《電工與電子技術(shù)》課件第8章

第8章異步電動(dòng)機(jī)及控制電路8.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

8.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性8.3三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌8.4三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)8.5單相異步電動(dòng)機(jī)8.6常用低壓電器8.7電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)8.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

8.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

三相異步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。其中定子為固定部分，包括機(jī)座、鐵芯、三相繞組等。機(jī)座通常由鑄鐵或鑄鋼制成。機(jī)座內(nèi)裝有用0.5mm厚的硅鋼片疊成的筒形鐵芯，鐵芯的內(nèi)圓周上有若干均勻分布的平行槽，用來嵌放三相繞組，如圖8.1所示。

圖8.1定子結(jié)構(gòu)(a)定子硅鋼片；(b)未嵌繞組的定子；(c)嵌有繞組的定子定子繞組的三個(gè)首端U1、V1、W1和三個(gè)末端U2、V2、W2都從機(jī)座上的接線盒中引出，如圖8.2所示。三相定子繞組可接成星形，如圖8.2(a)所示；也可接成三角形，如圖8.2(b)所示。實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)銘牌上的規(guī)定連接。

圖8.2三相定子繞組的連接(a)星形連接；(b)三角形連接

轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵芯是由相互絕緣的硅鋼片壓裝在轉(zhuǎn)軸上而形成的，在轉(zhuǎn)子鐵芯的外圓開有均勻分布的槽，以嵌放轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同分為籠型和繞線式兩種?；\型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖8.3所示，其鐵芯由0.5mm厚的硅鋼片疊加而成，并固定在轉(zhuǎn)軸上。在轉(zhuǎn)子的外圓周上有若干均勻分布的平行槽，槽內(nèi)放置裸導(dǎo)體，這些導(dǎo)體的兩端分別焊接在兩個(gè)銅環(huán)(稱為端環(huán))上，如圖8.3(a)所示。轉(zhuǎn)子繞組的外形與鼠籠相似，故稱為籠型轉(zhuǎn)子，如圖8.3(b)所示。圖8.3籠型轉(zhuǎn)子(a)籠型繞組；(b)轉(zhuǎn)子外形；(c)鑄鋁籠型轉(zhuǎn)子目前，100kW以下的中小型籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常是用熔化的鋁澆鑄在槽內(nèi)而制成的，稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子。在澆鑄的同時(shí)，把轉(zhuǎn)子的端環(huán)和冷卻電動(dòng)機(jī)用的扇葉也一起用鋁鑄成，如圖8.3(c)所示。鑄鋁轉(zhuǎn)子的制造比較簡便。圖8.4所示為籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

繞線式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖8.5所示。通常把轉(zhuǎn)子三相繞組的三個(gè)末端接在一起，成為星形連接，三個(gè)首端分別接到固定在轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)銅滑環(huán)上，滑環(huán)除相互絕緣外，還與轉(zhuǎn)軸絕緣。在各個(gè)環(huán)上，分別放置著固定不動(dòng)的電刷，通過電刷與滑環(huán)的接觸，使轉(zhuǎn)子繞組與外加變阻器接通，以便起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。但在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，把外加變阻器轉(zhuǎn)到零位，同時(shí)使轉(zhuǎn)子繞組的三個(gè)首端接在一起。圖8.4籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖圖8.5繞線式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)(a)轉(zhuǎn)子硅鋼片；(b)轉(zhuǎn)子外形；(c)轉(zhuǎn)子等效電路籠型和繞線式兩類異步電動(dòng)機(jī)只是在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上有所不同，其工作原理完全一樣?；\型異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用較為普遍；繞線式異步電動(dòng)機(jī)具有較好的起動(dòng)和調(diào)速性能，一般用于要求起動(dòng)頻繁和在一定范圍內(nèi)調(diào)速的場合，如大型立式車床和起重設(shè)備等。8.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

若在三相對(duì)稱定子繞組中通入三相對(duì)稱電流，便會(huì)在定子繞組和氣隙間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下產(chǎn)生電磁感應(yīng)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。下面來分析旋轉(zhuǎn)磁場是如何產(chǎn)生的。

1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組是由三相對(duì)稱繞組構(gòu)成的，其各相繞組的首端分別用U1、V1、W1表示，末端分別用U2、V2、W2表示，連接方式如圖8.6所示。圖8.6三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組Y連接示意圖(a)內(nèi)部繞組示意圖；(b)接線原理圖三相繞組W1W2、U1U2、V1V2在空間上互差120°。通入三相對(duì)稱電流：

iU=Imsinωt

iV=Imsin(ωt－120°)

iW=Imsin(ωt+120°)

其波形如圖8.7(a)所示。圖8.7兩極旋轉(zhuǎn)磁場示意圖旋轉(zhuǎn)磁場的極對(duì)數(shù)p與定子繞組的布置有關(guān)，如果每相繞組由兩個(gè)串聯(lián)的線圈組成，如圖8.8所示，W1W2與W1′W2′串聯(lián)，U1U2與U1′U2′串聯(lián)，V1V2與V1′V2′串聯(lián)，這時(shí)的定子鐵芯至少要有12個(gè)槽，每相繞組占四個(gè)槽，每相中兩個(gè)相隔180°角的線圈串聯(lián)組成一相。當(dāng)三相對(duì)稱交流電流通過這些線圈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生兩對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，且電流每變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)半周，讀者可自行畫圖分析。圖8.8四極定子繞組的分布與連接(a)內(nèi)部繞組示意圖；(b)接線原理圖

2.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向

根據(jù)上述分析，電流變化一周時(shí)，兩極(p=1)的旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，用f1表示電流的頻率，用n1表示旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，則

n1=60f1(r/min)

對(duì)于四極(p=2)旋轉(zhuǎn)磁場，電流變化一周，合成磁場在空間只旋轉(zhuǎn)了半周，故有

依此類推，具有p對(duì)磁極的異步電動(dòng)機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為(8.1)我國的電源標(biāo)準(zhǔn)頻率為f1=50Hz，因此不同磁極對(duì)數(shù)的電動(dòng)機(jī)所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速也不同，如表8.1所示。

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1也稱為同步轉(zhuǎn)速。改變?nèi)嘟涣麟姷南嘈?，即將三相電源線中任意兩相對(duì)調(diào)(例如W、U)，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向?qū)?huì)改變。

3.轉(zhuǎn)動(dòng)原理

圖8.9為三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖。為簡單起見，圖中用一對(duì)磁極來進(jìn)行分析。

定子繞組接通對(duì)稱三相電源后，繞組中便有三相電流通過，在空間產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則來判斷。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子的閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用所產(chǎn)生電磁力的方向可用左手定則來判斷，電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子的作用形成電磁轉(zhuǎn)矩，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場同向轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n一定小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。這是因?yàn)椋鬾=n1，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場間就不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)子繞組不切割磁力線，電磁轉(zhuǎn)矩等于零，轉(zhuǎn)子就不能轉(zhuǎn)動(dòng)。圖8.9轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1間存在著一定的差值，故將這種電動(dòng)機(jī)稱為異步電動(dòng)機(jī)。通常把n1和n的差值與n1的比值稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用s表示，即或用百分?jǐn)?shù)表示轉(zhuǎn)差率s是描述異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況的一個(gè)重要物理量。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，n=0，這時(shí)s=1。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增高，轉(zhuǎn)差率變小，額定情況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率一般為0.02~0.06。由此可見，轉(zhuǎn)差率s的變化范圍在0~1之間。

