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1、电气控制与电气控制与PLCPLC应用应用1.1.电动机的运行特性电动机的运行特性第第1 1章章 三相交流异步电动机的运行特性三相交流异步电动机的运行特性 三相交流异步电动机是目前生产、生活中应用最广泛的一种电机。据统计，在供电系统的动力负载中，约有85%的负载是由异步电动机驱动。 与其他电动机相比较, 三相交流异步电动机具有结构简单、制造方便、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、检修维护方便等一系列优点；还具有较高的运行效率和令人满意的工作特性，能满足各行各业大多数生产机械的传动要求。 以交流电动机为原动机的电力拖动系统为交流电力拖动系统。三相交流异步电动机由于结构简单，价格便宜，且性能良好，运行可
2、靠，故广泛应用在各种拖动系统中。1.1 1.1 三相交流异步电动机的基本特性三相交流异步电动机的基本特性1.1.1 三相交流异步电动机的运行原理三相交流异步电动机的运行原理 如同所有的旋转电机，三相交流异步电动机在结构上分成固定不动的定子和旋转的转子两大部件，两者之间还存在气隙。三相交流异步电动机的定子上嵌有三相对称绕组，而转子绕组则是一个自成回路的三相或多相绕组。 当绕组与三相对称电源接通后，三相对称电流所形成的合成磁场将是一个单方向的旋转磁场。 由于转子导条与定子旋转磁场之间存在相对切割速度时，转子导体就会切割磁力线而感应电动势。因为转子绕组自成封闭回路，所以转子导条中会有电流出现，该载流
3、导体在定子磁场中将受到电磁力的作用,形成与定子磁场旋转方向相同的电磁转矩，电磁转矩推动转子旋转，从而将输入的电功率转变为机械能输出，这就是异步电动机的基本工作原理。 三相交流异步电动机的运行原理三相交流异步电动机的运行原理1.1.2 1.1.2 三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据 铭牌注明电动机型号及主要技术数据（额定值），这些数据是正确选择、安装、使用和维修三相交流异步电动机的重要依据。 1.1.三相交流异步电动机的额定值三相交流异步电动机的额定值 （1）额定功率 在满载运行时三相交流异步电动机轴上所输出的机械功率，以千瓦（KW）或瓦（W）为单位。 （2）额定电压 电动机额定运
4、行时定子绕组上所加的线电压。单位 V或KV。 （3）额定电流 三相交流异步电动机在额定电源电压下，输出额定功率时，流入定子绕组的线电流，以安（A）为单位。 （4）额定转速 三相交流异步电动机额定运行状态时电动机每分钟的转速，单位为r/min或转/分。 （5）额定功率因数 电动机在额定状态运行时，定子侧的功率因数。 （6）额定频率 三相交流异步电动机额定运行时所接的交流电源每秒种内周期变化的次数。我国规定标准电源频率为50Hz。三相异步电动机的铭牌三相异步电动机的铭牌2.2.电动机的型号和绝缘等级电动机的型号和绝缘等级 异步电动机的型号是由汉语拼音的大写字母与阿拉伯数字组成，其中汉语拼音字母是根
5、据电机全名称选择有代表意义的汉字，用该汉字的第一字母组成。 三相交流异步电动机的绝缘等级三相交流异步电动机的绝缘等级 三相交流异步电动机的绝缘等级是指三相交流异步电动机所采用的绝缘材料的耐热能力，它表明三相交流异步电动机允许的最高工作温度。 三相交流异步电动机的绝缘等级和最高允许温度见表1-1。4. 4. 三相交流异步电动机的工作方式三相交流异步电动机的工作方式 三相交流异步电动机的工作方式也叫定额，是指三相交流异步电动机承受负载情况的说明，即允许连续使用的时间，分为连续、短时、周期断续工作方式三种。 连续工作方式是指电动机带额定负载运行时，运行时间很长，电动机的温升可以达到的稳态温升的工作方
