三相异步电动机与控制电路教案.doc

讲课
日期
2013年1月17日
讲课
班级

讲课时间
90分钟
课题名称 三相异步电动机工作原理与控制电路
教学目
知识目：
理解:三相异步电动机构造与工作原理
掌握:三相异步电动机启动，制动，反转，调速
技能目：
通过学习，可以对电动机构造有一定理解。
德育目：
认识掌握电动机在生活中重要性，增强做一名技工
责任感和荣誉感。
教学重点
与难点
重点:电动机启动，制动。
难点:电动机制动。
教学关键
1.电动机工作原理
2.电动机控制
课类型
新 课
教 具
电动机、电工工具与自制课件
教学类型
综合型
教学措施
启发式教学法

三相异步电动机工作原理与控制电路
三相异步电动机和其他电动机想比较，具有构造简单，制造以便、运行可靠、价格低廉等一系列长处，因此应用广泛。
三相异步电动机原理和构造
一、三相异步电动机工作原理
（一）、三相交流电机旋转磁场
1、旋转磁场产生：三相交流电通给三相定子绕组（三个线圈彼此互隔1200分布在定子铁心圆圆周上）

通过画图分析不一样步间产生磁场位置，发现旋转磁场，并找出其特点
2、旋转磁场特点：大小不变，以一种转速向某一种方向旋转，这个转速把它命名为旋转磁场同步转速n1
n1=60 f / p （f为电源频率；p为磁极对数）
3、思考：怎样变化旋转磁场方向？
措施：任意调换三相电源中任意两根相线（互换两根相线即变化了三相电源相序，从而可以变化旋转磁场方向）
（二）、 三相异步电动机工作原理
1、分析工作原理：三相电通给定子绕组，产生旋转磁场，静止转子相对于旋转磁场有一种相对切割磁力线运动，产生感应电动势，产生感应电流，转子绕组上有了电流，在磁场中会受到电磁力作用，形成电磁转矩T，驱动转子旋转起来，实现了电能转换成机械能目。
2、体会“三相异步电动机”名称由来：
“三相”：三相电通入三相定子绕组
“异步”：不一样步，肉眼看不见旋转磁场转速n1 和看到转子转速n2大小不一样（方向相似），且n1 >n2
“电动机”：最终实现了电能转换成机械能
3、简化模型：

转子绕组
定子绕组
在三相异步电动机工作原理中：给定子绕组通电，然后转子绕组通过电磁感应产生电，这一点与变压器相似（一次侧通电，二次侧感应出电），因此常常为了分析以便将三相异步电动机构造比作变压器，如右图：

4、思考：怎样变化转子旋转方向？
措施：通过任意调换两相电流相序，变化旋转磁场方向，就变化了转子旋转方向
5、转差率 S=（n1-n）/n1
转子从静止开始运行，转差率S是从1趋向于0（但不能等于0，0<S1）

二、 三相异步电动机基本构造
1、三相异步电动机构造
基本构造：定子有定子铁心和定子绕组
转子有转子铁心和转子绕组
定子与转子之间气隙
材料：铁心均由硅钢片叠压而成；
转子绕组：可分为笼型和绕线型（其中笼型因构造简单等得到广泛应用）

三、 三相异步电动机铭牌数据
1、额定容量（功率）PN （单位：KW）
含义：指转轴上输出机械功率
体现式：机械功率=电动机有功功率电动机效率
2、额定电压UN （单位：V）：加在定子绕组上线电压
3、额定电流IN （单位：A）：输入定子绕组线电流
4、额定转速nN （单位：r/min）
5、额定频率fN（单位：HZ）：我国工频为50HZ
6、绝缘等级
7、接法： 定子绕组有Y和△两种接法

