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1、课题十二电动机的控制、保护与选择,1,我们介绍了电动机的各种基本电气控制线路，而生产机械的电气控制线路都是在这些控制线路的基础上，根据生产工艺过程的控制要求设计的，而生产工艺过程必然伴随着一些物理量的变化，并根据这些量的变化对电动机实现自动控制。电动机控制的一般原则，归纳起来，有以下几种：行程控制原则、时间控制原则、速度控制原则和电流控制原则。,电动机的控制、保护与选择,2,1.行程控制原则 根据生产机械运动部件的行程或位置，利用位置开关来控制电动机的工作状态称为行程控制原则。行程控制原则是生产机械电气自动化中应用最多和作用原理最简单的一种方式。,一、电动机的控制原则,电动机的控制、保护与选择
2、,2.时间控制原则 利用时间继电器按一定时间间隔来控制 电动机的工作状态称为时间控制原则。如在电动机的降压启动、制动以及变速过程中，利用时间继电器按一定时间间隔改变线路的接线方式，来自动完成电动机的各种控制要求。在这里，换接时间的控制信号由时间继电器发出，换接时间的长短则根据生产工艺要求或者电动机启动、制动和变速过程的持续时间来整定时间继电器的动作时间。,3,电动机的控制、保护与选择,3.速度控制原则 根据电动机的速度变化，利用速度继电器等电器来控制电动机工作扎称为速度控制原则。反映速度变化的电器有多种，直接测量速度的电器有速度继电器、小型测速发电机；间接测量电动机速度的电器，对于直流电动机用
3、其感生电动势来反映，通过电压继电器来控制；对于交流绕线转子异步电动机可以转子频率来反映，通过频率继电器来控制。,4.电流控制原则 根据电动机主回路电流的大小，利用电流继电器来控制电动机的工作状态称为电流控制原则。,4,电动机的控制、保护与选择,电动机在运行的过程中，除按生产机械的工艺要求完成各种正常运转外，还必须在线路出现短路、过载、过电流、欠电压、失压及弱磁等现象时，能自动切断电源停转，以防止和避免电气设备和机械设备的损坏事故，保证操作人员的人身安全。为此，在生产机械的电气控制线路中，采取了对电动机的各种保护措施。,二、电动机的保护,常用保护有以下几种：短路保护、过载保护、过电流保护、欠压保
4、护、失压保护以及弱磁保护等。,1、短路保护,当电动机绕组和导线的绝缘损坏或者控制电器及线路发生故障时，线路将出现短路现象，产生很大的短路电流，是电动机、电器及导线等电气设备严重损坏。因此，在发生短路故障时，保护电器必须立即动作，迅速将电源切断。常用的短路保护电器是熔断器和低压断路器。,6,当电动机负载过大、启动操作频繁或缺相运行时，会使电动机的工作电流长时间超过其额定电流，电动机绕组过热，温升超过其允许值，导致电动机的绝缘材料变脆，寿命缩短，严重时会使电动机损坏。因此，当电动机过载时，保护电器应动作切断电源，使电动机停转，避免电动机在过载下运行。常用的过载保护电器是热继电器,电动机的控制、保护
5、与选择,2.过载保护,当电网电压降低时，电动机便在欠压下运行。由于电动机负载没有改变，所以欠压下电动机转速下降，定子绕组的电流增大。因为电流增大的幅度尚不足以使熔断器和热继电器动作，所以这两种电器起不到保护作用。如不采取保护措施，时间一长将会使电动机过热损坏。另外，欠压将引起一些电器释放，使线路不能正常工作，也可能导致人身设备事故。实现欠压保护的电器是接触和电磁式电压继电器。,3.欠压保护,5,4失压保护（零压保护）,生产机械在工作时，由于某种原因而发生电网突然停电，这时电源电压下降为零，电动机停转，生产机械的运动部件也随之停止运转。,在电气控制线路中，起失压保护作用的电器是接触器和中间继电器
6、。,为了限制电动机的启动或只动电流，在直流电动机的电枢绕组中或在交流绕线转子异步电动机的转子绕组中需要传入附加的限流电阻。过流保护常用电磁式过电流继电器来实现。,电动机的控制、保护与选择,5过流保护,直流电动机必须在磁场具有一定强度时才能启动、正常运转。用欠流继电器来实现。,6.弱磁保护,7.多功能保护器,电动机的控制、保护与选择,三、电动机的选择,在电力拖动系统中，正确选择拖动生产机械的电动机是系统安全、经济、可靠和合理运行的重要保证。,选择电动机应遵循了以下基本原则：,第一.电动机能够完全满足生产机械在机械特性方面的要求。如速度、速度的稳定性、速度的调节以及启动、制动时间等。,第二.电动机
