電動機及其控制介紹

第四章

電機及其控制三相異步電動機基本控制電路單相異步電動機直流電動機汽車電動機

異步電動機是把交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的動力機械，廣泛應(yīng)用于工業(yè)（如：機床、紡織機械、起重機、礦山機械等）、農(nóng)業(yè)（脫粒機、粉碎機、水泵及加工機械等）、家用電器（電風(fēng)扇、空調(diào)、洗衣機、電冰箱及小功率電動工具等）。電動機發(fā)電機電機直流電機交流電機同步電機

異步電機（籠型、繞線型）特殊電機三相異步電機單相異步電機本章重點介紹三相異步電機。三相異步電機接線盒轉(zhuǎn)軸三相異步電動機的結(jié)構(gòu)機座定子鐵心定子繞組接線盒端蓋罩殼風(fēng)扇轉(zhuǎn)子主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、軸承、風(fēng)扇等部件。轉(zhuǎn)軸1.定子

三相異步電動機的定子是由機座、定子鐵心和定子繞組組成。定子鐵心沖片U1U2三相定子繞組（U相）2.轉(zhuǎn)子根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的不同分為：

三相異步電動機的轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心沖片去掉鐵心后的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條（轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)嵌有鑄鋁導(dǎo)條）籠型轉(zhuǎn)子繞線型轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)嵌有三相繞組）旋轉(zhuǎn)磁場1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

三相異步電動機的定子鐵心中放入三相定子繞組。定子繞組U1U2V1V2W1W2U1V1W1iuiviw定子繞組Y接接入三相對稱電源。t02iuiwivit=0°iu=0iv為負(fù)值iw為正值U1V1V2W1W2U2++U1V1V2W1W2U2++t=0°360°240°120°t=120°t=240°t=360°U1V1V2W1W2U2++U1V1V2W1W2U2++NSNNNSSS2.磁場的旋轉(zhuǎn)方向

與繞組中電流的相序一致U-V-W-U。t02iuiwivi

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，磁場的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序一致。

如果改變流入三相繞組的電流相序,就能改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)方向也就跟著改變。U1V1V2W1W2U2++NS如果電流的相序為U-V-W-U則旋轉(zhuǎn)磁場為順時針方向。n1U1V1V2W1W2U2++NSU1V1V2W1W2U2++NSU1V1V2W1W2U2++NSt0iuiwivit=0°360°240°120°U1V1W1iuiwivU1V1V2W1W2U2++NSt=120°U1V1V2W1W2U2++NSU1V1V2W1W2U2++NSt=0°t=240°繞組中電流的相序為U-W-V-U，磁場逆時針旋轉(zhuǎn)。

把三相異步電動機的三根線任意調(diào)換兩根與電源相接，電動機旋轉(zhuǎn)方向反向。t=360°

旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)p與取決于三相定子繞組的結(jié)構(gòu)和連接方式。3.旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)p4.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0(轉(zhuǎn)/每分）電源頻率電動機的磁極對數(shù)7501000150030004321pn(轉(zhuǎn)/每分)U1U2V1V2W1W2++SN三相異步電動機的運轉(zhuǎn)原理?+ff轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)的磁場可以帶動轉(zhuǎn)子同方向旋轉(zhuǎn)異步電動機原理圖???+++轉(zhuǎn)子定子磁場轉(zhuǎn)速n1n

三相異步電動機轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下轉(zhuǎn)動起來，其轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同。磁場轉(zhuǎn)速n1轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢(電流)n=(1–s)n1轉(zhuǎn)差率：0<s

<sN=0.01~0.06例

一臺額定轉(zhuǎn)速為1450r/min的三相異步電動機，求：額定轉(zhuǎn)差率。解：因為sN=0.01~0.06，所以該電動機為4極電機，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為1500r/min。三相異步電動機的機械特性STem10TstTmsmsNTNTem=f(S)

TN

額定轉(zhuǎn)矩Tm

最大轉(zhuǎn)矩Tst起動定轉(zhuǎn)矩電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系當(dāng)U1、R2

、X20為固定值時，

機械特性:電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。Tem=f(S)n

=f(Tem)三相異步電動機的機械特性穩(wěn)定運行時，電動機軸上輸出的轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TemT2穩(wěn)定運行區(qū)域：AB段當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，電動機能自動調(diào)節(jié)到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。如：在N點穩(wěn)定運行，TN=T2，當(dāng)T2，n,Tem,

時在D點穩(wěn)定。n0n1TemABTstTmnNTNNDnDn0n1TemTstTmnNTNN1.額定轉(zhuǎn)矩TN

電動機額定運行時的轉(zhuǎn)矩PN

單位：千瓦（kW）nN單位：轉(zhuǎn)每分（r/min）TN

單位：?！っ祝∟·m）例

有兩臺功率相同的異步電動機，一臺PN=7.5kW，nN=962r/min，UN=380V，另一臺PN=7.5kW，nN=1450r/min，UN=380V，求電動機額定轉(zhuǎn)矩。解

第一臺第二臺2.

