《电工电子技术》-单元三　电磁器件与控制

任务过程１感性认识的教学过程３.１实际的变压器３.１.１电力变压器电力系统中为了输电、供电、用电的需求，采用电力变压器把同一频率的交流电压变换成各种不同等级的电压，以满足不同用户的需求。常用的中、小型电力变压器是指高压侧电压在１０ｋＶ以下、容量在６３００ｋＶＡ以下的三相变压，主要用于电力系统中，当作配电变压器使用。目前生产和使用中的中、小型电力变压器有油浸式变压器、干式变压器和组合式变压器。常见的电力变压器如图３.１－１所示。下一页返回任务过程１感性认识的教学过程３.１.２自耦变压器自耦变压器是一种单绕组抽头变压器，其一次绕组和二次绕组共用一个线圈，既可用于降压也可用于升压，但变压比不宜太高，一般为１.２～２.０。自耦变压器在不需要初、次级隔离的场合都有应用，具有体积小、耗材少、效率高的优点。常见的交流（手动旋转）调压器、家用小型交流稳压器内的变压器、三相电机自耦减压起动箱内的变压器等，都是自耦变压器的应用范例。图３.１－２为常见的单相自耦变压器和三相自耦变压器。上一页下一页返回任务过程１感性认识的教学过程３.１.３电焊变压器电焊变压器是作电焊电源用的变压器，其二次绕组一端连接有焊条，当焊条接近被焊工件时，电弧放电使焊条和工件熔化。电焊变压器实质上是一种具有特殊性能的降压变压器。图３.１－３为常见的电焊变压器。３.１.４仪用互感器仪用互感器是保证电能系统安全运行的重要设备，它的二次电压或电流用于测量仪器或继电保护自动装置，使二次设备与高压隔离，保证设备和人身安全，也称测量用互感器，是测量用电压互感器和测量用电流互感器的统称。常见的仪用互感器如图３.１－４所示。上一页下一页返回任务过程１感性认识的教学过程３.２生产生活中的电动机３.２.１交流电动机交流电动机是将交流电的电能转变为机械能的一种机器，一般为异步电动机，包括单相异步电动机和三相异步电动机两种类型。单相异步电动机常用于只有单相交流电源的家用电器和医疗设备中，而三相异步电动机在各种电动机中的应用广泛，在工业生产、农业机械化、交通运输、国防工业等电力拖动装置中，９０％左右的电动机采用三相异步电动机。一些常见的交流电动机如图３.１－５所示。上一页下一页返回任务过程１感性认识的教学过程３.２.２直流电动机直流电动机是依靠直流电驱动的电动机，在小型电器上应用较为广泛。常用的直流电动机如图３.１－６所示。３.２.３特殊电动机１.伺服电动机伺服电动机（或称为执行电动机）的作用是将输入的电压信号转换为轴上的转速信号。伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件使用，具有服从控制信号的要求而动作的功能，有交流和直流两种。常见的伺服电动机如图３.１－７所示。上一页下一页返回任务过程１感性认识的教学过程２.测速发电机测速发电机是一种能将旋转机械的转速转换成电压信号输出的小型发电机，在自动控制系统和计算装置中，常作为测速元件、校正元件或计算元件使用，但不能作为电源使用。测速发电机的主要特点是其输出电压与转速成正比。常见的测速发电机如图３.１－８所示。３.步进电动机步进电动机的作用是将输入的电脉冲信号变换为角位移或直线位移，在自动控制系统中作为执行元件使用。其运行特点是：每输入一个电脉冲，电动机就转动一定角度或前进一步，其输出的角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。常见的步进电动机如图３.１－９所示。上一页下一页返回任务过程１感性认识的教学过程３.３常用的电磁器件３.３.１电磁开关电磁开关指的是用电磁铁控制的开关，也就是电磁铁与开关的结合体。电磁铁线圈通电后产生电磁吸力，活动铁芯推动或拉动开关触点闭合，从而接通控制电路。电磁开关在各行业有广泛的应用，最常见的是工业领域的接触器。如果没有特别说明，电磁开关多指汽车起动机上的控制开关，是起动机（直流电动机、传动啮合机构、电磁开关）三大部件之一。常见的电磁开关示意图如图３.１－１０所示。上一页下一页返回任务过程１感性认识的教学过程３.３.２干簧管与干簧管继电器１.干簧管干簧管是一种利用磁场直接磁化触点开关产生接通或断开动作的元器件。常见的干簧管实物如图３.１－１１所示。２.干簧管继电器干簧管内部只有常开或常闭触点，把干簧管放在线圈里，可以得到一个干簧管继电器。干簧管继电器目前已经被广泛应用于自动控制系统的诸多领域，如机械、汽车、电子、电力、石油、化工、办公自动化、通讯等工程；特别在军事领域，高压干簧管继电器是与国防现代化武器装备配套的关键元器件。常见的干簧管继电器如图３.１－１２所示。上一页下一页返回任务过程１感性认识的教学过程３.３.３霍尔元件霍尔元件是应用霍尔效应的半导体器件。所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器，用于电机中测定转子转速，如录像机的磁鼓、电脑中的散热风扇等。常见的霍尔元件如图３.１－１３所示。上一页返回任务过程２理论教学过程３.４磁路与铁芯线圈３.４.１磁路的基本物理量在变压器、电机和许多电器中，为了用较小的电流产生足够大的集中磁场，常用具有高磁导率的铁磁材料（称为铁芯）做成一定的形状，使之形成一个磁通的路径，这种磁通通过的路径称为磁路，如图３.２－１所示。实际工程应用中，仅能定性描述磁场和磁路情况，无法满足电工电子技术的要求，因此，引入能够定量反应磁场和磁路基本性质与特性的物理量。下一页返回任务过程２理论教学过程１.磁感应强度Ｂ磁感应强度是表示磁场中某点磁场强弱和方向的物理量，单位是特（斯拉）（Ｔ）。如果磁场内各点的磁感应强度大小相等、方向相同，这样的磁场称为均匀磁场。在均匀磁场中，磁感应强度的大小可以用通过垂直于磁场方向的单位面积的磁力线数表示；磁感应强度的方向与电流的方向符合右手螺旋定则。２.磁通Φ磁感应强度Ｂ与垂直于磁场方向的面积Ｓ的乘积，称为通过该面积的磁通，即Φ＝ＢＳ（３.２－１）上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.磁场强度Ｈ表示磁场中与铁磁材料无关的磁场大小和方向的物理量，它定义为磁场中某点的磁感应强度Ｂ与铁磁材料磁导率μ之比，即４.磁导率μ用来表示物质导磁能力大小的物理量。通过实验测出真空的磁导率为μ０＝４π×１０－７Ｈ／ｍ为了便于比较各种物质的导磁能力，通常将任意一种物质的磁导率μ和真空的磁导率μ０的比值称为该物质的相对导磁系数μｒ，即上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.４.２铁磁材料的磁性能１.高导磁性铁磁材料具有强烈的磁化（呈现磁性）特性。我们知道，电流产生磁场。在物质的分子中，由于电子绕原子核运动和本身自转而形成分子电流，分子电流也要产生磁场，每个分子相当于一个小磁铁。同时，在铁磁材料内部还分成许多小区域，每个区域内的分子间相互作用使其分子磁铁整齐排列，显示出磁性，这些小区域称为磁畴。在没有外磁场作用时，磁畴排列混乱，磁场互相抵消，对外不显示磁性，如图３.２－２（ａ）所示。但在外磁场（例如在铁芯线圈中的电流所产生的磁场）作用下，磁畴就顺着外磁场方向转向，显示出磁性来。随着外磁场增强（线圈电流增大），磁畴逐渐转向与外磁场相同的方向，如图３.２－２（ｂ）所示。这样便产生了一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场，使铁磁材料内的磁感应强度大大增强，所以铁磁材料具有高导磁性。