李明双 完.docx
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李明双完
论电机控制的应用及发展
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论电机控制的应用及发展
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摘要：
阐述了电动机结构，分类、原理。
电机控制的分类，结构、原理及应用。
通过对接触器、熔断器、继电器的原理分析选用实际应用于电机中实现对电动机的点动长动控制，以及对电动机Y--△降压起动利弊分析和实际选用。
实例着重论述以传统的继电器控制到现在的以微处理器为中心的软件控制系统，Plc和变频器及单片机和传感器在电机中的应用及发展，实例可编程控制器实现对电机的控制及变频器实现对电机的正反转控制。
指出电机控制在日常生产生活中的密切关系、重要性和今后的发展。
关键词：
电机;Plc;接触器;继电器;变频器;单片机;控制;发展;
Concerningtheapplicationanddevelopmentofmotorcontrol
ABSTRACT：
Expoundsthemotorstructure,classification,principle.Theclassificationofmotorcontrol,structure,principleandapplication.Throughtothecontactorrelays,fuse,theprincipleoftheactualusedinmotorselectionanalysisinthemotorpointstarttorealizedynamiccontrol,andtolong-trainstep-downstartmotorYanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesandactualchoice.Examplesinthetraditionalfocusesonrelaycontroltothepresenttomicroprocessorasthecenterofthecontrolsystem,Plcsoftwareandfrequencyconverterandsingle-chipmicrocomputerandsensorsintheapplicationanddevelopmentofmotorexampleprogrammablecontrollertorealizethecontrolofthemotorandfrequencyconvertertorealizethepositive&negativecontrolmotor.Pointsoutthatthemotorcontrolindailylife,thecloserelationshipbetweentheimportanceandthedevelopmentinthefuture.
KEYWORDS：
Motor;Plc;Contactor;Relay;Inverter;SCM;Control;development
目录
中文摘要………………………………………………………………………………1
英文摘要………………………………………………………………………………2
目录………………………………………………………………………………3
第一章引言......................................................4
1.1电机控制概论………………………………………………………………4
第二章电机控制组成及原理.........................................5
2.11电机控制系统的组成........................................7
2.12电机控制系统的原理........................................8
第三章电机分类、结构、原理.......................................9
3.11电机的分类................................................9
3.12电机的结构、原理..........................................10
第四章继电器—接触器电机控制....................................11
4.1继电器—接触器电机控制结构及理论.........................11
4.1.1刀开关...................................................11
4.1.2主令电器元件介绍.........................................13
4.1.3熔断器元件介绍及选用.....................................13
4.1.4接触器元件介绍及选用.....................................14
4.1.5继电器元件介绍及选用.....................................14
4.2简单的电机自动化控制实例介绍.............................15
4.2.1点动和长动的控制.........................................15
4.2.2Y--△连接降压起动........................................16
第五章集成电路和微处理器对电机控制...............................18
5.1概述.....................................................18
5.1.1可编程控制器实现对电机的控制.............................18
