第4章電機和控制電器4.1三相異步電動機

4.2三相異步電動機的啟動、調速與制動4.3三相異步電動機的銘牌4.4單相異步電動機4.5直流電動機4.6直流電動機的啟動、調整、轉向與制動4.7步進電動機的工作原理4.8常用控制電器介紹4.9三相異步電動機的轉向、行程及時間控制習題

4.1三相異步電動機

4.1.1三相異步電動機的結構

三相異步電動機主要由兩個基本部分組成，其固定不動部分稱定子，轉動部分稱轉子。

圖4.1是它的外形結構圖。

圖4.1三相異步電動機的外形結構

三相異步電動機的定子最外面是機座，它是由鑄造鐵或鑄鋼制成的。在機座內，裝有0.5mm厚的互相絕緣的硅鋼片疊成的圓筒形鐵芯，

硅鋼片的外形如圖4.2所示。

圖4.2定子的硅鋼片

鐵芯的內壁均勻地分布著很多的平行槽，槽內安放著三個與鐵芯絕緣的繞組，這就是三相定子繞組。三相繞組有三個起端和三個末端，從機座的接線盒內引出，如圖4.3所示，其中，圖4.3(a)的三相繞組接成Ｙ形，而圖4.3(b)的三相繞組連接成△形。三相定子繞組空間接成Ｙ形還是△形，取決于電動機每相繞組的額定電壓和額定電流。

圖4.3三相定子繞組的接法

三相異步電動機的轉子是由轉子鐵芯、轉子繞組、轉軸、軸承等組成的。轉子鐵芯是由硅鋼片疊成的圓柱形，其圓柱表面有很多均勻分布的平行槽，槽內裝入轉子繞組，然后固定在轉軸上。

硅鋼片如圖4.4所示。

圖4.4轉子鐵芯的硅鋼片

根據轉子繞組結構不同，可分為鼠籠式和繞線式兩種。鼠籠式的轉子繞組像一個鼠籠，如圖4.5所示。轉子鐵芯的平行槽內裝有銅條，兩端用端環短接。目前，100kW以下的鼠籠式異步電動機的轉子繞組端環及作冷卻的葉片一起用鋁鑄造成一體，

其外形如圖4.6所示。

其制作方法簡便，應用較廣。

圖4.5鼠籠式轉子

(a)籠型繞組；

(b)轉子外形

圖4.6鑄鋁鼠式轉子

繞線式轉子繞組與定子繞組相仿，也有三相繞組，它的三個末端連在一起，三個起端與固定在轉軸上的三個銅滑環相連，銅滑環與轉軸絕緣，通過電刷與外加變阻器相連。當電動機剛啟動時，串入電阻，隨著轉子轉速的增加，電阻逐漸減少，在正常運轉時，外加電阻一般轉到零位，如圖4.7所示。圖4.7繞線式轉子與外加變阻器的連接

4.1.2三相異步電動機的工作原理

1.旋轉磁場圖4.8所示為三相異步電動機最簡單的定子繞組。其三相繞組在空間彼此相隔120°，三個繞組的末端U2、V2、W2連在一起，三個首端U1、V1、W1分別接入三相電源，成Ｙ形連接，圖中標出各相電流的參考方向，其電流波形如圖4.9所示。

圖4.8三相定子繞組的布置

圖4.9三相對稱電流的波形

下面，選擇幾個時刻來分析三相定子繞組通入三相對稱電流后的合成磁場的分布情況。（1）t=0時刻：iU＝0，iV為負，說明電流實際從V2流進，從V1流出；IW為正，即實際電流從W1流進，從W2流出。應用右手螺旋定則，可判別出其合成磁場方向為自上而下，如圖4.10（a）所示。（2）時刻：iU為“正”，電流從U1流進，從U2流出;iV＝0；iW為“負”，電流從W2流進,從W1流出。再用右手螺旋定則，可確定其合成磁場沿順時針方向轉了120°，如圖4.10（b）所示。

(3）時刻:用類似的方法同樣可以判別出合成磁場又順時針轉了120°，如圖4.10（c）所示。（4）

t=T時刻:合成磁場又順時針轉了120°，即回復到原先t=0時刻的位置，如圖4.10（d）所示。圖4.10三相電流產生的旋轉磁場（p=1）

上述的旋轉磁場具有一對磁極（p=1），電流變化一周，旋轉磁場在空間也正好轉了一周。如果要合成一個兩對磁極的旋轉磁場，則必須把每相繞組的數目增加一倍，各線圈的始末端在空間彼此相隔60°，通入三相對稱電流，就可產生兩個Ｎ極和兩個S極，即p=2。假設三相交流電的頻率為f1，則旋轉磁場的轉速n1：在p=1時，n1＝60f1r/min；p=2時， 。依此類推，若存在p對磁極，則極旋轉磁場的轉速 并可發現電流變化一周，合成磁場在空間只轉了1／p周。

