三相异步电动机及控制电路

授课日期2013 年 1 月 17 日授课班级授课时间90分钟课题名称三相异步电动机的工作原理及控制电路教学目标知识目标：了解:二相异步电动机的结构及工作原理掌握:三相异步电动机的启动，制动，反转，调速技能目标：通过学习，能够对电动机结构有一定的了解。德育目标：认识掌握电动机在生活中的重要性，增强做一名技工的 责任感和荣誉感。教学重点与难点重点:电动机的启动，制动。难点:电动机制动。教学关键1. 电动机的工作原理2. 电动机的控制课的类型新课教 具电动机、电工工具及自制课件教学类型综合型教学方法启发式教学法三相异步电动机的工作原理及控制电路三相异步电动机和其他电动机想比较，具有结构简单，制造方便、运行可靠、价 格低廉等一系列优点，因此应用广泛。三相异步电动机的原理和结构一、三相异步电动机的工作原理（一）、三相交流电机的旋转磁场1、旋转磁场的产生：三相交流电通给三相定子绕组（三个线圈彼此互隔1200分布在定子铁心内圆的圆周上）经过画图分析不同时间产生的磁场的位置，发现旋转磁场，并找出其特点2、旋转磁场的特点：大小不变，以一个转速向某一个方向旋转，这个转速把它命名为旋转磁场的同步转速n1 =60 f / P（f为电源频率；P为磁极对数）3、思考：如何改变旋转磁场的方向方法：任意调换三相电源中的任意两根相线（交换两根相线即改变了三相电源的相序， 从而可以改变旋转磁场的方向）（二）、三相异步电动机的工作原理1、分析工作原理：三相电通给定子绕组，产生旋转磁场，静止的转子相对于旋转磁 场有一个相对的切割磁力线的运动，产生感应电动势，产生感应电流，转子绕组上有 了电流，在磁场中会受到电磁力的作用，形成电磁转矩T,驱动转子旋转起来，实现 了电能转换成机械能的目的。2、体会“三相异步电动机”名称的由来：“三相”：三相电通入三相定子绕组“异步”：不同步，肉眼看不见的旋转磁场转速n1和看到的转子转速死大小不同（方 向相同），且n1 n2“电动机”：最终实现了电能转换成机械能3、简化模型：在三相异步电动机的工作原理中:给定子绕组 通电，然后转子绕组通过电磁感应产生电，这 一点与变压器相似（一次侧通电，二次侧感应 出电），所以经常为了分析的方便将三相异步电动机的结构比作变压器，如右图：定子绕组转子绕组4、思考：如何改变转子旋转的方向方法：通过任意调换两相电流的相序，改变旋转磁场的方向，就改变了转子的旋转方向5、转差率 S=（n1-n）/n1转子从静止开始运行，转差率S是从1趋向于0 （但不能等于0，0S 1）二、三相异步电动机的基本结构1、三相异步电动机的结构基本结构：定子有定子铁心和定子绕组转子有转子铁心和转子绕组定子与转子之间的气隙材料：铁心均由硅钢片叠压而成；转子绕组：可分为笼型和绕线型（其中笼型因结构简单等得到广泛应用）三、三相异步电动机的铭牌数据1、额定容量（功率）P （单位：KW）N含义：指转轴上输出的机械功率表达式：机械功率二电动机的有功功率X电动机效率2、额定电压U （单位：V）：加在定子绕组上的线电压N3、额定电流In （单位：A）：输入定子绕组的线电流4、额定转速nN （单位：r/min）5、额定频率fN （单位：HZ）：我国工频为50HZ6、绝缘等级7、接法：定子绕组有Y和两种接法三相异步电动机的起动、起动要求：1. 应有足够大的起动转矩T ；S2. 