三相异步电动机起动

一、起动规定：
1. 应有足够大起动转矩TS ；
2. 在保证TS 足够大前提下，起动电流IS越小越好
二、笼型异步电动机起动
（一）、直接起动（全压起动）
1、分析过程：
在起动瞬间n=0，切割旋转磁场速度最快，因此产生感应电动势和感应电流最大，相对应定子绕组起动电流过大，是额定电流（4-7）倍；
2、存在问题：
（1）起动电流过大，引起电网电压明显减少和电机发热
（2）起动转矩由于磁通和功率原因低，因此起动转矩TS 并不大，若低于负载转矩，则无法带动负载起动
故一般直接起动只合用于小型笼型异步电动机（与电源容量相比），可按经验公式来确定与否能直接起动
（二）、 笼型异步电动机减压起动
为了能安全起动，对笼型异步电动机实行减压起动
1. 定子串接电抗器或电阻减压起动
措施：起动时，电抗器或电阻接入定子电路；起动后，切除电抗器或电阻，进行正常运行
特点：能耗较大，实际应用不多，不深入研究。
2. Y-△起动
措施：起动时将定子接成Y形，运行时定子绕组接成△形
研究起动状况： IsY= 1/3 * Is△TsY= 1/3 * Ts△
合用场所：运行于△形笼型异步电动机，轻载起动
3. 自耦变压器起动
措施：起动时接入自耦变压器，运行时切除自耦变压器全压运行
研究起动状况：Is’= k2 * IsTs’= k2 * Ts（k为变压比且k <1）
合用场所：轻载起动

总结：笼型异步电动机降压起动可以减少起动电流大小，但与此同步起动转矩也减小了，因此它只合用于轻载起动

三、 三相异步电动机调速
由转差率公式 S=（n1-n）/n1 得：n= n1 (1-S)=60f1(1-s)/p
因此调速措施有：1、变化定子绕组磁极对数p-----变极调速
2、变化供电电网频率f1-----------变频调速
3、变化定电动机转差率S，措施有变化电压
调速、绕线式电机转子串电阻调速和串级调速。
（一）、变极调速
措施：一般用变化定子绕组接法来变化磁极对数，转子均采用笼型转子
原理：将定子绕组串联，p大，电动机低速运行；将定子绕组并联，p小，电动机高速运行
接线方式：△（低速）/YY（高速）、Y（低速）/YY（高速）等

（二）、 变频调速
措施：变化电源频率
注意点：电源频率减少调速时，若电源电压不变时，则磁通将增长，是铁心饱和，从而导致铁损增长，这是不容许。因此在变频调速同步，为了保证磁通不变，就必须减少电源电压。使U1/f1 为常数。

（三）、变化转差率S
1、变化定子电压调速
合用场所：笼型异步电动机，向下调速
特点：调速围很宽，缺陷是低压时机械特性太软，转速变化大
2、转子串电阻调速
合用场所：中、小容量绕线转子异步电动机，向下调速
特点：措施简单

四、 三相异步电动机反转与制动
（一）、 三相异步电动机反转
1、措施：变化三相电中任意两相电流相序，从而变化旋转磁场方向，达到变化三相异步电动机转子转动方向

（二）、 三相异步电动机制动
制动状态：转速方向n与电磁转矩T相反
制动成果：1、位能性负载一般处在制动状态是使其保持一定运行速度
2、机械负载制动时一般是停车
制动措施：分为机械制动和动力制动两类
1、机械制动：采用电磁抱闸闸制动
2、动力制动：
（1）、能耗制动
措施：切断电动机三相电源同步，在任意二相绕组中接入直流电，并在定子回路中串入电阻用以限制强大制动电流。
原理：在任意二相绕组中接入直流电流，在转子空间获得一种大小、方向不变恒定磁场，从而使转子产生一种与电动机原转向相反电磁转矩以实现制动。其实质是：用直流磁场消耗掉转子动能，因此这种措施又叫动能制动或直流制动。
（2）、电源反接制动
措施：变化电动机定子绕组与电源联接相序
原理：产生一种与转速相反电磁转矩T
注意点：
a、为了限制制动电流和增大制动转矩，在转子回路串入制动电阻
b、当转速靠近为0时，需立即切断电源，让电机停车