【例8.1】

一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，定子繞組接到頻率f1=50Hz的三相對(duì)稱電源上，已知它在額定轉(zhuǎn)速nN=960r/min下運(yùn)行，求：

(1)該電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p為多少？

(2)額定轉(zhuǎn)差率是多少？

解

(1)求磁極對(duì)數(shù)。

由于異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率很小，故可根據(jù)額定轉(zhuǎn)速(960r/min)來估算旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1=1000r/min，于是可以計(jì)算磁極對(duì)數(shù)

(2)額定轉(zhuǎn)差率8.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性

8.2.1電磁轉(zhuǎn)矩

從異步電動(dòng)機(jī)的工作原理知道，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由具有轉(zhuǎn)子電流I2的轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受力而產(chǎn)生的，因此，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)子電流I2和反映磁場強(qiáng)度的每極磁通成Φ正比。此外，轉(zhuǎn)子電路是存在感抗的，因此I2和E2之間有一相位差，即轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)cosj2＜1。綜上所述，可以得到異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式為

T=CTΦI2cosj2(8.3)式中的CT稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，它與電動(dòng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。該式?jīng)]有反映出電磁轉(zhuǎn)矩的一些外部條件，如電源電壓U1、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2以及轉(zhuǎn)子電路參數(shù)之間的關(guān)系。為了直接反映這些因素對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響，需要對(duì)上式進(jìn)一步推導(dǎo)變換后得到(8.4)上式表示了電磁轉(zhuǎn)矩與外加電壓U1、轉(zhuǎn)差率s以及與轉(zhuǎn)子電路參數(shù)R2和X20之間的關(guān)系，稱為異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式。若定子電路的外加電壓U1及其頻率f1為定值，則R2和X20均為常數(shù)，因此，電磁轉(zhuǎn)矩僅隨轉(zhuǎn)差率s而改變。把不同的s值(0~1之間)代入式(8.4)中，便可繪出轉(zhuǎn)矩特性曲線，如圖8.10所示。轉(zhuǎn)矩特性曲線又稱T－s曲線。

從T－s曲線可以看出，當(dāng)s=1時(shí)(即起動(dòng)瞬時(shí))，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)雖然為最大，但電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩并不是最大。這是因?yàn)?，起?dòng)時(shí)雖然轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流I2為最大，但cosj2卻很小，它們的乘積I2cosj2不是很大，所以這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩不大。圖8.10轉(zhuǎn)矩特性曲線8.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

在電力拖動(dòng)中，為了更清楚地說明轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，常把T-s曲線改畫成n-T曲線，稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線，它反映了電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如圖8.11所示。圖8.11機(jī)械特性曲線

1.機(jī)械特性分析

機(jī)械特性曲線可分為兩個(gè)區(qū)段。

(1)ab區(qū)段。此段稱為穩(wěn)定工作區(qū)，在這個(gè)區(qū)段內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n較高，s值較小，且隨n的減小，I2的增加大于cosj2的減小，因而乘積I2cosj2增加，使電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降而增大。

(2)bc區(qū)段。此段稱為不穩(wěn)定工作區(qū)，在這個(gè)區(qū)段內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，s值較大。隨著n的減小，I2的增加小于cosj2的減小，因而乘積I2cosj2減小，使得電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降而減小。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程如下：在接通電源起動(dòng)的瞬間，n=0，s=1，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即圖8.11中的Tst。當(dāng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)子便旋轉(zhuǎn)起來，并逐漸加速，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩沿著n-T曲線的c→b區(qū)段上升，經(jīng)過最大轉(zhuǎn)矩Tmax后又沿著b→a區(qū)段逐漸下降，直至T等于額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩TN時(shí)，電動(dòng)機(jī)就以某一轉(zhuǎn)速等速旋轉(zhuǎn)，這時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行于d點(diǎn)。由此可見，只要異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，一經(jīng)起動(dòng)后，便可立即進(jìn)入機(jī)械特性曲線的ab區(qū)段穩(wěn)定運(yùn)行。

2.三個(gè)特殊的轉(zhuǎn)矩

(1)額定轉(zhuǎn)矩TN，是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T必然與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，因此，可用額定電磁轉(zhuǎn)矩表示額定輸出轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可以通過電動(dòng)機(jī)銘牌上的額定功率和額定轉(zhuǎn)速求出：

T=TL

P2=TΩ

式中Ω為機(jī)械角速度，單位為弧度/秒(rad/s)。

由上式得到(8.5)其中轉(zhuǎn)矩T的單位是?！っ?N·m)；功率P2的單位是千瓦(kW)；轉(zhuǎn)速n的單位是轉(zhuǎn)/每分鐘(r/min)。

為了保證電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)安全可靠，不輕易停車，應(yīng)使電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力留有一定的余量，所以額定轉(zhuǎn)矩一般只應(yīng)為最大轉(zhuǎn)矩的一半左右。

(2)最大轉(zhuǎn)矩Tm，是電動(dòng)機(jī)所能提供的極限轉(zhuǎn)矩，即對(duì)應(yīng)于臨界轉(zhuǎn)差率sm的臨界轉(zhuǎn)矩。臨界轉(zhuǎn)差率sm可用數(shù)學(xué)方法求出：(8.6)由式(8.6)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組的漏感抗X20等于轉(zhuǎn)子繞組的電阻R2時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。由于籠型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電阻R2很小，故sm很小，因此轉(zhuǎn)矩曲線的Oa段是很陡的。對(duì)繞線式電動(dòng)機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子電路不外接電阻而自行閉合，其電阻也較小，故sm也不大。就一般而言，異步電動(dòng)機(jī)sm大約在0.04(大型電動(dòng)機(jī))到0.2(小型電動(dòng)機(jī))之間。

把式(8.6)的臨界轉(zhuǎn)差率代入式(8.4)可得出最大轉(zhuǎn)矩為(8.7)此式表明，異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tm和轉(zhuǎn)子電阻R2的大小無關(guān)，但當(dāng)R2增大時(shí)，sm也增大，轉(zhuǎn)矩曲線向右偏移；反之則向左偏移。利用這一原理，對(duì)繞線式轉(zhuǎn)子的電機(jī)可通過調(diào)節(jié)其外接電阻的大小對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。最大轉(zhuǎn)矩是穩(wěn)定工作區(qū)與不穩(wěn)定區(qū)的分界點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)不能超過此點(diǎn)，即TN應(yīng)小于它的最大轉(zhuǎn)矩Tm。如果把額定轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)得很接近最大轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)略微過載，便會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)停車。為此，要求電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備一定的過載能力。所謂過載能力，就是最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值：(8.8)λm一般在1.8~2.2之間。