在保证Ts足够大前提下，起动电流Is越小越好二、笼型异步电动机的起动（）、直接起动（全压起动）1、分析过程：在起动瞬间n=0,切割旋转磁场的速度最快，所以产生的感应电动势和感应电流最大，相对应的定子绕组的起动电流过大，是额定电流（4-7）倍；2、存在问题：（1）起动电流过大，引起电网电压明显降低和电机发热（2）起动转矩由于磁通和功率因素低，所以起动转矩Ts并不大，若低于负载转矩，则无法带动负载起动故一般直接起动只适用于小型的笼型异步电动机（与电源容量相比），可按经验公式来确定是否能直接起动（二）、笼型异步电动机的减压起动为了能安全起动，对笼型异步电动机实行减压起动1. 定子串接电抗器或电阻的减压起动方法：起动时，电抗器或电阻接入定子电路；起动后，切除电抗器或电阻，进行 正常运行特点：能耗较大，实际应用不多，不深入研究。2. Y-A起动方法：起动时将定子接成Y形，运行时定子绕组接成形研究起动情况： 气二1/3 *启左TsY=1/3 * Ts适用场所：运行于形的笼型异步电动机，轻载起动3. 自耦变压器起动方法：起动时接入自耦变压器，运行时切除自耦变压器全压运行研究起动情况：Is=k2 * Is Ts=k2 * Ts （k为变压比且k 1） 适用场所：轻载起动总结：笼型异步电动机的降压起动可以降低起动电流的大小，但与此同时起动 转矩也减小了，所以它只适用于轻载起动三、三相异步电动机的调速由转差率公式 S=（n1-n）/n1 得：n= n1 （1-S）=60f 1 （1-s）/p所以调速方法有：1、改变定子绕组的磁极对数p变极调速2、改变供电电网的频率f变频调速3、改变定电动机的转差率S，方法有改变电压调速、绕线式电机转子串电阻调速和串级调速。（一）、变极调速方法：通常用改变定子绕组的接法来改变磁极对数，转子均采用笼型转子原理：将定子绕组串联，P大，电动机低速运行；将定子绕组并联，P小，电动机高 速运行接线方式：（低速）/YY （高速）、Y （低速）/YY （高速）等（二）、变频调速方法：改变电源频率注意点：电源频率降低调速时，若电源电压不变时，则磁通将增加，是铁心饱和,从而导致铁损增加，这是不允许的。因此在变频调速的同时，为了保证磁通 不变，就必须降低电源电压。使U/七为常数。（三）、改变转差率S1、改变定子电压调速适用场所：笼型异步电动机，向下调速特点：调速范围很宽，缺点是低压时机械特性太软，转速变化大2、转子串电阻调速适用场所：中、小容量的绕线转子异步电动机，向下调速特点：方法简单四、三相异步电动机的反转与制动（一）、三相异步电动机的反转1、方法：改变三相电中任意两相电流相序，从而改变旋转磁场的方向，达到改变三 相异步电动机的转子转动的方向（二）、三相异步电动机的制动制动状态：转速方向n与电磁转矩T相反制动结果：1、位能性负载一般处于制动状态是使其保持一定的运行速度2、机械负载制动时一般是停车制动方法：分为机械制动和动力制动两类1、机械制动：采用电磁抱闸闸制动2、动力制动：（1）、能耗制动方法：切断电动机三相电源的同时，在任意二相绕组中接入直流电，并在定子回路 中串入电阻用以限制强大的制动电流。原理：在任意二相绕组中接入直流电流，在转子空间获得一个大小、方向不变的恒 定磁场，从而使转子产生一个与电动机原转向相反的电磁转矩以实现制动。其实质 是：用直流磁场消耗掉转子的动能，所以这种方法又叫动能制动或直流制动。（2）、电源反接制动方法：改变电动机定子绕组与电源联接相序原理：产生一个与转速相反的电磁转矩T 注意点:a、为了限制制动电流和增大制动转矩，在转子回路串入制动电阻b、当转速接近为0时，需立即切断电源，让电机停车授课日期2013年1月17日授课班级授课时间90分钟课题名称三相异步电动机的工作原理及控制电路教学目标知识目标：了解:三相异步电动机的电器控制掌握:三相异步电动机的反转，减压启动技能目标：通过学习，能够对电动机控制有一定的了解。