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２.磁饱和性通过实验可以测出铁磁材料的磁感应强度Ｂ与磁场强度Ｈ变化的曲线，称Ｂ＝ｆ（Ｈ）磁化曲线，如图３.２－３中的曲线Ｂ所示。从图中看出，曲线可以分为四段：Ｏａ段的曲线变化缓慢，这是由于磁畴有惯性，Ｈ增加时Ｂ不能很快上升；ａｂ段上升曲线较陡，近似成直线，表明磁畴在不太大的外磁场作用下，就能转向外磁场方向，所以Ｂ随Ｈ增加很快；ｂｃ段曲线变化缓慢，说明大部分磁畴都已转向外磁场方向，Ｂ的增加缓慢；ｃ点以后的曲线变得平坦，表明磁畴已全部转向外磁场方向，即使外磁场Ｈ增加，磁感应强度Ｂ，达到饱和状态增加得也很少。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.磁滞性铁磁材料在交变磁场Ｈ的作用下，将受到交变磁化，其磁化曲线如图３.２－４所示。由图可见，Ｂ的变化滞后于Ｈ的变化，这就是铁磁材料的磁滞性。当Ｈ增加，使Ｂ沿着磁化曲线增加到ａ点后，Ｈ减小，当Ｈ＝０时，Ｂ并不等于零，而是等于Ｂｒ，还保留一定的磁性，Ｂｒ称为剩磁。人造永久磁铁的磁性就是剩磁产生的。在生产中，有时剩磁是不需要的，为了消除剩磁，必须外加反向磁场Ｈ＝Ｈｃ，使Ｂ＝０，Ｈｃ称为矫顽磁力。铁磁材料在反复交变磁化下，所得到的闭合磁化曲线，称为磁滞回线。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程铁磁材料按其磁滞回线形状不同，可以分为两种基本类型。（１）软磁材料：它具有较小的剩磁和矫顽磁力，磁滞回线较窄，磁导率很高，一般用来制造变压器、电机等电器的铁芯，属于软磁材料的有硅钢、铸钢、坡莫合金及铁氧体等。软磁材料的磁滞回线如图３.２－５（ａ）所示。（２）硬磁材料：与软磁材料相反，硬磁材料具有较大的剩磁和矫顽磁力，磁滞回线较宽，一般用来制造永久磁铁，属于硬磁材料的有钢、钴钢及镍铝钴合金等。硬磁材料的磁滞回线如图３.２－５（ｂ）所示。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.４.３磁路欧姆定律图３.２－６所示为交流铁芯线圈示意图，电源和绕组构成铁芯线圈的电路部分，铁芯构成线圈的磁路部分。当铁芯线圈两端加上电压ｕ时，线圈电路中会有按正弦规律变化的电流ｉ通过。电流ｉ通过Ｎ匝线圈时形成的磁动势Ｆｍ＝ｉＮ，磁动势在铁芯中激发按正弦规律变化、沿铁芯闭合的工作磁通Φ。把电路与磁路进行比较：电路中通过的是电流Ｉ，磁路中通过的是磁通Φ；电动势是激发电流的因素，磁动势是激发磁通的因素；电阻阻碍电流，磁阻阻碍磁通。因此，磁路中的磁动势、磁通和磁阻三者之间的关系可比照电路欧姆定律写作上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.４.４交流铁芯线圈铁芯线圈接到交流电源上就是交流铁芯线圈，交流铁芯线圈的电磁理论是分析变压器、交流电机等电气设备的理论基础。１.电压、电流和磁通的关系在图３.２－６所示的交流铁芯线圈示意图中，外加交流电压ｕ使线圈通过交变电流ｉ，它建立起的磁动势ｉＮ产生的磁通绝大部分通过闭合铁芯，这部分磁通称为主磁通Φ，少量磁通经过空气（或非铁磁物质）闭合，这部分磁通称为漏磁通Φσ

，这两个交变磁通在线圈中分别产生主磁电动势ｅ和漏磁电动势ｅσ

。上述的电磁关系表示如下：上一页下一页返回任务过程２理论教学过程由于漏磁通Φσ通过空气闭合，而空气的磁导率μ≈μ０＝常数，所以，漏磁通Φσ与电流ｉ之间呈线性关系，根据自感系数的定义２.铁芯线圈的能量损耗１）铜损ＰＣｕ有铁芯的线圈加上交流电压时，在线圈电阻的功率损耗称为铜损，即上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２）铁损ＰＦｅ铁芯线圈加上交流电压后，它产生的交变磁场在铁芯中产生能量损耗，使铁芯发热，这种能量损耗称为铁损。铁损包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。（１）磁滞损耗Ｐｈ：铁芯在交变磁场作用下反复磁化，此过程要消耗能量。可以证明，铁磁材料反复磁化一周时所消耗的能量与磁滞回线的面积成正比。这种由磁滞现象在铁芯中产生的能量损耗称为磁滞损耗。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线窄小的软磁材料制造铁芯，通常都是采用硅钢。（２）涡流损耗Ｐｅ：铁磁材料不仅是导磁材料，同时又是导电材料，因此，在交变磁通通过铁芯时，在铁芯内也要产生感应电动势，从而在垂直于交变磁通方向的平面产生旋涡式的感应电流，如图３.２－７所示，涡流在铁芯中所产生的能量损耗称为涡流损耗。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程为了减小涡流损耗，一方面可以把整块的铁芯改为顺着磁场方向彼此绝缘的薄钢片叠成，限制涡流在较小的截面内流通，如图３.２－８所示；另一方面可以采用电阻率较高的铁磁材料减小涡流。交流铁芯线圈中的铁芯都是用０.３５ｍｍ或０.５ｍｍ厚的彼此绝缘的硅钢片叠成的。３.５变压器３.５.１变压器的基本构造变压器的形式多种多样，但基本结构是相同的，都是由硅钢片叠成的闭合铁芯和一次、二次绕组等主要部分构成。变压器按绕组的放置方式有心式和壳式两种。心式变压器的特点是绕组包围着铁芯，如图３.２－９（ａ）所示；壳式变压器的特点是铁芯包围着绕组，如图３.２－９（ｂ）所示。变压器符号如图３.２－９（ｃ）所示。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.５.２变压器的工作原理为了清晰地分析问题，将变压器的绕组分别画在铁芯的左右两边，各自组成闭合电路，与电源相连的绕组称为一次绕组或原绕组、原边，与负载相连的绕组称为二次绕组或副绕组、副边。单相变压器原理图如图３.２－１０所示。与一次绕组有关的物理量的下脚标为１，与二次绕组有关的物理量的下脚标为２，一、二次绕组的匝数分别为Ｎ１和Ｎ２。下面分别讨论变压器的运行和变换作用。１.变压器的空载运行和变换电压空载运行是指变压器的二次侧不接负载的开路情况。当一次绕组接上交流电压ｕ１时，一次绕组中便有电流通过，而二次侧开路，其电流ｉ２＝０，此时一次绕组中的电流为空载电流，用ｉ０表示。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程根据上述的电磁关系，一次绕组中的各物理量以及它们之间的相互关系与交流铁芯线圈相同，一次绕组电路的基尔霍夫电压方程为由于一次绕组的电阻Ｒ１和漏电感Ｌσ１（或Φσ１）很小，它们各自的电压也很小，与主磁通电动势相比，可以忽略不计，于是而二次侧开路，其输出电压就等于二次绕组的感应电动势，即上一页下一页返回任务过程２理论教学过程比较一、二次绕组电压关系，得出式中，Ｋ称为变压器的电压比。上式说明，一、二次绕组的电压与其匝数成正比，匝数多的绕组电压高，匝数少的绕组电压低，当电源电压Ｕ１一定时，改变匝数比，就可以得到不同的输出电压Ｕ２。２.变压器的负载运行和变换电流变压器的二次绕组接上负载后，二次绕组中就有电流ｉ２通过，这时一次绕组中的电流就不再是空载电流ｉ０了，而是一个与二次绕组电流ｉ２有关的电流。我们用ｉ１表示负载运行时的一次绕组电流。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.变压器的阻抗变换如图３.