电动机的自动控制

引言实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：（1）基本构造；（2）工作原理；（3）基本控制方式；1.三相异步电动机的基本结构与工作原理1.1电动机的基本结构三相异步电动机有绕线转子和笼形转子两种结构，绕线转子异步电动机的起动性能和调速性能都较好，但其造价较高。笼形转子异步电动机结构简单，容易维护，造价较低。三相异步电动机由定子和转子两部分组成，定、转子之间有气1.定子定子主要由定子铁心、定子绕组和机座组成。定子铁心是磁路的一部分，起导磁作用。为了减少磁滞损耗和涡流损耗，定子铁心用0.5mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。硅钢片内圆边上冲有均匀分布的槽，用于嵌放三相对称绕组。定子绕组是定子电路的一部分，一般由绝缘铜线绕制并按一定规律连接成相绕组，根据具体情况可以将三个相绕组连接成星形或三角形。每个相绕组的首端和末端引接到出线盒的接线端子上。机座由铸铁或铸钢制成，起固定定子铁心、轴承、端盖的作用。在机座的表面及内部还采取了一些散热措施。2.转子转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心固定在转轴上，它是磁路的一部分，由0.5mm厚、外圆边上冲有均匀分布槽的硅钢片叠成，用于嵌放绕组。绕线转子绕组与定子绕组的结构一样。绕线转子绕组的三个单相对称绕组在内部连接成星形，其三个首端分别引接到转轴上的三个互相绝缘的滑环上，滑环通过电刷与外电路连接。笼形转子铁心的每个槽内嵌放有导体，这些导体的两端分别与两个导电端环连接，构成闭合的转子绕组。如果去掉铁心，转子绕组的形状像老鼠笼，因此也称为鼠笼式电动机。中、小型笼形转子电动机的转子绕组常常采用浇注铝的方法将导体、端环和风扇一次性地铸成一个整体，工艺简单，制造成本较低。1.2工作原理1.2.1三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的原理图如图4.5所示，定子铁芯的槽内嵌放有连接成星形或三角形的三相对称绕组，转子绕组连接成闭合回路。在定子的三相对称绕组中通入三相对称电流时，将在气隙中产生以转速n0旋转的旋转磁场。设旋转磁场顺时针旋转，则转子导体逆时针切割磁场。根据电磁感应定律，转子导体中将产生感应电动势。由于转子绕组连接成闭合回路，转子导体将有感应电流流过。设电流的相位与电动势的相位相同，两者的方向可以由右手定则确定，如图4.5所示。带电的转子导体在磁场中将受到电磁力的作用，电磁力的方向可以由左手定则确定，如图4.5所示，转子导体的受力方向与磁场旋转方向相同。电磁力作用于转子表面的导体上形成电磁转矩M，使转子以转速n沿磁场旋转的方向旋转，从而实现了将电能转换成机械能。改变旋转磁场的旋转方向时，转子的旋转方向相应改变。1.2.2旋转磁场（1）．产生图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图5-4)。00sinsin(120)sin(120)UmVmWmiItiItiIt三相异步电动机定子接线当t=00时，0Ai，AX绕组中无电流；Bi为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；Ci为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（a）所示。当t=1200时，0Bi，BY绕组中无电流；Ai为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；Ci为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（b）所示。当t=2400时，0Ci，CZ绕组中无电流；Ai为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；Bi为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（c）所示。可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。AiAiBiCXBYCZ图5-4旋转磁场的形成（2）．旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。1.2.3转子转动原理ωtiiAiBiCO120°240°360°×××××······(a)ωt=0°(b)ωt=120°(c)ωt=240°AAAXXXBBBYYYCCCZZZ×2.三相异步电动机的自动控制2.1三相异步电动机的Y—Δ起动自动控制图三相异步电动机Y—Δ降压启动控制线路图三相异步电动机的Y—Δ起动自动控制如图所示。主要元器件介绍：a.起动按钮（SB2）。手动按钮开关，可控制电动机的起动运行。b.停止按钮（SB1）。手动按钮开关，可控制电动机的停止运行。c.主交流接触器（KM1）。电动机主运行回路用接触器，起动时通过电动机起动电流，运行时通过正常运行的线电流。d.Y形连接的交流接触器（KM3）。用于电动机起动时作Y形连接的交流接触器，起动时通过Y形连接降压起动的线电流，起动结束后停止工作。e.Δ形连接的交流接触器（KM2）。用于电动机起动结束后恢复Δ形连接作正常运行的接触器，通过绕组正常运行的相电流。f.时间继电器（KT）。控制Y—Δ变换起动的起动过程时间（电机起动时间），即电动机从起动开始到额定转速及运行正常后所需的时间。g.热继电器（或电机保护器FR）。热继电器主要设置有三相电动机的过负荷保护；电机保护器主要设置有三相电动机的过负荷保护、断相保护、短路保护和平横保护等。