(3)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst，是電動(dòng)機(jī)在接通電源剛被起動(dòng)的一瞬間所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，這時(shí)n=0，s=1，由式(8.4)可得出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小為(8.9)由式(8.9)可以看出，隨著轉(zhuǎn)子電路中電阻R2的增加，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst也逐漸增加。當(dāng)R2=X20時(shí)，s=sm=1，可使最大轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，這一點(diǎn)在生產(chǎn)上具有實(shí)際意義。繞線式電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子電路中串接適當(dāng)?shù)钠饎?dòng)電阻，不僅可減小轉(zhuǎn)子電流I2，而且可使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加，這是因?yàn)樵黾覴2可增大功率因數(shù)cosj2。

為了反映電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，把起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為起動(dòng)能力，用λs表示，即(8.10)普通籠型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力較差，λs在0.8～2.2之間，常采用輕載起動(dòng)。繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可以通過滑環(huán)外接電阻來調(diào)節(jié)起動(dòng)能力。

【例8.2】

一臺(tái)Y225M-4型三相異步電動(dòng)機(jī)，由銘牌可知UN=380V，PN=45kW，nN=1480r/min，起動(dòng)能力λs=1.9，過載能力λm=2。試求：

(1)額定轉(zhuǎn)差率；

(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

(3)最大轉(zhuǎn)矩。

解

(1)由額定轉(zhuǎn)速為1480r/min可推算出同步轉(zhuǎn)速n0=1500r/min，所以

(2)由已知條件可求額定轉(zhuǎn)矩(3)最大轉(zhuǎn)矩為Tm=λmTN=2×290.4=580.8N·m

8.3三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌

為了使用戶能正確合理地使用電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的外殼上都附有銘牌。銘牌上標(biāo)有這臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，如功率、電壓、電流、轉(zhuǎn)速等。所謂額定運(yùn)行，是指電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家按照國家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)而規(guī)定的每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)和條件。銘牌上的主要數(shù)據(jù)稱為額定值。

表8.2為某臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)。

1.型號(hào)

為了適應(yīng)不同用途和不同工作環(huán)境的需要，電動(dòng)機(jī)制成不同的系列，每種系列用不同的型號(hào)表示。如Y160L-4中，Y表示三相籠型異步電動(dòng)機(jī)；160表示機(jī)座中心高度為

160mm;Ｌ表示長機(jī)座(Ｓ表示短機(jī)座，Ｍ表示中機(jī)座)；４表示４極電動(dòng)機(jī)。

2.額定功率PN

額定功率是指電動(dòng)機(jī)在額定工作情況下轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，單位為瓦(W)或千瓦(kW)。

3.額定電壓UN

額定電壓是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組上應(yīng)加的線電壓，單位為伏(V)或千伏(kV)。

4.額定電流IN

額定電流是指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下運(yùn)行，輸出額定功率時(shí)，定子繞組的線電流，單位為安培(A)。

5.接法

接法是指定子三相繞組的接法。對(duì)于Y系列異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)功率PN≤3kW時(shí)定子繞組為星形接法，功率PN≥

4kW時(shí)定子繞組為三角形接法。

電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)注有兩種電壓值220／380V，對(duì)應(yīng)兩種接法△/Y，其意思是當(dāng)電源線電壓是220V時(shí)，定子繞組作三角形連接；當(dāng)電源線電壓是380V時(shí)，定子繞組作星形連接。這兩種連接方式都能保證每相定子繞組均在額定電壓下運(yùn)行。

6.額定轉(zhuǎn)速nN

額定轉(zhuǎn)速是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。三相異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般略低于同步轉(zhuǎn)速。

7.額定頻率fN

額定頻率是指電動(dòng)機(jī)所接交流電源的頻率。我國規(guī)定工業(yè)用交流電源的頻率為50Hz。

8.工作方式

工作方式是指電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)發(fā)熱條件可分為三種：S1表示連續(xù)工作方式，允許電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下連續(xù)長期運(yùn)行；S2表示短時(shí)工作方式，電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下只能在規(guī)定時(shí)間短時(shí)運(yùn)行；S3表示斷續(xù)工作方式，電動(dòng)機(jī)可在額定負(fù)載下按規(guī)定周期性重復(fù)短時(shí)運(yùn)行。

8.4三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)

8.4.1三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

1.直接起動(dòng)

直接起動(dòng)又稱為全壓起動(dòng)，即起動(dòng)時(shí)，將電動(dòng)機(jī)的額定電壓直接接到電動(dòng)機(jī)的定子繞組上進(jìn)行起動(dòng)。直接起動(dòng)的特點(diǎn)是:不需另加起動(dòng)設(shè)備，起動(dòng)時(shí)間短，但起動(dòng)電流大，一般只允許小功率異步電動(dòng)機(jī)(PN≤7.5kW)進(jìn)行直接起動(dòng)，對(duì)大功率的異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)采取減壓起動(dòng)，以限制起動(dòng)電流。

2.降壓起動(dòng)

降壓起動(dòng)是指通過起動(dòng)設(shè)備先將額定電壓降低后再加到電動(dòng)機(jī)的定子繞組上，從而限制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，待電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到穩(wěn)定值后，再使定子繞組承受全壓，從而使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下穩(wěn)定運(yùn)行。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，所以當(dāng)定子端電壓下降時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降較多，故降壓起動(dòng)只適合于對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高的場合，若必須采用減壓起動(dòng)，則要注意應(yīng)盡量輕載或空載起動(dòng)。

常用的降壓起動(dòng)方法有以下三種：

(1)Y-△降壓起動(dòng)。這種起動(dòng)方法僅適用于電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)為三角形(△)連接的異步電動(dòng)機(jī)。起動(dòng)時(shí)，把定子繞組接成星形(Y)，起動(dòng)完畢后切換為三角形(△)，其原理電路如圖8.12所示。圖8.12Y-△降壓起動(dòng)原理電路設(shè)每相阻抗的模為z，三角形(△)連接直接起動(dòng)時(shí)，每相繞組中的起動(dòng)電流為Ul／z，線電流為

(8.11)星形(Y)連接起動(dòng)時(shí)，每相繞組承受的電壓為Ul/，每相繞組中的起動(dòng)電流為Ul/(

z)，由于星形連接的線電流等于相電流，故(8.12)比較式(8.11)和式(8.12)，得到(8.13)

即星形連接時(shí)的起動(dòng)電流是三角形連接的1／3。但三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T∝U2l，故星形連接時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也降為直接起動(dòng)時(shí)的1/3，在輕載或空載下頻繁起動(dòng)的籠型異步電動(dòng)機(jī)常采用這種降壓起動(dòng)方法。

