1、机床电气控制技术第1章 交直流电机基础 1.1机床电气控制概述 1.2直流电机基础 1.3交流电机基础下一页返回第2章机床常用电器及选择 2.1常用电工工具介绍 2.2低压电器的基本知识 2.3开关电器 2.4主令电器 2.5熔断器上一页 下一页返回第2章机床常用电器及选择 2.6低压断路器 2.7接触器 2.8继电器 2.9电动机的保护环节 2.10低压电器常见故障分析上一页 下一页返回第3章机床电气控制的基本环节 3.1 机床电气原理图及绘制 3.2 三相笼型异步电动机的启动控制电路 3.3 三相笼型异步电动机的正反转控制电路 3.4 三相笼型异步电动机的制动控制电路 3.5 直流电动机控
2、制电路 3.6 电液控制上一页 下一页返回第4章 普通机床电气控制电路 4.1 普通车床电气控制电路 4.2 普通铣床的电气控制电路 4.3普通镗床电气控制电路 4.4 M7130型卧轴矩台平面磨床电气控制电路 4.5摇臂钻床的电气控制 4.6组合机床电气控制电路 4.7机床电气控制电路的设计上一页 下一页返回第5章 可编程序控制器 5.1 PLC概述 5.2 PLC的组成及工作原理 5.3可编程序控制器的指令系统 5.4 OMRON系列PLC介绍 5.5西门子S7-200系列PLC介绍 5.6 PLC组成的控制系统设计 5.7PLC应用举例上一页 下一页返回第6章 数控机床电气控制电路分析
3、6.1数控机床控制系统的组成 6.2数控机床控制系统 6.3进给运动控制(插补)6.4数控机床的发展 6.5 TK1640数控车床电气控制电路的特点分析 6.6 XK714A数控铣床电气控制电路特点分析 6.7 XH714立式加工中心电气控制电路特点分析上一页返回第1章 交直流电机基础 1.1机床电气控制概述 1.2直流电机基础 1.3交流电机基础返回1.1 机床电气控制概述 1.1.1本课程的性质和基本要求 机床电气控制是机械专业的一门专业基础课程。本课程的主要内容是介绍机床电气控制系统中电器元件的基本结构和工作原理、机床电气线路图分析、电气线路设计和应用的基础理论和基本知识。本课程内容涉及
4、面较广，不仅局限于金属切削机床，也适用于其他机械设备。机床是机械制造中的主要加工设备，它的质量、自动化程度以及应用先进技术的状况直接反映了机械工业的发展水平，机床加工自动化对提高生产效率、保证产品质量和减轻体力劳动起着重要的作用。现代科学技术的发展进步为生产过程自动化的进一步发展创造了有利的条件。下一页返回1.1 机床电气控制概述 控制技术、微电子技术和计算机技术等领域中的一些最新研究成果在机床控制系统中得到了广泛的应用。从采用的电气控制系统的先进性、复杂性来看，机床是机械制造行业的各种机械设备中最典型的代表。作为一个机械工程技术人员，必须要掌握与机床电气控制有关的基本理论。通过学习本门课程，
5、学生应达到下列各项基本要求:熟悉机床电气控制的基础理论及控制方法;熟悉机床常用的电器元件及其选用;熟悉机床控制电路的基本环节、控制逻辑及其基本的设计方法;熟悉常用的机床电路，并具备一定的机床电路故障分析及处理能力;上一页 下一页返回1.1 机床电气控制概述 初步掌握可编程序控制器的工作原理、指令系统、编程特点和方法，能合理选择控制设置，能根据用户生产工艺过程控制的要求编制控制程序，经调试后可应用于生产过程。1.1.2机床电气控制的发展 随着科学技术的发展，对生产工艺过程不断提出新的要求，机床电气控制装置也不断更新。在控制方法上，主要是从手动控制到自动控制;在控制功能上，从简单到复杂;在操作上，
6、由笨重到轻巧;从控制原理上，由单一的有触点硬接点的继电控制系统转为以微处理器为中心的软控制系统。新的控制理论和新的电器及电子器件的出现，不断地推动着机床电气控制技术的发展。上一页 下一页返回1.1 机床电气控制概述 在20世纪20年代至30年代，主要采用继电器接触器的控制方式。这种控制方式的优点是结构简单、价格低廉、维护方便、抗干扰能力强。因此被广泛地应用于各类机床和机械设备，采用这种控制方式不仅可以方便地实现生产工艺过程自动化，而且还可以实现集中控制和远程控制。目前，继电器一接触器控制仍然是我国机床和其他机械设备最基本的电气控制方式之一。继电器一接触器控制系统的缺点是:由于采用固定接线方式，
7、所以在进行程序控制时，不易改变控制逻辑程序，灵活性差;由于继电控制采用有触点开关方式，所以动作频率不允许过高，触点寿命短、易损坏。上一页 下一页返回1.1 机床电气控制概述 20世纪40年代至50年代，出现了磁放大器电动机控制系统，这是一种闭环反馈控制系统，通过反馈作用可以自动进行调整，对偏差进行纠正，系统的控制精度、控制速度等性能指标都有提高。20世纪60年代出现了晶体管晶闸管控制，发展到20世纪70年代形成了集成电路放大器一晶闸管控制。由晶闸管供电的直流调速系统和交流调速系统不仅使调速性能得到较大改善，而且减少了机电设备和占地面积，减少了损耗，提高了经济性。在20世纪70年代后期，随着大规