2.三相異步電動機的轉動原理

三相異步電動機的定子繞組接入三相對稱電流后，在定子空間產生了一個旋轉磁場。如其以n1轉速順時針方向旋轉，如圖4.11所示，與靜止的轉子產生相對運動，根據相對運動的原理和右手定則，產生出如圖中標出方向的感應電流。載流的轉子導體在磁場中又受到電磁力的作用，其方向可用左手定則判別，如圖4.11中所示，則一對電磁力對轉軸形成轉矩T，其作用方向同旋轉磁場的旋轉方向一致，因此，轉子就順著旋轉磁場的旋轉方向轉動起來。圖4.11異步電動機轉子轉速n總比旋轉磁場轉速n1慢，即n＜n1

。因此，這種電動機稱為異步電動機。如果n1=n時，則轉子與旋轉磁場之間無相對運動，因而也不存在感應電流，轉子轉矩即為零。n1與n的相對轉速n1-n與n1的比值稱為異步電動機的轉差率，用S表示，即（4-1）

轉差率S是分析異步電動機運行的一個重要參數。當電動機啟動時n=0，S＝1；當n=n1,S=0時，稱為理想空載情況。一般S值在2％～8％之間。例4-1有一臺三相異步電動機，其額定轉速n＝2900r/min，試求電動機在額定負載時的轉差率（電源頻率f1=50Hz）。解由于異步電動機的額定轉速接近而小于旋轉磁場轉速，根據旋轉磁場轉速得p=1,即因此，額定轉差率

4.2三相異步電動機的啟動、調速與制動

4.2.1三相異步電動機的啟動

1.直接啟動

直接啟動是定子繞組直接加上額定電壓來啟動的方法。這種啟動方法，設備簡單啟動快，但啟動電流較大。在低壓（500V以下）公用電網供電的系統中，電動機容量不超過10kW時，容許直接啟動。而專用變壓器供電系統中，單臺電動機容量不超過變壓器容量的20％～30％時，也允許直接啟動。

2.降壓啟動這種方法是在電動機啟動時降低加在定子繞組上的電壓，當電動機轉速升高接近穩定時，再加上全部額定電壓，以正常運行的方法。由于降低了啟動電壓，故而啟動電流較小，但由于啟動轉矩也隨之減小，因此這種啟動方法只適用于輕載和空載下啟動。

常用的降壓啟動方法有以下幾種：（1）定子繞組串接入電阻啟動。這種啟動方法如圖4.12所示。啟動時，先合上開關QS1，啟動電流經限流電阻Ｒ到三相繞組，故而啟動電流減小，電機開始運轉，轉速逐漸上升，待轉速穩定時，再合上開關QS2。其作用是將電阻Ｒ短接，使三相繞組獲得全部的電源電壓。這種啟動方法，會使啟動電流在電阻Ｒ上損耗一定的電能。

（2）Ｙ—△換接啟動。這種啟動方法只適用于正常工作時定子繞組是三角形連接的，而且只在啟動時將它接成Y形，如圖4.13所示。啟動時，將轉換開關QS2投向下方啟動位置，此時三相定子繞組接成Ｙ形，然后合上開關QS1。待轉速上升至穩定狀態，再將轉換開關QS2投向上方，使三相定子繞組接成△形。經計算，Ｙ—△換接啟動，啟動電流僅為直接啟動電流的1/3，當然其啟動轉矩也僅為直接啟動轉矩的1/3，因此只能輕載或空載時啟動。圖4.12串接電阻啟動線路

圖4.13

Y—△換接啟動線路

（3）自耦變壓器降壓啟動。這種啟動方法是將三相定子繞組接到三相變壓器的副邊，利用變壓器降壓作用，將啟動電壓減小來達到減小啟動電流的目的，如圖4.14所示。啟動時合上開關QS1，將轉換開關QS2放在啟動位置，這時定子繞組接在變壓器副邊，此時降低了的電源電壓使啟動電流減小，待轉速逐漸上升到穩態時，再將轉換開關QS2放在工作位置，自耦變壓器被切除，

定子繞組直接接至電源電壓。

圖4.14自耦變壓器降壓啟動線路

4.2.2三相異步電動機的調速

有些生產機械需要有各種轉速工作，這就需要電動機能夠調速。調速是指用人工的辦法，在同一負載下，使電動機由某一轉速值變為另一轉速值。由電動機轉差率 及 的旋轉磁場轉速公式可得

(4-2)因此，異步電動機的轉速可以由以下幾種方法調速。

1.改變定子繞組的電流頻率f1

這是一種比較先進的方法，能夠實現平滑無級調速。隨著電力電子技術的發展，其越來越廣泛地被用于自動化生產中的電動機調速，甚至某些家用電器。由于我國的工頻電源頻率是50Ｈｚ，要改變它需要有一套專用裝置，如交流-直流-交流變頻裝置和交流-交流變頻裝置等。