7、在工作过程中，其功率能被充分利用。防止出现“大马拉小车”的现象。即温升应达到国家标准规定的数值。,第三.电动机的结构形式应适合周围环境的条件。如根据使用场合的环境条件选用相适应的防护方式及冷却方式的电动机。,电动机的选择主要包括：电动机的额定功率（即额定容量），额定电压，额定转速，电动机的种类，电动机的结构形式。其中以电动机额定功率的选择最为重要。,第四.所选择的电动机的可靠性高并且便于维护。互换性能要好，一般情况尽量选择标准电动机产品。,7,1、电动机额定功率的选择,3)断续周期工作制（周期断续工作制）（重复短时工作制）断续周期工作制是指电动机带额定负载运行时，运行时间很短，停止时间也很短，
8、工作周期小于10min的工作方式。断续周期工作制的电动机在铭牌上标注S3。要求频繁启动、制动的电动机常采用断续周期工作制电动机，如拖动电梯、起重机的电动机等。,正确合理地选择电动机的功率是很重要的。因为如果电动机的功率选择得过小，电动机将过载运行，使温度超过允许值，缩短电动机的使用寿命，甚至烧坏电动机；如果选得过大，电动机将不在满载下运行，其用电效率和功率因数较低，造成电力浪费，且设备投资大，运行费用高，不经济。,1)连续工作制 连续工作制是指电动机带额定负载运行时，连续运行时间很长的工作方式。连续工作制的电动机使用很广泛，一般在铭牌上标注S1或不标明工作制。,电动机的控制、保护与选择,电动机
9、工作方式的分类,2)短时工作制 短时工作制是指电动机带额定负载运行时，运行时间很短，停机时间很长的工作方式。短时工作制的电动机在铭牌上标注S2，我国的短时工作制电动机的运行时间有15min，30min，60min，90min四种定额。,8,电动机额定功率（容量）的选择步骤是：,第一步：计算负载功率PL；第二步：根据预选电动机的额定功率PN；第三步：进行发热、过载能力和启动能力校验，直至合适为止。,(1)连续工作制电动机额定功率的选择,1)恒定负载下电动机额定功率的选择这类生产机械电动机功率的选择较为简单，根据负载的功率，在产品目录中选一台额定功率等于或略大于，且转速合适的电动机即可。PN PL
10、,2)周期性变化负载下电动机额定功率的选择电动机在变动负载下运行，其输出的功率不断地变化，电动机内部的损耗及温升也在不断地变化。在这种情况下，如按最大负载功率选择电动机功率，电动机将不能充分利用；而按最小负载功率选择电动机功率，电动机要过载，会引起电动机温升过高。因此，变化负载下电动机额定功率的选择要复杂些，一般按下列步骤进行：预选电动机额定功率：（PN 1.1-1.6 P平均)电动机额定功率的校验；电动机额定功率的修正；过载能力和启动能力的校验,电动机的控制、保护与选择,9,(2)短时工作制下电动机功率的选择,短时工作制的负载，应选用专用的短时工作制电动机。在没有专用电动机的情况下，也可以选
11、用连续工作制的电动机。,1)直接选用短时工作制电动机:电动机制造厂专门为短时工作制的生产机械设计制造了短时工作制电动机，其时间规格有：15min、30min、60min、90min四种。当工作时间接近上述标准时间时，可以按生产机械的功率、工作时间及转速的要求，由产品目录上直接选取。,2)选用连续工作制电动机:由于短时工作制的电动机的生产很少，实践中常选用连续工作制的电动机来代替短时工作制的电动机工作。如果选择连续工作制的电动机，电动机在发热上没有被充分利用；为此，可选择一台功率较小的电动机,让电动机在工作时间内短时过载运行，此时电动机功率的选择依据为：在短时工作时间内，电动机过载运行所达到的温
12、升恰好等于电动机所允许的最高温升。,电动机的控制、保护与选择,10,(3)断续周期工作制下电动机功率的选择,断续周期工作制下电动机的标准负载持续率FC（负载工作时间与整个周期之比）有15%、25%、40%、60%四种。同一台电动机，在不同FC下，其额定输出功率不同，FC%越小，额定功率就越大，即P15%P25%P40%P60%断续周期工作制电动机功率选择的步骤与连续工作制变动负载下的功率选择是相似的。要经过预选电动机和校验等步骤，一般情况下，应根据生产机械的负载持续率来预选电动机。,这种工作方式的电动机的工作与停止交替进行。工作时温升未到稳定值，停止时温度也来不及降到周围温度。,注意：当负载持
