机电一体化论文：三相异步电动机的起动与保护.doc

xx学院毕业设计（论文）1 三相交流异步电动机三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。定子绕组通过三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。三相异步电动机实物图如图1-1所示。图1-1 三相异步电动机1.1 三相交流异步电动机-基本结构异步电动机是由定子（固定部分）和转子（转动部分）两个基本部分组成，它们之间由气隙分开。异步电动机分为鼠笼式电动机和绕线式电动机两种。1.1.1 定子结构 、机座：用铸铁或铸钢制成的，起支撑作用。、定子铁芯：是由内圆周表面均匀冲有槽孔的圆环形硅钢片叠压而成的圆筒，因而，在铁芯内圆周上形成了均匀分布的轴向线槽，用来放置定子绕组。、定子绕组：用带有绝缘包皮的导线（如漆包铜线等）绕成匝数相同的线圈，再分三组按一定的规律将线圈对称放置在定子铁芯的轴向线槽内，其中每一组称为一相绕组，这就成为三相对称绕组U1U2，V1V2，W1W2。根据电源的线电压和每相绕组的额定电压，定子绕组可接成Y形或形。定子的作用：产生旋转磁场，并从电网吸收电能。1.1.2 转子结构、转轴、转子铁芯：是由外圆周表面冲有槽的硅钢片叠成的圆柱体，装在转轴上、转子绕组：放置在转子铁芯槽内，有两种形式：鼠笼式，绕线式鼠笼式转子在转子铁芯的每个槽中放一根铜条，在铁芯两端槽口处，用两个导电的铜环分别把所有槽里的铜条短接成一个回路，抽掉铁芯，形状像“鼠笼”。这种转子绕组回路不能外接电阻，起动及调速性能较差。绕线式转子与定子绕组相似，是对称的星形（Y）连接的三相绕组，三根端线接到装在转轴上的三个彼此绝缘的滑环上，通过一组电刷与外电阻相连接。这种转子绕组中可以串联外接起动电阻或调速电阻，从而改善起动及调速性能，所以绕线式异步电动机适用于要求具有较大启动转矩的有一定调速范围的场合。转子的作用：产生电磁转矩，并输出机械能。12 三相交流异步电动机-工作原理三相异步电动机转动的基本工作原理是： （1） 三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。（2） 转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流；（3） 转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。2 三相异步电机的典型启动方式2.1 直接启动直接启动就是用闸刀开关或接触器把电机直接接到具有额定电压的电源上。在变压器容量允许的情况下，鼠笼式异步电动机应该尽可能采用全电压直接起动，既可以提高控制线路的可靠性，又可以减少电器的维修工作量。电动机单向起动控制线路常用于只需要单方向运转的小功率电动机的控制。例如小型通风机、水泵以及皮带运输机等机械设备。图2-1是电动机单向起动控制线路的电气原理图。这是一种最常用、最简单的控制线路，能实现对电动机的起动、停止的自动控制、远距离控制、频繁操作等。图2-1 电动机单向起动控制线路的电气原理图直接启动方法主要受电网配电变压器的容量限制，过大启动电流可能会使电压下降，影响在同一电网上其他设备的正常运行。一般异步电机的功率小于7.5千瓦时允许直接启动，对于更大容量的电机能否使用要视配电变压器的容量和各地电网部门而定。2.2 降压启动鼠笼式异步电动机采用全压直接起动时，控制线路简单，维修工作量较少。但是，并不是所有异步电动机在任何情况下都可以采用全压起动。这是因为异步电动机的全压起动电流一般可达额定电流的4-7倍。过大的起动电流会降低电动机寿命，致使变压器二次电压大幅度下降，减少电动机本身的起动转矩，甚至使电动机根本无法起动，还要影响同一供电网路中其它设备的正常工作。2.2.1 Y降压起动控制线路降压起动中Y降压起动是比较常见的，这一线路的设计思想是按时间原则控制起动过程。