(2)自耦變壓器降壓啟動(dòng)。利用自耦變壓器也可進(jìn)行降壓起動(dòng)，原理電路如圖8.13所示。這種起動(dòng)方法在起動(dòng)時(shí)，定子繞組接三相自耦變壓器的低壓輸出端，起動(dòng)完畢后，切除自耦變壓器并將定子繞組直接接上三相交流電源，使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下穩(wěn)定運(yùn)行。圖8.13自耦變壓器降壓起動(dòng)原理電路圖8.14自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流的計(jì)算可根據(jù)圖8.14來計(jì)算自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流。設(shè)自耦變壓器的變比為K，電動(dòng)機(jī)每相阻抗的模為z，直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流為I1st=Ul/z。采用自耦變壓器起動(dòng)時(shí)，定子繞組的電流(變壓器的副邊電流)為而此時(shí)變壓器原邊電流等于副邊電流的1/K，故起動(dòng)電流為(8.14)因自耦變壓器價(jià)格較高，故此法應(yīng)用較少。

(3)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)。對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，主要采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行起動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子電阻增大不但會(huì)減小轉(zhuǎn)子電流，從而減小定子的起動(dòng)電流，而且可以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故這種起動(dòng)方法可以滿足對(duì)起動(dòng)的兩方面的要求：減小起動(dòng)電流，增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子從各相滑環(huán)處可外接變阻器，其原理如圖8.15所示。起動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)起動(dòng)變阻器的手柄，將起動(dòng)電阻Rst調(diào)到最大值，然后閉合電源開關(guān)QS起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，逐步轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，即均勻減小起動(dòng)電阻Rst，直到轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將起動(dòng)電阻完全切除，使轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻短接起來。由于籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻是固定的，無法改變，所以籠型異步電動(dòng)機(jī)不能采用此種起動(dòng)方法。圖8.15繞線式異步電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)原理

【例8.3】

已知一臺(tái)籠型異步電動(dòng)機(jī)，PN＝30kW，

△連接運(yùn)行，U1N=380V，I1N=60A，n=1488r/min，Tst/TN=1.2，Ist/IN=6。供電變壓器要求起動(dòng)電流不大于150A,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為73N·m，問：

(1)電動(dòng)機(jī)能否直接起動(dòng)?

(2)電動(dòng)機(jī)能否采用Y-△降壓起動(dòng)?

(3)若采用三個(gè)抽頭的自耦變壓器起動(dòng)，則應(yīng)用50％、

60％、80％中的哪個(gè)抽頭?

解

(1)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

Tst=1.2TN=1.2×192.54=231N·m>73N·m

直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流

Ist=6IN=6×60=360A>150A

從以上結(jié)果可以看出，雖然滿足直接起動(dòng)時(shí)對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，但起動(dòng)電流卻大于供電系統(tǒng)要求的最大電流，所以不能采用直接起動(dòng)，應(yīng)采用降壓起動(dòng)。

(2)Y-△降壓起動(dòng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

起動(dòng)電流起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均滿足要求，故可以采用Y-△降壓起動(dòng)。

(3)自耦變壓器降壓起動(dòng)。按50%抽頭，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為

Ist1=(0.5)2×Ist=(0.5)2×360=90A<150A

Tst1=(0.5)2×Tst=(0.5)2×231=57.75N·m<73N·m

按60%抽頭，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為

Ist2=(0.6)2×Ist=(0.6)2×360=129.6A<150A

Tst2=(0.6)2×Tst=(0.6)2×231=83.16N·m>73N·m

按80%抽頭，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為

Ist3=(0.8)2×Ist=(0.8)2×360=230.4A>150A

Tst3=(0.8)2×Tst=(0.8)2×231=147.84N·m>73N·m8.4.2三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

調(diào)速是指在同一負(fù)載下人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為(8.15)因此，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：變頻(f1)調(diào)速、變極(p)調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率(s)調(diào)速。

1.變頻調(diào)速

變頻調(diào)速是指通過改變電源的頻率改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。它采用一套專用的變頻器來改變電源的頻率以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。變頻調(diào)速以電源頻率f1=50Hz為基本頻率(基頻)，當(dāng)在基頻

50Hz以下變頻調(diào)速時(shí)，由于U1≈E1=4.44f1N1KN1Φ1，如果降低頻率而保持電壓不變，則隨f1的下降將會(huì)使磁通Φ1增大，電動(dòng)機(jī)的磁路就會(huì)越來越飽和，勵(lì)磁電流將大大增加，電動(dòng)機(jī)將無法正常運(yùn)行，故在降低頻率的同時(shí)，必須降低電源電壓，且保持這樣才能保持磁通Φ1在調(diào)速過程中不變，電磁轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

當(dāng)從基頻50Hz往上變頻調(diào)速時(shí)，如果也按比例升高電壓，則電壓會(huì)超過電動(dòng)機(jī)的額定電壓，這是不允許的，因此只好保持電壓不變，頻率越往上調(diào)，磁通Φ1就越小。這是一種弱磁調(diào)速的方法，屬于恒功率調(diào)速。

從以上分析可以看出，雖然變頻器本身價(jià)格較貴，但變頻調(diào)速可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的無極調(diào)速，且具有硬的機(jī)械特性，是一種理想的調(diào)速方法。隨著電力電子器件生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，變頻調(diào)速的應(yīng)用范圍將更加廣泛。

2.變極調(diào)速

變極調(diào)速通過改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的接線方式，從而改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。但由于電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)總是成倍增長的，所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)速。由于籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極數(shù)能自動(dòng)與定子繞組的極數(shù)相適應(yīng)，故一般籠型異步電動(dòng)機(jī)可采用這種方法調(diào)速。

圖8.16所示為把4極變?yōu)?極定子繞組連接的變極調(diào)速原理圖。變極調(diào)速的平滑性差，調(diào)速的擋數(shù)也很少，在機(jī)床上應(yīng)用時(shí)必須與齒輪箱配合，才能得到更多擋的速度。變極調(diào)速設(shè)備簡單，運(yùn)行可靠，既可獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也可獲得恒功率調(diào)速，能適應(yīng)不同生產(chǎn)機(jī)械的需要，若對(duì)調(diào)速平滑性要求不高，則也是一種行之有效的方法。

圖8.16變極調(diào)速原理(a)4極定子繞組；(b)2極定子繞組

3.變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，可以通過改變轉(zhuǎn)子電阻來改變轉(zhuǎn)差率，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。若增大轉(zhuǎn)子電阻R2，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)速下降，工作點(diǎn)下移，機(jī)械特性變軟。當(dāng)平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，但調(diào)速范圍較小。這種調(diào)速方法設(shè)備簡單，但電能損耗較大，常用于起重設(shè)備。8.4.3三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

1.能耗制動(dòng)