8、模集成电路和微处理器技术的发展和运用，出现了采用软件手段来实现各种程序控制的功能，以微处理器为核心的新型工业控制器可编程序控制器利用微处理器的基本逻辑运算功能来进行控制编程，这种器件完全能适应恶劣的工业环境。上一页 下一页返回1.1 机床电气控制概述 由于它兼备了计算机控制系统和继电控制系统两方面的优点，目前在工业控制中展现出了强劲的发展势头，已被世界各国作为一种标准化通用装置普遍用于工业控制。为了解决占机械加工总量80%左右的单件和小批量生产自动化，以提高生产效率、提高产品质量和降低劳动强度，在20世纪50年代出现了数控机床，它是一种具有广泛通用性的高效率自动化机床。如今它综合应用了电子技术
9、、检测技术、计算机技术、自动控制和机床结构设计等技术领域内的最新技术成果，在一般数控机床的基础上，发展成为附带自动换刀和自适应等功能的复杂数控系列产品。上一页 下一页返回1.1 机床电气控制概述 它能对多道工序的工件进行连续加工，节省了夹具，缩短了定位，对刀等辅助时间，提高了工作效率和产品质量，成功地取代了以往靠模板、凸轮、专用夹具、刀具等来实现顺序加工的自动机床、组合机床和专用机床。随着计算机应用技术地迅速发展，数控机床的应用日益广泛，进一步推动了数控系统的发展，因此产生了自动编程系统、计算机控制系统(CNC)、计算机群控系统(DNC)和柔性制造系统(FMS)。上一页 下一页返回1.1 机床
10、电气控制概述 FMS是把一组数控机床与工件、刀具、夹具等用自动传递连接起来，并在计算机的统一控制下形成一整套管理和制造相结合的生产体系。这就组成了计算机群控自动线，或称柔性制造系统。当今的计算机集成制造系统(CIMS)和设计制造一体化(CAD/CAM)代表了机械制造自动化的一个新的发展阶段，实现了从产品设计到制造的全部自动化。上一页返回1.2直流电机基础 直流电机是一种能将直流电能与机械能进行相互转换的电气装置，包括直流电动机与直流发电机两大类。能将直流电能转换成机械能的称直流电动机;能将机械能转换成直流电能的则称直流发电机。直流电机的主要优点是调速范围广，平滑性、经济性及启动性能好，抗过载能
11、力较大，广泛用于对调速性能要求较高的生产机械。因此在冶金、船舶、纺织、高精度机床加工等大中型工业企业中都大量地采用直流电机拖动。直流电机的主要缺点是存在换向问题。因此其制造工艺复杂、价格昂贵、维护技术要求较高。下一页返回1.2直流电机基础 1.2.1直流电机结构及其原理 直流电机是一种旋转电器，主要完成直流电能与机械能的转换。能将直流电能转换成机械能的旋转电器称直流电动机或称其工作于直流电动状态;而将机械能转换成电能的旋转电器，则称为直流发电机或称其工作于直流发电状态。直流电动机和直流发电机在结构上没有根本区别，只是由于工作原理不同，从而得到相反的能量转换过程。1.直流电机的结构(1)直流电机
12、的基本结构 直流电机在结构上可概括地分为静止和转动两大部分。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 其静止的部分称为定子;转动的部分称为转子(电枢)，这两部分由空气隙分开，其结构如图1-1所示。定子部分。定子由主磁极、机座、换向极、端盖及电刷等装置组成。主磁极:其作用是产生恒定的主磁场，由主磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组组成。铁芯的上部叫极身，下部叫极靴。极靴的作用是减小气隙磁阻，使气隙磁通沿气隙均匀分布。铁芯通常用低碳钢片冲压叠成。其目的是为了减小励磁涡流损耗。机座:其作用有两个，一是作为各磁极间的磁路，这部分称为定子的磁扼;二是作为电机的机械支撑。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 换向极
13、:换向极的作用是改善直流电机的换向性能，消除直流电机带负载时换向器产生的有害火花。换向极的数目一般与主磁极数目相同，只有小功率的直流电机不装换向极或装设只有主磁极数一半的换向极。电刷装置:其作用有两个，一是使转子绕组与电机外部电路接通;二是与换向器配合，完成直流电机外部直流电与内部交流电的互换。转子部分。转子是直流电机的重要部件。由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生的，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。电枢主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 电枢铁芯:其作用有两个，一是作为磁路的一部分;二是将电枢绕组安放在铁芯的槽
