單元五電機及低壓電器控制電路

5.1三相異步電動機

5.2步進電機

5.3直流電動機

電動機的分類：電動機交流電動機直流電動機三相電動機單相電動機同步電動機異步電動機他勵、并勵電動機串勵、復勵電動機單元五電機及低壓電器控制電路實現電能與機械能相互轉換的電工設備總稱為電機。機械能電能發(fā)電機電動機直流電動機的特點：優(yōu)點：優(yōu)良的調速性能起動轉矩也比較大缺點：生產成本較高需要使用直流電源維護要求較高應用：龍門刨床等主傳動機構某些電力牽引和起重設備電車及電力機車

異步電動機的特點：構造簡單、價格便宜、工作可靠、使用維護方便應用：金屬切削機床、起重機、傳送帶、功率不大的水泵、通風機廣泛使用三相異步電動機5.1三相異步電動機一、三相異步電動機的構造（籠型電機）

由兩個基本部分組成：定子和轉子定子鐵心：由內周有槽的0.5mm厚硅鋼片疊成。U1----U2V1----V2W1----W2三相繞組機座：鑄鐵或鋼板焊接，支撐鐵心和固定電機硅鋼片裝有三相繞組的定子1、定子定子繞組：接線盒定子三相繞組的聯接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y聯結W1U1V1W2U2V2聯結2、轉子籠型繞線式

轉子:在旋轉磁場作用下，產生感應電動勢或電流,再產生旋轉力矩，是電動機的旋轉部分。轉子的組成：

（1）轉子鐵心:固定在轉軸上，可繞軸旋轉（2）轉子繞組：0.5mm的硅鋼片疊壓轉子繞組有兩種結構形式：籠型轉子(1)籠型轉子鐵芯槽內放銅條，端部用短路環(huán)形成一體，或鑄鋁形成轉子繞組。(2)

繞線式轉子三相轉子繞組通常連接成星形，即三個末端連在一起，三個首端分別與轉軸上的三個滑環(huán)（滑環(huán)與軸絕緣且滑環(huán)間相互絕緣）相連，通過滑環(huán)和電刷接到外部的三相變阻器上，以便改善電機的起動和調速性能。繞線式轉子繞組與外接變阻器的連接

二、三相異步電動機的工作原理AXBYCZo1、旋轉磁場的產生o規(guī)定

i:“+”首端流入，尾端流出。

i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(?)電流出()電流入

三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時，將在電機氣隙空間產生旋轉磁場；（動畫1，動畫2）tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相電流合成磁

場的分布情況：合成磁場方向向下合成磁場旋轉60°合成磁場旋轉90°600o900AAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相電流產生的合成磁場是一旋轉的磁場

即：一個電流周期，旋轉磁場在空間轉過360°取決于三相電流的相序（1）旋轉磁場的旋轉方向結論：任意調換兩根電源進線，則旋轉磁場反轉。AXYCBZAXYCBZ

若定子每相繞組由兩個線圈串聯

，繞組的始端之間互差60°，將形成兩對磁極的旋轉磁場。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC2、旋轉磁場的極對數P極對數動畫C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'03、旋轉磁場的轉速工頻：旋轉磁場的轉速取決于磁場的極對數p=1時0toAXYCBZAXYCBZAXYCBZp=2時0旋轉磁場轉速n1與極對數p的關系極對數每個電流周期磁場轉過的空間角度同步轉速旋轉磁場轉速n1

與頻率f1和極對數p有關。可見:小結：轉動原理AXYCBZ定子三相繞組通入三相交流電方向:順時針

切割轉子導體右手定則感應電動勢E20旋轉磁場感應電流I2旋轉磁場左手定則電磁力FF電磁轉矩TnF4、轉差率

旋轉磁場的同步轉速和電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比稱為轉差率。由前面分析可知，電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致，但轉子轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速相等，即異步電動機如果:無轉子電動勢和轉子電流轉子與旋轉磁場間沒有相對運動，磁通不切割轉子導條無轉矩因此，轉子轉速與旋轉磁場轉速間必須要有差別。異步電動機運行中:轉子轉速亦可由轉差率求得轉差率s

例1：一臺三相異步電動機，其額定轉速

n=975r/min，電源頻率f1=50Hz。試求電動機的極對數和額定負載下的轉差率。解：根據異步電動機轉子轉速與旋轉磁場轉速的關系可知：n1=1000r/min,即p=3額定轉差率為：三、三相異步電動機銘牌數據1、型號

磁極數(極對數p=2)例如：Y132M－4

用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數。機座長度代號機座中心高（mm）三相異步電動機2.電壓例如：380/220V、Y/是指線電壓為380V時采用Y聯結；線電壓為220V時采用

聯結。電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。3.電流電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。例如：Y/6.73/11.64A