控制原理：三相异步电动机Y—Δ转换启动的控制原理大致如下：a.按下启动按钮SB2后，电源通过热继电器FR的动断接点、停止按钮SB1的动断接点、Δ形连接交流接触器KM2常闭辅助触头，接通时间继电器KT的线圈使其动作并延时开始。此时时间继电器KT虽已动作，接点应断开，但其延时接点是瞬间闭合延时断开的（延时结束后断开），同时通过此KT延时接点去接通Y形连接的交流接触器KM3的线圈回路，则交流接触器KM3带电动作，其主触头去接通三相绕组，使电动机处于Y形连接的运行状态；KM3辅助常开触头闭合去接通主交流接触器KM1的线圈。b.主交流接触器KM1带电启动后，其辅助触头进行自保持功能（自锁功能）；而KM1的主触头闭合去接通三相交流电源，此时电动机启动过程开始。c.当时间继电器KT延时断开接点（动断接点）KT的时间达到（或延时到）电动机启动过程结束时间后，时间继电器KT接点随即断开。d.时间继电器KT接点断开后，则交流接触器KM3失电。KM3主触头切断电动机绕组的Y形连接回路；同时接触器KM3的常闭辅助触头闭合，去接通Δ形连接交流接触器KM2的线圈电源。e.当交流接触器KM2动作后，其主触头闭合，使电动机正常运行于Δ形连接状态；而KM2的常闭辅助触头断开使时间继电器KT线圈失电，并对交流接触器KM3联锁。电动机处于正常运行状态。f.启动过程结束后，电动机按Δ形连接正常运行。2.2三相异步电动机的自动自偶降压起动控制图电动机自耦降压起动接线图图是交流电动机自耦降压启动自动切换控制接线图，自动切换靠时间继电器完成，用时间继电器切换能可靠地完成由启动到运行的转换过程，不会造成启动时间的长短不一的情况，也不会因启动时间长造成烧毁自耦变压器事故控制过程如下：a、合上空气开关QF接通三相电源。b、按启动按钮SB2交流接触器KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压低压抽头（例如65％）将三相电压的65％接入电动。c、KM1辅助常开触点闭合，使时间继电器KT线圈通电，并按已整定好的时间开始计时，当时间到达后，KT的延时常开触点闭合，使中间继电器KA线圈通电吸合并自锁。d、由于KA线圈通电，其常闭触点断开使KM1线圈断电，KM1常开触点全部释放，主触头断开，使自耦变压器线圈封星端打开；同时KM2线圈断电，其主触头断开，切断自耦变压器电源。KA的常闭触点闭合，通过KM1已经复位的常闭触点，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通电动机在全压下运行。e、KM1的常开触点断开也使时间继电器KT线圈断电，其延时闭合触点释放，也保证了在电动机启动任务完成后，使时间继电器KT可处于断电状态。f、欲停车时，可按SB1则控制回路全部断电，电动机切除电源而停转。g、电动机的过载保护由热继电器FR完成。2.3三相异步电动机的点动控制点动正转控制线路是用按钮、接触器来控制电动机运转的最简单的正转控制线路。所谓点动控制是指：按下按钮，电动机就得电运转；松开按钮，电动机就失电停转。典型的三相异步电动机的点动控制电气原理图如图3-1(a)所示。点动正转控制线路是由转换开关QS、熔断器FU、启动按钮SB、接触器KM及电动机M组成。其中以转换开关QS作电源隔离开关，熔断器FU作短路保护，按钮SB控制接触器KM的线圈得电、失电，接触器KM的主触头控制电动机M的启动与停止。点动控制原理：当电动机需要点动时，先合上转换开关QS，此时电动机M尚未接通电源。按下启动按钮SB，接触器KM的线圈得电，带动接触器KM的三对主触头闭合，电动机M便接通电源启动运转。当电动机需要停转时，只要松开启动按钮SB，使接触器KM的线圈失电，带动接触器KM的三对主触头恢复断开，电动机M失电停转。在生产实际应用中，电动机的点动控制电路使用非常广泛，把启动按钮SB换成压力接点、限位节点、水位接点等，就可以实现各种各样的自动控制电路，控制小型电动机的自动运行。2.4三相异步电动机的自锁控制三相异步电动机的自锁控制线路如图3-2所示，和点动控制的主电路大致相同，但在控制电路中又串接了一个停止按钮SB1，在启动按钮SB2的两端并接了接触器KM的一对常开辅助触头。接触器自锁正转控制线路不但能使电动机连续运转，而且还有一个重要的特点，就是具有欠压和失压保护作用。它主要由按钮开关SB（起停电动机使用）、交流接触器KM（用做接通和切断电动机的电源以及失压和欠压保护等）、热继电器（用做电动机的过载保护）等组成。欠压保护：“欠压”是指线路电压低于电动机应加的额定电压。“欠压保护”是指当线路电压下降到某一数值时，电动机能自动脱离电源电压停转，避免电动机在欠压下运行的一种保护。因为当线路电压下降时，电动机的转矩随之减小，电动机的转速也随之降低，从而使电动机的工作电流增大，影响电动机的正常运行，电压下降严重时还会引起“堵转”（即电动机接通电源但不转动）的现象，以致损坏电动机。采用接触器自锁正转控制线路就可避免电动机欠压运行，这是因为当线路电压下降到一定值（一般指低于额定电压85%以下）时，接触器线圈两端的电压也同样下降到一定值，从而使接触器线圈磁通减弱，产生的电磁吸力减小。当电磁吸力减小到小于反作用弹簧的拉力时，动铁心被迫释放，带动主触头、自锁触头同时断开，自动切断主电路和控制电路，电动机失电停转，达到欠压保护的目的。失压保护：失压保护是指电动机在正常运行中，由于外界某中原因引起突然断电时，能自动切断电动机电源。当重新供电时，保证电动机不能自行启动，避免造成设备和人身伤亡事故。采用接触器自锁控制线路，由于接触器自锁触头和主触头在电源断电时已经断开，使控制电路和主电路都不能接通。所以在电源恢复供电时，电动机就不能自行启动运转，保证了人身和设备的安全。控制原理：当按下启动按钮SB2后，电源U1相通过热继电器FR动断接点、停止按钮SB1的动断接点、启动按钮SB2动合接点及交流接触器K