2.改變定子繞組的磁極對數p改變電動機定子繞組的接法可改變其磁極對數，從而改變電動機轉速。由于極對數是成倍變化的，故而這種調速方法不能無限調速。采用這種方法的電動機的每相繞組必須是由兩個相同的部分組成的，如圖4.15(a)、(b)所示。U相繞組U1U2和可以接成串聯，也可接成并聯。串聯時，空間分布磁場極對數p=2，而并聯時，極對數p=1，從而達到調速的目的。鼠籠式異步電動機大多數采用這種方法調速，但一般不超過4速。雙速電動機應用最廣。圖4.15改變磁極對數p的調速

3.改變轉差率S調速這種方法適用于繞線式電動機。將電動機中的轉子電路串入電阻，只要調節電阻值大小，便可調速。這種調速方法能獲得平滑的調速，但由于調節電阻的能量損耗較大，故而不太經濟，僅適用于起重設備等恒轉矩的負載。

4.2.3三相異步電動機的制動

1.反接制動

將電動機電源切斷后，再將其接到電源的三根相線中的任意兩根對調位置，此時電動機便有反轉旋轉磁場產生，但轉子由于慣性仍按原方向轉動，因此產生的反轉電磁通量轉矩迫使電動機迅速減速，如圖4.16所示。當轉速接近于零時，再將反接電源切斷，從而達到制動的目的。這種制動方法，設備簡單，制動迅速，但機械沖擊較大，制動時，電源的電流很大，

一般用于不經常制動的場合。

圖4.16反接制動

2.能耗制動

將電動機三相電源切斷，同時通入直流電，如圖4.17所示，這時，在定子和轉子間產生了一個固定的不旋轉的磁場，但轉子由于慣性仍按原轉向轉動，轉子導線切割磁力線產生了一個與原轉向相反的電磁轉矩，

使電動機迅速停轉。

圖4.17能耗制動

4.3三相異步電動機的銘牌

表4-1異步電動機的銘牌

1.型號

Y160M-6Y——三相異步電動機。160——機座中心高（mm）。M——機座長度代號(L為長機座；M為中機座；S為短機座)。6——磁極數。此外有：YR——繞線式異步電動機；YZ——起重冶金用異步電動機；YB——防爆型異步電動機；YQ——高啟動轉矩異步電動機。

2.(額定)頻率

(額定)頻率是加在電動機定子繞組上的交流電源頻率。我國的工頻規定為50Hz。

3.(額定)電壓

(額定)電壓是電動機在額定運行狀態時加到定子繞組上的電源線電壓值。

4.(額定)功率

(額定)功率是電動機在(額定)電壓、(額定)頻率下，額定負載運行工作狀態下電動機軸上的輸出機械功率，又稱為電動機容量。根據電動機的(額定)功率、(額定)轉速，可求出電動機的額定轉矩

（4-3）

式中，pN單位為kW，nN的單位為r/min。

5.(額定)電流

(額定)電流是電動機在額定運行狀態下，定子繞組上的線電流值。

6.(額定)轉速

(額定)轉速是電動機在額定運行狀態下的轉子轉速,單位為轉/分（r/min）。

7.接法

接法指電動機在額定電壓作用下的三相定子繞組的連接方式。由于電動機的額定電壓為定值，若電源的線電壓不同，則電動機定子繞組的接法就不同。如電動機定子繞組額定電壓UN=220V，而電源線電壓為220V時，則電動機三相定子繞組應接成△形；如電源線電壓為380V，則電動機應接成Y形。故而有些電動機銘牌上標為220V/380V，

△/Y即為此意。

當然額定電流也有××A/××A兩種。

8.絕緣等級

絕緣等級是指電動機定子繞組所用絕緣材料允許的最高溫度等級。有A、E、B、F、H、C幾種等級。它們的極限工作溫度分別是105℃、120℃、130℃、155℃、180℃和大于180℃。

9.工作方式

工作方式指電動機正常連續使用時，允許連續運轉的時間，一般分連續、短時和斷續三種工作方式。

※4.4單相異步電動機

4.4.1單相異步電動機的工作原理當單相交流電流流入單相定子繞組時（見圖4.18），就在電動機繞組軸線ＹＹ上產生一個交變的脈動磁場，其方向垂直向上或垂直向下，其磁場的磁通按正弦規律分布（見圖4.19），

