電路與電工技術(shù) 第6章 電動機及控制基礎(chǔ)

1第6章電動機及控制基礎(chǔ)6.1三相交流異步電動機 6.2常用低壓電器及繼電接觸控制系統(tǒng) 學(xué)習(xí)目的：1.了解電動機原理2.熟悉電動機結(jié)構(gòu)3.了解常用低壓電器的結(jié)構(gòu)、功能和用途。學(xué)習(xí)重點：三相交流異步電動機原理及結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)難點：三相異步電動機的拆裝第6章電動機及控制基礎(chǔ)異步電機同步電機異步與同步的概念：所謂異步及同步是指電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)與氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向及速度是否相同，相同即稱為同步反之就是異步。交流電機6.1.1三相交流異步電動機的基本結(jié)構(gòu)及銘牌數(shù)據(jù)異步電機主要用作電動機，去拖動各種生產(chǎn)機械。異步電動機的優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、價格低廉、運行可靠、堅固耐用、運行效率較高和具有適用的工作特征。異步電動機的缺點:功率因數(shù)較差。異步電動機運行時，必須從電網(wǎng)里吸收落后性的無功功率，它的功率因數(shù)總是小于１。下面是它主要部件的拆分圖。右圖是一臺三相鼠籠型異步電動機的外形圖。1）三相交流異步電動機的基本結(jié)構(gòu)（1）定子部分定子是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。三相電動機的定子一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。外殼：三相電動機外殼包括機座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件。機座：鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是保護(hù)和固定三相電動機的定子繞組。中、小型三相電動機的機座還有兩個端蓋支承著轉(zhuǎn)子，它是三相電動機機械結(jié)構(gòu)的重要組成部分。通常，機座的外表要求散熱性能好，所以一般都鑄有散熱片。端蓋：用鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是把轉(zhuǎn)子固定在定子內(nèi)腔中心，使轉(zhuǎn)子能夠在定子中均勻地旋轉(zhuǎn)。軸承蓋：也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，它的作用是固定轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子不能軸向移動，另外起存放潤滑油和保護(hù)軸承的作用。接線盒：一般是用鑄鐵澆鑄，其作用是保護(hù)和固定繞組的引出線端子。吊環(huán)：一般是用鑄鋼制造，安裝在機座的上端，用來起吊、搬抬三相電動機。（2）定子鐵心異步電動機定子鐵心是電動機磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，如圖所示。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞圈。（a）定子鐵心（b）定子沖片定子鐵心及沖片示意圖（3）定子繞組定子繞組是三相電動機的電路部分，三相電動機有三相繞組，通入三相對稱電流時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組在空間相差120°電角度。線圈由絕緣銅導(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制。中、小型三相電動機多采用圓漆包線，大、中型三相電動機的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標(biāo)為U1,V1,W1，末端分別標(biāo)為U2,V2,W2。這六個出線端在接線盒里的排列如圖所示，可以接成星形或三角形。（a）星形連接（b）三角形連接定子繞組的聯(lián)結(jié)定子繞組:是電路重要的組成部分定子繞組用絕緣的銅（或鋁）導(dǎo)線繞成，嵌在定子槽內(nèi)。異步電動機的轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成的。（1）轉(zhuǎn)子鐵心：是電動機磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上，整個轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形。（2）轉(zhuǎn)子繞組：分為籠型和繞線型兩類。

轉(zhuǎn)子部分

籠型轉(zhuǎn)子：籠型繞組是一個自己短路的繞組。在轉(zhuǎn)子的每個槽里放上一根導(dǎo)體，在鐵心的兩端用端環(huán)連接起來，形成一個短路的繞組。如果把轉(zhuǎn)子鐵心拿掉，則可看出，剩下來的繞組形狀像個松鼠籠子，因此又叫鼠籠轉(zhuǎn)子。導(dǎo)條的材料有用銅的，也有用鋁的。如果用的是銅料，就需要把事先做好的裸銅條插入轉(zhuǎn)子鐵心上的槽里，再用銅端環(huán)套在伸了兩端的銅條上，最后焊在一起，如圖(b)所示。如果用的是鑄鋁，就連同端環(huán)、風(fēng)扇一次鑄成，如圖(c)所示。籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、是一種經(jīng)濟(jì)、耐用的電機，所以應(yīng)用極廣。其他部分包括端蓋、風(fēng)扇等。端蓋除了起防護(hù)作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉(zhuǎn)子軸。風(fēng)扇則用來通風(fēng)冷卻電動機。三相異步電動機的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，一般僅為0.2mm～1.5mm。氣隙太大，電動機運行時的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場增強，從而使附加損耗增加以及使啟動性能變差。其他部分

