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1、第3章电动机基本控制环节,第3章 电动机基本控制环节,三相鼠笼式异步电动机起动控制,3.1,绕线式异步电动机的起动控制,3.2,三相异步电动机的调速控制,3.3,三相异步电动机制动控制,3.4,直流电动机控制线路,3.5,在工业、农业、交通运输等部门中，广泛使用着各种生产机械，它们大都以电动机作为动力来进行拖动。电动机是通过某种自动控制方式来进行控制的，最常见的是继电接触器自动控制系统，又称电气控制系统。,主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等传统的低压电器元件组成，以传统的测试方式为手段，以控制电动机的起动、制动、换向、调速为主要内容。这种系统具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等
2、优点，至今仍是机床和其他许多机械设备广泛采用的基本电气控制形式，也是学习更先进电气控制系统的基础。,缺点：采用固定接线方式、功能简单、体积庞大、灵活性差、工作频率低、触点易损坏、可靠性差。,继电接触器自动控制系统,电动机的基本控制环节：,优点：结构简单，制造方便，价格低廉， 坚固耐用，惯量小，运行可靠，很少需要维护，可用于恶劣环境，在实际生产生活中得到广泛的应用。,3.1 三相鼠笼式电动机起动控制,三相鼠笼异步电机,优点：起动简单。缺点：起动电流较大，将使用电线路电压下 降，影响临近负载正常工作。,适用：电动机容量在10kW以下，并且电动机容量小于供电变压器容量的20的场合。,3.1.1 直接
3、起动控制电路,直接将三相对称交流电接入电动机的三相定子绕组相应的出线端上。,U,V,W,控制？,1. 点动控制,在低压电路中作为不频繁接通和分断电路用，主要用来将电路与电源隔离。,U,V,W,QS,电路图中电器元件的触点均按吸引线圈为断电、手柄置于零位、元件没有受外力作用时的情况画出。,主要用于低压配电电路不频繁通断控制，在电路发生短路、过载、欠压和漏电等故障时能分断故障电路。,U,V,W,用来频繁接通或断开电动机或其他设备的主电路，每小时可开闭好几百次。,QS,KM,主电路：传输能量的线路，流过电气设备负载电流的电路，其导线用加粗的实线表示，一般画在图面的左侧。,当接触器的常开触点（KM）闭
4、合，电机接通电源开始转动；当接触器的常开触点（KM）断开，电机停止运行。,控制电路,接触器的工作原理？,只要控制交流接触器线圈电路的通断就能控制电机的起停。,控制电路：传送控制信号的线路，其导线用细实线表示，一般画在图面的右侧 。,点动控制的电气原理图,SB,点动控制：通常用在电动机检修后试车或生产机械的位置调整。,2. 连续运行控制,这种依靠接触器辅助触点使其线圈保持通电的作用称为自锁。起自锁作用的辅助触点称为自锁触点。,SB0,停止按钮,自锁触点,起动按钮,保护环节,为了防止电机在故障状态以及超负荷状态下运行，应在控制电路和主电路中加保护电器。,QS,KM,发生短路事故短路保护,FU1,F
5、U2,FU2,1,2,1,2,当电动机在运行过程中长期过载，或发生断相故障使电动机电流超过额定值时。过载保护：热继电器FR,热继电器如何实现过载保护?,FR,QS,KM,FU1,FU2,FU2,1,2,1,2,FR,还能消除由于电压恢复线路自起动而产生的安全隐患。,当电源电压由于某种原因严重欠压（或失压）时,欠压保护：是依靠接触器KM本身的电磁机构来实现的（主电路和控制电路为同一电源）。,1,2,1,2,动画演示,点动和连续运行控制电路,既能实现连续运行又能实现点动的控制电路。,方案1：转换开关SA（旋转操作）与自锁触点KM串联。,解自锁,SA,方案2,使用一个复合按钮SB2，操作SB2实现点
