【正文】 第一部分 電機與拖動 《電機及電氣控制技術(shù)》 學習本課程的基本要求： 一、 電機的結(jié)構(gòu)及工作原理 二、 基本原理及 PLC 的組成 三、 掌握繼電接觸器控制系統(tǒng)基本分析和設計能力 四、 應用軟件、梯形圖編程方法及應用實例 參考書籍： 1.《電氣控制與 PLC 原理及應用》電子工業(yè)出版社 程周主編 2.《工廠電氣控制技術(shù)》 高等教育出版社 張運波 劉淑榮主編 3.《可編程序控制器及常用控制電器》冶金工業(yè)出版社 何友華主編 4.《 PLC 編程及應用》 機械工業(yè)出版社 廖常初主編 5. 《機電一體化專業(yè)必備知識與技能手冊》 華中科技大學出版社 游英杰 葉俊主編 第一篇 電機及拖動 緒 論 (2 學時 ) 教學目的要求： 通過本次課的學習，使學生對這門課有一個輪廓性的了解，明確 本課程在數(shù)控知識體系中的位置、意義，了解本課程在實際生產(chǎn)生活中的作用，掌握本課程的三個重要組成部分 —— 電機、電氣控制、 PLC，以及學習該門課的方法。 主要教學內(nèi)容： ① 電氣技術(shù)在生產(chǎn)中的作用 ② 電力拖動的組成 ③ 電機的發(fā)展概況 ④ 電氣控制技術(shù)的發(fā)展方向 教學重點、難點： 重點： ① 電力拖動的組成 ② 電機的發(fā)展概況 ③ 電氣控制技術(shù)的發(fā)展方向 難點： ① 電機的發(fā)展概況 ② 電氣控制技術(shù)的發(fā)展方向 教具： 電機一臺 一、《電機與電氣控制技術(shù)》課程簡介 技術(shù) 二、電機在國民經(jīng)濟中 的作用 、飛機的螺旋槳、電扇的旋轉(zhuǎn)、洗衣機 、檢測、放大的作用，廣泛應用于雷達的自動定位、人造 、飛機的控制、電梯的自動選層和顯示、計算機外圍設備、機器人、音箱設備中。 三、電力拖動的組成 電機拖動系統(tǒng)是用電動機來拖動機械運行的系統(tǒng)。包括：電動機、傳動機構(gòu)、生產(chǎn)機械、控制設備和電源五個部分。 如圖： 圖 01 ①“一拖一” ②“一拖多” ③“多拖一” 四、電機的發(fā)展概況 電機工業(yè)的發(fā)展和科學技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，蒸汽動力在使用和管理上的不便，迫使人們?nèi)ふ倚碌哪茉春蛣恿Α４藭r電磁學得到了興起和發(fā)展。 19 世紀后期正是世界電機工業(yè)迅猛發(fā)展時期，我國正處于半封建半殖民地國家，電機工業(yè)受到了嚴重的束縛。 解放后，我國電機工業(yè)迅猛發(fā)展。從 20 世紀 50 年代開始研制電機，歷經(jīng)了產(chǎn)品仿制、自行設計和研制，逐步形成了自己的生產(chǎn)體系。 五、電氣技術(shù)在生產(chǎn)中的作用 不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和精度不同， 這就要求對拖動生產(chǎn)機械的電動機進行控制，控制的 方法很多，但以電氣控制技術(shù)尤為普遍?？刂品椒◤氖謩拥牡阶詣涌刂?，功能從簡單到復雜，控制技術(shù)從單機到群控，操作從笨重到輕便，推動了生產(chǎn)技術(shù)的不斷更新和高速發(fā)展。 六、電氣控制技術(shù)的發(fā)展方向 繼電 —— 接觸器控制：有觸點、工藝復雜 電氣控制 PLC：硬件平臺軟件化 控 制 電 源 電 動 機 傳 動 機 構(gòu) 生 產(chǎn) 機 構(gòu) 第一章 三相異步電動機 教學目的要求： ① 掌握三相異步電動機的結(jié)構(gòu)及運行原理 ② 掌握三相異步電動機的啟動、制動問題 ③了解三相異步電動機的調(diào)速問題 主要教學內(nèi)容： ① 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)及運行原理 ② 三相異步電動機的啟動、調(diào)速及制動問 題 教學重點、難點： 重點：① 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)及運行原理 難點：① 三相異步電動機的運行原理 ② 三相異步電動機的啟動 教具： 交流電機一臺 教學內(nèi)容： 第一節(jié) 三相異步電機的結(jié)構(gòu)及工作原理 （ 2 學時） 電機是實現(xiàn)電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的一種旋轉(zhuǎn)電機。異步電動機是把交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的一種動力機械。三相異步電動機被廣泛用來驅(qū)動各種金屬切削機床、起重機、中、小型鼓風機、水泵及紡織機械等。單相異步電動機由于容量小，性能較差，常用于日常生活中的小家電及小功率電動工具。 一、 三相異步電動機的運行原理 旋轉(zhuǎn)磁 場 ① 三相異步電動機與直流電動機一樣，也是根據(jù)電磁感應原理而制成的。不同的是直流電動機為一靜止磁場，三相異步電動機卻是一旋轉(zhuǎn)磁場。那么，旋轉(zhuǎn)磁場是怎樣產(chǎn)生的？ ② 三相旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 三相旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的條件是：三相對稱繞組通以三相對稱電流。 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與三相電源通入定子繞組電流的相序一致。 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n1（又稱同步轉(zhuǎn)速）。其表達式為： 式中， f1 為電源頻率（ Hz）； p 為電機磁極對數(shù)，它取決于定子繞組的分布。 2．三相異步電動機基本工作原理 如圖為一臺兩極三相鼠籠式異步電動機的剖面圖。 圖 11 三相異步電動機工作原理圖 基本工作原理是： ① 電生磁：三相對稱繞組中通入三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場其轉(zhuǎn)向與相序一致，為順時針方向，轉(zhuǎn)速為 pfn 11 60? ； ② （動）磁生電：轉(zhuǎn)子導體切割旋轉(zhuǎn)磁場感應電動勢和電流； ③ 電磁力（矩）：轉(zhuǎn)子載流導體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 由圖可知，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同，若要使電動機反轉(zhuǎn)只需對調(diào)電動機的任意兩根電源線。在沒有其他外力作用下，轉(zhuǎn)子的速度 n 永遠略小于同步轉(zhuǎn)速 n1，異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速總是存在差異，故稱異步電動機 。同時它又是基于電磁感應原理而工作的，所以又稱感應電動機。 3．轉(zhuǎn)差率 S 異步電動機工作的必要條件是 n＜ n1，二者之差稱做轉(zhuǎn)差，即： n2＝ n1 一 n。將異步電動機的轉(zhuǎn)差 n2 與同步轉(zhuǎn)速 n1 之比值稱做轉(zhuǎn)差率 s 。即 s＝（ n1 一 n） / n1 s 是異步電機的重要物理量，根據(jù) s 的大小可判斷異步電機工作于不同狀態(tài)（ 0＜ s＜ 1為電動狀態(tài)、 s＜ 0 為發(fā)電狀態(tài)、 s＞ 1 為制動狀態(tài)）。就是異步電機電動狀態(tài)時， s 的微小變化，也會引起轉(zhuǎn)速較大變化，即 n＝（ 1 一 s） n1 。 ① 異步電動機定子剛接上電源瞬時，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動 ， n＝ 0，則轉(zhuǎn)差率 s＝ 1。 ② 當異步電動機轉(zhuǎn)速 n＝ n1，則轉(zhuǎn)差率 s＝ 0。 ③ 當異步電動機轉(zhuǎn)速 0 n＜ n1，則轉(zhuǎn)差率的范圍在 0～ 1 之間變化。 ④ 異步電動機額定運行時， n＝ nN，則 sN≈～ 。 ⑤ 空載時， n 接近 n1，則 sN≈～ 。 二、三相異步電動機的結(jié)構(gòu) 三相異步電動機種類繁多，若按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為鼠籠式和繞線式異步電動機兩大類。異步電動機分類方法雖不同，但各類三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)卻是相同的。 圖 12 圖 13 三、三相異步電動機的銘牌 三相異步 電動機出廠時，電機機座上都固定著一塊銘牌，如表 所示，主要標注電機的型號和主要技術(shù)數(shù)據(jù)，供正確選擇和使用電動機時參考。 型號表示方法： 圖 15 第二節(jié) 三相異步電動機的啟動 （ 2 學時） 異步電動機是把交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的一種動力機械。三相異步電動機被廣泛用來驅(qū)動各種金屬切削機床、起重機、中、小型鼓風機、水泵及紡織機械等。 一 、 三相異步電動機的啟動 定義 ：指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)到穩(wěn)定運行狀態(tài)到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。 要求： 啟動電流小，以減小對電網(wǎng)的沖擊。 啟動轉(zhuǎn)矩大，以加速啟動過程， 縮短啟動時間。 分類： 直接啟動 籠型 串電阻（電抗）啟動 降壓啟動 Y △ 啟動 自耦變壓器啟動 轉(zhuǎn)子回路串電阻 繞線型 轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器 二、三相籠型異步電動機的啟動 直接啟動 三相異步電動機直接起動是指電動機直接加額定電壓，定子回路不串任何電器元件時的起動。 特點： ①優(yōu)點：設備簡單，操作方便； ②缺點：起動電流大，須足夠大的電源； ③適用條件：小容量電動機帶輕載的情況起動。 ？ 