电工电子技术与技能项目7三相异步电动机控制电路课件

项目7三相异步电动机控制电路任务7.1三相异步电动机 任务7.2三相异步电动机的控制任务7.3单相异步电动机 任务7.4拓展与训练 项目7三相异步电动机控制电路任务7.1三相异步电动机7.1.1三相异步电动机的用途、分类与结构1.三相异步电动机的用途和分类在工业方面可用于拖动中小型轧钢设备、金属切削机械、起重运输机械等。在农业方面用于拖动水泵、脱粒机和其他农副产品的加工机械等。三相异步电动机按照电动机的容量，可以分为小型电动机、中型电动机和大型电动机。按照电动机转子的结构形式可分为笼型和绕线型。项目7三相异步电动机控制电路

2.三相异步电动机的基本结构三相异步电动机主要由定子和转子两部分组成:静止部分称为定子，旋转部分称为转子。（1)定子定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。项目7三相异步电动机控制电路定子铁心是异步电动机磁路的一部分。它用0.5mm厚的硅钢片冲制、叠压而成，紧紧地装在机座的内部。在定子铁心的内圆上开有均匀分布的槽，用以放置定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分。定子绕组是由许多线圈按一定规律连接而成的。小型三相异步电动机的定子绕组通常用高强度漆包线绕制而成。机座的主要作用是固定定子铁心和端盖，中小型电动机的机座通常采用铸铁制作，而大型电动机的机座则由钢板焊接而成。项目7三相异步电动机控制电路笼型转子的每个槽内都有一根裸导体，在伸出铁心两端的槽口处，用两个端环把所有导体连接起来。导体和端环可以用熔化的铝液整体浇注出来。与定子绕组相似，绕线型转子也是三相对称绕组，一般都接成丫联结。三相绕组的三根引出线接到转轴上的三个滑环，通过电刷与外电路相连。绕线转子异步电动机的转子结构比笼型复杂，但绕线转子异步电动机能获得较好的起动与调速性能，在需要大起动转矩时(如起重机械)往往采用绕线转子异步电动机。项目7三相异步电动机控制电路（a）铸铝转子绕组（b）铸铝转子（a）绕线转子（b）转子电路项目7三相异步电动机控制电路3.三相异步电动机的铭牌和额定值每台异步电动机的机座上都有一块铭牌，铭牌上标出了该电动机的型号、规格和有关技术数据。

项目7三相异步电动机控制电路(3)额定电压表示电动机在额定工作状态下，加到定子绕组上的线电压，单位为V。(4)额定电流表示电动机在额定工作状况下运行时，定子电路输入的线电流，单位为A。上述三个额定值之间的关系为

