項目4 交流電動機及其應用

項目4交流電動機及其應用項目4交流電動機及其應用任務分析3相關知識4任務實施5歸納總結6學習目標1任務提出2學習目標(1)了解三相異步電動機的基本結構，理解轉動原理、機械特性和經(jīng)濟運行，掌握啟動和反轉的方法，理解調(diào)速和制動的方法及原理。(2)理解三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)的意義。(3)了解單相異步電動機和同步電動機的構造、原理、特性和用途。電動機是實現(xiàn)能量轉換和信號轉換的電磁裝置，用作能量轉換的電動機稱為動力電動機。用作信號轉換的電動機稱為控制電動機。在動力電動機中，將機械能轉換成電能的稱為發(fā)電機；將電能轉換為機械能的稱為電動機。學習目標與其他電動機相比，異步電動機結構簡單，價格便宜，運行可靠，維護方便，易于實現(xiàn)自動控制和遠距離操縱，簡化生產(chǎn)機械的結構，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質量，降低勞動強度，因而獲得了極為廣泛的應用。電動機中以三相異步電動機應用最廣，異步電動機的總容量約占各種電動機總容量的85%左右。異步電動機和變壓器相似，都是利用電磁現(xiàn)象進行能量的轉換和傳遞。其主要區(qū)別在于“動”和“靜”，在學習過程中注意加以對照。任務提出

汽車發(fā)電機是汽車的主要電源，其功用是在發(fā)動機正常運轉時(怠速以上)，向所有用電設備(起動機除外)供電，同時向蓄電池充電。那么汽車發(fā)電機如何組成？如何拆裝呢？任務分析

汽車發(fā)電機隨著汽車技術的進步，汽車的用電量越來越高。汽車用發(fā)電機可分為直流發(fā)電機和交流發(fā)電機，由于交流發(fā)電機在許多方面優(yōu)于直流發(fā)電機，直流發(fā)電機已被淘汰，目前所有汽車均采用交流發(fā)電機。我們就需要掌握交流電機的相關知識。相關知識任務4.1三相異步電動機的基本結構任務4.2三相異步電動機的工作原理任務4.3常用控制電器任務4.4三相異步電動機的機械特性任務4.5三相異步電動機的運行任務4.6三相異步電動機基本控制電路任務4.1三相異步電動機的基本結構三相異步電動機主要是由定子和轉子兩大部分組成，這兩部分之間由氣隙隔開。根據(jù)轉子結構的不同，分為籠型和繞線型兩種。如圖4-1所示為三相籠型異步電動機的結構。圖4-1三相籠型異步電動機結構圖1-軸承；2-前端蓋；3-轉軸；4-接線盒；5-吊環(huán)；6-定子鐵心；7-轉子；8-定子繞組；9-機座；10-后端蓋；11-風罩；12-風扇

任務4.1三相異步電動機的基本結構定子是由機殼(包括機座和端蓋)、定子鐵芯和定子繞組3部分組成。定子的作用是產(chǎn)生旋轉磁場，并與轉子構成磁的通路。1定子轉子由轉軸、轉子鐵芯和轉子繞組3部分組成。轉子在電磁力作用下產(chǎn)生電磁轉矩使轉子轉動。

氣隙、定子鐵芯、轉子鐵芯構成電動機完整的磁路部分。2轉子相關知識任務4.1三相異步電動機的基本結構任務4.2三相異步電動機的工作原理任務4.3常用控制電器任務4.4三相異步電動機的機械特性任務4.5三相異步電動機的運行任務4.6三相異步電動機基本控制電路任務4.2三相異步電動機的工作原理旋轉磁場的概念1三相異步電動機的工作原理24.2.1.1三相繞組通過三相交流電流產(chǎn)生的旋轉磁場圖4-2三相繞組通過三相交流電流產(chǎn)生的兩極旋轉磁場(a)簡化的三相繞組分布圖；(b)按星形連接的三相繞組接通三相電源；(c)三相對稱電流的波形圖；(d)二極繞組的旋轉磁場4.2.1.1三相繞組通過三相交流電流產(chǎn)生的旋轉磁場將一組三相繞組沿鐵芯內(nèi)圓表面均勻分布，各相繞組互差120°，三相繞組的尾端U2、V2、W2接成星形聯(lián)結，U1、V1、W1接電源，如圖4-2(a)、(b)所示。繞組通過交流電流，電流的波形如圖4-2(c)所示。U相電流先達到最大值，經(jīng)過T/3的時間，V相達到最大值，再經(jīng)過T/3的時間，W相達到最大值。設定達到正的最大值的一相電流(U相)是從首端(U1)流進(用符號表示)，尾端(U2)流出(用符號⊙表示)，其他兩相(V、W)均為負的1/2最大值，電流是從尾端流進，首端流出，如圖4-2(d)所示4.2.1.1三相繞組通過三相交流電流產(chǎn)生的旋轉磁場按照右手螺旋定則可畫出磁力線方向(即磁場方向)；經(jīng)過T/3時間，V相達到最大值，電流從V1端流進，V2端流出。其他兩相與之相反，畫出磁力線與U相達最大值時比較，磁場沿U、V、W的方向旋轉120°；電流經(jīng)過T/3的時間，W相達到最大值，電流從W1端流進，W2端流出，其他兩相與之相反，畫出磁力線與V相達最大值時比較，磁場沿U、V、W的方向又旋轉了120°；再經(jīng)過T/3的時間，又重復了前面分析的狀態(tài)。一相繞組通過一相交流電流產(chǎn)生的磁場，就像一個兩極圓形磁鐵的空間旋轉一樣。4.2.1.2兩組三相線圈通過三相交流電流產(chǎn)生四極旋轉磁場圖4-3三相繞組通過三相交流電流產(chǎn)生的四極旋轉磁場(a)簡化的三相繞組分布圖；(b)按星形連接的三相繞組接通三相電源；(c)三相對稱電流的波形圖；(d)四極繞組的旋轉磁場

