电机与电气控制技术教案

课题:

电磁学基础知识

教学目的和要求:

补充了解磁场的基本物理量以及铁磁材料的性质和磁路欧姆定律，掌握交流铁心线圈电路中的电磁关系并了解其功率损耗情况。

重点与难点:

掌握铁磁材料的性质、交流铁心线圈电路中的电磁关系及其功率损耗。

教学方法:

绘图说明，简单推正，结论分析，应用介绍，案例教学。

预复习任务:

复习前期学的《电工技术基础》相关知识。

一、磁路的基本物理量

磁场可由电流产生，用磁感线来描述。磁场的强弱可用磁感线的疏密程度来表示。磁感线可以看成是无头无尾的闭合曲线。

1)磁感线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则。 2)磁感线总是闭合的，既无起点，也无终点。

3)磁场中的磁感线不会相交，因为磁场中每一点的磁感应强度的方向都是确定的、唯一的。

1.磁通Ф

磁场中穿过某一截面积A的总磁线数称为通过该面积的磁通量，简称磁通Ф，单位WB。

磁场中穿过某一截面积A的总磁线数称为通过该面积的磁通量，简称磁通Ф，单位WB。

当线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通称为主磁通；还有一部分磁通，没有经过气隙和衔铁，而是经空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。

磁通经过的闭合路径叫磁路。磁路和电路一样，分为有分支磁路和无分支磁路两种类型。 2．磁感应强度B

描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量，是矢量，用B表示。均匀磁场中，若通过与磁感线垂直的某面积A的磁通为Ф，则

B = Ф/ A 所以磁感应强度也称磁通密度，单位T

3．磁场强度H

是进行磁场计算时引进的一个物理量，电流产生磁场外，介质被磁化后还会产生附加磁场。单位安每米。 H代表电流本身产生的磁场的强弱，反映了电流的励磁能力，大小只与该电流的大小成正比，与介质的性质无关；

B代表电流所产生的以及介质被磁化所产生的总磁场的强弱，其大小不仅与电流的大小有关，还与介质的性质有关。 4．磁导率μ

磁感应强度B与磁场强度H之比，是衡量物质导磁能力的物理量。 μ = B / H

000μ为导磁物质的磁导率。真空的磁导率为 。铁磁材料的 ，例如铸钢的μ约为 的1000 倍，各种0 硅钢片的μ约为 的6000～7000 倍。

5．磁场储能

A/m 磁场能够储存能量，这些能量是在磁场建立过程中由其他能源的能量转换而来的。电机就是借助磁场储能来实现机电能量转换的。

二、磁性材料的性质 1．高导磁性

磁性物质的内部存在着很多很小的区域，称为“磁畴”，磁化前，无外磁场的作用，杂乱无章地排列，磁场互相抵消，对外界不显示磁性。

若将铁磁材料放入磁场，在外磁场的作用下，磁畴的轴线趋于一致，形成一个附加磁场，叠加在外磁场上，

2

从而使合成磁场大为增强。

变压器和电机中的磁场是由通过线圈的电流来产生，这些线圈都是绕在磁性物质（称为铁心）上的。采用铁心后，在同样的电流下，铁心中的磁感应强度B和磁通Ф将大为增加，且比铁心外的B和Ф大很多，一方面可用较小的电流产生较强的磁场，另一方面可使绝大部分磁通集中在由磁性材料限定的空间内。

2．磁饱和性

如上图中：oa段，外磁场H较弱，H的增加主要是与外磁场同方向的磁畴边界增大的过程，B的增加缓慢；ab段，外磁场H较强，主要是磁畴沿外磁场的方向转动的过程，B迅速增大；bc段，可随外磁场方向转动的磁畴越来越少，H的增加变慢，出现了磁饱和现象；cd段，类似于真空中的情况。 3．磁滞性

