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1、大连理工大学出版社,第5章 三相异步电动机与控制,5.1 三相异步电动机 5.2 三相异步电动机的运行 5.3 单相异步电动机 5.4 常用控制电动机 5.5 低压电器 5.6 基本控制电路 5.7 行程、时间控制电路,大连理工大学出版社,5.1 三相异步电动机,三相异步电动机是由三相交流电供电的电动机，又称异步电动机。它的结构简单、制造容易、价格低廉、效率高、运行经济可靠且便于维护，获得了广泛的应用。其缺点是调速性能差、功率因数低，在有些场合受到限制，但随着当前变频调速技术的发展，该问题已得到了解决。 一、三相异步电动机的结构 三相异步电动机的结构主要包括定子（固定部分）和转子（旋转部分）两
2、大部件,大连理工大学出版社,1.定子,定子是指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。定子铁芯用0.5 mm厚的表面有绝缘层的硅钢片叠压成圆筒状。在定子铁芯的内圆冲有均匀分布的槽孔，用以嵌置三相定子绕组，每相绕组分布在几个槽内，线圈按一定规则连接成三相定子绕组，如图所示。三相定子绕组结构完全对称，一般有六个接线端U1、U2、V1、V2、W1、W2置于接线盒内，根据需要接成星形或三角形,大连理工大学出版社,2.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。转子铁芯也是由0.5 mm厚的硅钢片叠成的圆柱体，固定在转轴上，转轴上加机械负载，与定子相同在圆周外表
3、面冲 有槽孔，用以嵌置转子绕组，如图所示。转子绕组的构造分为笼式和绕线式两种。,大连理工大学出版社,笼式转子绕组是用铜条和铜环焊接成的笼形闭合电路，如图5 -4（b）所示，由于转子绕组的形状像鼠笼，故称笼式转子。 绕线式转子的特点是可以通过滑环和电刷，在转子电路中接入附加的电阻，以便电动机 启动时调节电动机的转速。在需要大启动转矩时，往往采用绕线式异步电动机。,大连理工大学出版社,二、三相异步电动机的工作原理,1.旋转磁场的产生 IU=Imsint IV=Imsin（t -120） IW=Imsin（t+ 120）,大连理工大学出版社,如图5 -7（a）所示， t=0（t=0）时，iU=0，i
4、V为负值，iW为正值，iV的大小与iW的大小相同，电流通过三个绕组的方向及形成磁场的磁力线方向可用右手螺旋法则判断出，该磁场的磁力线由一对磁极产生，下边是N极，上边是S极。 在 t = （t = ）时刻，iU为正，iV、iW均为负，合成的磁场如图 5 -7（b）所示。左边是N极，右边是S极，磁场在空间顺时针旋转 弧度。,大连理工大学出版社,大连理工大学出版社,以上研究的磁场是一对磁极（ p=1），如果将定子绕组作不同的空间排列，可以制成两对磁极（p=2）和三对磁极（p=3）或更多对磁极的旋转磁场。三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速又与磁极的对数有关。根据前面分析可知，电
5、流变化 一周期，电流频率为f（Hz），旋转磁场的转速 n1=60f（r/min）。可以证明，若旋转磁场为四极（ p=2），电流变化一周期，旋转磁场旋转半周，则 n1=60f/2。依此类推，p对磁极的旋转磁场的转速为,大连理工大学出版社,在图5 -7中，旋转磁场是顺时针方向旋转，旋转磁场的方向是由线圈中电流的相序决定的，如果将电源接到定子绕组的三根引线中的任意两根对调，如图5 -8所示，这时三相定子绕组中的电流相序就按逆时针方向排列，将使旋转磁场按逆时针方向旋转。,大连理工大学出版社,2.转子转动原理,把旋转磁场的转速n1与转子转速n的差值与旋转磁场转速n1之比称为异步电动机的转差率，用 s表示
