电动机的控制系统

5.1.2 三相异步电机的转矩特性与机械特性

1．电磁转矩（简称转矩）

异步电动机的转矩T 是由旋转磁场的每极磁通F 与转子电流I2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I 及旋转磁场的强弱有关。

经理论证明，它们的关系是：

（5-4）

其中 T 为电磁转矩 KT 为与电机结构有关的常数

F 为旋转磁场每个极的磁通量 I2为转子绕组电流的有效值 j2为转子电流滞后于转子电势的相位角

若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为： （5-5）

其中 为常数 U1为定子绕组的相电压

S 为转差率 R2为转子每相绕组的电阻

X20为转子静止时每相绕组的感抗

由上式可知，转矩T 还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T 还受转子电阻R2的影响。图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。

2．机械特性曲线

图 5-5 三相异步电动机的机械特性曲线

在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T 与转差率n 之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。

在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：

1）．额定转矩TN

额定转矩TN 是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。

（5-6）

式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n 的单位是转/分，TN 的单位是牛·米。

当忽略电动机本身机械摩擦转矩T0时，阻转矩近似为负载转矩TL ，电动机作等速旋转时，电磁转矩T 必与阻转矩TL 相等，即T= TL。额定负载时，则有TN= TL。

2）．最大转矩Tm

Tm 又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。

最大转矩的转差率为Sm ，此时的Sm 叫做临界转差率，见图5-5（a ）

最大转矩Tm 与额定转矩TN 之比称为电动机的过载系数l ，即

l= Tm/ TN

一般三相异步的过载系数在1.8~2.2之间。

在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。

3）．起动转矩Tst ，

Tst 为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s ＝１时的转矩。

为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：TstTN ，一般的三相异步电动机有Tst/TN=1~2.2。

3．电动机的负载能力自适应分析

电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T 的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。

直至新的平衡。此过程中，时， 电源提供的功率自动增加。

总结：

1、电磁转矩T 的大小与转子绕组中的电流I 及旋转磁场的强弱有关。

转矩T 还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T 还受转子电阻R2的影响。

2、在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T 与转差率n 之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线。其特性见图5-5

3、三个转矩：

1）．额定转矩TN

额定转矩TN 是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。

2）．最大转矩Tm

Tm 又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。

3）．起动转矩Tst ，

Tst 为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s ＝１时的转矩。

4、电动机的负载能力自适应分析

电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T 的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。

5.2．三相异步电动机的使用

电动机或其他电气设备电路的接通或断开，目前普遍采用继电器、接触器、按钮及开关等控制电器来组成控制系统。这种控制系统一般称为继电——接触器控制系统。

任何复杂的控制电路，都是由一些基本的单元电路组成的。因此，在本节中我们主要讨论继电——接触器控制的一些基本电路。

要弄清一个控制电路的原理，必须了解其中各个电器元件的结构，动作原理以及它们的控制作用。电器的种类繁多，可分为手动的和自动的两类。手动电器是由工作人员手动操纵的，例如刀开关、点火开关等。而自动电器则是按照指令、信号或某个物理量的变化而自动动作的，例如各种继电器、接触器、电磁阀等。因此本节首先对这些常用控制电器作简单介绍。

5.2.1． 常用低压电器介绍

1．手动电器

1）．刀开关

> 刀开关又叫闸刀开关，一般用于不频繁操作的低压电路中，用作接通和切断电源，有时也用来控制小容量电动机的直接起动与停机。

> 刀开关由闸刀（动触点）、静插座（静触点）、手柄和绝缘底板等组成。

> 刀开关的种类很多。按极数（刀片数）分为单极、双极和三极；按结构分为平板式和条架式；按操作方式分为直接手柄操作式、杠杆操作机构式和电动操作机构式；按转换方向分为单投和双投等。 图5-6 刀开关的电路符号

> 刀开关一般与熔断器串联使用，以便在短路或过负荷时熔断器熔断而自动切断电路。 > 刀开关的额定电压通常为250V 和500V ，额定电流在1500A 以下。

> 考虑到电机较大的起动电流，刀闸的额定电流值应如下选择：3~5倍异步电机额定电流

2）．按钮

按钮常用于接通、断开控制电路，它的结构和电路符号见图5-7。

按钮上的触点分为常开触点和常闭触点，由于按钮的结构特点，按钮只起发出“接通”和“断开”信号的作用。

图 5-7 按钮的结构和符号

2．自动电器

1）．熔断器

> 熔断器主要作短路或过载保护用，串联在被保护的线路中。线路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当线路短路或过载时熔断器熔断，起到保护线路上其他电器设备的作用。 > 熔断器的结构有管式、磁插式、螺旋式、等几种。其核心部分熔体（熔丝或熔片）是用电阻率较高的易熔合金制成，如铅锡合金；或者是用截面积较小的导体制成。