最大轉(zhuǎn)矩Tm令代入得:smR2而與U1無關(guān)TmU12而與R2

無關(guān)n0TemU1sm0TmR2Temn3.

起動定轉(zhuǎn)矩Tst

過載能力(最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù))

Y系列三相異步電動機T2

2.2起動瞬間n=0，s=1

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩

T2<Tst

時，電動機可帶負(fù)載起動。起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tst起動轉(zhuǎn)矩越大，起動就越迅速。Y系列三相異步電動機K

st1.72.24.1

常用低壓電器

凡對電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用其控制、調(diào)節(jié)、檢測、轉(zhuǎn)換及保護(hù)作用的電工器械均成為電器。

低壓電器是指在交流50HZ額定電壓1200V及以下的交流電路或1500V及以下直流電路中工作的電器，主要用作接通或者斷開電路。

低壓電器的種類繁多，按控制作用分控制電器和保護(hù)電器；按操作方式分為手動電器（如閘刀開關(guān)、組合開關(guān)和按鈕等）和自動電器（熱繼電器、交流接觸器等）。4.1.1開關(guān)類控制電器

用途：主要用來接通和斷開不頻繁操作的設(shè)備的電源。

操作手柄閘刀1.刀開關(guān)分類：刀開關(guān)按極數(shù)分:有單極、雙極和三極；按結(jié)構(gòu)分有平板式和條架式；按操作方式分，有直接手柄操作式、杠桿操作機構(gòu)式、旋轉(zhuǎn)操作式和電動操作機構(gòu)式；除特殊的大電流刀開關(guān)又采用電動操作方式外，一般都進(jìn)行手動操作。2.組合開關(guān)（轉(zhuǎn)換開關(guān)）選擇：根據(jù)電源種類、電壓等級、設(shè)備容量及使用場合來選用。廣泛用于照明電路和在電動機控制電路作電源引入用。注意：刀開關(guān)安裝時，合閘狀態(tài)手柄必須向上，不得倒裝。用途：接通或切斷電源、控制小型籠型電動機的起動、停止、正反轉(zhuǎn)等。LW5D系列萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)適用于交流50HZ、額定電壓至500V及以下控制線路中。手柄文字符號及圖形符號QHZ5B型組合開關(guān)，適用于交流50HZ，額定電壓380V及以下的電路中，可作電動機起動、停止、換向、變速之用。文字符號及圖形符號Q選擇：根據(jù)控制要求、工作電流及工作電壓選擇。汽車的燈光組合開關(guān)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Q）▲4.1.2按鈕用途：接通或切斷控制電路。LAY39系列按鈕按鈕結(jié)構(gòu)圖按鈕帽復(fù)位彈簧動斷觸點動合觸點SBSB文字符號及圖形符號動合觸點（常開觸點）動斷觸點（常閉觸點）按鈕帽復(fù)位彈簧動斷觸點動合觸點按鈕帽復(fù)位彈簧動斷觸點動合觸點按鈕（SB）▲4.1.3熔斷器用途：短路保護(hù)電器當(dāng)電路發(fā)生短路和嚴(yán)重過載時，它的熔體能迅速熔斷，從而切斷電路，使導(dǎo)線和電氣設(shè)備不致?lián)p壞。結(jié)構(gòu)：熔體（俗稱保險絲）、熔管、熔座三部分組成。FU文字符號和圖形符號圓筒形熔斷器熔斷器底座高壓熔斷器螺旋式熔斷器熔體額定電流的選擇：1.照明線路等沒有沖擊電流的負(fù)載

熔體額定電流≥被保護(hù)設(shè)備的額定電流2.一臺電動機的熔體熔體額定電流≥電動機的起動電流2.5熔體額定電流≥電動機的起動電流1.6~2如果電動機起動頻繁，則為3.多臺電動機合用的總?cè)垠w熔絲額定電流=(1.5~2.5)容量最大的電動機額定電流+其余電動機額定電流之和4.1.4交流接觸器線圈主觸點輔助觸點動鐵心靜鐵心i主觸點輔助觸點動鐵心交流接觸器示意圖用途：用來頻繁地接通或分?jǐn)鄮в胸?fù)載的主電路（如電動機）的自動控制電器。i復(fù)位彈簧線圈主觸點滅弧罩輔助觸點線圈KM交流接觸器的圖形和文字符號輔助觸點主觸點動合觸點動斷觸點選擇接觸器主要考慮：

