三相异步电动机及其控制电路.docx
《三相异步电动机及其控制电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三相异步电动机及其控制电路.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
三相异步电动机及其控制电路
第5章三相异步电动机及其控制线路
5.1三相异步电动机
实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。
电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。
把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。
在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。
它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。
对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：
（1）基本构造；
（2）工作原理；（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动的基本原理和基本方法；（5）应用场合和如何正确使用。
5.1.1三相异步电动机的结构与工作原理
1．三相异步电动机的构造
三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。
此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。
图5-1三相电动机的结构示意图
1）．定子
三相异步电动机的定子由三部分组成：
定子
定子铁心
由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。
定子绕组
三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。
这三相绕组可接成星形或三角形。
机座
机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组
2）．转子
三相异步电动机的转子由三部分组成：
转子
转子铁心
由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。
转子绕组
转子绕组有两种形式：
鼠笼式--鼠笼式异步电动机。
绕线式--绕线式异步电动机。
转轴
转轴上加机械负载
鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。
为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。
2．三相异步电动机的转动原理
1）．基本原理
为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。
图5-2三相异步电动机工作原理
（1）．演示实验：
在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。
（2）．现象解释：
当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。
感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。
转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。
（3）．结论：
欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。
2）．旋转磁场
（1）．产生
图5-3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5-4）。
图5-3三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图5-4（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图5-4（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图5-4（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5-4旋转磁场的形成
（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。
3）．三相异步电动机的极数与转速
（1）．极数（磁极对数p）
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绕组的安排有关。
当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；
当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；
同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。
极数p与绕组的始端之间的空间角的关系为：
（2）．转速n
三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：
（5-1）
由（5-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。
对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。
在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表5-1
表5-1
p
1
2
3
4
5
6
n0
3000
1500
1000
750
600
500
（3）．转差率s
电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，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。
也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。
旋转磁场的转速n0常称为同步转速。
转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。
即：
（5-2）
转差率是异步电动机的一个重要的物理量。
当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。
转子转动起来之后，n>0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S<1。
如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。
反之，S减小。
异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。