6、，即,或,或,大连理工大学出版社,【例5 -1】 有一台三相异步电动机，其额定转速 nN=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 f1=50Hz。,解 :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,大连理工大学出版社,三、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，如图5 -10所示。 在电动机启动时，即 n=0时，对应于机械特性曲线上的 D点，电动机轴上的电磁转矩称
7、为启动转矩（又称为堵转转矩），用 Tst表示。 当电动机带额定负载时，对应于机械特性曲线上的 B点 电动机在运行中对应的最大转矩用 Tm表示，对应图5 -10中的 C点。 电动机空载时，对应图中的D点。,大连理工大学出版社,由三相异步电动机的机械特性曲线可知，当启动转矩大于负载转矩时，转子在电磁转矩的作用下逐渐加速，转速沿 DC段上升，电磁转矩也随之增加，一直增加到最大转矩 Tm。以后转速沿 CA段增加而电磁转矩开始减小，当电磁转矩等于负载转矩时，电动机就以某一转速稳定运行。 电动机正常运行过程中，由于外界因素而使电动机转速发生变化，电动机在 AC段自动调节电磁转矩与负载转矩平衡，并稳定在新的
8、转速上稳定运行。显然，AC段电动机的机械特性较硬，这种特性适合大多数生产机械对拖动的要求。但为了使电动机安全可靠地工作， 电动机一般工作在 AB段。 电动机的启动转矩与额定转矩之比称为电动机的启动能力。一般电动机的启动能力为 1.42.2，即 启动能力= =1.42.2,大连理工大学出版社,电动机的最大电磁转矩与额定转矩之比称为电动机的过载能力。一般电动机的过载能力为1.62.5，即 过载能力= =1.62.5,大连理工大学出版社,电动机从电源输入的功率为,式中 U1与I1分别为线电压和线电流，cos1为电动机功率因数，轴上输出功率（铭牌上标出的功率） P2（kW）为旋转体 的机械功率，等于作
9、用在旋转体上的转矩 T与它的机械角速度的乘积。所以电动机的输出功率为 P2=T 当电动机在额定状态运行时，则有,大连理工大学出版社,三相异步电动机铭牌上标注的主要额定数据有:,（1）型号:Y-112M-4，Y表示异步电动机，中心高度为112 mm，机座类型为中机座（L表示长机座，S表示短机座，M表示中机座），4表示磁极数为4级。 （2）额定功率: PN=4.0 kW表示电动机在额定工作状态下运行时，轴上输出的机械功率，单位是kW。 （3）额定电压: UN=380 V表示电动机在额定工作状态下运行时，定子绕组所加的线电压。通常有两种电压值220 V/380 V，当定子绕组采用星形接法时为220
10、V，采用三角形接法时为380 V。 （4）额定电流: IN=8.8 A表示电动机在额定工作状态下运行时定子绕组的线电流，定 子绕组有星形和三角形接法，故额定电流就有两种。,大连理工大学出版社,三相异步电动机铭牌上标注的主要额定数据有:,（5）额定转速: n =1440 r/min表示电动机在额定工作状态下运行时的转速。 （6）接法:定子绕组与三相电源的连接方法，接错会烧毁电动机。 （7）防护式:IP44表示电动机和外壳防护的方式为封闭式电动机。 （8）频率: f =50 Hz表示电动机定子绕组输入交流电源的频率。 （9）工作制:S1表示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
11、重复运行。 （10）绝缘等级:根据绝缘材料允许的最高温度，分为Y、A、E、B、F、H、C级。,大连理工大学出版社,5.2 三相异步电动机的运行,一、启动 常采用的启动方法有以下几种: 1.直接启动（全压启动） 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