２－１１所示，负载阻抗ＺＬ接到变压器的二次侧，在保证电源电压、电流不变的条件下，图中点划线框内的变压器和负载阻抗ＺＬ可以用阻抗Ｚ来等效代替。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.５.３变压器的外特性与额定值１.变压器的外特性当电源电压和负载功率因数不变时，变压器的二次电压Ｕ２与电流Ｉ２之间的变化关系称为变压器的外特性，可用Ｕ２＝ｆ（Ｉ２）曲线表示，如图３.２－１２所示，当负载为阻性或感性时，二次电压Ｕ２随着电流Ｉ２的增加而下降，下降程度与负载的功率因数有关，功率因数愈低，Ｕ２下降得越快。一般要求二次电压Ｕ２变化愈小愈好，变压器从空载到满载，二次电压的变化数值与空载电压的比值称为电压调整率，即上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２.变压器的额定值（１）一次额定电压Ｕ１Ｎ：指正常情况下，一次绕组应当施加的电压。（２）一次额定电流Ｉ１Ｎ：指在Ｕ１Ｎ作用下，一次绕组允许长期通过的最大电流。（３）二次额定电压Ｕ２Ｎ：指一次侧施加额定电压Ｕ１Ｎ时的二次侧空载电压。（４）二次额定电流Ｉ２Ｎ：指在一次侧施加额定电压Ｕ１Ｎ时，二次绕组允许长期通过的最大电流。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.５.４变压器的绕组的同极性端１.绕组的极性与正确接线多绕组变压器如图３.２－１３所示，一次侧有１－２和３－４两个相同的绕组，额定电压为１１０Ｖ；二次侧有５－６和７－８两个绕组，其额定电压分别为６Ｖ和１８Ｖ。当变压器接到２２０Ｖ的电源上时，一次侧两个绕组为串联，即２、３连接，１、４接２２０Ｖ电源；当接到１１０Ｖ的电源上时，一次侧两个绕组应并联，即１、３连接，２、４连接，再接到１１０Ｖ的电源上。如果连接错误，譬如串联时将２和４两端连在一起，将１和３两端接电源，一次侧两个绕组便有电流通过，但两个绕组的磁动势方向相反，相互抵消，铁芯中不产生磁通，绕组中没有感应电动势，由于线圈的电阻很小，在电源电压作用下，绕组中将流过很大的电流，把变压器烧毁，这是不允许的。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２.极性的测定方法如果同极性端的记号辨认不清或消失，就需要用实验方法测定同极性端，这里仅介绍一种直流测定法：首先用万用表的欧姆档确认属于同一绕组的两个接线端子，然后辨认不同绕组的同极性端，测定方法如图３.２－１４所示。在开关Ｓ闭合瞬间，若电压表的指针正向偏转，则１和３是同极性端；若电压表的指针反向偏转，则１和４是同极性端。用同样方法，可以逐一测定其他绕组的同极性端。３.６三相异步电动机的基本构造与工作原理３.６.１基本构造三相异步电动机的结构如图３.２－１５所示，它由定子和转子两个基本部分组成。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程１.定子三相异步电动机的定子主要由机座、定子铁芯和定子绕组组成，如图３.２－１６所示。１）机座机座一般由铸铁或铸钢制成，用来固定电动机，机座两端的端盖的中央部分装有轴承，供支撑转子转轴和防止外物的侵入。２）定子铁芯定子铁芯由多片环状硅钢片叠压而成，固定在机座内，铁芯内表面冲有均匀分布且与轴平行的凹槽。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３）定子绕组匝数、形状和尺寸相同的三相绕组ＡＸ、ＢＹ、ＣＺ按一定的规律嵌放在铁芯内表面的槽中。三相绕组的六个出线端引到机座外侧接线盒内的接线柱上，接线柱的布置如图３.２－１７所示。三相定子绕组根据电源电压和电动机额定电压可以接成星形（）或三角形（△）。２.转子三相异步电动机的转子由转轴、转子铁芯和转子绕组组成。转子铁芯由多片硅钢片叠压成圆筒形状，固定在转轴上，铁芯外表面冲有许多均匀分布的槽，槽内嵌放着转子绕组。根据转子绕组的构造不同，三相异步电动机分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两种。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程１）笼型异步电动机转子铁芯槽内嵌放的是铜条，两端分别用铜环焊接起来，自成闭合回路；中小功率的笼型异步电动机的转子导体一般采用铸铝与冷却用的风扇叶片一次浇铸成形。如果去掉铁芯，整个绕组的外形就像一个圆笼，故称为笼形转子，如图３.２－１８所示。２）绕线转子异步电动机转子绕组与定子绕组一样，也是三相绕组，只是将其连成星形。它的三个首端分别固定在转子上三个彼此绝缘的铜制滑环上，在每个滑环上用弹簧压着碳质电刷，以利于外部三相变阻器连接，如图３.２－１９所示。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.６.２工作原理三相异步电动机同其他电动机一样，都是建立在下面的工作原理上：导体被磁场切割，会在导体中产生感应电动势；载流导体与磁场相互作用，使载流导体受力而运动；三相异步电动机磁场是旋转磁场。１.旋转磁场１）旋转磁场的产生三相异步电动机的旋转磁场是三相电流通入三相定子绕组产生的。为了便于说明问题，定子三相绕组ＡＸ、ＢＹ、ＣＺ放置在铁芯槽的位置如图３.２－２０（ａ）所示，每相绕组两端相差１８０°，三相绕组在空间上彼此互差１２０°。设三相绕组连接成星形，如图３.２－２０（ｂ）所示。在三相绕组中通入如图３.２－２１所示的三相交流电，构成对称三相交流电路。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２）旋转磁场的转向定子三相绕组在定子铁芯排列位置是固定不变的。三相电流通入定子绕组的相序是Ａ→Ｂ→Ｃ，其产生的旋转磁场的转向是按顺时针方向旋转。当通入定子绕组的三相电流的相序是Ｃ→Ｂ→Ａ时，再用上面的方法分析，可以看到旋转磁场也反方向旋转。因此得到结论：旋转磁场的转向与三相电流的相序一致，若要改变旋转磁场的转向，只要对调三根电源线中的任意两根线即可。３）旋转磁场的转速旋转磁场的转速称为同步转速，用ｎ１表示，当磁极对数为ｐ时，旋转磁场的转速为上一页下一页返回任务过程２理论教学过程在对一对（２个）磁极的旋转磁场分析中可知，当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间位置上转了一圈，若电流频率为ｆ１，其旋转磁场每分钟的转速为ｎ１＝６０ｆ１。如果三相绕组的连接方法如图３.２－２３所示，每相绕组有两个线圈串联，三相绕组首端在空间上依次相差６０°放置，当通入对称三相电流后，将产生两对（４个）极的旋转磁场。从图中可以看出，当电流从０°变化到１８０°，旋转磁场在空间上旋转了９０°，是一对极的旋转磁场转速的一半，即ｎ１＝６０ｆ１／２。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２.转动原理三相异步电动机接通三相电源后，定子绕组通入三相电流，产生转速为ｎ１的旋转磁场，转子跟着转动起来。为了形象地说明其转动原理，我们用一对旋转磁极替代旋转磁场，笼形转子只画出上、下两根导体。设磁极按顺时针方向，以ｎ１速度旋转，转子导体与旋转磁极有相对运动而产生感应电动势ｅ２，因转子导体闭合，所以转子导体中有电流ｉ２通过，其感应电动势由右手定则确定。