控制电机报告讲解

1、三相交流异步电机在自动控制系统中的应用学 院： 信息工程与自动化学院 专业班级：自动化 112班姓 名：陈文兴学 号：200910401230指导教师：熊新日 期 :2015 年 5 月 8 日摘要在费拉里斯和特斯拉发明多相交流系统后， 19世纪 80年代中期， 多沃罗沃尔斯基发明了， 异步电机无需电刷和换向器， 但长期高速运 行，轴承维护保养仍是难题，二次世界大战后，直流磁轴承技术的发 展，使得电机和传动系统无接触运行成为可能。 随着工业的不断发展， 三相异步电动机的需求会越来越大， 三相异步电动机的应用越来越广 泛，三相异步电动机的操作系统是一个非常庞大而复杂的系统， 它不 仅为现代化工业

2、、 家庭生活和办公自动化等一系列应用提供基本操作 平台，而且能提供多种应用服务， 使人们的生活质量有了大幅度的提 高，摆脱了人力劳作的模式。 而三相异步电动机主要应用于工业生产 的自动化操作中是三相交流异步电动机的主要应用之一， 因此本课程 研究课题将主要以三相交流异步电机在自动控制系统中的应用做重 点研究。关键词】 三相交流异步电机、自动控制系统、传动系统目录摘要 I目录 II第 1 章 三相交流异步电动机的结构 1.1.1 三相异步电机的结构 1.1.2 定子部分 1. .1.3 转子部分 2. .1.4 气隙 4. .第 2 章 三相交流异步电动机的工作原理 4.2.1 定子旋转磁场 4

3、.2.2 旋转磁场的旋转方向和速度 6.2.3 转差率 S7. .2.4 三相异步电动机的工作原理 8.第 3 章 三相交流异步电机在自动控制系统中的应用 9.3.1 启动控制 9. .3.1.1 直接启动 9.3.1.2 降压启动 1.03.2 正反转控制 113.3 制动控制 113.3.1 反接制动控制线路 113.3.2 能耗制动控制线路 1.23.4 变频调速控制 1.2参考文献 1.3.谢辞 1.4.II第 1 章 三相交流异步电动机的结构1.1 三相异步电机的结构图1 封闭式三相异步电动机的结构1 端盖 2 轴承 3 机座 4 定子绕组 5 转子6 轴承 7 端盖 8 风扇 9

4、风罩 10 接线盒 异步电动机的结构也可分为定子、 转子两大部分。 定子就是电机中固定不动的部分， 转子是电机的旋转部分。 由于异步电动机的定子 产生励磁旋转磁场， 同时从电源吸收电能， 并产生且通过旋转磁场把 电能转换成转子上的机械能， 所以与直流电机不同， 交流电机定子是 电枢。另外，定、转子之间还必须有一定间隙 （称为空气隙 ），以保证 转子的自由转动。异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要 小，一般为 0.2 mm 2mm。三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以 适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式， 如防爆式、潜水泵式等。不管外形如何电动机

5、结构基本上是相同的。 现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。 如图 7 所示是一 台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。1.2 定子部分定子部分由机座、 定子铁心、定子绕组及端盖、 轴承等部件组成。（1）机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。（2）定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡 流和磁滞损耗，通常用 0.5mm 厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面 的氧化层 （大型电动机要求涂绝缘漆 ）作为片间绝缘，在铁心的内圆上 均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。（3）定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是

6、最重要的 部分，一般是由绝缘铜 （或铝 ）导线绕制的绕组联接而成。它的作用就 是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。 通常，绕组是用高强度绝缘 漆包线绕制成各种型式的绕组， 按一定的排列方式嵌入定子槽内。 槽 口用槽楔 （一般为竹制 ）塞紧。槽内绕组匝间、绕组与铁心之间都要有 良好的绝缘。如果是双层绕组 （就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕 组边），还要加放层间绝缘。（ 4）轴承。轴承是电动机定、转子衔接的部位，轴承有滚动轴 承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承 （也称为球轴承 ），目前多 数电动机都采用滚动轴承。 这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱， 轴 承上还装有油环， 轴转动时带动油环转动，

7、 把油箱中的润滑油带到轴 与轴承的接触面上。 为使润滑油能分布在整个接触面上， 轴承上紧贴 轴的一面一般开有油槽。1.3 转子部分转子是电动机中的旋转部分，如图 1 中的部件 5 一般由转轴、 转子铁心、转子绕组、风扇等组成。转轴用碳纲制成，两端轴颈与轴 承相配合。出轴端铣有键槽，用以固定皮带轮或联轴器。转轴是输出 转矩、带动负载的部件。转子铁心也是电动机磁路的一部分。 由 0.5mm 厚的硅钢片叠压成圆柱体， 并紧固在转子轴上。 转子铁心的外表面有 均匀分布的线槽， 用以嵌放转子绕组。 三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。（1）笼型转子线槽一

