第5章三相异步电动机与控制

第,5,章 继电器,接触器控制,5.5,低压电器,5.6,基本控制电路,5.7,行程、时间控制电路,主页面,5.4,常用控制电动机,5.3,单相异步电动机,5.2,三相异步电动机的运行,5.1,三相异步电动机,了解电动机的结构、工作原理、机械特性、调速方法；了解铭牌和技术数据的意义；掌握三相异步电动机起动和反转的方法；,了解常用低压电器结构、功能；掌握继电接触器控制系统的基本控制电路分析；控制电路的自锁、联锁以及行程、时间等控制方法；了解控制电路过载、短路和失压保护的方法。,【,知识要求,】,【,能力要求,】,认识常用常用低压电器并能正确接线。,能读懂简单的控制电路原理图，并能完成实际连线操作,5.1,三相异步电动机,5.1.1,三相异步电动机的结构,轴承盖,端盖,接线盒,散热筋,机座,定子绕组,转轴,轴承,转子,风扇,罩壳,电动机中静止不动的部分，有,定子铁芯、定子绕组、机座、端盖,等部件。,1.,定子,定子外型,定子硅钢片,接线盒,接线盒,接线端,星形连接,三角形连接,U,1,V,1,W,1,W,2,U,2,V,2,1.,转子,转子是电动机的旋转部分，由,转子铁芯、转子绕组和转轴,组成。,转子铁芯冲片,笼式转子绕组,铝条笼式转子,分笼式和绕线式,笼式转子,绕线式转子,转子形状,转子电路,转子绕组,滑环,电刷,1.,旋转磁场的产生,5.1.2,三相异步电动机的工作原理,U,1,U,2,V,1,W,1,W,2,V,2,i,V,i,W,i,U,t,=0,t,=T/4,t,=2T/4,t,=3T/4,t,=T,3/2,t,i,O,/2,2,i,U,i,V,i,W,S,N,N S,N,S,S N,S,N,p,对磁极的,旋转磁场的转速,为,磁极对数与旋转磁场转速的关系,磁极对数,P,1,2,3,4,5,6,旋转磁场转速,n,1,（,rmin,-1,）,3000,1500,1000,750,600,500,旋转磁场的方向,是由线圈中电流的相序决定的。,2.,转子转动原理,三相定子绕组通入三相交流电，,产生,旋转磁场,。,U,a,b,V,W,转子中的产生,感应电动势和感应电流,。,感应电流受电磁力，电磁力对转轴产生,电磁转矩,，使转子转动。,转子转速一定要小于旋转磁场的转速。,F,F,n,把旋转磁场的转速,n,1,与转子转速,n,的差值与旋转磁场转速,n,1,之比称为异步电动机的,转差率,。,一般异步电动机的,转差率,为,0.02,0.04,。,【,例,5 -1】,有一台三相异步电动机，其额定转速,n,N,=975 r/min,，试求电动机的磁极对 数和额定,负载时的转差率。电源频率,f,1,=50Hz,。,由于电动机的额定转速接近而略小于旋转磁场的转速，而同步转速对应于不同的磁极对数，显然,975 r/min,与,1000 r/min,最相近，从而,确定磁极对数,p,=3,。,额定负载时的,转差率,为,5.1.3,机械特性,电动机产生的电磁转矩,T,与转子转速,n,的关系,曲线，即,n,=,f,（,T,）曲线称为电动机的机械特性曲线，,启动能力,= =1.4,2.2,过载能力,= =1.6,2.5,n,O,T,N,T,st,n,N,n,1,n,m,T,m,T,A,B,C,D,定子绕组加不同工作电压的机械特性曲线,n,O,n,m,T,T,m,U,3,U,2,U,1,U,3,U,2,U,1,当电动机在额定状态运行时，有,电动机的效率为,5.1.4,三相异步电动机的铭牌数据与选择,三相异步电动机,Y112M4,编号,额定功率,4.0kW,额定电流,8.8A,额定电压,380V,额定转速,1440r/min,LW 82dB,接法 ,保护等级,IP44,频率,50Hz,质量,45kg,标准编号,工作制,SI,B,级绝缘,出厂：,年,月,日,电机厂,异步电动机,中心高度,机座类型,磁极数,电动机在额定工作状态下运行时，轴上输出的机械功率,。,电动机在额定工作状态下运行时，定子绕组所加的线电压。,电动机在额定工作状态下运行时定子绕组的线电流。