能耗制動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)切斷三相交流電源的同時(shí)，在它的定子繞組中通入直流電，此直流電產(chǎn)生的固定磁場與慣性旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子之間相互作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力矩，從而使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為零時(shí)，轉(zhuǎn)子與固定磁場之間不再有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于零，制動(dòng)過程結(jié)束。能耗制動(dòng)的原理如圖8.17所示。圖8.17能耗制動(dòng)原理(a)接線圖；(b)原理示意圖正常運(yùn)行時(shí)，將QS閉合，電動(dòng)機(jī)接三相交流電源起動(dòng)運(yùn)行。制動(dòng)時(shí)，將QS斷開，切斷交流電源，并將直流電源引入電動(dòng)機(jī)的V、W兩相，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部形成恒定的靜止磁場。電動(dòng)機(jī)由于慣性仍按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子繞組做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，依據(jù)右手螺旋法則，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，如圖8.17(b)所示。又根據(jù)左手定則可以判斷，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將受到與其旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁力的作用，由于該力矩與運(yùn)動(dòng)方向相反，故為制動(dòng)力矩，它將使電動(dòng)機(jī)很快停轉(zhuǎn)。

制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化成電能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，因此一般需要在制動(dòng)回路中串聯(lián)一個(gè)大電阻，以減小制動(dòng)電流。

能耗制動(dòng)的特點(diǎn)是制動(dòng)平穩(wěn)，沖擊小，耗能少，但需要一直流電源，且制動(dòng)時(shí)間較長，一般多用于起重提升設(shè)備及機(jī)床等生產(chǎn)機(jī)械中。

2.反接制動(dòng)

反接制動(dòng)是指制動(dòng)時(shí)，改變定子繞組任意兩相的相序，使得電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場反向，這時(shí)反向磁場與原來慣性旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子之間相互作用，產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，迫使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近零時(shí)，切斷電動(dòng)機(jī)的電源。反接制動(dòng)的原理如圖8.18所示。顯然，反接制動(dòng)比能耗制動(dòng)所用的時(shí)間要短。圖8.18反接制動(dòng)原理(a)接線圖；(b)原理示意圖反接制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)時(shí)間短，操作簡單，但會(huì)形成反向磁場，使得轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率大大增大，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流很大，能耗也較大，一般要在制動(dòng)回路串入大電阻。另外，反接制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，會(huì)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械造成一定的機(jī)械沖擊，影響加工精度，通常用于一些頻繁正反轉(zhuǎn)且功率小于10kW的小型生產(chǎn)機(jī)械中。

8.5單相異步電動(dòng)機(jī)

8.5.1單相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

單相異步電動(dòng)機(jī)具有與三相異步電動(dòng)機(jī)相似的結(jié)構(gòu)，也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，只是定子只有一相繞組，轉(zhuǎn)子一般是籠型。當(dāng)單相交流電通入定子繞組時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生一交變磁通，它的方向總是垂直向上或是垂直向下，其軸線始終在YY1位置，這表明該磁場是一個(gè)脈振磁場，在空間上不旋轉(zhuǎn)，如圖8.19(a)所示。圖8.19單相異步電動(dòng)機(jī)的脈振磁場(a)脈振磁場；(b)YY1位置脈振磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度

YY1位置上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小隨單相繞組中通過的電流而改變，可表示為

B=Bmsinωt

它隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖8.19(b)所示。脈振磁場可以分解成兩個(gè)以角速度ω向相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，且每個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值等于脈振磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的一半，即即可以認(rèn)為在單相異步電動(dòng)機(jī)的氣隙中，存在著兩個(gè)大小相等方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，這兩個(gè)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生大小相等方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，因而轉(zhuǎn)子不能自行起動(dòng)。但若用某種方法，使轉(zhuǎn)子朝某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)一下，則和轉(zhuǎn)子同方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(稱為正向旋轉(zhuǎn)磁場)對(duì)轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T1將大于反向旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T2。當(dāng)作用于電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩小于電動(dòng)機(jī)的合成電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)子便能沿著正向不停地旋轉(zhuǎn)。8.5.2單相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法及基本類型

為了使單相異步電動(dòng)機(jī)能自行起動(dòng)和改善運(yùn)行性能，除了在單相異步電動(dòng)機(jī)定子鐵芯上裝有工作(主)繞組外，還常常裝有起動(dòng)(輔助)繞組。

按產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的不同方式可把單相異步電動(dòng)機(jī)分為分相式和罩極式兩大類。分相式異步電動(dòng)機(jī)可以分為電阻分相起動(dòng)式和電容分相起動(dòng)式；罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)有凸極式和隱極式兩種，目前最常用的是凸極式。

1.單相異步電動(dòng)機(jī)電容分相起動(dòng)

現(xiàn)以單相異步電動(dòng)機(jī)電容分相起動(dòng)為例，分析其工作原理。圖8.20(a)所示為一臺(tái)最簡單的帶有電容輔助繞組的單相異步電動(dòng)機(jī)。

輔助繞組Z1Z2在串接電容器后再與主繞組U1U2并聯(lián)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)與電源接通時(shí)，各繞組就分別通過一交變電流。電流i2超前電壓一個(gè)電角度，而i1滯后電壓一個(gè)角度，如果電容選擇合適，可使兩繞組中的電流i1和i2有90°電角度的相位差，其相量圖如圖8.20(b)所示。圖8.21所示為ωt＝0、45°和90°時(shí)的電流波形和磁場分布情況，從圖中可看出，當(dāng)電流隨時(shí)間變化時(shí)，其磁場也在空間不斷地旋轉(zhuǎn)，籠型轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，跟隨旋轉(zhuǎn)磁場沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來。圖8.20電容分相起動(dòng)式單相異步電動(dòng)機(jī)(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電流相量圖圖8.21電容式單相異電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(a)電流波形；(b)旋轉(zhuǎn)磁場電容分相起動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向有關(guān)，旋轉(zhuǎn)磁場的方向與兩繞組電流的相位有關(guān)。由旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的過程可知，旋轉(zhuǎn)磁場的方向是由i1和i2的超前和滯后關(guān)系決定的，如果把電容器串接到主繞組中，則i1將超前于i2約90°電角度，于是旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)，籠型轉(zhuǎn)子也跟著反轉(zhuǎn)(其過程讀者可自行分析)。

2.罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)