4.2.1.2兩組三相線圈通過三相交流電流產(chǎn)生四極旋轉磁場將兩組三相線圈按照每組三相線圈沿鐵芯內(nèi)圓表面占1/2均勻分布，各相線圈互差60°，如圖4-3(a)所示。同一相的兩個線圈串聯(lián)連接，如圖4-3(b)所示。當U相電流達到正的最大值時，電流從U1、U2端流入，

U1′、U2′端流出，V、W相電流均為負的量1/2最大值，電流方向與U相相反，按照右手螺旋定則畫出的磁場是一個四極磁場(磁極對數(shù)p=2)；經(jīng)過T/3時間，V相達到正的最大值，電流從V1、V2端流入，

V1′、V2′端流出，其他兩相均達到負的1/2最大值，電流方向與V相相反，畫出磁力線與U相電流達最大值時相比較，磁場沿著U-V相序方向旋轉了60°；再經(jīng)過T/3的時間，W相電流又達到正的最大值，所得的結果是磁場沿著U-V-W相序方向又旋轉了60°，如圖4-3(c)、(d)所示。再經(jīng)過T/3的時間，又重復了前面的分析狀態(tài)。4.2.1.3三相繞組產(chǎn)生旋轉磁場的基本規(guī)律根據(jù)上述分析，可以歸納三相繞組通過三相交流電流所產(chǎn)生磁場的規(guī)律：(1)

旋轉磁場的磁極對數(shù)與每一相的繞組數(shù)有關(2)

旋轉磁場每分鐘的轉速用n1表示，稱為同步轉速，與交流電的頻率f成正比，與繞組的磁極對數(shù)成反比，即 n1=60f/p(3)由右手螺旋定則判定磁場的方向，總是與達到正的最大值的那一相繞組軸線的方向是一致的。(4)旋轉磁場的旋轉方向取決于繞組中電流的方向。因此，要改變旋轉磁場的旋轉方向，只要改變電流的相序即可。4.2.2三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作原理如圖4-4所示。三相異步電動機的定子繞組，通入三相對稱交流電流，便產(chǎn)生旋轉磁場，其轉速為同步轉速，即n1=60f/p。圖4-4三相異步電動機的工作原理4.2.2三相異步電動機的工作原理

轉子有一閉合繞組，由于旋轉磁場與轉子繞組存在相對運動，旋轉磁場切割轉子繞組，在轉子繞組中便產(chǎn)生感應電動勢，即有感應電流流過。轉子繞組感應電動勢的方向由右手螺旋定則確定，若略去轉子繞組電抗，則感應電勢的方向即是感應電流的方向。轉子中的感應電流與旋轉磁場相互作用，在轉子上產(chǎn)生電磁力F，電磁力的方向用左手螺旋定則判定。電磁力所形成的電磁轉矩，驅動轉子沿著旋轉磁場的方向轉動。工作原理4.2.2三相異步電動機的工作原理轉子轉動的方向與旋轉磁場的方向相同，但兩者的轉速不相同。轉子的轉速稱為轉子轉速，用n表示。n總是小于n1，因為n與n1如果相同，轉子繞組與旋轉磁場就沒有相對運動，轉子繞組中就不會感應出電勢和電流，這樣轉子不會受到電磁轉矩的作用，當然不會繼續(xù)轉動。n不會大于n1，否則電動機將變成發(fā)電機運行。由此可見，異步電動機轉子的轉速n總是和同步轉速n1存在一定差別，“異步”因而得名。n和n1的差異是異步電動機產(chǎn)生電磁轉矩的必要條件。轉子的轉速n與同步轉速n1的差異引出了轉差率的概念，即轉子的轉速n與同步轉速n1之差(△n=n－n1)稱為轉差；轉差與同步轉速的比值稱為轉差率，用S表示，即

S=(n－n1)/n1 (4-2)相關知識任務4.1三相異步電動機的基本結構任務4.2三相異步電動機的工作原理任務4.3常用控制電器任務4.4三相異步電動機的機械特性任務4.5三相異步電動機的運行任務4.6三相異步電動機基本控制電路任務4.3常用控制電器控制電器是指對電動機和生產(chǎn)機械實現(xiàn)保護和控制作用的電工設備。它分為手動和自動兩種，前者是由運行人員用手直接操作來進行切換的，如刀開關、按鈕等；后者是指在完成接通、斷開、啟動、反向和停止等動作是自動進行的，如接觸器、繼電器等。下面對幾種常用控制電器作簡要介紹。4.3.1刀開關4.3.3按鈕4.3.5熔斷器4.3.2組合開關4.3.4空氣斷路器4.3.6交流接觸器4.3.8中間繼電器4.3.7熱繼電器4.3.1刀開關低壓刀開關又稱閘刀開關，是一種用來接通或切斷電路的手動低壓開關。用低壓刀開關來接通和切斷電路的時候，在刀刃和夾座之間會產(chǎn)生電弧。電路的電壓越高，電流越大，電弧就越大。電弧會燒壞閘刀，嚴重時還會傷人。所以低壓刀開關一般用于電流在500A以下，電壓在1500V以下的不常開閉的線路中。低壓刀開關的種類很多，常用的有開啟式負荷開關、鐵殼開關和板形刀開關。開啟式負荷開關就是通常所說的膠木閘刀開關，其結構和圖形符號如圖4-5所示。圖4-5

