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第一部分电机与拖动《电机及电气控制技术》学习本课程的基本要求：一、电机的结构及工作原理二、基本原理及PLC的组成三、掌握继电接触器控制系统基本分析和设计能力四、应用软件、梯形图编程方法及应用实例参考书籍：1.《电气控制与PLC原理及应用》电子工业出版社程周主编2.《工厂电气控制技术》高等教育出版社张运波刘淑荣主编3.《可编程序控制器及常用控制电器》冶金工业出版社何友华主编4.《PLC编程及应用》机械工业出版社廖常初主编5.《机电一体化专业必备知识与技能手册》华中科技大学出版社游英杰叶俊主编第一篇电机及拖动绪论(2学时)教学目的要求：通过本次课的学习，使学生对这门课有一个轮廓性的了解，明确本课程在数控知识体系中的位置、意义，了解本课程在实际生产生活中的作用，掌握本课程的三个重要组成部分——电机、电气控制、PLC，以及学习该门课的方法。主要教学内容：①电气技术在生产中的作用②电力拖动的组成③电机的发展概况④电气控制技术的发展方向教学重点、难点：重点：①电力拖动的组成②电机的发展概况③电气控制技术的发展方向难点：①电机的发展概况②电气控制技术的发展方向教具：电机一台一、《电机与电气控制技术》课程简介1.电机2.电气控制技术3.PLC技术二、电机在国民经济中的作用1.发电厂的发电机和变压器2.交通运输业中电力机车是由电动机来牵引的3.电梯的上升和下降、飞机的螺旋桨、电扇的旋转、洗衣机4.控制电机对信号起执行、检测、放大的作用，广泛应用于雷达的自动定位、人造5.卫星的发射、飞机的控制、电梯的自动选层和显示、计算机外围设备、机器人、音箱设备中。三、电力拖动的组成电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。如图：图0-1①“一拖一”②“一拖多”③“多拖一”四、电机的发展概况电机工业的发展和科学技术发展密切相关，随着生产力的发展，蒸汽动力在使用和管理上的不便，迫使人们去寻找新的能源和动力。此时电磁学得到了兴起和发展。19世纪后期正是世界电机工业迅猛发展时期，我国正处于半封建半殖民地国家，电机工业受到了严重的束缚。解放后，我国电机工业迅猛发展。从20世纪50年代开始研制电机，历经了产品仿制、自行设计和研制，逐步形成了自己的生产体系。五、电气技术在生产中的作用不同产品的生产工艺和精度不同，这就要求对拖动生产机械的电动机进行控制，控制的方法很多，但以电气控制技术尤为普遍。控制方法从手动的到自动控制，功能从简单到复杂，控制技术从单机到群控，操作从笨重到轻便，推动了生产技术的不断更新和高速发展。六、电气控制技术的发展方向继电——接触器控制：有触点、工艺复杂电气控制PLC：硬件平台软件化控制电源电动机传动机构生产机构第一章三相异步电动机教学目的要求：①掌握三相异步电动机的结构及运行原理②掌握三相异步电动机的启动、制动问题③了解三相异步电动机的调速问题主要教学内容：①三相异步电动机的结构及运行原理②三相异步电动机的启动、调速及制动问题教学重点、难点：重点：①三相异步电动机的结构及运行原理难点：①三相异步电动机的运行原理②三相异步电动机的启动教具：交流电机一台教学内容：第一节三相异步电机的结构及工作原理（2学时）电机是实现电能和机械能相互转换的一种旋转电机。异步电动机是把交流电能转变为机械能的一种动力机械。三相异步电动机被广泛用来驱动各种金属切削机床、起重机、中、小型鼓风机、水泵及纺织机械等。单相异步电动机由于容量小，性能较差，常用于日常生活中的小家电及小功率电动工具。一、三相异步电动机的运行原理1、旋转磁场①三相异步电动机与直流电动机一样，也是根据电磁感应原理而制成的。不同的是直流电动机为一静止磁场，三相异步电动机却是一旋转磁场。那么，旋转磁场是怎样产生的？②三相旋转磁场的产生三相旋转磁场产生的条件是：三相对称绕组通以三相对称电流。旋转磁场的转向与三相电源通入定子绕组电流的相序一致。旋转磁场的转速n1（又称同步转速）。其表达式为：式中，f1为电源频率（Hz）；p为电机磁极对数，它取决于定子绕组的分布。2．三相异步电动机基本工作原理如图为一台两极三相鼠笼式异步电动机的剖面图。