> 熔体额定电流的选择：

1．无冲击电流的场合（如电灯、电炉）； 图5-8 熔断器的电路符号

2．一台电动机的熔体：熔体额定电流≥电动机的起动电流÷2.5；

如果电动机起动频繁，则为：熔体额定电流≥电动机的起动电流÷(1.6~2)；

3．几台电动机合用的总熔体：熔体额定电流=(1.5~2.5)×容量最大的电动机的额定电流+其余电动机的额定电流之和。

2）．交流接触器

接触器是一种自动开关，是电力拖动中主要的控制电器之一，它分为直流和交流两类。其中，交流接触器常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路。图5-9是交流接触器的主要结构图。接触器主要由电磁铁和触头两部分组成。它是利用电磁铁的吸引力而动作的。当电磁线圈通电后，吸引山字形动铁心 (上铁心) ，而使常开触头闭合。

图5-9 接触器工作原理图

根据用途不同，接触器的触头分主触头和辅助触头两种。辅助触头通过的电流较小，常接在电动机的控制电路中；主触头能通过较大电流，常接在电动机的主电路中。如CJl0-20

型交流接触器有三个常开主触头和四个辅助触头 (两个常开，两个常闭) 。

当主触头断开时，其间产生电弧，会烧坏触头，并使电路分断时间拉长，因此，必须采取灭弧措施。通常交流接触器的触头都做成桥式结构，它有两个断点，以降低触头断开时加在断点上的电压，使电弧容易熄灭，同时各相间装有绝缘隔板，可防止短路。在电流较大的接触器中还专门设有灭弧装置。

接触器的电路符号见图5-10，

接触器线圈

主触头－－用于主电路

辅助触头－－用于控制电路

图 5-10 接触器电路符号

在选用接触器时，应注意它的额定电流、线圈电压及触头数量等。CJl0系列接触器的主触头额定电流有5、10、20、40、75、120A 等数种。

3）．中间继电器

中间继电器的结构与接触器基本相同，只是体积较小，触点较多，通常用来传递信号和同时控制多个电路，也可以用来控制小容量的电动机或其他执行元件。

常用的中间继电器有JZ7系列，触点的额定电流为5A ，选用时应考虑线圈的电压。

4）．热继电器

热继电器是用来保护电动机，使之免受长期过载危害的继电器。

热继电器是利用电流的热效应而动作的，它的工作原理如图5-11所示。图中热元件是一段电阻不大的电阻丝，接在电动机的主电路中的双金属片，由两种具有不同线膨胀系数的金属采用热和压力辗压而成，亦可采用冷结合，其中，下层金属的膨胀系数大，上层的小。当主电路中电流超过容许值，双金属片受热向上弯曲致使脱扣，扣板在弹簧的拉力下将常闭触头断开。触头是接在电动机的控制电路中的，控制电路断开使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。

由于热惯性，热继电器不能作短路保护，因为发生短路事故时，我们要求电路立即断开，而热继电器是不能立即动作的。但是这个热惯性又是合乎我们要求的，比如在电动机起动或短时过载时，由于热惯性热继电器不会动作，这可避免电动机的不必要的停车。如果要热继电器复位，则按下复位按钮即可。

图5-11 热继电器工作原理图

常用的热继电器有JR0、JRl0及JRl6等系列。热继电器的主要技术数据是整定电流。所谓整定电流，就是热元件通过的电流超过此值的20%时，热继电器应当在20min 内动作。JR0一40型的整定电流从0.6A 一40A 有9种规格。选用热继电器时，应使其整定电流与电动机的额定电流基本上一致。

5）．行程开关

行程开关结构与按钮类似，但其动作要由机械撞击。用作电路的限位保护、行程控制、自动切换等。

图 5-12 行程开关结构示意图和电路符号

5.2.2三相异步电动机技术数据及选择

1．三相异步电动机技术数据

每台电动机的机座上都装有一块铭牌。铭牌上标注有该电动机的主要性能和技术数据。 三相异步电动机型 号 Y132M-4功 率 7.5kW频 率 50Hz电 压 380V电 流 15.4A接 法 D转 速 1440r/min绝缘等级 E工作方式 连续温