所不同的是，在起动时将电动机定子绕组接成星形，每相绕组承受的电压为电源的相电压220V，减小了起动电流对电网的影响。而在其起动后期则按预先整定的时间换接成三角形接法，每相绕组承受的电压为电源的线电压380V，电动机进入正常运行。凡是正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，均可采用这种线路。定子绕组接成Y降压起动的自动控制线路如图2-2所示。图2-2 Y降压起动控制线路 图中，可以看到主电路中有三组主触点，其中接触器KM2和KM3主触点一定不能同时闭合，意味着电源将被短路。所以，控制线路的设计必须保证一个接触器吸和时，另一个接触器不能吸和，这就叫做互锁。也就是说KM2和KM3两个接触器需要互锁。通常的方法是在控制线路中解除其KM2与KM3线圈的支路里分别串联对方的一个动断辅助触电。这样，每个接触器线圈能否被接通，将取决于另一个接触器是否处于释放状态，如解除其KM2已接通，它的动断辅助触点八KM3线圈的电路断开，从而保证KM2和KM3两个接触器不会同时吸合。这一对动断触点叫做互锁触点。Y-降压起动控制线路的工作原理如下：合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，这时，接触器KM1、KM2时间继电器KT线圈通电，解除其KM1主触点和自锁触点闭合。KM2主触点闭合与KM2互锁触点断开，电动机按Y形接法起动，经过所设定延时时间后，时间继电器KT的动合触点闭合和动断触点断开，使接触器KM2线圈断电，接触器KM2主触点断开，电动机暂时断电，同时接触器KM2互锁触点闭合，使得接触器KM3线圈通电，接触器KM3主触点和自锁触点闭合，电动机改为三角形连接，然后进入稳定运行，同时接触器KM3互锁触点断开，使时间继电器KT线圈断电Y接法的起动的电流仅为接法的三分之一，从而限制了起动电流，但是Y接法的起动转矩为接法的三分之一，所以Y-起动只适用空载或轻载起动。这种方法适用在正常运行时绕组是三角接法的电机。电机定子的六个线头都引出来，接到换接开关上。在起动时先将定子接成星型，这时加在每相绕组上的电压将为额定电压的倍，待起动完成后再改接到三角接法，加上额定电压。图2-3是星三角启动的接线图。图2-3 星型三角起动的接线图2.2.2 三相异步电动机的自偶降压起动（1）电动机自耦降压起动（自动控制接线图） 图2-4 电动机自耦降压起动接线图图2-4是交流电动机自耦降压启动自动切换控制接线图，自动切换靠时间继电器完成，用时间继电器切换能可靠地完成由启动到运行的转换过程，不会造成启动时间的长短不一的情况，也不会因启动时间长造成烧毁自耦变压器事故。控制过程如下：a、合上空气开关QF接通三相电源。b、按启动按钮SB2交流接触器KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压低压抽头（例如65）将三相电压的65接入电动。c、KM1辅助常开触点闭合，使时间继电器KT线圈通电，并按已整定好的时间开始计时，当时间到达后，KT的延时常开触点闭合，使中间继电器KA线圈通电吸合并自锁。d、由于KA线圈通电，其常闭触点断开使KM1线圈断电，KM1常开触点全部释放，主触头断开，使自耦变压器线圈封星端打开；同时 KM2线圈断电，其主触头断开，切断自耦变压器电源。KA的常闭触点闭合，通过KM1已经复位的常闭触点，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通电动机在全压下运行。e、KM1的常开触点断开也使时间继电器KT线圈断电，其延时闭合触点释放，也保证了在电动机启动任务完成后，使时间继电器KT可处于断电状态。f、欲停车时，可按SB1则控制回路全部断电，电动机切除电源而停转。g、电动机的过载保护由热继电器FR完成.2.3 软启动以上降压启动的方法是有级启动，启动的平滑性不高，应用一些自动控制线路组成的软启动器可以实现鼠笼式异步电机的无级平滑运动，这种方法称为软启动。