讲课
日期
2013年1月17日
讲课
班级

讲课时间
90分钟
课题名称 三相异步电动机工作原理与控制电路
教学目
知识目：
理解:三相异步电动机电器控制
掌握:三相异步电动机反转，减压启动
技能目：
通过学习，可以对电动机控制有一定理解。
德育目：
认识掌握电动机在生活中重要性，增强做一名技工
责任感和荣誉感。
教学重点
与难点
重点:电动机启动，制动，减压启动。
难点:电动机制动。
教学关键
1.电动机工作原理
2.电动机控制
课类型
新 课
教 具
电动机、电工工具与自制课件
教学类型
综合型
教学措施
启发式教学法

三相异步电动机电气控制
三相异步电动机经典控制
一 三相笼型异步电动机起动控制电路
（一）、三相笼型异步电动机全压起动
所谓全压起动，是将额定电压直接加在定子绕组上
1点动控制电路
点动：按下控制按钮，交流接触器线圈得电，主电路交流接触器主触头闭和，电动机直接起动；松开控制按钮，交流接触器线圈失电，主电路交流接触器主触头分断，电动机停止运行
2连动控制电路
连动：按下控制按钮，交流接触器线圈得电，主电路交流接触器主触头闭和，电动机直接起动；松开控制按钮，由于交流接触器常开辅助触头闭和，线圈仍然得电，主电路交流接触器主触头仍然闭和，电动机持续运行
3点、连动控制比较：
（1）“自锁”设计：用交流触器常开辅助触头与控制按钮并联
（2） “自锁”作用：只要按下控制按钮，保证线圈一直有电，无论与否松开控制按钮，电动机可以持续运行
（二）正反转控制电路

分析原理：
“从主电路着眼”：主电路中KM1闭和时将三相电按L1L2L3次序引进；KM1分断，KM2闭和时将三相电按L3L2L1次序引进，与KM1比较，它变化了两相电流相序；故可知KM1和KM2控制正反转。
“从控制电路着手”：分析详细控制原理

图b：按下SB2，KM1线圈得电 KM1主触头闭和 电动机正转
KM1辅助常开触头闭和形成自锁
KM1辅助常闭触头分断，KM2线圈不能得电
按下SB3，KM1线圈失电 KM1主触头分断
KM1辅助常闭触头闭和，KM2线圈得电
KM2主触头闭和 电动机反转
KM2辅助常闭触头分断，KM1线圈不能得电

图a同样按照“从主电路着眼，从控制电路着手”原则分析。
图中用到了“自锁”，尚有“互锁”（又叫联锁）
设计措施：将交流接触器常闭辅助触头串联在对方线圈支路中
设计作用：可以控制两个线圈不能同步得电，保证了主电路KM1、KM2主触头不能同步闭和而导致L1L3两相形成短路
比较图a和b：同样可以控制正反转，操作上a图啰嗦（要想反转，必须先按下停止按钮SB1再按SB3才可以），因此图b要好
思考问题：1）为何图b可以做到按钮直接切换正反转呢？
由于它用是复合按钮，采用机械联锁措施，直接切换正反转
2）线路故障分析：
a.合上电源开关，电动机立即正转，当按下停止按钮时，电动机停转；但一松开停止按钮，电动机又正向起动
答案：起动SB2常开、常闭接反了
b. 合上电源开关，按下正转（或反转）按钮，正转（或反转）接触器就不停地吸合与释放，电路无法工 作；当松开按钮时，接触器不再吸合。答案：互锁KM1、KM2常闭辅助触头接反了
（三）、三相笼型异步电动机降压起动控制电路
有两种控制电路： 1、接触器自动控制Y---△降压起动电路
按下SB2KM线圈通电KM（4-5）闭合自锁
KM主触点闭合
电动机绕组接成Y起动
KMY主触点闭合
KMY线圈通电 KMY（5-8）连锁触点分断（使KM△控制回路分断，实现联锁）
KMY主触点分断
按下SB3 KMY线圈断电 KMY（5-8）联锁触点闭合，接通KM△部分控制电路
KM△（8-9）自锁触点闭合自锁
KM△线圈通电 KM△主触点闭合，电动机绕组接成△形运行
KM△（5-6）联锁触点断开，分断KMY控制电路，实现联锁
总结： 采用Y-△减压起动，设备简单、经济，可频繁操作。
2、时间继电器自动控制Y----△降压起动电路