表示星形聯結下電機的線電流為6.73A；三角形聯結下的線電流為11.64A。兩種接法下相電流均為6.73A。1、起動方法◆直接起動

7.5千瓦以下的異步電動機一般都采用直接起動?！艚祲浩饎樱盒切?三角形(Y－)

換接起動自耦降壓起動（適用于籠型電動機）◆轉子串電阻起動（適用于繞線式電動機）四、異步電動機的運行與控制起動問題：起動電流大，起動轉矩小。

一般中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的4~7倍;電動機的起動轉矩為額定轉矩的(1.0~2.2)倍。大電流使電網電壓降低，影響鄰近負載的工作頻繁起動時造成熱量積累，使電機過熱后果：原因：n=0，s=1,接通電源。起動時，n=0，轉子導體切割磁力線速度很大，轉子感應電勢轉子電流定子電流

（1）異步電動機的直接起動（2）降壓起動

1)Y－換接起動

降壓起動時的電流為直接起動時的+－

起動U1U2V1V2W1W2+－正常運行U1U2V1V2W1W2設：電機每相阻抗為(a)僅適用于正常運行為三角形聯結的電機。

(b)Y－

起動Y－

換接起動適合于空載或輕載起動的場合Y-換接起動應注意的問題正常運行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起動+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V12)自耦變壓器降壓起動L1L3L2FUQ

Q2下合：接入自耦變壓器，降壓起動。

Q2上合：切除自耦變壓器，全壓工作。合刀閘開關QQ2RRR滑環(huán)電刷定子轉子起動時將適當的R串入轉子電路中，起動后將R短路。起動電阻

（3）繞線式電動機轉子電路串電阻起動?

若R2選得適當，轉子電路串電阻起動既可以降低起動電流，又可以增加起動轉矩。常用于要求起動轉矩較大的生產機械上。R2-TTst

-TO轉子電路串電阻起動的特點：（1）變頻調速(無級調速)

f=50Hz逆變器M3~整流器f1、U1可調+–~頻率調節(jié)范圍：0.5~幾百赫茲三種電氣調速方法2、三相異步電動機的調速（2）變極調速

(有級調速)

變頻調速方法可實現無級平滑調速,調速性能優(yōu)異，因而正獲得越來越廣泛的應用。A1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSSA1X1A2X2ii??P=1采用變極調速方法的電動機稱作雙速電機，由于調速時其轉速呈跳躍性變化，因而只用在對調速性能要求不高的場合，如銑床、鏜床、磨床等機床上。A1··A2X1X2SNTo（3）轉子回路串接電阻調速

變轉差率調速是繞線式電動機特有的一種調速方法。其優(yōu)點是調速平滑、設備簡單投資少，缺點是能耗較大。這種調速方式廣泛應用于各種提升、起重設備中。nn'??TLTLs

′s??Tso3、三相異步電動機的制動制動方法機械制動電氣制動能耗制動反接制動發(fā)電反饋制動nF轉子Tn0=0M3~+-運轉制動?RP（1）能耗制動

在斷開三相電源的同時，給電動機其中兩相繞組通入直流電流，直流電流形成的固定磁場與旋轉的轉子作用，產生了與轉子旋轉方向相反的轉距（制動轉距），使轉子迅速停止轉動。M3~運轉制動?nF轉子Tn0（2）反接制動停車時，將接入電動機的三相電源線中的任意兩相對調，使電動機定子產生一個與轉子轉動方向相反的旋轉磁場，從而獲得所需的制動轉矩，使轉子迅速停止轉動。

方法：任意調換電源的兩根進線，電動機反轉。電動機正轉電動機反轉4、三相異步電動機的正、反轉電源~UVWM3~UVW電源~M3~1、直流電動機的構造5.2直流電動機一、直流電機的構造與工作原理定子轉子(電樞)機座、端蓋主磁極、換向磁極、電刷裝置等鐵心、繞組、換向器作用是產生磁場和作電機的機械支撐產生感應電動勢實現能量轉換的關鍵部分。定子由機座、主磁極、換向磁極、端蓋和電刷裝置等部分構成直流電動機的主要結構直流電動機的轉子

直流電動機的轉子習慣上稱為電樞，由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等組成。（1）他勵電動機勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。2、直流電機的分類直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機（2）并勵電動機勵磁繞組和電樞繞組并聯，由一個直流電源供電。UUfIaM+_+_If他勵IaUM+_If+_IE并勵（4）復勵電動機勵磁線圈與轉子電樞的聯接有串有并，接在同一電源上。（3）串勵電動機勵磁線圈與轉子電樞串聯接到同一電源上。串勵UIa+_IfM復勵U+_IMIa3、直流電機的基本工作原理IU–+SbNacd直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯接，無論線圈怎樣轉動，總是S極有效邊的電流方向向里,N極有效邊的電流方向向外。電動機電樞繞組通電后中受力(左手定則)按順時針方向旋轉。U–+U–+電刷換向片U–+IFFTn換向器作用：將外部直流電轉換成內部的直流電，以保持轉矩方向不變。直流電動機的轉動原理圖(a)初始位置；(b)轉過180°后的位置

