《電工與電子技術(shù)》課件第8章

第8章異步電動機及控制電路8.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理

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

8.1.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)

三相異步電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。其中定子為固定部分，包括機座、鐵芯、三相繞組等。機座通常由鑄鐵或鑄鋼制成。機座內(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首端U1、V1、W1和三個末端U2、V2、W2都從機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。實際使用時，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機的轉(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，把轉(zhuǎn)子的端環(huán)和冷卻電動機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機的結(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)子三相繞組的三個末端接在一起，成為星形連接，三個首端分別接到固定在轉(zhuǎn)軸上的三個銅滑環(huán)上，滑環(huán)除相互絕緣外，還與轉(zhuǎn)軸絕緣。在各個環(huán)上，分別放置著固定不動的電刷，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，以便起動電動機。但在正常運轉(zhuǎn)時，把外加變阻器轉(zhuǎn)到零位，同時使轉(zhuǎn)子繞組的三個首端接在一起。圖8.4籠型異步電動機的結(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機只是在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上有所不同，其工作原理完全一樣?；\型異步電動機應(yīng)用較為普遍；繞線式異步電動機具有較好的起動和調(diào)速性能，一般用于要求起動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機的工作原理

若在三相對稱定子繞組中通入三相對稱電流，便會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

三相異步電動機定子繞組是由三相對稱繞組構(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8.6三相異步電動機定子繞組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)磁場的極對數(shù)p與定子繞組的布置有關(guān)，如果每相繞組由兩個串聯(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)，這時的定子鐵芯至少要有12個槽，每相繞組占四個槽，每相中兩個相隔180°角的線圈串聯(lián)組成一相。當三相對稱交流電流通過這些線圈時，就會產(chǎn)生兩對磁極的旋轉(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，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對磁極的異步電動機，其旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為(8.1)我國的電源標準頻率為f1=50Hz，因此不同磁極對數(shù)的電動機所對應(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調(diào)(例如W、U)，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向?qū)淖儭?/p>

3.轉(zhuǎn)動原理

圖8.9為三相異步電動機轉(zhuǎn)動原理示意圖。為簡單起見，圖中用一對磁極來進行分析。

定子繞組接通對稱三相電源后，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)電動勢，感應(yīng)電動勢的方向用右手定則來判斷。感應(yīng)電動勢在轉(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，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n一定小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。這是因為，若n=n1，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場間就不存在相對運動，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。圖8.9轉(zhuǎn)動原理示意圖由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1間存在著一定的差值，故將這種電動機稱為異步電動機。通常把n1和n的差值與n1的比值稱為異步電動機的轉(zhuǎn)差率，用s表示，即或用百分數(shù)表示轉(zhuǎn)差率s是描述異步電動機運行情況的一個重要物理量。在電動機起動瞬間，n=0，這時s=1。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增高，轉(zhuǎn)差率變小，額定情況運行時，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】

一臺三相異步電動機，定子繞組接到頻率f1=50Hz的三相對稱電源上，已知它在額定轉(zhuǎn)速nN=960r/min下運行，求：

(1)該電動機的磁極對數(shù)p為多少？

(2)額定轉(zhuǎn)差率是多少？

解

(1)求磁極對數(shù)。

由于異步電動機的額定轉(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，于是可以計算磁極對數(shù)

(2)額定轉(zhuǎn)差率8.2三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩及機械特性

8.2.1電磁轉(zhuǎn)矩

從異步電動機的工作原理知道，異步電動機的電磁轉(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，可以得到異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式為

T=CTΦI2cosj2(8.3)式中的CT稱為異步電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，它與電動機本身的結(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電磁轉(zhuǎn)矩的影響，需要對上式進一步推導(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，稱為異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式。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s=1時(即起動瞬時)，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場之間的相對運動雖然為最大，但電動機的電磁轉(zhuǎn)矩并不是最大。這是因為，起動時雖然轉(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機的機械特性

在電力拖動中，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，稱為電動機的機械特性曲線，它反映了電動機電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如圖8.11所示。圖8.11機械特性曲線