主觸點額定電壓、額定電流；輔助觸點種類、數(shù)量及觸點額定電流；電磁線圈的電源種類，頒率和額定電壓。主觸點電壓、電流≥負(fù)載額定電壓、電流電流4.1.5熱繼電器ii熱元件雙金屬片動斷觸點復(fù)位按鈕

扣板

彈簧iiii熱元件雙金屬片動斷觸點復(fù)位按鈕

扣板

彈簧熱繼電器原理圖用途：主要用于電動機的過載保護(hù)。熱繼電器的圖形和文字符號動斷觸點FR熱元件FR熱繼電器的原理圖▲4.1.6中間繼電器

用途：用來傳遞或轉(zhuǎn)換信號，或同時控制多個電路，也可以直接控制小容量電動機或其它電氣執(zhí)行元件。

結(jié)構(gòu)：與交流接觸器基本相同，只是容量小些，觸點多些。

選用：中間繼電器主要考慮電壓等級和觸點數(shù)量。7.1.8自動空氣開關(guān)（空氣斷路器）自動空氣開關(guān)示意圖主觸點釋放彈簧連桿裝置鎖鉤過電流脫扣器欠電壓脫扣器用途：用于低壓電路的短路、嚴(yán)重過載及欠電壓保護(hù)。自動空氣開關(guān)▲正常情況下過流脫扣器的銜鐵是釋放著的，嚴(yán)重過載或短路時，線圈因流過大電流而產(chǎn)生較大的電磁吸力，把銜鐵往下吸而頂開鎖鉤，使主觸點斷開，起過流保護(hù)作用。欠壓脫扣器在正常情況下吸住銜鐵，主觸點閉合，電壓嚴(yán)重下降或斷電時釋放銜鐵而使主觸點斷開，實現(xiàn)欠壓保護(hù)。電源電壓正常時，必須重新合閘才能工作。4.3

三相異步電動機的控制電路4.3.1單向運轉(zhuǎn)控制電路

一、用刀開關(guān)（或轉(zhuǎn)換開關(guān)）直接控制電路優(yōu)點：控制電路簡單。缺點：沒有失壓保護(hù);

不能實現(xiàn)遙控和自控；不便頻繁起、?？刂啤?/p>

M3~

QFU刀開關(guān)控制電路

二、用接觸器、按鈕控制的單向運轉(zhuǎn)電路1.點動控制電路KM

QFUM3~KMSB主電路控制電路閉合開關(guān)Q接通電源按SB→KM線圈得電→KM主觸點閉合動作過程→M運轉(zhuǎn)松SB→KM線圈失電

→M停。M3~KM

QFUM3~KMSB點動控制KMSBSTKM

QFUM3~2.單向運行控制電路FR自鎖KMSBSTP

用接觸器本身的觸點使其線圈保持通電的環(huán)節(jié)稱自鎖環(huán)節(jié)。

工作過程：按下SBST→

KM得電→電動機起動→按下SBSTP→

KM斷電→電動機停止。FR過載保護(hù)直接起動控制原理圖直接起動控制結(jié)構(gòu)圖起動過程：按下起動按鈕SBl，接觸器KM線圈通電，與SB1并聯(lián)的KM的輔助常開觸點閉合，以保證松開按鈕SBl后KM線圈持續(xù)通電，串聯(lián)在電動機回路中的KM的主觸點持續(xù)閉合，電動機連續(xù)運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)控制。停止過程：按下停止按鈕SB2，接觸器KM線圈斷電，與SBl并聯(lián)的KM的輔助常開觸點斷開，以保證松開按鈕SB2后KM線圈持續(xù)失電，串聯(lián)在電動機回路中的KM的主觸點持續(xù)斷開，電動機停轉(zhuǎn)。

與SBl并聯(lián)的KM的輔助常開觸點的這種作用稱為自鎖。圖示控制電路還可實現(xiàn)短路保護(hù)、過載保護(hù)和零壓保護(hù)。起短路保護(hù)的是串接在主電路中的熔斷器FU。一旦電路發(fā)生短路故障，熔體立即熔斷，電動機立即停轉(zhuǎn)。

起零壓（或欠壓）保護(hù)的是接觸器KM本身。當(dāng)電源暫時斷電或電壓嚴(yán)重下降時，接觸器KM線圈的電磁吸力不足，銜鐵自行釋放，使主、輔觸點自行復(fù)位，切斷電源，電動機停轉(zhuǎn)，同時解除自鎖。

起過載保護(hù)的是熱繼電器FR。當(dāng)過載時，熱繼電器的發(fā)熱元件發(fā)熱，將其常閉觸點斷開，使接觸器KM線圈斷電，串聯(lián)在電動機回路中的KM的主觸點斷開，電動機停轉(zhuǎn)。同時KM輔助觸點也斷開，解除自鎖。故障排除后若要重新起動，需按下FR的復(fù)位按鈕，使FR的常閉觸點復(fù)位（閉合）即可。4.3.2可逆運轉(zhuǎn)控制電路FUKMFQM3~FRKMR