5.1.2变频器实现对电机的正反转控制.............................19
第六章电机控制的发展.............................................20
结论...............................................................22
参考文献...........................................................23
致谢...............................................................24
第一章引言
1.1电机控制的概论
电机控制是机器或装置在按规定的程序或预定的指令执行相应的机械运动的过程。
通过对电机控制的论述，全面展示了电机控制在生产生活中的应用及其重要性。
通过对电机控制系统的组成及其原理分析，对电机的组成、分类、原理的分析，对电机控制基础有了充分了解。
通过实例论述了继电器，接触器、按扭等元件组成的电机控制系统，PLC和变频器及新型的电机控制理论，熟悉了控制的各环节的结构，原理、应用及其发展，展示了全新的电机控制。
电机控制技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。
采用电机控制技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。
因此，电机控制技术是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。
第二章电机控制组成及原理
2.1电机控制系统的组成
一、三相异步电动机的结构，由定子、转子和其它附件组成。
（一）定子（静止部分）
1、定子铁心
作用：
电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。
构造：
定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。
定子铁心槽型有以下几种：
半闭口型槽：
电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。
一般用于小型低压电机中。
半开口型槽：
可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。
所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。
开口型槽：
用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。
2、定子绕组
作用：
是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。
构造：
由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。
定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：
（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。
（1）对地绝缘：
定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。
（2）相间绝缘：
各相定子绕组间的绝缘。
（3）匝间绝缘：
每相定子绕组各线匝间的绝缘。
电动机接线盒内的接线：
电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2），.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。
凡制造和维修时均应按这个序号排列。
3、机座
作用：
固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。
构造：
机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。
封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。
（二）转子（旋转部分）
1、三相异步电动机的转子铁心：
作用：
作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。
构造：
所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。
通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。
一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。
2、三相异步电动机的转子绕组
作用：
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。
构造：
分为鼠笼式转子和绕线式转子。
（1）鼠笼式转子：
转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。
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。
（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流环上，再通过电刷与外电路联接。
特点：
结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。
但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。
（三）三相异步电动机的其它附件
1、端盖：
支撑作用。
2、轴承：
连接转动部分与不动部分。
3、轴承端盖：
保护轴承。
4、风扇：
冷却电动机。
二、直流电动机采用八角形全叠片结构，不仅空间利用率高，而且当采用静止整流器供电时，能承受脉动电流和快速的负载电流变化。