升 80℃防护等级 IP44重 量 55Kg 年 月 编号 ??电机厂1）．型号

为不同用途和不同工作环境的需要，电机制造厂把电动机制成各种系列，每个系列的不同电动机用不同的型号表示。如

Y315S6三相异步电动机机座中心高

mm 机座长度代号

S ：短铁心

M ：中铁心

L ：长铁心磁极数2）．接法

接法指电动机三相定子绕组的联接方式。

一般鼠笼式电动机的接线盒中有六根引出线，标有U1、V1、W1、U2、V2、W2，其中： U1、V1、 W1是每一相绕组的始端

U2、V2、 W2是每一相绕组的末端

三相异步电动机的联接方法有两种：星形（Y ）联接和三角形（D ）联接。通常三相异步电动机功率在4kW 以下者接成星形；在4kW （不含）以上者，接成三角形。

3）．电压

铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%。

必须注意：在低于额定电压下运行时，最大转矩Tmax 和启动转矩Tst 会显著地降低，这对电动机的运行是不利的。

三相异步电动机的额定电压有380V 、3000V 及6000V 等多种。

4）．电流

铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的最大线电流允许值。

当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之间相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流都随着相应增大。

5）．功率与效率

铭牌上所标的功率值是指电动机在规定的环境温度下，在额定运行时电极轴上输出的机械功率值。输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗等。

所谓效率h 就是输出功率与输入功率的比值。一般鼠笼式电动机在额定运行时的效率约为72%—93%。

6）．功率因数

因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个j 角，cosj 就是电动机的功率因数。 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7~0.9，而在轻载和空载时更低，空载时只有0.2~0.3。

选择电动机时应注意其容量，防止“大马拉小车”，并力求缩短空载时间。

7）．转速

电动机额定运行时的转子转速，单位为转/分。

不同的磁极数对应有不同的转速等级。最常用的是四个级的（n0=1500r/min）。

8）．绝缘等级

绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。 所谓极限温度是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度。

绝缘等级环境温度40℃时的容许温升极限允许温度A65℃105℃E80℃120℃B90℃

130℃2．三相异步电动机的选择

正确选择电动机的功率、种类、型式是极为重要的。

1）．功率的选择

电动机的功率根据负载的情况选择合适的功率，选大了虽然能保证正常运行，但是不经济，电动机的效率和功率因数都不高；选小了就不能保证电动机和生产机械的正常运行，不能充分发挥生产机械的效能，并使电动机由于过载而过早地损坏。

（1）连续运行电动机功率的选择

对连续运行的电动机，先算出生产机械的功率，所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械的功率即可。

（2）短时运行电动机功率的选择

如果没有合适的专为短时运行设计的电动机，可选用连续运行的电动机。由于发热惯性，在短时运行时可以容许过载。工作时间愈短，则过载可以愈大。但电动机的过载是受到限制的。通常是根据过载系数l 来选择短时运行电动机的功率。电动机的额定功率可以是生产机械所要求的功率的1/l。

2）．种类和型式的选择

（1）．种类的选择

选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等方面来考虑的。

① 交、直流电动机的选择

如没有特殊要求，一般都应采用交流电动机。

② 鼠笼式与绕线式的选择

三相鼠笼式异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便，但调速困难，功率因数较低，起动性能较差。因此在要求机械特性较硬而无特殊调速要求的一般生产机械的拖动应尽可能采用鼠笼式电动机。

因此只有在不方便采用鼠笼式异步电动机时才采用绕线式电动机。

（2）．结构型式的选择

电动机常制成以下几种结构型式：

① 开启式

在构造上无特殊防护装置，用于干燥无灰尘的场所。通风非常良好。

② 防护式

在机壳或端盖下面有通风罩，以防止铁屑等杂物掉入。也有将外壳做成挡板状，以防止在一定角度内有雨水滴溅入其中。

③ 封闭式

它的外壳严密封闭，靠自身风扇或外部风扇冷却，并在外壳带有散热片。在灰尘多、潮湿或含有酸性气体的场所，可采用它。

④ 防爆式

整个电机严密封闭，用于有爆炸性气体的场所。

（3）．安装结构型式的选择

① 机座带底脚，端盖无凸缘（B3）

② 机座不带底脚，端盖有凸缘（B5）

③ 机座带底脚，端盖有凸缘（B35）

（4）．电压和转速的选择

① 电压的选择

电动机电压等级的选择，要根据电动机类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。Y 系

列鼠笼式电动机的额定电压只有380V 一个等级。只有大功率异步电动机才采用3000V 和6000V 。

② 转速的选择

电动机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的。但通常转速不低于500r/min。因为当功率一定时，电动机的转速愈低，则其尺寸愈大，价格愈贵，且效率也较低。因此就不如购买一台高速电动机再另配减速器来得合算。