三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場按順時針方向旋轉(zhuǎn)，且某時刻為上為北極N下為南極S，如圖所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電動勢和電流方向由里向外，用⊙表示；在下半部則由外向里，用⊕表示。圖

三相電動機的轉(zhuǎn)動原理iAiBiC

tiO6.1.2三相異步電動機的工作原理原理：定子旋轉(zhuǎn)磁場以速度n0切

割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感生電動勢（發(fā)電機

右手定則），在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中形成

電流，使導(dǎo)體受電磁力作用形成

電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n順n0

方向旋轉(zhuǎn)（電動機左手定則），

并從軸上輸出一定大小的機械功

率。(n不能等于n0)

特點：·電動機內(nèi)必須有一個以

n0旋轉(zhuǎn)的磁場。－實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)

換的前提；電動運行時n恒不等

于n0（異步）－必要條件n<n0；

建立轉(zhuǎn)矩的電流由感應(yīng)產(chǎn)生。

－感應(yīng)名稱的來源。

流過電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力作用，力F的方向可用左手定則確定，如圖3.8所示。電磁力作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上，對轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為n。三相電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n始終不會加速到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。因為只有這樣，轉(zhuǎn)繞組與旋轉(zhuǎn)磁場之間才會有相對運動而切割磁力線，轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體中才能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可見，且，是異步電動機工作的必要條件，“異步”的名稱也由此而來。轉(zhuǎn)差率旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速n1之比稱為異步電動機的轉(zhuǎn)差率s，即

轉(zhuǎn)差率是異步電動機的一個基本參數(shù)，對分析和計算異步電動機的運行狀態(tài)及其機械特性有著重要的意義。當(dāng)異步電動機處于電動狀態(tài)運行時，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速n同向。轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動時，n=0,；當(dāng)時，，可知異步電動機處于電動狀態(tài)時，轉(zhuǎn)差率的變化范圍總在0和1之間，即0＜s＜1。一般情況下，額定運行時=1%～5%。定子繞組通入三相交流電流旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流轉(zhuǎn)子電流與磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn)iAiBiCABCXYZiA=ImsintiB=Imsin(t–120)iC=Imsin(t+120)iAiBiC相序A-B-C

對稱三相電流流入對稱三相繞組。tiO空間相差120o角的三相繞組，通入對稱三相電流時，產(chǎn)生的是一對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)電流經(jīng)過一個周期變化時，磁場也沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)了一周(在空間旋轉(zhuǎn)的角度為360o)。綜上分析可以得出：要正確使用電動機，必須要看懂銘牌。今以Y132M-4型電動機為例，來說明銘牌上各個數(shù)據(jù)的意義。三相異步電動機型號Y132M-4功率7.5KW頻率50Hz電壓380V電流15.4A接法△轉(zhuǎn)速1440r/min絕緣等級B工作方式連續(xù)年月編號××電機廠此外，還有功率因數(shù)0.85，效率87%。6.1.3電機銘牌數(shù)據(jù)為了適應(yīng)不同用途和不同工作環(huán)境的需要，電動機制成不同的系列，每種系列用各種型號表示。型號說明：Y132M-4三相異步電動機磁極數(shù)機座中心高機座長度代號（S-短機座；M-中機座；L-長機座）1)電機銘牌數(shù)據(jù)-型號U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2接電源U1V1W1W2U2V2接電源2)電機銘牌數(shù)據(jù)-接法電壓銘牌上所標(biāo)的電壓值是指電動機在額定運行時定子繞組上應(yīng)加的線電壓。電流銘牌上所標(biāo)的電流值是指電動機在額定運行時定子繞組的線電流。功率與效率銘牌上所標(biāo)的功率值是指電動機在額定運行時軸上輸出的機械功率值。所謂效率就是輸出功率與輸入功率的比值。3)電機銘牌數(shù)據(jù)-其他參數(shù)功率因數(shù)因為電動機是電感性負(fù)載，定子相電流比相電壓滯后一個角。cos就是功率因數(shù)。轉(zhuǎn)速由于生產(chǎn)機械對轉(zhuǎn)速的要求不同，需要生產(chǎn)不同磁極數(shù)的異步電動機，因此有不同的轉(zhuǎn)速等級。最常用的是四磁極的（n0=1500r/min)。絕緣等級絕緣等級是按電動機繞組所用的絕緣材料在使用時容許的極限溫度來分級的。所謂極限溫度，是指電動機絕緣結(jié)構(gòu)中最熱點的最高容許溫度。絕緣等級極限溫度（0C）AEB105120130YFHC90155180大于1801）組合開關(guān)

