1、第四章 电机及其控制,三相异步电动机 基本控制电路 单相异步电动机 直流电动机 汽车电动机,异步电动机是把交流电能转变为机械能的动力机械，广泛应用于工业（如：机床、纺织机械、起重机、矿山机械等）、农业（脱粒机、粉碎机、水泵及加工机械等）、家用电器（电风扇、空调、洗衣机、电冰箱及小功率电动工具等）。,电动机,发电机,电机,直流电机,交流电机,同步电机,异步电机 （笼型、 绕线型）,特殊电机,三相异步电机,单相异步电机,本章重点介绍三相异步电机。,三相异步电机,接线盒,转轴,三相异步电动机的结构,机座,定子铁心,定子绕组,接线盒,端盖,罩壳,风扇,转子,主要部件是由定子和转子两大部分组成。 此外，
2、还有端盖、轴承、风扇等部件。,转轴,1.定子三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕 组组成。,定子铁心冲片,U1,U2,三相定子绕组,（U相）,2. 转子,根据转子绕组结构的不同分为：,三相异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕 组和转轴组成。,转子铁心冲片,去掉铁心后的转子导条,（转子铁心槽内嵌有铸铝导条）,笼型转子,绕线型转子,（转子铁心槽内嵌有三相绕组）,旋转磁场,1.旋转磁场的产生,三相异步电动机的定子铁心中放入三相定子绕 组。,定子绕组,U1,U2,V1,V2,W1,W2,定子绕组Y接,接入三相对称电源。,t =0 iu= 0 iv为负值 iw为正值,t=0,360,240,1
3、20,t = 120,t = 240,t = 360,N,S,N,N,N,S,S,S,2.磁场的旋转方向,与绕组中电流的相序一致U-V-W-U。,空间相差120 角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，磁场的旋转方向与绕组中电流的相序一致。,如果改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的旋转方向，三相异步电动机的旋转方向也就跟着改变。,如果电流的相序为U-V-W-U 则旋转磁场为顺时针方向。,n1,t=0,360,240,120,t = 240,绕组中电流的相序为U- W - V -U，磁场逆时针旋转。,把三相异步电动机的三根线任意调换两根与电源相接，电动机旋转方向反
4、向。,t = 360,旋转磁场的磁极对数p与取决于三相定子绕组的结构和连接方式。,3. 旋转磁场的磁极对数 p,4. 旋转磁场的转速n0,(转/每分）,电源频率,电动机的磁极对数,三相异步电动机的运转原理,+,转子 转速n,旋转的磁场可以带动转子同方向旋转,异步电动机原理图,转子,定子,磁场转速n1,n,三相异步电动机转子在旋转磁场的作用下转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,磁场转 速n1,转子,感应电动势(电流),n = (1s) n1,转差率：,0 s ,sN= 0.01 0.06,例 一台额定转速为1450r/min的三相异步电动机，求：额定转差率。,解：,因为sN= 0.01 0.
5、06，所以该电动机为4极电机，旋转磁场转速为1500 r/min。,三相异步电动机的机械特性,S,Tem,1,0,Tem = f (S),TN 额定转矩,Tm 最大转矩,Tst 起动定转矩,电动机的电磁转矩与转差率之间的关系,当 U1 、R2 、X20为固定值时，,机械特性:,电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线。,Tem = f (S),n = f (Tem),三相异步电动机的机械特性,稳定运行时，电动机轴上输出的转矩等于负载转矩 Tem T2,稳定运行区域：AB段 当负载转矩发生变化时，电动机能自动调节到新的稳定运行状态。,1. 额定转矩TN,电动机额定运行时的转矩,PN 单位：千瓦（kW
6、）,nN 单位：转每分（r/min）,TN 单位：牛米（N m）,例 有两台功率相同的异步电动机，一台PN=7.5 kW，nN=962r/min，UN=380V，另一台PN=7.5 kW，nN=1450r/min，UN=380V，求电动机额定转矩。,解 第一台,第二台,2. 最大转矩Tm,令,代入得:,sm R2而与U1无关,Tm U12而与R2 无关,3. 起动定转矩Tst,过载能力 (最大转矩倍数),Y系列三相异步电动机T 2 2.2,起动瞬间 n=0，s=1,当负载转矩 T2Tst 时，电动机可带负载起动。,起动转矩倍数,Tst 起动转矩越大，起动就越迅速。,Y系列三相异步电动机 K s