在这里应用右手定则时，可假设旋转磁极不动，而转子导体逆时针方向切割磁场，在Ｎ极下的转子导体感应电动势和电流是穿出纸面的（用☉表示），在Ｓ极下的转子导体感应电动势和电流是进入纸面的（用表示）。转子导体电流与旋转磁场相互作用产生电磁力Ｆ，其方向可用左手定则确定，如图３.２－２４所示，上下电磁力对转轴形成顺时针方向三相异步电动机的转差率的电磁转矩Ｔ，驱动转子沿着旋转磁场的转向旋转，其转速用ｎ表示，在轴上输出机械功率。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.转差率异步电动机转子转向与旋转磁场转向相同，转子转速ｎ总是低于旋转磁场转速ｎ１。这是因为，如果ｎ＝ｎ１，转子与旋转磁场没有相对运动，转子导体就不会产生感应电动势和电流，也就没有驱动转子旋转的电磁转矩，在转轴的风阻、摩擦阻力力矩作用下，转子转速下降，若转轴连接机械负载增大，转子转速进一步下降，所以转子转速总是低于旋转磁场的转速。由于ｎ≠ｎ１，这种电动机称为异步电动机，又称感应电动机。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.７三相异步电动机的电磁转矩与机械特性３.７.１电磁转矩通过前面的分析可知，异步电动机的电磁转矩是由旋转磁场与转子电流相互作用产生的，即式中，Ｋ是一个由电动机本身结构决定的常数；Φ是旋转磁场每极主磁通。由于转子电流滞后于转子感应电动势，只有转子电流的有功分量Ｉ２ｃｏｓφ２做功，将输入电能转换为轴上输出的机械功率。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.７.２机械特性定子电压Ｕ１和频率ｆ１保持不变时，三相异步电动机的Ｔ与ｓ之间的关系Ｔ＝ｆ（ｓ）称为转矩特性，其转矩特性曲线如图３.２－２５所示。ｎ与Ｔ之间的关系ｎ＝ｆ（Ｔ）称为机械特性，将Ｔ＝ｆ（ｓ）曲线顺时针旋转９０°，表示Ｔ的横坐标轴下移，纵坐标用ｎ表示，得到机械特性曲线如图３.２－２６所示。当电动机拖动机械负载稳定运行时，它输出的电磁转矩Ｔ与轴上阻转矩相等，阻转矩包括负载转矩ＴＬ和电动机空载损耗转矩Ｔ０（由风阻和轴承摩擦等形成的转矩），由于Ｔ０很小，可忽略不计，即上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.８三相异步电动机的使用３.８.１铭牌与技术数据每台电动机的机座都装有一块铭牌，上面标明电动机的型号、主要额定技术数据和使用方法。现以Ｙ１３２Ｓ－４型三相异步电动机的铭牌为例说明其意义，其铭牌如图３.２－２８所示。１.型号Ｙ１３２Ｓ－４标注意义如下：上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２.额定电压ＵＮ与接法额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组所加的线电压，它与定子三相绕组的接法有对应关系。Ｙ系列电动机的额定电压ＵＮ都是３８０Ｖ，当ＰＮ≤３ｋＷ时，定子绕组都是星形（）连接；当ＰＮ≥４ｋＷ时，定子绕组都是三角形（△）连接。有些电动机标出两种电压，对应就有两种接法。例如：电压３８０Ｖ／２２０Ｖ，接法／△，它表示当电源线电压ＵＮ＝３８０Ｖ时，定子三相绕组应采用星形连接；当电源线电压ＵＮ＝２２０Ｖ时，定子三相绕组应采用三角形连接。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.额定电流ＩＮ额定电流是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流。如果定子绕组有两种接法，就标明相应的两种额定电流值。例如：接法／△，电流６.３Ａ／１０.９Ａ，表示定子绕组星形连接时，其线电流ＩＮ＝６.３Ａ；定子绕组三角形连接时，其线电流ＩＮ＝１０.９Ａ。４.额定功率因数ｃｏｓφ异步电动机是感性负载，定子电路的相电流滞后相电压φ角，其功率因数为ｃｏｓφ。铭牌上的额定功率因数是指电动机在额定运行时定子电路的功率因数，一般约为０.７～０.９。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程５.额定功率ＰＮ与效率ηＮ额定功率是指电动机在额定运行时转轴输出的机械功率。电动机是能量转换设备，在额定运行时，其输入的电功率为电动机的输入电功率Ｐ１Ｎ要大于输出机械功率ＰＮ，其差值就是电动机的功率损耗。输出机械功率与输入电功率的比值就是效率。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程６.额定转速ｎＮ额定转速是指电动机额定运行时的转子转速，它接近、但略低于同步转速ｎ１。７.工作方式指电动机运行时的工作方式，分为连续运行（Ｓ１）、短时运行（Ｓ２）和断续运行（Ｓ３）。８.绝缘等级绝缘等级是电动机所用的绝缘材料的耐热等级，它决定电动机工作时允许的最高温度。绝缘材料的耐热等级和极限温度见表３.２－１。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程９.防护等级防护等级是电动机外壳防护形式的分级。按国家标准（ＧＢ４９４２.１－１９８５），“ＩＰ４４”中的ＩＰ是指国际防护标准的表征字母，第一位数字是防颗粒物等级，第二位数字是防水等级，４４表示本台电动机可以防止１ｍｍ以上固体异物进入和防止水滴溅入。除了上述铭牌数据外，还有过载系数、起动能力等技术数据，可通过电工手册和产品目录查找。３.８.２起动当三相异步电动机接入三相电源时，电动机由静止状态加速到稳定运行，这个过程称为起动过程，简称起动。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程在起动瞬间，转子转速ｎ＝０，接入三相电源的定子绕组产生的旋转磁场以同步转速ｎ１切割转子导体，在其中产生很大的感应电动势和电流，定子电流很大，一般是额定电流的４～７倍。由于起动时间短，这样大的起动电流还不至于引起电机过热，但若频繁起动，不仅使电动机温度升高，由于电磁力的频繁冲击，影响电动机寿命；同时过大的起动电流会引起电网电压下降，影响接在同一电网的其他用电设备的正常运行。起动时的转子漏电抗（ＳＸ２０）很大，转子电路的功率因数很低，所以，起动转矩并不大，只是额定转矩的１～２.２倍。研究异步电动机起动的目的，就是要减小起动电流，增大起动转矩，改变其起动性能，同时力求起动设备操作方便，运行可靠、成本低廉。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程１.笼型异步电动机的起动１）直接起动通过开关将额定电压直接加到电动机上使之起动的方法，称为直接起动，又称全压起动，此法简便、经济。电动机能否采用直接起动，要根据电动机容量和供电网容量确定。用专用的动力变压器供电时，不常起动的电动机容量不超过变压器容量的３０％；频繁起动的电动机容量不超过变压器容量的２０％；电动机若直接接入电网，起动时引起电网电压下降不超过额定电压的５％，均可直接起动。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２）星形－三角形（－△）换接降压起动这种方法只适用于正常运行时是三角形连接的笼型异步电动机。起动时，定子绕组先接成星形，起动后再换接成三角形。手动－△降压起动控制电路如图３.２－２９所示。起动时，先合上电源开关Ｑ１，然后将开关Ｑ２合到“起动”位置，这时定子绕组连接成星形降压起动，待转速升到接近额定转速时，再将开关Ｑ２合到“△运行”位置，把定子绕组改接成三角形，在额定电压下正常运行。