凸極式罩極單相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖8.22(a)所示。其定子鐵芯做成凸極式的磁極，形狀類似直流電動(dòng)機(jī)的定子。定子鐵芯上面繞有集中繞組，稱為主繞組。兩個(gè)凸出的磁極上各有一凹槽，把每個(gè)磁極分成兩個(gè)部分，即P1和P2。兩個(gè)斜對(duì)角的較小部分P2(約占一個(gè)凸出磁極表面的1／3～1／4)上各套有一短路銅環(huán)，稱為被罩部分。當(dāng)定子繞組中通過交變電流時(shí)，磁極中就有交變磁通穿過。由于短路銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流阻礙其中的磁通變化，所以被罩部分磁極P2中的磁通Φ2在相位上要滯后于磁極P1中的磁通Φ1。如圖8.22(b)所示，當(dāng)Φ1隨定子繞組中電流的變化上升到最大時(shí)，而Φ2卻很小，這時(shí)磁場的軸線接近于磁極P1的中心處。當(dāng)Φ1下降到最小時(shí)，Φ2則上升到最大，這時(shí)磁場的軸線就轉(zhuǎn)移到接近于磁極P2的中心線處。隨著定子繞組電流不斷地變化，在電動(dòng)機(jī)的氣隙內(nèi)就形成一個(gè)從磁極的未罩部分轉(zhuǎn)向被罩部分(即從P1轉(zhuǎn)向P2)的兩極旋轉(zhuǎn)磁場(或稱平移磁場)。在此旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，籠型轉(zhuǎn)子隨之而轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電源電流方向改變時(shí)，磁極中的磁場方向也隨之改變，磁場的中線也從P1移向P2，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變。罩極在鐵芯中的位置是不變的，所以旋轉(zhuǎn)磁場的方向也是固定不變的。要改變凸極式罩極電動(dòng)機(jī)的方向，只能改變罩極的方向，這一般難以實(shí)現(xiàn)，因此凸極式罩極電動(dòng)機(jī)通常用于不需改變轉(zhuǎn)向的電氣設(shè)備中。圖8.22凸極式罩極異步電動(dòng)機(jī)(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)旋轉(zhuǎn)磁場

8.6常用低壓電器

8.6.1非自動(dòng)切換電器

1.閘刀開關(guān)

閘刀開關(guān)是結(jié)構(gòu)最簡單的手動(dòng)電器，主要用于對(duì)電路進(jìn)行接通、斷開控制或隔離電源，有時(shí)也可用于控制小容量異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)及停止。閘刀開關(guān)由瓷底板、熔絲、膠蓋、觸頭及觸刀等構(gòu)成，故又稱瓷底膠蓋刀開關(guān)。其外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖8.23所示。圖8.23閘刀開關(guān)的外形、結(jié)構(gòu)及電氣符號(hào)(a)外形；(b)結(jié)構(gòu)；(c)電氣符號(hào)閘刀開關(guān)沒有專門的滅弧裝置，因此不宜用于經(jīng)常分合的電路。但因其結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，故在一般的照明電路中經(jīng)常采用。按極數(shù)不同，閘刀開關(guān)分為單極、雙極和三極開關(guān)。三極開關(guān)也可用來直接控制5.5kW以下異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止。

2.轉(zhuǎn)換開關(guān)

轉(zhuǎn)換開關(guān)又稱組合開關(guān)，它具有多觸頭、多位置、體積小、性能可靠、操作方便、安裝靈活等特點(diǎn)，多用在機(jī)床電氣控制電路中作為電源的引入開關(guān)，也可以用于不頻繁地接通和斷開電路，換接電源和負(fù)載，以及控制5kW及以下小容量異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)和Ｙ-△降壓起動(dòng)。

轉(zhuǎn)換開關(guān)按操作機(jī)構(gòu)可分為無限位和有限位兩種，其結(jié)構(gòu)略有不同。HZ10系列轉(zhuǎn)換開關(guān)的外形、結(jié)構(gòu)及電氣符號(hào)如圖8.24所示。它由裝在數(shù)層絕緣墊板內(nèi)的動(dòng)、靜觸片組成。動(dòng)觸片裝在附有手柄的絕緣方軸上，方軸每旋轉(zhuǎn)90°，觸片便輪流接通或分?jǐn)?；頂蓋部分由手柄、扭簧、凸輪等零件構(gòu)成。這種開關(guān)適于在頻率50Hz、交流電壓380V以下使用，或用在直流電壓220V以下的電氣設(shè)備中，在設(shè)備中不頻繁地接通或分?jǐn)嚯娐?，控制小型異步電?dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)等。

圖8.24HZ10系列轉(zhuǎn)換開關(guān)(a)外形；(b)結(jié)構(gòu)；(c)、(d)電氣符號(hào)轉(zhuǎn)換開關(guān)的圖形符號(hào)按新國標(biāo)，根據(jù)其在電路中的功能而定。如用作機(jī)床電源引入開關(guān)(通常不帶負(fù)載時(shí)操作)，需用三極隔離開關(guān)符號(hào)，如圖8.24(c)所示；若用作控制小型異步電動(dòng)機(jī)的起停開關(guān)(如機(jī)床中直接起動(dòng)切削液泵電動(dòng)機(jī))，要用三極負(fù)荷(負(fù)荷隔離)開關(guān)符號(hào)，如圖8.24(d)所示。開關(guān)的文字符號(hào)使用規(guī)定是：用于動(dòng)力電路的開關(guān)，第一位字母必須用Q；用于控制電路或照明電路，第一位字母必須用S。

3.按鈕開關(guān)

按鈕開關(guān)是一種手動(dòng)操作接通或分?jǐn)嘈‰娏骺刂齐娐返闹髁铍娖?。一般情況下它不直接控制主電路的通斷，主要利用按鈕開關(guān)遠(yuǎn)距離發(fā)出手動(dòng)指令或信號(hào)去控制接觸器、繼電器等電磁裝置，實(shí)現(xiàn)主電路的分合、功能轉(zhuǎn)換或電氣聯(lián)鎖。

鈕開關(guān)根據(jù)使用要求，按不同形式安裝和操作，其種類異常繁多。按鈕一般是由按鈕帽、復(fù)位彈簧、橋式動(dòng)觸頭、靜觸頭和外殼、接線柱等構(gòu)成的。圖8.25為LA19系列按鈕的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)。圖8.25LA19系列按鈕的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)(a)外形；(b)結(jié)構(gòu)；(c)電氣符號(hào)按鈕按用途和觸頭的結(jié)構(gòu)不同，可分為起動(dòng)按鈕(常開按鈕)、停止按鈕(常閉按鈕)及復(fù)合按鈕(常開、常閉組合按鈕)。

4.位置開關(guān)

位置開關(guān)又稱限制開關(guān)，包括常說的行程開關(guān)、限位開關(guān)和終端保護(hù)開關(guān)。它的作用與按鈕開關(guān)相仿，按鈕是用手指按動(dòng)的，而位置開關(guān)是利用生產(chǎn)機(jī)械某些運(yùn)動(dòng)部件的碰撞使其觸頭動(dòng)作，對(duì)控制電路發(fā)出接通或斷開指令的電器。