注意：时间继电器动作。
时间继电器通过一定延时后，其延时常闭触头打开，切断KMY控制电路，最终使电动机接成△接到电网上运行，完毕了整个起动过程。
3、自耦变压器降压起动控制电路（略）

（四）三相异步电动机制动控制
1、单向反接制动控制电路
（1）、原理：反接制动关键在于电动机电源相序变化，且当转速下降靠近于零时，能自动将电源切除。
为此采用了速度继电器SR(KS)来检测电动机速度变化。
（2）、控制过程：起动时，按下起动按钮SB2，接触器KM1通电并自锁，电动机M通电运行。电动机正常运转时，速度继电器KS常开触头闭合，为反接制动作好准备。停车时，按下停止按钮SB1，KM1线圈断电，电动机M脱离电源，由于此时电动机惯性，转速仍较高，KS常开触头仍处在闭合状态，因此SB1常开触头闭合时，反接制动接触器KM2线圈得电并自锁，其主触头闭合，使电动机得到相序相反三相交流电源，进入反接制动状态，转速迅速下降。当转速靠近于零时，速度继电器常开触头复位，接触器KM2线圈断电，反接制动结束。

2、能耗制动控制电路
能耗制动原理：电动机脱离三相交流电源后，给定子绕组加一直流电源，以产生静止磁场，起制止转子旋转作用，达到制动目。
（1）单向运行能耗制动控制电路
1．时间原则控制：运用时间继电器KT实现（详见有关教材）
2．速度原则控制：依托速度继电器SR（KS）实现控制
控制原理：电动机在刚刚脱离三相交流电源时，由于电动机转子惯性，速度仍很高，速度继电器SR常开触头仍然处在闭合状态，因此接触器KM2线圈可以依托SBl按钮按下通电自锁。于是，两相定子绕组获得直流电源，电动机进入能耗制动。当电动机转子惯性速度靠近零时，SR常开触头复位，接触器KM2线圈断电而释放，能耗制动结束。

三相异步电动机保护控制
1、短路保护
常用短路保护电器是熔断器和自动空气断路器。

2 、过载保护
常用过载保护元件是热继电器。由于热惯性原因，热继电器不会受到电动机短时过载冲击电流影响而瞬时动作，因此在使用热继电器作过载保护同步，还必须有短路保护，并且选做短路保护熔断器熔体额定电流不应超过4倍热继电器发热元件额定电流。

3 、过电流保护
过流保护常用电磁式过电流继电器实现。当电动机过流达到电流继电器动作值时，继电器动作，使串接在控制电路中常闭触头断开、切断控制电路，电动机随之脱离电源停转，达到了过流保护目。一般过电流动作值为起动电流1.2倍。
短路、过电流、过载保护虽然都是电流保护，但由于故障电流、动作值以与保护特性、保护规定以与使用元件不一样，它们之间是不能互相取代。

4 、欠压保护
实现欠压保护电器是接触器和电磁式电压继电器。

5、 零压保护（失压保护）
保护环节
采用电器
保护环节
采用电器
短路保护
熔断器、自动开关、过电流继电器
零压保护
电压继电器、自动开关、按钮接触器控制并具有自锁电路
过载保护
热继电器、自动开关
欠压保护
欠电压继电器、自动开关
过电流保护
过电流继电器
限位保护
行程开关
欠电流保护
欠电流继电器
弱磁保护
欠电流继电器
生产机械在工作时，假如由于某种原因而发生电网忽然停电，那么在电源电压恢复时，电动机便会自行起动运转，导致人身和设备事故，并引起电网过电流和瞬时网络电压下降。为了防止在此种状况下出现电动机自行起动而实行保护叫做零电压保护。
常用失压保护电器是接触器和中间继电器。当电网停电时，接触器和中间继电器触头复位，切断主电路和控制电源。当电网恢复供电时，若不重新按下起动按钮，电动机就不会自行起动，实现了失压保护。

可总结为下表：

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