KH系列閘刀開關及圖形符號4.3.2組合開關組合開關又稱轉換開關，它的結構與上述刀開關不同，通過驅動轉軸實現(xiàn)觸頭的閉合與分斷，也是一種手動控制開關。轉換開關通斷能力較低，一般用于小容量電動機的直接啟動、電動機的正反轉控制及機床照明控制電路中。它結構緊湊、體積小、操作方便。如圖4-6所示為HZ10-10/3型轉換開關的結構示意圖及圖形符號。它有三對靜觸片，分別裝在三層絕緣墊板上，并分別與接線柱相連，以便和電源、用電設備相接。圖4-6

HZ10-10/3組合開關及圖形符號4.3.3按鈕控制按鈕是一種結構簡單、使用廣泛的手動主令電器，它可以與接觸器或繼電器配合，對電動機實現(xiàn)遠距離的自動控制，用于實現(xiàn)控制線路的電氣聯(lián)鎖。如圖4-7所示，控制按鈕由按鈕帽、復位彈簧、橋式觸點和外殼等組成，通常做成復合式，即具有常閉觸點和常開觸點。圖4-7按鈕結構示意圖1－按鈕帽；2－復位彈簧；3－動觸點；4－常開靜觸點；5－常閉靜觸點；按鈕觸點的接觸面積比較小，其額定電流一般只有5A

4.3.4空氣斷路器空氣斷路器也稱為自動空氣開關，可用來接通和分斷負載電路，也可用來控制不頻繁啟動的電動機。它功能相當于閘刀開關、過電流繼電器、失壓繼電器、熱繼電器及漏電保護器等電器部分或全部的功能總和，是低壓配電網(wǎng)中一種重要的保護電器。空氣斷路器由操作機構、觸點、保護裝置(各種脫扣器)、滅弧系統(tǒng)等組成，如圖4-8所示。圖4-8空氣斷路器工作原理圖4.3.5熔斷器熔斷器是一種簡單而有效的保護電器，在電路中主要起過載和短路保護作用。保險絲就是一種最簡單的熔斷器。熔斷器主要由熔體和安裝熔體的絕緣管(絕緣座)組成。使用時，熔體串接于被保護的電路中，當電路發(fā)生短路故障時，熔體被瞬時熔斷而分斷電路，起到保護作用。熔斷器種類很多，常用的有3種：插入式熔斷器、螺旋式熔斷器和封閉管式熔斷器，如圖4-9所示。熔斷器的選用，除了根據(jù)應用場合選擇適當?shù)慕Y構形式外，主要是選擇熔體的額定電流。4.3.5熔斷器圖4-9熔斷器(a)管式；(b)插式；(c)螺旋式4.3.5熔斷器熔體的額定電流可按以下方法選擇。保護無啟動過程的平穩(wěn)負載，如照明線路、電阻、電爐等，熔體額定電流略大于或等于負荷電路中的額定電流。1保護單臺長期工作的電動機熔體電流可按最大啟動電流選取，也可按下式選取

IRN≥(1.5～2.5)IN (4-3)2保護多臺長期工作的電動機(供電干線)

IRN≥(1.5～2.5)INmax+ΣIN (4-4)34.3.6交流接觸器接觸器是一種用來頻繁地接通或切斷負載主電路和大容量控制電路、便于實現(xiàn)遠距離控制的自動切換電器。一般情況下接觸器是用按鈕操作的，在自動控制系統(tǒng)中也可用繼電器、限位開關或其他控制元件組成自動控制電路以實現(xiàn)控制。接觸器除前述功能外，還具有失壓或欠壓保護作用。接觸器按其所控制的電流種類劃分為交流和直流兩種，交流接觸器主要用于工頻50Hz和60Hz的電路。無論是交流還是直流接觸器，它們主要由電磁機構、觸頭系統(tǒng)和滅弧裝置等組成，如圖4-10所示。4.3.6交流接觸器圖4-10

CJ系列交流接觸器(a)外形和結構；(b)線圈與觸頭的電氣符號1-滅弧罩；2-觸頭壓力彈簧片；3-主觸頭；4-反作用彈簧；5-線圈；6-短路環(huán)；7-靜鐵芯；8-緩沖彈簧；9-動鐵芯；10-輔助常開觸頭；11-輔助常閉觸頭