式中，为电动机的额定效率。(5)额定转速表示电动机在额定工作状态时的转速，单位是r/min。项目7三相异步电动机控制电路(6)接法指电动机在额定电压下定子三相绕组的连接方法，有丫联结和△联结。若铭牌上标明△,额定电压为380V，表明电动机额定电压为380V时应接成△联结。若电压写成380V/220V，接法为丫/△，表明电源线电压为380V时应接成丫联结;电源线电压为220V时应接成△联结。一般小型电动机大多采用丫联结，大中型电动机采用△联结。项目7三相异步电动机控制电路7.1.2三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的定子绕组通入三相交流电后，在气隙中产生旋转磁场，通过电磁感应，在转子绕组中产生感应电动势和电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，从而驱动转子旋转。1.三相异步电动机旋转磁场的产生为了理解旋转磁场及其作用，这里先作一个简单的实验。项目7三相异步电动机控制电路通过实验知道，笼型转子与三相异步电动机转子相似，磁铁的旋转实质是磁场旋转。实际电动机的转子依靠旋转磁场旋转，而旋转磁场不能靠磁铁的旋转产生，而是采用三相交流电产生。图7-7所示为三相异步电动机的三相定子绕组，其对称地嵌放在定子铁心的槽中，并接成星形。三相绕组接到三相对称交流电源后，产生三相对称交流电流，它们将产生各自的交变磁场，三个交变磁场合成一个两极旋转磁场，如图7-8所示。项目7三相异步电动机控制电路各绕组中电流为正时，电流参考方向为从首端U1、V1、W1流入，从末端U2，V2、W2流出;各绕组中电流为负时，则为从末端流入，从首端流出。项目7三相异步电动机控制电路根据以上分析，电流变化一个周期，两极旋转磁场(p=1)在空间旋转一周。若电流频率为，则旋转磁场转速。若使定子旋转磁场为四极(p=2)，可以证明电流变化一个周期，旋转磁场旋转半周，则由此可以看出，三相对称绕组流过三相对称交流电流产生旋转磁场。转向取决于电流的相序，任意调换两根电源线即可改变转向。转速为式中，p为定子绕组的磁极对数;f1'为三相交流电的频率，n1单位为Hz;为旋转磁场的同步转速。项目7三相异步电动机控制电路2.三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的定子绕组通过三相对称交流电后，会产生旋转磁场，可用一对等效旋转磁极来表示，如图7-9所示。设旋转磁场按逆时针方向转动。开始时转子不动，这样转子导体就会切割磁感线而产生感应电动势。电动势的方向可用右手定则判定，如图7-9中所示的""和""。因为转子绕组通过短路环闭合，所以转子导体中就有电流流过，方向与电动势相同。项目7三相异步电动机控制电路转子电流与磁场共同作用产生电磁力，方向由左手定则确定。从图7-9可以看出，转子导体在电磁力作用下将产生一个逆时针方向的电磁转矩，使转子沿着旋转磁场的方向转动起来，其转速为n。如果转轴与生产机械相连，则电磁转矩将克服负载转矩而作功，从而把电能转化为机械能。

项目7三相异步电动机控制电路

3.转差率综上所述，异步电动机工作时，转子与旋转磁场之间有一个转速差，简称转差;它反映了转子导体切割磁感线的快慢程度。为了便于比较不同磁极对数的电动机，引入转差率的概念。其定义为转差与旋转磁场转速n1的比值，通常用s表示。即

转差率是分析三相异步电动机性能的一个重要参数。项目7三相异步电动机控制电路7.1.3三相异步电动机的运行特性1.三相异步电动机的转矩特性曲线三相异步电动机在外加电压和电源频率不变的情况下，电磁转矩与转差率s之间的关系可用转矩特性曲线表示，如图7-10所示。图7-11所示为定子电路外加电压不等时的转矩特性曲线，图7-12所示为转子电路电阻不等时的转矩特性曲线。综合以上三图，结合转矩特性曲上的关键点，可以分析得出：项目7三相异步电动机控制电路(3)适当增大转子电路电阻的大小，可以提高起动转矩，减小转子电流，对绕线转子异步电动机的起动有利。如图7-12所示。(4)TN为电动机带额定负载时对应的电磁转矩，对应的转差率SN为额定转差率。项目7三相异步电动机控制电路(5)s=1时的转矩称为起动转矩，为起动时对应的电磁转矩，电动机起动时，其值要大于负载转矩。2.三相异步电动机的机械特性曲线三相异步电动机的机械特性是指定子电压和频率为常数时，转速n与电磁转短之间的关系。一般将转矩特性曲线顺时针旋转90°。再将坐标轴转差率s换成转速n，即可得到机械特性曲线。如图7-13所示。

项目7三相异步电动机控制电路由机械特性曲线可见:（1)非稳定运行区机械特性曲线上的CD段，当电动机的起动转矩大于负载阻力矩时，电动机起动旋转并在电磁转矩的作用下逐渐加速，此时电磁转矩随转子转速n的增加而逐渐增大(沿曲线CD段上升)，一直增大到最大转矩。该区段称为非稳定运行区。项目7三相异步电动机控制电路3.额定转矩与额定功率的关系电动机在额定状态运行时，若电动机带动负载转动的转矩为轴上输出的额定功率为，电动机的转速为，则有