异步电动机通常采用4个极的，即同步转速n0=1500r/min。

例 有一Y225M-4型三相鼠笼式异步电动机，额定数据如下：试求（1）额

定电流；（2）额定转差率SN ；（3）额定转矩TN 、最大转矩Tmax 、起动转矩Tst 。

功率转速电压效率功率因数Ist/INTst/TNTmax/TN(l)45kW1480r/min380V92.3%0.887.01.92.2解：（1）4-10Kw 电动机通常都采用380V/△接法

（2）已知电动机是四极的，即所以

（3）

总结：

1、控制电器是指在电路中起通断、保护、控制或调节作用的器件。继电器—接触器控制系统通常使用500V 以下的低压控制电器。

2、电动机的铭牌数据用来标明电动机的额定值和主要技术规范，在使用中应遵守铭牌的规定。

3、选择电动机时，应根据负载和使用环境的实际情况进行选择，选择时应注意电动机的功率应尽可能与负载相匹配，既不宜“大”，更不宜“小马拉大车”。

5.2.3．异步电动机的启动与调速分析

1．起动特性分析

（1）起动电流Ist

在刚起动时，由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速，磁力线切割转子导体的速度很快，这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流均很大，同时，定子电流必然也很大。一般中小型鼠笼式电动机定子的起动电流可达额定电流的5~7倍。

注意： 在实际操作时应尽可能不让电动机频繁起动。如在切削加工时，一般只是用摩擦离合器或电磁离合器将主轴与电机轴脱开，而不将电动机停下来。

（2）起动转矩Tst

电动机起动时，转子电流I2虽然很大，但转子的功率因数cosj2很低，由公式可知，电动机的起动转矩T 较小，通常。

起动转矩小可造成以下问题：（1）会延长起动时间。（2）不能在满载下起动。因此应设法提高。但起动转矩如果过大，会使传动机构受到冲击而损坏，所以一般机床的主电动机都是空载起动（起动后再切削），对起动转矩没有什么要求。

综上所述，异步电机的主要缺点是起电流大而起转矩小。因此，我们必须采取适当的起动方法，以减小起动电流并保证有足够的起转矩。

2．鼠笼式异步电动机的起动方法

1）．直接起动

直接起动又称为全压起动，就是利用闸刀开关或接触器将电动机的定子绕组直接加到额定电压下起动。

这种方法只用于小容量的电动机或电动机容量远小于供电变压器容量的场合。

2）．降压起动

在起动时降低加在定子绕组上的电压，以减小起动电流，待转速上升到接近额定转速时，再恢复到全压运行。

此方法适于大中型鼠笼式异步电动机的轻载或空载起动。

① 星形--三角形（Y--D ）换接起动

起动时，将三相定子绕组接成星形，待转速上升到接近额定转速时，再换成三角形。这样，在起动时就把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的。

此方法只能用于正常工作时定子绕组为三角形联接的电动机。

这种换接起动可采用星三角起动器来实现。星三角起动器体积小、成本低、寿命长、动作可靠。

② 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。如图8-9所示，起动时，先把开关Q2扳到“起动”位置，当转速接近额定值时，将Q2扳向“工作”位置，切除自耦变压器。

采用自耦降压起动，也同时能使起动电流和起动转矩减小。

正常运行作星形联接或容量较大的鼠笼式异步电动机，常用自耦降压起动。

3．三相异步电动机的调速

调速就是在同一负载下能得到不同的转速，以满足生产过程的要求。

调速的方法

可见，可通过三个途径进行调速：改变电源频率f ，改变磁极对数p ，改变转差率S 。前两者是鼠笼式电动机的调速方法，后者是绕线式电动机的调速方法。

（1） 变频调速

此方法可获得平滑且范围较大的调速效果，且具有硬的机械特性；但须有专门的变频装置——由可控硅整流器和可控硅逆变器组成，设备复杂，成本较高，应用范围不广。

（2） 变极调速

此方法不能实现无极调速，但它简单方便，常用于金属切割机床或其他生产机械上。

（3） 转子电路串电阻调速

在绕线式异步电动机的转子电路中，串入一个三相调速变阻器进行调速。

此方法能平滑地调节绕线式电动机的转速，且设备简单、投资少；但变阻器增加了损耗，故常用于短时调速或调速范围不太大的场合。

以上可知，异步电动机的各种调速方法都不太理想，所以异步电动机常用于要求转速比较稳定或调速性能要求不高的场合。

4．三相异步电动机的制动

制动是给电动机一个与转动方向相反的转矩，促使它在断开电源后很快地减速或停转。 对电动机制动，也就是要求它的转矩与转子的转动方向相反，这时的转矩称为制动转矩。 常见的电气制动方法有：

（1）反接制动