可見該磁場在空間是不旋轉的。

圖4.18最簡單的單相異步電動機圖4.19

ＹＹ位置脈動磁場的磁感應強度隨時間的變化曲線

圖4.20合成轉矩

4.4.2電容分相式異步電動機

在實際工作中，是如何形成外力（啟動轉矩）使單相異步電動機轉子轉起來的呢？電容分相原理是可以解決啟動轉矩的問題的。這種異步電動機的定子繞組有兩組：一組稱為主繞組Ｌ1（又稱工作繞組），另一組稱為輔助繞組Ｌ2（又稱啟動繞組）。它們在定子鐵芯中空間位置相隔90°。輔助繞組Ｌ2與電容Ｃ相串聯,經離心開關S（或直接）與主繞組并聯，接于單相交流電源上，

如圖4.21所示。

圖4.21電容分相式異步電動機線路(a)電容啟動式；

(b)電容運轉式

只要適當地選取電容Ｃ，就能使通入繞組Ｌ2的電流i2導前90°于繞組Ｌ1的電流i1，如圖4.22所示，這就稱為電容分相法。此時，電動機定子電流就能產生一個如圖4.23所示的旋轉磁場（過程自行分析）。在這個旋轉磁場的作用下，鼠籠式轉子上就受到了一個同向的電磁轉矩，跟著轉起來。當轉子轉速接近額定轉速80％時，離心開關S打開，切斷了輔助繞組(見圖4.21（a))，稱為電容啟動式電動機。如果不裝離心開關，啟動后，輔助繞組中始終有電流流過(見圖4.21(b))，稱為電容運轉式電動機。圖4.22兩相繞組中的電流波形

圖4.23單相異步電動機的旋轉磁場

如果要電動機反轉只要換接任意一組繞組的電源接線端即可，如圖4.24所示。其中S為換接開關，當S接到2位置時，電容Ｃ與繞組A串聯，即A為輔助繞組；當S接到1位置時，B為輔助繞組。若S接1時電動機正轉的話，那么S接2時，電動機應反轉（過程請自行分析）。當S在1、2間轉換時，即實現異步電動機的正、反轉控制。一般家用洗衣機的異步電動機的正、反轉就是用此方法來控制的。圖4.24電容分相式異步電動機正、反轉控制線路

4.4.3罩極式異步電動機

罩極式異步電動機如圖4.25（a）所示。在凸出的磁極上有一凹槽，把磁極分成兩部分p1和p2。在p2上嵌有短路銅環，相當于一個副繞組，稱為被罩部分。當磁極的激磁繞組通入交流電流后，產生磁通，分為兩部分Φ1和Φ2，如圖4.25（b）所示。由于短路銅環的作用，產生的感應電流阻礙其磁通Φ2的變化，所以被罩部分的磁極p2中的磁通Φ2在相位上滯后磁極p1中的磁通Φ1，即磁通在空間部分分成兩束。由于Φ1和Φ2在空間的位置不同，時間上又有相位差，這樣就產生一個合成移動磁場。在這移動磁場的作用下，轉子就沿著磁極p1向磁極p2方向轉動起來了。圖4.25罩極式單相異步電動機的基本結構和磁通分布（a)基本構造；

(b)磁通分布

4.5直

流

電

動

機

4.5.1直流電動機的工作原理直流電動機由固定的磁極和旋轉的電樞所組成，如圖4.26所示。圖中，有一對固定Ｎ、S磁極（一般由勵磁繞組通入直流電產生）。在電樞鐵芯上，安裝著一個與鐵芯絕緣的線圈，其兩個端點與兩個半圓形的銅換向片連接，兩個固定的電刷A和B緊壓在兩個換向片上，并與直流電源相接。電流從電刷A流入，經換向片與直流電源相接。電流從電刷A流入，經換向片與線圈的上面一段導線1相連，導線1電流流入用表示，而線圈的下面一段導線2電流流出用⊙表示，再從電刷B流回電流。載流導體1和2在磁場中要受到電磁力的作用。力的方向可用左手定則確定。對轉軸產生了一個逆時針轉向的電磁轉矩，使電樞按逆時針方向旋轉起來。

圖4.26直流電動機當電樞轉過90°時，兩個線圈導線1、2處于水平位置。此時，導線中沒有電流流過，電磁轉矩也消失，但由于慣性的作用，電樞仍能轉過一個角度。這時，電刷A、B分別與導線2、1相連，線圈中又有電流流入，此時,電流流向為：電源正極→電刷A→導線2→導線1→電刷B→電源負極，即所謂“換向”，但Ｎ、S極下導線中的電流流向不變，故而電磁轉矩方向不變，電樞仍按逆時針方向旋轉。由于一個線圈的電磁轉矩太小，故而實際直流電動機是由多個線圈與換向器相連的。經數學計算，