8、般都是斜槽 （线槽与轴线不平行 ），目的是 改善起动与调速性能。其外形如图 7 中的第 5 部分；笼型绕组 （也称 为导条 ）是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环 （称为端环 ）分别在裸金属导条两端把它们全部接通 （短接 ），即构成了 转绕组； 小型笼型电动机一般用铸铝转子， 这种转子是用熔化的铝液 浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。如果去掉铁心，整个绕 组形似鼠笼，所以得名笼型绕组，如图 2所示。图 2（a）为笼型直条形式，图 2（b）为笼型斜条形式。（a） 直条形式（b） 斜条形式 图 2 笼型异步电动机的转子绕组形式（2）绕线型转子绕组与定子绕组类似，由镶嵌在转子铁

9、心槽中 的三相绕组组成。 绕组一般采用星形连接， 三相绕组绕组的尾端接在 一起，首瑞分别接到转轴上的 3个铜滑环上，通过电刷把 3 根旋转的 线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便 于控制，如图 3 所示。图 3 绕线式异步电动机的转子两种转子相比较， 笼型转子结构简单， 造价低廉，并且运行可靠， 因而应用十分广泛。绕线型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起 动性能较好， 并能利用变阻器阻值的变化， 使电动机能在一定范围内 调速；在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械 （如起重机 ）中常常 被采用。1.4 气隙 所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。 中小型异步电动机的气隙

10、一般为 0.2mm1.5mm。气隙的大小对电动机性能影响较大， 气隙大。 磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流 Im 也越大，电动 机的功率因数也就越低。 但气隙过小，将给装配造成困难， 运行时定、 转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。第 2 章 三相交流异步电动机的工作原理2.1 定子旋转磁场假设每相绕组只有一个线匝， 分别嵌放在定子内圆周的 6 个凹槽 之中。现将三相绕组的末端 U2、V2、W2相连，首端 U1、V1、W1接三 相交流电源。且三相绕组分别叫做 U、 V、W相绕组。如下图所示。4假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端， 且 A相绕组的电流作为参考正弦量，即

11、iU 的初相位为零，则三相绕组 U、 V、W的电流(相序为 U VW)的瞬时值为： iU Im sin t2iV Im sin( t )34iW Im sin( t )3如下图所示是这些电流随时间变化的曲线（1）t=0 时iU=0，iV 为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从 V2 端流 到 V1端； iW 为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 W1端流 到 W2端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场如图。 （ a） 箭头所示。（ 2）t= /2ia 为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 U1 端流到 U2 端。 Iv 、iw 为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从 V2、W

12、2端 流到 V1、W1端；此时的合成磁场如图（ b）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了 /2 。（3）t=iu=0 ，iv 为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 v1 端流 到 v2 端。 Iw 为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从 W2端流 到 W1端；此时的合成磁场 如图（ c）所示，合成磁场已从 t=0 瞬 间所在位置顺时针方向旋转了 。（ 4）t=3 /2IU 为负 , 电流实际方向与正方向相反， IviW 为正，电流实际 方向与正方向一致，即电流从 V1、W1端流到 V2、W2端。此时的合成 磁场如图（ d）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针

13、方向旋 转了 3 /2 。按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时， 合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。2.2 旋转磁场的旋转方向和速度（1 ）U相绕组内的电流超前 V相绕组内的电流 2 /3，而 V相 绕组内的电流又超前 W相绕组内的电流 2 /3 ，当三相交流电的 U VW，旋转磁场的旋转方向为从 UVW，即向顺时针方向旋转。（ 2 ）在交流电动机中， 旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同 步速度，用 n0 表示。n0 60f以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用 p 表示）即 p=1。 从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化 360 电角 度），旋转磁场在空间也旋转了

14、一转（转了 360 机械角度），若电流的 频率为 f ，旋转磁场每分钟将旋转 60f 转，即：如果把定子铁心的槽 数增加 1倍（12 个槽），制成如图所示的三相绕组。其中，每相绕组 由两个部分串联组成， 再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称 三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。如图所示。对应于不同时刻， 旋转磁场在空间转到不同位置， 此情况下电流 变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了 /2 ，即 1/4 转，电流变 化一个周期，旋转磁场在空间只转了 1/2 转。由此可知，当旋转磁场 具有两对磁极（ p=2）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。依次 60 fn类推，当有 p 对磁极时，其

15、转速为： p 所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成 反比。2.3 转差率 S转子的旋转速度称为电动机的转速， 用 n 表示。由工作原理可知： 转子的转速 n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度 n0（同步速 度）要小。因为如果两种速度相等时， 转子和旋转磁场没有相对运动， 转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续 旋转。因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因 素，也是异步电动机的由来。定义：转速差 （n0-n） 与同步转速 n0 的比值称为异步电动机的转 差率，用表示 S，即S n0 nn0转差率 S 是分析异步电动机运行特性的主要参数

16、2.4 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的 相互作用。假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。在旋转磁场 的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相 反），因而在导体内产生感应电动势 e 从而产生感应电流 i 。根据安 培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力 F（其方向 用左手定则决定） ，这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方 向与旋转磁场的旋转方向相同， 转子受此转矩的作用， 按旋转磁场的 旋转方向旋转起来。定子绕组接上三相电源后， 电动机便产生旋转磁场， 所谓旋转磁 场就是指电动机内定子和转子之间气隙的圆周上按正