当定子绕组连接成星形降压起动时，设每相绕组的阻抗为Ｚ，则线电流为上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３）自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动适用于容量较大或不能采用－△起动法的笼型异步电动机。如图３.２－３０所示，起动时，先合上电源开关Ｑ１，然后将开关Ｑ２合到“起动”位置，三相电源电压Ｕ１接到三相自耦变压器的一次绕组，其二次绕组将降低后的电压Ｕ２接到电动机定子绕组上，电动机起动，待转速升高到接近额定转速时，再将开关Ｑ２合到“运行”位置，此时，电动机直接接到电源上进入正常运行，而自耦变压器从电源上断开。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２.绕线转子异步电动机的起动１）转子电路串联电阻起动绕线转子异步电动机串联适当的电阻Ｒｓｔ起动，可以增大转子电路的阻抗，减小起动电流，还可提高转子电路的功率因数，增大起动转矩。对要求起动电流小、起动转矩大的生产机械，例如，起重、吊车等大都使用绕线转子异步电动机，与之配套的起动电阻也已标准化，可根据电动机容量大小，查阅有关电工手册和产品目录选配。绕线转子异步电动机的转子三相绕组通过滑环、碳刷与外部起协变阻器连接，如图３.２－３１所示。起动变阻器通过操作手柄连接成星形，起动前逆时针旋转手柄，将电阻调到最大值。合上电源开关Ｑ，电动机开始起动，随着转速的上升，顺时针旋转操作手柄，逐段减小变阻器的电阻，当转速接近额定值时，切断全部起动电阻，使转子三相绕组短接，起动结束。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２）转子电路串联频敏变阻器起动近年来多采用频敏变阻器作为起动电阻，频敏变阻器是一个三相铁芯线圈，为了增大铁芯损耗，使铁芯等效电阻增大，铁芯一般用几片或十几片较厚（３０～５０ｍｍ）的Ｅ形铸铁或钢板制成，三个铁芯柱上绕有星形连接的三相绕组，如图３.２－３２所示，频敏变阻器的特点是其电阻值随着转子转速的上升和转子电流频率的降低而自动减小，使电动机能够平稳地起动，起动结束后，需将频敏变阻器短接。3.８.３反转异步电动机的转向与旋转磁场转向相同，而旋转磁场的转向取决于定子绕组的三相电流相序。所以，只要将接到电动机的三相电源线中的任意两极线对调，改变三相电流相序，就可以改变电动机的转向。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.８.４制动电动机的制动是指在电动机的转子上施加一个与转动方向相反的电磁转矩，称为制动转矩，使电动机迅速、准确地停转。电动机的制动可以采用机械方法或电气方法实现，这里介绍电气制动方法。１.反接制动当要求电动机停止转动时，将接到电动机的三根电源线中的任意两根线对调，改变三相电流相序，旋转磁场立即反向，如图３.２－３３所示，它与由于惯性仍在原方向旋转的转子相互作用，产生与转子转向相反的制动转矩，使电动机迅速减速，当转速接近零时，及时断开三相电源（否则电动机将反转），转速为零，反接制动结束。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２.能耗制动能耗制动的原理电路如图３.２－３４所示，运行的电动机要停转时，将开关Ｑ断开，电动机断开三相电源，旋转磁场消失；同时将开关Ｓ闭合，接通直流电源，使定子绕组建立一个静止不动的直流磁场。转子导体由于惯性感应出电动势和电流，从而产生一个与转动方向相反的制动转矩，强迫电动机迅速停转。制动结束时，将开关Ｓ打开，断开直流电源。３.８.５调速在同一负载下，用人为的方法调节电动机的转速称为调速。三相异步电动机的转速表达式为上一页下一页返回任务过程２理论教学过程１.变频调速当改变电源频率ｆ１时，同步转速ｎ１与ｆ１成正比变化，转子转速ｎ也随之改变。我国电网供电频率是固定的５０Ｈｚ，因此要改变频率，就需要专用的频率可变的交流电源向电动机供电，电路如图３.２－３５所示。当频率ｆ′１＜５０Ｈｚ，可实现恒转矩调速；当ｆ″１＞５０Ｈｚ，可实现恒功率调速。变频调速具有调速范围宽、平滑的无级调速、机械特性硬的特性，能适应不同负载要求，是笼型异步电动机最好的调速方法。２.变极调速通过定子三相绕组的布置和改变接线能够改变磁极对数ｐ。变极调速的原理图如图３.２－３６所示，为了便于说明，图中只画出三相绕组中的Ａ相绕组，是由两个线图Ａ１Ｘ１和Ａ２Ｘ２组成。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.变转差率调速这种方法只适用于绕线式异步电动机。在绕线式异步电动机的转子回路中串联可调电阻，恒负载转矩下通过调节电阻的阻值大小，从而使转差率得到调整和改变。变转差率调速的优点是有一定的调速范围，且可做到无级调速，设备简单、操作方便；缺点是能耗较大，效率较低，并且随着调速电阻的增大，机械特性将变软，运行稳定性将变差，一般适用于短时工作制，且对效率要求不高的起重设备中。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.９三相异步电动机的控制３.９.１低压电器的基本知识在低压供电系统中，对诸如电动机等电气设备进行控制和保护的电器称为低压电器。低压电器按其动作方式可分为手动电器和自动电器。由工作人员用手直接操纵而动作的电器称为手动电器，例如刀开关、按钮等电器；能够按照指令、信号或某个物理量的变化而动作的电器称为自动电器，例如继电器、接触器、行程开关、熔断器等电器。下面介绍几种常用的低压电器。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程１.手动电器１）刀开关刀开关用在不经常通断的低压电路中，作为电源的引入开关。三刀开关由刀片（动触点）、刀座（静触点）、熔丝、瓷质底座和胶木盖组成。按刀片数量的不同，刀开关分为单刀、双刀和三刀，三种其结构和图形符号如图３.２－３７所示，文字符号为ＱＳ。国产ＨＫ２系列刀开关的双刀额定电压为２５０Ｖ，额定电流有１０Ａ、１５Ａ和３０Ａ；三刀额定电压为５００Ｖ，额定电流有１５Ａ，３０Ａ和６０Ａ。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程选择刀开关时，刀片的数量与电源进线数要相等；刀开关的额定电压应等于或略大于电源电压；刀片的额定电流应等于或大于所控负载的额定电流。安装刀开关时，电源线应接在刀开关的静触点的端子上，负载线应接在与刀开关动触点相连的端子上。垂直安装时，规定操作刀片的手柄向上合为接通电源，向下拉为断开电源，不能反装。２）组合开关国产ＨＺ１０系列组合开关如图３.２－３８所示，其交流额定电压为３８０Ｖ，额定电流有１０Ａ、２５Ａ、６０Ａ和１００Ａ，极数有１～４极四种。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３）按钮按钮是发送指令的手动电器，用来短时接通或断开小电流的控制电路，通过接触器控制电动机或其他电气设备运行的大电流主电路。按钮一般由按钮帽、复位弹簧、动触点、静触点和外壳构成，其外形、结构和符号如图３.２－３９所示。在控制电路中，一般把动合（常开）触点的按钮作为起动按钮，把动断（常闭）触点的按钮作为停止按钮，根据需要两者也可以同时选用。