实际温度为120℃。

四、开启式刀开关

1.结构、电路符号和型号规格

开启式刀开关主要由静触点、动触点和熔体构成，结构如图1-13（a）所示。

图1-13（b）所示为HRTO熔断式刀开关，额定电压380V，额定电流100~400A。

开启式刀开关的电路符号如图1-13（c）所示，型号规格如图1-13（d）所示。

例如，HK1-30/3表示额定电压为380V、额定电流为30A的三极开启式刀开关。

图1-13开启式刀开关的结构、电路符号和型号规格

2．选用方法

（1）用于照明和电热负载时，选用额定电压为220V或250V，额定电流稍大于电路所有负载的额定电流之和的两极刀开关。

（2）用于电动机直接启动控制时，选用额定电压380V或500V，额定电流大于或等于电动机额定电流3倍的三极刀开关。

3．安装与使用

（1）必须垂直安装在控制屏或开关板上，不允许倒装或平装，以防止发生误合闸事故。

（2）在分断或接通电路时应迅速果断地拉合闸，以使电弧尽快熄灭。

（3）由于开启式刀开关没有灭弧装置，其分断电流只能达到额定电流的1/3。

五、封闭式负荷开关

1．结构、电路符号和型号规格

封闭式负荷开关主要由操作机构、触点系统、熔断器和铁质外壳组成，因其外壳多为铸铁或薄钢板制成，故又称铁壳开关。

铁壳开关有以下特点。

（1）触头设有灭弧室（罩）、电弧不会喷出，可不必顾虑会发生相间短路事故；

（2）熔断丝的分断能力高，一般为5KA，高者可达50KA以上；

（3）操作机构为储能合闸式的，且有机械联锁装置。

前者可使开关的合闸和分闸速度与操作速度无关，从而改善开关的动作性能和灭弧性能；后者则保证了在合闸状态下打不开箱盖及箱盖未关妥前合不上闸，提高了安全性；

（4）有坚固的封闭外壳，可保护操作人员免受电弧灼伤。

图1-14封闭式刀开关

2.选用方法

用铁壳开关控制电加热和照明电路时，可按电路的额定电流选择。

用于控制异步电动机时，由于开关的通断能力为4Ie,而电动机全压起动电流却在4~7额定电流以上，故开关的额定电流应为电动机额定电流的1.5倍以上。

六、组合开关

组合开关又称为转换开关，主要在电气设备中作为电源引入开关。

它是一种凸轮式的作旋转运动的刀开关。

组合开关也有单极、双极、三极和多极结构，主要用于电源引入或5.5KW以下电动机的直接起动、停止、反转、调速等场合。

图1-15HZ10-10/3型组合开关

七、隔离开关

隔离开关是高压开关电器中使用最多的一种电器，它本身的工作原理及结构比较简单，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，对变电所、电厂的设计、建立和安全运行的影响均较大。

