1、第5章 三相異步電動機與控制5.1 三相異步電動機5.2 三相異步電動機的運行5.3 單相異步電動機5.4 常用控制電動機5.5 低壓電器5.6 基本控制電路5.7 行程、時間控制電路7/17/20225.1 三相異步電動機 三相異步電動機是由三相交流電供電的電動機，又稱異步電動機。它的結構簡單、制造容易、價格低廉、效率高、運行經濟可靠且便于維護，獲得了廣泛的應用。其缺點是調速性能差、功率因數低，在有些場合受到限制，但隨著當前變頻調速技術的發展，該問題已得到了解決。一、三相異步電動機的結構 三相異步電動機的結構主要包括定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）兩大部件 7/17/20221.定子 定子

2、是指電動機中靜止不動的部分，有定子鐵芯、定子繞組、機座、端蓋等部件。定子鐵芯用0.5 mm厚的表面有絕緣層的硅鋼片疊壓成圓筒狀。在定子鐵芯的內圓沖有均勻分布的槽孔，用以嵌置三相定子繞組，每相繞組分布在幾個槽內，線圈按一定規則連接成三相定子繞組，如圖所示。三相定子繞組結構完全對稱，一般有六個接線端U1、U2、V1、V2、W1、W2置于接線盒內，根據需要接成星形或三角形 7/17/20222.轉子 轉子是電動機的旋轉部分，由轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸組成。轉子鐵芯也是由0.5 mm厚的硅鋼片疊成的圓柱體，固定在轉軸上，轉軸上加機械負載，與定子相同在圓周外表面沖 有槽孔，用以嵌置轉子繞組，如圖所示。轉

3、子繞組的構造分為籠式和繞線式兩種。 7/17/2022 籠式轉子繞組是用銅條和銅環焊接成的籠形閉合電路，如圖5 -4（b）所示，由于轉子繞組的形狀像鼠籠，故稱籠式轉子。 繞線式轉子的特點是可以通過滑環和電刷，在轉子電路中接入附加的電阻，以便電動機 啟動時調節電動機的轉速。在需要大啟動轉矩時，往往采用繞線式異步電動機。 7/17/2022二、三相異步電動機的工作原理1.旋轉磁場的產生IU=ImsintIV=Imsin（t -120） IW=Imsin（t+ 120） 7/17/2022 如圖5 -7（a）所示， t=0（t=0）時，iU=0，iV為負值，iW為正值，iV的大小與iW的大小相同，電

4、流通過三個繞組的方向及形成磁場的磁力線方向可用右手螺旋法則判斷出，該磁場的磁力線由一對磁極產生，下邊是N極，上邊是S極。 在 t = （t = ）時刻，iU為正，iV、iW均為負，合成的磁場如圖 5 -7（b）所示。左邊是N極，右邊是S極，磁場在空間順時針旋轉 弧度。 7/17/20227/17/2022 以上研究的磁場是一對磁極（ p=1），如果將定子繞組作不同的空間排列，可以制成兩對磁極（p=2）和三對磁極（p=3）或更多對磁極的旋轉磁場。三相異步電動機的轉速與旋轉磁場的轉速有關，而旋轉磁場的轉速又與磁極的對數有關。根據前面分析可知，電流變化 一周期，電流頻率為f（Hz），旋轉磁場的轉速

5、n1=60f（r/min）。可以證明，若旋轉磁場為四極（ p=2），電流變化一周期，旋轉磁場旋轉半周，則 n1=60f/2。依此類推，p對磁極的旋轉磁場的轉速為 7/17/2022 在圖5 -7中，旋轉磁場是順時針方向旋轉，旋轉磁場的方向是由線圈中電流的相序決定的，如果將電源接到定子繞組的三根引線中的任意兩根對調，如圖5 -8所示，這時三相定子繞組中的電流相序就按逆時針方向排列，將使旋轉磁場按逆時針方向旋轉。 7/17/20222.轉子轉動原理 把旋轉磁場的轉速n1與轉子轉速n的差值與旋轉磁場轉速n1之比稱為異步電動機的轉差率，用 s表示，即 或 或7/17/2022【例5 -1】 有一臺三相

