电机与电气控制教案(完整版)

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新课1.什么是三相对称电源？三相对称电源的特点是怎样的？
2.什么是功率因数？
在工业企业中，各种生产机械为了完成各种工艺过程的要求，大多数需要原动机提供机械能，用电动机作为原动机来拖动生产机械运行的系统，称为电力拖动系统。

从本节课起我们学习生产机械常用电气设备与拖动技术基础。

第四章生产机械常用电气设备与拖动技术基础
电动机：使用电能的原电机。

（电能→机械能）
电力拖动系统：用电动机作为原动机来拖动生产机械运行的系统。

电力拖动系统包括电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。

第一节三相交流异步电动机简介
一、三相交流异步电动机的结构和工作原理
（一）结构
电动机
交流电动机
同步电动机
异步电动机
三相异步电动机
单相异步电动机
三相交流异步电动机由静止部分（定子）和转动部分（转子）组成。

1.定子部分
（1）定子铁心
定子铁心是电动机磁路的一部分，为减小铁心损耗，一般由0.5mm 的厚硅钢片叠成，安放在机座内，而且在片间用绝缘漆绝缘。

为了冷却铁心，在大容量电机中，定子铁心分成很多段，每两段之间留有通风槽，作为冷却空气的通道。

（2）定子绕组
定子绕组是电动机的电路部分，工作时和三相交流电源相接，用以产生三相异步电动机工作所需的旋转磁场。

定子绕组：是由绝缘的铜或铝导线绕成的三相对称绕组、三相绕组在空间上相隔1200,可以接成星形或三角形。

图11-6-2(a)是定子绕组的星形连接图；
图11-6-2(b)是定子绕组的三角形连接图。

图11-6-2 定子绕组的星形和三角形连接图
2.转子部分
转子的主要作用是产生感应电流，形成电磁转矩，以实现机电能量的转换。

（1）转子铁心
是电动机的一部分，一般用0.5mm厚硅钢片叠成，套在转轴上并与转轴固定。

（2）转子绕组
转子绕组根据结构的不同可以分为笼型转子和绕线转子两种。

笼型绕组及转子
笼型转子是在转子铁心的每一个槽中，插入一根裸导条，在铁心两端分别用两个短路环把导条连接成一个整体，形成一个自行闭合的多相短路
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三相异步电动机的基本组成和各组成部分的作用
大家都知道，三相异步电动机接上电源就会旋转，那为什么会转呢？这节课我们就来讨论这个问题。

（二）三相交流异步电动机的工作原理
三相异步电动机的工作原理
1.旋转磁场的产生
旋转磁场以同步转速n0顺时针旋转，相当于磁场不动，转子逆时针切割磁力线，产生感应电流，用右手定则判定，转子半部分的感应电流流入纸面。

有电流的转子在磁场中受到电磁力的作用，用左手定则判定，上半部分所受磁场力向右，下半部分所受磁场力向左，如图11-6-6所示。

这两个力对转子转轴形成电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向以转速n旋转。

注意点：异步电动机的转动方向是与旋转磁场的转动方向一致的，如果旋转磁场的方向变了，转子的转动方向也要随着改变。

图11-6-5 旋转磁场的产生
由图可见，当空间彼此相差120 的三个相同线圈通入对称三相交流
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如何根据电动机的铭牌数据确定接线方式？
三相异步电动机的转速和电磁转矩的关系是怎样的？
二、三相异步电动机的机械特性
（一）三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性曲线，如图，A、B、C、D点分别为电动机的同步点、额定运行点、临界点和起动点。

由图可见电动机在D点起动后，•随着转速的上升转矩随之上升，在达到转矩的最大值后（C点），进入A–C段的工作区域。

（二）三相异步电动机的运行性能
三相异步电动机的运行性能：
1．曲线的A–C段：近似于线性，随着异步电动机的转矩增加而转速略有下降，从同步点A（n = n0，s = 0，T = 0）到满载的B点（额定运行点），转速仅下降2 ~ 6 %，可见三相异步电动机在A–C 段的工作区域有较“硬”的机械特性。

2．额定运行状态：在B点，电动机工作在额定运行状态，在额定电压、额定电流下产生额定的电磁转矩，以拖动额定的负载，此时对应的转速、转差率均为额定值（额定值均用下标“N”表示）。