,电动机在额定工作状态下运行时的转速。,封闭式,电动机在额定工作状态下连续运行，,S2,为短时运行，,S3,为短时重复运行。,绝缘等级,2,三相异步电动机的选择,（,1,）功率的选择,必须依据生产机械的要求来确定。,（,2,）种类的选择,主要考虑电动机的性能应满足生产机械的要求,。,（,3,）转速的选择,应使电动机的转速尽可能与生产机械的转速相,一致或接近，以简化传动装置。,5.2,三相异步电动机的运行,1.,直接启动（全压启动）,5.2.1,启动,直接启动是,给定子绕组直接加额定电压,启动。直接启动的异步电动机要受到供电变压器的限制，当电动机由单独的变压器作为它的电源时，电动机的容量不超过变压器容量的,20%,30%,便可采用，以电动机启动时电源电压降低不超过额定电压的,5%,为原则。,2.,降压启动,电动机启动时，,降低加在电动机定子绕组上的电压，待启动结束时再恢复额定电压运行。,由于启动转矩将明显减小，所以降压启动适用于容量较大的笼式三相异步电动机及对启动转矩要求不高的生产机械负载。笼式三相异步电动机常用的,降压启动方法有定子绕组串电阻（或电抗）降压启动、自耦变压器降压启动、星形,-,三角形降压启动,。,运行,启动,L,1,L,2,L,3,M,3,（,1,）定子绕组串电阻（或电抗）降压启动,QS,FU,R,启动时,QS,闭后，电阻,R,与定子线圈串联，起到分压作用。电动机启动后，电阻,R,被切掉不起作用，电源直接与定子绕组相连，正常运行。,（,2,）自耦变压器降压启动,运行,启动,启动时将,QS,闭合，这时启动电压小于额定电压，启动完成后转换为全压，电动机正常运行。,L,1,L,2,L,3,M,3,QS,FU,Q,T,（,3,）星形,-,三角形降压启动,Y,电动机在工作时其定子绕组接成三角形，启动时接成星形，这时启动电流为全压启动电流的,1/3,，启动转矩为全压启动转矩的,1/3,。启动完成后再转换成三角形连接,。,L,1,L,2,L,3,QS,FU,3.,绕线式异步电动机的启动,在转子电路中接入大小适当的启动电阻，转子电流减小，,定子电流,也减小，同时转子电路电阻增加，电动机的,启动转矩随之增加,。,L,1,L,2,L,3,QS,FU,R,定子,转子,启动后，将转子电阻调到零值。,5.2.2,制动,1.,能耗制动,运行,制动,L,1,L,2,L,3,M,3,F,n,n,0,=0,制动过程中转子的动能转变为电能，再转变为热能消耗掉，所以称为能耗制动。,2.,反接制动,运行,制动,L,1,L,2,L,3,M,3,F,n,n,1,在电动机的转速接近零时，及时断开电源以防止电动机反转。,5.2.3,反转,5.2.4,调速,1.,变极（,p,）调速,2.,变频（,f,）调速,3.,变转差率调速,只要将三根电源线中的,任意两根对调,，就可使转子的转动方向改变，实现电动机反转。,5.3,单相异步电动机,1.,单相异步电动机的结构,单相异步电动机的结构与三相异步电动机,相同,，转子也是笼式定子绕组，为单相。,2.,单相异步电动机的工作原理,B,1,1,2,B,2,B,0,-2,s,2,0,1,T,T,-s,T,-s,双旋转磁场,固定方位的磁场,顺时针旋转,逆时针旋转,转子静止,电容分相式单相异步电动机,i,2,u,C,FU,U,1,U,2,V,1,V,2,i,1,笼式转子,U,1,U,2,绕组为工作绕组,V,1,V,2,绕组为启动绕组,启动绕组串联一个电容,C,后，适当地选择,C,的容量，可以使,i,1,与,i,2,相差,90,相位，产生辅助的电磁转矩，,两组绕组在空间互差,90,角,3.,单相异步电动机的反转与调速,电容分相启动,的单相异步电动机是通过转换开关把电容器接入另一绕组中或改变任一绕组首末端的位置从而改变电动机的转动方向。