电动异步机及其控制

第一节三相异步电动机的构造,第4章异步电动机及其控制,第二节异步电动机的工作原理,第三节异步电动机的机械特性,第四节异步电动机的起动和调速,第五节异步电动机的铭牌数据,第六节常用低压电器,第七节常用电动机控制电路,第4章异步电动机及其控制,电动机的作用是将电能转化为机械能。,生产机械由电动机驱动有很多优点：,简化生产机械结构、提高生产率和产品质量，能实现自动控制和远程操纵，减轻体力劳动等。,三相异步电动机的构造：定子和转子。,第一节三相异步电动机的构造,定子部分,转子部分,一、定子,第一节三相异步电动机的构造,机座：起固定和支撑定子铁心的作用，一般用铸铁制造。,定子铁心：由硅钢片冲叠而成，铁心内开有均匀的槽，用以嵌放定子绕组。,定子绕组：完全相同的三相定子绕组是由铜导线绕制而成，空间互差120度，可接成Y或。,二、转子,转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成，嵌放转子绕组。转子绕组：有鼠笼式和绕线式两种。,(1)鼠笼式转子,在转子铁心槽内放铜条，两端部用短路环形成一体，或在槽中浇铸铝液，形成转子绕组。,第一节三相异步电动机的构造,(2)绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。三相绕组端线连接到装在转轴上的三个铜滑环上，通过一组电刷与外电路相连接，便于串入电阻改善电动机的运行性能。,鼠笼式和绕线式只是在转子构造上不同，它们的工作原理是一样的。,滑环,鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：,鼠笼式电动机,应用：无特殊要求的一般生产机械的拖动，如水泵、通风机、运输机、传送带和机床等都采用鼠笼式异步电动机。,缺点：是调速困难，起动性能较差，不能人为改变电动机的机械特性。,优点：结构简单、价格低廉、工作可靠。,鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：,绕线式电动机,缺点：结构复杂、价格较贵、维护工作量大。,优点：起动性能较好，可在不大的范围内平滑调速；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。,应用：重载和频繁起动的生产机械，如起重机、锻压机等。,第二节异步电动机的工作原理,三相异步电动机的工作基于电磁感应的两个基本现象：,1、通电导体周围产生感应磁场,2、磁场中载流导体受电磁力作用,定子三相绕组通入三相交流电(星形联接),一、旋转磁场的产生,1、旋转磁场的产生,i“+”：首端流入，尾端流出。,i“”：尾端流入，首端流出。,()电流出,电流实际方向：,()电流入,三相电流合成磁场的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,分析可知：当定子绕组中通入三相电流后，它们产生的合成磁场是随着电流的交变在空间不断地旋转着。即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,2、旋转磁场的旋转方向,如果任意调换两根电源进线，旋转磁场还会顺时针旋转吗？,2、旋转磁场的旋转方向,任意调换两根电源进线(电路如图),合成磁场逆时针旋转60,BC,iAiCiB,旋转方向：取决于三相绕组电流的相序。,改变电动机旋转方向的方法：改变相序（换接其中两相）,2、旋转磁场的旋转方向,方法：将与电源相接的任意两相互换(改变相序)，就可实现反转。,三相异步电动机的正、反转,3、旋转磁场的转速,p=1时,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,工频：,p=2时,旋转磁场转速n0与极对数p的关系,二、转子的转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势E20,电磁力F,转差率：,由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，即,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,旋转磁场转速n0常称为同步转速。,转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比。即：,转差率：,上式也可写为：,转差率s,电动机起动瞬间:n0，s1（转差率最大）,异步电动机额定运行时，转速n小于n0，并且接近n0,第三节异步电动机的机械特性,一、异步电动机的电磁转矩,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。,常数，与电机结构有关,旋转磁场每极磁通,转子电流,转子电路的功率因数,由公式可知,电磁转矩公式,1.T与定子每相绕组电压成正比。U1T,2.当电源电压U1一定时，T是s的函数。,3.R2的大小对T有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转距。,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载）。