刀闸的主要特点是无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。

主要作用是：

1）分闸后，建立可靠的绝缘间隙，将需要检修的设备或线路与电源用一个明显断开点隔开，以保证检修人员和设备的安全。

2）根据运行需要，换接线路。

3）可用来分、合线路中的小电流，如套管、母线、连接头、短电缆的充电电流，开关均压电容的电容电流，双母线换接时的环流以及电压互感器的励磁电流等。

4）根据不同结构类型的具体情况，可用来分、合一定容量变压器的空载励磁电流。

图1-16HL32型隔离开关

图1-16所示为HL32型隔离开关，有单机、2极、3极和4极类型，适用于额定电压400V以下，额定电流100A以下的场所。

用作电源在负载不频繁操作的情况下，具有明显的通断状态指示，采取导轨安装和安全性高的指触防护接线端子，目前已取代组合开关在电气设备上广发应用。

八、熔断器

熔断器属于保护电器，使用时串联在被保护的电路中，其熔体在过流时迅速熔化切断电路，起到保护用电设备和电路安全运行的作用。

熔断器在一般低压照明电路或电热设备中作过载和短路保护，在电动机控制电路中主要做短路保护。

表1-2所示为熔体的安秒特性表。

表1-2常用熔断器的安秒特性表

熔体通过电流（A）

1.25IN

1.6IN

1.8IN

2IN

2.5IN

3IN

4IN

8IN

熔断时间（s）

∞

3600

1200

40

8

4.5

2.5

1

1.外形、结构与电路符号

熔断器的外形、结构与电路符号如图1-17所示

熔断器主要由熔体（保险丝）和熔管（熔座）组成。

熔体由易熔金属材料铅、锌、锡、银、铜及其合金制成，通常制成丝状和片状。

熔管是装熔体的外壳，由陶瓷、绝缘钢纸制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。

图1-17熔断器外形、结构与电路符号

2.熔断器的主要技术参数和特性

①额定电压指熔断器长期工作时和熔断后所能承受的电压。

②额定电流熔断器在长期工作制下，各部件温升不超过极限允许温升所能承载的电流值，习惯上，把熔断体支持件的额定电流简称为熔断器额定电流。

③极限分断能力指熔断器在规定的使用条件下，能可靠分断的最大短路电流值。

④截断电流特性指在规定的条件下，截断电流与预期电流的关系特性。

截断电流是指熔断体分断期间电流到达的最大瞬时值。

3.熔断器的选用

1）熔断器类型的选择主要根据使用场合来选择不同的类型。

例如，作电网配电用，应选择一般工业用熔断器；作硅元件保护用，应选择保护半导体器件熔断器；供家庭使用，宜选用螺旋式或半封闭插入式熔断器。

2）熔断器的额定电压必须等于或高于熔断器安装处的电路额定电压。

3）电路保护用熔断器熔体的额定电流基本上可按电路的额定负载电流来选择，但其极限分断能力必须大于电路中可能出现的最大故障电流。

4）在电动机回路中作短路保护时，应考虑电动机的起动条件，按电动机的起动时间长短选择熔体的额定电流。

照明和电热负载：

熔体额定电流应等于或稍大于负载的额定电流。

电动机控制电路：

对于启动负载重、启动时间长的电动机，熔体额定电流的倍数应适当增大，反之适当减小。

对于单台电动机：

熔体额定电流应大于或等于电动机额定电流的1.5～2.5倍。

对于多台电动机：

熔体额定电流应大于或等于其中最大功率电动机的额定电流的1.5～2.5倍，再加上其余电动机的额定电流之和。

项目分析

直接起动或全压起动：

利用刀闸或交流接触器把异步电动机的定子绕组直接接到额定电压的电源上。

优点：

起动方法最简单，不需要专门的起动设备，操作方便，具有较大的起动转矩，能带额定负载起动。

缺点：

因起动瞬间电动机的等效阻抗小，起动电流大，可达额定电流的4～7倍。

当供电变压器的容量不大时，会使供电变压器的输出电压降低过多，进而影响到自身的起动和接在同一线路上的其它设备的正常工作。

一般要求采用直接起动的电动机容量不超过供电变压器容量的20%，这样，起动电流引起的电网压降不超过电网额定电压的10%。

当起动电流不符合要求时，就必须采用降压起动。

在发电厂中，由于供电变压器的容量足够大，所以厂用异步电动机大都采用直接起动。

1.电气原理图

电气原理图是用规定的图形符号，按主电路和辅助电路相互分开并依据各电器元件动作顺序等原则所绘制的线路图，称为电气原理图，是分析电路工作原理，安装、调试和维修电气电路的重要依据。