在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。
根据式（4-2）,可以得到电动机的转速常用公式
（5-3）
例有一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率S。
解：
由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。
显然，与975r/min最相近的同步转速n0=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。
因此，额定负载时的转差率为：
（4）．三相异步电动机的定子电路与转子电路
三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。
给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。
总结：
1、三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。
2、欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组，并且旋转的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义；
3、三相电源流过在空间互差一定角度按一定规律排列的三相绕组时，便会产生旋转磁场；
4、旋转磁场的方向是由三相绕组中电源相序决定的；
5、三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：
6、转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。
即：
转差率是异步电动机的一个重要的物理量，异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。
在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。
7、三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。
5.1.2三相异步电机的转矩特性与机械特性
1．电磁转矩（简称转矩）
异步电动机的转矩T是由旋转磁场的每极磁通与转子电流I2相互作用而产生的。
电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。
经理论证明，它们的关系是：
（5-4）
其中T为电磁转矩KT为与电机结构有关的常数
为旋转磁场每个极的磁通量I2为转子绕组电流的有效值
2为转子电流滞后于转子电势的相位角
若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为：
（5-5）
其中
为常数U1为定子绕组的相电压
S为转差率R2为转子每相绕组的电阻
X20为转子静止时每相绕组的感抗
由上式可知，转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。
此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。
图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。
2．机械特性曲线
图5-5三相异步电动机的机械特性曲线
在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f（s）或转速与转矩的关系曲线n=f（T），称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。
在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：
1）．额定转矩TN
额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。
（5-6）
式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，TN的单位是牛·米。
当忽略电动机本身机械摩擦转矩T0时，阻转矩近似为负载转矩TL，电动机作等速旋转时，电磁转矩T必与阻转矩TL相等，即T=TL。
额定负载时，则有TN=TL。
2）．最大转矩Tm
Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。
它反映了电动机的过载能力。
最大转矩的转差率为Sm，此时的Sm叫做临界转差率，见图5-5（a）
最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载系数，即
=Tm/TN
一般三相异步的过载系数在1.82.2之间。
在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。
否则，就是重选电动机。
3）．起动转矩Tst，
Tst为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s＝１时的转矩。
为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：
TstTN，一般的三相异步电动机有Tst/TN=12.2。
3．电动机的负载能力自适应分析
电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。
直至新的平衡。
此过程中，
时，
电源提供的功率自动增加。
总结：
1、电磁转矩T的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。
转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。
此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。
2、在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f（s）或转速与转矩的关系曲线n=f（T），称为电动机的机械特性曲线。
其特性见图5-5
3、三个转矩：
1）．额定转矩TN
额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。
2）．最大转矩Tm
Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。
它反映了电动机的过载能力。
3）．起动转矩Tst，
Tst为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s＝１时的转矩。
4、电动机的负载能力自适应分析
电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。
5.2．三相异步电动机的使用
电动机或其他电气设备电路的接通或断开，目前普遍采用继电器、接触器、按钮及开关等控制电器来组成控制系统。
这种控制系统一般称为继电——接触器控制系统。
任何复杂的控制电路，都是由一些基本的单元电路组成的。
因此，在本节中我们主要讨论继电——接触器控制的一些基本电路。
