《电工电子技术基础》第5章异步电动机及其控制.ppt

基本结构工作原理机械特性控制方法,异步电动机及其控制,主要授课内容,第1章,第5章异步电动机及其控制,5.1异步电动机的基础知识,5.3三相异步电动机的控制,5.4常用控制电器,5.5电气控制电路,5.2异步电动机的电磁转矩和机械特性,第1章,5.1异步电动机的基本知识,1.三相异步电动机的结构,鼠笼式,三相异步电动机,绕线式,定子,转子,定子铁芯,机座,定子绕组,转子铁芯,转轴,转子绕组,风罩,风叶,转子,定子,端盖,问题与讨论,鼠笼型电动机的定子各部分结构和作用如何？,鼠笼型异步机转子各部分的结构和作用是什么？,定子铁芯是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成，在其内圆冲有分布的槽。,定子铁芯的作用：一是槽内可用来嵌放定子绕组；二是定子铁芯构成电动机磁路的一部分。,定子绕组是由铜导线绕制而成。构成电动机电路的一部分。,机座是电动机的支架，一般用铸铁或铸钢制成。,转子铁芯冲片,铸铝笼形转子,笼形转子绕组,转子铁芯是也是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成，在其外圆冲有分布的槽。转子铁芯可嵌放转子绕组，构成电机磁路的另一部分。,转子绕组大部分是浇铸铝笼型，大功率也有铜条制成的笼型转子导体，构成电机电路的一部分。由转轴输出机械能。,2.三相异步电动机的工作原理,(1)旋转磁场的产生,n1,A,X,B,Y,C,Z,三相定子绕组中通过的电流,t=0时电流和磁场情况,N,S,同理可分析出其它时刻电流的磁场转向。,显然，异步电动机中旋转磁场代替了旋转磁极。,定子电流旋转磁场的方向：取决于三相电流的相序。,若要改变异步电动机的旋转方向：只需换接其中两相的顺序即可。,问题与讨论,旋转磁场的极对数和同步转速n1之间有什么关系？,此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数p=1。,极对数p=1时：,将每相绕组分成两段，按上图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。,X,此时同步转速,t=0时转子电流和转子旋转情况,(2)电动机的转动原理,用右手定则可判断出转子导体中感应电流的方向如图示；,再用左手定则判断出转子导体的受力方向为上右下左，因此转子顺着同步磁场n1的方向转动。,异步机的转动原理三相对称定子绕组中通入对称三相交流电，即在气隙中形成一个在时间上、空间上都随时间变化的一个旋转磁场。固定不动的转子导体与旋转磁场相切割后感应电流成为载流导体。载流导体又和旋转磁场相互作用，对轴生成电磁转矩，于是电动机就顺着同步转速的方向转动起来。,问题与讨论,电动机的转速n能等于同步转速n1吗？,提示：如果,结论：,nn1,异步！,转差率S的概念：,转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：,电动机运行之中:,显然电动机的转差率随电动机的转速升高而减小。,3.三相异步电动机的铭牌数据,三相异步电动机型号Y132M-4功率7.5KW频率50Hz电压380V电流15.4A接法转速1440r/min绝缘等级B工作方式连续标准编号工作制S1B级绝缘年月编号电机厂,Y表示异步机，132（mm）表示机座中心高度；M代表中机座（L长机座、S短机座）。,额定功率指的是电动机输出的机械功率。,额定电压、电流均指电动机额定运行情况下的定子线电压、线电流的数值。,额定转速指的是电动机转子的转速n。,三相异步电动机的定子绕组有两种接法：Y形和形。三相定子绕组由机壳外面的接线盒引出，左下图为Y接连线图；右下图为接连线图。,同步转速：,转差率：,解：,三相异步电动机p=3，电源f1=50Hz，电机额定转速n=960r/min。求：转差率s，转子电动势的频率f2,例：,5.2异步电动机的电磁转矩和机械转矩,1.异步电动机的电磁转矩,电磁转矩与电源电压的平方成正比：,（牛顿米）,三相异步机转子中各载流导体在旋转磁场作用下，受到电磁力所形成的转矩之总和，称为电磁转矩T：,结构常数,每极磁通,转子电流,转子电路功率因数,2.异步电动机的机械特性,Tm,Tst,TN,T反,D,E,nN,n0,A,B,C,同步转速,额定转速,最大转矩,起动转矩,额定转矩,负载阻转矩,电动机的转速随输出转矩的变化而变化的关系曲线称为机械特性。,D点是电动机的额定工作点。对应的转矩是额定转矩；对应的转速是额定转速。,AB段是稳定运行段。电动机随着负载的增加而转速略有下降；随负载的减少而转速略有上升（E点）,电动机若要迅速起动起来，起动转矩Tst必须大于转轴上的负载阻转矩TN。,BC段始终处于不稳定的过渡状态。