4.3.7熱繼電器熱繼電器是一種應用廣泛的保護性低壓控制電器。它是利用電流通過熱元件所產(chǎn)生的熱效應反時限動作電器，如圖4-11所示。當負載電流超過允許值時，反映被保護設備工作狀態(tài)的熱繼電器便會動作、切斷電路，從而對電氣設備起過負荷保護作用。此外，它也可以對其他電氣設備的發(fā)熱狀態(tài)進行控制。圖4-11熱繼電器(a)外形；(b)電氣符號4.3.7熱繼電器熱繼電器按動作原理可分為以下兩種。選用熱繼電器時，應根據(jù)負載(電動機)的額定電流來確定其型號和加熱元件的電流等級。(1)雙金屬片式利用兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬(常為錳鎳與銅板)軋制成雙金屬片，受熱后發(fā)生彎曲，從而推動機構使觸頭閉合進而切斷電路。(2)熱敏電阻式它是利用某種材料的電阻值隨溫度變化的物理性能而制成的。4.3.8中間繼電器選用中間繼電器時，主要根據(jù)控制電路的電壓和控制的需要來選擇線圈額定電壓等級和觸點(動合和動斷)數(shù)目。中間繼電器的結構與動作原理與交流接觸器相似，都是由電磁系統(tǒng)和觸點系統(tǒng)組成，所不同的是其容量小些，觸點數(shù)多些(可多達8對)，它也有動合和動斷觸點，但沒有主、輔觸點之分，也沒有滅弧裝置。在繼電—接觸器控制電路中，為解決接觸器觸點少的矛盾，而采用觸點多、容量相對較大的中間繼電器，用它作為中間環(huán)節(jié)，用以信號傳遞與轉換，或同時控制多個電路，對小容量電動機(額定電流小于5A)也可代替接觸器作為接通和切斷電源用。相關知識任務4.1三相異步電動機的基本結構任務4.2三相異步電動機的工作原理任務4.3常用控制電器任務4.4三相異步電動機的機械特性任務4.5三相異步電動機的運行任務4.6三相異步電動機基本控制電路任務4.4三相異步電動機的機械特性異步電動機電磁轉矩—轉差率特性(轉矩特性)T=f(s)只是間接反映了電動機電磁轉矩和轉速間的關系，使用不便，電力拖動中往往采用電磁轉矩和轉速間的關系曲線n=f(T)，即所謂異步電動機的機械特性。任務4.4三相異步電動機的機械特性如果定子電壓和頻率都保持為額定值，而且若是繞線式異步電動機，則其轉子電路中不另外串聯(lián)電阻或電抗，這時的轉矩特性和機械特性稱為固有轉矩特性和固有機械特性，簡稱固有特性，否則稱為人為特性。4.4.1固有特性4.4.2人為特性4.4.3三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)4.4.1固有特性電動機制成之后，同步轉速n1=60f1/p在給定頻率下是個定值，因此電動機的轉速n和轉差率S之間存在簡單的數(shù)量對應關系為根據(jù)上述對應關系可由T=f(s)的轉矩特性直接獲得電動機的機械特性曲線n=f(T)，只須將曲線T=f(s)的橫軸S坐標換為對應的轉速為n，繼而將整個坐標系連同曲線順時針轉動90°即可。三相異步電動機的固有特性如圖4-12所示。在轉矩特性的OM段和機械特性的n1M段，S增加時，T增加，n減小；在轉矩特性的MS段和機械特性的MS段，S增加時，T減小，n減小。4.4.1固有特性圖4-12三相異步電動機的固有特性4.4.1固有特性因有特性上的N、M和S三個特殊的工作點代表了三相異步電動機的三個重要的工作狀態(tài)。4.4.1.1額定狀態(tài)4.4.1.2臨界狀態(tài)4.4.1.3啟動狀態(tài)4.4.1.1額定狀態(tài)長期運行時電動機的工作范圍應在固有轉矩特性的ON和固有機械特性的n1N段，稱穩(wěn)定運行區(qū)，T增大、n減小的機械特性稱為硬特性。SN為額定轉差率；nN為額定轉速；TN為額定轉矩。實際選用電動機時，應考慮可能出現(xiàn)的最大負載轉矩，而后根據(jù)過載系數(shù)求出電動機最大轉矩，額定轉矩是電動機在額定負載時的轉矩，它可由電動機銘牌所標的額定輸出功率PN(W)和額定轉速nN(轉/分)求得。4.4.1.2臨界狀態(tài)這是電動機的電磁轉矩等于最大值時的狀態(tài)，工作點在特性曲線上的M，這時的電磁轉矩TM稱為最大轉矩，SM為臨界轉差率，nM為臨界轉速。

(X2為轉子靜止時的電抗)堵轉時，S=1，轉子與旋轉磁場的相對運動速度最大，因而電流要比額定電流大得多，時間一長，電動機會嚴重過熱，甚至燒壞。因此，電動機的最大轉矩TM和額定轉矩TN之比KM稱為過載系數(shù)。它反映了電動機的過載能力。

，Y系列三相異步電動機

。4.4.1.3啟動狀態(tài)這是電動機剛接通電源，轉子尚未工作時的狀態(tài)，工作點在特性曲線上的S點。這時的轉差率S=1，轉速n=0，對應的電磁轉矩TS稱為啟動轉矩。定子線電流用IS表示，稱為啟動電流。啟動狀態(tài)說明了電動機的直接啟動能力，因為只有在TS﹥TL時，電動機才能啟動起來。TS大，電動機才能重載啟動；TS小，電動機只能輕載，甚至空載啟動。因此，通常用啟動轉矩TS和額定轉矩TN的比值來說明異步電動機的直接啟動能力，用KS表示，即KS=TS/TN直接啟動時，啟動電流遠大于額定電流，這也是直接啟動應予以考慮的問題，電動機的啟動電流IS與額定電流IN的比值用KI表示，即Y系列三相異步電動機的

。4.4.2人為特性定子電壓降低人為特性1轉子電阻增加時的人為特性24.4.2.1定子電壓降低人為特性由于臨界轉差率和臨界轉速與電壓無關而轉矩是正比于電壓的平方的，因此電壓降低后的人為特性如圖4-13所示。圖4-13電壓降低后的人為特性4.4.2.2轉子電阻增加時的人為特性由于臨界轉差率Sm正比于轉子電阻R2，(Sm=R2/X20)最大轉矩TM卻與轉子電阻R2無關。因此，繞線式異步電動機在轉子電路中串入電阻時的人為特性如圖4-14所示，轉子電阻增加后，TS的大小則與R2和X2的相對大小有關。(1)當R2<X2時，SM<1，R2增大，TS增大。(2)當R2=X2時，SM=1，TS=TM，此時的啟動轉矩最大。(3)當R2>X2時，SM>1，R2增加時，啟動轉矩TS減小。圖4-14轉子電阻增加時的人為特性4.4.3三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)異步電動機的銘牌是選擇及正確使用電動機的依據(jù)，要能明了銘牌各項數(shù)據(jù)的意義。型號表示電動機的種類和形式。注意“-”后最后一位數(shù)據(jù)為磁極數(shù)，不是磁極對數(shù)。1型號額定功率指在額定運行狀態(tài)下電動機轉軸上輸出的機械功率，記為