14、内。为了减小由于电机磁通变化产生的涡流损耗，电枢铁芯通常采用0.350.5 mm硅钢片冲压叠成。电枢绕组:电枢绕组的作用是产生感生电动势和电磁转矩。从而实现电能和机械能的相互转换。它是由许多形状相同的线圈按一定的排列规律连接而成。每个线圈的两个边分别嵌在电枢铁芯的槽里，在槽内的这两个边，称为有效边。换向器:换向器是直流电机的关键部件，它与电刷配合，在直流电机中能将电枢绕组中的交流电动势或交流电流转变成电刷两端的直流电动势或直流电流。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 2.直流电动机工作原理 直流电动机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作的。直流电动机的工作原理是建立在电磁力基础理论上的
15、，通过电磁关系，将电能转换成机械能。这一理论有两个基本的条件，一是要有恒定的磁场，二是在磁场中的导体要有电流。直流电动机要想将电能转换成机械能，拖动负载工作，首先要在励磁绕组上通入直流励磁电流，产生所需要的磁场，再通过电刷和换向器向电枢绕组通入直流电流，提供电能，于是电枢电流在磁场的作用下产生电磁转矩，驱动电机转动。图1-2所示为直流电动机工作原理模型。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 把电刷A,B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。根据毕-萨电磁力定律可知导体每边所受电磁力的大小为 其中:I为导体中流过的电流，单位为A;f为电磁力，单位
16、为N。导体受力方向由左手定则确定。在图1-2(a)所示情况下，位于N极下的导体ab的受力方向为从右向左，而位于S极下的导体cd的受力方向为从左向右。该电磁力与转子半径之积即为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转。当电枢旋转到图1-2 (b)所示位置时，原来位于S极下的导体cd转到N极下，其受力方向变为从右向左;而原来位于N极下的导体ab转到S极下，导体ab受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极下导体所受力
17、的方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。实际直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。电动机的启动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 电动机启动瞬间(n=0)的电磁转矩称为启动转矩，此时所对应的电流称为启动电流，分别用Tst、Ist表示。启动转矩为 如果他励直流电动机在额定电压下直接启动，由于启动瞬间n=0，电枢电动势E =0，故启动电流为上一页 下一页返回1.2直流电机基础 对直流电动机的启动，一般有如下要求:要有足够大的启动转矩;启动电流要限制在一定的范围内;启动设备要简单、可靠。为了限制启动电流，他励直流电动
18、机通常采用电枢回路串入电阻启动或降低电枢电压的启动方式。1.2.2电枢回路串电阻启动 1.启动过程上一页 下一页返回1.2直流电机基础 启动前应使励磁回路的调节电阻Rsf=0，这样励磁电流If和磁通最大，电枢回路串入启动电阻Rst，在额定电压下的启动电流为 启动电阻Rst的值应保证Ist 不大于允许值，对于普通直流电动机，一般要求Ist(1.52)IN。在Tst的作用下，电动机开始转动并逐渐加速，随着转速的逐渐升高，电枢电动势(反电动势)Ea逐渐增大，电枢电流逐渐减小，电磁转矩也随之减小，转速上升的加速度逐渐变缓。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 为了缩短启动时间，随着电动机转速的提高，应
19、逐级切除启动电阻，最后使电动机的转速达到额定值。一般串入的启动电阻为25级，在启动过程中逐级切除。启动电阻的级数越多，启动过程就越平稳。但级数越多，所需的设备投资越大，设备维护的工作量越大。图1-3是采用三级电阻启动时电动机的电路原理及其机械特性。分级启动电阻的计算。现以图1-3为例，推导各级启动电阻的计算公式。设图中对应于转速为n1,n2,n3时的电枢电动势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则图1-3中b,c,d,e,f,g各点的电压平衡方程式如式(1-5)所示。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 比较式(1-5)中的六式可得上一页 下一页返回1.2直流电机基础 将启动过程中的最大电流 I1与
20、切换电流I2之比定义为启动电流比(也称启动转矩比)，则在已知和电枢电阻Ra的前提下，各级串联电阻值可按式(1-7)中各式计算。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 若已知启动电阻的级数m，启动电流比可按式(1-8)计算。若已知启动电流比，也可利用式(1-8)求出启动电阻的级数m，必要时应修改值使m为整数。计算各级启动电阻的步骤如下:估算或查出电枢电阻Ra;根据过载倍数选取最大转矩T1对应的最大电流 I1;选取启动级数m;上一页 下一页返回1.2直流电机基础 计算启动电流比 计算转矩T2=T1/，检验T2(1.11.3)TL是否成立，如果不满足，应另选T1或m值，并重新计算，直至满足该条件为止。