图1-1三相异步电动机工作原理图基本工作原理是：①电生磁：三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场其转向与相序一致，为顺时针方向，转速为pfn1160；②（动）磁生电：转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流；③电磁力（矩）：转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转矩，驱使电动机转子转动。由图可知，转子的转向与旋转磁场转向相同，若要使电动机反转只需对调电动机的任意两根电源线。在没有其他外力作用下，转子的速度n永远略小于同步转速n1，异步电动机转子转速与同步转速总是存在差异，故称异步电动机。同时它又是基于电磁感应原理而工作的，所以又称感应电动机。3．转差率S异步电动机工作的必要条件是n＜n1，二者之差称做转差，即：n2＝n1一n。将异步电动机的转差n2与同步转速n1之比值称做转差率s。即s＝（n1一n）/n1s是异步电机的重要物理量，根据s的大小可判断异步电机工作于不同状态（0＜s＜1为电动状态、s＜0为发电状态、s＞1为制动状态）。就是异步电机电动状态时，s的微小变化，也会引起转速较大变化，即n＝（1一s）n1。①异步电动机定子刚接上电源瞬时，转子尚未转动，n＝0，则转差率s＝1。②当异步电动机转速n＝n1，则转差率s＝0。③当异步电动机转速0n＜n1，则转差率的范围在0～1之间变化。④异步电动机额定运行时，n＝nN，则sN≈0.02～0.06。⑤空载时，n接近n1，则sN≈0.0005～0.005。二、三相异步电动机的结构三相异步电动机种类繁多，若按转子结构分为鼠笼式和绕线式异步电动机两大类。异步电动机分类方法虽不同，但各类三相异步电动机的基本结构却是相同的。图1-2图1-3三、三相异步电动机的铭牌三相异步电动机出厂时，电机机座上都固定着一块铭牌，如表1.1所示，主要标注电机的型号和主要技术数据，供正确选择和使用电动机时参考。型号表示方法：图1-5第二节三相异步电动机的启动（2学时）异步电动机是把交流电能转变为机械能的一种动力机械。三相异步电动机被广泛用来驱动各种金属切削机床、起重机、中、小型鼓风机、水泵及纺织机械等。一、三相异步电动机的启动1、定义：指电动机接通电源后，由静止状态到稳定运行状态到稳定运行状态的过程。2、要求：启动电流小，以减小对电网的冲击。启动转矩大，以加速启动过程，缩短启动时间。3、分类：直接启动笼型串电阻（电抗）启动降压启动Y---△启动自耦变压器启动转子回路串电阻绕线型转子回路串频敏变阻器二、三相笼型异步电动机的启动1、直接启动三相异步电动机直接起动是指电动机直接加额定电压，定子回路不串任何电器元件时的起动。特点：①优点：设备简单，操作方便；②缺点：起动电流大，须足够大的电源；③适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。？如何判断是否能起动：①起动电流；②起动转矩；二者必须同时满足。2、降压启动原理：启动时，通过启动设备使加到电动机上的电压小于额定电压，使电动机转速上升到一定数值时，再使电动机承受额定电压，保证电动机在额定电压下稳定运行。①串电阻（抗）启动三相鼠笼式异步电动机在定子回路中串接电抗器（可改接电阻器，但能耗较大，适用于较小容量电机）降压起动的接线原理图如图1-6所示。三相异步电动机定子串电抗起动。即开关2K接到“起动”端，使起动时电抗器接入定子回路；起动后，切除电抗器，即开关2K接到“运行”端。图1-6鼠笼式异步电动机的串电抗器起动②Y---△启动对应运行时定子绕组接成△形的三相鼠笼式异步电动机，起动时接成ㄚ形（接线原理图如图1-7所示），则定子每相电压降为额定电压的1/3，从而实现了降压起动。即起动时，开关2K合到下方，电动机定子绕组接成ㄚ形，电动机开始起动；当转速升到一定程度后，开关2K从下方断开合向上方。定子绕组接成△形，电动机进入正常运行。图1-7③耦变压器降压启动三相鼠笼式异步电动机采用自耦变压器降压起动接线原理图如图1-8所示。起动时。开关向下一边，电动机的定子绕组通过三相自耦变压器T的中间抽头接到三相电源上，从而降压起动。当转速升高到稳定值后，开关K投向上边。即“运行”端，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机正常运行。