直流电动机一般不带串励绕组，适用于需要正、反
电动机
转的自动控制技术中。
根据用户需要也可以制成带串励绕组。
中心高100～280mm的电动机无补偿绕组，但中心高250mm、280mm的电动机根据具体情况和需要可以制成带补偿绕组，中心高315～450mm的电动机带有补偿绕组。
中心高500～710mm的电动机外形安装尺寸及技术要求均符合IEC国际标准，电机的机械尺寸公差符合ISO国际标准。
电机控制系统主要包括电动机、动力装置、控制设备、检测装置、辅助装置组成。
动机实现能量转换和信号转换的电磁装置。
电动机用来实现各种预定的机械运动。
动力装置有直流电源和交流电源，为其控制提供动力。
控制装置有开关、按钮、接触器、继电器、熔断器、计算机、可编程控制器、单片机等元件，来实现特定机械运动或状态变化。
检测装置如温度传感器，湿度传感器，接近开关，行程开关等，来实现检测其规定元件运行是否正常提供调整的数据。
辅助装置上述以外的装置，是保证系统工作是必不可少的。
2.2电机控制系统的原理
电机控制系统是一个以各种电器元件和各种装置来实现电机按规定要求实现各种运动。
电机的控制系统包括有触点硬接线的继电器和接触器控制系统，早期：
继电器—接触器电气控制系统由继电器、接触器、熔断器，按钮、接近开关、行程开关等来实现电机的点动启动，停止、自锁、互锁控制，过热、过载、短路、零压和欠压保护。
顺序控制器通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器—接触器控制线路功能的装置。
同样可实现电机的简单控制和保护，比前种控制可靠性提高，体积减小。
可编程控制器随着大规模集成电路和微处理器技术的发展和应用，在出现了用软件手段来实现各种控制功能、以微处理器为核心的新型工业控制器，如单片机，新型传感器、新型变频器等实现对电动机的启动、停止、有级调速和无级调速，过热、过载、短路、零压和欠压保护。
第三章电机分类、结构、原理
3.1电机的分类
1．按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。
其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。
2．按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。
同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同布电动机。
异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。
感应电动机又分为三相异步电动机、单
电动机
相异步电动机和罩极异步电动机等。
交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。
3．按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。
实现电能与机械能相互转换的电工设备称为电机，电机为实现能量转换和信号转换的电磁装置。
电机是控制的基础原件也和生活密切相关的装置，下面简单介绍一下电机：
机械能转换为电能的动力电机称为发电机。
电能转换为机械能的电机称为电动机。
电机按控制介质不同可分为动力电机，控制电机发电机。
动力电机是用作能量转换的电机，控制电机是用作信号转换的电机。
电机按电源可分为直流电机和交流电机。
按相数可分为单相电机和三相电机。
电机按励磁可分为自励电机和它励电机。
3.2电机的结构、原理
电机结构都由定子（定子铁心、定子绕组、外壳等）和转子组成，此外还有机座、端盖、轴承、接线盒、吊环、风扇等其他附件组成。
直流电机定子是磁铁，转子是绕组（含换向器，碳刷）；交流电机定子是绕组，转子是内耗短接鼠笼还有一种就是串激电机，交直流结构一样，定子绕组和转子绕组串接，安装换向器转子直流电机是靠磁极之间的相互作用力工作的，为了维持持续的作用力，必须有电刷换向器对电流进行换向。
结构上，直流电机一般定子是磁铁或电磁铁，转子是绕组。
交流电机是利用电磁感应原理，首先在定子绕组通入交流电，产生旋转磁场，内部鼠笼式的闭合绕组感应了电流，电流产生了磁场，该磁场与旋转磁场相互作用产生转矩，让转子转动。
结构上，交流电机转子是鼠笼式闭合导体，定子是绕组，没有电刷换向器。
电动机是将电能转换机械能的设备。
它的原理是，当电机定子（线圈）通能电流时就会产生磁场。
定子产生的这个磁场切害转子闭合导体，使转子产生电流，这个电流流过转子导体就会在转子上产生与定子相排斥的磁场。
（这个过程叫互感）两个想互排斥的磁场推动了电机转动。
电动机的原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律、电磁定律。
单电动机的定子绕组通以三相交流电时，便在气隙中产生旋转磁场，此时静止的转子与旋转磁场存在相对运动，产生感应电动势，在电动势的作用下产生感应电流。
而转子导体在磁场中受电磁力的作用形成电磁转矩，驱动转子沿旋转磁场方向旋转，并从轴上产生一定大小的机械功率，此就是电动机的原理。
第四章继电器—接触器电机控制系统
4.1继电器—接触器电机控制
继电器—接触器电气控制系统由三相异步电动机和刀开关、主令电器（按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关）、接触器、继电器、变压器、自动空气断路器等组成。
低压电器产品型号的编制，适用于下列12类产品：
刀开关和转换开关H、熔断器R、自动开关D、控制器K、接触器C、继电器J、主令电器L。
4.11刀开关
刀开关又称闸刀开关或隔离开关，它是手控电器中最简单而使用又较广泛的一种低压电器，如图1.1是最简单的刀开关（手柄操作式单级开关）示意图。
刀开关在电路中的作用是：
隔离电源，以确保电路和设备维修的安全；分断负载，如不频繁地接通和分断容量不大的低压电路或直接启动小容量电机。
刀开关是带有动触头——闸刀，并通过它与底座上的静触头——刀夹座相楔合（或分离），以接通（或分断）电路的一种开关。
其中以熔断体作为动触头的，称为熔断器式刀开关，简称刀熔开关。