要弄清一个控制电路的原理，必须了解其中各个电器元件的结构，动作原理以及它们的控制作用。
电器的种类繁多，可分为手动的和自动的两类。
手动电器是由工作人员手动操纵的，例如刀开关、点火开关等。
而自动电器则是按照指令、信号或某个物理量的变化而自动动作的，例如各种继电器、接触器、电磁阀等。
因此本节首先对这些常用控制电器作简单介绍。
5.2.1．常用低压电器介绍
1．手动电器
1）．刀开关
Ø刀开关又叫闸刀开关，一般用于不频繁操作的低压电路中，用作接通和切断电源，有时也用来控制小容量电动机的直接起动与停机。
Ø刀开关由闸刀（动触点）、静插座（静触点）、手柄和绝缘底板等组成。
Ø刀开关的种类很多。
按极数（刀片数）分为单极、双极和三极；按结构分为平板式和条架式；按操作方式分为直接手柄操作式、杠杆操作机构式和电动操作机构式；按转换方向分为单投和双投等。
图5-6刀开关的电路符号
Ø刀开关一般与熔断器串联使用，以便在短路或过负荷时熔断器熔断而自动切断电路。
Ø刀开关的额定电压通常为250V和500V，额定电流在1500A以下。
Ø
考虑到电机较大的起动电流，刀闸的额定电流值应如下选择：
3~5倍异步电机额定电流
2）．按钮
按钮常用于接通、断开控制电路，它的结构和电路符号见图5-7。
按钮上的触点分为常开触点和常闭触点，由于按钮的结构特点，按钮只起发出“接通”和“断开”信号的作用。
图5-7按钮的结构和符号
2．自动电器
1）．熔断器
Ø熔断器主要作短路或过载保护用，串联在被保护的线路中。
线路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当线路短路或过载时熔断器熔断，起到保护线路上其他电器设备的作用。
Ø熔断器的结构有管式、磁插式、螺旋式、等几种。
其核心部分熔体（熔丝或熔片）是用电阻率较高的易熔合金制成，如铅锡合金；或者是用截面积较小的导体制成。
Ø熔体额定电流
的选择：
1．无冲击电流的场合（如电灯、电炉）
；图5-8熔断器的电路符号
2．一台电动机的熔体：
熔体额定电流≥电动机的起动电流÷2.5；
如果电动机起动频繁，则为：
熔体额定电流≥电动机的起动电流÷（1.6~2）；
3．几台电动机合用的总熔体：
熔体额定电流=（1.5~2.5）×容量最大的电动机的额定电流+其余电动机的额定电流之和。
2）．交流接触器
接触器是一种自动开关，是电力拖动中主要的控制电器之一，它分为直流和交流两类。
其中，交流接触器常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路。
图5-9是交流接触器的主要结构图。
接触器主要由电磁铁和触头两部分组成。
它是利用电磁铁的吸引力而动作的。
当电磁线圈通电后，吸引山字形动铁心（上铁心），而使常开触头闭合。
图5-9接触器工作原理图
根据用途不同，接触器的触头分主
缺点：
KM1和KM2线圈不能同时通电，因此不能同时按下SB1和SB2，也不能在电动机正转时按下反转起动按钮，或在电动机反转时按下正转起动按钮。
如果操作错误，将引起主回路电源短路。
2）．带电气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线圈通电时KM2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线圈通电时KM1线圈回路总是断开的。
这样接触器的辅助常闭触点KM1和KM2保证了两个接触器线圈不能同时通电，这种控制方式称为互锁或者联锁，这两个辅助常开触点称为互锁或者联锁触点。
图5-16带电气互锁的正反转控制
缺点：
电路在具体操作时，若电动机处于正转状态要反转时必须先按停止按钮SB3，使互锁触点KM1闭合后按下反转起动按钮SB2才能使电动机反转；若电动机处于反转状态要正转时必须先按停止按钮SB3，使互锁触点KM2闭合后按下正转起动按钮SB1才能使电动机正转。
5.2.4．三相异步电动机的控制
上一节课我们讲了电动机的点动与长动控制，这一节课我们在此基础上进一步讲述电动机的继电器——接触器控制系统。
2．正反转控制
3）．同时具有电气互锁和机械互锁的正反转控制电路
采用复式按钮，将SB1按钮的常闭触点串接在KM2的线圈电路中；将SB2的常闭触点串接在KM1的线圈电路中；这样，无论何时，只要按下反转起动按钮，在KM2线圈通电之前就首先使KM1断电，从而保证KM1和KM2不同时通电；从反转到正转的情况也是一样。
这种由机械按钮实现的互锁也叫机械或按钮互锁。
图5-17具有电气互锁和机械互锁的正反转控制
3．Y—△降压起动控制
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，使电动机在额定图5-18Y—△降压起动控制
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。
4．行程控制
1）．限位控制（图5-19）
当生产机械的运动部件到达预定的位置时压下行程开关的触杆，将常闭触点断开，接触器线圈断电，使电动机断电而停止运行。
图5-19限位控制图5-20行程往返控制
2）．行程往返控制（图5-20）
按下正向起动按钮SB1，电动机正向起动运行，带动工作台向前运动。
当运行到SQ2位置时，挡块压下SQ2，接触器KM1断电释放，KM2通电吸合，电动机反向起动运行，使工作台后退。
工作台退到SQ1位置时，挡块压下SQ1，KM2断电释放，KM1通电吸合，电动机又正向起动运行，工作台又向前进，如此一直循环下去，直到需要停止时按下SB3，KM1和KM2线圈同时断电释放，电动机脱离电源停止转动。
总结：
1、异步电动机有两种直接起动方法：
直接起动和降压起动。
直接起动简单、经济，应尽量采用；电机容量较大时应采用降压起动以限制起动电流，常用的降压起动方法有Y—△降压起动、自耦变压器降压起动和定子串电阻降压起动等。
2、异步电动机的直接起动和正反转控制电路时控制的基本环节，应掌握它们的工作原理和分析方法，明确自锁和互锁的含义和思想方法。
3、首先了解工艺过程及控制要求；
4、搞清控制系统中各电机、电器的作用以及它们的控制关系；
5、主电路、控制电路分开阅读或设计；
6、控制电路中，根据控制要求按自上而下、自左而右的顺序进行读图或设计；
7、同一个电器的所有线圈、触头不论在什么位置都叫相同的名字；
8、原理图上所有电器，必须按国家统一符号标注，且均按未通电状态表示；
9、继电器、接触器的线圈只能并联，不能串联；
10、控制顺序只能由控制电路实现，不能由主电路实现
习题：
1、有一台四极三相异步电动机，电源电压的频率为50Hz，满载时电动机的转差率为0.02。
求电动机的同步转速、转子转速和转子电流频率。
2、稳定运行的三相异步电动机，当负载转矩增加，为什么电磁转矩相应增大；当负载转矩超过电动机的最大磁转矩时，会产生什么现象？
3、已知某三相异步电动机的技术数据为：
PN=2.8KW，UN=220V/380V，IN=10A/5.8A，nN=2890r/min,cosφN=0.89,f1=50Hz.求：
①电动机的磁极对数p
②额定转矩TN和额定效率ηN。
4、试设计一台异步电动机既能连续长动工作，又能点动工作的继电器——接触器控制线路。
5、一台三相交流电动机，额定相电压为220v，工作时每相负载Z=（50+j25）Ω。
（1）当电源线电压为380V时，绕组应如何连接？
（2）当电源线电压为220v时，绕组应如何连接?