软启动分为磁控式和电子式两种。磁控式故障率高，已被电子式取代。启动过程电机所加的电压不是一个固定值，软启动装置输出电压安指定要求上升，被控电机电压由零安指定斜率上升至全电压，转速相应由零上升到规定转速。软启动能保证电机在不同负载下平滑启动，减少电机启动对电网冲击，又降低对自身承受的较大结构冲击力。图2-5 软启动器外形图图2-6 软启动器主接线图软启动器的外型如图2-5所示，主接线如图2-6所示。软启动器的工作原理：控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动结束，旁路接触器闭合，使软起动器退出运行，直至停车时，再次投入，这样即延长了软起动器的寿命，又使电网避免了谐波污染，还可减少软起动器中的晶闸管发热损耗。软启动器内部结构虽然复杂，但使用却十分方便，用户只需接入电源，接出输出，操作按钮即可。 用软启动器运行时不工作的特点，还可以实现一台软启动器启动多台电动机。软启动器MM 图2-7 软启动器的一拖二示意图工作原理(1) 启动过程：首先选择一台电动机在软启动器拖动下按所选定的启动方式逐渐提升输出电压，达到工频电压后，旁路接触器接通。然后，软启动器从该回路中切除，去启动下一台电机。 (2) 停止过程：先启动软启动器与旁路接触器并联运行，然后切除旁路，最后软启动器按所选定的停车方式逐渐降低输出电压直到停止。 三台以上以此类推。3 以C6140车床为例的保护电路3.1 常用的保护电路三相异步电动机控制电路除了能满足被控设备生产工艺的控制要求外，还必须考虑到电路有发生故障和不正常工作情况的可靠性。因为发生这些情况时会引起电流增大，电压和频率降低或升高、损毁。因此，控制电路中的保护环节是电动机控制系统中不可缺少的组成部分。常用的保护电路有短路保护、过载保护、过电流保护、失电压保护和欠电压保护等。如下图3-1所示为三相异步电动机直接启动的比较简单的保护。 短路保护：熔断器FU1，FU2； 过载保护：热继电器FR； 零电压保护：KM线圈，防止电机自启动 图3-1 三相异步电动机直接启动电路图3.2 以C6140为例的保护电路3.2.1 C6140车床简介C6140车床通用性强适用于加工各种轴类、套筒类、轮盘类零件上的回转表面。可车外圆、车端面、切槽和切断、钻中心孔、钻孔、镗孔、铰孔、车各种螺纹、车内外圆锥面、车特型面、滚花和盘绕弹簧等。3.2.2 车床电气原理分析C6140主电路（如图3-2）：图3-2 C6140主电路1）主电路分析三相交流电源由转换开关QF引入。主轴电动机M1、冷却泵电动机M2、快速移动电动机M3均采取直接启动，分别由接触器KM1、中间继电器KA1、中间继电器KA2来控制其启动和停止。主轴电动机M1采用热继电器FR1作过载保护，采用熔断器FU1作短路保护。冷却泵电动机M2采用热继电器作FR2过载保护。快速移动电动机M3因为是间歇短时运行，故不需要热继电器进行过载保护。C6140控制电路（如图3-3）图3-3 C6140控制回路2）控制电路分析控制电路电源：是通过控制变压器TC输出127V交流电压供电，采用熔断器FU2作短路保护。主轴电动机M1控制：按下SB2，接触器KM1通电吸合，主电路上KM1的三个常开主触头闭合，主轴电动机M1转动；同时KM1的一个常开辅助触头闭合，进行自锁，保证松开按钮SB2后主轴电动机M1仍能连续运行。按下停止按钮SB1，接触器KM1断电释放，主轴电动机M1停止。快速移动电动机M3控制：按下按钮SB3，中间继电器KA2通电吸合，KA2三个常开主触头闭合，快速移动电动机M3旋转，由溜板箱的十字手柄控制方向，实现刀架的快速移动。松开按钮SB3，中间继电器KA2断电释放，快速移动电动机M3停止，刀架停止移动。冷却泵电动机M2控制：主轴电动机M1启动后，KM1常开辅助触头吸合，使转换开关SA1闭合，中间继电器KA1方能通电吸合，冷却泵电动机M2带动冷却泵旋转。