德育目标：认识掌握电动机在生活中的重要性，增强做一名技工的 责任感和荣誉感。教学重点与难点重点:电动机的启动，制动，减压启动。难点:电动机制动。教学关键1. 电动机的工作原理2. 电动机的控制课的类型新课教 具电动机、电工工具及自制课件教学类型综合型教学方法启发式教学法三相异步电动机的电气控制三相异步电动机的典型控制一三相笼型异步电动机起动控制电路（一）、三相笼型异步电动机全压起动所谓全压起动，是将额定电压直接加在定子绕组上1点动控制电路点动：按下控制按钮，交流接触器线圈得电，主电路交流接触器的主触头闭 和，电动机直接起动；松开控制按钮，交流接触器线圈失电，主电路 交流接触器的主触头分断，电动机停止运行2连动控制电路连动：按下控制按钮，交流接触器线圈得电，主电路交流接触器的主触头 闭和，电动机直接起动；松开控制按钮，由于交流接触器常开辅助触头闭 和，线圈依然得电，主电路交流接触器的主触头依然闭和，电动机连续运 行3点、连动控制比较：（1）“自锁”设计：用交流触器常开辅助触头与控制按钮并联（2）“自锁”作用：只要按下控制按钮，保证线圈一直有电，无论是否松开控制按钮，电动机可以连续运行（二）正反转控制电路分析原理：“从主电路着眼”：主电路中的KM1闭和时将三相电按L1L2L3的顺序引进；KM1分断，KM2 闭和时将三相电按L3L2L1的顺序引进，与KM1比较，它改变了两相电流相序；故可知KM1 和KM2控制正反转。“从控制电路着手”：分析具体的控制原理图b：按下SB2，KM1线圈得电一|Kl1主触头闭和电动机正转1 KM1辅助常开触头闭和形成自锁KM1辅助常闭触头分断，KM2线圈不能得电按下SB3，KM1线圈失电）KM1主触头分断KM1辅助常闭触头闭和，KM2线圈得电 -KM2主触头闭和电动机反转-KM2辅助常闭触头分断，KM1线圈不能得电图a同样按照“从主电路着眼，从控制电路着手”的原则分析。图中用到了 “自锁”，还有“互锁”（又叫联锁）设计方法：将交流接触器的常闭辅助触头串联在对方线圈的支路中设计作用：可以控制两个线圈不能同时得电，保证了主电路KM1、KM2的主触头不能同时闭和而造成L1L3两相形成短路比较图a和b：同样可以控制正反转，操作上a图烦琐（要想反转，必须先按下 停止按钮SB1再按SB3才可以），所以图b要好思考问题：1）为什么图b可以做到按钮直接切换正反转呢因为它用的是复合按钮，采用机械联锁的方法，直接切换正反转2）线路的故障分析：a. 合上电源开关，电动机立即正转，当按下停止按钮时，电动机停 转；但一松开停止按钮，电动机又正向起动答案：起动SB2常开、常闭接反了b. 合上电源开关，按下正转（或反转）按钮，正转（或反转）接 触器就不停地吸合与释放，电路无法工作；当松开按钮时，接触器 不再吸合。答案：互锁KM1、KM2常闭辅助触头接反了（三）、三相笼型异步电动机降压起动控制电路有两种控制电路：1、接触器自动控制的Y降压起动电路按下SB2 T KM线圈通电T KM（4-5）闭合自锁T KM主触点闭合T电动机绕组接成Y起动T KMy主触点闭合T KMy线圈通电T KMy（5-8）连锁触点分断（使KM控制回路分断，实现 联锁）T KMy主触点分断按下SB3 T KMy线圈断电T KMy（5-8）联锁触点闭合，接通KM部分控制电路T KMa（8-9）自锁触点闭合自锁T KMa线圈通电T KMa主触点闭合，电动机绕组接成形运行KMA（5-6）联锁触点断开，分断KMy控制电路，实现接触器&动控制的Y-一降压起动电路总结：采用Y-减压起动，设备简单、经济，可频繁操作。2、时间继电器自动控制的Y-降压起动电路时间继电器自动控制的Y-降压起动电路注意：时间继电器的动作。