国产ＬＡ系列按钮额定电压为５００Ｖ，额定电流为５Ａ。有的按钮在按钮帽里装有指示灯。选择按钮时，应当根据使用场合和控制要求，确定所需要的触点类型、数量及颜色。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２.自动电器１）交流接触器交流接触器是一种按输入指令或反馈信号工作的执行元件，是用来接通或断开电动机设备等大电流电路的自动控制电器。交流接触器主要由电磁铁、触点系统和灭弧罩组成，如图３.２－４０所示。（１）交流接触器的电磁铁由固定的静铁芯、可移动的动铁芯和线圈组成，线圈套装在静铁芯上，动触点固定在动铁芯的绝缘支架上。当线圈通电时，产生电磁吸力，动铁芯被吸向静铁芯，带动绝缘杆来回运动，动合触点闭合，动断触点断开。当线圈断电时，电磁力消失，在复位弹簧作用下，动铁芯返回原来的位置，称为释放，此时，触点系统复原，即动合（常开）触点恢复断开，动断（常闭）触点恢复闭合。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程（２）触点系统包括主触点和辅助触点。主触点接触面积大，能通过较大的电流，交流接触器的主触点是三对动合（常开）触点，使用时串联在电源与电动机之间，控制电动机的起停，这部分电路称为主电路；此时，助触点面积小，只能通过较小的电流。交流接触器有数个动合（常开）触点和动断（常闭）触点，使用时接在由按钮、接触器线圈组成的电路中，这部分电路称为辅助电路或控制电路。（３）灭弧罩用来快速熄灭因主触点断开时产生的电弧。选择交流接触器要注意以下几点：①确定线圈的额定电压；②主触点的额定电压等于电源电压，额定电流要大于或等于负载的额定电流；③辅助触点的类型和数量要满足控制要求。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２）熔断器熔断器是短路保护电器，其图形和文字符号如图３.２－４１所示。熔断器中的熔体一般是用电阻率较高的低熔点合金制成，如铅锡合金，也可以用截面很细的铜丝制成，使用时要串联在被保护的电路中。电路正常工作时，熔体不会熔断；一旦发生短路故障，过大的短路电流使熔体发热而迅速熔断，电路被切断。选择熔断时，主要是确定熔体的额定电流。在没有电流冲击的电路，如照明、电热等电路，熔体的额定电流为上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３）热继电器热继电器是对电动机过载进行保护的自动电器。电动机在运行中，若因负载ＴＬ＞ＴＮ，或频繁起停、欠压运行、某电源线断开，都会造成电动机过载运行。这时电动机的定子电流和转子电流都要超过额定电流，但不是短路电流，熔断器不会被熔断，电动机发热，温度升高，造成绝缘老化，缩短使用寿命，严重时会烧坏电动机，所以，必须对电动机采取过载保护。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程热继电器根据电流热效应原理制成，如图３.２－４２所示，１是发热元件，它是一段阻值不大的金属丝或金属片，串联接在电动机主电路中；２是由两层热膨胀系数不同的金属辗压而成的双金属片；当运行中的电动机过载、主电路电流超过额定值时，发热元件的发热量增加，使双金属片温度逐渐升高，由于下层金属片热膨胀系数大，使双金属片逐渐向上弯曲，经过一段时间后造成脱扣；扣板３在弹簧４的拉力下，将串联在控制电路中的动断（常闭）触点５断开，使控制电路断电，从而切断主电路，电动机脱电源，完成过载保护。电动机断电后，双金属片散热冷却，由于上层金属片热膨胀系数小，使双金属片向下弯曲。当需要热继电器动断（常闭）触点恢复闭合时，按下复位按钮６即可。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程４）断路器断路器相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的功能组合，在电路中出现过载、短路、欠电压等故障时，自动切断电源，也可以由工作人员手动操作接通或断开电源。断路器主要由触点系统、操作机构、脱扣器和灭弧装置组成，如图３.２－４３所示。图中三对主触点串联在三相主电路中。将操作手柄扳到“合”位置，搭钩钩住锁键，使三对主触点闭合，电源与负载接通，进入正常工作状态。当电路中出现下述情况时，杠杆向上运动，顶开搭钩，锁键在弹簧的拉力下，使三对主触点断开电源。①电路发生短路时，产生的电磁力剧增，使衔铁吸合；②电路出现过载时，过载电流引起受热弯曲变形；上一页下一页返回任务过程２理论教学过程③电源电压下降，欠电压继电器电磁力跟着下降，当电磁力下降到小于弹簧拉力时，衔铁释放。过电流脱扣器对电路实现短路保护，而且不需要更换元件，热脱扣器完成过载保护，可以自动复位，欠电压继电器起到欠压与零压保护，可以自动复位。３.９.２电动机的基本控制电路１.电气原理图继电－接触器控制电路由开关、按钮、继电器、接触器等各种电器元件和电动机等用电设备组成。为了方便设计、阅读、分析和安装维护，根据控制电路工作原理，用电气图形符号和文字符号画出的电路图，称为电气原理图。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程电气原理图通常分为主电路和控制电路，主电路是由电源、接触器的主触点、保护元件与电动机组成的大电流电路；控制电路是由按钮、继电器接触器的线圈及其辅助触点等组成的小电流电路。绘制电路原理图要遵循以下规则：（１）主电路用粗实线画在左侧（或上方），控制电路用细实线画在右侧（或下方）；（２）所有电器要按照国家标准规定的图形符号和文字符号绘制，原理图中的所有电器一般不表示空间位置，同一电器上的各元件可不画在一起，可以根据作用要求，分别画在不同的电路中，但要用同一文字符号标注；（３）控制电路基本上是按照动作的先后顺序自上而下，或从左到右绘制；（４）所有电器的触点均为未受外力、线圈未通电的原始状态；上一页下一页返回任务过程２理论教学过程（５）导线的电气连接点要用黑点标明。２.基本控制电路任何复杂的继电－接触器控制系统由一些简单的基本控制电路按需要组合而成，下面介绍基本控制电路。１）点动控制点动控制主电路由三相刀开关Ｑ、熔断器ＦＵ１、交流接触器主触点ＫＭ和三相异步电动机定子三相绕组串联组成，控制电路由熔断器ＦＵ２、起动按钮ＳＢ１和交流接触线圈ＫＭ串联组成，如图３.２－４４所示。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２）单向连续运转控制如图３.２－４５所示，按钮ＳＢ１两端并联一个接触器的辅助动合触点ＫＭ。当按下ＳＢ１、接触器线圈ＫＭ通电后，辅助动合触点闭合，这时松开ＳＢ１、接触器线圈继续通过这个辅助动合触点保持通电，电动机继续运转。接触器线圈利用辅助动合触点的闭合而保持通电状态的作用称为自锁，能完成自锁作用的辅助动合触点称为自锁触点。要使电动机停止转动，必须使接触器线圈断电，为此可在控制电路中串联另一个按钮的动断触点ＳＢ２，常态时，此按钮是闭合的，不影响起动和运行。按下按钮ＳＢ２，接触器线圈断电，电动机停转，因此ＳＢ２称为停止按钮，ＳＢ１称为起动按钮。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程如果电动机既要点动控制，又要连续运转控制，可以在自锁触点ＫＭ支路中串联开关Ｓ。采用点动控制时，断开开关Ｓ；采用连续运转控制时，合上开关Ｓ，主电路同图３.