6、式。电动机本身的温度与标准环境温度（40）的差值称为温升 短时工作方式是指电动机带额定负载运行时，运行时间很短，使电动机的温升达不到稳态温升；停机时间很长，使电动机的温升可以降到零的工作方式。 周期断续工作方式是指电动机带额定负载运行时，运行时间很短，使电动机的温升达不到稳态温升；停止时间也很短，使电动机的温升降不到零，工作周期小于10分钟的工作方式。5. 5. 三相交流异步电动机的接法三相交流异步电动机的接法 三相交流异步电动机定子绕组的连接方法有星形（Y）和三角形（）两种。 定子绕组的连接只能按规定方法连接，不能任意改变接法，否则会损坏三相电动机。6. 6. 三相交流异步电动机的防护等级三
7、相交流异步电动机的防护等级 三相交流异步电动机的防护等级表示三相交流异步电动机外壳防止异物和水进入电机内部的等级。 其中，IP是防护等级标志符号，其后面的两位数字分别表示电机防固体和防水能力。数字越大，防护能力越强，如IP44中第一位数字“4”表示电机能防止直径或厚度大于1毫米的固体进入电机内壳。第二位数字“4”表示能承受任何方向的溅水。1.1.3 1.1.3 三相交流异步电动机的主要系列三相交流异步电动机的主要系列 1 1Y Y系列系列 Y系列是一般用途的小型笼型电动机系列，Y系列取代了原先的JO2系列，原来的老系列JO系列和J02系列已被淘汰。Y系列的额定电压为380V，额定频率为50Hz
8、，功率范围为（0.5590）KW，同步转速为（7503000）r/min，外壳防护型式为IP44和IP23两种，B级绝缘。Y系列的技术条件已符合国际电工委员会（IEC）的有关标准。 2 2JDO2JDO2系列系列 该系列是小型三相多速异步电动机系列。它主要用于各式机床以及起重传动设备等需要多种速度的传动装置。 3 3JRJR系列系列 该系列是中型防护式三相绕线式转子异步电动机系列，容量为（45410）KW。 4 4YRYR系列系列是一种大型三相绕线转子异步电动机系列，容量为（2502500）KW，主要用于冶金工业和矿山中。1.2 1.2 三相交流异步电动机的运行原理三相交流异步电动机的运行原理
9、 1.2.1 1.2.1 三相交流异步电动机的空载运行三相交流异步电动机的空载运行三相交流异步电动机的三相定子绕组与三相对称电源接通，轴上不带任何机械负载，转子空转时的运行状态，称为空载运行。 三相交流异步电动机空载运行时，轴上没有任何机械负载，电机所受阻转矩很小，其转子转速n接近同步转速n1，即，转子与气隙磁场的相对运动转速n就接近零，即。这时三相交流异步电动机内只有定子绕组上的电流形成气隙磁场，该电流称为空载励磁电流。 显然，对于结构固定的三相交流异步电动机，当电源频率一定时，主磁通。若外加电压U1一定，主磁通大体上也为一定值。由于三相交流异步电动机有气隙，空载电流则较大，一般为额定电流的
10、30%50%，在小型三相交流异步电动机中，甚至可以达到额定电流的60%。1.2.2 1.2.2 三相交流异步电动机的负载运行三相交流异步电动机的负载运行 负载运行时，由于转子转速nn1，则转子三相对称绕组将切割气隙旋转磁场而感应三相对称电动势，在转子上产生三相对称电流，进而在转子上产生单方向的旋转磁动势。 若定子磁场为顺时针方向，由于nn1，转子三相电动势的相序则取决于气隙旋转磁场依次切割转子绕组的顺序，即取决于转子与气隙磁场的相对运动转速的方向。即在异步电动机中转子磁动势的旋转方向与定子磁动势的旋转方向始终相同。1.2.3 1.2.3 三相交流异步电动机的工作特性三相交流异步电动机的工作特性
11、 1.1.三相交流异步电动机的电磁转矩表达式三相交流异步电动机的电磁转矩表达式 （1 1）电磁转矩）电磁转矩T T的物理表达式的物理表达式 （2 2）电磁转矩）电磁转矩T T的参数表达式的参数表达式（3 3）电磁转矩的实用表达式）电磁转矩的实用表达式2.2.三相交流异步电动机的机械特性三相交流异步电动机的机械特性 机械特性是指在一定条件下，电动机的转速与转矩之间的关系。机械特性机械特性 降低电源电压的人为机械特性曲线 转子回路串电阻的人为机械特性 3.3.三相交流异步电动机的工作特性曲线三相交流异步电动机的工作特性曲线 三相交流异步电动机的工作特性是指定子的电压及频率为额定值时，电动机的转速、