电动机工作时应尽量接近额定状态运行，以使电动机有较高的效率和功率因数。

3．临界状态：C点被称为“临界点”，在该点产生的转达矩为最大转矩T m ，它是电动机运行的临界转矩，因为一旦负载转矩大于T m ，电动机因无法拖动而使转速下降，工作点进入曲线的C–D段，
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串电阻降压起动原理：先合上电源开关S1，由于定子绕组中串联了电阻，起到分压作用，所以这时定子绕组上所承受的电压不是额定电压而是额定电压的一部分，这样就限制了起动电流；当电动机的转速接近额定转速时，立即全上S2，这时电阻被S2短接，定子绕组上的电压便上升到额定工作电压，电动机正常运转。

(2).星形-三角形换接起动
星形-三角形换接起动——就是电动机起动时把定子绕组连成星形，等到转速接近额定值时再换接成三角形的起动方法。

如图11-7-2所示，是一种星三角起动器的连接简图。

星形-三角形换接起动原理：起动时，将手柄指向右，定子绕组连成星形降压起动。

等电动机接近额定转速时，将手柄指向左，定子绕组换接成三角形，电动机正常运行。

星形-三角形换接起动使用条件：星形-三角形换接起动在降压起动时的电流仅为直接起动时的
3
1，这种起动方法只适用于正常运行时定子绕组为三角形联结的电动机。

图11-7-1 定子绕组串电阻降压起动
图11-7-2 星—三角降压起动
(3).自耦降压起动
自耦降压起动——是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低的起动方法。

如图11-7-3所示。

自耦降压起动原理：起动时，先把开关S2扳到“起动”位置，当转速接近额定值时，将S2扳向“工作”位置，切除自耦变压器。

自耦降压起动的使用条件：自耦降压起动适用于容量较大的或正常运行时定子绕组连成星形而不能采用星三角起动器的笼型异步电动机。

图11-7-3 自耦变压器降压起动
（二）三相异步电动机的反转
方法：异步电动机的转向与旋转磁场的方向一致，而旋转磁场的方向取决于三相电源的相序。

所以，只要将三根相线中任意两根对调即可使电动机反转。

图11-7-4是电动机正反转控制的原理图。

三相异步电动机反转原理：当开关S2向上接通时，通入电动机定子绕组的三相电源相序是L1—L2—L3，则电动机正转，当开关S2向下接通时，通入电动机定子绕组的三相电源相序是L1—L3—L2，则电动机反转。

反转注意事项：切不可不停顿地将开关S2从上直接扳到下的位置，因为电源若是突然反接，会使电动机定子绕组中产生较大的电流，易使电动机定子绕组因过热而损坏。

（三）三相异步电动机的制动
为克服惯性，保证电动机在断电时迅速停车，需要对电动机进行制动。

异步电动机的制动常采用反接制动和能耗制动。

1．反转制动
反转制动——在电动机停车时，将三根电线中的任意两根的一端对调位置，使旋转磁场反向旋转，而转子由于惯性仍在原方向转动。

这时的转矩方向与电动机的转支方向相反（即产生了反转矩），起到制动作用。

反转制动的注意事项：当转速接近零时，利用某种控制电器自动切断电源，否则电动机会反转。

2．能耗制动
能耗制动——用消耗转子的动能（转换为电能）来进行制动。

在断电的同时，接通直流电源，如图11-7-5所示。

直流电源产生的磁场是固定的，而转子由于惯性转动产生的感应电流与直流电磁场相互作用产生的转矩方向，恰好与电动机的转向相反，起到制动的作用。

（在切断三相电源的同时，接通直流电源，使直流电流通入定子绕组，如图11-7-5所示。

直流电流产生的磁场是固定不动的，而转子由于惯性继续在原方向转动，根据电磁感应原理可知，在转子电路中要产生的感应电流，其方向由右手定则确定，而感应电流一旦产生，马上要受到直流电磁场的作用，作用力的方向可用左手定则确定。

转子电流与直流电磁场相互作用产生的转矩方向，恰好与电动机的转动的方向相反，起到制动的作用。

）
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电磁机构示意图
作用：是将电磁能转换成为机械能并带动触点闭合或断开。