时间继电器经过一定延时后，其延时常闭触头打开，切断kmy控制电路，最 终使电动机接成接到电网上运行，完成了整个起动过程。3、自耦变压器降压起动控制电路（略）（四）三相异步电动机的制动控制1、单向反接制动控制电路（1）、原理：反接制动的关键在于电动机电源相序的改变，且当转速下降接 近于零时，能自动将电源切除。为此采用了速度继电器SR（KS）来检测电动机的速度变化。（2）、控制过程：起动时，按下起动按钮SB2，接触器KM1通电并自锁，电 动机M通电运行。电动机正常运转时，速度继电器KS的常开触头闭合，为反接制动作好准备。停车时，按下停止按钮SB1, KM1线圈断电，电动机M脱离电源， 由于此时电动机的惯性，转速仍较高，KS的常开触头仍处于闭合状态，所以SB1 常开触头闭合时，反接制动接触器KM2线圈得电并自锁，其主触头闭合，使电动 机得到相序相反的三相交流电源，进入反接制动状态，转速迅速下降。当转速接 近于零时，速度继电器常开触头复位，接触器KM线圈断电，反接制动结束。2、 能耗制动控制电路能耗制动原理：电动机脱离三相交流电源后，给定子绕组加一直流电源，以 产生静止磁场，起阻止转子旋转的作用，达到制动的目的。（1） 单向运行能耗制动控制电路1. 时间原则控制：利用时间继电器KT实现（详见相关教材）2. 速度原则控制：依靠速度继电器SR （KS）实现控制控制原理：电动机在刚刚脱离三相交流电源时，由于电动机转子的惯性，速 度仍很高，速度继电器SR的常开触头仍然处于闭合状态，所以接触器KM线圈 能够依靠SBl按钮的按下通电自锁。于是，两相定子绕组获得直流电源，电动机 进入能耗制动。当电动机转子的惯性速度接近零时，SR常开触头复位，接触器 KM2线圈断电而释放，能耗制动结束。三相异步电动机的保护控制1、短路保护常用的短路保护电器是熔断器和自动空气断路器。2、过载保护常用的过载保护元件是热继电器。由于热惯性的原因，热继电器不会受到电 动机短时过载冲击电流的影响而瞬时动作，所以在使用热继电器作过载保护的同 时，还必须有短路保护，并且选做短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过4 倍热继电器发热元件的额定电流。3、过电流保护过流保护常用电磁式过电流继电器实现。当电动机过流达到电流继电器的动 作值时，继电器动作，使串接在控制电路中的常闭触头断开、切断控制电路，电 动机随之脱离电源停转，达到了过流保护的目的。一般过电流的动作值为起动电 流的倍。短路、过电流、过载保护虽然都是电流保护，但由于故障电流、动作值以及 保护特性、保护要求以及使用元件的不同，它们之间是不能相互取代的。4、欠压保护实现欠压保护的电器是接触器和电磁式电压继电器。5、零压保护（失压保护）生产机械在工作时，如果由于某种原因而发生电网突然停电，那么在电源电 压恢复时，电动机便会自行起动运转，导致人身和设备事故，并引起电网过电流 和瞬时网络电压下降。为了防止在此种情况下出现电动机自行起动而实施的保护叫做零电压保护。常用的失压保护电器是接触器和中间继电器。当电网停电时，接触器和中间 继电器触头复位，切断主电路和控制电源。当电网恢复供电时，若不重新按下起 动按钮，电动机就不会自行起动，实现了失压保护。可总结为下表：保护环节采用电器保护环节采用电器短路保护熔断器、自动开关、过电流继电器零压保护电压继电器、自动开关、按钮接 触器控制并具有自锁的电路过载保护热继电器、自动开关欠压保护欠电压继电器、自动开关过电流保护过电流继电器限位保护行程开关欠电流保护欠电流继电器弱磁保护欠电流继电器