1.機械特性分析

機械特性曲線可分為兩個區(qū)段。

(1)ab區(qū)段。此段稱為穩(wěn)定工作區(qū)，在這個區(qū)段內(nèi)，電動機的轉(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)，在這個區(qū)段內(nèi)，電動機的轉(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。電動機起動過程如下：在接通電源起動的瞬間，n=0，s=1，此時的轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩，即圖8.11中的Tst。當起動轉(zhuǎn)矩大于電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子便旋轉(zhuǎn)起來，并逐漸加速，電動機的電磁轉(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等于額定負載轉(zhuǎn)矩TN時，電動機就以某一轉(zhuǎn)速等速旋轉(zhuǎn)，這時穩(wěn)定運行于d點。由此可見，只要異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩大于軸上的負載轉(zhuǎn)矩，一經(jīng)起動后，便可立即進入機械特性曲線的ab區(qū)段穩(wěn)定運行。

2.三個特殊的轉(zhuǎn)矩

(1)額定轉(zhuǎn)矩TN，是指電動機在額定負載時軸上輸出的轉(zhuǎn)矩。電動機穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩T必然與負載轉(zhuǎn)矩相等，因此，可用額定電磁轉(zhuǎn)矩表示額定輸出轉(zhuǎn)矩。電動機的額定轉(zhuǎn)矩可以通過電動機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)。

為了保證電動機在運行時安全可靠，不輕易停車，應(yīng)使電動機的帶負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，是電動機所能提供的極限轉(zhuǎn)矩，即對應(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)學方法求出：(8.6)由式(8.6)可知，當轉(zhuǎn)子繞組的漏感抗X20等于轉(zhuǎn)子繞組的電阻R2時，異步電動機所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩達到最大值。由于籠型電動機轉(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。對繞線式電動機，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，異步電動機sm大約在0.04(大型電動機)到0.2(小型電動機)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，異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩Tm和轉(zhuǎn)子電阻R2的大小無關(guān)，但當R2增大時，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，對繞線式轉(zhuǎn)子的電機可通過調(diào)節(jié)其外接電阻的大小對電動機進行調(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，電動機穩(wěn)定運行時的工作點不能超過此點，即TN應(yīng)小于它的最大轉(zhuǎn)矩Tm。如果把額定轉(zhuǎn)矩設(shè)計得很接近最大轉(zhuǎn)矩，則電動機略微過載，便會導(dǎo)致自動停車。為此，要求電動機應(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)起動轉(zhuǎn)矩Tst，是電動機在接通電源剛被起動的一瞬間所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，這時n=0，s=1，由式(8.4)可得出起動轉(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，起動轉(zhuǎn)矩Tst也逐漸增加。當R2=X20時，s=sm=1，可使最大轉(zhuǎn)矩在起動時出現(xiàn)，這一點在生產(chǎn)上具有實際意義。繞線式電動機在轉(zhuǎn)子電路中串接適當?shù)钠饎与娮?，不僅可減小轉(zhuǎn)子電流I2，而且可使起動轉(zhuǎn)矩增加，這是因為增加R2可增大功率因數(shù)cosj2。

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

【例8.2】

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

(1)額定轉(zhuǎn)差率；

(2)起動轉(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

8.3三相異步電動機的銘牌

為了使用戶能正確合理地使用電動機，電動機的外殼上都附有銘牌。銘牌上標有這臺電動機額定運行時的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，如功率、電壓、電流、轉(zhuǎn)速等。所謂額定運行，是指電動機生產(chǎn)廠家按照國家生產(chǎn)標準，根據(jù)電動機的設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)而規(guī)定的每臺電動機的正常運行狀態(tài)和條件。銘牌上的主要數(shù)據(jù)稱為額定值。

表8.2為某臺異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)。

1.型號

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，每種系列用不同的型號表示。如Y160L-4中，Y表示三相籠型異步電動機；160表示機座中心高度為

160mm;Ｌ表示長機座(Ｓ表示短機座，Ｍ表示中機座)；４表示４極電動機。

2.額定功率PN

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

3.額定電壓UN

額定電壓是指電動機在額定運行時定子繞組上應(yīng)加的線電壓，單位為伏(V)或千伏(kV)。

4.額定電流IN

額定電流是指電動機在額定電壓下運行，輸出額定功率時，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。對于Y系列異步電動機，當功率PN≤3kW時定子繞組為星形接法，功率PN≥

4kW時定子繞組為三角形接法。

電動機銘牌上標注有兩種電壓值220／380V，對應(yīng)兩種接法△/Y，其意思是當電源線電壓是220V時，定子繞組作三角形連接；當電源線電壓是380V時，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行。