,异步电动机的额定转矩公式,当常数为9550时，P2N的单位是千瓦【KW】；若常数为9.55时，P2N的单位用瓦【W】。,式中S称为起动能力（系数）。,5.3三相异步电动机的控制,5.3.1三相异步电动机的起动,1直接起动,电动机容量在10kW以下，并且小于供电变压器容量的20,直接起动是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压上的起动方式，又叫全压起动。,优点：起动简单。,缺点：起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正常工作。,适用范围：,2降压起动,起动转矩均为全压起动时的13。,运行时，首尾相接构成闭环,Y起动时，绕组尾端连成一点,适用范围：,正常运行时定子绕组为三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电动机。,优点：,缺点：,起动电流为全压起动时的13。,Y-降压起动：,起动时定子绕组连成星形，通电后电动机运转，当转速升高到接近额定转速时再换接成三角形。,Y起动应注意的问题：,（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。,所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合。,三相异步电动机，电源电压=380V，三相定子绕组接法运行，额定电流IN=20A，启动电流Ist/IN=7，求：（1）接法时的启动电流Ist（2）若启动时改为Y接法，求IstY,（1）Ist=7IN=720=140A,（2）,IstY=Ist/3=140/3=47A,利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，以达到减小起动电流的目的。自耦变压器备有40、60、80等多种抽头，使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。,自耦降压起动：,运行时开关上打与电机直通,起动时开关向下打，与自耦变压器相连。,优点：,缺点：,具有不同的抽头，可以根据起动转矩的要求，比较方便的得到不同的电压。,体积大、成本高。,适用范围：,适用于容量较大的电动机或不能用Y-降压起动的鼠笼式三相异步电动机。,绕线式异步电动机转子绕组串入附加电阻后，既可以降低起动电流，又可以增大起动转矩。,绕线式异步电动机的起动,绕线式异步电动机的起动性能和调速性能都优于鼠笼式异步机，但其结构复杂，维修不易且造价较高。,1.改变极对数p有级调速。,由上式可看出，异步电动机调速的方法有三种：,5.3.2三相异步电动机的调速,三相异步电动机的转速,2.改变转差率s无级调速。,3.改变电源频率f1（变频调速）无级调速。,第三种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。,5.3.3三相异步电动机的制动,1.能耗制动,电动机断电后由于机械惯性总要经过一段时间才能停下来。为了提高生产效率及安全，采用一定的方法让高速运转的电动机迅速停转，就是所谓的制动。,制动方法：,n0=0,当电动机三相定子绕组与交流电源断开后，把直流电通入两相绕组，产生固定不动的磁场n0。,电动机由于惯性仍在运转。,转子导体切割固定磁场感应电流，载流导体受到与转子惯性方向相反的电磁力使电机迅速停转。,能耗制动常用于生产机械中的各种机床制动。,2.反接制动,n0,把与电源相连接的三根火线任意两根的位置对调，使旋转磁场反向旋转，产生制动转矩。,电动机由于惯性仍在运转。,转子导体切割反向旋转磁场感应电流，载流导体受到与转子惯性方向相反的电磁力使电机迅速停转。,反接制动适用于中型车床和铣床的主轴制动。,3.再生发电制动,n0=0,起重机快速下放重物，使重物拖动转子出现nn0情况时，电动机处于发电状态，此时在转子导体中感应电流，感应电流的方向与原电流方向相反，因此产生的电磁转矩方向也相反，这种制动称为再生发电制动。,5.4常用控制电器,5.4.1常用低压电器,1开关电器,HK系列瓷底胶盖刀开关图符号及外形图,组合开关图符号及外形图,组合开关内部解剖图,刀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。,断路器（自动空气开关）简介,断路器产品外形图,DZ型低压断路器工作原理图,低压断路器的三副主触头串联在被保护的三相主电路中，由于搭钩钩住弹簧，使主触头保持闭合状态。当线路正常工作时，电磁脱扣器中线圈所产生的吸力不能将它的衔铁吸合。如果线路发生短路和产生较大过电流时，电磁脱扣器中线圈所产生的吸力增大，将衔铁吸合，并撞击杠杆，把搭钩顶上去，在弹簧的作用下切断主触头，实现了短路保护。