KMF主觸點接通，電動機正轉(zhuǎn)。KMR主觸點接通，電動機反轉(zhuǎn)。KMF、

KMR不能同時接通，否則造成電源短路。注意？KMF、

KMR同時接通，會出現(xiàn)什么問題？主電路KMFSBSTPSBFFRKMRSBRKMRFUKMFQM3~FRKMRKMFKMRKMF互鎖籠型電動機正反轉(zhuǎn)控制線路主觸點閉合→正轉(zhuǎn)按SBF→

KMF通電輔動合閉合→自鎖輔動斷開→互鎖→存在問題：要想改變電機轉(zhuǎn)向，必須先按停止按鈕。具有互鎖環(huán)節(jié)的正反轉(zhuǎn)控制電路KMFKMFSBSTPSBFFRKMRSBRKMRKMRKMF采用復(fù)合按鈕的電動機正反轉(zhuǎn)控制線路FUKMFQM3~FRKMR

要想改變電機轉(zhuǎn)向，不必先按停止按鈕，直接按相應(yīng)的起動即可。雙重互鎖補充：基本電氣識圖繼電—接觸控制電氣圖分為電氣控制原理圖電氣設(shè)備安裝圖電氣設(shè)備接線圖2.電氣元件必須用國家統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號和文字符號標(biāo)注。3.同一電器的各部件如線圈和觸點常常不畫在一起，但用同一文字標(biāo)明。4.電氣控制原理圖中的全部觸點都按“?！睜顟B(tài)繪出。1.電器原理圖分為主電路和控制電路。主電路畫在左側(cè)（或上方），控制電路畫在右側(cè)（或下方）。各電氣元件按動作順序由上到下、從左到右依次排列。

繪制電氣原理圖的規(guī)則：3.結(jié)合說明書或有關(guān)的技術(shù)資料把控制線路劃分成幾個部分，按動作先后逐一進(jìn)行分析。4.搞清各電器之間的動作關(guān)系，相互間的聯(lián)鎖及電路的保護(hù)環(huán)節(jié)等。

2.先看主電路，由電源到被控設(shè)備（由上到下），了解各電氣設(shè)備的特點和控制要求。識圖注意問題：

1.首先了解控制系統(tǒng)的主要技術(shù)性能及機械傳動、液壓和氣動的工作原理。三相異步電動機的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù)銘牌的作用：向使用者簡要說明電動機的一些額定數(shù)據(jù)和使用方法。例：某電動機銘牌數(shù)據(jù)如下。

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1.型號Y132M-4三相異步電動機機座中心高(mm)磁極數(shù)機座長度代號(S短機座;M中機座;L長機座)2.

功率PN

額定運行時，軸上輸出的機械功率。輸入功率效率3.

電壓UN

額定運行時，定子繞組上應(yīng)加的線電壓。4.

電流IN

在UN、PN時，流入定子繞組的線電流。5.

轉(zhuǎn)速nN

在UN、PN、IN時，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。6.接法電動機三相定子繞組的接線方法。接線盒接線盒接Y接7.

頻率

fN

我國電網(wǎng)頻率為50HZ。8.溫升及絕緣等級電動機常用絕緣材料分為五個等級。AEBFH最高允許溫度/oC1051201301551809.工作方式連續(xù)工作、短時工作、斷續(xù)周期工作。10.其他可從電工手冊中查得功率因數(shù)、效率、三相異步電動機的選擇1.電動機容量（功率）的選擇選擇原則電動機的起動轉(zhuǎn)矩＞負(fù)載轉(zhuǎn)矩。電動機在運行時的溫升不超過其容許值。電動機應(yīng)具有一定的過載能力。選擇方法調(diào)查統(tǒng)計類比法。分析計算法。2.電動機類型的選擇

結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，維護(hù)方便。但起動性能差，適用于空載或輕載起動的生產(chǎn)機械（風(fēng)機、水泵、一般機床等）。

價格較貴，起動性能好，適用于起重機、軋鋼機等。3.結(jié)構(gòu)形式的選擇

臥式（軸為水平）、立式（軸為垂直）、開啟式、封閉式、防護(hù)式。

繞線型電動機：籠型電動機（可優(yōu)先考慮）4.額定電壓的選擇5.轉(zhuǎn)速的選擇

電動機的轉(zhuǎn)速愈低則體積愈大，價格也愈高，功率因數(shù)和效率也就低，同步轉(zhuǎn)速有3000r／min；1500r／min；1000r／min；750r／min

等。

一般情況下，可選用同步轉(zhuǎn)速為1500r／min的電動機。

4~100kW的電