,单相异步电动机的,调速,常用改变定子绕组电压的方法来实现，可用定子绕组串电抗器调压和用晶闸管调压，,电抗器,指示灯,快,中,慢,电动机,单相交流电源,台式风扇调速电路,5.4,常用控制电动机,5.4.1,交流伺服电动机,I,2,U,U,1,励磁绕组,U,2,U, ,U,C,I,1,控制绕组,转子,放大器,检测元件,控制信号,C,定子上装有两个绕组,有笼式和杯式,U,2,受到控制信号的控制,控制电压,U,2,大，电动机转得快；控制电压,U,2,小，电动机转得慢,不同控制电压下的机械特性曲线,n,O,T,0.4,U,2,0.6,U,2,0.8,U,2,U,2,5.4.2,直流伺服电动机,不同控制电压下的机械特性曲线,I,f,M,I,a,U,a,U,f,放大器,n,O,T,0.4,U,a,0.6,U,a,0.8,U,a,U,a,工作时，励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立电源供电。,改变电枢上的控制电压,U,a,来改变电动机的转速和转动方向。,5.4.3,步进电动机,设,U,相首先获得控制脉冲而通电，,V,、,W,两相断电，产生,U -U,轴线方向的磁通，在这个磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的,1,、,3,齿对齐,U -U,极的位置。,若脉冲信号按照,UVWU,的顺序通电，则电动机转子便顺时针转动,;,若按照,UWVU,的顺序通电，则电动机转子便逆时针转动。每次换相前后只有一相通电，电流换接三次完成一个通电周期。,当,V,相通电，,U,、,W,两相断电时，转子便顺时针方向转过,30,，它的,2,、,4,齿和,V -V,极对齐，如图,5 -26,（,b,）所示。当,W,相通电时，转子又顺时针方向转过,30,，它的,1,、,3,齿和,W -W,极对齐。,按脉冲节拍工作,V,W,W,V,2,1,3,4,2,1,3,4,V,W,W,V,V,W,W,V,2,1,3,4,5.5,低压电器,低压电器通常是指工作在直流,1500V,、交流电压,1200V,及以下电路中的电器。,低压电器,低压,配电电器,低压,控制器,刀开关、空气开关、熔断器,接触器、各种继电器、启动器,主要用作隔离、转换以及接通和分断电路用。大多作为局部照明电路的控制、机床电路的电源开关，也可用于小容量电动机的起动、停止和正反转控制。,5.5.1,低压开关,1,胶盖瓷座闸刀开关,QS,2,组合开关,QS,5.5.2,按钮,按钮是发出控制指令和信号的电器开关，是一种手动且一般可以自动复位的主令电器，通常用于对电磁起动器、接触器、继电器及其他电气设备发出控制指令。,常开触头,常闭触头,SB,SB,复式触头,SB,按钮帽,复位弹簧,常闭触头,动触头,常开触头,熔断器是最简便的且是有效的,短路保护电器,。,5.5.3,熔断器,FU,（,2,）一台电动机的熔丝,为了防止电动机起动时电流较大而将熔丝烧,断，按下式计算,如果电动机起动频繁，则为,（,1,）电灯支线的熔丝,熔丝额定电流支线上所有电灯的工作电流,熔丝选择,（,3,）几台电动机合用的总熔丝,熔丝额定电流,=(1.5,2.5),容量,最大的电动机的额定电流,+,其余电动机的额定电流,5.5.4,交流接触器,交流接触器常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路。具有欠压保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制，是自动控制系统中的重要元件之一。,在选用接触器时，应注意它的额定电流、线圈电压及触点数量等。,KM,线圈,辅助触点,主触点,绝缘连杆,反力弹簧,铁心,线圈,KM,主触点,KM,辅助触点,5.5.5,继电器,继电器用于电路的逻辑控制，具有逻辑记忆功能，能组成复杂的逻辑控制电路，继电器能将某种电量或非电量的变化量转换为开关量，以实现对电路的自动控制功能。,按输入量,分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器、压力继电器等；,按工作原理,分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器等；,按用途,分为控制继电器、保护继电器等；,按输入量变化形式,分为有无继电器和量度继电器。