磁性材料都具有保留其磁性的倾向，B的变化总是滞后于H的变化，称磁滞现象。当H降为零时，保留的磁感应强度Br称为剩磁强度，永久磁铁的磁性就是由Br产生的。

三、磁路的欧姆定律

正如电动势作用在一定电阻的电路上产生的电流遵循欧姆定律一样，一定的磁动势作用在一定磁阻的磁路上可以产生磁通。磁通的大小同样遵循磁路的欧姆定律。

Br01HHcB32FRm当磁路中有空气隙存在，磁路的磁阻Rm将显著增加。

3

四、铁心损耗 1．磁滞损耗Ph

磁性材料被交变磁化时，磁畴之间相互摩擦，要消耗能量，对应的功率损耗 Ph = KhfBmV

式中α与材料的性质有关，电工钢的α为1.6——2.3，V为铁心体积 2．涡流损耗Pe

磁性材料不仅是导磁材料，又是导电材料。在交变磁场作用下，铁心是也会产生感应电动势，从而在垂直于α

磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流表，称涡流。涡流在铁心电阻上的功率损耗称涡流损耗。Pe = K22

2edfBmV 式中d为钢片厚度

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第 3、4 课时

课题:

变压器的工作原理和结构

教学目的和要求:

变压器的一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。要求根据电磁感应原理掌握变压器的工作原理、电力变压器的基本结构、电力变压器额定值的计算、了解电力变压器的型号及主要系列。

重点与难点:

重点是变压器的工作原理、电力变压器的额定值的计算。 难点是变压器的工作原理、电力变压器的结构。

教学方法:

以变压器的广泛应用为切入点，以图片和实物为依托，说明其工作原理。绘图说明，简单推正，结论分析，应用介绍。

预复习任务:

完成课后作业

 变压器：是一种静止的电气设备。它是根据电磁感应的原理，将某一等级的交流电压和电流转换成同

频率的另一等级电压和电流的设备。

 作用：变换交流电压、变换交流电流和变换阻抗。

一、变压器的基本工作原理

变压器是在一个闭合的铁心磁路中，套上两个相互独立的、绝缘的绕组，这两个绕组之间只有磁的耦合，没有电的联系，如图1-1所示。

一次绕组（也称原绕组或初级绕组）：接交流电源；其匝数为N1；

二次绕组（也称副绕组或次级绕组）：接负载；其匝数为N2。 当在一次绕组中加上交流电压u1时在一、二次绕组中其感应电动势瞬时值分别为

e1N1e2N2d dteENd 111 （1-1）

e2E2N2dt5

二、变压器的应用与分类

1.变压器的应用：变压器能够变换交变电压、变换交变电流、变换阻抗。 2.变压器的种类按用途不同主要分为：

l）电力变压器：供输配电系统中升压或降压用。

2）特殊变压器：如电炉变压器、电焊变压器和整流变压器等。 3）仅用互感器：如电压互感器与电流互感器。 4）试验变压器：高压试验用。 5）控制用变压器：控制线路中使用。 6）调压器：用来调节电压。 三、电力变压器的基本结构

电力变压器主要由铁心、绕组、绝缘套管、油箱及附件等部分组成。以油浸式电力变压器为例其基本结构如图1－2所示。

1.铁心

铁心是变压器的磁路部分，是绕组的支撑骨架。铁心由心柱和磁轭两部分组成，铁心用厚度为0.35mm，表面涂有绝缘漆的热轧硅钢片或冷轧硅钢片叠装而成。 2.绕组

绕组是变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成。工作电压高的绕组称为高压绕组，工作电压低的绕组称为低压统组。 3.绝缘套管

绝缘套管是变压器绕组的引出装置，将其装在变压器的油箱上，实现带电的变压器绕组引出线与接地的油箱之间的绝缘。 4.油箱及其附件

油箱安装变压器的铁心与绕组。变压器油起绝缘和冷却作用。

电力变压器附件还有安全气道、测温装置、分接开关、吸湿器与油表等。

四、电力变压器的额定值与主要系列 1.额定值

(1)额定容量SN :指的是变压器的视在功率，单位为V·A或kV·A。 a.单相变压器的额定容量为:SN=UN1IN1=UN2IN2 （1－2） b.三相变压器的容量为:SN=3UN1IN=3 UN2IN2 （1－3） (2)额定电压U1N和U2N

