三相异步电机及其控制电路

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1、89 第5章三相异步电动机及其控制线路5.1 三相异步电动机实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现 电能与机械能的相互转换。 把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机 械能的设备叫做电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚 固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机 床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：（1）基本构造； （2）工作原理； （3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动的基

2、本原理和基本 方法； （5）应用场合和如何正确使用。5.1.1 三相异步电动机的结构与工作原理1三相异步电动机的构造三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分） 和转子（旋转部分）。此外 还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1 所示。图 5-1 三相电动机的结构示意图1） 定子三相异步电动机的定子由三部分组成：定子定子铁心由厚度为0.5mm 的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组90 AX 、 BY、CZ。定子绕组三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组2

3、） 转子三相异步电动机的转子由三部分组成：转子转子铁心由厚度为0.5mm 的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转子绕组转子绕组有两种形式：鼠笼式- 鼠笼式异步电动机。绕线式- 绕线式异步电动机。转轴转轴上加机械负载鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用 得最广泛的一种电动机。为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机 的空气隙约在 0.21.0mm之间。2三相异步电动机的转动原理 1） 基本原理 为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2 所示。图 5-2 三相

4、异步电动机工作原理91 (1)演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带 动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改 变。(2)现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割 磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作 用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。(3)结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。2） 旋转磁场（1） 产生图 5-3 表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互

5、差1200的规律对 称排列。并接成星形与三相电源U、V、W 相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流： 随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图 5-4)。00sinsin(120)sin(120)UmVmWmiItiItiIt图 5-3 三相异步电动机定子接线当t=00时，0Ai，AX 绕组中无电流；Bi为负，BY 绕组中的电流从Y 流入 B1流出；Ci为正， CZ 绕组中的电流从 C 流入 Z 流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图 5-4（a）所示。当t=1200时，0Bi，BY 绕组中无电流；Ai为正， AX 绕组中的电流从A 流入 X流出；Ci为负， CZ 绕

6、组中的电流从 Z 流入 C 流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图 5-4（b）所示。当t=2400时，0Ci，CZ 绕组中无电流；Ai为负， AX 绕组中的电流从X 流入 A流出；Bi为正，BY 绕组中的电流从 B 流入 Y 流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图 5-4（c）所示。可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间 旋转一周。 随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地AiAiBiCXBYCZ92 旋，因此称为旋转磁场。图 5-4 旋转磁场的形成（2） 旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋

7、转磁场的方向，只要 改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的 旋转方向也跟着改变。3） 三相异步电动机的极数与转速（1） 极数（磁极对数p）三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有 关。当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时， 产生的旋转磁场具 有一对极，即 p=1；当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场 具有两对极，即 p=2；同理，如果要产生三对极，即p=3 的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。

8、极数p 与绕组的始端之间的空间角的关系为：0120 ptiiAiBiCO1 2 0 2 4 0 3 6 0 (a) t = 0 (b) t = 120 (c) t = 240 AAAXXXBBBYYYCCCZZZ93 （2） 转速 n 三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p 有关，它们的关系是：1060fn p（5-1）由（5-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数 p。对某一异步 电动机而言， f1和 p 通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。在我国，工频 f1=50Hz，因此对应于不同极对数p 的旋转磁场转速 n0，见表 5-1 表 5-1 p 1 2 3

9、 4 5 6 n03000 1500 1000 750 600 500 （3） 转差率 s 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速 n 不可能达到与旋转磁 场的转速 n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子 导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存 在转速差， 因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建 立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。旋转磁场的转速n0常称为同步转速。转差率 s用来表示转子转速n 与磁场转速 n0相差的程度的物理量。即：000nnns nn(5-2) 转差率是异步

10、电动机的一个重要的物理量。当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时， 转子则因机械惯性尚未转动， 转子的瞬间转 速 n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后， n0， （n0-n）差值减小，电动机的转差 率 Sn0，重物受到制动而等速下 降。5.2.4三相异步电动机的控制1直接启动控制电路直接启动即启动时把电动机直接 接入电网，加上额定电压，一般来说， 电动机的容量不大于直接供电变压器 容量的 2030时，都可以直接启 动。1） 点动控制合上开关 S， 三相电源被引入控制 电路，但电动机还不能起动。 按下按钮 SB ，接触器 KM 线圈通电，衔铁吸合， 常开主触点接通，电动机定子接入三相 电源起动