6、动控制。,SB1,KM,SB0,FU2,FU2,FR,复合按钮的动作顺序：按下SB2，先断常闭触头，解除控制电路的自锁功能；后合常开触头，接通KM的线圈。,方案3,点动：使用中间继电器KA和控制按钮SB2。,SB1,KM,SB0,FU2,FU2,FR,KA,KA,SB2,两地控制,SB2,KM,SB1,FU2,FU2,FR,3. 多地控制和顺序控制,顺序控制,开机时：为了避免在前段运输皮带上造成物料堆积，皮带2先起动，10秒后，皮带1才起动；停止时：为了使运输皮带上不残留物料，则顺序正好相反。,皮带轮传动系统的电气原理图,4. 正、反转控制,电动机的转向与定子电流的相序有关。,主电路,KM1控
7、制电动机正转。,KM2控制电动机反转。,相序 L1 L2 L3正转 U V W反转 W V U,控制电路,KM1,SB0,FU2,FU2,FR,1,2,如何保证在同一时间内只有一个接触器动作，以确保电源不会短路？,实现的控制功能：正转 停 反转,电气互锁：两个接触器的常闭辅助触点起相互控制作用 ，这两对起联锁作用的触点称为联锁触点。利用两个接触器的常闭辅助触点起相互控制作用，即当一个接触器线圈通电时，用其常闭辅助触点的断开来锁住另一个电路，使另一个接触器不能通电。应用联锁后，可以保证在同一时间内只有一个接触器动作，确保电源不会短路。,电气互锁,正转直接到反转的连续控制,机械互锁：采用复式按钮
8、，实现正转直接到反转的控制,5. 自动往返行程控制,使用位置开关（如行程开关、接近开关）发出正、反转控制指令即可实现。,限位开关,SQB,SQA,限位开关,KM1,SB1,KM1,SB0,FU2,FU2,FR,1,2,SB2,KM2,KM2,3.1.2鼠笼式电动机的降压起动控制,电动机在直接起动（即全压起动）过程中，最初起动电流为额定电流的57倍。起动时过大的冲击电流对电动机本身和电网以及其他电气设备的正常运行都会造成不利影响。一方面使电动机自身起动转矩减小（电动机全压起动转矩本身就不大）；另一方面，由于导致电网电压降低而影响其他用电器的正常工作。特别是较大容量的电动机需要采用降压起动。,1.
9、 定子串电阻减压起动,串电阻或电抗器降压起动控制线路：就是在电动机起动过程中，在电动机定子线路中串联电阻或电抗器，利用串联电阻或电抗器来减小定子绕组电压，以达到限制最初起动电流的目的。,2. 自耦降压起动控制,采用自耦变压器降压起动的控制电路中，电动机起动电流的限制，是依靠自耦变压器的降压作用来实现的。,电动机起动时，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压。一旦起动结束，自耦变压器便被切除，额定电压或者说自耦变压器的一次电压直接加在定子绕组，这时电动机进入全电压正常运行。通常习惯称自耦变压器为起动补偿器。,自耦变压器减压起动控制线路,3. Y-D降压起动控制,起动时，定子绕组首先接成Y形；,
10、这种控制方式仅适用于电动机正常运行时定子绕组为D形接法。,待转速达到额定值后，再将定子绕组换接成D形，电动机便进入全压正常运行。,经过一段时间的延时，当电动机的转速接近额定转速时，断开KM2然后闭合KM3，电动机的定子绕组接成正常运行时的D形 。,起动时先闭合KM2定子绕组接成Y,定子绕组联接的换接控制,定子绕组联接的换接控制,每相定子上的电压仅为额定电压的 、而电网的电流仅为全压直接起动时的,星形三角形换接减压起动控制线路,3.2 绕线式异步电动机的起动控制,三相绕线式异步电动机转子绕组可通过滑环串接合适的起动电阻减小起动电流，提高转子电路的功率因数和起动转矩。,一般在要求最初起动转矩较高的
11、场合，绕线式异步电动机的应用非常广泛。例如桥式起重机、卷扬机的起动控制线路，就采用了绕线式异步电动机。,3.2.1 转子绕组串电阻启动控制控制,1. 时间继电器控制的启动电路,2. 电流继电器控制的启动电路,随着转速的升高，电流逐渐减小，KI1和KI2的常闭触点依次闭合,开始启动时，KI1和KI2的常闭触点同时断开,注 意,KI1、KI2为欠电流继电器。它们的吸合（衔铁）电流相同，均为电动机的最初启动电流；而释放（衔铁）电流调节成不同的大小，且KI1的释放电流大于KI2的释放电流最小。,3.2.2 转子绕组串接频敏变阻器起动控制,1. 频敏变阻器的工作原理,频敏变阻器实质上是一个铁心损耗非常大