UN1为一次侧绕组额定电压，它是根据变压器的绝缘强度和允许发热条件而规定的一次绕组正常工作电压值。 UN2为二次绕组额定电压，它是当一次绕组加上额定电压，二次绕组的空载电压值。 对于三相变压器，额定电压值指的是线电压，单位为V或kV。

6

(3)额定电流IN1和IN2 :额定电流是根据允许发热条件所规定的绕组长期允许通过的最大电流值，单位是A或KA。

IN1是一次绕组的额定电流；

IN2是二次绕组的额定电流。对于三相变压器，额定电流是指线电流。 额定频率f

我国规定的标准工业用电频率为50HZ。 ．电力变压器的型号及主要系列

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(4)2

第 5、6 课时

课题:

单相变压器的空载运行

教学目的和要求:

掌握单相变压器的空载运行特性。

重点与难点:

重点是空载运行时电动势平衡方程式,空载电流的作用。 难点是变压器空载运行时的相量图。 教学方法:

绘图说明，简单推正，结论分析。

预复习任务:

复习电工基础相关知识,题解正弦量的正方向的规定。

变压器的空载运行是指变压器的一次绕组接在额定电压的交流电源上，而二次统组开路时的工作情况，如图1-4所示。

一、空载运行时各物理量正方向的规定

正弦量的正方向通常规定如下：

1）电源电压U正方向与其电流I正方向采用关联方向，即两者正方向一致。 2）绕组电流I产生的磁通势所建立的磁通φ，这二者的正方向符合右手螺旋定则。

3）由交变磁通φ产生的感应电动势产，二者的正方向符合右手螺旋定则，即它的正方向与产生该磁通的电流正方向一致。

由上述规定，在图l-4中标出各电压、电流、磁通、感应电动势的正方向如图中所示。

。。。。 8

二、感应电动势与漏磁电动势 1.感应电动势

若主磁通，φ=Φmsinωt，则一、二次绕组感应电动势瞬时值为：

其有效值为：E1=4.44fN1Φm (1-5)

E2=4.44fN2m (1-6)

相量表示为：E1j4.44fN1m （1-7）

••E2j4.44fN2m （1-8）

2.漏磁电动势

变压器一次绕组漏磁感应电动势Eσ1为：Eσ1=-jI10ωL1 =-jI10X1

••。。。。三、变压器空载运行时的电动势平衡方程式和电压比

一次绕组电动势平衡方程式：

•••••••U1E1E1I10R1E1I10R1jI10X1 (1- 9)

U1E1j4.44fN1m (1-10)

二次绕组的端电压等于其感应电动势：

•••U20E2 （1-11）

变压器一次绕组的匝数Nl与二次绕组匝数N2之比称为变压器的电压比k，即

k=N1/N2=E1/E2≈U1/U2 (1-12)

当N2＞N1时，k＜1，则U2＞U1，为升压变压器；若N2＜N1，k＞1，则U2＜U1，为降压变压器。若改变电压比k，即改变一次或二次绕组匝数，则可达到改变二次绕组输出电压时目的。 四、空载电流和空载损耗

变压器空载运行时，空载电流I10分解成两部分：

1．无功分量I10Q，用来建立磁场，起励磁作用，其与主磁通同相位； 2．有功分量I10P，用来供给变压器铁心损耗，其相位超前主磁通约90。

0

•••••

即

I10I10PI10P

五、变压器空载运行时的相量图

••• 9

第 7、8 课时

课题:

单相变压器的负载运行

教学目的和要求:

与空载运行时相比较，掌握单相变压器的负载运行特性，强调变压器的三个变换特性以及运行特性。

重点与难点:

重点是负载运行时的磁通势平衡方程式和电动势平衡方程式，变压器的作用，电压变化率。 难点是负载运行时的基本方程式，变压器负载运行时的相量图。

教学方法:

绘图说明，简单推正，结论分析。

预复习任务:

复习单相变压器空载运行时的特性，预习本节内容，作比较分析。

变压器的负载运行：是指变压器在一次绕组加上额定正弦交流电压，二次绕组接负载ZL的情况下的运行状态，如图l-6所示。

一、负载运行时的各物理量

负载运行时一、二次电流关系

••I1(N1N2).I2 (1-14)

上式表明变压器负载运行时，二次电流的变化同时引起一次电流的变化。

二、变压器负载运行时的基本方程式 1.磁通势平衡方程式

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（1） 变压器负载运行时磁通势平衡方程式为

F••1F2F•10

I•••1N1I2N2I10N1 (1-15)

（2） 电流平衡方程式为 ••••• IIN102I2••1(1-16)

NI2I101kI10I1L

忽略I10时，一、二次绕组电流有效值关系为

I1=I2/k （1-17）

2.电动势平衡方程式

。二次绕组中漏磁电动势Eσ2即：

E•••2jI2ωL 2jI2X（1-18）2

负载运行时的一、二次绕组的电动势平衡方程式为

U••••••1E1IR1jI1X1E1I1Z1(1-19) U••••••2E2I2R2jI2X2E2I2Z2(1-20) •• U2I2ZL(1-21)

综上所述，变压器负载运行时的基本方程式有 I•••1N1I2N2I10N1 U••••••1E1I1R1jI1X1E1I1Z1 U•2E•••••2I2R2jI2X2E2I2Z2 E1kE2 II2 k

U••2I2ZL三、变压器负载运行时的相量图

四、变压器的作用

通过对变压器负载运行的分析，可以清楚地看出变压器具有变电压、变电流、变阻抗的作用。1.变换电压

U1/U2≈E1/E2=k=N1/N2

2.变换电流

I1/I2≈N2/N1=1/k

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3. Z'L变换阻抗

上式表明，经变压器把负载阻抗ZL变换为ZL。通过选择合适的电压比k，可把实际负载阻抗变换为所需的阻抗值，这就是变压器的变换阻抗作用。

五、变压器的运行特性 变压器运行特性主要有： （1）外特性（2）效率特性。 1. 变压器的外特性和电压变化率 (1) 变压器的外特性：

是指在一次绕组加额定电压，负载功 率因数cosφ2为额定值时，二次绕组端电 压U2随负载电流I2的变化关系，即U2=f(I2) 曲线，如图l-9所示。

在纯电阻负我时，电压变化较小；为感性负我时，电压变化较大；而在容性负载时，端电在可能出现随负载电流的增加反而上升，如图l-9中曲线3所示。 (2)电压变化率

U(N1/N2)U2N121ZkZLLI1(N2/N1)I2N22(1-22)

'U%U2NU2 100%U2N

2.变压器的效率特性

变压器的效率特性：是指负载功率因数cosφ2不变的情况下，变压器效率随负载电流变化的的关系，即曲线η＝f（I2），如图1-10所示。

对于电力变压器，最大效率出现在I2=（0.5～0.75）I2N时，其额定效率ηN＝0.95－0.99。

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第9、10 课时

课题:

三相变压器

教学目的和要求:

掌握三相变压器的联结组别和变压器的并联运行条件，会用试验方法来确定绕组的同名端。

重点与难点:

重点是掌握三相变压器绕组的联结法，会确定绕组的同名端。

难点是用时钟法来分析判别三相变压器的联结组别，掌握三相变压器的并联运行条件。

教学方法:

以三相变压器的广泛应用为切入点，以图片和实例为依托说明其工作原理，绘图说明三相变压器的同名端的确定、联结组别的判定。

预复习任务:

复习单相变压器的工作原理、结构，预习三相变压器的相关内容，比较归纳。

●三相变压器组：是由三个单相变压器按一定方式连接在一起组成的。 ●三相心式变压器：将三个铁心柱用铁轭连在一起来构成三相心式变压器。 一、三相变压器的磁路系统

二、三相变压器的电路系统

三相变压器的电路系统是指三相变压器各相的一次统组、二次绕组的连接情况。三相变压器绕组的首端和尾端的标志规定如表l-1所示。

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三相变压器绕组的联结有星形和三角形两种联结方式。如图l-13a所示。

用字母Y或y分别表示一次绕组或二次绕组的星形联结。若同时也把中点引出，则用YN或yn表示， 用字母D或d分别表示一次统组或二次绕组的三角形联结。我国生产的电力变压器常用Yyn、Yd、YNd、Dyn等四种联结方式，其中大写字母表示一次绕组的联结方式，小写字母表示二次绕组的联结方式。

高低压绕组相电动势的相位关系: 1. 同名端

两个绕组中电动势极性相同的两个端点 2. 单相变压器的联结组

II0 II6

3. 三相变压器联结组标号的确定 (1) 观察绕组联结图，判断联结方式；

(2) 联结图上标出高低压绕组的相电动势和线电动势

参考方向：末端指向首端 (3) 画出高压绕组的电动势相量图

绕组为星形时，先确定相电动势，再确定线电动势，相电动势相量画成星形； 绕组为三角形时，先确定线电动势，再确定相电动势，相电动势相量画成三角形。 (4) 画出低压绕组的电动势相量图

都先画相电动势，再画线电动势相量，星形联结时，相电动势相量画成星形；三角形联结时，相电动势相量画成三角形。

(5) 判断联结组号，写出联结组

三、变压器的并联运行

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变压器并联运行条件：

1． 并联运行的各台变压器的额定电压与电压比要相等。 2． 并联运行变压器的联结组别必须相同。

3． 并联运行的各变压器的短路阻抗的相对值要相等。

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第 11、12 课时

课题:

其他用途的变压器

教学目的和要求:

掌握自耦变压器的工作原理和应用。 掌握电压互感器、电流互感器的使用。 掌握弧焊变压器的使用条件。

重点与难点:

重点是自耦变压器的工作原理和电压互感器、电流互感器使用时的注意事项和要求。 难点是带电抗器和带磁分路的弧焊变压器的调节电流原理。

教学方法:

绘图说明，简单推正，结论分析。

预复习任务:

课后习题的完成。

本节介绍常用的自耦变压器、仪用互感器和弧焊变压器的工作原理及特点。 一、自耦变压器

1．自耦变压器的结构特点是：一、二次绕组共用一个绕组。如图l－20所示。对于降压自耦变压器，一次绕组的一部分充当二次绕组；对于升压自耦变压器，二次绕组的一部分充当一次绕组。

因此自耦变压器一、二次绕组之间既有磁的联系，又有电的直接联系。将一、二次绕组共用部分的绕组称为公共绕组。下面以降压自耦变压器为例分析其工作原理。 2．自耦变压器的电压比

k=U1/U20≈E1/E2=N1/N2 3．自耦变压器的变流公式

•••I1(N2N1)I2I2/k (1-24)

4．自耦变压器的输出视在功率（即容量）为

S=U2I2=U2(I+I1)=U2I+U2I1=U2I2(1-1/k)+U2I1 (1-25) 5．使用注意事项

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（1）在低压侧使用的电气设备应有高压保护设备，以防过电压； （2）有短路保护措施。

6．种类：自耦变压器有单相和三相两种。

一般三相自耦变压器采用星形接法。图1-21为三相自耦变压器原理图。

如果将自耦变压器的抽头做成滑动触头，就成为自耦调压器，常用于调节试验电压的大小。图1-22为常用的环形铁心单相自耦调压器原理图。

二、仪用互感器

仪用互感器：供测量用的变压器。可分为电压互感器和电流互感器。 1.电压互感器

（1）电压互感器：实质上是一个降压变压器。

图l-23为电压互感器原理图。

它的一次绕组N1匝数很多，直接并接在被测的 高压线路上，二次统组N2匝数较少，接电压表或其 他仪表的电压线圈。

（2）使用电压互感器时，应注意以下几点：

a.电压互感器在运行时二次绕组绝不允许短路，否则短路电流很大，会将互感器烧坏。为此在电压互感器二次侧电路中应串联熔断器作短路保护。

b.电压互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地，以防一次高压绕组绝缘损坏时，铁心和二次绕组带上高电压而触电。

c.电压互感器有一定的额定容量，使用时不宜接过多的仪表，否则将影响互感器的准确度。

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U1N1kuU2N2UU21ku(1-26)