如果线路上电压下降或失去电压时，欠电压脱扣器的吸力减小或失去吸力，衔铁被弹簧拉开，撞击杠杆，把搭钩顶开，切断主触头，实现了过载保护。,工作原理,熔断器简介,熔断器产品外形图,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。,一般照明电路，熔体INIL；,熔断器熔体选用的原则,单台电动机：熔体IN（1.52.5）IL；,多台电动机：熔体IN（1.52.5）倍最大电机IN加其余电机的额定电流。,触头系统,电磁系统,交流接触器简介,接触器结构组成及作用：,交流接触器结构原理图,铁芯、衔铁,通电线圈,三对主触头：控制主电路的通、断.,两对辅助常开触头、两对辅助常闭触头：自锁和互锁,交流接触器产品外形图,发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被烤热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，扣板被弹簧拉回，常闭触头断开。,热继电器简介,热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路以保护电器的设备。,热继电器产品图,结构原理图和图符号,工作原理：,发热元件串接在主电路中；常闭触点串接在控制电路中,线圈通电衔铁吸合（向下）连杆动作触头动作,时间继电器简介,结构原理图,时间继电器产品外形图,通电延时：当线圈通电时触头延时动作，线圈断电时使触头瞬时复位；断电延时：线圈断电时使触头延时复位，线圈通电时使触头瞬时动作。,时间继电器是电路中控制动作时间的设备。它利用电磁原理来实现触头的延时接通和断开。,时间继电器触头类型,控制按钮简介,结构原理图及图符号,控制按钮产品外形图,控制按钮是一种结构简单，应用广泛的主令电器。控制按钮由按钮帽、复位弹簧桥式触点和外壳构成。动触点和上面的静触点组成常闭；和下面的静触点组成常开。按下按钮，常闭触点断开、常开触点闭合；松开按钮，在弹簧作用下各触点恢复原态。,位置开关（行程开关）简介,结构原理图及图符号,位置开关产品外形图,位置开关又称行程开关或限位开关，其作用是将机械位移转换成电信号，使电动机运行状态发生改变，即按一定行程自动停车、反转、变速或循环。工作原理：当运动机构的挡铁压到位置开关的滚轮上时，转动杠杆连同转轴一起转动，凸轮撞动撞块使得常闭触点断开，常开触点闭合；挡铁移开后，复位弹簧使其复位。,5.4.2常用高压控制电器简介,高压断路器产品外形图,高压隔离开关产品外形图,高压断路器是既能接通和断开高压线路的工作电流，又能自动切断短路电流的高压开关设备。,工作原理：在同一高压电路中，高压隔离开关与高压断路器串联配合操作：接通电路时，必须先合上高压隔离开关，再合高压断路器；断开电路时，必须先断开高压断路器，切断工作电流后，再打开高压隔离开关。,高压隔离开关是用来将高压电路中需停电的部分与带电部分可靠地分离开来，并留有间隙，以保证停电时检修人员的安全。,主触头：,检验学习结果,额定电流一般选择为电动机额定电流值的1.52.5倍。,答案在书中找,低压断路器具有短路保护、过载保护、断电保护及欠压保护等功能。,热继电器在电路中起过载保护作用，其常闭触点应串联接在控制电路中，与接触器的线圈相串联。,接触器主要有触头部分和电磁部分组成：,辅助常开：,辅助常闭：,线圈,主触头串接在主电路中；辅助触头与线圈接在控制电路中。,5.5电气控制电路,1.点动控制电路,动作过程,按下按钮（SB）线圈（KM）通电主触头（KM）闭合电机转动；,控制电路,主电路,松开按钮（SB）线圈（KM）断电主触头（KM）打开电机停转。,2.电动机单向连续运转控制电路,控制过程,按下按钮（SB2）线圈（KM）通电KM主触头闭合，辅助常开闭合自锁电动机连续运转；,控制电路,主电路,按下停止按钮（SB1）线圈（KM）断电KM主触头/辅助触头均打开电动机停转。,简单的接触器控制原理,电流成回路，只要接两相就可以了。,电动机单向连续运转加过载保护控制电路,主电路,控制电路,下面控制电路能否实现既能点动、又能连续运行,思考,不能点动！,3.电动机正、反转控制电路,SB2和SB3不能同时按下，否则会造成短路！,主电路,操作过程：,控制电路,如何改进控制电路，从而避免上述情况发生？,很容易在电动机正转时按下反转按钮或在电动机反转时按下正转按钮，由此可造成两相短路！,在正、反转控制电路中串联上正、反转接触器的互锁常闭触头可以避免两相短路：,4.工作台自动往返控制线路,主电路,位置控制行程控制实质上就是电动机的正、反转控制，只需在生产机械的行程终端加限位开关即可实现。,有些生产机械，要求工作台在一定的距离内能自动往返，这就需要位置控制开关限位开关。,至右极端位置撞开STB,动作过程：,按下SB2,正向运行,电机停车,位置开关的行程控制电路图,至左极端位置撞开STA,按下SB3,逆向运行