12、机及对启动转矩要求不高的生产机械负载。,大连理工大学出版社,大连理工大学出版社,3.绕线式异步电动机的启动,大连理工大学出版社,二、制动,三相异步电动机常用的制动方法有以下几种: 1.能耗制动,大连理工大学出版社,2.反接制动,大连理工大学出版社,三、反转,三相异步电动机的转子转动方向与定子产生的旋转磁场方向相同，而旋转磁场的转向取决于定子绕组通入的三相电流的方向，所以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，如图5 -8所示。,大连理工大学出版社,四、调速,1.变极（ p）调速 改变电动机定子绕组的磁极对数 p来改变电动机的转速。要求电动机的定子有几套绕组或
13、绕组有多个抽头引到外部，通过转换开关改变绕组接法，以改变磁极对数，形成多速电动机，如双速电动机等 2.变频（ f）调速 改变电动机定子绕组的电源频率来实现调速。三相交流电先经整流器变成直流电，再经逆变器输出电压和频率可调的三相交流电，作为电源给电动机供电，实现三相异步电动机的无级调速。如图5 -18所示电路是目前广泛应用的变频调速方法。,大连理工大学出版社,3.变转差率调速 该方法适用于绕线式异步电动机。在绕线式异步电动机的转子电路中接入调速电阻改变转差率，达到调整转速的目的。这种方法能平滑调速且调整范围大，但能耗较大。,大连理工大学出版社,5.3 单相异步电动机,1.单相异步电动机的结构 2
14、.单相异步电动机的工作原理,大连理工大学出版社,3.单相异步电动机的反转与调速 s,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，目前大多数采用串电抗器调压，如图5 -22所示为台式风扇调速电路。,大连理工大学出版社,5.4 常用控制电动机,一、交流伺服电动机 交流伺服电动机就是两相异步电动机。它的定子上装有两个绕组:一个绕组为励磁绕组，另一个绕组为控制绕组，它们在空间上相差90。转子有笼式和杯式两种。 图5 -23（a）所示为电容分相的交流伺服电动机的接线原理图，励磁绕组回路中串入电容C后接到交流电源上。控制绕组接在放大器的输出端，控制电压就是
15、放大器的输出电压U2。它与电容分相的单相异步电动机具有同样的两相旋转磁场，只是U2受到控制信号的控制。 在一定负载下，当控制电压 U2在控制信号作用下变化时，电动机转子的转速做相应的变化。控制电压大，电动机转得快;控制电压小，电动机转得慢。当控制电压反相时，旋转磁场和转子也都反转。如果控制电压为零，电动机就停转。图5 -23（b）所示为交流伺服电动机在不同控制电压下的机械特性曲线。,大连理工大学出版社,大连理工大学出版社,二、直流伺服电动机,直流伺服电动机的励磁方式分为电磁式和永磁式两种。工作时，励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立电源供电。直流伺服电动机通常采用电枢控制，即在保持励磁电压 Uf
16、一定的条件下，改变电枢上的控制电压 Ua来改变电动机的转速和转动方向。图5 -24（a）所示 为直流伺服电动机的接线原理图。,大连理工大学出版社,三、步进电动机,步进电动机是一种将电脉冲信号转换为直线位移或角位移的电动机，近年来在自动控制系统、数控机床领域应用较多。例如，在开环控制的数控机床中，在系统的控制下，脉冲分配器CNC每发一个进给脉冲，步进电动机便转过一定角度，带动进给工作台或刀架移动一个很小的距离（或转过一个很小的角度）。脉冲一个接着一个发来，步进电动机便一步一步地转动，实现自动机械加工。,大连理工大学出版社,步进电动机是按脉冲节拍工作的。图5 -26所示为单三拍工作方式的转动原理图。,大连理工大学出版社,5.5 低压电器,低压电器通常是指工作在交流电压1200 V及以下电路中的电器。 低压电器可分为低压配电电器和低压控制器两类。刀开关、空气开关、熔断器等是低压配电电器，接触器、各种继电器、启动器等为低压控制器。 按低压电器动作的方式又可将其分为自动切换电器