2.电流互感器

（1）电流互感器：一次绕组匝数NI很少，一般只有一匝到几匝；二次绕组匝数很多。使用时一次绕组串接在被测线路中，流过被测电流，而二次绕组与电流表或仪表的电流线圈构成闭合回路，如图1－24所示。

I1N2k1I2N1II21ki

(1-27)

由于电流互感器二次绕组所接仪表阻抗很小，二次绕组相当于短路，因此电流互感器运行情况相当于变压器短路运行状态。 （2）使用电流互感器时，应注意以下几点：

a.电流互感器运行时二次绕组绝不许开路。电流互感器的二次绕组电路中绝不允许装熔断器。在运行中若要拆下电流表，应先将二次绕组短路后再进行。

b.电流互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地。以免绝缘损坏时，高压侧电压传到低压则，危及仪表及人身安全。

c.电流表内阻抗应很小，否则影响测量精度。

三、弧焊变压器

弧焊变压器实质上是一台特殊的降压变压器。 1．对弧焊变压器提出以下要求：

l）为保证容易起弧，空载电压应在60－75V之间。

2）负载运行时具有电压迅速下降的外特征，如图l－25所示。一般在额定负载时输出电压在30V左右。 3）焊接电流可在一定范围内调节。 4）短路电流不应过大，且焊接电流稳定。 2．如何满足上述要求：

弧焊变压器具有较大的电抗，且可以调节。为此弧焊变压器的一、二次绕组分装在两个铁心柱上。为获得电压迅速下降的外特性，以及弧焊电流可调，可采用串联可变电抗器法和磁分路法，由此滋生出带电抗器的弧焊变压器和带磁分路的弧焊变压器。

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第 13、14 课时

课题:

三相异步电动机的结构与原理

教学目的和要求:

掌握三相异步电动机的基本结构与工作原理，电动机的铭牌数据。会用转速与转差率的公式计算有关参数。 重点与难点:

重点是掌握三相异步电动机的基本结构与工作原理。 难点旋转磁场的理解。 教学方法:

以三相异步电动机的广泛应用为切入点，以多媒体课件图片和实例为依托掌握三相异步电动机的结构，绘图说明三相异步电动机的工作原理，介绍旋转磁场的建立，转子转动的条件，转向、转速等问题。

预复习任务:

课后复习理解旋转磁场的转速、电机转速的区别；完成课后作业。

旋转电机分类：按工作方式不同，可分为

直流发电机

直流电机 直流电动机 感应（异步）电动机

旋转电机 感应电机（异步电机） 交流电机 感应（异步）发电机

同步电机 同步发电机

同步电动机 同步补偿机

其中，异步电动机按相数不同，可分为三相异步电动机和单相异步电动机；按转子结构不同，可分为笼型和绕线转子型，其中笼型三相异步电动机由于具有结构简单、运行可靠、效率高、制造容易、成本低等优点得到广泛应用。