图1-8自耦变压器降压运动三、三相绕线式异步电动机的启动对于三相绕线式异步电动机启动时，转子回路串接适当的三相对称电阻，既能限制起动电流，又能增大起动转矩，且能使起动转矩等于最大转矩。起动结束后，可以切除外串电阻，电动机的效率不受影响。对于重载和频繁起动的生产机械，三相鼠笼式异步电动机难以满足要求时，才选用三相绕线式异步电动机。因为，绕线式异步电动机与鼠笼式异步电动机相比较，结构较复杂，控制维护较困难，制造成本较高，价格较贵。1、转子回路串电阻①优点：只要在转子回路串入适当的电阻，既可减少起动电流，又可增加起动转矩②适用条件：电动机在重载情况下的起动场合。2、转子回路串频敏电阻器（如图1-9）转子串频敏变阻器起动的三相饶线式异步电动机接线原理图如图1-9所示，起动开始，开关K断开，电动机转子串入频敏变阻器起动。电机转速达到稳定值后，开关K接通，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。频敏变阻器是一铁损耗很大的三相电抗器，在起动过程中，能自动、无级的减小电阻保持转矩近似不变，使起动过程平稳、迅速。结构简单，运行可靠，维护方便，应用广泛。图1-9（a）图1-9（b）第三节三相异步电机的制动及调速（2学时）许多生产机械工作时，为提高生产力和安全起见，往往需要快速停转或由高速运行迅速转为低速运行，这就需要对电动机进行制动。一、三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动是三相异步电动机的起动的逆过程。异步电动机的制动就是使电动机的转矩T与转速n反向，即T起反抗运动的作用。使电动机转速由某一稳定转速迅速降为零的过程或者使电动机产生的转矩与负载转矩相平衡，从而使电动机的下降转速保持恒定。三相异步电动机的制动方法有能耗制动，反接制动，回馈制动三种，其制动运动状态有能耗制动状态，反接制动状态，回馈制动状态。1、能耗制动原理：能耗制动的电路原理图如图1-10所示，三相异步电动机定子绕组切断三相交流电源后（1K断开），同时，在定子绕组任意两相上接入直流电流(也称直流励磁电流)，即接通开关2K，能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。图1-10能耗制动接线图2、反接制动原理：三相绕线式异步电动机处于正常电动运行，当改变三相电源的相序时，如图1-11电路接线图中1K断开，2K闭合则改变了电源相序，电动机便进入了反接制动过程。由于电源相序改变，圆形旋转磁场反向，而转子不可能立即改变转向，因而转子感应电动势反向，电流反向，则电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态，电动转速迅速下降，直到转速，电机将停转，从而实现了快速制动停车。定子电源反接的反接制动广泛用于要求迅速停车和需要反转的生产机械上，多用于三相绕线式异步电动机中。对于三相鼠笼式异步电动机由于转子回路无法串电阻，则反接制动只能用于不频繁制动的场合。图1-11反接制动二、三相异步电动机的调速三相异步电动机的转速公式为n=60f/p(1-s)式中f为异步电动机的定子电压供电频率；P电动机的极对数；S异步电动机的转差率。所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。1.转差率调速改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电动机的定子电压调速，采用电磁转差（或滑差）离合器调速，转子回路串电阻调速以及串极调速。前两种方法适用于鼠笼式异步电动机，后者适合于绕线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调速，但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调节过程中转子绕组均产生大量的钢损耗，使转子发热，系统效率降低。2.改变电动机的极对数通过改变定子绕组的连接方式来实现。变极调速是改变异步电动机的同步转速n1所以一般称变极调速的电动机为多速异步电动机。3.变频调速通过改变定子绕组的电压供电频率f来实现。当转差率s一