,第四节异步电动机的起动和调速,一、异步电动机的起动,起动问题：起动电流大，起动转矩小。一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的57倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.02.2)倍。,后果：,原因：,起动：n=0，s=1,接通电源。,异步电动机的起动方法,(1)直接起动二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。,（适用于鼠笼式电动机）,(3)转子串电阻起动,（适用于绕线式电动机）,以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,异步电动机起动时的主要问题是：起动电流较大。,设：电机每相阻抗为,1.降压起动（鼠笼式异步电动机）,(1)Y换接起动,降压起动时的电流为直接起动时的,Y起动器接线简图,静触点,Y起动,Y起动器接线简图,工作,Y起动器接线简图,(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,Y换接起动适合于空载或轻载起动的场合,Y-换接起动应注意的问题,(2)自耦降压起动,Q2下合：接入自耦变压器，降压起动。,Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y起动的鼠笼式异步电动机。,依据变压器的一次、二次侧电压电流关系，可求得线路起动电流Ist。,不用变压器时：,电动机的电压为UN,电动机的起动电流为Ist，和线路电流相同,采用自偶变压器时：,电动机的电压为U，UxUN,电动机的起动电流为Ist，IstxIst,电动机的起动转矩为Tst,电动机的起动转矩为,采用自耦降压法起动时，若加到电动机上的电压与额定电压之比为x，则线路起动电流Ist为,电动机的起动转距Tst为,结论：,R,R,R,定子,转子,起动时将适当的R串入转子电路中，起动后将R短路。,起动电阻,2.绕线式电动机转子电路串电阻起动,若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。,常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,R2Tst,转子电路串电阻起动的特点,1.变频调速(无级调速),频率调节范围：0.5几百赫兹,二、三相异步电动机的调速,2.变极调速(有级调速),变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。,P=2,P=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。,3.变转差率调速(无级调速),变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。,第五节异步电动机的铭牌数据和选择,1.型号,例如：Y132M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,教材表7.8.1中列出了各种电动机的系列代号。,一、异步电动机的铭牌数据,异步电动机产品名称代号,2.接法,接线盒,定子三相绕组的联接方法。通常,Y联结,联结,3.电压,例如：380/220V、Y/是指线电压为380V时采用Y联结；线电压为220V时采用联结。,说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5%。因为在电动机满载或接近满载情况下运行时，电压过高或过低都会使电动机的电流大于额定值,从而使电动机过热。,电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。,三相异步电动机的额定电压有380V，3000V,及6000V等多种。,4.电流,例如：Y/6.73/11.64A表示星形联结下电机的线电流为6.73A；三角形联结下线电流为11.64A。两种接法下相电流均为6.73A。,5.功率与效率,电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。,额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2，它不等于从电源吸取的电功率P1。,注意：实用中应选择容量合适的电机，防止出现“大马拉小车”的现象。,6.功率因数,三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.70.9。空载时功率因数很低，只有0.20.3。额定负载时，功率因数最高。,7.额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,如：nN=1440转/分sN=0.04,8.绝缘等级,指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105C)，H级最高(180C)。,9.