三相异步电动机及其控制电路(20220224091830).pdf

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1、89 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

2、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90 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

3、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 0.21.0mm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91(1)演示实验：在装有

4、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

5、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)。00sinsin(120)sin(120)UmVmWmiItiItiIt图 5-3 三相异步电动机定子接线当t=00时，0Ai，AX 绕组中无电流；Bi为负，BY 绕组中的电流从Y 流入 B1流出；Ci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，0Bi，BY 绕组中无电流；Ai为正，AX 绕组中的电流从A 流入 X流出；Ci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

6、图 5-4（b）所示。当t=2400时，0Ci，CZ 绕组中无电流；Ai为负，AX 绕组中的电流从X 流入 A流出；Bi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AiAiBiCXBYCZ92 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

7、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：0120ptiiAiBiCO1 2 0 2 4 0

8、 3 6 0(a)t=0(b)t=120(c)t=240 AAAXXXBBBYYYCCCZZZ93（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：1060fnp（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 n03000 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，

9、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：000nnnsnn(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

10、，n0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率 Sn0，重物受到制动而等速下降。5.2.4三相异步电动机的控制1直接启动控制电路直接启动即启动时把电动机直接接入电网，加上额定电压，一般来说，电动机的容量不大于直接供电变压器容量的 2030时，都可以直接启动。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，图 5-13 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。(a)接 线 示 意 图(b)电 气 原 理 图M3SBS FUKMM3

11、S FUKMKMSB109 2).直接起动控制（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。图 5

12、-14 直接起动控制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。2正反转控制1）简单的正反转控

13、制（1）正向起动过程。按下起动按钮SB1，接触器 KM1线圈通电，与SB1并联的 KM1的辅助常开触点闭合，以保证 KM1线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM1的主触点持续闭合，电动机连续正向运转。（2）停止过程。按下停止按钮SB3，接触器 KM1线圈断电，与 SB1并联的 KM1的辅助触点断开，以保证 KM1线圈持续失电，串联在电动机回路中的KM1的主触点图 5-15 简单的正反转控制持续断开，切断电动机定子电源，电动机停转。（3）反向起动过程。按下起动按钮 SB2，接触器 KM2线圈通电，与 SB2并联的 KM2的辅助常开触点闭合，以保证线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM2的主触点持

14、续闭合，电动机连续反向运转。M3SFUKMKMSB2SB1KMFRFRM3SFUKM1SB3SB1KM2SB2KM1KM1KM2KM2F RFR110 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

15、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。SB3SB1SB2KM1KM1KM2KM2KM2KM1FR111 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

16、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3Y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

17、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 5-18 Y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

18、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。M3S FUKM1 KM2 KM3 U1 V2V1 W2W1 U2SB3KM1 SB1KM1 KM2 KM3 KM3 KM1 KM2 KTKM2 KTFRFRSB3SB1SB2KM1KM2KM2KM2KM1KM1FR112 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

19、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

20、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M3SFUKMKMSB2SB1KMSQFRFRSB3SB1SB2KM1KM1KM2KM2KM1(b)自 动 往 返 控 制 电 路SQ1SQ2KM2SQ2SQ1SQ2SQ1(a)往 返 运 动 图F R113 习题：1、有一台四极三相异步电动机，电源电压的频率为5

21、0Hz，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,cosN=0.89,f1=50Hz.求：电动机的磁极对数p额定转矩 TN和额定效率 N。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)。(1)当电源线

22、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)，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。114 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

23、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

24、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SB3SB1SB2KM1KM2KM2KM2KM1KM1FR115 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通电后不要再改动电路，避免发生短路事故。3控制电路的连接，起始线连在W 相上，终点线却要连在V 相上去，切记。