或

，它不是電動機從電源吸收的電功率

，額定功率又稱容量，單位為kW。2額定功率PN

4.4.3三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)電動機在正常運行時，定子三相繞組所接線電壓，實際運行時，定子繞組外接線電壓不得超過額定值的5%。1)電壓過低2)電壓過高3)額定電流IN4)額定頻率fN

5)額定轉速nN

6)額定功率因數(shù)λN

7)絕緣等級IN繞線式異步電動機的銘牌上，除了上述額定數(shù)據(jù)外，還標有轉子繞組的額定電流和轉子繞組開路時的額定線電壓。除銘牌數(shù)據(jù)外，還有ηN，KM，KS和KI等都是電動機的重要技術數(shù)據(jù)，它們可以從產(chǎn)品目錄或電工手冊中查到。3額定電壓UN相關知識任務4.1三相異步電動機的基本結構任務4.2三相異步電動機的工作原理任務4.3常用控制電器任務4.4三相異步電動機的機械特性任務4.5三相異步電動機的運行任務4.6三相異步電動機基本控制電路任務4.5三相異步電動機的運行

電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行的過程稱為啟動過程，三相異步電動機有多種起步方法。在選擇何種起步方法時，要考慮啟動性能。異步電動機的啟動性能包括啟動電流、啟動轉矩、啟動時間和啟動可靠性等。其中人們最關注的是啟動電流和啟動轉矩。任務4.5三相異步電動機的運行實際生產(chǎn)中，電動機往往要經(jīng)常啟動，停車。其啟動性能的影響就不容忽視。1要有足夠的啟動轉矩。TS必須大于TL

，電動機才能拖動負載一起啟動，而且兩者差值越大，啟動過程所需時間就越少，有利于提高勞動生產(chǎn)率。啟動轉矩過小時，勢必延長啟動時間或根本無法啟動。2需要限制啟動電流，因為IS遠大于IN，頻繁啟動的電動機，大的啟動電流所產(chǎn)生熱量會積累而導致溫升過高，大的啟動電流會引起線路電壓跌落而影響周圍其他用電設備的正常工作，而且會延長電動機本身的啟動時間。4.5.1籠式異步電動機的啟動一般情況下總希望啟動電流小些，啟動轉矩大些，故必須選擇適當?shù)膯臃椒ā?.5.1.2減壓啟動若電動機啟動電流過大或電動機啟動頻繁，為減小啟動電流常采用降壓啟動，降壓啟動在減小啟動電流的同時，啟動轉矩顯著減小，故只用于輕載或空載啟動，待啟動結束后，再恢復全壓運轉。1．Y-△換接啟動2．自耦減壓啟動4.5.1.1直接(全壓)啟動直接啟動就是將電動機的定子繞組直接加上額定電壓啟動。此法簡便，啟動迅速，無須專用的啟動設備，是小型籠式異步電動機常用的啟動方法。1．Y-△換接啟動正常運行時定子繞組為三角形接法的電動機，在啟動時將定子繞組改接為星形，啟動后再還原為三角形，則啟動電流和啟動轉矩均為三角形啟動時的1/3。設定子繞組在啟動時(n=0，S=1)各相等效阻抗為Z。Y-△啟動(定子繞組接成星形)與直接啟動(定子繞組接成三角形)相比較，設電源電壓為

則有定子線電壓定子相電壓1．Y-△換接啟動啟動相電流啟動線電流啟動轉矩Y-△換接啟動設備簡單，維護方便，動作可靠，故獲得廣泛應用。2．自耦減壓啟動自耦減壓啟動又稱自耦變壓器啟動或補償器啟動。這種啟動方法既適用于正常運行時聯(lián)結成三角形的電動機，也適用于聯(lián)結成星形的電動機。正常運行時定子繞組為星形接法的異步電動機，可利用三相自耦變壓器在啟動時將電動機的定子電壓(外接電源電壓)降低，啟動后再切除自耦變壓器，將電壓恢復到額定值。如果三相自耦變壓器Tr，每相繞組備有一個或多個抽頭，每個抽頭的降壓比為