式中，的单位为N.m；的单位为kW；的单位为r/min。项目7三相异步电动机控制电路任务7.2三相异步电动机的控制7.2.1三相异步电动机的起动电动机接入电网后，从开始转动到正常运行的过程称为起动。一般情况下，三相异步电动机起动瞬间的电流可达额定值的5-7倍。如此大的起动电流会使电网电压产生波动，影响其他电器正常工作，而电动机本身的起动转矩并不大。因此为了减小起动电流，产生合适的起动转矩，应采用适当的起动方法。项目7三相异步电动机控制电路(2)笼型异步电动机的降压起动降压起动是指电动机在起动时降低加在定子绕组上的电压，待转速上升后恢复额定电压运行的起动方法。笼型异步电动机的降压起动常采用以下几种方法:(1)丫-△降压起动将定子绕组△联结的电动机在起动时改接成丫联结，起动结束后恢复△联结。丫-△降压起动方法只能用于空载或轻载起动的场合。丫-△起动的优点是设备简单，成本低;缺点是只能用于正常工作时定子绕组△联结的电动机。项目7三相异步电动机控制电路(2)自藕变压器降压起动利用自藕变压器降低加在定子绕组上的电压的起动方法。自藕变压器常备有抽头，可以选择不同的起动电压，以满足生产机械对起动转矩的要求。缺点是平动设备体积大，价格贵。降压起动广泛应用于大、中容量三相异步电动机空载或轻载起动的场合。项目7三相异步电动机控制电路2.绕线转子异步电动机的起动绕线转子异步电动机可以采用转子电路串电阻或频敏变阻器的起动方法。适当增大转子电路的电阻，可以减小起动电流，提高转子功率因数，增大起动转矩。因此适合于重载起动，例如起重机械。其缺点是起动设备较多，电能浪费多。7.2.2三相异步电动机的调速所谓调速，就是在负载不变的情况下，用人为的方法来改变电动机的转速，以满足不同生产机械的要求。项目7三相异步电动机控制电路从上式可知，三相异步电动机有三种调速方法，即改变极对数、改变电源频率和改变转差率。1.变极调速变极调速通过改变定子旋转磁场的极对数来达到改变电动机转速的目的。由可知，当电源频率一定时，若极对数减少一半，则同步转速提高一倍，转子转速将随之提高一倍。因此，改变定子绕组的接法即可改变极对数，从而达到调速的目的，这就是变极调速的原理。项目7三相异步电动机控制电路多速电动机的每相定子绕组由两个相同部分组成，它们可以串联，也可以并联。正向串联时的极对数为p，而反向并联时的极对数为p/2。

变极调速的优点是设备简单，操作方便，效率高;缺点是转速只能成倍变化，是有级调速。项目7三相异步电动机控制电路2.变频调速由于三相异步电动机的同步转速与电源频率成正比，因此，改变电源频率就可以平滑地调节三相异步电动机的转速，实现无级调速。在额定频率以下，电压与频率成正比减小，基本不变，属恒转矩(恒磁通)调速方式。在额定频率以上，频率升高，电压不变，减小，属恒功率调速方式。项目7三相异步电动机控制电路变频调速具有调速范围大，平滑性好，效率高等优点，可适应不同负载的要求;其缺点是调速系统复杂，成本高。3.变转差率调速 常用的改变转差率调速方法有转子串电阻调速和降压调速。项目7三相异步电动机控制电路7.2.3三相异步电动机的反转与电气制动1.三相异步电动机的反转从三相异步电动机的工作原理可知，电动机的转向取决于旋转磁场的方向，并且两者转向相同。因此只要改变旋转磁场的方向就能使三相异步电动机反转。图7-18是利用倒顺开关实现电动机正、反转的电路图。若开关向上合，电动机正转;开关向下合时，互换了电动机的两根电源线，因此，旋转磁场反向，电动机随之反转。项目7三相异步电动机控制电路2.三相异步电动机的电气制动三相异步电动机的制动方法有两类:机械制动和电气制动。电气制动是使异步电动机产生与转速方向相反的电磁转短，使电力拖动系统迅速停转、反转或限制转速。项目7三相异步电动机控制电路（1)反接制动反接制动的原理与电动机反转是一样的，即依靠调换定子绕组中任意两相的接线，使旋转磁场反转，从而在转子导体中产生与转向相反的电磁转矩，使转速很快下降。这种制动方法的优点是制动效果强烈，所需设备简单:缺点是对电力拖动系统冲击太大，一般用于要求迅速反转的场合。项目7三相异步电动机控制电路(2)能耗制动能耗制动是在切除定子绕组交流电源的同时立即通入直流电，如图7-19所示。当定子绕组通人直流电后，气隙中产生静止磁场，而转子由于惯性继续旋转，转子导体切割磁感线产生制动转矩，使电动机迅速停转。这种制动方法是将转子的功能转化为电能，并消耗在转子回路的电阻上，所以称能耗制动。能耗制动的优点是制动力矩较大，制动过程平稳;缺点是需要直流电源，低速时制动效果差。项目7三相异步电动机控制电路(3)回馈制动回馈制动又称再生制动或发电制动。例如当起重机放下重物时，因重力的作用，电动机的转速n超过旋转磁场的转速，电动机转入发电运行状态，将重物的位能转换为电能，再回送到电网，所以称为回馈制动或发电制动。回馈制动的优点是能耗少，电路不需任何改接;缺点是转速必须高于理想空载转速，不能用于快速停车。一般适用于起重机快速下放重物或电车快速下坡的场合。项目7三相异步电动机控制电路7.2.4三相异步电动机的使用及典型故障处理1.三相异步电动机使用时应注意的问题(1)电动机各相间绝缘和相对地绝缘是否符合要求。(2)电动机定子绕组的接法是否正确(丫联结还是A联结)。(3)电动机的转动是否灵活。(4)电动机起动设备是否良好，所带负载是否正常。(5)运行中声音、电流、温度等是否正常。项目7三相异步电动机控制电路2.三相异步电动机的故障及其处理方法三相异步电动机的故障可分为机械故障和电气故障两类。未通电时就存在的故障属于机械故障。机械故障的修复一般采用更换、校正、清洗等维修方法。通电后才有的故障为电气故障，如定子绕组、转子绕组、电刷等导电部分出现的故障。其中，定子绕组烧坏故障占电气故障的70%-90%，引起该故障的原因主要有负载过重、电源缺相、通风不良、电源电压降低等。项目7三相异步电动机控制电路任务7.3单相异步电动机