组成：通常采用电磁铁的形式，由电磁线圈、静铁心（铁心）、动铁心（衔铁）等组成。

工作原理：电磁线圈通电时产生磁场，使得动、静铁心磁化并互相吸引，当动铁心被吸引向静铁心时，与动铁心相连的动触点也被拉向静触点，令其闭合，接通电路。

电磁线圈断电后，磁场消失，动铁心在复位弹簧的作用下，回到原位，并牵动动、静触点，分断电路。

电磁铁：按励磁电流不同可分为直流电磁铁和交流电磁铁。

直流电磁铁：在稳定状态下，直流电磁铁中磁通恒定，铁心中没有磁滞损耗和涡流损耗，只有线圈产生热量。

因此，直流电磁铁的铁心是用整块钢材或工程纯铁制成的，电磁线圈没有骨架，且做成细长形，以增加它和铁心直接接触的面积，利于线圈热量从铁心散发出去。

交流电磁铁：交流电磁铁中磁通交变，铁心中有磁滞损耗和涡流损耗，铁心和线圈都产生热量。

因此，交流电磁铁的铁心一般用硅钢片叠成，以减小铁损，并且将线圈制成粗短形，由线圈骨架把它和铁心隔开，以免铁心的热量传给线圈致使其过热而烧坏。

另外，为了减小交流电磁铁动、静铁心间的振动和噪声，在铁心柱面的一部分，嵌入一只铜环，名为短路环（又叫减振环）。

电磁铁的线圈：按接入电路的方式不同可以分为电压线圈和电流线圈。

电压线圈：并联在电源两端，获得额定电压时线圈吸合。

电流线圈：串联在主电路中，当主电路的电流超过其动作值时吸合。

2.触头系统
按功能不同可分为主触头和辅助触头两类。

主触头用于接通和分断主电路；辅助触头用于接通和分断二次电路，还能起互锁和联锁作用。

按形状不同分为桥式触头和指形触头。

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图6.6交流接触器
2．交流接触器的触点：
（1）主触点通常为3对动合触点，带有灭弧装置，允许通过较大的电流；
（2）辅助触点既有动合也有动断触点，不带有灭弧装置，允许通过的电流较小。

3．触点动作情况：吸引线圈通电，动铁心克服复位弹簧作用力向静铁心移动，拖动所有触点动作，动断触点断开，动合触点闭合；吸引线圈失电，动铁心在复位弹簧作用下恢复原位，动断触点闭合，动合触点断开。

4．短路环作用：消除交流接触器的铁心在工作时发生振动而产生噪声。

（二）直流接触器
结构和工作原理与交流接触器同，不同的是电磁铁系统。

触头系统中，直流接触器主锄头常采用滚动接触的指形触头，通常为一对或两对。

对于灭弧装置，由于直流电弧比交流电弧难以熄灭，直流接触器常采用磁吹灭弧。

（三）接触器的主要技术参数
1.额定电压接触器铭牌上的额定电压是指主触头的额定电压。

2.额定电流接触器铭牌上的额定电流是指主触头的额定电流。

3.吸引线圈的额定电压
4.电气寿命和机械寿命（以万次表示）
5.额定操作频率（以次/h 表示）
6.主触点和辅助触点数目 （四）接触器的型号
（五）接触器的选择
1.根据接触器所控制的负载性质来选择接触器的类型。

2.接触器的额定电压不得低于被控制电路的最高电压。

3.接触器的额定电流应大于被控制电路的最大电流。

对于电动机负载有下列经验公式：
I C ≥N
N KU P 3
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电流继电器的线圈：与被测电路串联，用来反应电路电流的变化。

线圈匝数少，导线粗，线圈阻抗小。

电流继电器的类型：欠电流和过电流继电器。

欠电流继电器：当线圈通过的电流大于或等于整定电流时，继电器吸合，只有电流低于整定电流时，继电器才释放。

过电流继电器：当线圈通过的电流小于整定电流时，继电器不动作，只有电流超过整定电流时，继电器才释放。

2）电压继电器
电压继电器的线圈并联于被测电路中。

分过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器，主要用于对电路或设备过压、欠压或零压保护。

U< KV
(e)欠电压继电器
U>
KV
(f)过电压继电器
KV
(g)动合触点
KA
(h)动合触点
小结作业
1．作用：过载保护。

2．结构：发热元件绕制在双金属片（两层膨胀系数不同的金属辗压而成）上，传动机构设置在双金属片和触点之间，热继电器有动合、动断触点各1对。

图6.7（a）、（b）、（c）分别为热继电器外形图、原理示意图和符号。

（a）外形
(b) 原理示意图
(c)符号
图6.7热继电器
3．工作原理：发热元件串联在被保护设备的电路中，过载时负载电流增大导致发热元件产生的热量使双金属片产生弯曲变形，当弯曲程度达一定幅度时，导板推动杠杆使热继电器的触点动作，其动断触点断开；动合触点闭合。