12、的三相电抗器。,将其串接在转子回路中，相当于转子绕组接入一个铁损较大的电抗器。,频敏变阻器的等效电路,刚起动时，转子电动势频率f2最高，此时频敏变阻器的电感与电阻均为最大，转子电流相应受到抑制。,在起动过程中，频敏变阻器的阻抗随着转子电流频率的下降自动减小，实现了平滑的无级起动。,绕线转子异步电动机较为理想的一种启动设备。,由于起动中，串人转子电路中的频敏变阻器的等效电阻和等效电抗是同步变化的，因而其转子电路的功率因数基本不变，从而保证有足够的起动转矩 它是常用于较大容量的绕线式异步电动机的起动控制，如在空气压缩机等设备中获得了广泛应用。,说 明,频敏变阻器的调整,当最初起动电流过大，起动太快
13、，应增加匝数，换接抽头使用100匝数。匝数增加使最初起动电流减小，但最初起动转矩也同时减小。当最初起动电流过小，最初起动转矩过小。起动太慢时，应减少匝数，使用85或71匝的抽头。匝数减小，使最初起动电流增大，但最初起动转矩也同时增大。如果刚起动时，最初起动转矩过大，有机械冲击，而起动完毕时的稳定转速又偏低，短接时，冲击电流较大，可增加上下铁心间的气隙使最初启动电流略微增加，最初起动转矩略微减小，但起动完毕时转矩增大，稳定转速可以得到提高。,电气控制原理图,注 意,电动机重复短时工作时，常采用频敏变阻器与转子绕组直接串接的方式，不必用接触器等短接设备。若是偶然启动电动机时，一般用一只接触器，启动
14、结束时；将频敏变阻器短接。,调速是机床对其电力拖动系统提出的重要要求。 机床加工工作时，由于工件直径大小不同，材料的硬度、性质不同，要求的精度和光洁度不同，所用刀具也可能不一样。为保证得到经济的切削速度，则要求机床能在不同的转速下工作。这就对电力拖动系统提出了不同程度的要求。,3.3 三相异步电动机的调速控制,调速：是指采用电气方式调速。就是指用人为的办法改变电气参数，在负载转矩不变的条件下得到不同的转速，以满足工作机械对不同转速的需要。,由异步电动机转速表达式：,可知，通过改变电源频率f、极对数p和转差s来达到改变电动机转速的目的。,1. 改变电动机的电机的磁极对数p调速,通常把改变绕组极对
15、数的调速方法简称为变极调速。变极调速是有级调速，速度变换是阶跃式的。这种调速方法简单、可靠、成本低。因此，在有级调速能够满足需求的机械设备中，广泛采用多速异步电动机作为主拖动电机。如镗床、铣床等机床，都将采用多速电动机来拖动主轴。,设计控制线路的指导思想：通过改变电动机定子绕组的外部接线，来改变电动机的极对数从而达到调速的目的。,常用的变极调速方法有两种：一种是改变定子绕组的接法，即改变定子绕组每相的电流方向；另一种是在定子上设置具有不同极对数的两套互相独立的绕组。有时为了使同一台电动机获得更多的速度等级，往往同时采用上述两种方法，即在定子上设置了两套相互独立的绕组，又使每套绕组具有改变电流方
16、向的能力。,2. 改变转差s调速,转子串电阻调速；绕线式电动机转子绕组串电阻。调压调速：改变定子电压。串级调速：绕线式电动机转子绕组串电阻电磁转差离合器调速：鼠笼式电动机加电磁转差离合器（称滑差电机）,改变转差s调速可对电机进行无级调速。变转差率调速尽管效率不高，但在异步电动机调速技术中仍占有重要的地位，特别是转差功率得到回收利用的串级调速系统，更是现代大容量风机、水泵等调速节能的重要手段。,3. 改变电动机的供电电源频率f调速,通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能、可以认为，变频调速