21、电枢电阻Ra可用实测的方法求得，也可用式(1-9)进行估算 过载倍数T用于描述电动机的过载能力，对于直流电动机过载倍数T为最大电流与额定电流之比上一页 下一页返回1.2直流电机基础 2.降压启动 当直流电源电压可调时，可以采用降压方法启动。启动时，以较低的电源电压启动电动机，启动电流便随电压的降低而减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使启动电流和启动转矩保持在一定的数值上，从而保证电动机按需要的加速度升速。可调压的直流电源，在过去多采用直流的发电机一电动机组，现正被晶闸管整流电源取代。降压启动虽然需要专用电源，设备投资较大，但启动平稳，启动过程中能量损耗小，因而得
22、到了广泛应用。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 1.2.3直流电动机的制动 根据电磁转矩Tem和转速n方向之间的关系，可以把电机分为两种运行状态。当Tem与n同方向时，称为电动运行状态，简称电动状态;当Tem与n反方向时，称为制动运行状态，简称制动状态。电动状态时，电磁转矩为驱动转矩;制动状态时，电磁转矩为制动转矩。他励直流电动机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。1.能耗制动 图1-4是能耗制动的接线图。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 开关S接电源侧为电动状态运行，此时电枢电流Ia、电枢电动势Ea、转速n及驱动性质的电磁转矩Tem的方向如图1-4所示。初始制动时，因为磁通
23、保持不变、电枢存在惯性，其转速，*不能马上降为零，而是保持原来的方向旋转，于是n和Ea，的方向均不改变。制动运行时动能转换成电能，并消耗在电阻(Ra+RB)上，直到电动机停止转动为止，所以这种制动方式称为能耗制动。能耗制动时的机械特性，就是在U=0、条件下的一条人为机械特性，即 （1-11）上一页 下一页返回1.2直流电机基础 可见，能耗制动时的机械特性是一条通过坐标原点的直线，其理想空载转速为零，其斜率与电动状态下电枢串电阻RB时人为特性的斜率相同，如图1-5中直线BC所示。能耗制动时，电动机工作点的变化情况可用机械特性曲线说明。设制动前工作点在固有特性曲线A点处，其n 0,Tem 0，Te
24、m 为驱动转矩。开始制动时，因n不突变，工作点将沿水平方向跃变到能耗制动特性曲线上的B点。在B点，n0，Tem U，电枢电流反向，电磁转矩的方向也随之改变，由驱动转矩变成制动转矩。从能量传递方向看，此时电动机处于发电状态，将机械能变换成电能回馈给电网，因此称这种状态为回馈制动状态。回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运行在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械特性曲线位于第二象限，反向回馈制动时位于第四象限，如图1-9中的n0DA段和-n0D B段。电力拖动系统出现回馈制动状态有以下几种情况。上一页 下一页返回1.2直流电机基础(1)电压反接制动时的回馈制动(2)电车下坡时
25、的回馈制动(3)降低电枢电压调速时的回馈制动(4)调磁调速过程中出现的回馈制动 如图1-11所示。回馈制动时，由于有功率回馈到电网，因此与能耗制动和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。4.直流电动机的反转 直流电动机的转向是由电枢电流方向和主磁场方向确定的，要改变其转向，一是改变电枢电流的方向，二是改变励磁电流的方向(即改变主磁场的方向)。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 如果同时改变电枢电流和励磁电流的方向，则电动机的转向不会改变。改变直流电动机的转向，通常采用改变电枢电流方向的方法，具体就是改变电枢两端的电压极性，或者说把电枢绕组两端换接，而很少采用改变励磁电流方向的方法。1.2.4直
26、流电动机调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合起来调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速;通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。本节只介绍他励直流电动机的电气调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，从而使负载工作点发生变化，转速随之变化。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 可见，在调速前后，电动机必然运行在不同的机械特性上。根据他励直流电动机的转速公式(式1一17)可知:因此，他励直流电动机具有三种调速方法:调压调速、电枢串联电阻调速和调磁调速。为了评价各种调速方法的优缺点，对调速方法提出了一定的技术经济指标，称为调速指标。1.调速指