電樞產生的電磁轉矩可由下式決定：

式中,CT為電機常數（與電動機構造有關，對于某臺電動機，CT為定值）；Φ為每極磁通量；IS為電樞電流。

直流電動機旋轉后，線圈的上、下兩邊導線1、2不斷切割磁力線而被感應出電動勢，感應電動勢的方向可用右手定則判別，其方向與電樞電流的流向相反，故而被稱為反電動勢。

其大小由下式表示：

E反=CTΦn

（4-5）

式中,CT為電機常數；Φ為每極磁通量；n為電樞轉速。因此，

直流電動機的電壓平衡方程式為

U=E反+ISRS

式中，RS為電樞電阻。

4.5.2直流電動機的分類

勵磁式電機根據勵磁繞組的接法不同可分為四類。

(1)他勵式直流電動機：這種電機的勵磁繞組和電樞繞組各自分開。勵磁電流由另外單獨的直流電源提供，如圖4.27所示。由于這種電機的勵磁電流僅取決于他勵電源，而不受電樞端電壓的影響，

因而稱為他勵式。

圖4.27他勵式電動機

圖4.28并勵式電動機

(2)并勵式直流電動機：這種電機的勵磁繞組和電樞繞組并聯，如圖4.28所示。電子勵磁繞組承受了電樞兩端的全部電壓，為了減小繞組的銅損耗，勵磁電流越小越好，故繞組的匝數較多，導線較細。

(3)串勵式直流電動機：這種電機的勵磁繞組和電樞繞組串聯，如圖4.29所示。為了減小勵磁繞組的電壓降和銅損耗，繞組應具有較小的電阻，因此它一般用截面較大的導線，且匝數較小。圖4.29串勵式電動機

(4)復勵式直流電動機：這種電機有兩個勵磁繞組，一個同電樞并聯，一個同電樞串聯，如圖4.30所示。

永磁式直流電動機在電路中符號如圖4.31所示。

圖4.30復勵式電動機

圖4.31永磁式電動機

4.5.3直流電動機的結構

直流電動機由靜止不動的定子和會轉動的電樞所組成，圖4.32是其外形結構，其定子由磁極、勵磁繞組、機座、電刷裝置等組成（永磁式直流電動機磁極由永久磁鐵組成，沒有勵磁繞組）。磁極的極心用1～1.5mm厚的鋼片由鉚釘鉚合而成，勵磁繞組套在極心上，然后用螺栓固定在機座上，如圖4.33所示。機座由鑄鋼或鑄鐵制成，它是磁路的一部分，用于固定磁極、電刷架、端蓋等部件。

圖4.32直流電動機外形結構

圖4.33磁極和勵磁繞組

圖4.34電樞圖4.35換向器的外形圖直流電動機的電樞由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器組成，圖4.34(a)為電樞鐵芯中的硅鋼片外形，把它疊成圖4.34(b)所示的圓筒形，上面的凹槽內放置電樞繞組。繞組按一定的規則和換向器上的換向片相連。

圖4.35為換向器外形圖。電刷一般由石墨組成，安裝在刷架上，用彈簧將它壓緊在換向器上。

4.6直流電動機的啟動、調整、轉向與制動

4.6.1直流電動機的啟動

直流電動機剛接入電源啟動時，因為電動機轉速等于零，電樞上的反電動勢為零，故而外加電壓全部加到電樞電阻上，而電樞電阻一般都較小，此時電動機的電樞電流會很大，即啟動電流

例如，一臺直流電動機的額定電壓為220V，電樞電阻為0.4Ω，其額定電流為50A，則直接啟動時的電流

這樣大的啟動電流（為額定電流的11倍），會使直流電動機的換向器形成火花而燒壞。因此啟動時，必須在電樞電路中串入電阻或降低電源電壓，以限制其啟動電流，但又要考慮啟動轉矩不因啟動電流減小太多而影響啟動能力，一般限制在1.5～2.5倍額定電流。如圖4.36所示為并勵式直流電動機的啟動線路圖。啟動時將啟動變阻器RSt放到最大位置，隨著電動機轉速的逐漸升高，逐步減小啟動變阻器RSt,最后使它短接，而此時磁場變阻Rf調到最小，增加磁通Φ，使電動機的電磁轉矩增大，

增加啟動能力。

汽車啟動機采用串勵式直流電動機，即勵磁繞組與電樞繞組串聯，如圖4.37所示。啟動時，可使電流達到最大（約100多安培），此時電樞的輸出轉矩也最大，使汽車很容易啟動。而汽車啟動機允許短時間超載工作。串勵式比并勵式直流電動機的啟動轉矩要大得多。

圖4.36并勵式電動機啟動線路

圖4.37串勵式電動機的線路

4.6.2直流電動機的調速

直流電動機的調速一般有以下三種方法。以并勵式直流電動機為例，根據式（4-5）和（4-6）可得到電動機轉速為

我們可以通過改變Φ、RS和U來進行調速。

1.改變磁極磁通Φ改變磁通Φ值的大小，可以改變轉速n。為此在勵磁電路中串接一只磁場變阻Rf，如圖4.38所示。如把磁場變阻器阻值增加，則激磁電流減小，磁通也隨之減小，電動機的轉速升高；反之，磁場變阻器阻值減小，則電動機的轉速降低。