２－４４，控制电路如图３.２－４６所示。３）多处控制在大型机床加工时，要求能在多个地方进行同一控制，这时把起动按钮并联，停止按钮串联，如图３.２－４７所示，起停按钮分别放在三个地方，可实现三地控制。４）正反转控制很多生产机械的运动部件需要正反向工作，这种需求可由电动机的正反转实现。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程我们已经知道，只要将接到电源三根线中的任意两根线对调即可改变三相异步电动机的转向，为此，可在单向连续控制电路上增加一个接触器ＫＭ２及其控制电路实现这一要求，如图３.２－４８所示，ＫＭ１吸合，三相电源相序为Ａ－Ｂ－Ｃ，电动机正转；ＫＭ２吸合，Ａ、Ｃ两相被对调，三相电源相序为Ｃ－Ｂ－Ａ，电动机反转。必须注意：主电路中两个接触器的主触点不允许同时闭合，否则将使两根电源线通过主触点而短路。为保护只有一个接触器通电工作，在ＫＭ１控制电路中串联ＫＭ２的辅助动断触点，在ＫＭ２控制电路中串联ＫＭ１的辅助动断触点，这种相互制约的作用称为互锁或联锁，所用的辅助动断触点称为互锁触点或联锁触点，因互锁的双方为接触器，这种控制方式称为接触器互锁，如图３.２－４８（ｂ）所示。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.基本保护环节继电－接触器控制系统除了满足生产机械加工工艺要求外，还要能够长期安全可靠地工作，保护环节是不可缺少的，常用的基本保护环节有以下几种。１）短路保护采用内熔断器或带过电流脱扣器的断路器实现短路保护，当电路发生短路时，熔丝迅速熔断，断路器自动断开，可靠切断电源，使电气设备免遭短路电流的破坏。２）过载保护由热继电器或带热脱扣的断路器实现过载保护，保护电动机等电气设备免受长期过载引起温度升高造成的损坏。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３）零电压与欠电压保护继电－接触器控制电路本身和带欠电压脱扣器的断路器实现零电压与欠电压保护。当电源断电或电源电压降低，使接触器的电磁力低于弹簧力而自动释放，断路器自动断开，电动机断电停转；当电源恢复供电时，由于接触器的自锁触点断开，电动机不能自动起动，可以防止因自行起动引起的人身伤害和设备损坏。３.９.３电动机的典型控制环节１.顺序控制在装有多台电动机的机械设备上，由于各台电动机所起的作用不同，在生产过程中，经常要求某些电动机按一定的顺序起动或停止，才能符合工艺规程，保证安全工作。例如，车床主轴电动机必须在润滑油泵电动机工作后才能起动，这就要求采用联锁完成顺序控制。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程现在有两台电动机Ｍ１和Ｍ２，要求起动时，Ｍ１起动后Ｍ２才能起动；停止时，Ｍ２停止后Ｍ１才能停止。顺序起停控制电路如图３.２－４９所示。１）起动起动时，先按下起动按钮ＳＢ１，接触器ＫＭ１线圈通电自锁，ＫＭ１主触点闭合，Ｍ１电动机先起动运行，同时，串联到接触器ＫＭ２线圈电路的辅助动合触点ＫＭ１闭合，为Ｍ２电动机起动做好准备。再按下起动按钮ＳＢ３，接触器ＫＭ２线圈通电自锁，ＫＭ２主触点闭合，Ｍ２电动机后起动运行。如果Ｍ１未起动，按下ＳＢ３，Ｍ２也不能起动，所以串联在接触器ＫＭ２线圈电路中的ＫＭ１辅助动合触点是顺序起动的联锁触点。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程２）停止停止时，先按下停止按钮ＳＢ４，接触器ＫＭ２断电释放，Ｍ２电动机停止运行，并联在ＳＢ２两端的ＫＭ２辅助动合触点恢复断开，再按下停止按钮ＳＢ２，Ｍ１电动机停止运行。如果Ｍ２未停，并联在ＳＢ２两端的ＫＭ２仍是闭合的，按下ＳＢ２，Ｍ１也不能停转，所以并联在停止按钮ＳＢ２两端的ＫＭ２动合触点是顺序停止的联锁触点。２.行程控制在生产过程中，根据生产机械运动部件的位置或位置的变化来控制电动机的工作状态，例如，机床工作台运动到床身的边缘时，要求能自动停止或者返回；为提高生产率，要求机床工作台能在一定范围内自动往返。这类位置或位置变化的控制可由行程开关实现。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程１）行程开关行程开关又称为限位开关，是以位置或行程为信号进行动作的自动电器。行程开关的结构、工作原理与按钮相似，有一对动合（常开）触点和一对动断（常闭）触点，如图３.２－５０所示。当外力压下行程开关推杆时，动断触点先断开，动合触点后闭合；当外力去掉后，推杆和触点在弹簧的作用下回到原来的位置。２）应用实例工作台往返循环控制电路如图３.２－５１所示，实际上是用行程开关控制电动机的正转和反转。行程开关固定在床身的预定位置，在工作台侧面安装一个挡块，其工作过程如下。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.时间控制在生产过程中，按照时间间隔控制电路的工作，以协调和控制生产机械的各种动作，称为时间控制，它是利用时间继电器来完成的。１）时间继电器时间继电器是一种具有延时动作的自动电器，按其工作原理有电磁式、电动式、电子式和空气阻尼式等，目前应用较多的是空气阻尼式时间继电器。通电延时的空气阻尼式时间继电器的结构原理图如图３.２－５２（ａ）所示，它利用空气阻尼的原理实现延时。当线圈通电时（计时开始），将动铁芯及托板吸下，活塞杆在释放弹簧的作用下向下移动，造成与活塞杆相连的橡皮膜上面的空气稀薄，活塞受到下面空气的压力缓慢下移，经过一段时间后，活塞杆触及杠杆，延时触点动作，即动断触点断开，动合触点闭合（计时结束）。通过调节螺钉调节气孔的大小可以改变延时时间，空气式时间继电器的延时范围有０.４～０.６ｓ和０.４～１８０ｓ两种。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程时间继电器的图形和文字符号如图３.２－５２（ｂ）所示。２）应用实例（１）－△起动控制电路。按时间原则控制起动过程的—△起动控制电路图３.２－５３所示，该电路用三个接触器来换接电动机的定子绕组的连接和△连接。１、２、３和４、５、６分别为定子绕组的首端和末端，电动机起动时，合上刀开关Ｑ，按下起动按钮ＳＢ２，接触器ＫＭ１、ＫＭ２与时间继电器ＫＴ的线圈同时得电，接触器ＫＭ２的主触点将电动机定子绕组接成星形，并经ＫＭ１的主触点接通电源，电动机降压起动。当达到ＫＴ的延时值时，ＫＭ２线圈失电，ＫＭ３线圈得电，电动机绕组接成三角形，转入正常运行。典型电气控制环节上一页下一页返回任务过程２理论教学过程（２）能耗制动。按时间原则控制的能耗制动控制电路如图３.２－５４所示，制动用直流电源由变压器、全波整流器供给，用可调电阻Ｒ调节制动电流。起动时，先合上三刀开关Ｑ，按下起动按钮ＳＢ１，接触器ＫＭ１线圈通电并自锁，ＫＭ１主触点合，Ｍ电动机起动运转。停车时，按下停止按钮ＳＢ２，接触器ＫＭ１线圈断电，其主触点断开电动机交流电源。ＳＢ２的动合（常开）触点闭合，接触器ＫＭ２线圈和时间继电器ＫＴ线圈通电，ＫＭ２主触点闭合，接通直流电源，直流电压经电阻Ｒ接到电动机定子两相绕组上，有直流电流通过，进入能耗制动。经过预先调好的时间，转子惯性速度接近于零，时间继电器ＫＴ的延时断开的动断点断开，使ＫＭ２和ＫＴ线圈断电，切断直流电源，电动机床停止工作，制动结束。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程３.