6、異步電動機，其額定轉速 nN=975 r/min，試求電動機的磁極對 數和額定負載時的轉差率。電源頻率 f1=50Hz。 解 :由于電動機的額定轉速接近而略小于旋轉磁場的轉速，而同步轉速對應于不同的磁極對數，顯然975 r/min與1000 r/min最相近，從而確定磁極對數 p=3。 額定負載時的轉差率為 7/17/2022三、機械特性 電動機產生的電磁轉矩 T與轉子轉速n的關系曲線，即n=f（T）曲線稱為電動機的機械特性曲線，如圖5 -10所示。 在電動機啟動時，即 n=0時，對應于機械特性曲線上的 D點，電動機軸上的電磁轉矩稱為啟動轉矩（又稱為堵轉轉矩），用 Tst表示。 當電動機帶額定

7、負載時，對應于機械特性曲線上的 B點 電動機在運行中對應的最大轉矩用 Tm表示，對應圖5 -10中的 C點。 電動機空載時，對應圖中的D點。 7/17/2022 由三相異步電動機的機械特性曲線可知，當啟動轉矩大于負載轉矩時，轉子在電磁轉矩的作用下逐漸加速，轉速沿 DC段上升，電磁轉矩也隨之增加，一直增加到最大轉矩 Tm。以后轉速沿 CA段增加而電磁轉矩開始減小，當電磁轉矩等于負載轉矩時，電動機就以某一轉速穩定運行。 電動機正常運行過程中，由于外界因素而使電動機轉速發生變化，電動機在 AC段自動調節電磁轉矩與負載轉矩平衡，并穩定在新的轉速上穩定運行。顯然，AC段電動機的機械特性較硬，這種特性適合

8、大多數生產機械對拖動的要求。但為了使電動機安全可靠地工作， 電動機一般工作在 AB段。 電動機的啟動轉矩與額定轉矩之比稱為電動機的啟動能力。一般電動機的啟動能力為 1.42.2，即 啟動能力= =1.42.2 7/17/2022 電動機的最大電磁轉矩與額定轉矩之比稱為電動機的過載能力。一般電動機的過載能力為1.62.5，即 過載能力= =1.62.5 7/17/2022電動機從電源輸入的功率為 式中 U1與I1分別為線電壓和線電流，cos1為電動機功率因數，軸上輸出功率（銘牌上標出的功率） P2（kW）為旋轉體 的機械功率，等于作用在旋轉體上的轉矩 T與它的機械角速度的乘積。所以電動機的輸出功

9、率為 P2=T 當電動機在額定狀態運行時，則有 7/17/2022三相異步電動機銘牌上標注的主要額定數據有: （1）型號:Y-112M-4，Y表示異步電動機，中心高度為112 mm，機座類型為中機座（L表示長機座，S表示短機座，M表示中機座），4表示磁極數為4級。 （2）額定功率: PN=4.0 kW表示電動機在額定工作狀態下運行時，軸上輸出的機械功率，單位是kW。 （3）額定電壓: UN=380 V表示電動機在額定工作狀態下運行時，定子繞組所加的線電壓。通常有兩種電壓值220 V/380 V，當定子繞組采用星形接法時為220 V，采用三角形接法時為380 V。 （4）額定電流: IN=8.8

10、 A表示電動機在額定工作狀態下運行時定子繞組的線電流，定 子繞組有星形和三角形接法，故額定電流就有兩種。 7/17/2022三相異步電動機銘牌上標注的主要額定數據有:（5）額定轉速: n =1440 r/min表示電動機在額定工作狀態下運行時的轉速。 （6）接法:定子繞組與三相電源的連接方法，接錯會燒毀電動機。 （7）防護式:IP44表示電動機和外殼防護的方式為封閉式電動機。 （8）頻率: f =50 Hz表示電動機定子繞組輸入交流電源的頻率。 （9）工作制:S1表示電動機在額定工作狀態下連續運行，S2為短時運行，S3為短時重復運行。（10）絕緣等級:根據絕緣材料允許的最高溫度，分為Y、A、E