直流電動機接通直流電源之后，電刷兩端加了一個直流電壓，A刷為正，B刷為負，換向片1與A刷相接觸，直流電流Ia從A刷流入，經換向片1、線圈abcd、換向片2和電刷B流出，形成一個回路。利用左手定則，可以判斷電樞繞組的ab邊和cd邊都受到電磁力的作用，ab邊受到的力向左，cd邊受到的力向右，這一對力對電樞產生電磁力矩，使得電樞沿逆時針方向轉動起來。

電樞轉了180°之后，ab邊在下，cd邊在上，因為電刷不動，換向片與電樞一起轉動，所以此時換向片1轉到下方與B刷相接觸，換向片2轉到上方與A刷相接觸，電源電流Ia從正極性端到A刷，經換向片2、線圈dcba、換向片1，從電刷B流出，形成一個回路，此時，電樞繞組中的電流已經反向，根據左手定則可以判斷，電樞的電磁轉矩不變，仍然是逆時針方向，所以轉軸旋轉方向不變。以上分析表明，電刷和換向器的作用是將電源的直流電及時轉換成交流電送給電樞繞組，以保證電樞的電磁轉矩方向不變，電動機按一定方向旋轉。直流電動機的轉動原理圖(a)初始位置；(b)轉過180°后的位置二、直流電動機的可逆性和能耗制動2、直流電動機的能耗制動1、直流電動機的可逆性

從原理上講，一臺電動機既可用作直流發(fā)電機，又可用作直流電動機直流電動機的制動也與交流電動機相似，有機械制動和電氣制動兩種方式。電氣制動是指通過某種方法，讓電動機的電磁轉矩與電機的轉向相反，從而形成制動轉矩的一種方法，分為能耗制動、反接制動和回饋制動三種。電氣制動制動轉矩大，操作方便，無噪聲，所以應用場合較多。電氣制動時，一般保持勵磁方向不變，改變電樞電流的方向以獲得制動轉矩。

制動時，把電樞繞組從電源端切斷，迅速打向制動電阻側，開始能耗制動。電機的勵磁電流不變，由于慣性，電機繼續(xù)旋轉，電樞繞組仍然切割磁力線，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，仍產生感應電動勢，其方向如圖所示，該感生電動勢將削減原來的電樞電流（當然，電流不能突變），使電樞電流迅速減弱到零并反向（反向后的Ia如圖標示）。能耗制動

由于勵磁方向不變，所以磁場對該電流的電磁轉矩方向與電機的轉向相反，成為制動轉矩。制動過程中，電動機的動能轉化成電能，全部消耗在制動電阻上，故稱為能耗制動。能耗制動的線路比較簡單，制動過程中不需吸收電功率，比較經濟,安全可靠，但制動時間較長。5.3步進電動機原理：步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號

轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移動一小段距離。特點：(1)來一個脈沖，轉一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。

(3)改變脈沖順序，改變轉動方向。

(4)角位移量或線位移量與電脈沖數成正比.步進電動機

前面介紹的異步電動機、直流電動機等都是作為動力使用的，其主要任務是能量的轉換。各種控制電機有各自的控制任務：如:伺服電動機將電壓信號轉換為轉矩和轉速以驅動控制對象；測速發(fā)電機將轉速轉換為電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號。步進電動機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。

這節(jié)介紹的控制電機的主要任務是轉換和傳遞控制信號，能量的轉換是次要的。

控制電機的種類很多，常用的幾種:伺服電機、測速電機、步進電機。

對控制電機的主要要求：動作靈敏、準確、重量輕、體積小、耗電少、運行可靠等。以反應式為例說明步進電機的結構和原理通常按勵磁方式分為三大類：1）反應式：轉子無繞組，定轉子開小齒、步距小。應用最廣。2）永磁式：轉子的極數=每相定子極數，不開小齒，步距角較大，力矩較大。3）感應子式(混合式)：開小齒，混合反應式與永磁式優(yōu)點：轉矩大、動態(tài)性能好、步距角小。一、步進電機的種類：下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。三相反應式步進電動機的原理結構圖如下：ABCIAIBIC

定子內圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉子有四個齒。定子轉子1.工作原理

由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產生切向力，而形成磁阻轉矩，使轉子轉動。

現以ABCA的通電順序，使三相繞組

輪流通入直流電流，觀察轉子的運動情況。BCIAIBIC1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。“三相”指三相步進電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉子會轉過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30角，1、3齒和C′、C磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)磁場在空間旋轉了360°而轉子轉過90°(一個齒距角)。2.三相六拍按AABBBCC

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子轉過15，到達左圖所示位置。CA'BB'C'A3412

B相通電，轉子2、4齒與B、B′對齊,又轉過15。3412CA'BB'C'A

B、C相同時通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15。三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉子轉過90(齒距角)。與單三拍相比，六拍