11、运转。松开按钮SB ，图 5-13 点动控制接触器 KM 线圈断电，衔铁松开，常开主触点断开，电动机因断电而停转。(a) 接 线 示 意 图(b) 电 气 原 理 图M 3SBS FUKMM 3S FU KMKMSB109 2). 直接起动控制（1）起动过程。按下起动按钮SB1，接触器 KM 线 圈通电，与 SB1并联的 KM 的辅助常开触点闭合，以保 证松开按钮 SBl后 KM 线圈持续通电，串联在电动机回 路中的 KM 的主触点持续闭合，电动机连续运转，从而 实现连续运转控制。（2）停止过程。按下停止按钮SB2，接触器 KM 线 圈断电，与 SB1并联的 KM 的辅助常开触点断开，以保 证

12、松开按钮 SB2后 KM 线圈持续失电，串联在电动机回 路中的 KM 的主触点持续断开，电动机停转。 与SB1并联的 KM 的辅助常开触点的这种作用称为自锁。图示控制电路还可实现短路保护、过载保护和零压 保护。图 5-14 直接起动控制起短路保护的是串接在主电路中的熔断器FU。一旦电路发生短路故障，熔体立即 熔断，电动机立即停转。起过载保护的是热继电器FR。当过载时， 热继电器的发热元件发热， 将其常闭触点 断开，使接触器KM 线圈断电，串联在电动机回路中的KM 的主触点断开，电动机 停转。同时 KM 辅助触点也断开， 解除自锁。 故障排除后若要重新起动， 需按下 FR 的复位按钮，使FR的常

13、闭触点复位（闭合）即可。起零压（或欠压）保护的是接触器KM 本身。当电源暂时断电或电压严重下降时， 接触器 KM 线圈的电磁吸力不足，衔铁自行释放，使主、辅触点自行复位，切断电 源，电动机停转，同时解除自锁。2正反转控制1） 简单的正反转控制（1）正向起动过程。按下起动按钮 SB1，接触器 KM1线圈通电，与SB1并联 的 KM1的辅助常开触点闭合， 以保证 KM1 线圈持续通电，串联在电动机回路中的 KM1的主触点持续闭合，电动机连续正向 运转。（2）停止过程。按下停止按钮SB3， 接触器 KM1线圈断电，与 SB1并联的 KM1 的辅助触点断开， 以保证 KM1线圈持续失 电，串联在电动机

14、回路中的KM1的主触点图 5-15 简单的正反转控制 持续断开，切断电动机定子电源，电动机停转。（3）反向起动过程。 按下起动按钮 SB2，接触器 KM2线圈通电， 与 SB2并联的 KM2 的辅助常开触点闭合， 以保证线圈持续通电， 串联在电动机回路中的KM2的主触点持续 闭合，电动机连续反向运转。M 3SFUKMKMSB2SB1KMFRFRM 3SFUKM1SB3SB1KM2SB2KM1KM1KM2KM2F RFR110 缺点： KM1和 KM2线圈不能同时通电，因此不能同时按下SB1和 SB2，也不能在电动 机正转时按下反转起动按钮，或在电动机反转时按下正转起动按钮。如果操作错误，将 引

15、起主回路电源短路。2） 带电气互锁的正反转控制电路将接触器 KM1的辅助常闭触点串入KM2的线圈 回路中，从而保证在KM1线圈通电时 KM2线圈回 路总是断开的；将接触器 KM2的辅助常闭触点串入 KM1的线圈回路中，从而保证在KM2线圈通电时 KM1线圈回路总是断开的。 这样接触器的辅助常闭 触点 KM1和 KM2保证了两个接触器线圈不能同时 通电，这种控制方式称为互锁或者联锁，这两个辅 助常开触点称为互锁或者联锁触点。 图 5-16 带电气互锁的正反转控制缺点：电路在具体操作时， 若电动机处于正转状态要反转时必须先按停止按钮SB3， 使互锁触点 KM1闭合后按下反转起动按钮SB2才能使电动

16、机反转； 若电动机处于反转状 态要正转时必须先按停止按钮SB3，使互锁触点 KM2闭合后按下正转起动按钮SB1才能 使电动机正转。SB3SB1SB2KM1KM1KM2KM2KM2KM1FR111 5.2.4三相异步电动机的控制上一节课我们讲了电动机的点动与长动控制，这一节课我们在此基础上进一步讲述 电动机的继电器接触器控制系统。2正反转控制3） 同时具有电气互锁和机械互锁的正反转控 制电路采用复式按钮， 将 SB1按钮的常闭触点串接 在 KM2的线圈电路中；将SB2的常闭触点串接 在 KM1的线圈电路中；这样，无论何时，只要 按下反转起动按钮，在KM2线圈通电之前就首 先使 KM1断电， 从而保证 KM1和 KM2不同时通 电；从反转到正转的情况也是一样。这种由机 械按钮实现的互锁也叫机械或按钮互锁。图 5-17 具有电气互锁和机械互锁的正反转控制3Y降压起动控制按下起动按钮 SB1，时间继 电器 KT 和接触器 KM2同时通 电吸合， KM2的常开主触