12、定子电流、功率因数、电磁转矩、效率等与输出功率的关系曲线。1.3 1.3 三相交流异步电动机的起动三相交流异步电动机的起动 异步电动机从接通电源，到进入稳定运行的过程，称为起动。 异步电动机起动过程的特点： （1）起动电流大 （2）起动时间短 （3）起动转矩不高 为了使异步电动机能带动负载很快达到稳定运行，同时又不影响接在同一电网上的其它设备，对起动的基本要求是起动转矩足够大，起动电流又不要太大。 由上面的分析可以看出，要限制起动电流，可以采取降压或增大电机参数的方法。为增大起动转矩，可适当加大转子的电阻。所以大容量的异步电动机一般采用加装起动装置起动。1.3.1 1.3.1 直接起动直接起动
13、 给电动机定子绕组加上额定电压使之起动的方法称为直接起动，或称全压起动。 直接起动是最简单的起动方法。起动时用刀开关、电磁起动器或接触器将电动机定子绕组直接接到电源上，其接线图如图1-6所示。直接起动时，起动电流很大，一般选取熔体的额定电流为电机额定电流的2.53.5倍。 对于一般小型笼型异步电动机如果电源容量足够大时，应尽量采用直接起动方法。对于某一电网，多大容量的电动机才允许直接起动，可按下列经验公式来确定 电动机的起动电流倍数ki需符合式(1-2)中电网允许的起动电流倍数，才允许直接起动，否则应采取降压起动。一般10kW以下的电动机都可以直接起动。随电网容量的加大，允许直接起动的电动机容
14、量也变大。1.3.2 1.3.2 笼型异步电动机的降压起动笼型异步电动机的降压起动 降压起动是指电动机在起动时降低加在定子绕组上的电压，起动结束时加额定电压运行的起动方式。 降压起动虽然能降低电动机起动电流，但由于电动机的转矩与电压的平方成正比，因此降压起动时电动机的转矩减小较多，故此法一般适用于电动机空载或轻载起动。 降压起动的方法有以下几种： 1.1.定子串接电抗器或电阻定子串接电抗器或电阻的降压起动的降压起动 2.Y-2.Y-降压起动降压起动 3.3.自耦变压器（起动补偿自耦变压器（起动补偿器）起动器）起动 4.4.延边三角形起动延边三角形起动1.3.31.3.3三相绕线式异步电动机的起
15、动三相绕线式异步电动机的起动 适当增加转子电路的电阻不仅可以降低起动电流，还可以提高起动转矩。绕线转子异步电动机正是利用这一特性，起动时在转子回路中串入电阻器或频敏变阻器来改善起动性能。 1.1.转子串接电转子串接电阻器起动阻器起动 2.2.转子串频敏转子串频敏变阻器起动变阻器起动 1.4 1.4 三相交流异步电动机的调速三相交流异步电动机的调速 人为地在同一负载下使电动机转速从某一数值改变为另一数值，以满足生产过程的需要，这一过程称为调速。 近年来，随着电力电子技术的发展，异步电动机的调速性能大有改善，交流调速应用日益广泛，在许多领域有取代直流调速系统的趋势。 从异步电动机的转速关系式可以看
16、出，异步电动机调速可分以下三大类： (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fl变频调速。 (3)改变电动机的转差率s转差调速。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。 1.4.11.4.1变极调速变极调速 在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，电动机的同步转速n1就会发生变化，从而改变电动机的转速。若极对数减少一半，同步转速就提高一倍，电动机转速也几乎升高一倍。 通常用改变定子绕组的接法来改变极对数，这种电机称多速电动机。其转子均采用笼型转子，因其感应的极对数能自动与定子相适应。 变极调速主要用于各种机床及其他设备上。它所需设备简单、体积小、重量
17、轻，接线简单，调速级数少。1.4.2 1.4.2 变频调速变频调速 随着晶闸管整流和变频技术的迅速发展，异步电动机的变频调速应用日益广泛。变频调速是目前公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，它主要用于拖动泵类负载，如通风机、水泵等。而且，变频调速有逐步取代直流调速的趋势。 变频调速根据电动机输出性能的不同可分为： 保持电动机过载能力不变。 保持电动机恒转矩输出。 保持电动机恒功率输出。变频器变频器 应用变频调速可以大大提高电动机转速的控制精度，使电动机在最节能的转速下运行。 以风机水泵为例，其轴功率与转速的三次方成正比，当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。可见，精确
