三相异步电动机及其控制电路

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)。 00s i ns i n ( 1 2 0 )s i n ( 1 2 0 )UmVmWmi I ti I ti I t 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AiAi Bi CXBYCZ92 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： 0120 p ti i A i B i CO 120 240 36 0 ( a ) t = 0 ( b ) t = 1 2 0 ( c ) t = 2 4 0 A A AXXXB B BYYYCC CZZZ93 （ 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： 1060 fnp （ 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： 000nn ns (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， 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 20 30 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 M 3 SB S FU KM M 3 S FU KM KM SB 109 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 5-14 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 的主触点持续闭合，电动机连续反向运转。 M3 SFUKM KMSB 2SB1KMFRFRM3 SFUKM1SB3SB1KM2SB2KM1KM1KM2KM2FRFR110 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。 SB 3SB 1SB 2KM 1KM 1KM 2KM 2KM 2KM 1FR111 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 5-18 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。 M 3 S FU KM 1 KM 2 KM 3 U 1 V 2 V 1 W 2 W 1 U 2 SB 3 KM 1 SB 1 KM 1 KM 2 KM 3 KM 3 KM 1 KM 2 KT KM 2 KT FR FR SB 3SB 1SB 2KM 1KM 2KM 2KM 2KM 1KM 1FR112 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 M3 SFUKM KMSB2 SB1KMSQFRFRSB3SB1SB2KM1KM1KM2KM2KM1( b ) 自动往返控制电路SQ1SQ 2KM2SQ2SQ1SQ2SQ1( a ) 往返运动图FR113 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,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