組合開關(guān)又稱轉(zhuǎn)換開關(guān)，由數(shù)層動、靜觸片組裝在絕緣盒而成的。動觸點裝在轉(zhuǎn)軸上，用手柄轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸使動觸片與靜觸片接通與斷開?？蓪崿F(xiàn)多條線路、不同聯(lián)接方式的轉(zhuǎn)換。下圖圖為用轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)三相電動機起?？刂频慕泳€圖。轉(zhuǎn)換開關(guān)中的彈簧可使動、靜觸片快速斷開，利于熄滅電弧。但轉(zhuǎn)換開關(guān)的觸片通流能力有限，一般用于交流380V、直流220V，電流100A以下的電路中做電源開關(guān)。6.2常用低壓電器及繼電接觸控制系統(tǒng)按鈕(手動切換電器)(b)結(jié)構(gòu)按鈕常用于接通和斷開控制電路。按鈕的外形圖和結(jié)構(gòu)如圖所示。按鈕開關(guān)的外形和符號(a)外形圖常閉觸點常開觸點復(fù)位彈簧支柱連桿常閉靜觸頭橋式靜觸頭常開靜觸頭外殼4SBSBSB結(jié)構(gòu)符號名稱常閉按鈕(停止按鈕)常開按鈕(起動按鈕)復(fù)合按鈕1234123按鈕帽交流接觸器的外形與結(jié)構(gòu)2）

接觸器用于頻繁地接通和斷開大電流電路的開關(guān)電器。(a)外形(b)結(jié)構(gòu)3）

繼電器繼電器和接觸器的結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同。主要區(qū)別在于：

接觸器的主觸點可以通過大電流；

繼電器的體積和觸點容量小，觸點數(shù)目多，且只能通過小電流。所以，繼電器一般用于控制電路中。電流及電壓繼電器電流繼電器：可用于過載保護(hù)，電壓繼電器：主要作為欠壓、失壓保護(hù)。4）

中間繼電器

中間繼電器觸頭容量小，觸點數(shù)目多，用于控制線路。通常用于傳遞信號和同時控制多個電路，也可直接用它來控制小容量電動機或其他電氣執(zhí)行元件。(b)符號KA線圈常開觸頭KA常閉觸頭KA(a)外形中間繼電器外形與符號5）熱繼電器用于電動機的過載保護(hù)。熱繼電器外形與結(jié)構(gòu)(a)外形(b)結(jié)構(gòu)

發(fā)熱元件接入電機主電路，若長時間過載，雙金屬片被加熱。因雙金屬片的下層膨脹系數(shù)大，使其向上彎曲，杠桿被彈簧拉回，常閉觸點斷開。工作原理用于電動機的過載保護(hù)。6）

熔斷器符號FU熔斷器額定電流IF的選擇(1)電燈、電爐等電阻性負(fù)載IF>IL(3)頻繁起動的電機(2)單臺電機用于低壓