，自耦變壓器啟動下標a、b代表直接啟動。定子線電壓2．自耦減壓啟動定子相電壓電動機啟動相電流電動機啟動線電流電流供給線電流啟動轉矩4.5.2繞線式異步電動機的啟動三相繞線式異步電動機啟動時，轉子回路串接適當?shù)娜鄬ΨQ電阻，既能限制啟動電流，又能增大啟動轉矩，且能使啟動轉矩等于最大轉矩。啟動結束后，可以切除外串電阻，電動機的效率不受影響。對于重載和頻繁啟動的生產(chǎn)機械，三相鼠籠式異步電動機難以滿足要求時，才選用三相繞線式異步電動機。因為，繞線式異步電動機與鼠籠式異步電動機相比較，結構較復雜，控制維護較困難，制造成本較高，價格較貴。轉子電路串聯(lián)電阻啟動1轉子電路串聯(lián)變阻器頻敏啟動24.5.2.1轉子電路串聯(lián)電阻啟動對繞線式電動機可在轉子每相繞組中串入適當大小的相同電阻(稱啟動電阻)進行啟動。隨著轉速上升逐段切除啟動電阻，轉速接近額定值時，完全切除啟動電阻，直接短接轉子各相繞組，投入正常運行。(1)其他條件不變，啟動電阻的串入將使轉子電流減小，從而使定子相電流減小，達到減小啟動電流的目的。(2)由異步電動機的機械特性可知，適當?shù)卮訂与娮杩墒箚愚D矩增大。4.5.2.1轉子電路串聯(lián)電阻啟動繞線式三相異步電動機轉子串電阻兩極啟動接線原理圖及機械特性如圖4-15所示。在圖4-15(a)中，R為轉子串聯(lián)總電阻，R1和R2為分級啟動電阻，1K、2K為開關。啟動前，1K、2K斷開，電動機啟動時接通三相電源，啟動電阻R=R′+R″全部接入轉子回路。圖4-15(b)為對應的機械特性。圖中T1為啟動轉矩，T2為切換轉矩，T1和T2均大于TZ。圖4-15繞線式異步電動機轉子串電阻分極啟動(a)接線原理圖；(b)機械特性4.5.2.2轉子電路串聯(lián)變阻器頻敏啟動轉子串頻敏變阻器啟動的三相繞線式異步電動機接線原理圖如圖4-16所示，啟動開始，開關K斷開，電動機轉子串入頻敏變阻器啟動。電動機轉速達到穩(wěn)定值后，開關K接通，切除頻敏變阻器，電動機進入正常運行。圖4-16繞線式三相異步電動機4.5.2.2轉子電路串聯(lián)變阻器頻敏啟動頻敏變阻器是一個三相鐵芯線圈，它的鐵芯由實心鐵板或鋼板疊成，板的厚度為30～50mm時，稱為板式鐵芯結構；它的鐵芯由厚壁鋼板制成的鐵芯發(fā)和上下層厚鋼板制成的鐵軛組成時，稱為發(fā)式鐵芯結構。頻敏變阻器每一相的等值電路圖如圖4-17所示。圖4-17敏頻變阻器的等值電路圖4.5.2.2轉子電路串聯(lián)變阻器頻敏啟動圖中忽略了每相繞組的漏阻抗x1，r1為每相繞組的電阻，xp為頻敏變阻器的等值電抗，rp為頻敏變阻器的等值電阻。由于頻敏變阻器的磁密取得較高，鐵芯處于飽和狀態(tài)，勵磁電流較大，則xp較??；而鐵芯較厚，滯渦流損耗較大，則rp較大。頻敏變阻器的工作原理：轉子回路串頻敏變阻器啟動過程是隨著轉子回路頻率

的降低，頻敏變阻器的阻抗

自動減小的過程，從而啟動過程中，既限制了啟動電流，又得到較大的啟動轉矩。其工作過程如下所述。相關知識任務4.1三相異步電動機的基本結構任務4.2三相異步電動機的工作原理任務4.3常用控制電器任務4.4三相異步電動機的機械特性任務4.5三相異步電動機的運行任務4.6三相異步電動機基本控制電路任務4.6三相異步電動機基本控制電路由于不同生產(chǎn)機械的工作性質和加工工藝不同，使得它們對電動機的控制要求不同。在以電動機為動力的生產(chǎn)機械中，要根據(jù)生產(chǎn)過程的要求對電動機進行啟動、停止、正轉或反轉、調(diào)速及制動等方面的控制。對電動機的控制常要用到開關、繼電器及接觸器等控制電器組成的控制電路——這種控制電路稱為繼電接觸器控制系統(tǒng)。任務4.6三相異步電動機基本控制電路4.6.1直接啟動控制4.6.2行程控制4.6.3時間控制4.6.4正反轉控制電路4.6.5

