第五章电动机及其基本控制电路

第五章电动机及其基本控制电路第一节磁路与变压器5.1.2变压器一.变压器是利用互感原理工作的电磁装置，它的符号如图5-1所示，T是它的文字符号。教学重点1．能利用变压器的电压变换、电流变换和阻抗变换的关系，做相应的计算。2.三相异步电动机点动控制、单向运行控制、正反转控制。3．会进行三相异步电动机起动、反转、调速、制动的操作。教学难点1．三相异步电动机的工作原理。2.三相异步电动机的正反转控制电路3．三相异步电动机起动、反转、调速和制动的方法。学时分配序号内容学时1第一节磁路与变压器12第二节三相异步电动机的基本结构及工作原理23第三节常用控制电器14第四节三相异步电动机基本控制电路25第五节正反转控制电路（实验2学时）26本章总学时8图5-1变压器的符号1．变压器的用途：变压器除可变换电压外，还可变换电流、变换阻抗、改变相位。2．变压器的种类：按照使用的场合，变压器有电力变压器、整流变压器、调压变压器输入、输出变压器等。二.变压器的构造变压器主要由铁心和线圈两部分构成。铁心是变压器的磁路通道，是用磁导率较高且相互绝缘的硅钢片制成，以便减少涡流和磁滞损耗。按其构造形式可分为心式和壳式两种，如图5-2(a)、(b)所示。线圈是变压器的电路部分，是用漆色线、沙包线或丝包线绕成。其中和电源相连的线圈叫原线圈(初级绕组)，和负载相连的线圈叫副线圈(次级绕组)。三.基本工作原理变压器是按电磁感应原理工作的，原线圈接在交流电源上，在铁心中产生交变磁通，从而在原、副线圈产生感应电动势，如图5-3所示。1．变换交流电压原线圈接上交流电压，铁心中产生的交变磁通同时通过原、副线圈，原、副线圈中交变的磁通可视为相同。设原线圈匝数为N1，副线圈匝数为N2，磁通为，感应电动势为tNEtNE2211，由此得2121NNEE忽略线圈内阻得图5-2心式和壳式变压器图5-3变压器空载运行原理图KNNUU2121上式中K称为变压比。由此可见：变压器原副线圈的端电压之比等于匝数比。如果N1N2，K1，电压上升，称为升压变压器。如果N1N2，K1，电压下降，称为降压变压器。2．变换交流电流根据能量守恒定律，变压器输出功率与从电网中获得功率相等，即P1=P2，由交流电功率的公式可得U1I1cos1=U2I2cos2式中cos1——原线圈电路的功率因数；cos2——副线圈电路的功率因数。1，2相差很小，可认为相等，因此得到U1I1=U2I2KNNII11221可见，变压器工作时原、副线圈的电流跟线圈的匝数成反比。高压线圈通过的电流小，用较细的导线绕制；低压线圈通过的电流大，用较粗的导线绕制。这是在外观上区别变压器高、低压饶组的方法。3．变换交流阻抗设变压器初级输入阻抗为|Z1|，次级负载阻抗为|Z2|，则111IUZ将21212211INNIUNNU，代入，得222211IUNNZ因为222ZIU所以2222211ZKZNNZ可见，次级接上负载|Z2|时，相当于电源接上阻抗为K2|Z2|的负载。变压器的这种阻抗变换特性，在电子线路中常用来实现阻抗匹配和信号源内阻相等，使负载上获得最大功率。【例5-1】有一电压比为220/110V的降压变压器，如果次级接上55的电阻，求变压器初级的输入阻抗。解1：次级电流Α255110222ZUI初级电流Α21102202121UUNNKΑ12221KII输入阻抗2201220111IUZ解2：变压比21102202121UUNNK输入阻抗2205542222211ZKZNNZ第二节三相异步电动机的基本结构及工作原理5.2.1三相异步电动机的基本构造电动机由定子和转子两个基本部分组成，如图5-4所示。1．定子三相异步电动机的定子由机座、铁心和定子绕组组成。定子绕组是电动机的电路部分，由三相对称绕组组成，按一定规则连接，有六个出线端。即U1-U2、V1-V2、W1-W2接到机座的接线盒中，定子绕组接成星形或三角形。图5-5(a)是定子绕组的星形连接图；图5-5(b)是定子绕组的三角形连接图。