由于并勵式電動機的勵磁電流較小，而在調速過程中能量耗損也較小，故而實際使用中應用較廣。

串勵式直流電動機也可采用改變磁通Φ來調速，不過此時磁場變阻Rf必須與激磁繞組并聯，如圖4.39所示。磁場變阻器阻值減小，通過變阻器的電流增大，而激磁繞組的電流減小，磁通Φ減小，電動機轉速升高；反之，則轉速降低。

以改變磁極磁通Φ來調速，電動機的轉速能在其額定轉速以上平滑調節。但轉速增高受到電樞機械強度的制動，一般不超過額定轉速的20％。

圖4.38并勵式電動機改變Φ的調速線路

圖4.39串勵式電動機改變Φ的調速線路

2.改變電樞電路中的電阻

在電樞電路中串聯一個可調變阻器RSC，如圖4.40所示。當阻值RSC增大時，電樞電流ISC減小，則轉速降低，反之，RSC減小時，電動機轉速將升高。由于電樞電流一般較大，故而調速電阻RSC要消耗大量的能量，不太經濟。另外，還會使電動機的機械特性變軟。采用這種調速方法，只能使電動機的轉速在額定值以下作比較平滑的調節。圖4.40電樞電路中串接電阻調速

3.改變電源電壓U

由公式 ，若保持激磁電路中磁通Φ不變，則改變電動機的直流電源電壓U，可以實現平滑調節。但應注意U不能超過額定電壓。改變直流電源電壓，過去采用直流發電機，現在大多數采用晶閘管整流電源。4.6.3直流電動機的轉向

改變直流電動機的轉向，由直流電動機的工作原理可知，只要改變其電樞電流方向或者改變勵磁電流方向即可。但兩者只能取一，通常是采用改變電樞電流方向的方法。因為勵磁電路的電感較大，故而反接時會產生很高的感應電動勢而擊穿勵磁繞組。

4.6.4直流電動機的制動

為了使直流電動機切斷電源后能迅速停止轉動，需要對電動機采取制動方法。如圖4.41所示即為其中的一種稱為能耗制動的方法。當轉換開關S由1轉至2時，電動機電樞電路與電源脫離，而與某一電阻元件Ｒ相連形成回路。如圖4.42（a）所示，由于電動機的電樞具有慣性，繼續旋轉，而電動機勵磁電路仍在繼續工作，因此電樞繞組切割磁力線產生感應電動勢，并且方向也不變。不過此時電動機變為發電機狀態向電阻元件Ｒ供電，其電流方向與感應電動勢方向一致，而此方向與原來電動機的工作狀態正好相反(見圖4.42（b）)。此時電流在磁場中產生的一對制動電磁力FB對轉軸產生的制動轉矩TB與電動機電樞轉向相反，因而電動機迅速停轉。

圖4.41能耗制動的線路

圖4.42制動電磁力F的產生示意圖

(a)電動機運行時；

(b)發電機運行時

※4.7步進電動機的工作原理

圖4.43反應式步進電動機工作示意圖

1.單三拍

當A相繞組單獨先通入脈沖直流電，定子與轉子的氣隙間即產生一個磁場，其磁場方向與A相繞組軸線重合一致。這時轉子被磁化。根據磁力線力圖通過磁阻最小路徑的性質，轉子轉到與A相繞組軸一致，如圖4.43所示位置。接著B相繞組單獨通入脈沖直流電，定子與轉子間的氣隙磁場方向又與B相繞組軸線一致，則轉子就又要轉到B相繞組軸線處，使轉子在空間轉了60°,接著Ｃ相單獨通入脈沖直流電，轉子又在空間轉了60°。如果定子繞組按A-B-Ｃ-A……順序分別通電，轉子就會沿著順時針60°一次轉一個角度，持續旋轉下去。我們將轉子在空間每旋轉一個角度，稱為前進了一步。這個角度稱為步進角θ。而將從一相通入脈沖信號換接到另一相通電稱為一拍。反應式步進電動機每經一拍，轉子就前進一步。上述的通電方式稱為“單三拍”。所謂“單”指的是每次只有1個繞組單獨通電。

2.六拍

如果A相不斷電的情況下又接通B相，此時定子A相繞組產生的磁場和B相繞組產生的磁場共同作用，使轉子不能順時針旋轉60°，只能旋轉30°，故步進角將減小一半。此后如果按A-AB-B-BC-C-CA方式順序通電斷電，則轉子將按θ/2步進角以順時針方向旋轉。