4．热继电器触点复位方式：（1）调节螺钉旋入可使双金属片冷却后动触点自动复位；（2）调节螺钉旋出使双金属片冷却后动触点不能自动复位，必须按下复位按钮动触点实现手动复位。

5．注意：热继电器不适应于对电气设备（电动机）实现短路保护。

（四）速度继电器
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小结作业
各种控制继电器的原理和符号
熔断器是一种结构简单、使用方便、价格低廉的保护电器，广泛用于供电线路和电气设备的短路保护。

五熔断器
1．结构：熔体和外壳组成。

图6.5（a）、（b）、（c）、（d）、（e）为几种常见熔断器的外形图及符号。

（a）插入式熔断器（b）螺旋式熔断器
（c）管式熔断器（d）添料式熔断器
图6.5熔断器
一般情况下要求通过熔体的电流等于或小于额定电流的1.25倍时，可以长期不熔断；超过其额定电流的倍数越大，熔体熔断的时间越短。

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熔断器的作用和符号
六、开关电器及主令电器
一、开关类电器
常用的低压开关类电器包括刀开关、转换开关和自动开关等。

（一）刀开关
1.部件：刀片（动触点）和刀座（静触点）。

按刀片数量不同，闸刀开关可分为单刀、双刀和三刀三种。

图1.1是胶木盖瓷座三刀闸刀开关的结构图和符号。

（a）结构（b）符号（单刀、双刀）
图1.1 闸刀开关
2．作用：（1）隔离开关，也就是说在不带负载（用电设备不工作）的情况下切断和接通电源。

（2）电源开关，直接用它来控制电动机（小于7.5 kW）起、停操作。

3.安装注意事项
安装刀开关时，瓷底应与地面垂直，手柄向上，易于灭弧，不得倒装或平装。

倒装时手柄可能因自重落下而引起误合闸，危及人身和设备安全。

（二）组合开关（又称转换开关）
1．结构：静触点、动触点和绝缘手柄。

（1）静触点一端固定在绝缘板上，另一端伸出盒外，并附有接线柱，以便和电源线及其他用电设备的导线相连。

（2）动触点装在另外的绝缘垫板上，垫板套装在附有绝缘手柄的绝缘杆上。

（3）绝缘手柄能沿顺时针或逆时针方向转动，带动动触点分别与静触点接通或断开。

图1.2是组合开关外形图和原理示意图。

（a）外形（b）结构（c）原理示意
图1.2组合开关
2．符号
Q Q
三极双极
3.作用：电气设备中作为不频繁地接通和分断电路，接通电源和负载，控制小容量异步电动机的正、反转及星形－三角形起动等用途。

（三）自动开关
又叫自动空气开关或自动空气断路器。

它集控制和多种保护功能于一身，除能完成接通和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、过载、失压等故障进行保护。