18、调速的节电效果非常可观。与此类似，许多电动机接变动负载时一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大，而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。 变频器是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电供给负载的电源装置，变频器的基本结构主要由主电路和控制电路组成，如图1-16所示。变频器主要用于交流电动机(异步电动机或同步电动机)转速的调节。变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自20世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。
19、 1.4.3 1.4.3 改变定子电压调速改变定子电压调速 此法用于笼型异步电动机，靠改变转差率s调速。 对于转子电阻大、机械特性曲线较软的笼型异步电动机而言，如加在定子绕组上的电压发生改变，则负载TL对应于不同的电源电压U1、U2、U3，可获得不同的工作点aI、a2、a3，如图1-17所示，显然电动机的调速范围很宽。缺点是低压时机械特性太软，转速变化大，可采用带速度负反馈的闭环控制系统来解决该问题。 改变电源电压调速时，过去都采用定子绕组串电抗器来实现，目前已广泛采用晶闸管交流调压线路来实现。1.4.4 1.4.4 转子串电阻调速转子串电阻调速 此法只适用于绕线转子异步电动机，靠改变转差率s
20、调速。 绕线转子异步电动机转子串电阻的机械特性如图1-18所示。转子串电阻时最大转矩不变，临界转差率加大。所串电阻越大，运行段特性斜率越大。若带恒转矩负载，原来运行在固有特性上的a点，转子串电阻R1后，就运行于b点，转速由na变为nb，依此类推。 若转速越低，转差率s越大，转子损耗越大，低速时效率不高。 转子串电阻调速的优点是方法简单，主要用于中、小容量的绕线转子异步电动机，如桥式起动机等。1.4.5 1.4.5 串级调速串级调速 所谓串级调速，就是在三相交流异步电动机的转子回路串入一个三相对称的附加电势Ef，其频率与转子电势E2相同，改变Ef的大小和相位，就可以调节电动机的转速。它也适用于绕
21、线转子异步电动机，依靠改变转差率s调速。 串级调速有低同步串级调速和超同步串级调速两种方法。 低同步串级调速时，在串入附加电势Ef后转速降低。串入附加电势越大，转速降得越多，因此称为低同步串级调速。 超同步串级调速时，若附加电势Ef与转子电势E2同相位，则转矩T2总是正值。当拖动恒转矩负载时，引入附加电势Ef后，导致转速升高了，则称为超同步串级调速。 串级调速性能比较好，过去由于附加电势Ef比较难获得，长期以来没能得到推广。 近年来，随着晶闸管技术的发展，串级调速有了广阔的发展前景。现已日益广泛用于水泵和风机的节能调速，应用于不可逆轧钢机、压缩机等很多生产机械。1.5 1.5 三相交流异步电动
22、机的反转与制动三相交流异步电动机的反转与制动 1.5.1 1.5.1 三相交流异步电动机的反转三相交流异步电动机的反转 从三相交流异步电动机的工作原理可知，电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向。因此只要改变旋转磁场的旋转方向，就能使三相交流异步电动机反转，而旋转磁场的旋转方向与相序一致，所以只要改变电动机接入电源的相序，就可以改变电动机的旋转方向。 电动机正、反转的原理线路图电动机正、反转的原理线路图 图1-19是利用控制开关SA来实现电动机正、反转的原理线路图。 当SA向上合闸时，L1接A相，L2接B相，L3接C相，电动机正转。当SA向下合闸时，L1接B相，L2接A相，L3接C相，即将电动机任意两相绕组与电源接线互调，则旋转磁场反向，电动机跟着反转。