11、、B、F、H、C級。 7/17/20225.2 三相異步電動機的運行一、啟動 常采用的啟動方法有以下幾種: 1.直接啟動（全壓啟動） 直接啟動是給定子繞組直接加額定電壓啟動。直接啟動的異步電動機要受到供電變壓器的限制，當電動機由單獨的變壓器作為它的電源時，電動機的容量不超過變壓器容量的20%30%便可采用，以電動機啟動時電源電壓降低不超過額定電壓的5%為原則。2.降壓啟動 電動機啟動時，降低加在電動機定子繞組上的電壓，待啟動結束時再恢復額定電壓運行。由于啟動轉矩將明顯減小，所以降壓啟動適用于容量較大的籠式三相異步電動機及對啟動轉矩要求不高的生產機械負載。 7/17/20227/17/20223

12、.繞線式異步電動機的啟動 7/17/2022二、制動 三相異步電動機常用的制動方法有以下幾種: 1.能耗制動 7/17/20222.反接制動 7/17/2022三、反轉 三相異步電動機的轉子轉動方向與定子產生的旋轉磁場方向相同，而旋轉磁場的轉向取決于定子繞組通入的三相電流的方向，所以只要將三根電源線中的任意兩根對調，就可使轉子的轉動方向改變，實現電動機反轉，如圖5 -8所示。 7/17/2022四、調速 1.變極（ p）調速 改變電動機定子繞組的磁極對數 p來改變電動機的轉速。要求電動機的定子有幾套繞組或繞組有多個抽頭引到外部，通過轉換開關改變繞組接法，以改變磁極對數，形成多速電動機，如雙速電

13、動機等 2.變頻（ f）調速 改變電動機定子繞組的電源頻率來實現調速。三相交流電先經整流器變成直流電，再經逆變器輸出電壓和頻率可調的三相交流電，作為電源給電動機供電，實現三相異步電動機的無級調速。如圖5 -18所示電路是目前廣泛應用的變頻調速方法。 7/17/20223.變轉差率調速 該方法適用于繞線式異步電動機。在繞線式異步電動機的轉子電路中接入調速電阻改變轉差率，達到調整轉速的目的。這種方法能平滑調速且調整范圍大，但能耗較大。 7/17/20225.3 單相異步電動機1.單相異步電動機的結構 2.單相異步電動機的工作原理 7/17/20223.單相異步電動機的反轉與調速 s 單相異步電動機

14、的調速常用改變定子繞組電壓的方法來實現，可用定子繞組串電抗器調壓和用晶閘管調壓，目前大多數采用串電抗器調壓，如圖5 -22所示為臺式風扇調速電路。 7/17/20225.4 常用控制電動機一、交流伺服電動機 交流伺服電動機就是兩相異步電動機。它的定子上裝有兩個繞組:一個繞組為勵磁繞組，另一個繞組為控制繞組，它們在空間上相差90。轉子有籠式和杯式兩種。 圖5 -23（a）所示為電容分相的交流伺服電動機的接線原理圖，勵磁繞組回路中串入電容C后接到交流電源上。控制繞組接在放大器的輸出端，控制電壓就是放大器的輸出電壓U2。它與電容分相的單相異步電動機具有同樣的兩相旋轉磁場，只是U2受到控制信號的控制。