13、续率FC10%时，应按短期工作制选择；当负载持续率FC70%时，可按长期工作制选择,电动机的控制、保护与选择,11,2、电动机额定电压的选择,一般情况下，电动机额定功率100kW，选用380V；200kW，选用380V或3000V；200kW，选用6000V；1000kW，选用10kV。直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V，大功率电动机可提高到600V、800V、甚至1000V。当直流电动机由晶闸管整流电源供电时，电动机的额定电压应选用440V（配合三相桥式整流电路）或160V(配合单相整流电路），电动机采用改进的Z3型。,电动机额定电压选择的原则应与供电电网或电源电压一致。
14、否则，若低于供电电源电压电动机将由于电流过大而被烧毁；若高于供电电源电压可能因电压过低不能启动，或虽能启动但因电流过大而减少使用寿命甚至烧毁。一般工厂企业低压电网为380V。中小型异步电动机都是低压的，额定电压为380/220V（Y/接法），或220/380V（/Y接法）及380/660 V（/Y接法）三种。高压电动机，额定电压为3000V、6000V甚至达10000V。,电动机的控制、保护与选择,12,并励直流电动机基本控制线路,3、电动机额定转速的选择,3)对于调速性能要求不高的生产机械，可选用多速电动机或者选择额定转速稍高于生产机械的电动机配以减速机构，也可以采用电气调速的电动机拖动系统
15、。在可能的情况下，应优先选用电气调速方案。,1)对于启动、制动或反转很少，不需要调速的连续工作制的电动机，可选择相应额定转速的电动机，从而省去减速传动机构。,2)对于经常启动、制动和反转的生产机械，选择额定转速时则应主要考虑缩短启、制动时间以提高生产效率。启、制动时间的长、短主要取决于电动机的飞轮矩和额定转速，应选择较小的飞轮矩和额定转速。,4)对于调速性能要求较高的生产机械，应使电动机的最高转速与生产机械的最高转速相适应，直接采用电气调速。,电动机转速选择合理与否，将直接影响到电动机的价格，能量损耗及生产机械的生产效率等相同功率的电动机转速高的尺寸小，价格低，比较经济。但生产机械的工作速度较
16、低，转速高传动机构将比较复杂，必须要全面考虑。,13,在满足生产机械要求的前提下，优先选择结构简单价格便宜、运行可靠、维修方便的电动机。由于三相笼型异步电动机具有上述等特点，并且它采用的动力电源是很普遍的三相交流电源。因此广泛应用于国民经济和日常生活的各个领域，是生产量最大、应用面最广的电动机。但它的启动和调速性能差，功因数低。对调速，启动性能要求不高的一般生产机械中，如机床、水泵、通风机、家用电器等，应优先采用笼型异步电动机。,对于要求高启动转矩的生产机械，如空气压缩机、皮带运输机、纺织机等，可采用深槽或双笼型异步电动机。在要求有级调速的生产机械，如某些机床，可采用双速、三速或四速等多速笼型
17、异步电动机。由于绕线式异步电动机可通过转子回路做到限制启动电流，提高启、制动转矩，实现一定的调速功能。因此，在启、制动频繁且启动转矩较大，并要求有一定调速的生产机械，如起重机、提升机等，可采用绕线式异步电动机。同步电动机在运行时，可以对电网进行无功补偿，提高功率因数。当生产机械的功率较大而要求改善功能因数并且要求速度恒定的场合，如球磨机、破碎机、矿用通风机、空气压缩机等，可采用同步电动机。对于要求启动转矩较大、启动性能好，调速范围宽、调速平滑性较好、调速精度高且准确的生产机械，如高精度数控机床、龙门刨床、造纸机、印染机等，则应选用他励（复励）直流电动机拖动。,并励直流电动机基本控制线路,4、电
18、动机种类的选择,14,5、电动机结构型式的选择,电动机的安装型式有卧式和立式两种。一般情况下用卧式，特殊情况用立式。电动机的外壳防护形式有开启式、防护式、封闭式及防爆式几种。开启式电动机，在定子两侧与端盖上都有很大的通风口，这种电动机价格便宜、散热条件好，但容易进灰尘、水滴、铁屑等，只能在清洁、干燥的环境中使用。防护式电动机在机座下面有通风口，散热好，能防止水滴、铁屑等从上方落入电动机内，但不能防止灰尘和潮气侵入，所以，一般在比较干燥、灰尘不多、较清洁的环境中使用。封闭式电动机有自扇冷式、他扇冷式和密闭式三种；前两种型式的电动机是机座及端盖上均无通风孔，外部空气不能进入电动机内部。可用在潮湿、