转换开关用于主电路将一组已连接的器件转换到另一组已连接的器件。
采用刀开关结构形式的称为刀形转换开关；采用叠装式触头元件组合成旋转操作的，称为组合开关。
常用的刀开关有HD型单投刀开关、HS型双投刀开关（刀形转换开关）、HR型熔断器式刀开关、HZ型组
刀开关
合开关、HK型闸刀开关、HY型倒顺开关和HH型铁壳开关等。
种带刀刃形触头的开关电器。
主要作电路中隔离电源用，或作为不频繁地接通和分断额定电流以下的负载用。
刀开关处于断开位置时，可明显观察到，能确保电路检修人员的安全。
刀开关通常由绝缘底板、动触刀、静触座、灭弧装置和操作机构组成。
只作为电源隔离用的刀开关则不需要灭弧装置。
用于电解、电镀等设备中的大电流刀开关的额定电流可高达
刀开关
数万安。
这类刀开关一般采用多回路导体并联的结构，并可用水冷却的方式散热来提高刀开关导体所能承载的电流密度。
刀开关在电路中要求能承受短路电流产生的电动力和热的作用。
因此,在刀开关的结构设计时,要确保在很大的短路电流作用下，触刀不会弹开、焊牢或烧毁。
对要求分断负载电流的刀开关，则装有快速刀刃或灭弧室等灭弧装置。
刀开关按照极数可以分为单极刀开关、双极刀开关和三极刀开关；按照转换方式可以分为单投式刀开关、双投式刀开关；按操作方式可分为手柄直接操作式和杠杆式刀开关。
图1所示为三极单投式刀开关的电路图，它可用来接通或分断电路A,也可作为将电路A与电源隔离之用。
图2为单极双投式刀开关，它可用来接通或分断电路A或电路B，也可将电源向电路A供电转换到向电路B供电。
应用于不频繁地手动接通、断开电路和隔离电源用。
4.12主令电器
应用于自动控制系统中用于发送控制指令的电器。
控制按钮应用于低压控制电路中，用于手动短时接通或断开小电流控制电路的开关。
按钮帽的类型分有一般式、钥匙式、旋钮式和蘑菇头按钮等。
行程开关是根据运动部件的位置切换电路控制的电器件，用来控制运动部件的运动方向、行程大小或进行位置保护。
行程开关原理与按钮相同，区别为不靠手动；而是利用运动部件上的挡块碰压使触点动作。
按工作原理可分为机械式和电子式行程开关，机械式行程开关可分为按钮式和滚轮式两种。
行程开关的选择根据机械位置对开关的要求及触点数目的要求来选择。
接近开关按其工作原理可分为：
高频振荡型、电容型、感应电桥型、永久磁铁型、霍尔效应型等多种，其中以高频振荡型最为常用。
接近开关的选择根据其使用的目的、使用场所的条件以及与控制装置的相互关系等来选择，要检测物体的形状、大小、有无镀层，检测物体与接近开关的相对移动方向及其检测距离等因素。
具有工作稳定可靠、使用寿命长、重复定位精度高、操作频率高、动作迅速等优点。
万能转换开关用于多挡位的功能选择控制，也可以作为电气测量仪表的换相开关或作为小容量电动机的启动、制动、调速和换向开关。
4.13熔断器
熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。
熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。
熔断器是一种过电流保护器。
熔断器主要由熔体和熔管以及外加填料等部分组成。
使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，从而起到保护的作用。
以金属导体作为熔体而分断电路的电器，串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备以及家用电器都起到了一定的保护作用。
具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。
因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。
熔断器主要由熔体、外壳和支座3部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。
熔断器应用于短路和严重过载保护。
具有结构简单，维护方便，价格便宜，体小量轻。
熔断器串接于被保护电路的首端，电路发生短路或严重过载时，电流变大，熔体温度达到熔断温度而自动熔断，切断被保护的电路。
熔丝为熔点低、易于熔断、导电性能良好的合金材料。
熔断器的选用：
选择熔断器的类型、额定电压、额定电流及熔体的额定电流，根据线路要求和安装条件来选择。
4.14接触器
在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制（某些型别可达800安培）电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象﹐也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。
接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。
是自动控制系统中的重要元件之一。
在工业电气中，接触器的型号很多，电流在5A-1000A的不等，其用处相当广泛。
海关HS编码：
85364100（主电路电压<=60V的接触器），85364900（60V<主电路电压<=1000V的接触器），85353000（主电路电压>1000V的接触器）
接触器用来频繁地接通或分断带有负载的主电路，主要控制电动机，有欠（零）电压保护功能。
接触器的工作原理线圈加额定电压，衔铁吸合，常闭触头断开，常开触头闭合；线圈电压消失，触头恢复常态。
为防止铁心振动，需加短路环。
接触器的选用主要考虑主触点的额定电压、额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率、机械寿命、电器寿命。
4.15继电器
继电器作用是控制、放大、联锁、保护、调节和转换。
继电器的输入信号：
电学量（电流、电压）；非电量（温度、速度、时间、压力）。
输出通常是触点的动作，具有工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长等优点。
继电器的输入信号x从零连续
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