,与接触器配合，使电动机免受长期过载的危害。,1.,热继电器,发热元件,动断触点,FR,FR,热继电器的主要技术数据是,整定电流,。即当热元件中通过电流超过此值的,20%,时，热继电器应当在,20min,内动作。热继电器的整定电流要与电动机额定电流一致。,复位按钮,M,3,FU,KM,FR,L,1,L,2,L,3,QS,推杆,补偿双金属片,推杆,动触点,静触点,双金属片,导板,发热元件,KM,KM,SB,1,SB,2,在,选用,中间继电器时，主要是考虑电压等级和触点（常开和常闭）数量。,中间继电器的,结构,和交流接触器基本相同，只是电磁系统小些，触点多些。,2.,中间继电器,KA,线圈,KA,常开触点,KA,常闭触点,5.5.6,空气开关,利用了空气来熄灭开关过程中产生的电弧，所以得名。又称低压断路器，适用于不频繁地接通和切断电路或启动、停止电动机，并能在电路发生过载、短路和欠压等情况下自动切断电路。,远控按钮,过电流脱扣器,热脱扣器,分励脱扣器,失电压脱扣器,QF,5.6,基本控制电路,5.6.1,鼠笼式电动机直接启动的控制电路,主电路,控制电路,自锁触点,M,3,FU,KM,FR,QS,L,1,L,2,L,3,KM,KM,SB,1,SB,2,短路保护,过载保护,零压（或失压）保护,FU,KM,QS,M,3,FR,L,1,L,2,L,3,KM,KM,SB,1,SB,2,闭合开关,QS,按下起动按钮,SB,2,启动,KM,的线圈通电,三个主触点闭合,辅助触点闭合,电动机,M,启动,5.6.2,鼠笼式电动机正反转的控制电路,正转接触器,反转接触器,在正转过程中要反转,必须先按停止按钮,SB,1,，操作不方便。,L,1,L,2,L,3,M,3,QS,FU,KM,F,FR,KM,R,KM,F,SB,1,SB,F,KM,F,FR,KM,R,SB,R,KM,R,KM,F,KM,R,正转接触器,反转接触器,联锁保护,KM,F,SB,1,SB,F,KM,F,FR,KM,R,SB,R,KM,R,KM,F,KM,R,当电动机正转时，按下反转启动按钮,SB,R,，它的常闭触点断开，而使正转交流接触器的线圈,KM,F,断电，主触点,KM,F,断开。与此同时，串接在反转控制电路中的常闭触点,KM,F,恢复闭合，反转交流接触器的线圈通电，电动机就反转。同时串接在正转控制电路中的常闭触点,KM,R,断开，起着联锁保护的作用。,5.6.3,顺序控制电路,L,1,L,2,L,3,QS,FU,1,M,1,3,KM,1,FR,1,M,2,3,KM,2,FR,2,FU,2,KM,1,SB,1,KM,1,KM,2,SB,2,KM,2,SB,3,FR,1,FR,2,KM,1,KM,2,SB,2,KM,2,SB,4,SB,1,KM,1,FR,1,FR,2,SB,3,KM,1,KM,1,KM,2,FR,1,SB,2,SB,1,KM,1,KT,SB,3,FR,2,KM,2,KT,KM,2,时间控制的顺序控制电路，当,KM,1,起动一定时间后，,KM,2,起动。,5.6.4,多地控制电路,M,3,FU,KM,FR,QS,L,1,L,2,L,3,FU,2,KM,KM,SB,1,SB,3,FR,SB,4,SB,2,乙地,甲地,5.7,行程、时间控制电路,5.7.1,行程开关,行程开关,又称限位开关或位置开关，是根据运动部件的运动位置而进行电路切换的自动控制电器，用来控制运动部件的运动方向、行程距离或位置。,按,运动形式,分为直动式、微动式、转动式等；按,触点的性质,分可为有触点式和无触点式。,从,大类,来分有机械式和电子式两种，机械式有按钮式和滚轮式两种。