９.４电动机的ＰＬＣ控制简介本章介绍的各种继电－接触器控制线路应用虽然很广，但实用中存在着一定的问题，主要是触点寿命低、体积大、噪音重，特别是在一些较为复杂的控制环节中，由于继电－接触器控制线路的元器件数量太多使得硬接线繁杂，当线路中出现故障或对机器的工作程序有新的调整和功能扩展要求时，线路的检测、改造将非常不易，且相当麻烦。采用可编程控制器（简称ＰＬＣ）对机器进行控制，是抑制上述缺点和利用计算机技术对生产自动化进行的一项技术革新。自动控制系统一般分为三部分：输入部分、逻辑控制部分和输出部分。输入部分包括各种主令电器，其作用是输入各种指令和生产过程控制要求；逻辑控制部分包括各类继电器、接触器等，用以实现各种控制功能；输出部分则是生产过程中的被驱动对象，如电磁阀、指示灯等。上一页下一页返回任务过程２理论教学过程与普通计算机相比，可编程控制器可以适应工业现场的高温、振动以及有较强电磁场干扰的外部环境，如果把办公机制中的计算机称作白领计算机，则可编程控制器称得上是工业控制中的蓝领计算机。可编程控制器用电子元件取代了机械触点，无磨损、无噪声、可靠性高、体积小、速度快。使用计算机和多台可编程控制器还可组成分散控制、集中管理的控制网络。继电－接触器控制系统由于价格便宜、操作简单，目前仍广泛应用于简单的生产机械控制中，比较复杂或规模较大的控制系统，现在大都采用可编程控制器进行控制。可编程控制器技术具有广阔的发展前景。上一页返回任务过程３理论与实践相结合的教学过程３.１０知识的拓展３.１０.１固体继电器的应用固态继电器是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关，利用电子组件（如开关三极管、双向可控硅等半导体组件）的开关特性，达到无触点、无火花接通和断开电路的目的，因此又被称为无触点开关。１.固态继电器简介固态继电器（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＲｅｌａｙ，简称ＳＳＲ），是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的、具有继电器特性的无触点开关器件，单相ＳＳＲ为四端有源器件，即两个输入控制端和两个输出端，输入和输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断开状态转变成接通状态。固态继电器如图３.３－１所示。下一页返回任务过程３理论与实践相结合的教学过程２.固态继电器的功能固态继电器除了具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振、耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮、防霉、防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，固态继电器还具有输入功率小、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、噪声低和工作频率高等特点。３.固态继电器的应用固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口装置、电炉加热恒温系统、数控机械、遥控系统、工业自动化装置；信号灯、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；自动消防、保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等，另外在化工与煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中，固态继电器也大量使用。上一页下一页返回任务过程３理论与实践相结合的教学过程４.固态继电器的工作原理尽管市场上固态继电器型号规格繁多，但固态继电器的工作原理基本上是相似的，为了更好地了解固态继电器的工作原理，下面给出了固态继电器的工作原理图，它主要由输入（控制）电路、驱动电路和输出（负载）电路三部分组成。下面通过两个固态继电器工作原理图说明固态继电器的工作原理。（１）固态继电器工作原理一如图３.３－２所示。从ＤＷ１、ＤＷ２上取出的削顶正弦信号经反相器ＢＧ１输出方波，再经过运算放大器Ａ输出尖峰脉冲信号。尖峰脉冲加在Ｄ３～Ｄ６的交流对角线与ＶＴＨ的控制极和阴极间，Ｄ３～Ｄ６的直流对角线接在光电耦合器的输出端。当从Ａ、Ｂ输入低压小电流信号时，二极管发光，光敏管导通，从Ａ运算放大器中输出的尖峰脉冲触发ＶＴＨ导通，负载ＲＬ得电。Ａ、Ｂ无信号输入时，光电耦合器ＢＧ２截止，尖峰脉冲无法通过，而使ＶＴＨ不能导通。上一页下一页返回任务过程３理论与实践相结合的教学过程（２）固态继电器工作原理二如图３.３－３所示。当无输入信号时，ＧＤ中的光敏三极管截止，ＶＴ１是交流电压零点检测器，通过Ｒ３获得基极电流而饱和导通，将ＶＴＨ的门极拑制在低电位而处于关断状态。当有输入信号时，光敏三极管导通，此时ＶＴＨ的状态由ＶＴ１决定，如此，电源电压大于过零电压时，分压器Ｒ３、Ｒ２的分压点Ｐ电压大于ＶＢＥ１，ＶＴ１饱和导通，ＶＴＨ门极因钳位在低电位而截止，ＴＲ的门极因没有触发脉冲而处于关断状态。只有当电源电压小于过零电压、Ｐ点电压小于ＶＢＥ１时，ＶＴ１截止，ＶＴＨ门极获得触发信号而导通。在ＴＲ的门极获得触发脉冲时，ＴＲ导通，从而接通负载电源。上一页下一页返回任务过程３理论与实践相结合的教学过程３.１０.２电动机的选择三相异步电动机功率的选择是否合理，对电气设备是否运行安全和具有良好的经济、技术指标有很大影响。在选择电动机时，应根据电源类型、生产机械对拖动性能的需要，合理选择其功率、种类和型号等。１.种类和结构的选择根据电源类型、机械特性、调速与启动特性、维护及价格等方面来选择电动机。在进行电动机种类选择时，可参照表３.３－１。（１）机械特性（调速范围、平滑性、经济性等）应与所拖动的生产机械的机械特性相匹配，优先选择笼型电动机。上一页下一页返回任务过程３理论与实践相结合的教学过程（２）启动性能应满足生产机械对电动机启动性能的要求，还应注意电网容量对电动机启动电流的限制。启动、制动频繁且具有较大启动转矩、制动转矩和小范围调速要求的，可选用绕线转子电动机，如起重机、锻压机、卷扬机等设备。电动机的结构形式应适应周围环境条件的要求，不同结构形式的电动机的特点及适用场合见表３.３－２。２.功率（即容量）的选择电动机的功率必须与生产机械的负载大小相匹配，还要与生产机械的工作性质与其持续、间断的规律相适应。对连续运行的电动机，要先计算出生产机械的功率，使所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械功率即可；对短时运行的电动机，可根据过载系数λ来选择功率。电动机的额定功率可以是生产机械所要求功率的１／λ。上一页下一页返回任务过程３理论与实践相结合的教学过程３.电压的选择根据电动机的类型、功率及使用地点的电源电压等级来选择电动机的电压，我国的交流供电电源低压通常为３８０Ｖ，高压通常为３ｋＶ、６ｋＶ或１０ｋＶ。（１）中等功率（约２００ｋＷ）以下的交流电动机，额定电压一般为３８０Ｖ；（２）大容量的电动机（大于１００ｋＷ）在允许条件下一般选用３ｋＶ或６ｋＶ的高压电动机；（３）小容量的Ｙ系列笼型电动机电压只有３８０Ｖ一个等级。４.转速的选择在选择电动机的额定转速时，应综合电动机和生产机械两方面的因素来确