6.額定轉(zhuǎn)速nN

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

7.額定頻率fN

額定頻率是指電動機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

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

8.4三相異步電動機的起動、調(diào)速和制動

8.4.1三相異步電動機的起動

1.直接起動

直接起動又稱為全壓起動，即起動時，將電動機的額定電壓直接接到電動機的定子繞組上進行起動。直接起動的特點是:不需另加起動設(shè)備，起動時間短，但起動電流大，一般只允許小功率異步電動機(PN≤7.5kW)進行直接起動，對大功率的異步電動機應(yīng)采取減壓起動，以限制起動電流。

2.降壓起動

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

常用的降壓起動方法有以下三種：

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

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

即星形連接時的起動電流是三角形連接的1／3。但三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩T∝U2l，故星形連接時的起動轉(zhuǎn)矩也降為直接起動時的1/3，在輕載或空載下頻繁起動的籠型異步電動機常采用這種降壓起動方法。

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

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

【例8.3】

已知一臺籠型異步電動機，PN＝30kW，

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

(1)電動機能否直接起動?

(2)電動機能否采用Y-△降壓起動?

(3)若采用三個抽頭的自耦變壓器起動，則應(yīng)用50％、

60％、80％中的哪個抽頭?

解

(1)電動機的額定轉(zhuǎn)矩直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩

Tst=1.2TN=1.2×192.54=231N·m>73N·m

直接起動時的起動電流

Ist=6IN=6×60=360A>150A

從以上結(jié)果可以看出，雖然滿足直接起動時對起動轉(zhuǎn)矩的要求，但起動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，應(yīng)采用降壓起動。

(2)Y-△降壓起動，起動轉(zhuǎn)矩

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

(3)自耦變壓器降壓起動。按50%抽頭，起動電流和起動轉(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，起動電流和起動轉(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，起動電流和起動轉(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機的調(diào)速

調(diào)速是指在同一負載下人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。電動機的轉(zhuǎn)速公式為(8.15)因此，電動機的調(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機的轉(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)，當在基頻

50Hz以下變頻調(diào)速時，由于U1≈E1=4.44f1N1KN1Φ1，如果降低頻率而保持電壓不變，則隨f1的下降將會使磁通Φ1增大，電動機的磁路就會越來越飽和，勵磁電流將大大增加，電動機將無法正常運行，故在降低頻率的同時，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。

當從基頻50Hz往上變頻調(diào)速時，如果也按比例升高電壓，則電壓會超過電動機的額定電壓，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，雖然變頻器本身價格較貴，但變頻調(diào)速可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的無極調(diào)速，且具有硬的機械特性，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機定子繞組的接線方式，從而改變電動機的極對數(shù)來實現(xiàn)調(diào)速。但由于電動機的磁極對數(shù)總是成倍增長的，所以電動機的轉(zhuǎn)速無法實現(xiàn)連續(xù)調(diào)速。由于籠型異步電動機轉(zhuǎn)子的極數(shù)能自動與定子繞組的極數(shù)相適應(yīng)，故一般籠型異步電動機可采用這種方法調(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，在機床上應(yīng)用時必須與齒輪箱配合，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)機械的需要，若對調(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

對于繞線式異步電動機，可以通過改變轉(zhuǎn)子電阻來改變轉(zhuǎn)差率，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。若增大轉(zhuǎn)子電阻R2，則電動機的轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)速下降，工作點下移，機械特性變軟。當平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻時，可以實現(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機的制動

1.能耗制動

能耗制動是指電動機切斷三相交流電源的同時，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，會產(chǎn)生一個制動力矩，從而使電動機停轉(zhuǎn)。當電動機的轉(zhuǎn)速為零時，轉(zhuǎn)子與固定磁場之間不再有相對運動，電動機的制動轉(zhuǎn)矩等于零，制動過程結(jié)束。能耗制動的原理如圖8.17所示。圖8.17能耗制動原理(a)接線圖；(b)原理示意圖正常運行時，將QS閉合，電動機接三相交流電源起動運行。制動時，將QS斷開，切斷交流電源，并將直流電源引入電動機的V、W兩相，在電動機內(nèi)部形成恒定的靜止磁場。電動機由于慣性仍按順時針旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子繞組做切割磁力線運動，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，電動機的轉(zhuǎn)子將受到與其旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁力的作用，由于該力矩與運動方向相反，故為制動力矩，它將使電動機很快停轉(zhuǎn)。

制動過程中，電動機的動能全部轉(zhuǎn)化成電能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，會引起電動機發(fā)熱，因此一般需要在制動回路中串聯(lián)一個大電阻，以減小制動電流。