位置開關(guān)常用來限制運(yùn)動(dòng)部件的位置或行程，使運(yùn)動(dòng)機(jī)械按一定行程自動(dòng)停車、反轉(zhuǎn)或變速，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的要求。常用的位置開關(guān)有LX19系列和JLXK1系列，各種系列的位置開關(guān)其結(jié)構(gòu)基本相同，由觸頭或微動(dòng)開關(guān)、操作機(jī)構(gòu)和外殼組成。生產(chǎn)機(jī)械的擋鐵觸動(dòng)操作機(jī)械，推動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，使觸頭閉合或斷開。為了使微動(dòng)開關(guān)在生產(chǎn)機(jī)械緩慢運(yùn)動(dòng)時(shí)仍能快速斷開，通常將觸頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)成跳躍式瞬動(dòng)結(jié)構(gòu)。按傳動(dòng)方式的不同，位置開關(guān)可分為按鈕式、單輪轉(zhuǎn)動(dòng)式及雙輪轉(zhuǎn)動(dòng)式等數(shù)種，圖8.26所示為JLXK1系列位置開關(guān)的外形圖和電氣符號(hào)。位置開關(guān)根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為自動(dòng)復(fù)位式和非自動(dòng)復(fù)位式兩種。自動(dòng)復(fù)位式是指擋鐵移開后，依靠開關(guān)內(nèi)的恢復(fù)彈簧來復(fù)原。如圖8.26(a)、(b)所示。非自動(dòng)復(fù)位式具有兩個(gè)轉(zhuǎn)輪(見圖8.26(c))，當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件反向移動(dòng)時(shí)擋鐵碰撞另一轉(zhuǎn)輪使其復(fù)位，通常稱它為雙向機(jī)械操作的位置開關(guān)。圖8.26JLXK1系列位置開關(guān)的外形圖和電氣符號(hào)(a)按鈕式；(b)單輪轉(zhuǎn)動(dòng)式；(c)雙輪轉(zhuǎn)動(dòng)式；(d)電氣符號(hào)8.6.2自動(dòng)切換電器

1.低壓斷路器

低壓斷路器是一種用于自動(dòng)切斷電路故障的保護(hù)電器，可作為低壓配電的總電源開關(guān)，也可用在電動(dòng)機(jī)主電路上作為短路、過載或欠電壓保護(hù)開關(guān)。

具有電磁(過電流)脫扣、熱脫扣和欠電壓脫扣器的低壓斷路器的動(dòng)作原理如圖8.27所示。圖8.27斷路器的動(dòng)作原理圖8.27中2為低壓斷路器的三副主觸頭，串聯(lián)在被保護(hù)的三相主電路中。操作斷路器的合閘機(jī)構(gòu)后，三副主觸頭2由鎖鏈鍵3鉤住搭鉤4，克服彈簧1的拉力，保持在閉合狀態(tài)。搭鉤4可以繞軸5轉(zhuǎn)動(dòng)。如果搭鉤4被杠桿7頂開，則主觸頭2就斷開主電路。搭鉤被頂開這一動(dòng)作可以由電磁脫扣器6、熱脫扣器雙金屬片12受熱彎曲或欠電壓脫扣器11三者中的任一個(gè)來完成。電磁脫扣器6的線圈與熱元件13都串聯(lián)在被保護(hù)的主電路中，欠電壓脫扣器11的線圈并聯(lián)在被保護(hù)的主電路中。當(dāng)電路正常工作時(shí)，電磁脫扣器6的線圈所產(chǎn)生的吸力不能將銜鐵8吸合，只有當(dāng)電路發(fā)生短路或產(chǎn)生很大的過電流時(shí)，其吸力才足以將銜鐵8吸合，撞擊杠桿7，把搭鉤4頂上去，主觸頭2被分開，切斷了主電路。當(dāng)電路負(fù)載發(fā)生過載，但又未達(dá)到電磁脫扣器的動(dòng)作電流時(shí)，流過熱元件13的過載電流使雙金屬片12受熱彎曲，撞擊杠桿7，頂開搭鉤4，使主觸頭2分開，起到了過載保護(hù)作用。欠電壓脫扣器11的線圈并聯(lián)在主電路中，當(dāng)電壓下降到某一值時(shí)，欠電壓脫扣器11的吸力減小，銜鐵10被彈簧9拉開，撞擊杠桿7，把搭鉤4頂開，主觸頭2分開，起到了欠壓或失壓保護(hù)作用。

低壓斷路器具有操作安全、動(dòng)作值可調(diào)整、分?jǐn)嗄芰^高、動(dòng)作過后故障排除就可重復(fù)使用的特點(diǎn)，因此在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用它作為電源引入開關(guān)和電動(dòng)機(jī)保護(hù)使用。

2.熔斷器

熔斷器在電氣控制系統(tǒng)中主要起短路保護(hù)作用。使用時(shí)，熔斷器串接在被保護(hù)電路中，在正常情況下相當(dāng)于一根導(dǎo)線。當(dāng)通過熔斷器的電流大于規(guī)定值時(shí)，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體(熔絲)熔化而自動(dòng)分?jǐn)嚯娐?，從而起到保護(hù)電氣設(shè)備的作用。

在電氣控制電路中常用的熔斷器有RL1系列螺旋式熔斷器和RC1A系列插入式熔斷器，其外形結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖8.28所示。圖8.28熔斷器外形結(jié)構(gòu)及電氣符號(hào)(a)插入式；(b)螺旋式；(c)電氣符號(hào)熔斷器主要由熔斷體和底座兩部件組成。熔斷體由熔體、熔管、觸刀等組成。在RL1系列螺旋式熔斷器的熔斷管內(nèi)，除了裝有熔絲外，在熔絲周圍還填滿石英砂，以作為熄滅電弧用。

熔斷管的一端有一小紅點(diǎn)，熔絲熔斷后紅點(diǎn)自動(dòng)脫落，顯示熔絲已熔斷。使用時(shí)將熔管帶有紅點(diǎn)的一端插入瓷帽，瓷帽上有螺紋，將瓷帽連同熔斷管一起擰進(jìn)瓷底座，熔絲便接通電路。在裝接時(shí)，用電設(shè)備的連接線接到連接金屬螺紋殼的上接線端，電源線接到瓷底座上的下接線端。這樣，在更換熔絲時(shí)，旋出瓷帽后螺紋殼上不會(huì)帶電，保證了安全。

在照明和電熱電路中選用的熔體額定電流應(yīng)等于或略大于保護(hù)設(shè)備的額定電流。而保護(hù)電動(dòng)機(jī)的熔體，為了防止在起動(dòng)時(shí)被熔斷，又能在短路時(shí)盡快熔斷，一般可選用熔體的額定電流約等于電動(dòng)機(jī)額定電流的1.5~2.5倍。

3.接觸器

接觸器是一種遙控電器，在電器自動(dòng)控制中用它來頻繁地接通和斷開交直流電路。接觸器還具有欠壓(或失壓)釋放保護(hù)性能，控制容量大，且能遠(yuǎn)距離控制。接觸器工作可靠，性能穩(wěn)定，維修簡便，它是電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的控制電器之一。

接觸器按其觸頭通過電流的種類，可分為交流接觸器和直流接觸器兩種。

常用的交流接觸器有CJ0、CJ10等系列產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)均為正裝、直動(dòng)式雙斷點(diǎn)觸頭；塑料底座；滅弧罩用陶土壓制而成；觸頭則采用銀合金材料制成，具有較高的通斷能力和使用壽命；中間裝有靜鐵芯、線圈、銜鐵(動(dòng)鐵芯)、主觸頭和觸頭支架，四副輔助觸頭(兩常開、兩常閉)組裝在驅(qū)殼的兩側(cè)。輔助常開和常閉觸頭副是聯(lián)動(dòng)的，即常閉觸頭副打開時(shí)常開觸頭副閉合。其它組成部分還包括反作用彈簧、緩沖彈簧、觸頭壓力彈簧片、短路環(huán)、接線柱等。圖8.29為交流接觸器的外形、結(jié)構(gòu)原理圖和電氣符號(hào)。