一、三相异步电动机的结构：

三相异步电动机主要结构包括：静止的定子、旋转的转子以及两者之间的气隙。 1． 定子------定子铁心、定子绕组、机座

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1)定子铁心：

作用：形成磁路

组成：0.5mm硅钢片叠制。直径大于1米的铁心用扇形片拼成

槽型：半闭口槽（小型电机）、半开口槽（低压中型）、开口槽（大型） 2)定子绕组：

作用：电路部分，感应电势

组成：圆铜线或扁铜线，导线线径小于1.53mm，散下线；成形线圈（大电机）。 3)机座：

作用:机械支撑

结构：中小型电机铸铁；大型用钢板焊接。 4)气隙---0.2mm～1.5mm，作用是磁场耦合

因为磁势大部分都消耗在气隙上，气隙小则电机的空载磁化电流就小，功率因数高。考虑到机械的原因，气隙又不能太小。

2． 转子-----转子铁心、转子绕线或鼠笼绕组、轴 1)转子铁心

作用：磁路的一部分

组成：0.5mm硅钢片叠制。中小型电机转子铁心直接叠装在轴上；大电机则用转子支架。 2)转子绕组

作用：感应电势、流过电流产生转矩

结构：中小型电机用铸铝转子鼠笼结构；绕线电机用铜导线，利用滑环和电刷外接起动设备。 3. 接线:对于三相异步电动机定子绕组可以接成星形或三角形。 定子接线方式：

4．分类与用途

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二、三相异步电动机工作原理：

定子三相对称绕组通入三相对称电流，产生同步转速旋转的气隙磁场。转子导体运动（相对磁场，磁场转速快）切割磁力线，产生感应电动势，进而产生电流。电流与气隙磁场的相互作用产生与转子转向相同的拖动转矩。电机从电网吸收电功率，经过气隙的耦合作用从轴上输出机械功率。 （一）三相交流电的旋转磁场 1．旋转磁场的产生

二极电动机旋转磁场的产生

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四极电动机旋转磁场

2．旋转磁场的转速

旋转磁场的转速为同步速

60f1n1P3．旋转磁场的旋转方向

旋转磁场由超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后相电流所在的相绕组轴线。改变电流相序，则旋转磁场改变方向。

4．三相合成磁场的性质：

1） 电流变化一个周期，即360电角度时，旋转磁场在空间上转过同样数值的电角度。

22

2） 旋转磁场的转速为同步速

n160f1P3） 旋转磁场由超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后相电流所在的相绕组轴线。 4） 改变电流相序，则旋转磁场改变方向。

总之，对称三相绕组通过对称三相电流，产生气隙旋转磁场。 （二）转子的转动 1．转子转动的原理

转子则切割磁力线而产生电流 （右手定电流I方向）

◆电流在磁场中切割磁力线而产 生力及力矩（左手定方向） ◆它与n0方向相同,使转子转动起来

◆在转子转动中，n比n0小 2．转子的转速 n、转差率s

Sn1n

n1三、三相异步电动机的铭牌及主要系列。 1.型号 2.额定值

①额定功率PN: 电动机在额定情况下运行，由轴端输出的机械功率，单位为W，kW。 ②额定电压UN: 电动机在额定情况下运行,施加在定子绕组上的线电压，单位为V。 ③额定频率fN：50Hz。

④额定电流IN：电动机在额定电压、额定频率下轴端输出额定功率时，定子绕组的线电流，单位为A。⑤额定转速nN：电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定功率时，转子的转速，单位为r/min。 对于三相异步电动机，额定功率：

PN3UNINNcosN

23

第 15、16 课时

课题:

三相异步电动机的运行

教学目的和要求:

三相异步电动机负载与空载运行时相比较，掌握三相异步电动机负载运行时的各物理量变化。

重点与难点:

重点是空载与负载运行时的磁通势平衡方程式和电动势平衡方程式，。 难点是运行时的基本方程式，负载运行时转子各物理量与转差率的关系。

教学方法:

绘图说明，简单推正，结论分析。

预复习任务:

复习变压器空载与负载运行时的特性，预习本节内容，作比较分析。

一、三相异步电动机的空载运行

电动机空载运行是指电动机轴上没有带任何负载，故电动机的转速n非常接近旋转磁场的同步转速n1，n≈n1，即转子与旋转磁场相对转速接近于零，因此可认为E2≈0，则I2≈0，空载运行时，电动机定子空载电流I0近似等于励磁电流。其主要作用是产生三相旋转磁通势，同时也提供空载损耗，即定子绕组铜损、铁心损耗和转子的机械摩擦损耗等。