這種通電方式稱為六拍。

上述最簡單的步進電動機的步進角太大，在實際中不適用。圖4.44所示是一種實際的三相反應式步進電動機示意圖。在每個定子磁極上和轉子表面增加了小齒，定子與轉子的齒距相同，齒數適當，使得在一對磁極下的定子與轉子的小齒一一正對應，如圖中A相繞組，而下一相繞組（如B相）的定子與轉子的小齒，正好錯開齒距（設為t）的相數（設為m）分之一（即為t/m），而再下一相繞組（如Ｃ相）的定子與轉子的小齒又錯開了2t/m。依次推算下去，在定子繞組磁場作用下，步進電動機每運行一拍，轉子則轉過相當于t/m齒距的角度θ

即有式中：z為轉子齒數；N為轉子轉過一個齒距的運行節拍數。

圖4.44三相反應式步進電動機工作示意圖

因此，步進電動機通電N拍，轉子則轉過Nθ的角度，相當于一個齒距。如目前常見的三相反應式步進電動機定子有6個磁極，每個磁極上有5個齒，轉子有40個齒，此種電動機按單三拍通電，θ=3°，若按六拍通電,θ=1.5°。4.8常用控制電器介紹

4.8.1開關

開關的作用是切斷和閉合電路。根據實際生產的需要，開關分為閘刀開關、鐵殼開關、行程開關、轉換開關、組合開關等。下面介紹其中常用的一種組合開關，如圖4.45所示為其結構圖。它有三對靜觸片、三對動觸片。靜觸片固定在絕緣墊板上，一端與接線柱相連，以便與負載或電源線相接。三對動觸片固定在中間絕緣轉軸上，轉軸通過手柄，每旋轉90°，實現動、靜觸片接通或斷開一次。

圖4.45組合開關結構(a)外形；

(b)符號

4.8.2按鈕按鈕是在電力拖動中，發出主令的電器。如圖4.46所示為其結構剖面圖及符號。它有一對固定的靜觸頭，中間動觸頭連在絕緣桿上。當按下按鈕帽時，上面一對常閉觸頭，動斷時先被打開，而下面一對常開觸頭，動合時后被接通。放開按鈕帽時，在彈簧作用下，動斷觸點復位閉合，動合觸點復位打開。

圖4.46按鈕(a)剖面圖；

(b)圖形符號

4.8.3接觸器

接觸器是為了能頻繁啟動或實現遠距離控制而設計的一種自動開關，其工作原理是通過通電線圈產生電磁吸力來實現開關功能的。其按取用的電源不同而分為交流接觸器和直流接觸器。接觸器的主要組成部分有電磁鐵和觸點。如圖4.47所示為常用的ＣＪ10型交流接觸器的外形、

結構示意圖及符號。

圖4.47CJ10型交流接觸器(a)CJ10-10；

(b)CJ10-20；

(c)結構示意圖；

(d)圖形符號

一組動合觸點經連桿與電磁鐵的動鐵芯絕緣地連在一起，而一組靜觸點固定在絕緣殼體上，當電磁鐵吸引線圈尚未通電時，互相分開的觸點稱為動合觸點，又稱常開觸點。而互相閉合的觸點稱為動斷觸點，又稱常閉觸點。當吸引線圈加上額定電壓后，電磁鐵產生吸力，將動鐵芯吸合，帶動連桿，使動合觸點接通，而動斷觸點打開。當吸引線圈斷電時，由于彈簧的作用，將動鐵芯釋放，恢復成原來的狀態。因此，只要控制吸引線圈的通電或斷電，即可控制觸點的接通與斷開，從而達到控制電路通斷的目的。

交流接觸器的額定電壓有36V、110V、220V和380V，額定電流有5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A等。在實際使用中，則按電源電壓和負載大小而定。

4.8.4熔斷器

熔斷器俗稱保險絲，它是一種短路保護電器。它有管式、插入式、螺旋式等，如圖4.48所示。其中的熔絲、熔片用電阻率較高的易熔合金制成。當正常工作時，流過熔體的電流小于它的額定電流，熔體不熔斷，而一旦電路發生短路或嚴重過載時，熔體便立即熔斷，從而切斷了電源，保護了電器。

圖4.48熔斷器外形(a)管式；

(b)插入式；

(c)螺旋式

熔絲或熔片的選擇應根據電路的具體情況而定。在照明、電熱線路中，熔絲的額定電流應等于或稍大于負載的額定電流。若負載是電動機，

應根據下式選擇：

頻繁啟動的電動機，上式分母取1.6～2.0。

4.8.5熱繼電器繼電器是一種傳遞信號的電器，按照輸入信號切斷和閉合電路。它的輸入信號可以是溫度、速度、壓力等非電量，也可以是電流、電壓，而輸出的是觸點通斷信號。熱繼電器是利用電流的熱效應而動作的電器，其通常用來保護電動機過載。如圖4.49所示為其結構示意圖。