它包括所有电器元件的导电部件和接线端点，不表示电气元件的形状、大小和安装方式。

在图1-18直接启动控制电路中，负荷开关QS起控制接通和关断得作用，熔断器FU起短路保护作用。

图1-18直接启动控制电路电气原理图

2.工作原理

启动：

合上负荷开关QS→电动机M通电运转。

停止：

断开负荷开关QS→电动机M断电停转。

1.工具及器材

工具及器材见表1-3

表1-3工具及器材

序号

名称

型号与规格

单位

数量

1

三相交流电源

3×380V三相交流电源

处

1

2

电工通用工具

验电笔、钢丝钳、螺丝刀（包括十字口螺丝刀、一字口螺丝刀）、电工刀、尖嘴钳、活扳手等

套

1

3

低压开关

封闭式负荷开关（HH4系列）

只

1

4

低压熔断器

RT系列

个

3

5

电动机

根据实习设备自定（小功率电动机）

台

1

6

导线

BRV1.5mm2塑铜线

米

若干

2.操作注意事项

不允许带电安装元器件或连接导线，断开电源后才能进行连接操作。

通电检查和运行时务必通知指导老师，在有指导老师现场监护的情况下才能接通电源。

3.操作步骤

（1）仔细观察负荷开关和熔断器，熟悉它们的外形、结构、型号及主要技术参数的意义。

（2）检查负荷开关和熔断器的好坏。

（3）在电路板上按照电气原理图安装器件，进行相应的配线。

（4）经指导老师检查合格后进行通电操作。

4.评分标准

成绩评定表见表格1-4。

表1-4成绩评定表

学生

姓名

学号

班级

日期

序号

检评项目

检评标准

得分

1

专业知识能力（50分）

线路连接是否正确，接线是否整齐美观，检测是否正常，仪表是否会使用；每个步骤是否符合工作进程安排，能否按时完成整个任务；应知理论考试；技术文件是否完整、正确、规范、详细。

2

社会能力（20分）

有没有出现设备、元器件损坏以及使用材料无浪费，工作现场是否整齐规范，操作是否规范，劳动保护用品穿戴是否整齐；在整个工作过程中能否互相协调，积极主动配合，完成整个任务；能否遵守实训室管理制度和作息制度，有无违纪行为

3

总结报告（10分）

综合评价报告中详细说明在任务实施过程中掌握了什么知识、学会了什么技能、发现了什么技巧、出现了什么问题、如何解决问题，遇到了不能解决的问题，进行了怎样的改进、尝试了什么创新、创新的结果如何等

4

总体评价意见（20分）

教师通过现场抽查、答辩、布置临时作业、成员自评、成员互评等多种方式评价，根据考核情况确定等级

教师

签名

总成绩

思考与练习

1.电动机是将能转换成能的设备。

2.三相异步电动机主要有和两部分组成。

3.三相异步电动机的定子铁芯是用薄的硅钢片叠装而成，它是定子的路部分，其内表面冲有槽孔，用来嵌放。

4.三相异步电动机的三相定子绕组是定子的部分，空间位置相差120°/p.

5.三相异步电动机的转子有式和式两种形式。

6.三相异步电动机的三相定子绕组通以，则会产生。

7.三相异步电动机的旋转磁场的转速称为，它与电源频率和有关。

8.三相异步电动机旋转磁场的转向是由决定的，运行中若旋转磁场的转向改变了，转子的转向。

9.一台三相四极异步电动机，如果电源的频率f1=50Hz，则定子旋转磁场每秒在空间转过转。

10.三相异步电动机的转速取决于、和电源频率f。

11.说明三相鼠笼式异步电动机的主要结构。

12.某电动机的额定转速为950r/min，它是几极电动机？

转差率为多少？

13.一台三相异步电动机定子绕组的六个出线端U1-U2，V1-V2，W1-W2，如图1-45所示。

这台电机△形接法时，六个出线头应当怎样连接？

Y形时又当怎样连接？

题图1-1

14.一台三相异步电动机，旋转磁场转速n1=1500r/min，这台电机是几极的。

在电机转子转速n=0r/min时和n=1460r/min时，该电机的转差率s=？

15.安装和使用开启式符合开关时，应注意哪些问题？

16.画出和写出负荷开关、组合开关、隔离开关的电路符号和文字符号。

17.如何正确选择熔断器？

18.熔断器为什么一般不能做过载保护？

19.某工地有一台额定功率为1.5kW、额定电压为380V、额定电流为3.3A的三相交流异步电动机，应选用什么型号、规格的封闭式负荷开关？

20.常用熔断器有哪些类型？

各有什么特点？