27、标的评价上一页 下一页返回1.2直流电机基础 评价调速性能好坏的指标有以下四个方面。(1)调速范围 调速范围是指电动机在额定负载下可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比，通常用D表示，即 不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求。要扩大调速范围，必须尽可能地提高电动机的最高转速和降低电动机的最低转速。电动机的最高转速受到电动机的机械强度、换向条件、电压等级方面的限制，而最低转速则受到低速运行时转速的相对稳定性的限制。上一页 下一页返回1.2直流电机基础(2)静差率(相对稳定性)转速的相对稳定性是指负载变化时，转速变化的程度。转速变化小，其相对稳定性好。转速的相对稳定性用静差率表示
28、。当电动机在某一机械特性上运行时，由理想空载增加到额定负载，电动机的转速降落 与理想空载转速n0之比，就称为静差率。显然，电动机的机械特性越硬，其静差率越小，转速的相对稳定性就越高。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 静差率与调速范围两个指标是相互制约的。若对静差率这一指标要求过高，即值越小，则调速范围D就越小;反之，若要求调速范围D越大，则静差率也越大，转速的相对稳定性也就越差。不同的生产机械，对静差率的要求不同，普通车床要求 30%，而高精度的造纸机则要求 0.1%。在保证一定静差率指标的前提下，要扩大调速范围，就必须减小转速降落nN，即必须提高机械特性的硬度。(3)调速的平滑性 在一定
29、的调速范围内，调速的级数越多，就认为调速越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数，用表示:上一页 下一页返回1.2直流电机基础 值越接近1，则平滑性越好，当=1时，称为无级调速。当调速不连续，级数有限时，称为有级调速。(4)调速的经济性 调速的经济性主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。2.调速方法(1)电枢回路串接电阻调速 电枢回路串接电阻调速的原理及调速过程可用图1-12说明。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 从图中可以看出，串入的电阻值越大，稳态转速就越低。调速过程中转速n和电流L。随时间的变化规律如图1-13所示。电枢串接电阻调速的优点是设备简单，操作方便。缺点如下:电阻只能分段
30、调节，所以调速的平滑性差;低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差;轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D 2;损耗较大，效率较低。所串接电阻越大，损耗越大，效率越低，所以这种调速方法是不太经济的。因此，电枢回路串接电阻调速的方式多用于对调速性能要求不高的生产机械上，如起重机、电车等。上一页 下一页返回1.2直流电机基础(2)降低电源电压调速 电动机的工作电压不允许超过额定电压，因此电枢电压只能在额定电压以下进行调节。降低电源电压调速的原理及调速过程如图1-14所示。从图中可以看出，电压越低，稳态转速越低。降压调速的特点为:电源电压能够平滑调节，可以实现无级调速;调速前后机
31、械特性曲线的斜率不变，硬度较高，负载变化时，速度稳定性好;无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.512;上一页 下一页返回1.2直流电机基础 电能损耗较小;需要一套电压可连续调节的直流电源，设备投资较大。(3)减弱磁通调速 额定运行的电动机，其磁路已基本饱和，即使励磁电流增加很大，磁通也增加很少，从电机的性能考虑也不允许磁路过饱和。因此，改变磁通只能从额定值往下调，调节磁通调速即是弱磁调速。其调速原理及调速过程如图1-15所示。减弱磁通调速的特点:控制方便，能量损耗小，设备简单，且调速平滑性好;上一页 下一页返回1.2直流电机基础 虽然弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但