17、弦规律分布的， 能够围绕着电动机在空间不断旋转的磁场。 转子与旋转磁场之间存在 相对运动。 转子导条被旋转磁场的磁力线切割而产生感应电动势， 它 在转子绕组中感应出电流， 两者相互作用产生电磁转矩， 使转子转动 起来。从而将电能转化为转轴的机械能。 当电动机的三相定子绕组 （各 相差 120 度电角度），通入三相对称交流电后， 将产生一个旋转磁场， 该旋转磁场切割转子绕组， 从而在转子绕组中产生感应电流 （转子绕 组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁 力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋 转方向与旋转磁场方向相同。第 3 章 三相交流异步电机在自

18、动控制系统中的应用3.1 启动控制三相交流异步电动机从接通电源开始运转， 转速逐渐上升直到稳 定运转状态，这一过程称为启动。按照启动方式不同，它可以分为直 接启动和降压启动。 直接启动的启动电流大， 对供电变压器影响较大， 容量较大的鼠笼异步电动机一般都采用降压启动。 降压启动就是将电 源电压适当降低后， 再加到电动机的定子绕组上进行启动， 待电机启 动结束或将要结束时， 再使电动机的电压恢复到额定值。 这样做的目 的主要是为了减小启动电流， 但是因为降压， 电动机的启动转矩也将 降低。因此，降压启动仅适用于空载或轻载启动。3.1.1 直接启动（1）采用开关直接启动：采用开关直接启动的电路仅适

19、用于不频繁 启动的小容量电动机， 它不能实现远距离控制和自动控制， 也不能实 现零压、欠压和过载保护。（ 2）采用接触器点动控制：采用接触器点控制电路，可控制容量稍 大或者启动频繁的电动机， 并且实现“一点就动， 松开不动”的功能。 （3）采用接触器长动控制：采用接触器长动控制的电动机，在按下 启动按钮后，电动机开始运转，因为具有自锁触点，所以如果想让电机停转，必须按下停止按钮。（ 4）长动与点动混合控制：如果电动机既要点动控制，又要连续运 转控制，那么可以结合一下，采用三个按钮和自锁触点，实现点动与 长动运转控制。3.1.2 降压启动（ 1）定子绕组串电阻（电抗器）降压启动：电动机启动时，在

20、三相 定子电路中串入电阻， 使电动机定子绕组电压降低， 限制了启动电流， 待电动机转速上升到一定值后， 将电阻切除， 使电动机在额定电压下 稳定运行。（2）星形三角形降压启动左边为星形接法，右边为三角形接法 星形三角形降压启动是指电动机启动时， 把定子绕组接成星形， 以降 低启动电压，限制启动电流；待电动机启动后，再把定子绕组改接成 三角形， 使电动机从现在起运行。 凡是在正常运行时定子绕组做成三 角形连接的异步电动机，均可用这种降压方法。电动机启动时，接成 Y形，加在每相定子绕组上的启动电压只有三角形接法的，启动电流 为三角形接法的 1/3 ，启动转矩也只有三角形接法的 1/3 。所以这种

21、降压启动方法，只适用于轻载或空载下启动。（3）自耦变压器降压启动自耦降压启动是在启动时将电源电压加在自耦变压器的原边绕10 组上，电动机的定子绕组与自耦变压器的副边绕组连接， 当电动机的 转速达到一定值时，将自耦变压器切除，电动机直接与电源相接，在 正常电压下运行。3.2 正反转控制根据电机学原理， 只要把接到三相异步电动机的三相交流电源线 中的任意两相对调，即可以实现反转。 正反转控制方法主要有以下四种：1) 手动控制2) 接触器互锁控制3) 按钮互锁控制4) 接触器与按钮双重互锁控制3.3 制动控制三相电动机在切断电源后， 由于惯性， 总要经过一段时间才能完 全停止。有时候，要求电机在断电

22、后能迅速停止运转，这就需要对电 动机进行制动。 制动方法大致可分机械制动和电气制动两类。 常用的 机械制动装置有电磁抱闸和电磁离合器两种。电气制方法有反接制 动、能耗制动、回馈制动和电容制动等。3.3.1 反接制动控制线路反接制动是将运动中的电动机电源反接 (即将任意两根线接法交 换)以改变电动机定子绕组中的电源相序， 从而使定子绕组的旋转磁 场反射， 转子受到与原旋转方向相反的制动力矩而迅速停转。 在这种 制动方式中，有一个问题值得注意：当电机转速接近零时，如不及时 切断电源， 则电动机将会反向旋转。 为此必须采取相应措施保证当电 机转速被制动到接近零时迅速切断电源防止其反转。 一般的反接制动 控制线路中常利用速度继电器进行自动控制。113.3.2 能耗制动控制线路能耗制动控制电路是当电动机停车后， 立即在电动机定子绕组中 通入两相直流电源， 使之产生一个恒定的静止磁场， 由运动