15、 在一定負載下，當控制電壓 U2在控制信號作用下變化時，電動機轉子的轉速做相應的變化。控制電壓大，電動機轉得快;控制電壓小，電動機轉得慢。當控制電壓反相時，旋轉磁場和轉子也都反轉。如果控制電壓為零，電動機就停轉。圖5 -23（b）所示為交流伺服電動機在不同控制電壓下的機械特性曲線。 7/17/20227/17/2022二、直流伺服電動機 直流伺服電動機的勵磁方式分為電磁式和永磁式兩種。工作時，勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個獨立電源供電。直流伺服電動機通常采用電樞控制，即在保持勵磁電壓 Uf 一定的條件下，改變電樞上的控制電壓 Ua來改變電動機的轉速和轉動方向。圖5 -24（a）所示 為直流伺服電

16、動機的接線原理圖。 7/17/2022三、步進電動機 步進電動機是一種將電脈沖信號轉換為直線位移或角位移的電動機，近年來在自動控制系統、數控機床領域應用較多。例如，在開環控制的數控機床中，在系統的控制下，脈沖分配器CNC每發一個進給脈沖，步進電動機便轉過一定角度，帶動進給工作臺或刀架移動一個很小的距離（或轉過一個很小的角度）。脈沖一個接著一個發來，步進電動機便一步一步地轉動，實現自動機械加工。 7/17/2022 步進電動機是按脈沖節拍工作的。圖5 -26所示為單三拍工作方式的轉動原理圖。 7/17/20225.5 低壓電器 低壓電器通常是指工作在交流電壓1200 V及以下電路中的電器。 低壓

17、電器可分為低壓配電電器和低壓控制器兩類。刀開關、空氣開關、熔斷器等是低壓配電電器，接觸器、各種繼電器、啟動器等為低壓控制器。 按低壓電器動作的方式又可將其分為自動切換電器和非自動切換電器兩種。一、組合開關 組合開關又稱轉換開關，常用來作為電源引入開關，也可用來直接啟動和停止小容量籠式電動機或使電動機正反轉，局部照明電路也常用它來控制。 7/17/2022 組合開關有單極、雙極、三極和四極等幾種，額定持續電流有10 A、25 A、60 A和100 A等多種。 7/17/2022二、按鈕 按鈕通常用來接通或斷開控制電路（其中電流很小），從而控制電動機或其他電氣設備的運行。 圖5-29所示為一種按鈕

18、的剖面圖。將按鈕帽按下時，下面一對原來斷開的靜觸點被動觸點接通，以接通某一控制電路;而上面一對靜觸點則被斷開，以斷開另一控制電路。 通電前就接通的觸點稱為常閉觸點，通電前就斷開的觸點稱為常開觸點，它們的符號見表5-4。圖5-29所示的按鈕有一個常閉觸點和一個常開觸點。有的按鈕只有一個常閉觸點或一個常開觸點，也有具有兩個常開觸點或兩個常開觸點和兩個常閉觸點的。常見的雙聯按鈕如圖5-30所示，它由兩個按鈕組成，一個用于電動機啟動，一個用于電動機停止。7/17/2022三、交流接觸器 交流接觸器常用來接通和斷開電動機或其他設備的主電路，每小時可開閉幾百次。 交流接觸器主要由電磁鐵和觸點兩部分組成，它

19、是利用電磁鐵的吸引力而動作的。 7/17/2022 根據用途不同，交流接觸器的觸點分為主觸點和輔助觸點兩種。輔助觸點通過電流較小，常接在電動機的控制電路中;主觸點能通過較大電流，接在電動機的主電路中。如CJ10-20型交流接觸器有三個常開主觸點、四個輔助觸點（兩個常開，兩個常閉）。 7/17/2022 在選用交流接觸器時，應注意它的額定電流、線圈電壓及觸點數量等。CJ10系列交流接觸器的主觸點額定電流有5 A、10 A、20 A、40 A、75 A、120 A等數種;線圈額定電壓通常是220 V或380 V。 常用的交流接觸器還有CJ12、CJ20和3TB等系列。四、中間繼電器 中間繼電器通常