7、t 1.7 2.2,4.1 常用低压电器,凡对电能的生产、输送、分配和使用其控制、调节、检测、转换及保护作用的电工器械均成为电器。低压电器是指在交流50HZ额定电压1200V及以下的交流电路或1500V及以下直流电路中工作的电器，主要用作接通或者断开电路。,低压电器的种类繁多，按控制作用分控制电器和保护电器；按操作方式分为手动电器（如闸刀开关、组合开关和按钮等）和自动电器（热继电器、交流接触器等）。,4.1.1 开关类控制电器,用途：主要用来接通和断开不频繁操作的设备的电源。,操作手柄,闸刀,1. 刀开关,分类： 刀开关按极数分:有单极、双极和三极； 按结构分有平板式和条架式； 按操作方式分，
8、有直接手柄操作式、杠杆操作机构式、旋转操作式和电动操作机构式； 除特殊的大电流刀开关又采用电动操作方式外，一般都进行手动操作。,2. 组合开关（转换开关）,选择：根据电源种类、电压等级、设备容量及使用场合来选用。广泛用于照明电路和在电动机控制电路作电源引入用。,注意：刀开关安装时，合闸状态手柄必须向上，不得倒装。,用途：接通或切断电源、控制小型笼型电动机的起动、停止、正反转等。,LW5D系列万能转换开关适用于交流50HZ、额定电压至500V及以下控制线路中。,手柄,文字符号及图形符号,HZ5B型组合开关，适用于交流50HZ，额定电压380V及以下的电路中，可作电动机起动、停止、换向、变速之用。
9、,文字符号及图形符号,选择：根据控制要求、工作电流及工作电压选择。,汽车的灯光组合开关,4.1.2 按钮,用途：接通或切断控制电路。,LAY39 系列按钮,按钮结构图,文字符号及图形符号,动合触点 （常开触点）,动断触点 （常闭触点）,按钮（SB）,4.1.3 熔断器,用途：短路保护电器当电路发生短路和严重过载时，它的熔体能迅速熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损坏。,结构：熔体（俗称保险丝）、熔管、熔座三部分组成。,文字符号和图形符号,圆筒形熔断器,熔断器底座,高压熔断器,螺旋式熔断器,熔体额定电流的选择： 1.照明线路等没有冲击电流的负载,熔体额定电流被保护设备的额定电流,2. 一台
10、电动机的熔体,熔体额定电流,电动机的起动电流,2.5,熔体额定电流,电动机的起动电流,1.6 2,如果电动机起动频繁，则为,3. 多台电动机合用的总熔体,熔丝额定电流 = (1.5 2.5)容量最大的电动机额定电流,+其余电动机额定电流之和,4.1.4 交流接触器,线圈,交流接触器示意图,用途：用来频繁地接通或分断带有负载的主电路（如电动机）的自动控制电器。,线圈,主触点,灭弧罩,辅助触点,线圈,KM,交流接触器的图形和文字符号,辅助触点,主触点,动合触点,动断触点,选择接触器主要考虑：主触点额定电压、额定电流；辅助触点种类、数量及触点额定电流；电磁线圈的电源种类，颁率和额定电压。,主触点电压
11、、电流 负载额定电压、电流电流,4.1.5 热继电器,热继电器原理图,用途：主要用于电动机的过载保护。,热继电器的图形和文字符号,动断触点,FR,热元件,FR,4.1.6 中间继电器,用途：用来传递或转换信号，或同时控制多个电路，也可以直接控制小容量电动机或其它电气执行元件。,结构：与交流接触器基本相同，只是容量小些，触点多些。,选用：中间继电器主要考虑电压等级和触点数量。,7.1.8 自动空气开关（空气断路器）,自动空气开关示意图,用途：用于低压电路的短路、严重过载及欠电压保护。,自动空气开关,正常情况下过流脱扣器的衔铁是释放着的，严重过载或短路时，线圈因流过大电流而产生较大的电磁吸力，把衔
12、铁往下吸而顶开锁钩，使主触点断开，起过流保护作用。欠压脱扣器在正常情况下吸住衔铁，主触点闭合，电压严重下降或断电时释放衔铁而使主触点断开，实现欠压保护。电源电压正常时，必须重新合闸才能工作。,4.3 三相异步电动机的控制电路,4.3.1 单向运转控制电路,一、用刀开关（或转换开关）直接控制电路,优点：控制电路简单。 缺点：没有失压保护;不能实现遥控和自控；不便频繁起、停控制。,刀开关控制电路,二、用接触器、按钮控制的单向运转电路,1. 点动控制电路,KM,Q,FU,KM,SB,主电路,控制电路,闭合开关Q接通电源,按SBKM线圈得电,KM主触点闭合,动 作 过 程,M 运转,点动控制,2. 单
13、向运行控制电路,自锁,SBSTP,用接触器本身的触点使其线圈保持通电的环节称自锁环节。,工作过程：按下SBST KM得电电动机起动按下SBSTP KM断电电动机停止。,FR,过载保护,直接起动控制原理图,直接起动控制结构图,起动过程：按下起动按钮SBl，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。,停止过程：按下停止按钮SB2，接触器KM线圈断电，与SBl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
14、点持续断开，电动机停转。,与SBl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。,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