19、有腐蚀性气体、灰尘多、易受风雨侵蚀等较恶劣的环境中。密闭式电动机，外部的气体、液体都不能进入电动机内部。一般用于在液体中工作的机械，如潜水泵电动机等。防爆式电动机适用于有易燃、易爆气体的场所，如油库、煤气站、加油站及矿井等场所。,并励直流电动机基本控制线路,原则上电动机与生产机械的工作方式应该一致。,4.2 电气控制线路的设计4.2.1设计的基本原则在电力拖动方案和控制方案确定后，即可着手进行电控线路具体设计。电控系统设计一般应遵循以下原则：1最大限度满足生产机械和工艺对电控系统的要求首先弄清设备需满足的生产工艺要求，对设备工作情况作全面了解。深入现场调研，收集资料，结合技术人员及现场操作人员
20、经验，作为设计基础。2在满足生产工艺要求前提下，力求使控制线路简单、经济（1）尽量选用标准电器元件，减少电器元件数量,选用同型号电器元件以减少备用品数量。（2）尽量选用标准的、常用的或经过实践考验的典型环节或基本电控线路。,第4章 电气控制线路的设计及元器件选择,（3）尽量减少不必要的触点，以简化线路。在满足工艺要求前提下，元件越少，触点数量越少，线路越简单。可提高工作可靠性，降低故障率。常用减少触点数目的方法：合并同类触点见图4-1示.利用转换触点方式见图4-2示。图4-1 同类触点合并 图4-2具有转换触点的中间继电器的应用,第4章 电气控制线路的设计及元器件选择,利用二极管的单向导电性减
21、少触点数目。见图4-3示.利用逻辑代数的方法减少触点数目。如图4-4(a)示.图4-3 利用二极管简化控制电路 图4-4 利用逻辑代数减少触点（4）尽量缩短连接导线的数量和长度设计时，应根据实际情况，合理考虑并安排电气设备和元件的位置及实际连线，使连接导线数量最少，长度最短。图4-5中，图(a)接线不合理，从电气柜到操作台需4根导线。图(b)接线合理，从电气柜到操作台只需3根导线。,第4章 电气控制线路的设计及元器件选择,注意：同一电器的不同触点在线路中应尽可能具有公共连接线。以减少导线段数和缩短导线长度，如图4-6示.图4-5 线路的合理连接 图4-6 节省连接导线的方法（5）线路工作时，除
22、必要的电器元件必须通电外，其余尽量不通电以节约电能。如图4-7示.3保证电控线路工作可靠最主要的是选择可靠的电器元件。同时，设计时要注意几点：（1）正确连接电器元件的触点,第4章 电气控制线路的设计及元器件选择,图 减少通电电器的线路 图 触点的正确连接 同一电器元件的常开和常闭触点靠得很近，如果分别接在电源不同相上，当触点断开产生电弧时，可能在两触点间形成飞弧造成电源短路。图4-8(a)中SQ的接法错误,应改成图4-8(b)形式.（2）正确连接电器线圈 在交流线路中，即使外加电压是两个线圈额定电压之和，也不允许两个电器元件的线圈串联，如图4-9（a）示。,第4章 电气控制线路的设计及元器件选
23、择,若需两个电器同时工作，其线圈应并联连接，如图4-9(b)示.图4-9 线圈的正确连接 图4-10 电磁铁与继电器线圈的连接 两电感量相差悬殊的直流电压线圈不能直接并联,如图4-10(a)示。解决办法：在KA线圈电路中单独串接KM的常开触点，如图4-10(b)示。（3）避免出现寄生电路线路工作时，发生意外接通的电路称为寄生电路。寄生电路破坏电器元件和控制线路的工作顺序或造成误动作。见图4-11(a).解决办法：将指示灯与其相应的接触器线圈并联，如图4-11(b)示。（4）应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一电器的现象。,第4章 电气控制线路的设计及元器件选择,图4-1l 防止寄生电路（5）在可逆线路中，正反向接触器间要有电气联锁和机械联锁。（6）线路应能适应所在电网的情况，并据此决定电动机起动方式是直接起动还是间接起动。（7）应充分考虑继电器触点的接通和分断能力。若要增加接通能力，可用多触点并联；若要增加分断能力，可用多触点串联。4保证电控线路工作的安全性应有完善的保护环节，保证设备安全运行。常用有短路、过流、过载、失压、弱磁、超速、极限保护等。,第4章 电气控制线路的设计及元器件选择,