单相异步电动机与同容量三相异步电动机相比，体积较大，效率和功率因数较低，因此容量一般不大，通常在几瓦到几百瓦之间。7.3.1单相异步电动机的结构项目7三相异步电动机控制电路(1)机座:一般用铸铁制作，起固定与支承的作用。(2)铁心:铁心包括定子铁心和转子铁心，是用来构成电动机的磁路。铁心用0.35mm和0.5mm厚的硅钢片叠压而成。(3)绕组:单相异步电动机定子绕组通常做成两相:主绕组(工作绕组)和副绕组(起动绕组)。两种绕组的中轴线错开一定的电角度，目的是为了改善起动性能和运行性能。定子绕组采用高强度聚醋漆包线绕制，转子绕组一般采用笼型绕组，常用铝压铸而成。项目7三相异步电动机控制电路(4)起动开关:除了电容运转电动机外，在起动过程中，当转子转速达到同步转速的80%左右时，常借助于起动开关，切除起动绕组或起动电容器。离心开关是一种常用的起动开关，一般安装在电动机端盖边的转子上。当电动机转子静止或转速较低时，离心开关的触点在弹簧的压力下处于接通位置;当电动机转速达到一定值后，离心开关中重球产生的离心力大于弹簧的弹力，则重球带动触点向右移动，触点断开。如图7-21所示。项目7三相异步电动机控制电路7.3.2单相异步电动机的起动单相异步电动机的工作绕组中通人单相交流电后，将产生一个在空间位置不变，大小和方向随交流电流而变化，具有脉动特性的脉动磁场。磁场不旋转，不会产生起动力矩，因此，电动机不能自行起动。项目7三相异步电动机控制电路单相异步电动机根据起动方式的不同，可以分为分相式和罩极式两种。1.单相电阻起动异步电动机图7-23所示为单相电阻起动异步电动机的原理图。单相电阻起动异步电动机的起动绕组匝数少，导线细，可看做纯电阻负载;工作绕匝数多，导线粗，可看做纯电感负载。两个绕组并联接在同一电源时，流过不同相位的电流，起动绕组电流超前于工作绕组电流一个电角度，从而产生旋转磁场，获得起动转矩。项目7三相异步电动机控制电路2.单相电容起动异步电动机如果在起动绕组中串入一个电容器，就构成了单相电容起动异步电动机。由于电容器的作用，使起动绕组中的电流超前于工作绕组电流一定的电角度。当电容量合适时，可使相位差接近90°。电动机起动后，仍利用起动绕组支路的起动开关切断起动绕组。项目7三相异步电动机控制电路3.单相电容运行异步电动机将单相电容起动异步电动机中的起动开关去掉，并将起动绕组的导线加粗，由短时工作方式变成长期运行方式，就组成了单相电容运行异步电动机。其铁心上嵌放两套绕组，绕组的结构完全相同，空间位置互差90°。项目7三相异步电动机控制电路4.单相电容起动与运行异步电动机单相异步电动机在起动绕组团路中串入两个并联的电容器，其中容量较大的电容器串一个起动开关，即可组成单相电容起动与运行异步电动机，如图7-25所示。起动时，两个电容同时作用，电容量较大，电动机有较好的起动性能。当转速上升到一定程度时，开关自动断开，保留一个小电容器参与运行，以确保运行时有较好的性能。项目7三相异步电动机控制电路5.单相罩极式异步电动机单相罩极式异步电动机是结构最简单的-种单相异步电动机。按磁极形式不同可分为凸极式和隐极式两种。凸极式按绕组形式又可分为集中绕组和分布绕组两种，转子都采用笼型结构。