15、。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。,4.3.2 可逆运转控制电路,KMF主触点接通，电动机正转。,KMR主触点接通，电动机反转。,KMF、 KMR不能同时接通，否则造成电源短路。,注意,？,KMF、 KMR同时接通，会出现什么问题？,主电路,KMF,互锁,笼型电动机正反转控制线路,主触点闭合 正转,按SBF, KMF通电,辅动合闭合 自锁,辅动断开 互锁,存在问题：要想改变电机转向，必须先按停止按钮。,具有互锁环节的正反转控制电路,采用复合按钮的电动机正反转控制线路,要想改变电机转向，不必先按停止按钮，直接按相应的起动即可。,补充：基本电气识图
16、,继电接触控制电气图分为,电气控制原理图,电气设备安装图,电气设备接线图,2. 电气元件必须用国家统一规定的图形符号和文字符号标注。,3. 同一电器的各部件如线圈和触点常常不画在一起，但用同一文字标明。,4. 电气控制原理图中的全部触点都按“ 常”状态绘出。,1. 电器原理图分为主电路和控制电路。主电路画 在左侧（或上方），控制电路画在右侧（或下方） 。各电气元件按动作顺序由上到下、从左到右依次排列。,绘制电气原理图的规则：,3. 结合说明书或有关的技术资料把控制线路划分成几个部分，按动作先后逐一进行分析。,4. 搞清各电器之间的动作关系，相互间的联锁及电路的保护环节等。,2. 先看主电路，由
17、电源到被控设备（由上到下），了解各电气设备的特点和控制要求。,识图注意问题：,1. 首先了解控制系统的主要技术性能及机械传动、液压和气动的工作原理。,三相异步电动机的铭牌和技术数据,铭牌的作用：向使用者简要说明电动机的一些额定数据和使用方法。,例：某电动机铭牌数据如下。,三相异步电动机 型号Y132 M - 4 功率7.5kW 频率50HZ 电压 380V 电流15.4A 接法 转速 1440 r/min 绝缘等级B 工作方式 连续年 月 编号 电机厂,1. 型号,Y 132 M - 4,三相异步电动机,机座中心高(mm),磁极数,机座长度代号,(S短机座 ;M中机座;L长机座),2. 功率P
18、N 额定运行时，轴上输出的机械功率。,输入功率,效率,3. 电压UN 额定运行时，定子绕组上应加的线电压。,4. 电流IN 在UN、 PN时，流入定子绕组的线电流。,5. 转速nN 在UN、 PN、 IN时，电动机转子的转速。,6. 接法,电动机三相定子绕组的接线方法。,接线盒,接线盒,接,Y接,7. 频率 fN 我国电网频率为50HZ。,8. 温升及绝缘等级,电动机常用绝缘材料分为五个等级。,9. 工作方式,连续工作、短时工作、断续周期工作。,10. 其他,可从电工手册中查得,功率因数、效率、,三相异步电动机的选择,1. 电动机容量（功率）的选择,选择 原则,电动机的起动转矩负载转矩。,电动
19、机在运行时的温升不超过其容许值。,电动机应具有一定的过载能力。,选择 方法,调查统计类比法。,分析计算法。,2. 电动机类型的选择,结构简单，工作可靠，维护方便。但起动性能差，适用于空载或轻载起动的生产机械（风机、水泵、一般机床等）。,价格较贵，起动性能好，适用于起重机、轧钢机等。,3. 结构形式的选择,卧式（轴为水平）、立式（轴为垂直）、开启式、封闭式、防护式。,绕线型电动机：,笼型电动机（可优先考虑）,4. 额定电压的选择,5. 转速的选择,电动机的转速愈低则体积愈大，价格也愈高，功率因数和效率也就低，同步转速有3000 rmin；1500rmin； 1000 rmin；750 rmin
20、等。,一般情况下，可选用同步转速为1500 rmin的电动机。,4100kW的电动机的一般为380V，接。 3kW以下一般为380V，Y接。100kW以上可考虑额定电压为3、6或10kV的高压电动机。,单相异步电动机,1 基本工作原理,2 起动方法,1 基本工作原理,单相异步电动机,单相定子绕组，笼型转子。,结构：,工作原理及特点： 单相定子绕组产生的是脉动磁场，可分解为大小、转速相同而转向相反的两个磁场，当S=1时，对转子产生的合成力矩为零，所以起动转矩为零。,常用类型：,电容分相式、罩极式单相异步电动机。,电源：单相交流电源。,功率：几 几百瓦。,用途：,家用电器（风扇、冰箱、洗衣机等）
21、及功率不大的电动工具。,2 起动方法,S: 离心力开关,1. 分相起动,1: 工作绕组2: 起动绕组,空间相隔90,起动绕组电流与工作绕组电流不同相(分相),产生旋转磁场。,相量图,电机运转方向：由起动绕组转向工作绕组。,改变电容C的串联位置（串在绕组1），电机反转。,定子绕组,2.罩极起动,1和2形成一个向罩极部分移动的磁场。,凸极定子,笼型转子,电机旋转方向：未罩极转向被罩极。,n,三相异步电动机运行时断了一相线，相当于单相异步电动机，称为缺相运行。,若在起动时缺相，则不能起动，且电流很大，应立刻切断电源，否则电动机很快被烧毁。,若在运行时缺相，则能够继续转动, 如果仍带额定负载 ,电流会超过额定值，电动机易被烧坏。,三相异步电动机的缺相运行,