32、由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此弱磁调速的经济性比较好;机械特性的斜率变大，特性变软;因为升速范围不可能很大，一般D 2.为了扩大调速范围，常常把降压和弱磁两种调速方法结合起来。在额定转速以下采用降压调速，在额定转速以上采用弱磁调速。3.调速方式与负载类型的配合(1)电动机的容许输出与充分利用上一页 下一页返回1.2直流电机基础 电动机的容许输出是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。容许输出的大小主要取决于电动机的发热，而电动机的发热又主要取决于电枢电流。因此，在一定的转速下，额定电流所对应的输出转矩和功率便是电动机的容许输出转矩和功率。所谓电动
33、机的充分利用，是指在一定的转速下，电动机的实际输出转矩和功率达到了它的容许输出值，即电枢电流达到了额定值。正确地使用电动机，应当使电动机既满足负载的要求，又使其得到充分利用，即保证电动机总是处于额定电流下工作。对于不调速的电动机，通常都工作在额定状态，电枢电流为额定值，所以恒转速运行的电动机一般都能得到充分利用。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 但是，当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总是保持为额定值，即电动机能否在不同的转速下都得到充分利用，这需要进一步研究。事实上，在调速状态下电动机能否充分利用与调速方式和负载类型的配合有关。(2)恒转矩与恒功率调速方式 以电动机在不同转速下
34、都能得到充分利用为条件，可以把他励直流电动机的调速分为恒转矩调速和恒功率调速两种方式。电枢串电阻调速和降压调速属于恒转矩调速方式，而弱磁调速属于恒功率调速方式。恒转矩调速。电枢串电阻调速和降压调速时，磁通 保持不变，如果在不同转速下保持电流 不变，即电动机得到充分利用，则电动机的容许输出转矩和功率分别为:上一页 下一页返回1.2直流电机基础 其中:C1为常数。由此可见，电枢串接电阻和降压调速时，电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值，故称为恒转矩调速方式。恒功率调速。恒功率调速时，磁通是变化的，在不同转速下，若保持 不变，则电动机的容许输出转矩和功率分别为:上一页 下一页返回1
35、.2直流电机基础 式中，C2为常数。由此可见，恒功率调速时，电动机的容许输出转矩与转速成反比，而且容许输出功率为恒值，故称之为恒功率调速方式。(3)调速方式与负载类型的配合上一页 下一页返回1.2直流电机基础 作为一种理想情况，调速运行的电动机其实际输出的转矩和功率应按图1-17所示的规律变化，在整个调速范围内的不同转速时，电动机都能得到充分利用。恒转矩负载配恒转矩调速方式。此时电动机的额定转速为系统的最高转速，如图1-18 (a)所示。恒功率负载配恒功率调速方式。恒功率调速时，转速是从额定转速往上调的，故电动机的额定转速为系统的最低转速，如图1-18(b)所示。恒转矩负载配恒功率调速方式。恒
36、转矩负载配恒功率调速方式，显然此时的负载转矩特性曲线与电动机的容许输出转矩特性曲线不可能重合。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 为了满足负载转矩的需要，二者的特性配合只能如图1-19 (a)所示，即使电动机容许输出转矩的最小值(此时转速最高)等于恒定的负载转矩。可见，恒转矩负载配恒功率调速方式时，只有在最高转速这一点上电动机才被充分利用。而在低于最高转速时，电动机的实际输出小于容许输出，电动机没有充分利用。恒功率负载配恒转矩调速方式。恒功率负载，其转矩与转速成反比变化;恒转矩调速方式时，电动机的容许输出转矩为常数。显然，此时的负载转矩特性曲线与电动机的容许输出转矩特性曲线也是不能重合的。为
37、了满足负载的需要，二者的特性配合只能使恒定的容许输出转矩等于变化的负载转矩的最大值(此时转速最低)。上一页 下一页返回1.2直流电机基础 可见，恒功率负载在恒转矩调速方式时，只有在最低转速时电动机才被充分利用，如图1-19 (b)所示。风机型负载与两种调速方式的配合。风机型负载和两种调速方式的特性配合如图1-20所示。因为负载转矩随转速n的升高而增大，为了使电动机在最高转速时(所需要的转矩最大)仍能满足负载的需要，应使上一页返回1.3交流电机基础 交流电机主要分为同步电机和感应电机两大类，在它们的工作原理和运行性能上有很大差别。同步电机的转速与电源频率之间有着严格的关系，感应电机的转速虽然也与
38、电源频率有关，但不像同步电机那样严格。同步电机主要用作发电机，目前交流发电机几乎都是采用同步发电机。感应电机则主要用作电动机，大部分生产机械用感应电动机作为原动机。1.3.1三相感应电动机的工作原理及结构 1.三相感应电动机的工作原理 在图1-21中，N极与S极是一对磁极，在两个磁极相对的空间里装有一个能够转动的圆柱形铁芯，在铁芯外圆槽内嵌放有导体，导体两端各用一圆环把它们连接成一整体。下一页返回1.3交流电机基础 如图1-21所示，如在某种因素的作用下，使磁极以n1的速度逆时针方向旋转，形成一个旋转磁场，转子导体就会切割磁力线而产生感应电动势e。用右手定则可以判定，在转子上半部分的导体中，感
