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三相异步电动机及控制电路(教案)


授课 2013 年 1 月 17 日 日期 课题名称 教学目标 知识目标:

授课 班级

授课 90 分钟 时间

三相异步电动机的工作原理及控制电路

了解:三相异步电动机的结构及工作原理 掌握:三相异步电动机的启动,制动,反转,调速 技能目标: 通过学习,能够对电动机结构有一定的了解。 德育目标

: 认识掌握电动机在生活中的重要性,增强做一名技工的 责任感和荣誉感。 教学重点 与难点 教学关键 重点:电动机的启动,制动。 难点:电动机制动。 1.电动机的工作原理 2.电动机的控制 课的类型 教学类型 新 课 教 具 电动机、电工工具及自制课件

综合型

教学方法 启发式教学法

三相异步电动机的工作原理及控制电路
三相异步电动机和其他电动机想比较,具有结构简单,制造方便、运行可靠、价 格低廉等一系列优点,因此应用广泛。 三相异步电动机的原理和结构 一、三相异步电动机的工作原理 (一) 、三相交流电机的旋转磁场 1、旋转磁场的产生: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 定子铁心内圆的圆周上)

经过画图分析不同时间产生的磁场的位置,发现旋转磁场,并找出其特点 2、旋转磁场的特点:大小不变,以一个转速向某一个方向旋转,这个转速把它命名 为旋转磁场的同步转速 n1

n1 =60 f / p

(f 为电源频率;p 为磁极对数)

3、思考:如何改变旋转磁场的方向? 方法: 任意调换三相电源中的任意两根相线 (交换两根相线即改变了三相电源的相序, 从而可以改变旋转磁场的方向)

(二) 三相异步电动机的工作原理 、
1、分析工作原理:三相电通给定子绕组,产生旋转磁场,静止的转子相对于旋转磁 场有一个相对的切割磁力线的运动,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的作用,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的目的。 2、体会“三相异步电动机”名称的由来: “三相” :三相电通入三相定子绕组 “异步” 不同步, : 肉眼看不见的旋转磁场转速 n1 和看到的转子转速 n2 大小不同 (方 向相同) ,且 n1 >n2 “电动机” :最终实现了电能转换成机械能 3、简化模型:

在三相异步电动机的工作原理中: 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) ,所以经常为了分析的方便将三相异步 电动机的结构比作变压器,如右图:
定子绕组 转子绕组

4、思考:如何改变转子旋转的方向? 方法: 通过任意调换两相电流的相序, 改变旋 转磁场的方向,就改变了转子的旋转方向 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<S ? 1)

二、 三相异步电动机的基本结构 1、 三相异步电动机的结构 基本结构:定子有定子铁心和定子绕组 转子有转子铁心和转子绕组 定子与转子之间的气隙 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(其中笼型因结构简单等得到广泛应用)

三、 三相异步电动机的铭牌数据 1、额定容量(功率)PN (单位:KW) 含义:指转轴上输出的机械功率 表达式:机械功率=电动机的有功功率 ? 电动机效率 2、额定电压 UN (单位:V) :加在定子绕组上的线电压 3、额定电流 IN (单位:A) :输入定子绕组的线电流 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

三相异步电动机的起动 一、起动要求: 1. 应有足够大的起动转矩 TS ; 2. 在保证 TS 足够大前提下,起动电流 IS 越小越好 二、笼型异步电动机的起动 (一) 、直接起动(全压起动) 1、分析过程: 在起动瞬间 n=0,切割旋转磁场的速度最快,所以产生的感应电动势和感应电流 最大,相对应的定子绕组的起动电流过大,是额定电流(4-7)倍; 2、存在问题: (1)起动电流过大,引起电网电压明显降低和电机发热 (2)起动转矩由于磁通和功率因素低,所以起动转矩 TS 并不大,若低于负载转 矩,则无法带动负载起动 故一般直接起动只适用于小型的笼型异步电动机(与电源容量相比) ,可按经验 公式来确定是否能直接起动 (二) 笼型异步电动机的减压起动 、 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的减压起动 方法: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 方法:起动时将定子接成 Y 形,运行时定子绕组接成△形 研究起动情况: IsY= 1/3 * Is △ TsY= 1/3 * Ts △