（3）分别求上述两种情况下的负载相电流和线电流。
6、某三相交流电动机，额定相电压为380V，工作时每相阻抗Z=（40+j10）Ω，接在220V三相交流电源中，正常工作时，各相负载星形联结。
但当起动时，为防止起动时电流过大烧坏电动机，改为三角形联结。
试分别计算电动机正常工作时和起动时的功率。
实验八三相异步电动机的正、反转控制
一、实验目的
1．了解交流接触器、热继电器的结构，并掌握其工作原理。
2．掌握电动机实现正、反转控制的原理。
3．掌握电动机正、反转控制线路正确的接线方法和操作方法。
二、实验原理
1．直接起动的正反转
不少生产机械，例如吊车、刨床等都需要上下、左右等两个方向的运动，这就要求拖动它的电动机必须能实现正、反转控制。
由三相异步电动机工作原理可知，电动机的转动方向与旋转磁场的方向一致，要改变电动机的转向只要改变旋转磁场的方向即可，而旋转磁场的方向由三相电源的相序决定。
因此将电动机的三根电源线中的任意两根对调，便可实现电动机的反转，其原理图如右图所示。
在右图的主电路中，SB3是停机按钮，SB1正转起动按钮，KM1正转控制接触器，当KM1的线圈通电，其主触头闭合，定子绕组三个头分别接入电源的A、B、C三相，电动机正转。
SB2是反转起动按钮，KM2是反转控制接触器，当KM2的线圈通电，其主触头闭合，定子绕组三个头分别接入电源的C、B、A三相，电动机反转。
可见当通入定子绕组的电流相序改变时，电动机就反转。
注意：
（1）为保证正转或反转能连续工作，在电路中设置了两个自锁开关，他们分别与其起动开关并联。
如果没有自锁开关，则本电路只能实现点动运转控制。
（2）为保证正转时，反转控制电路可靠断开，即KM1与KM2不能同时闭合，因此在电路中分别设置了两个互锁开关。
三、实验仪器
1．控制电路装置一套
2．三相异步电动机一台
四、实验步骤
1．按图连接好线路（注意电动机绕组接成Y形联接），由同学相互检查无误并请教师检查同意后，合上开关QS。
2．接触器点动控制
按下正转按钮SB1电动机旋转，松手后电动机停止转动。
3．电动机自锁控制
将交流接触器KM1的一对常开辅助触头并联到SB1上，按下正转按钮，电动机正向旋转，松手后电动机继续转动。
4．电动机正反转控制
（1）正转按下正转按钮SB1，观察电动机正向旋转。
（2）停机按下停止按钮SB3。
（3）反转按下反转按钮SB2，观察电动机反向旋动。
五、实验注意事项
1．实验电路较复杂，相与相的触头距离近，因此接线时要求十分小心。
2
升级会员 