2．转子转子是异步电动机的旋转部分，由转轴、转子铁心和转子绕组三部分组图5-4三相异步电动机的构造图5-5定子绕组的星形和三角形连接图成，其作用是输出机械转矩。跟据构造的不同，转子绕组分为绕线式和笼型两种，图5-6(a)所示为笼型绕组，(b)为铸铝的笼型转子。5.2.2三相异步电动机的工作原理1．旋转磁场的概念将对称三相电流通入在空间彼此相差120的作星形连接的三线圈。设三相电流为：i1=Imsin(t)i2=Imsin(t–120)i3=Imsin(t+120)其波形如图5-7所示。根据电流的磁效应，在三相绕组的空间上就会产生旋转磁场，如图5-8所示，为方便分析，规定电流为正值时，电流从线圈的首端(即U1、V1和W1)流向末端(即U2、V2和W2)。图中首端用表示，末端用⊙表示，反之电流由末端流向首端。取t=0、90、180、270和360五个瞬间，依次的标出电流的方向，由右手螺旋法则确定磁场的方向。t=0时，磁场方向由右指向左；t=90时，磁场的方向垂直向上；t=180、270和360时，磁场的方向分别向右、向下和向左，顺时针旋转一周，分别如图5-8(a)、(b)、(c)、(d)和(e)所示。图5-6笼型绕组及转子图5-7三相绕组电流的波形图图5-8旋转磁场的产生由图可见，当空间彼此相差120的三个相同线圈通入对称三相交流电，就能产生与电流有相同角速度的旋转磁场(即交流电变化一周，旋转磁场在空间也旋转一周)。当我们i1使通入V相，i2通过U相时，分析可见，旋转磁场逆时针旋转。因此，只要把接到三相绕组上的两根电源线任意对调，即改变电源的相序，就可实现旋转磁场的反转。2．旋转磁场的转速上述旋转磁场具有一对磁极，若用p表示磁极对数，则p=1。磁极对数p=1的旋转磁场，其转速与正弦电流同步。若交流电的频率为f，则旋转磁场的转速n0=60f(r/min)当磁极对数p=2时，交流电变化一周，旋转磁场转动21周，依次类推当旋转磁场具有p对磁极时，交流电变化一周，旋转磁场转动p1周。因此交流电频率为f，磁极对数为p，则旋转磁场的转速为(r/mim)600pfn式中n0又称为同步转速3.三相异步电动机的极数与转速电动机总是以低于旋转磁场的转速转动。即nn0异步电动机的同步转率n0与转子转速n之差，即n0−n称为转速差。转速差(n0−n)与n之比称为异步电动机的转差率，用s表示%10000nnns也可写成n=(1–s)n0转差率是异步电动机的一个重要参数。4.异步电动机的铭牌在电动机的铭牌上标有其主要技术数据，使用时应多加注意，表5-1就是一台三相异步电动机的铭牌。表5-1三相异步电动机的铭牌三相异步电动机型号Y132M—4功率7.5KW频率50HZ电压380V电流15.4A接法∆转速1440r/min绝缘等级B工作方式连续图5-9三相异步电动机的工作原理第三节常用控制电器5.3.1刀开关刀开关，我们俗称闸刀。闸刀开关没有灭弧装置，仅以胶盖为遮护以防止电弧伤人。通常作为隔离开关，用于不频繁地接通或断开的电路中。一般将保险丝接在刀开关上做短路保护作用的。5.3.3按钮按钮主要控制接触器和继电器，也可作为电路中的电气联锁。常态(未受外力)时，动断触点闭合，动合触点分断。当按下按钮帽时，桥式动触点在外力的作用下向下运动，使常闭触点分断，常开触点闭合。此时，复位弹簧为受压状态。当外力撤消后，桥式动触点在弹簧的作用下回到原位，此过程为复位。5.3.5熔断器熔断器俗称保险丝。它主要由熔体和放置熔断体的绝缘管或绝缘座组成，熔断体(熔丝)是熔断器的核心部分。熔断器应与电路串联，它的主要作用是作短路或严重过载保护。5.3.6交流接触器接触器具有遥控功能，同时还具有欠电压、失电压保护的功能，但却不具备短路保护和过载保护功能。接触器的主要控制对象是电动机主触头由三对常开触头组成，主要用于通断较大电流的电路(此电路称主电路)。辅助触头主要用于通断较小电流的电路(此电路称控制电路)，有常开触头和常闭触头之分。