1．作用：对电气设备实现短路、过载和欠压保护。

2．结构：触点、脱扣机构。

图1.3（a）、（b）、（c）为空气断路器的外形图、原理示意图和符号。

（a）外形（b）原理示意（c）符号
图1.3空气断路器
3．手柄位置：“分”与“合”在机械上是互锁的。

（1）“合”位置，触点连杆被搭钩锁住，触点保持闭合状态；（2）“分”位置，触点处于断开状态。

4．工作原理：
（1）短路或严重过载时，过流脱扣器的衔铁被吸合，通过杠杆将搭钩顶开，主触点迅速切断短路或严重过载电路。

（2）过载时，产生的热量使双金属片弯曲变形推动杠杆顶开搭钩，主触点断开，切断过载电路。

过载越严重，主触点断开越快，但不可能瞬动。

（3）失压或电压过低时，欠压脱扣器中衔铁因吸力不足而将被释放，主触点被断开。

当电源恢复正常时，必须重新合闸后才能工作，实现失压保护。

（四）漏电保护器
（五）铁壳开关
1．铁壳开关：熔断器和刀片与刀座等安装在薄钢板制成的防护外壳内。

有速断弹簧以加快刀片与刀座分断速度，减少电弧。

图1.4是铁壳开关的外形图。

图1.4 铁壳开关
2．特点：外壳上有机械联锁装置，壳盖打开时开关不能闭合；开关断开时壳盖才能打开。

3．作用：用于不频繁接通和分断电路。

二、主令电器
（一）按钮
1．结构：由动触点、静触点、按钮帽和复位弹簧组成。

图6.4是按钮外形图、结构图及符号。

（a）外形（b）结构（c）原理示意
图1.5按钮开关
2．动作情况：当用手按下按钮帽时，上面的动断（常闭）触点先断开；下面的动合（常开）触点后闭合。

当松开按钮帽时，动触点自动复位，使得动合触点先断开，动断触点后闭合。

3．复合按钮：在一个按钮内分别安装有动断和动合触点的按钮。

（二）行程开关
又称限位开关或位置开关，它利用生产机械运动部件的碰撞，使其内部触点动作，分断或切换电路，从而控制生产机械行程、位置或改变其运动状态。

1.常用行程开关的外形
小结作业
图1.6 行程开关的外形
2. 动作原理
当生产机械撞块碰触行程开关滚轮时，使传动杠杆和转轴一起转动，
转轴上的凸轮推动推杆使微动开关动作，接通动合触点，分断动断触点，
指令生产机械停车、反转或变速。

对于单滚轮自动复位的行程开关，只要
生产机械撞块离开滚轮后，复位弹簧能将已动作的部分恢复到动作前的位
置，为下一次动作做好准备。

有双滚轮的行程开关在生产机械碰撞第一只
滚轮时，内部微动开关动作，发出信号指令；介生产机械撞块离开滚轮后
不能自动复位，必须在生产机械碰撞第二个滚轮时方能复位。

3.图形符号
图1.7 行程开关的图形符号
（三）万能转换开关
双轮旋转
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1．接触器结构与工作原理。

2．交流异步电动机正、反转原因。

从本节开始我们将学习电气控制电路内容，这是电气控制系统中经常使用的电路。

无论电气控制电路多么复杂，它们都是从正、反转等电路开始的。

二、正、反转控制电路
1．反转控制电路如图6.11所示。

图6.11 正、反转控制电路
QF为空气断路器，隔离开关兼做短路保护；
KM F为正转接触器，主触点闭合时，电动机正转；
KM R为反转接触器，主触点闭合时，电动机反转。

2．互锁（联锁）：在正转和反转接触器线圈KM F和线圈KM R支路中，串入对方的动断触点。

利用接触器动断触点的互锁也称为电气互锁。

3．正、反转控制过程如下：
正转过程：±
stF
SB——+自F
KM——+M（正转）
—-
R
KM（互锁）
停止过程：±
stP SB ——-F KM ——
-
M
（停止）。

反转过程：±
stR
SB ——+
自
R KM ——
+
M
（反转）
—-
F
KM （互锁）
4．正、反转直接过渡，如图6.12所示（复合按钮，机械互锁）。

图6.12 机械互锁正、反转电路
正、反转控制过程如下： 正转过程：±
stF
SB ——-
R
KM
（互锁）
—+
自
F KM —+
M
（正转）
反转过程：±
stR
SB ——-F
KM ——
-
M
（正转停止）
—+自
R KM —+
M
（反转）
5．双重互锁，如图6.13所示。

小结作业
图6.13双重互锁正、反转电路
双重互锁电动机正、反转控制过程如下：
正转过程：±
stF
SB——-R
KM（机械互锁）
—+
自
F
KM——+M（正转）
—-
R
KM（电气互锁）
反转过程：±
stR
SB——-F
KM——-M（正转停止）
—+
自
R
KM——+M（反转）
—-
F
KM（电气互锁）1．直接起动控制电路。

自锁（自保）是接触器辅助动合触点并联在起动按钮两端形成自锁支路。

2．正、反转控制电路。

互锁电路分为电气互锁（由接触器动断触点实现），机械互锁（复合按钮实现）和双重互锁（既有电气互锁，又有机械互锁）三种。

习题。