39、应电动势的方向为 ，下半部分导体的感应电动势方向为。在感应电动势的作用下导体中就有电流 i，若不计电动势与电流的相位差，则电流i与电动势e同方向。载流导体在磁场中将受到电磁力的作用，由左手定则可以判定电磁力f的方向。电磁力f所形成的电磁转矩T使转子以n的速度旋转，旋转方向与磁场的旋转方向相同，这就是感应电动机的基本工作原理。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 转子转速n与旋转磁场转速n1之差称为转差 n，转差与磁场转速n1、之比，称为转差率s。转差率s是决定感应电动机运行情况的一个基本数据，也是感应电动机一个很重要的参数。2.三相感应电动机的结构 和其他旋转电机一样，感应电动机也是由定子和转
40、子两大部分组成。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 定子与转子之间为气隙，感应电动机的气隙比其他类型的电机要小得多，一般为0.252.0 mm，气隙的大小对感应电动机的性能影响很大。(1)定子部分 机座。感应电动机的机座起固定和支撑定子铁芯的作用，一般用铸铁铸造而成。根据电动机防护方式、冷却方式和安装方式的不同，机座的形式也不同。定子铁芯。由厚0.5 mm的硅钢片冲片叠压而成，铁芯内圆有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组，冲片上涂有绝缘漆(小型电动机也有不涂漆的)作为片间绝缘，以减少涡流损耗，感应电动机的定子铁芯是电动机磁路的一部分。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 定子绕组。三相感应电动机
41、的定子绕组是一个三相对称绕组，它由三个完全相同的绕组所组成，每个绕组即为一相，三个绕组在空间相差120电角度，每相绕组的两端分别用u1-u2,v1-v2,w1-w2表示，可以根据需要接成星形或三角形。(2)转子部分 转子铁芯。作用与定子铁芯相同，一方面作为电动机磁路的一部分，方面用来放置转子绕组。转子铁芯也是用厚0.5 mm的硅钢片叠压而成，套在电动机轴上。转子绕组。感应电动机的转子绕组分为绕线型与笼型两种型式，根据转子绕组的不同，分为绕线型感应电动机和笼型感应电动机。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 绕线型转子绕组是一个三相绕组，一般接成星形，三根引出线分别接到电动机轴上的三个与其绝缘的
42、集电环上，通过电刷装置与外电路相连接。可以在转子电路中串接电阻以改善电动机的运行性能，如图1-22所示。笼型绕组在转子铁芯的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一铜环(称为端环)，把导条连接起来，称为铜排转子，如图1-23(a)所示。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环、风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图1-23(b)所示。100 kW以下的感应电动机一般采用铸铝转子。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 笼型绕组因其结构简单、制造方便、运行可靠，得到广泛应用。包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑电动机轴。风扇则用来通风冷却。图1-24和图1-25分
43、别表示笼型感应电动机和绕线型感应电动机的结构图。1.3.2三相感应电动机的机械特性 1.固有机械特性的分析 三相感应电动机的固有机械特性是指感应电动机工作在额定电压和额定频率条件下，按规定的接线方式接线，定、转子外接电阻为零时n与Tem的关系。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 图1-26为感应电动机的固有特性曲线，对于一定的电动机，在某一转差率sm时，转矩有一最大值Tm、sm，称为临界转差率，整个机械特性可看作由两部分组成。H-P部分(转矩由0 Tm，转差率由0 sm)。在这一部分随着转矩T的增加，转速降低，根据电力拖动系统稳定运行的条件，称这部分为可靠稳定运行部分或称为工作部分(电动机基
44、本上工作在这一部分)。感应电动机的机械特性的工作部分接近于一条直线，只是在转矩接近于最大值时，弯曲较大，故一般在额定转矩以内，可看作直线。P-A部分(转矩由Tm,Tst 转差率由sm 1)。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 在这一部分随着转矩的减小，转速也减小，机械特性曲线为一曲线，称为机械特性的曲线部分，只有当电动机带动通风机负载时，才能在这一部分稳定运行;而对恒转矩负载或恒功率负载，在这一部分不能稳定运行，因此有时候也称这一部分为非工作部分。2.人为机械特性的分析 人为机械特性是人为地改变电机参数或电源参数而得到的机械特性，三相感应电动机的人为机械特性种类很多.(1)降低定子电压时的人