适用场所:运行于△形的笼型异步电动机,轻载起动

3. 自耦变压器起动 方法:起动时接入自耦变压器,运行时切除自耦变压器全压运行 研究起动情况:Is’= k2 * Is 适用场所:轻载起动 Ts’ = k2 * Ts (k 为变压比且 k <1)

总结:笼型异步电动机的降压起动可以降低起动电流的大小,但与此同时起动 转矩也减小了,所以它只适用于轻载起动

三、 三相异步电动机的调速 由转差率公式 S=(n1-n)/n1 得:n= n1 (1-S)=60f1(1-s)/p

所以调速方法有:1、改变定子绕组的磁极对数 p-----变极调速 2、改变供电电网的频率 f1-----------变频调速 3、改变定电动机的转差率 S,方法有改变电压 调速、绕线式电机转子串电阻调速和串级调速。 (一) 、变极调速 方法:通常用改变定子绕组的接法来改变磁极对数,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 、 方法:改变电源频率 注意点:电源频率降低调速时,若电源电压不变时,则磁通将增加,是铁心饱和, 从而导致铁损增加,这是不允许的。因此在变频调速的同时,为了保证磁通 不变,就必须降低电源电压。使 U1/f1 为常数。

(三) 、改变转差率 S 1、改变定子电压调速 适用场所:笼型异步电动机,向下调速

特点:调速范围很宽,缺点是低压时机械特性太软,转速变化大 2、转子串电阻调速 适用场所:中、小容量的绕线转子异步电动机,向下调速 特点:方法简单

四、 三相异步电动机的反转与制动 (一) 三相异步电动机的反转 、 1、方法:改变三相电中任意两相电流相序,从而改变旋转磁场的方向,达到改变三 相异步电动机的转子转动的方向

(二) 三相异步电动机的制动 、 制动状态:转速方向 n 与电磁转矩 T 相反 制动结果:1、位能性负载一般处于制动状态是使其保持一定的运行速度 2、机械负载制动时一般是停车 制动方法: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 方法:切断电动机三相电源的同时,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的制动电流。 原理:在任意二相绕组中接入直流电流,在转子空间获得一个大小、方向不变的恒 定磁场,从而使转子产生一个与电动机原转向相反的电磁转矩以实现制动。其实质 是:用直流磁场消耗掉转子的动能,所以这种方法又叫动能制动或直流制动。 (2) 、电源反接制动 方法:改变电动机定子绕组与电源联接相序 原理:产生一个与转速相反的电磁转矩 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、当转速接近为 0 时,需立即切断电源,让电机停车

授课 2013 年 1 月 17 日 日期 课题名称 教学目标 知识目标:

授课 班级

授课 90 分钟 时间

三相异步电动机的工作原理及控制电路

了解:三相异步电动机的电器控制 掌握:三相异步电动机的反转,减压启动 技能目标: 通过学习,能够对电动机控制有一定的了解。 德育目标: 认识掌握电动机在生活中的重要性,增强做一名技工的 责任感和荣誉感。 教学重点 与难点 教学关键 重点:电动机的启动,制动,减压启动。 难点:电动机制动。 1.电动机的工作原理 2.电动机的控制 课的类型 教学类型 新 课 教 具 电动机、电工工具及自制课件

综合型

教学方法 启发式教学法

三相异步电动机的电气控制 三相异步电动机的典型控制 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,主电路交流接触器的主触头闭 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 交流接触器的主触头分断,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,主电路交流接触器的主触头 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,线圈依然得电,主电路交流接触器的主触头依然闭和,电动机连续运 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,无论是否 松开控制按钮,电动机可以连续运行 (二)正反转控制电路