,直动式,单轮式,双轮式,SQ,SQ,SQ,常开触点,常闭触点,复合触点,1.,直动式行程开关,推杆,小滚轮,擒纵件,压板,弹簧,弹簧,动触点,静触点,滚轮,上转臂,盘形弹簧,2.,滚轮式行程开关,不宜用在移动速度低于,0.4m/min,的运动部件上,低速运动的部件上应采用滚轮式行程开关,复位弹簧,静触点,动触点,触点弹簧,动触点,静触点,顶杆,3.,微动开关,4.,接近开关,无触点式行程开关,微动开关是具有瞬时动作和微小行程的灵敏开关,常开静触点,动触点,常闭静触点,壳体,推杆,弓簧片,它能无接触又无压力地发出检测信号，具有灵敏度高，频率响应快，重复定位精度高，工作稳定可靠、使用寿命长，安装方便等优点。,1,限位控制,5.7.2,行程控制,生产机械运动到位后，将行程开关,SQ,的动断触头打开，接触器,KM,线圈断电，于是主电路断电，电动机停止运行。,M,3,FU,1,KM,FR,QS,L,1,L,2,L,3,SQ,KM,SB,1,SB,2,FR,FU,2,2,往复运动控制,L,1,L,2,L,3,M,3,QS,KM,1,FR,KM,2,FU,1,KM,1,SB,1,SB,2,KM,1,FR,KM,2,SB,2,KM,2,SQ,2,SQ,1,FU,2,KM,2,KM,1,SQ,1,SQ,2,起始时，若按下正向运转的开机按钮,SB,2,，则,KM,1,线圈通电，电动机正转，拖动机械运动部件前进，到位后迫使行程开关,SQ,1,动作，,SQ,1,的动断触点被断开，交流接触器,KM,1,线圈断电，电动机断开电源。,接着,SQ,1,的动合触点闭合，使,KM,2,线圈通电，电动机又接入电源，拖动机械运动部件向相反方向运动,;,电动机反转后，机械运动部件与行程开关,SQ,1,分开，作用在,SQ,1,上的外力消失，,SQ,1,的动合触点分开，动断触点闭合。,SQ,1,的动合触点分开后，,KM,2,线圈在它的自锁触点作用下可保持继续通电，,SQ,1,的动断触点再闭合后，因互锁触点（,KM,2,的动断触点）被打开，所以交流接触器,KM,1,线圈不会通电。,交流接触器,KM,2,通电后，电动机反转，当机械运动部件到达行程开关,SQ,2,的位置后使,SQ,2,动作，行程开关,SQ,2,动作后，使交流接触器,KM,2,线圈断电，过程与正向运动到位后相似。,5.7.3,时间控制,1.,时间继电器,(1),空气阻尼式时间继电器,空气阻尼式时间继电器是,利用空气阻尼原理获得延时,的，可以做成,通电延时型,，也可改成,断电延时型,。,空气阻尼式时间继电器结构简单、延时范围大、寿命长、价格低廉，不受电源电压及频率波动的影响。但延时误差大、无调节刻度指示，适用延时精度要求不高的场合。,通电延时型时间继电器,断电延时型时间继电器,KT,KT,KT,KT,KT,KT,通电延,时接点,瞬动接点,线圈,KT,KT,或,或,KT,KT,KT,KT,KT,KT,通电延,时接点,瞬动接点,线圈,KT,KT,或,或,(2),电子式时间继电器,电子式时间继电器有,阻尼式和数字式,两种，前者是利用,RC,电路充放电原理构成的，后者是利用计数器式延时电路，由输入信号的频率决定延时的时间。,2.,时间控制线路举例,（,1,）高频加热时间控制,FU,1,KM,QS,KM,SB,1,SB,2,KM,KT,KM,FU,2,KT,放好工件，按下,SB,2,，,KM,线圈通电，主触点接通，,工件加热,，辅助触点自锁并接通,KT,线圈，,KT,的延时动断触点在线圈通电之后延时一段时间再断开，使,KM,线圈断开，主回路主触点断开，,停止加热,。,（,2,）三相异步电动机星,-,角启动自动控制,FU,1,KM,1,FR,QS,L,1,L,2,L,3,KM,2,KM,1,U,1,U,2,V,1,V,2,W,2,W,1,KT,KM,1,SB,1,SB,2,FR,FU,2,KT,KM,1,KT,KM,2,KM,3,KM,3,KM,2,KM,3,KM,3,电源控制,星,-,角转换时间控制,星接,角接,按下按钮,SB,2,，接触器,KM,1,，,KM,2,和时间继电器,KT,的线圈通电，电动机起动。时间继电器得电后，经预定延时时间，时间继电器延时动断触头打开，使接触器,KM,2,断电，而延时动合触头闭合，使接触器,KM,3,通电，电动机由接,Y,接自动改变接。为防止接触器,KM,1,和,KM,2,同时得电，控制电路中接入互锁作用的触头。,