当主电动机M1停止时，KM1常开辅助触头断开，中间继电器KA1断电释放，冷却泵电动机M2和 均停止旋转。指示及照明电路分析：指示灯HL1、HL2、HL3、HL4和照明灯EL由控制变压器TC直接输出36V交流电压供电，采用熔断器FU2作短路保护，其中照明灯由开关SA2控制其接通与断开。保护和联锁电路分析：KM1常开辅助触头实现了主轴电动机M1和冷却泵电动机M2的顺序启动和联锁保护。热继电器FR1和FR2的常闭触头串联在控制电路中，当主电动机M1或冷却泵电动机M2过载时，热继电器FR1和FR2的常闭触头断开，控制电路断电，接触器和中间继电器均断电释放，所有电动机停止旋转，实现了过载保护。接触器KM1、中间继电器KA1可实现失压和欠压保护。214 电动机保护及其装置4.1 安装在电动机内部的保护装置4.1.1 温度保护及装置（1）双金属盘式温度保护器。这种温度保护器通常装在电动机端盖上，其体积和触头的电流容量一般都较大，外壳用酚醛塑料制成。双金属盘式温度保护器不但对温度敏感，而且对电流也敏感，因此它具有更全面的保护功能。（2）嵌入式温度保护器。这种温度保护器通常装在电动机绕组中、绕组表面或绕组端面上，与电动机绕组一起进行浸渍处理。嵌入式温度保护器具有体积小、灵敏度高、可靠性好等优点，常用于各类小容量电动机的直接保护。（3）热断式温度保护器。这种温度保护器是一次性动作的热保护器。由于感温材料融化后不能复原，所以这种保护器只能一次性使用，它通常装在电动机的外壳上。（4）正温度系数热敏电阻式温度保护器。这类温度保护器是一种对温度敏感的新型半导体元件（简称PTC），即通称的热敏电阻。为准确反应电动机绕组的温度，通常在电动机制造时将其埋设在定子绕组中，导线绑扎后有电动机接线盒引出。此外，热敏电阻也可用于检测电动机断相温度信号，实现断相保护。4.2 安装在电动机外部的保护装置4.2.1 过载热保护及装置通常，交流电动机的故障主要是定子绕组损坏造成的。这些绕组的损坏大多是电动机过载引起的。电动机过载运行时，会出现电流增加，绕组过热现象。如果时间过长，就会损坏绝缘。过载热保护装置的功能就是在电动机过载情况下，及时切断电源，限制电动机过热时间，防止绝缘损坏。其保护原理是通过热效应元件对电动机过载时增大的电流灵敏反应而发生动作，以断开电路。常用的有双金属片热继电器和空气断路器。其中热继电器纯属过载热保护装置，只起过载热保护，对短路、欠电压等不具备保护功能；空气断路器的保护功能较多，可同时起电流过载热保护、短路保护、欠电压保护等多种功能。4.2.2 过载电流保护及装置（1）用于小电流过载保护时，造成电动机不能充分发挥其过载能力。这是因为，感应式继电器的动作电流最长延迟时间只有60s，而实际上电动机在过载20%的情况下至少能完全运行20min。（2）过载电流保护装置与电动机之间无直接的热联系，当造成绝缘损坏的主要危险过热不是由电流过大所引起的，而是由通风不良、机械损耗增大等原因引起的，过载电流保护无效。图4-1所示为热继电器（3）马达断路器主要用于电机的保护，其原理是根据电流流过产生的热效应，上面有微调旋钮，可以调整过载电流，当电流达到设定的电流一段时间以后，断路器将脱扣切断电路，当电流达到标称电流的12倍时（可以认为是短路），断路器直接脱扣，没有延时4.2.3 漏电保护及装置当人体可能触及的电动机漏电时，保护装置以人体接触的安全电压值或流过人体的安全电流值为基准，自动及时切断电源，以保护人身安全，这种保护称为电动机的漏电保护。在中性点直接接地的低压电网中，为提高接地保护的保护效果，可在电动机的电源侧装设漏电开关（漏电保护器）。当电动机发生碰壳故障时，漏电开关立即动作，切断电源，从而壳防止人身触电。4.2.4 短路保护及装置熔断器通常应用于短路保护中，当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。熔断器结构简单，使用方便，广泛用于电力系统、各种电工设备和家用电器中作为保护器件。