45、为机械特性 由图1-27可见，当电动机在某一负载下运行时，若降低电压，将使电动机转速降低，转差率增大，转子电流将因此增大，从而引起定子电流的增大。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 若电动机电流超过额定值，则电动机最终温升将超过容许值，导致电动机寿命缩短，甚至使电动机烧坏。如果电压降低过多，致使最大转矩Tm小于总的负载转矩时，则会发生电动机停转事故。(2)转子电路中串接对称电阻时的人为机械特性 如图1-28所示。转子电路串接附加电阻，适用于绕线型感应电动机的启动和调速。三相感应电动机的人为机械特性的种类很多，除了上述两种外，还有改变定子极对数、改变电源频率的人为特性等，这部分内容将在后面讨论
46、感应电动机的各种运行状态时再进行分析。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 1.3.3三相感应电动机的启动 1.三相笼型感应电动机的启动 三相笼型感应电动机有直接启动和降压启动两种方式。(1)直接启动 直接启动也称为全压启动。启动时，电动机定子绕组直接承受额定电压。这种启动方法最简单，也不需要复杂的启动装置，但是，这时启动的电流较大，一般可达额定电流的47倍。过大的启动电流对电动机本身和电网电压的波动均会带来不利影响，一般直接启动只允许在小功率电动机中使用(PN7.5 kW)(2)降压启动上一页 下一页返回1.3交流电机基础 降压启动的目的是限制启动电流，通过启动装置使定子绕组承受的电压小于额
47、定电压，待电动机转速达到某一数值时，再使定子绕组承受额定电压，使电动机在额定电压下稳定工作。电阻降压或电抗降压启动。图1-29为电阻降压启动的原理图，电动机启动时在定子电路中串接电阻，这样就降低了加在定子绕组上的电压，从而也就减小了启动电流。星形-三角形(Y-)启动。用这种启动方法的感应电动机，必须是定子绕组正常接法为“”的电机。在启动时，先将三相定子绕组接成星形，待转速接近稳定时，再改接成三角形，图1-30为星形一三角形启动线路的原理图。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 Y-启动操作方便，启动设备简单，应用较广泛，但它仅适用于正常运转时定子绕组接成三角形的电动机。为此，对于一般用途的小型
48、感应电动机。当容量大于4 kW时，定子绕组的正常接法都采用三角形。2.三相绕线型感应电动机的启动(1)转子串联电阻启动 当启动时，在转子电路中接入启动电阻器，借以提高启动转矩，同时转子电阻增加也限制了启动电流。为了在整个启动过程中得到比较大的加速转矩，并使启动过程平滑，与直流他励电动机的启动一样，将启动电阻分成几级，在启动过程中逐步切除，以减小转子电路附加电阻。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 图1-31为绕线型感应电动机启动时的接线图和特性曲线。启动电阻通常用高电阻系数合金或铸铁电阻片制成，在大容量电动机中，也有用水电阻的。(2)转子串接频敏变阻器启动 绕线型感应电动机用转子串接启动电阻
49、的启动方法可以增大启动转矩，减小启动电流，但是若要在启动过程中始终保持有较大的启动转矩，使启动平稳，就必须增加启动级数，这就会使启动设备复杂化。为此可以采用在转子电路中串入频敏变阻器的启动方法。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 所谓频敏变阻器，实质上就是一个铁耗很大的三相电抗器，从结构上看，它像一个没有二次绕组的三相心式变压器，只是它的铁芯不是用硅钢片而是用厚3050 mm的钢板叠成，以增大铁芯损耗，三个绕组分别绕在三个铁芯柱上，并且接成星形，然后接到转子滑环上。如图1-32所示。当电动机启动时，转子频率较高，f2=f1，频敏变阻器的铁耗就大，因此，等效电阻Rm，也较大。上一页 下一页返回
50、1.3交流电机基础 在启动过程中，随着转子转速的上升，转子频率逐步降低，频敏变阻器的铁耗和相应的等效电阻Rm也就随之而减小，这就相当于在启动过程中逐渐切除转子电路串入的电阻，启动结束后，转子频率很低(f2=13 Hz)，频敏变阻器的等效电阻和电抗都很小，于是可将频敏变阻器切除，转子绕组直接短路。因为等效电阻R，是随着频率的变化而自动变化的，因此称为频敏变阻器(相当于一种无触点的变阻器)。在启动过程中，它能够自动、无级地减小电阻，如果频敏变阻器的参数选择恰当，可以在启动过程中保持启动转矩不变，这时的机械特性如图1-33中曲线2所示，曲线1为固有特性。上一页 下一页返回1.3交流电机基础 频敏变阻