能耗制動的特點是制動平穩(wěn)，沖擊小，耗能少，但需要一直流電源，且制動時間較長，一般多用于起重提升設(shè)備及機床等生產(chǎn)機械中。

2.反接制動

反接制動是指制動時，改變定子繞組任意兩相的相序，使得電動機的旋轉(zhuǎn)磁場反向，這時反向磁場與原來慣性旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子之間相互作用，產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，迫使電動機的轉(zhuǎn)速迅速下降，當轉(zhuǎn)速接近零時，切斷電動機的電源。反接制動的原理如圖8.18所示。顯然，反接制動比能耗制動所用的時間要短。圖8.18反接制動原理(a)接線圖；(b)原理示意圖反接制動的優(yōu)點是制動時間短，操作簡單，但會形成反向磁場，使得轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速遠大于同步轉(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，一般要在制動回路串入大電阻。另外，反接制動時，制動轉(zhuǎn)矩較大，會對生產(chǎn)機械造成一定的機械沖擊，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)機械中。

8.5單相異步電動機

8.5.1單相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

單相異步電動機具有與三相異步電動機相似的結(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。當單相交流電通入定子繞組時，電動機內(nèi)就會產(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單相異步電動機的脈振磁場(a)脈振磁場；(b)YY1位置脈振磁場的磁感應(yīng)強度

YY1位置上的磁感應(yīng)強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以角速度ω向相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，且每個旋轉(zhuǎn)磁場磁感應(yīng)強度的最大值等于脈振磁場磁感應(yīng)強度最大值的一半，即即可以認為在單相異步電動機的氣隙中，存在著兩個大小相等方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場。當轉(zhuǎn)子靜止時，這兩個方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場對轉(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。但若用某種方法，使轉(zhuǎn)子朝某一方向轉(zhuǎn)動一下，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。當作用于電動機軸上的負載阻轉(zhuǎn)矩小于電動機的合成電磁轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子便能沿著正向不停地旋轉(zhuǎn)。8.5.2單相異步電動機的起動方法及基本類型

為了使單相異步電動機能自行起動和改善運行性能，除了在單相異步電動機定子鐵芯上裝有工作(主)繞組外，還常常裝有起動(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機分為分相式和罩極式兩大類。分相式異步電動機可以分為電阻分相起動式和電容分相起動式；罩極式單相異步電動機有凸極式和隱極式兩種，目前最常用的是凸極式。

1.單相異步電動機電容分相起動

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

輔助繞組Z1Z2在串接電容器后再與主繞組U1U2并聯(lián)。當電動機與電源接通時，各繞組就分別通過一交變電流。電流i2超前電壓一個電角度，而i1滯后電壓一個角度，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°時的電流波形和磁場分布情況，從圖中可看出，當電流隨時間變化時，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)動起來。圖8.20電容分相起動式單相異步電動機(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電流相量圖圖8.21電容式單相異電動機的旋轉(zhuǎn)磁場(a)電流波形；(b)旋轉(zhuǎn)磁場電容分相起動式電動機的轉(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機

凸極式罩極單相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)如圖8.22(a)所示。其定子鐵芯做成凸極式的磁極，形狀類似直流電動機的定子。定子鐵芯上面繞有集中繞組，稱為主繞組。兩個凸出的磁極上各有一凹槽，把每個磁極分成兩個部分，即P1和P2。兩個斜對角的較小部分P2(約占一個凸出磁極表面的1／3～1／4)上各套有一短路銅環(huán)，稱為被罩部分。當定子繞組中通過交變電流時，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Φ1隨定子繞組中電流的變化上升到最大時，而Φ2卻很小，這時磁場的軸線接近于磁極P1的中心處。當Φ1下降到最小時，Φ2則上升到最大，這時磁場的軸線就轉(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，在電動機的氣隙內(nèi)就形成一個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。當電源電流方向改變時，磁極中的磁場方向也隨之改變，磁場的中線也從P1移向P2，電動機的轉(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機的方向，只能改變罩極的方向，這一般難以實現(xiàn)，因此凸極式罩極電動機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機(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)最簡單的手動電器，主要用于對電路進行接通、斷開控制或隔離電源，有時也可用于控制小容量異步電動機的直接起動及停止。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(a)外形；(b)結(jié)構(gòu)；(c)電氣符號閘刀開關(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以下異步電動機的起動和停止。

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，多用在機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，換接電源和負載，以及控制5kW及以下小容量異步電動機的正反轉(zhuǎn)和Ｙ-△降壓起動。