圖8.29交流接觸器的外形、結(jié)構(gòu)原理圖和電氣符號(hào)(a)外形；(b)結(jié)構(gòu)原理圖；(c)電氣符號(hào)為了減小交流磁場在鐵芯中產(chǎn)生的磁滯及渦流損耗，銜鐵和靜鐵芯用硅鋼片沖制后鉚接而成，并在極面上安裝短路環(huán)，以防止因交流電磁吸力周期變化而引起鐵芯的振動(dòng)與噪聲。使用接觸器時(shí)，主觸頭接在主電路中，承受較高的電壓和較大的工作電流，輔助觸點(diǎn)和線圈接在控制電路中，完成各種控制要求。

交流接觸器的工作原理是：接觸器的線圈與靜鐵芯固定不動(dòng)。線圈在主令電器操作下通電后，鐵芯線圈產(chǎn)生電磁吸力克服反作用彈簧與觸頭彈簧的反作用力，將銜鐵吸合，并帶動(dòng)觸頭支架使動(dòng)、靜觸頭接觸閉合，從而完成接通主電路的操作。當(dāng)吸引線圈斷電或電壓顯著下降時(shí)，由于電磁吸力消失或過小，銜鐵與動(dòng)觸頭在彈簧反作用力的作用下跳開，觸點(diǎn)打開時(shí)產(chǎn)生電弧，電弧在回路電動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下迅速移動(dòng)，并在滅弧室內(nèi)冷卻促使其熄滅，最后分?jǐn)嘀麟娐贰?/p>

4.熱繼電器

熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)來推動(dòng)動(dòng)作機(jī)構(gòu)使觸頭系統(tǒng)閉合或分?jǐn)嗟谋Ｗo(hù)電器，主要用于電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)、斷相保護(hù)、電流不平衡運(yùn)行的保護(hù)及其它電氣設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)的控制。

熱繼電器的種類有許多種，其中以雙金屬片式用得最多。熱繼電器的外形及結(jié)構(gòu)如圖8.30所示。圖8.30熱繼電器的外形及結(jié)構(gòu)(a)外形；(b)結(jié)構(gòu)雙金屬片式熱繼電器的基本結(jié)構(gòu)由熱元件、主雙金屬片、動(dòng)作機(jī)構(gòu)、觸頭系統(tǒng)、電流整定裝置、復(fù)位機(jī)構(gòu)和溫度補(bǔ)償元件等組成。熱元件一般用康銅、鎳鉻合金材料制成，使用時(shí)將熱元件串接在被保護(hù)電路中，利用電流通過時(shí)產(chǎn)生的熱量，促使主雙金屬片彎曲變形。主雙金屬片是由兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬片構(gòu)成的，材料多為鐵鎳鉻合金和鐵鎳合金，當(dāng)受熱時(shí)即彎曲變形，彎曲程度由各自材料的膨脹系數(shù)及溫度所決定。動(dòng)作機(jī)構(gòu)大多利用杠桿傳遞及弓簧跳躍式機(jī)構(gòu)完成觸頭的動(dòng)作。觸頭系統(tǒng)多為單斷點(diǎn)弓簧跳躍式動(dòng)作，一般觸頭為一常閉一常開。通過調(diào)整推桿間隙，改變推桿移動(dòng)距離，可以實(shí)現(xiàn)電流整定值的調(diào)節(jié)。溫度補(bǔ)償元件也為雙金屬片，它能使熱繼電器的動(dòng)作性能在-30℃～40℃的范圍內(nèi)基本上不受周圍介質(zhì)溫度變化的影響，其彎曲方向與主雙金屬片的彎曲方向相同，否則就起不到補(bǔ)償作用。復(fù)位機(jī)構(gòu)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種形式，可根據(jù)使用要求自由調(diào)整選擇。

圖8.31所示為兩相結(jié)構(gòu)的熱繼電器工作原理及電氣符號(hào)。

圖8.31熱繼電器工作原理及電氣符號(hào)(a)工作原理；(b)電氣符號(hào)圖8.31所示是一種雙金屬片間接加熱式熱繼電器，有兩個(gè)主雙金屬片1、2與兩個(gè)熱元件3、4分別串接在主電路的兩相中。動(dòng)觸頭8與靜觸頭9接在控制回路中。當(dāng)負(fù)載電流超過整定電流值并經(jīng)過一定時(shí)間后，發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱量使雙金屬片受熱向右彎曲，并推動(dòng)導(dǎo)板5向右移動(dòng)一定距離，導(dǎo)板又推動(dòng)溫度補(bǔ)償片6與推桿7，使動(dòng)觸頭8與靜觸頭9分?jǐn)?，從而使接觸器線圈斷電釋放，將電源切除起到保護(hù)作用。電源切斷后，電流消失，雙金屬片逐漸冷卻，經(jīng)過一段時(shí)間后恢復(fù)原狀，于是動(dòng)觸頭在失去作用力的情況下，靠自身弓簧13的彈性自動(dòng)復(fù)位與靜觸頭閉合。

8.7電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

在繪制、識(shí)讀電氣控制電路原理圖時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

(1)原理圖一般分為電源電路、主電路、控制電路、信號(hào)電路及照明電路幾部分。

電源電路畫成水平線，三相交流電源相序L1、L2、L3由上而下依次排列畫出，中線N和保護(hù)地線PE畫在相線之下。直流電源則正端在上、負(fù)端在下畫出。電源開關(guān)要水平畫出。

主電路是指受電的動(dòng)力裝置及保護(hù)電器，它通過的是電動(dòng)機(jī)的工作電流，電流較大。主電路要垂直于電源電路畫在原理圖的左側(cè)。

控制電路是指控制主電路工作狀態(tài)的電路，信號(hào)電路是指顯示主電路工作狀態(tài)的電路，照明電路是指實(shí)現(xiàn)機(jī)床設(shè)備局部照明的電路。這些電路通過的電流都較小，畫原理圖時(shí)，控制電路、信號(hào)電路、照明電路要跨接在兩相電源線之間，依次垂直畫在主電路的右側(cè)，且電路中的耗能元件(如接觸器和繼電器的線圈、信號(hào)燈、照明燈等)要畫在電路的下方，而電器的觸頭要畫在耗能元件的上方。

(2)各電器的觸頭位置都要按電路未通電或電器未受外力作用時(shí)的常態(tài)位置畫出。分析原理時(shí)，應(yīng)從觸頭的常態(tài)位置出發(fā)。

(3)各電器元件不畫實(shí)際的外形圖，而采用國家規(guī)定的統(tǒng)一國標(biāo)符號(hào)畫出。

(4)同一電器的各元件不是按它們的實(shí)際位置畫在一起，而是按其在電路中所起作用分別