17、是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。,后两种调速方法在运动控制系统中讨论。,3.3.1 改变定子绕阻接线变极对数的原理,一相绕组（2个元件）,D形联接：p=2,N,S,N,S,YY形联接,2U2,1U1,1U2,YY形联接：p=1,N,S,2U1,一相绕组（2个元件）,U3,U1U2,应当强调指出，当把电动机定子绕组的D接线变更为YY接线时，必须同时改变电源的相序，从而保证电动机由低速转为高速时旋转方向不变。,注意,说 明,鼠笼式异步电动机改变定子绕组的极数以后，转子绕组的极数能够随之变化，也就是说，鼠笼式异步电动机转子绕组本身没有固定的极数。绕线式异步电动机定子绕组极数改变以后，它的
18、转子绕组必须进行相应的重新组合，而绕线式异步电动机往往无法满足这一要求。,所以，改变定子绕组极对数的调速方法一般仅适用于鼠笼式异步电动机。,低速：定子三相绕组接成D。KM1闭合KM2 、KM3断开。,D形联接：p=2,3.3.2 D-YY调速控制,V2,U1,高速：定子三相绕组接成YY。KM1断开KM2 、KM3闭合。,W1,L2,L1,L3,V1,U2,W2,U3,V3,W3,YY形联接：p=1,电气控制原理图,3.4 异步电动机的制动控制电路,三相异步电动机从切断电源到安全停止旋转，由于惯性的关系总要经过一段时间，这样就使得非生产时间拖长，影响了劳动生产率，不能适应某些生产机械的工艺要求。
19、如万能铣床、卧式镗床、组合机床等，都要求能准确定位和迅速停车，因此在实际生产中，为了保证工作设备的可靠性和人身安全，为了实现快速、准确停车，缩短辅助时间，提高生产机械效率，对要求停转的电动机采取措施，强迫其迅速停车，这就叫“制动”。,三相异步电动机的制动方法分为两类：电磁机械制动和电气制动。,电磁机械制动是用电磁铁操纵机械装置来强迫电动机迅速停车，如电磁抱闸、电磁离合器。电气制动实质上是在电动机停车时，产生一个与原来旋转方向相反的制动转矩，迫使电动机转速迅速下降，如反接制动、能耗制动、回馈制动等。实现制动的控制线路是多种多样的。,本节仅介绍反接制动和能耗制动控制线路。,3.4.1 电磁抱闸制动
20、,电磁抱闸制动装置主要由制动电磁铁和闸瓦制动器两部分组成。,1. 电磁抱闸制动装置的工作原理,2. 电磁抱闸制动控制电气原理图,3.4.2 反接制动控制,反接制动是利用改变异步电动机定子绕组上三相电源的相序，使定子产生反向旋转的磁场，从而产生制动力矩的一种制动方法。显然，反接制动时，转子与旋转磁场的相对转速接近转子转速的两倍，因此，制动电流大，制动力矩大，制动迅速。但是这种方法对设备冲击也大，通常仅用于10kW以下的小容量电动机。,为减小制动电流，通常要求在电动机定子电路中串接一定的电阻（称为反接制动电阻）。串入的制动电阻既限制了制动电流，又限制了制动转矩。另外，当反接制动使转子转速接近于零时
21、，必须及时切除电源，以防止反向再起动。,1. 单向反接制动控制,动作转速：120r/min触头动作复位转速：100r/min 触头复位,2. 可逆运行的反接制动控制,3.4.3 能耗制动控制,能耗制动就是在电动机脱离三相交流电源之后，定子绕组上加一个直流电压（即通入直流电流），利用转子感应电流与静止磁场的作用，产生制动转矩，使电动机的动能转变为电能并消耗在转子的制动上，故称为能耗制动。在转速为零时切除直流电源，以达到制动的目的。根据能耗制动时间控制原则，可用时间继电器进行控制，也可以根据能耗制动速度原则，用速度继电器进行控制。,1. 单向能耗制动控制,1）时间继电器控制,2）速度继电器控制,2. 可逆运行的能耗制动控制,3.5 直流电动机控制线路,直流电动机是指通以直流电流而转动的电动机。由于直流电动机具有良好的起动性能、能在较宽的范围内平滑调速并且易于控制。直流电动机不仅被广泛地应用于轧钢机、电力机车、无轨电车、机床等大型设备中，而且还用于电动自行车、电动缝纫机和电动玩具中。,3.5.1 起动控制,1. 他励直流电动机的基本工作原理,2. 他励直流电动机的起动控制线路,3.5.2 正反转控制,3.5.3 调速控制,3.5.4 制动控制,作 业,p.9798：3.6，3.10，3.12,