轉(zhuǎn)換開關(guān)按操作機構(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)及電氣符號如圖8.24所示。它由裝在數(shù)層絕緣墊板內(nèi)的動、靜觸片組成。動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斷；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斷電路，控制小型異步電動機的正反轉(zhuǎn)等。

圖8.24HZ10系列轉(zhuǎn)換開關(guān)(a)外形；(b)結(jié)構(gòu)；(c)、(d)電氣符號轉(zhuǎn)換開關(guān)的圖形符號按新國標，根據(jù)其在電路中的功能而定。如用作機床電源引入開關(guān)(通常不帶負載時操作)，需用三極隔離開關(guān)符號，如圖8.24(c)所示；若用作控制小型異步電動機的起停開關(guān)(如機床中直接起動切削液泵電動機)，要用三極負荷(負荷隔離)開關(guān)符號，如圖8.24(d)所示。開關(guān)的文字符號使用規(guī)定是：用于動力電路的開關(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)是一種手動操作接通或分斷小電流控制電路的主令電器。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)遠距離發(fā)出手動指令或信號去控制接觸器、繼電器等電磁裝置，實現(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。圖8.25LA19系列按鈕的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號(a)外形；(b)結(jié)構(gòu)；(c)電氣符號按鈕按用途和觸頭的結(jié)構(gòu)不同，可分為起動按鈕(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)和終端保護開關(guān)。它的作用與按鈕開關(guān)相仿，按鈕是用手指按動的，而位置開關(guān)是利用生產(chǎn)機械某些運動部件的碰撞使其觸頭動作，對控制電路發(fā)出接通或斷開指令的電器。

位置開關(guān)常用來限制運動部件的位置或行程，使運動機械按一定行程自動停車、反轉(zhuǎn)或變速，以實現(xiàn)自動控制的要求。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，由觸頭或微動開關(guān)、操作機構(gòu)和外殼組成。生產(chǎn)機械的擋鐵觸動操作機械，推動微動開關(guān)，使觸頭閉合或斷開。為了使微動開關(guān)在生產(chǎn)機械緩慢運動時仍能快速斷開，通常將觸頭系統(tǒng)設(shè)計成跳躍式瞬動結(jié)構(gòu)。按傳動方式的不同，位置開關(guān)可分為按鈕式、單輪轉(zhuǎn)動式及雙輪轉(zhuǎn)動式等數(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。位置開關(guān)根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為自動復(fù)位式和非自動復(fù)位式兩種。自動復(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。非自動復(fù)位式具有兩個轉(zhuǎn)輪(見圖8.26(c))，當運動部件反向移動時擋鐵碰撞另一轉(zhuǎn)輪使其復(fù)位，通常稱它為雙向機械操作的位置開關(guān)。圖8.26JLXK1系列位置開關(guān)的外形圖和電氣符號(a)按鈕式；(b)單輪轉(zhuǎn)動式；(c)雙輪轉(zhuǎn)動式；(d)電氣符號8.6.2自動切換電器

1.低壓斷路器

低壓斷路器是一種用于自動切斷電路故障的保護電器，可作為低壓配電的總電源開關(guān)，也可用在電動機主電路上作為短路、過載或欠電壓保護開關(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作原理如圖8.27所示。圖8.27斷路器的動作原理圖8.27中2為低壓斷路器的三副主觸頭，串聯(lián)在被保護的三相主電路中。操作斷路器的合閘機構(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。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)在被保護的主電路中，欠電壓脫扣器11的線圈并聯(lián)在被保護的主電路中。當電路正常工作時，電磁脫扣器6的線圈所產(chǎn)生的吸力不能將銜鐵8吸合，只有當電路發(fā)生短路或產(chǎn)生很大的過電流時，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。當電路負載發(fā)生過載，但又未達到電磁脫扣器的動作電流時，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，起到了過載保護作用。欠電壓脫扣器11的線圈并聯(lián)在主電路中，當電壓下降到某一值時，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作用。

低壓斷路器具有操作安全、動作值可調(diào)整、分斷能力較高、動作過后故障排除就可重復(fù)使用的特點，因此在自動控制系統(tǒng)中常用它作為電源引入開關(guān)和電動機保護使用。