圖4.49熱繼電器結構示意圖

4.9三相異步電動機的轉向、行程及時間控制

4.9.1三相異步電動機的直接啟動、點動及正反轉控制

1.直接啟動控制線路

如圖4.50所示是異步電動機直接啟動控制線路圖。接通電源開關QS，按下啟動按鈕SB1，

則電流路徑為：

接觸器ＫＭ吸引線圈得電，使所有動合觸點閉合，電動機得電而開始向一個方向旋轉啟動。當放開SB1按鈕時，由于并聯在其兩端的接觸器ＫＭ一對輔助動合觸點已閉合，故而不影響接觸器ＫＭ吸引線圈得電，電動機正常運轉。接觸器ＫＭ這一對輔助動合觸點的作用稱為自鎖，而這對輔助動合觸點亦稱為自鎖觸點。如欲使電動機停轉，只要按下停止按鈕SB2，便可切斷接觸器吸引線圈的通電回路，失電而使動合觸點斷開，電動機失電停轉。圖4.50異步電動機直接啟動控制線路圖

該電路具有三種保護作用：①短路保護作用——熔斷器FU擔任。②欠壓保護——接觸器KM吸引線圈擔任。當電源電壓低于額定電壓值時，吸引線圈因電源電壓過低而不能克服彈簧作用吸引動鐵芯，故而不能使動合觸點閉合，從而避免了電源電壓過低而造成電動機轉矩下降，從而影響電動機的正常運轉。

③過載保護——熱繼電器FR擔任。當電動機過載時造成電流過大，從而使熱繼電器通過發熱元件而使雙金屬片動作，打開FR的常閉觸點，切斷了接觸器吸引線圈的供電，打開動合觸點KM，電動機失電停轉，從而避免了電動機的損壞。

2.點動控制線路

生產實際中，有時需要點動控制，如車床夾件的調整狀態，要求按下按鈕，電動機轉動；而放開按鈕，電動機便要停止。按要求只要將上述線路中自鎖回路切斷即可。

如圖4.51所示即為三相異步電動機的點動或連續控制線路圖。

圖4.51三相異步電動機的點動或連續控制線路圖

此電路既能點動控制，又能直接連續控制。按下點動按鈕SB，其動斷、動合觸點聯動（如圖中虛線連接），接觸器KM吸引線圈經SB動合觸點通電后，電動機運轉，此時SB動斷觸點切斷接觸器KM的自鎖回路。釋放SB按鈕后，接觸器KM吸引線圈失電而使電動機停轉。若按下按鈕SB1，便可連續工作。

3.正反轉控制線路

在生產上，許多機械都要有正、反兩個方向的運動。這就要求拖動的電動機能夠實現正轉和反轉。從三相異步電動機工作原理中知道，只要換接定子繞組三相電源進線中的任意兩根線即可實現反轉。

如圖4.52所示即為其控制線路。

圖4.52電動機正、

反轉控制線路

其過程是：先合上電源開關QS，再按以下步驟操作：①正轉。按下正轉按鈕SB1，電流路徑為：

B相→停止鈕SB3→SB2鈕動斷觸點→SB1鈕動合觸點→接觸器KM2輔助動斷觸點→接觸器KM1吸引線圈→熱繼電器FR動斷觸點→C相→輔助動合觸點KM1閉合→自鎖→接觸器KM1吸合→主動合觸點KM1閉合→電動機得電正轉→輔助動斷觸點KM1斷開

②停止。按下停轉按鈕SB3，切斷接觸器KM1吸引線圈回路，使接觸器KM1釋放，電動機失電而停轉。③反轉。按下反轉按鈕SB2，電動機便反轉，其工作過程請自行分析。在電動機正、反轉電路中，接觸器KM1和KM2是不允許同時接通的，否則會造成電源短路、接觸器主動合觸點燒壞等事故。為了保證電路能正常工作，電路采用了互鎖保護，即接觸器KM1吸合時，不允許接觸器KM2得電吸合；而接觸器KM2吸合時，也不允許接觸器KM1得電吸合。電路中采用了以下兩重互鎖保護電路：

①接觸器互鎖。分別將接觸器的輔助動斷觸點接入另一接觸器的控制回路。當接觸器KM1得電吸合時，其輔助動斷觸點打開，切斷了接觸器KM2吸引線圈的電路，保證KM2不能吸合。同樣,接觸器KM1的吸引線圈也串入接觸器KM2的輔助動斷觸點，實現互鎖。

②按鈕互鎖。正、反轉按鈕將各自聯動的動斷觸點串入對方控制線路，當按下正轉按鈕SB1時，其動斷觸點先切斷了反轉控制電路，然后動合觸點再接通正轉控制電路（見按鈕結構圖）。同理，反轉按鈕SB2按下時，先切斷了正轉控制電路，再接通反轉控制電路而實現了互鎖。按鈕互