项目7三相异步电动机控制电路单相罩极式异步电动机的每个磁极的1/4-1/3处开有小槽，将磁极分成两部分。在极面较小的部分套装铜制短路环，就好像把这部分磁极罩起来一样，所以称罩极式电动机。当罩极式电动机的定子绕组通人单相交流电流后，在气隙中会形成一个连续移动的磁场，使笼型转子受力而旋转。交流电流改变方向后，磁通同样由磁极的未罩部分向被罩部分移动，这样转子就跟着磁场移动的方向转动起来。项目7三相异步电动机控制电路7.3.3单相异步电动机的反转与调速1.单相异步电动机的反转单相异步电动机反转的实质是旋转磁场反转，即把工作绕组或起动绕组中的一组首端和末端与电源的接线对调。因为单相异步电动机的转向是由工作绕组和起动绕组产生的磁场有近于90°的相位差决定的，把其中的一个绕组反接，等于将这个绕组的磁场相位改变180°。如果原来是超前90°，则改接后变成了滞后90°。项目7三相异步电动机控制电路有的电容运行式单相异步电动机通过改变电容器的接法来改变电动机转向，如洗衣机中的电动机。其接线图如图7-27所示，这种单相异步电动机的工作绕组和起动绕组线圈匝数、粗细、结构分布完全相同。外部接线无法改变罩极式电动机的转向，因为它的转向是由内部结构决定的，所以它-般用于不需改变转向的场合。项目7三相异步电动机控制电路2.单相异步电动机的调速单相异步电动机和三相异步电动机一样，恒转矩负载的转速调节是困难的。（1)串电抗器调速

项目7三相异步电动机控制电路（2)电动机绕组内部抽头调速电动机定子铁心嵌放工作绕组、起动绕组和中间绕组，通过开关改变中间绕组与工作绕组及起动绕组的接法，从而改变电动机内部气隙磁场的大小，使电动机的输出转矩也随之改变。在→定的负载转矩下，导致电动机转速的变化。这种调速方法不需电抗器，材料省，耗电少，但绕组嵌线和接线复杂，电动机和调速开关接线较多，且是有级调速。项目7三相异步电动机控制电路（3)晶闸管调速该方法通过改变晶闸管的导通角，改变加在单相异步电动机上的交流电压，从而调节电动机的转速。这种调速方法可以实现无级调速，节能效果好，但会产生一些电磁干扰。（4)变频调速变频调速适合各种类型的负载。随着交流变频技术的发展，单相变频调速已在家用电器上应用，如变频空调器等。它是交流调速控制的发展方向。项目7三相异步电动机控制电路7.3.4单相异步电动机的使用及典型故障处理使用单相异步电动机时，应注意:(1)电动机转速是否正常。(2)电动机的负载是否过大，能否正常起动。(3)温升是否