分析原理: “从主电路着眼” :主电路中的 KM1 闭和时将三相电按 L1L2L3 的顺序引进;KM1 分断, KM2 闭和时将三相电按 L3L2L1 的顺序引进,与 KM1 比较,它改变了两相电流相序;故可 知 KM1 和 KM2 控制正反转。 “从控制电路着手” :分析具体的控制原理

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”的原则分析。 图中用到了“自锁” ,还有“互锁” (又叫联锁) 设计方法:将交流接触器的常闭辅助触头串联在对方线圈的支路中 设计作用:可以控制两个线圈不能同时得电,保证了主电路 KM1、KM2 的主触 头不能同时闭和而造成 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 图烦琐(要想反转,必须先按下 停止按钮 SB1 再按 SB3 才可以) ,所以图 b 要好 思考问题:1)为什么图 b 可以做到按钮直接切换正反转呢? 因为它用的是复合按钮,采用机械联锁的方法,直接切换正反转 2)线路的故障分析: 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、接触器自动控制的 Y---△降压起动电路 按下 SB2 ? KM 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的 Y----△降压起动电路

注意:时间继电器的动作。 时间继电器经过一定延时后,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,完成了整个起动过程。 3、 自耦变压器降压起动控制电路(略) (四) 三相异步电动机的制动控制 1、 单向反接制动控制电路 (1) 、原理:反接制动的关键在于电动机电源相序的改变,且当转速下降接 近于零时,能自动将电源切除。 为此采用了速度继电器 SR(KS)来检测电动机的速度变化。 (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 的常开触头闭合,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,由于此时电动机的惯性,转速仍较高,KS 的常开触头仍处于闭合状态, 所以 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的三相交流电源, 进入反接制动状态, 转速迅速下降。 当转速接近于零时,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,起阻止转子旋转的作用,达到制动的目的。 (1) 单向运行能耗制动控制电路 1.时间原则控制:利用时间继电器 KT 实现(详见相关教材) 2.速度原则控制:依靠速度继电器 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,由于电动机转子的惯性,速 度仍很高, 速度继电器 SR 的常开触头仍然处于闭合状态, 所以接触器 KM2 线圈 能够依靠 SBl 按钮的按下通电自锁。于是,两相定子绕组获得直流电源,电动机 进入能耗制动。当电动机转子的惯性速度接近零时,SR 常开触头复位,接触器 KM2 线圈断电而释放,能耗制动结束。

三相异步电动机的保护控制 1、 短路保护 常用的短路保护电器是熔断器和自动空气断路器。 2 、 过载保护 常用的过载保护元件是热继电器。由于热惯性的原因,热继电器不会受到电 动机短时过载冲击电流的影响而瞬时动作, 所以在使用热继电器作过载保护的同 时,还必须有短路保护,并且选做短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过 4 倍热继电器发热元件的额定电流。 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的动 作值时,继电器动作,使串接在控制电路中的常闭触头断开、切断控制电路,电 动机随之脱离电源停转, 达到了过流保护的目的。一般过电流的动作值为起动电 流的 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、动作值以及 保护特性、保护要求以及使用元件的不同,它们之间是不能相互取代的。 4 、 欠压保护 实现欠压保护的电器是接触器和电磁式电压继电器。 5、 零压保护(失压保护) 生产机械在工作时, 如果由于某种原因而发生电网突然停电,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。 为了防止在此种情况下出现电动机自行起动而实施的保护 叫做零电压保护。 常用的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。
保护环节 短路保护 过载保护 过电流保护 欠电流保护 采用电器 熔断器、自动开关、过电流继电 器 热继电器、自动开关 过电流继电器 欠电流继电器 保护环节 零压保护 欠压保护 限位保护 弱磁保护 采用电器 电压继电器、自动开关、按钮接 触器控制并具有自锁的电路 欠电压继电器、自动开关 行程开关 欠电流继电器

可总结为下表:


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