交流接触器的外形和结构如图所示。当给交流接触器的线圈通入交流电时，在铁心上会产生电磁吸力，克服弹簧的反作用力，将动铁心吸合，并带动主触点和辅助触点运动，使之闭合。当电磁线圈断电后，铁心上的电磁吸力消失，衔铁在弹簧的作用下回到原位，各触点也随之回到原始状态。5.3.7热继电器热继电器是利用发热元件感受到的热量而动作的一种保护继电器。主要对电动机实现过载保护、断相保护、电流不平衡运行保护。热继电器的外形和结构如图发热元件绕在双金属片上，当电动机过载时，过大的电流产生热量，使双金属片弯曲，再通过动作机构使常闭触点断开，从而断开控制电路，达到保护的目的1.点动控制点动控制：按下按钮，电动机运转；松开按钮，电动机停车。演示实物。提问：存在不足之处。要使电动机运转，必须通过手来按按钮，极不方便。如何改进？引出单向运行控制。2.单向连续运行控制KMQFUM3~KMSBKMQFUM3~M3~KMSB闭合开关Q接通电源按SB→KM线圈得电→KM主触点闭合动动作作过过程程→M运转松SB2→KM线圈失电→M停。松SB2→KM线圈失电→M停。KMSBSTKMSBSTKMQFUM3~KMQFUM3~FRFRKMKM工作过程：按下SBST→KM得电→电动机起动→按下SBSTP→KM断电→电动机停止。用接触器本身的触点使其线工作过程：按下按钮SBST，KM线圈通电，会使主触点和辅助触点均闭合。主触点闭合电动机运转；辅助触点闭合可形成自锁。此时即使松开SBST电动机也不会停车。按下按钮SBSTP，电动机KM线圈断电，使主触点和辅助触点均断开。主触点断开电动机停车；辅助触点断开自锁消失。自锁：将交流接触器的常开辅助触点并联在起动按钮的两端。实物演示。第四节三相异步电动机的基本控制电路5.4.1三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动可分为全压起动和降压起动两种。1．全压起动加在定子绕组的起动电压是电动机的额定电压，这样的起动叫全压起动。全压起动在刚接通电源的瞬间，旋转磁场与转子间的相对转速较大，在转子中产生的感应电流和变压器的原理一样，定子电流必然很大，一般为额定电流的4~7倍。过大的起动电流会在线路上造成较大的电压降，影响供电线路上其他设备的正常工作。此外，当起动频繁时，过大的起动电流会使电动机过热，影响其使用寿命。只有二、三十千瓦以下的异步电动机采用全压起动。2．降压起动在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，待起动结束时恢复到额定值运行。笼型电动机的降压起动常用串电阻降压起动、星形-三角形换接起动和自耦降压起动等方法。(1)串电阻降压起动串电阻降压起动，就是电动机起动时将电阻串联在定子绕组与电源之间的起动方法，如图5-10所示。图5-10定子绕组串电阻降压起动(2)星形-三角形换接起动星形-三角形换接起动，就是电动机起动时把定子绕组连成星形，等到转速接近额定值时再换接成三角形的起动方法。图5-11是一种星三角起动器的连接简图，起动时，将手柄指向右，定子绕组连成星形降压起动。等电动机接近额定转速时，将手柄指向左，定子绕组换接成三角形，电动机正常运行。(3)自耦降压起动自耦降压起动，是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低的起动方法，如图5-12所示。5.4.2三相异步电动机的调速在负载不变的条件下改变异步电动机的转速n叫调速。由转速公式pfsnsn60)1()1(0可知，调速有下面三种方法：1．变频调速变频调速采用晶闸管整流器将交流电转换为直流电，再由逆变器变换为频率，电压有效值可调的三相交流电，为三相异步电动机供电，实现电动机无级调速。2．变转差率调速此种调速方法，只适用于绕线式电动机。通过改变接在转子电路中调速电阻的大小，就可平滑调速。3．变级调速设计制造的电动机具有不