如何判斷是否能起動： ①起動電流；②起動轉(zhuǎn)矩；二者必須同時滿足。 降壓啟動 原理：啟動時，通過啟動設備使加到電動機上的電壓小于額定電壓，使電動機轉(zhuǎn)速上升到一定數(shù)值時，再使電動機承受額定電壓，保證電動機在額定電壓下穩(wěn)定運行。 ① 串電阻（抗）啟動 三相鼠籠式異步電動機在定子回路中串接電抗器（可改接電阻器，但能耗較大，適用于較小容量電機）降壓起動的接線原理圖如圖 16 所示。三相異步電動機定子串電抗起動。即開關(guān) 2K 接到“起動”端，使起動時電抗器接入定子回路；起動后，切除電抗器，即開關(guān) 2K接到“運行”端。 圖 16 鼠籠式異步電動機的串電抗器起動 ② Y △ 啟動 對應運行時定子繞組接成△形的三相鼠籠式異步電動機，起動時接成ㄚ形（接線原理圖如圖 17 所示），則定子每相電壓降為額定電壓的 1/3，從而實現(xiàn)了降壓起動。即起動時，開關(guān) 2K 合到下方，電動機定子繞組接成ㄚ形，電動機開始起動；當轉(zhuǎn)速升到一定程度后，開關(guān) 2K 從下方斷開合向上方。定子繞組接成△形，電動機進入正常運行。 圖 17 ③ 耦變壓器降壓啟動 三相鼠籠式異步電動機采用自耦變壓器降壓起動接線原理圖如圖 18 所示。起動時。開關(guān)向下一邊，電動機的定子繞組通過三相自耦變壓器 T 的中間抽頭接到三相電源上，從而降壓起動。當轉(zhuǎn)速升高到穩(wěn)定值后，開關(guān) K 投向上邊。即“運行”端，自耦變壓器被切除，電動機定子直接接到電源上，電動機正常運行。 圖 18 自耦變壓器降壓運動 三、三相繞線式異步電動機的啟動 對于三相繞線式異步電動機啟動時，轉(zhuǎn)子回路串接適當?shù)娜鄬ΨQ電阻，既能限制起動電流，又能增大起動轉(zhuǎn)矩，且能使起動轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩。起動結(jié)束后，可以切除外串電阻，電動機的效率不受影響。 對于重載和頻繁起動的生產(chǎn)機械，三相鼠籠式異步電動機難以滿足要求時，才選用三相繞線式異步電動機。因為，繞線式異步電動機與鼠籠式異步電動機相比較，結(jié)構(gòu)較復雜，控制維護較困難，制造成本較高，價格較貴。 轉(zhuǎn)子回路串電阻 ①優(yōu)點：只要在轉(zhuǎn)子回路串入適當?shù)碾娮?，既可減少起動電流，又可增加起動轉(zhuǎn)矩 ②適用條件：電動機在重載情況下的起動場合。 轉(zhuǎn)子回路串頻敏電阻器 （如圖 19） 轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動的三相饒線式異步電動機接線原理圖如圖 19所示，起動開始，開關(guān) K斷開，電動機轉(zhuǎn)子串入頻敏變阻器起動。電機轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定值后，開關(guān) K接通，切除頻敏變阻器，電動機進入正常運行。 頻敏變阻器是一鐵損耗很大的三相電抗器，在起動過程中，能自動、無級的減小電阻保持轉(zhuǎn)矩近似不變，使起動過程 平穩(wěn)、迅速。結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便，應用廣泛。 圖 19（ a） 圖 19（ b） 第三節(jié) 三相異步電機的制動及調(diào)速 （ 2 學時） 許多生產(chǎn)機械工作時，為提高生產(chǎn)力和安全起見，往往需要快速停轉(zhuǎn)或由高速運行迅速轉(zhuǎn)為低速運行，這就需要對電動機進行制動。 一、 三相異步電動機的制動 三相異步電動機的制動是三相異步電動機的起動的逆過程。異步電動機的制動就是使電動機的轉(zhuǎn)矩 T 與轉(zhuǎn)速 n 反向，即 T 起反抗運動的作用。使電動機轉(zhuǎn)速由某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速迅速降為零的 過程或者使電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而使電動機的下降轉(zhuǎn)速保持恒定。 三相異步電動機的制動方法有能耗制動，反接制動，回饋制動三種，其制動運動狀態(tài)有能耗制動狀態(tài)，反接制動狀態(tài)，回饋制動狀態(tài)。 能耗制動 原理： 能耗制動的電路原理圖如圖 110 所示，三相異步電動機定子繞組切斷三相交流電源后（ 1K 斷開），同時，在定子繞組任意兩相上接入直流電流 (也稱直流勵磁電流 )，即接通開關(guān) 2K， 能耗制動廣泛應用于要求平穩(wěn)準確停車的場合。 圖 110 能耗制動接線圖 反接制動 原理： 三相繞線式異步電動機處于正常電動運行，當改變?nèi)嚯娫吹南嘈驎r，如圖 111電路接線圖中 1K 斷開， 2K 閉合則改變了電源相序，電動機便進入了反接制動過程。由于電源相序改變，圓形旋轉(zhuǎn)磁場反向，而轉(zhuǎn)子不可能立即改變轉(zhuǎn)向，因而轉(zhuǎn)子感應電動勢反向，電流反向，則電磁轉(zhuǎn)矩也反向，電動機處于制動運行狀態(tài)，電動轉(zhuǎn)速迅速下降，直到轉(zhuǎn)