2.熔斷器

熔斷器在電氣控制系統(tǒng)中主要起短路保護作用。使用時，熔斷器串接在被保護電路中，在正常情況下相當于一根導(dǎo)線。當通過熔斷器的電流大于規(guī)定值時，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體(熔絲)熔化而自動分斷電路，從而起到保護電氣設(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)和電氣符號如圖8.28所示。圖8.28熔斷器外形結(jié)構(gòu)及電氣符號(a)插入式；(b)螺旋式；(c)電氣符號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，熔絲熔斷后紅點自動脫落，顯示熔絲已熔斷。使用時將熔管帶有紅點的一端插入瓷帽，瓷帽上有螺紋，將瓷帽連同熔斷管一起擰進瓷底座，熔絲便接通電路。在裝接時，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，旋出瓷帽后螺紋殼上不會帶電，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)等于或略大于保護設(shè)備的額定電流。而保護電動機的熔體，為了防止在起動時被熔斷，又能在短路時盡快熔斷，一般可選用熔體的額定電流約等于電動機額定電流的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)釋放保護性能，控制容量大，且能遠距離控制。接觸器工作可靠，性能穩(wěn)定，維修簡便，它是電力拖動與自動控制系統(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、直動式雙斷點觸頭；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)動的，即常閉觸頭副打開時常開觸頭副閉合。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。

圖8.29交流接觸器的外形、結(jié)構(gòu)原理圖和電氣符號(a)外形；(b)結(jié)構(gòu)原理圖；(c)電氣符號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與噪聲。使用接觸器時，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。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，并帶動觸頭支架使動、靜觸頭接觸閉合，從而完成接通主電路的操作。當吸引線圈斷電或電壓顯著下降時，由于電磁吸力消失或過小，銜鐵與動觸頭在彈簧反作用力的作用下跳開，觸點打開時產(chǎn)生電弧，電弧在回路電動力的驅(qū)動下迅速移動，并在滅弧室內(nèi)冷卻促使其熄滅，最后分斷主電路。

4.熱繼電器

熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)來推動動作機構(gòu)使觸頭系統(tǒng)閉合或分斷的保護電器，主要用于電動機的過載保護、斷相保護、電流不平衡運行的保護及其它電氣設(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、動作機構(gòu)、觸頭系統(tǒng)、電流整定裝置、復(fù)位機構(gòu)和溫度補償元件等組成。熱元件一般用康銅、鎳鉻合金材料制成，使用時將熱元件串接在被保護電路中，利用電流通過時產(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，當受熱時即彎曲變形，彎曲程度由各自材料的膨脹系數(shù)及溫度所決定。動作機構(gòu)大多利用杠桿傳遞及弓簧跳躍式機構(gòu)完成觸頭的動作。觸頭系統(tǒng)多為單斷點弓簧跳躍式動作，一般觸頭為一常閉一常開。通過調(diào)整推桿間隙，改變推桿移動距離，可以實現(xiàn)電流整定值的調(diào)節(jié)。溫度補償元件也為雙金屬片，它能使熱繼電器的動作性能在-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，否則就起不到補償作用。復(fù)位機構(gòu)有手動和自動兩種形式，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。

圖8.31熱繼電器工作原理及電氣符號(a)工作原理；(b)電氣符號圖8.31所示是一種雙金屬片間接加熱式熱繼電器，有兩個主雙金屬片1、2與兩個熱元件3、4分別串接在主電路的兩相中。動觸頭8與靜觸頭9接在控制回路中。當負載電流超過整定電流值并經(jīng)過一定時間后，發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱量使雙金屬片受熱向右彎曲，并推動導(dǎo)板5向右移動一定距離，導(dǎo)板又推動溫度補償片6與推桿7，使動觸頭8與靜觸頭9分斷，從而使接觸器線圈斷電釋放，將電源切除起到保護作用。電源切斷后，電流消失，雙金屬片逐漸冷卻，經(jīng)過一段時間后恢復(fù)原狀，于是動觸頭在失去作用力的情況下，靠自身弓簧13的彈性自動復(fù)位與靜觸頭閉合。

8.7電動機的控制系統(tǒng)

在繪制、識讀電氣控制電路原理圖時應(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和保護地線PE畫在相線之下。直流電源則正端在上、負端在下畫出。電源開關(guān)要水平畫出。

主電路是指受電的動力裝置及保護電器，它通過的是電動機的工作電流，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，信號電路是指顯示主電路工作狀態(tài)的電路，照明電路是指實現(xiàn)機床設(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，控制電路、信號電路、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的常態(tài)位置畫出。分析原理時，應(yīng)從觸頭的常態(tài)位置出發(fā)。

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

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