工作方式,电机的工作方式分为八类，用S1S8表示。有连续工作方式，短时工作方式，断续工作方式等。,1、功率的选择,功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。,1）对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。,2）对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。,三、异步电动机的选择,2、种类和型式的选择,1）种类的选择,一般应用场合应尽可能选用鼠笼式电动机。只有在需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场合才选用绕线式电动机。,2）结构型式的选择,根据工作环境的条件选择不同的结构型式，如开启式、防护式、封闭式电动机。,3、电压和转速的选择,根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。,Y系列鼠笼电动机的额定电压只有380V一个等级。大功率电动机才采用3000V和6000V。,第六节常用低压电器,一、组合开关（常用于接通和断开电源路）,组合开关又称转换开关，由数层动、静触片组装在绝缘盒而成的。动触点装在转轴上，用手柄转动转轴使动触片与静触片接通与断开。,转换开关的触片通流能力有限，一般用于交流380V、直流220V，电流100A以下的电路中做电源开关。,刀闸开关,控制对象：380V，5.5kW以下小电机,返回,刀闸开关适用于不频繁接通和断开电路；组合开关适用于机床设备的电源引入开关。,二、按钮,(b)结构,按钮常用于接通和断开控制电路。,按钮的外形图和结构如图所示。,(a)外形图,4,结,构,符,号,名,称,常闭按钮,(停止按钮),常开按钮,(起动按钮),复合按钮,1,2,3,4,1,2,3,三、交流接触器,用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。,(a)外形,(b)结构,构成：主要由电磁铁和触点两部分组成，触点又可分为主触点和辅助触点。,三、交流接触器,线圈,辅助触点,铁心,衔铁,主触点,常闭,常开,弹簧,电机,三、交流接触器,220,动画,接触器有关符号：,四、继电器,继电器和接触器的结构和工作原理大致相同。主要区别在于：接触器的主触点可以通过大电流；继电器的体积和触点容量小，触点数目多，且只能通过小电流。所以，继电器一般用于控制电路中。,五、热继电器,用于电动机的过载保护。,热继电器外形与结构,(a)外形,(b)结构,发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被加热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，杠杆被弹簧拉回，常闭触点断开。,发热元件,扣板,五、热继电器,工作原理,结构原理图,双金属片,常闭触头,热继电器的符号,串联在主电路中,串联在控制电路中,六、熔断器,用于低压线路中的短路保护。,熔断器简称保险丝，是最简单有效的短路保护装置。,熔断器中的熔丝和熔片是用易熔合金制成的，当流过熔体的电流大于它的整定值时，熔体立刻熔断，切断电源，起到保护作用。,熔断器产品外形图,六、熔断器,熔断器额定电流IF的选择,(1)电灯、电炉等电阻性负载,IFIL,(3)频繁起动的电机,(2)单台电机,可实现短路、过载、失压保护。,七、自动空气断路器(自动开关),锁钩,主触点手动闭合,衔铁释放,自动空气断路器原理图,连杆装置,释放弹簧,主电路,控制电路,第七节常用电动机控制电路,1.电路,原理图,一、单向旋转控制电路,控制电路,电动机的保护,过载保护,短路保护,零压、欠压保护,主电路,控制电路,电动机的保护,短路保护:通常采用熔断器FU。一旦发生短路事故，熔丝立即熔断，电动机立即停车。,失压(零压)保护:是指电源电压消失或电压严重下降时，电动机停转；在电源电压恢复正常时，电动机不能自行起动。常用的失压保护：采用继电器、接触器控制。,过载保护是为防止三相电动机在运行中电流超过额定值而设置的保护。常采用热继电器FR保护，也可采用自动开关和电流继电器保护。,KM,合上开关Q,起动,2.控制原理,KM辅助触点闭合自锁。,按下起动按钮SB2,KM线圈通电，,通电,转动,合上开关Q,2.控制原理,松开起动按钮SB2,利用自身辅助触点，维持线圈通电的作用称自锁,自锁,2.控制原理,主电路,FR,FU,Q,Q,转动,停车,2.控制原理,转动,停车,停转,去掉KM辅助触点,实现点动控制。,3.点动控制,FR,控制电路,主电路,FR,FU,Q,Q,KM,SB2,KM,二、正反转控制线路,将电动机接到电源的任意两根线对调一下，即可使电动机反转。,需要用两个接触器来实现这一要求。当正转接触器工作时，电动机正转；当反转接触器工作时，将电动机接到电源的任意两根联线对调一下，电动机反转。,2.基本要求必须保证两个交流接触器不能同时工作。,1.基本原理,SBF和SBR决不允许同时按下，否则造成电源两相短路。,正反转的控制线路,3,M,FR,FU,正转触点,KMR,KMF,KMF,.,KMR