熔体额定电流的选择要求熔断器在电机起动时不熔断，在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。熔体额定电流选择偏大，负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断；选择过小，可能在正常负载电流作用下就会熔断，影响正常运行，为保证设备正常运行，必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流。单台直接起动电动机熔体额定电流(1.52.5)电动机额定电流。多台直接起动电动机总保护熔体额定电流(1.52.5)各台电动机电流之和。降压起动电动机熔体额定电流(1.52)电动机额定电流。绕线式电动机熔体额定电流(1.21.5)电动机额定电流。4.2.5 缺相保护及装置（1）利用灯光信号报警装置或双刀开关对三相异步电动机进行缺相保护。由于三相异步电动机的缺相运行大多是一相熔断器熔断造成的，所以在条件简陋而又有值班人员经常值班的场合，给每一项熔断器并联一只小红色灯泡，就可及时发现一相断线故障。这种方法只能反映熔断器熔断所引起的缺相运行，而不能反映其他原因造成的断相故障。此外，由于灯泡只能给出故障信号，不能产生保护动作，所以值班人员必须经常注意监视。（2）利用欠电流继电器对三相异步电动机进行缺相保护。在电动机的每相线路中个串联一个欠电流继电器，分别流过三相线电流。当电动机正常运行时，三个继电器的常开触点全部接通。当某相发生断线故障时，串联在该相的欠电流继电器就因失电而动作，断开接触器的线圈电路，电动机脱离电源，于是电动机停转。这种保护方案具有动作准确、可靠的优点，其缺点是继电器线圈长期通过电动机的工作电流，而且当电动机容量较大时，还需要配用电流互感器，因而费用较高。但对一些重要的生产机械或科研设备来说，采用欠电流继电器来保护电动机，还是很适宜的。（3）带缺相保护装置的热继电器。其结构特点是在普通热继电器结构的基础上增加了一个差动机构，该继电器即可对三相均衡过载起保护作用，又可对缺相运行起保护作用。4.2.6 欠压保护及装置电动机的转矩、定子电流与电压有着密切关系。当电源电压上下波动时，电动机的电磁转矩和定子电流相应发生变化。与过电压相比，电动机欠电压运行的危害更大，电磁转矩与电压平方成正比地减少，导致电动机的转速下降，温升增高，严重时导致电动机闷车。通常，500V以下低压电动机多采用空气断路器作为欠压保护装置。当电压低于某一整定值时，空气断路器的欠压脱扣器便动作，使电动机的主电路断开。此外，也可采用接触器自锁控制线路来避免电动机欠压运行。当线路电压下降到一定值（一般为额定电压的85%左右）时，接触器线圈的两端电压也同样下降到该值，从而使接触器线圈的磁通减弱，产生的电磁引力减少。当电磁吸力减少到小于反作用弹簧的拉力时，动铁芯被迫释放，带动着主触头、自锁触头同时断开，自动切断主电路和控制短路，于是电动机失电停转，从而达到欠压保护的目的。4.2.7 失压保护及装置当电网由于某种原因而突然停电时，电源电压下降为零，电动机停转，生产机械也随之停转。一般情况下，生产机械的操作人员不可能及时拉开电源开关。如果不采用失压保护措施，当电网故障排除，电源恢复供电时，电动机便会自行运作，从而生产机械也随之转动，此时很可能造成人身和设备事故，并引起电网过电流和瞬间网络电压下降。因此，电动机应有失压（零压）保护电器。在电动机的电气控制线路中，起失压保护作用的电器是接触器和中间继电器。当电网停电时，接触器和中间继电器中的电流消失，电磁吸力减小为零，动铁芯释放，触头复位，从而切断主电路和控制短路的电源。当电网恢复供电时，若不重新按下起动按钮，则电动机就不会自行起动。这样，就达到了对电动机的失压（零压）保护的目的。结论本文主要阐述了三相异步电动机各种保护和控制，介绍了异步电动机的基本结构、工作原理。分析以C6140普通车床为例来论述电动机的启动方式，综合实行过载保护，温度保护，短路保护，欠压、失压保护，漏电保护等。对三相异步电动机有一个充