PLC控制4.6.1直接啟動控制電動機接上電源，轉速由零開始增大，直至穩(wěn)定運轉狀態(tài)的過程，稱為啟動過程。對電動機啟動的要求是：啟動電流小，啟動轉矩大，啟動時間短。異步電動機的啟動問題是它在運行中的一個特殊問題。常用的方法有全壓直接啟動、自耦減壓啟動、Y-△啟動、軟啟動和變頻啟動等。下面以鼠籠式異步電動機為例介紹幾種常用的啟動方式。4.6.1直接啟動控制1直接啟動(全壓啟動)2在定子電路串聯(lián)電抗器(或電阻)啟動3自耦變壓器降壓啟動4星形—三角形聯(lián)結啟動4.6.1.1直接啟動(全壓啟動)在電網(wǎng)和負載兩方面都允許全壓直接啟動的情況下，鼠籠式異步電動機仍以直接啟動為宜。這種啟動方法是電動機經(jīng)過開關或接觸器，將電源電壓直接加在定子繞組上。其接線優(yōu)點是減少設備投資和維護費，操作簡便；缺點是啟動電流大，引起電壓波動大。直接啟動方法的應用，主要受供電變壓器容量的限制。不經(jīng)常啟動的電動機，容量不宜超過變壓器容量的30%；經(jīng)常啟動的電動機，容量不宜超過變壓器容量的20%。4.6.1.2在定子電路串聯(lián)電抗器(或電阻)啟動定子電路串聯(lián)電抗器的啟動原理接線如圖4-18所示。啟動時，合上開關K1，并將開關K2合向“啟動”位置，由于啟動電流通過電抗器產(chǎn)生電壓降，降低了加在定子繞組上的電壓，從而使啟動電流減小。待電動機轉速穩(wěn)定后，將開關K2合向“運行”位置切除電抗器，電動機在額定電壓下運轉。利用這種方法啟動，如果啟動電壓降低為U/K，則啟動電流降低為全壓啟動的1/K，啟動轉矩則降為全壓啟動時啟動轉矩的1/K2。圖4-18定子電路中串聯(lián)電抗器的啟動原理接線4.6.1.3自耦變壓器降壓啟動自耦變壓器降壓啟動簡稱為減壓啟動，原理接線如圖4-19所示。啟動時合上開關K1，并將開關K2合向“啟動”位置，使定子繞組與自耦變壓器低壓端接通，降低啟動電壓，待電動機轉速穩(wěn)定后，將開關K2合向“運行”位置切除自耦變壓器，電動機在額定電壓下運行。圖4-19自耦變壓器降壓啟動4.6.1.4星形—三角形聯(lián)結啟動正常運行時，定子繞組作三角形聯(lián)結的電動機，可以采用啟動時將繞組換接成星形的方式降低加在繞組上的電壓，啟動完畢再換接成三角形的降壓啟動方法，如圖4-20所示。圖4-20星形—三角形換接啟動原理接線4.6.2行程控制行程控制，就是當運動部件到達一定位置時采用行程開關來進行控制。行程開關又稱限位開關或位置開關。它是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路工作狀態(tài)的控制電器。行程開關的動作原理與控制按鈕相似，如圖4-21所示是一種行程開關的結構示意圖。圖4-21行程開關結構示意圖4.6.2行程控制如圖4-22所示是用行程開關來控制工作臺前進與后退的示意圖和控制電路。行程開關STa和STb分別裝在工作臺的原位和終點，由裝在工作臺上的擋塊來撞動。工作臺由電動機M帶動。電動機的主電路和圖4-22(b)是一樣的，控制電路也只是多了行程開關的三個觸點。圖4-22用行程開關控制工作臺的前進與后退(a)示意圖(b)控制電路4.6.3時間控制時間控制，就是采用時間繼電器進行延時控制。例如，電動機的Y-△換接啟動，先是Y聯(lián)結，經(jīng)過一定時間待轉速上升到接近額定值時換成△聯(lián)結。這就得用時間繼電器來控制。在交流電路中常采用空氣式繼電器，如圖4-23所示，它是利用空氣阻尼作用而達到動作延時的目的。圖4-23通電延時空氣式繼電器4.6.3時間控制如圖4-24所示是應用時間繼電器的三相籠型異步電動機Y-△換接啟動控制電路。其中用了圖4-23所示的通電延時時間繼電器KT的兩個觸點：延時斷開的常閉觸點和瞬時閉合的常開觸點。KM1、KM2、KM3是三個交流接觸器。啟動時KM3工作，電動機成Y聯(lián)結；運行時KM2工作，電動機成△聯(lián)結。圖4-24三相籠型異步電動機Y-△換接啟動控制電路4.6.4正反轉控制電路為了實現(xiàn)正反轉，根據(jù)三相異步電動機原理，只要將接到電源的任意兩根線對調(diào)一頭即可。為此，只要用兩個交流接觸器就能實現(xiàn)這一要求，如圖4-25所示。當正轉接觸器KMF工作時，電動機正轉；當反接接觸器KMR工作時，由于調(diào)換了兩根電源線，所以電動機反轉。圖4-25用兩個接觸器實現(xiàn)電動機的正反轉4.6.4正反轉控制電路如果兩個接觸器同時工作，由圖4-25可以見到，將有兩根電源線通過它們的主觸點而將電源短路了。所以對正反轉控制控制線路最根本的要求是：必須保證兩個接觸器不能同時工作。這種在同一時間里兩個接觸器只允許一個工作的控制作用稱為互鎖或聯(lián)鎖。為確保動作可靠，其控制線路具有聯(lián)鎖功能，通常有按鈕聯(lián)鎖、接觸器輔助觸點聯(lián)鎖和由它們共同組合而成的雙重聯(lián)鎖?，F(xiàn)分別介紹如下。1、接觸器聯(lián)鎖的正反轉控制電路2、按鈕聯(lián)鎖的正反轉控制電路3、接觸器與按鈕復合聯(lián)鎖的正反轉控制電路4.6.4.1接觸器聯(lián)鎖的正反轉控制電路如圖4-26所示的主電路使用兩只交流接觸器KM1和KM2分別接通電動機的正向、反向運轉時的電源，其中KM2通電時，是將電源L1、L3兩相對調(diào)后接入電動機，故能實現(xiàn)反轉控制。圖4-26電動機的正、反轉控制線路(接觸器輔助觸點聯(lián)鎖)4.6.4.1接觸器聯(lián)鎖的正反轉控制電路控制線路的動作過程如下。(1)正向啟動合上刀開關QK，再接下SB1→KM1線圈得電→KM1動斷輔助觸點分斷→實現(xiàn)聯(lián)鎖；KM1主觸點閉合→電動機M得電正向啟動、運行；KM1動合輔助觸點閉合→實現(xiàn)自保持。(2)反向啟動先按SB3→KM1線圈失電→KM1動合輔助觸點復位→解除自保持；KM1主觸點復位→電動機斷電停運；KM1動斷輔助觸點復位→解除聯(lián)鎖。再按SB2→KM2線圈得電→KM2動斷輔助觸點分斷→實現(xiàn)聯(lián)鎖；KM2主觸點閉合→電動機M得電反向啟動、運行；KM2動合輔助觸點閉合→實現(xiàn)自保持。(3)停車按下SB3→KM線圈失電→KM主觸點復位→電動機M斷電停車，KM動合輔助觸點復位解除自保持。4.6.4.2按鈕聯(lián)鎖的正反轉控制電路把圖4-27中的正轉按鈕SB1和反轉按鈕SB2換成兩個復合按鈕，并使復合按鈕的常閉觸點代替接觸器的常閉聯(lián)鎖觸點，就構成了按鈕聯(lián)鎖的正反轉控制電路。正反轉啟動控制線路中的主電路使用兩只交流接觸器KM1和KM2，分別接通電動機的正向、反向運轉的電源。其中KM2得電時，將電源的L1、L3兩相對調(diào)后送入電動機，實現(xiàn)反轉控制。圖4-27電動機的正、反轉控制線路(按鈕聯(lián)鎖)4.6.4.2按鈕聯(lián)鎖的正反轉控制電路這種線路的優(yōu)點是操作方便，缺點是容易產(chǎn)生電源兩相短路故障。所以此線路工作欠安全可靠，在實際工作中，經(jīng)常采用的是接觸器與按鈕復合聯(lián)鎖的正反轉控制電路。這種控制線路的工作原理與接觸器聯(lián)鎖的正反轉控制電路的工作原理基本相似，只是電動機從正轉改變?yōu)榉崔D時，可直接按下反轉按鈕SB2即可實現(xiàn)，不必先按停止按鈕SB3。4.6.4.3接觸器與按鈕復合聯(lián)鎖的正反轉控制電路如圖4-28所示為接觸器與按鈕復合聯(lián)鎖的正反轉控制電路。其主電路與單聯(lián)鎖線路完全相同，輔助電路實際是前兩種單聯(lián)鎖線路的組合，具有雙重聯(lián)鎖的正、反向啟動控制功能。圖4-28接觸器與按鈕復合聯(lián)鎖的正反轉控制電路4.6.4.3接觸器與按鈕復合聯(lián)鎖的正反轉控制電路正向啟動。合上刀開關QK，按下SB1→SB1動斷觸點先分斷→實現(xiàn)聯(lián)鎖；SB1動合觸點閉合→KM1線圈得電→KM1動斷輔助觸點分斷→實現(xiàn)聯(lián)鎖；KM1動合輔助觸點閉合→實現(xiàn)自保持；KM1主觸點閉合→電動機M得電正向啟動、運行。1反向啟動。按下SB2→SB2動斷觸點先分斷→KMl線圈失電→KM1動斷輔助觸點復位→解除聯(lián)鎖，KM1動合輔助觸點復位→解除自保持，KM1主觸點復位→電動機M失電停運；SB2動合觸點閉合→KM2線圈得電→KM2動合輔助觸點閉合→實現(xiàn)自保持，KM2主觸點閉合→電動機M得電反向啟動、運行，KM2動斷輔助觸點分斷→實現(xiàn)聯(lián)鎖。2停車。按下SB3，整個控制電路失電，主觸點分斷，電動機M失電停轉。34.6.5