20、用來傳遞信號和同時控制多個電路，也可直接用它來控制小容量電動機或其他電氣執行元件。 常用的中間繼電器有JZ7系列和JZ8系列兩種，后者是交直流兩用的。此外，還有JTX系列小型通用繼電器，常用在自動裝置上以接通或斷開電路。 7/17/2022五、熱繼電器 熱繼電器用來保護電動機使之免受長期過載的危害。 通常用的熱繼電器有JR0、JR10及JR16等系列。熱繼電器的主要技術數據是整定電流。所謂整定電流，就是當熱元件中通過的電流超過此值的20%時，熱繼電器應當在20 min內動作。JR10-10型的整定電流從0.25 A到10 A，熱元件有17種規格; JR0-40型的整定電流從0.6 A到40 A

21、，熱元件有9種規格。 7/17/2022六、熔斷器 熔斷器是最簡便且有效的短路保護電器。 選擇熔絲的方法如下: （1）電燈支線的熔絲 熔絲額定電流支線上所有電燈的工作電流 （2）一臺電動機的熔絲 為了防止電動機啟動時電流較大而將熔絲燒斷，熔絲不能按電動機的額定電流來選擇。7/17/2022七、自動空氣斷路器 自動空氣斷路器也叫自動開關，是常用的一種低壓保護電器，可實現短路保護、過載保護和失壓保護。 7/17/20225.6 基本控制電路一、籠式電動機直接啟動的控制電路 7/17/2022采用上述控制電路還可實現短路保護、過載保護和零壓保護。 熱繼電器有兩相結構的，即有兩個熱元件分別串接在任意兩

22、相中。這樣不僅在電動機過載時起保護作用，而且當任意一相中的熔絲熔斷后做單相運行時，仍有一個或兩個熱元件中通有電流，電動機因而也得到保護。為了更可靠地保護電動機，熱繼電器做成三相結構，即有三個熱元件分別串接在各相中。 電動機直接啟動的控制電路可分為主電路和控制電路兩部分。主電路由三相電源、組合開關Q、熔斷器FU、交流接觸器KM（主觸點）、熱繼電器熱元件FR、三相異步電動機M構成。控制電路由按鈕SB、交流接觸器線圈KM、輔助觸點KM、熱繼電器常閉觸點FR構成。控制電路的功率很小，因此可以通過小功率的控制電路來控制功率較大的電動機。 7/17/2022二、籠式電動機正反轉的控制電路 7/17/202

23、2 當電動機正轉時，按下反轉啟動按鈕SBR，它的常閉觸點斷開，而使正轉交流接觸器的線圈KMF斷電，主觸點KMF斷開。與此同時，串接在反轉控制電路中的常閉觸點KMF恢復閉合，反轉交流接觸器的線圈通電，電動機就反轉。同時串接在正轉控制電路中的常閉觸點KMR斷開，起著聯鎖保護的作用。 在圖5-38（a）所示的控制電路中，正轉交流接觸器KMF的一個常閉輔助觸點串接在反轉交流接觸器KMR的線圈電路中，而反轉交流接觸器的一個常閉輔助觸點串接在正轉交流接觸器的線圈電路中，這兩個常閉觸點稱為聯鎖觸點。這樣一來，當按下正轉啟動按鈕SBF時，正轉交流接觸器線圈通電，主觸點KMF閉合，電動機正轉。與此同時，聯鎖觸點斷開了反轉交流接觸器KMR的線圈電路。因此，即使誤按反轉啟動按鈕SBR，反轉交流接觸器也不能動作。 7/17/20225.7 行程、時間控制電路一、行程開關 根據生產機械運動部件的位置進行控制稱為行程控制。行程控制可以分為限位控制和 往復運動控制，這兩種控制使用的電器元件是行程開關。 1.限位控制 7/17/20222.往復運動控制 生產機械的某個運動部件，如機床的工作臺，需要在一定的行程范圍內往復循環運動，以便連續加工，這種情況要求拖動運動部件的電動機必須能自動實現正、反轉控制。 7/17/2022三、時間控制 1.時間繼電器 （1）空氣式時間繼電器 空氣式時間繼電器的結構如圖5-44