PLC控制PLC英文全稱ProgrammableLogicController，中文全稱為可編程邏輯控制器，簡稱為可編程控制器。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱ProgrammableController(PC)。4.6.5

PLC控制PLC程序設計基礎及應用4.PLC的指令系統(tǒng)3.PLC的I/O響應時間2.PLC的結構和工作原理1.4.6.5.1

PLC的結構和工作原理PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但其結構和工作原理則大同小異。1．基本結構從結構上分，PLC分為固定式和組合式(模塊式)兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊和電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。PLC的基本結構一般由主機(CPU)、存儲器、輸入/輸出(I/O)接口、電源、編程器、擴展接口和外部設備接口等幾個主要部分組成，如圖4-29所示。4.6.5.1

PLC的結構和工作原理圖4-29

PLC的硬件系統(tǒng)結構圖4.6.5.1

PLC的結構和工作原理2．工作原理最初研制生產(chǎn)的PLC主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的。1繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(包括其常開或常閉觸點)在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。2PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。4.6.5.1

PLC的結構和工作原理當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。輸入采樣階段01用戶程序執(zhí)行階段02輸出刷新階段034.6.5.2

PLC的I/O響應時間為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。為了能實現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式(掃描技術)。以上兩個主要原因，使得PLC的I/O響應比一般微型計算機構成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。所謂I/O響應時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關輸出端信號的改變所需的時間。4.6.5.3

PLC的指令系統(tǒng)1．PLC的編程語言PLC中有多種程序設計語言，它們是梯形圖語言、布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結構化語句描述語言等。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設計語言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡單的控制功能。下面主要介紹梯形圖和布爾助記符兩種基本程序設計語言。(1)梯形圖(LadderDiagram)。(2)布爾助記符(BooleanMnemonic)。(1)梯形圖(LadderDiagram)程序設計語言梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。采用梯形圖程序設計語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設計語言采用因果關系來描述事件發(fā)生的條件和結果。每個梯級是一個因果關系。

在梯級中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結果表示在后面。梯形圖程序設計語言是最常用的一種程序設計語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述，如用

、

表示PLC編程元件的常開觸點和常閉觸點，用[]或○表示它們的線圈。梯形圖中的編程元件的種類用圖形符號及標注的字母或數(shù)字加以區(qū)別。(1)梯形圖(LadderDiagram)在工業(yè)過程控制領域，電氣技術人員對繼電器邏輯控制技術較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應用。梯形圖程序設計語言的特點是：1)與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；2)與原有繼電器邏輯控制技術相一致，對電氣技術人員來說，易于掌握和學習；3)與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是，梯形圖中的能流(PowerFLow)不是實際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應用時，需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區(qū)別對待；4)與布爾助記符程序設計語言有一一對應關系，便于相互的轉換和程序的檢查。(2)布爾助記符(BooleanMnemonic)程序設計語言布爾助記符程序設計語言是用布爾助記符來描述程序的一種程序設計語言。布爾助記符程序設計語言與計算機中的匯編語言非常相似，采用布爾助記符來表示操作功