旋转磁场产生的电动机每极磁通Φm在定子绕组中产生的感应电动势：E1=-j4.44f1N1K1Φm

异步电动机定子电流产生的磁通中除主磁通Φm与定子绕组、转子绕组交链外，还有部分磁通仅与定子绕组交链而不进入转子磁路，这部分磁通称为定子漏磁通Φα1，它将在定子绕组中产生漏感电动势Ёα1用漏感抗压降表示为： Eα1=-jI0Xσ1

因为I0Xσ1<由上式可知，当电源频率一定时，电动机的每极磁通Φm仅与外加电压U1成正比。一般情况，电源电压为额定值，所以每极磁通Φm基本是一恒定值，负载变化时，Φm也基本不变。

三相异步电动机空载运行时的电磁现象，电压平衡方程式与变压器基本相似，但变压器是静止的不存在机械摩擦损耗，也基本上不存在气隙。所以三相异步电动机的空载电流比变压器的空载电流大的多。在大、中型容量的异步电动机中，I0占额定电流的10%～35%；在小容量的电动机中，则占35%～50%，甚至60%。因此空载时，异步电动机的漏抗压降占额定电压的2%～5%，而变压器的漏抗压降不超过0.5%。

24

二、三相异步电动机的负载运行

三相异步电动机的负载运行时，由于负载转距的影响，实际转速低于理想同步转速，若负载转距不变，电机稳定运行时个物理量的关系如下： （一）、转子绕组的各电磁量

1.转子电动势的频率：f2sf1；正常运行时，f20.5～3Hz； 2.转子绕组的感应电动势：E2S4.44f2N2kw2sE2； 3.转子绕组的电阻和漏抗：忽略集肤效应，认为不变r2不变； x2S2f2L22sf1L2sx2；

4.转子绕组的电流：正常运行时，转子端电压U2SsE22=0，I2Er2jx2Sr2jsx2有效值：I22sEr2(sx2；

22)结论：转子电流I2随S的增加而增加。 5.转子绕组的功率因数：cosr22r2(sx2

22)结论：转子功率因数随S的增加而减小。 6.转子磁动势的转速：F22相对转子速度：n260fp60sf1psn1 F2相对定子速度：n2nsn1nn1

结论：F1与F2相对静止。 （二）、磁动势平衡方程 1.磁动势形式：F1F2F0 2.电流形式：I1I0I1L **定性分析方程的物理意义： （三）、电动势平衡方程

1.方程：U1E1I1(r1jx1) 0E2SI2(r2jx2S)

 E1I0(rmjxm)I0Zm

2.Zm的物理意义与变压器的相同，但由于气隙的存在，比变压器的小。

25

；

第 17、18 课时

课题:

三相异步电动机的工作特性与电磁转矩特性

教学目的和要求:

了解三相异步电动机的工作特性，掌握三相异步电动机工作特性中的功率因数特性、效率特性与电磁转矩的表达式。

重点与难点:

重点与难点是定性分析工作特性中的功率因数特性、效率特性与电磁转矩表达式。

教学方法:

绘图说明，简单推正，结论分析。

预复习任务:

电动机效率的计算与电磁转矩的计算。

一、三相异步电动机的工作特性

工作特性指：额定电压和额定频率下，n,,cos1,T2,I1f(P2)的关系。 它可以由电机参数计算出来也可以试验测试出来。

1．转差率特性 sf(P sp2)cu2P

em空载时，P2=0, I2≈0, pcu2≈0 , pcu2sPem, s≈0, n≈n1 I2pcu2m'21I2R2'负载时，负载电流增加，

所以 P

Pemm1E''2s2I2cos2一般s(0.01～0.05) n=(1-s)n1=(0.99～0.95 ) n1, n=f(p2)是一条下降曲线。

2．效率特性 f(P P2)21pP

1P1 空载时，P2=0, =0

负载时，负载小损耗增加缓慢，效率快速上升，直到不变损耗=可变损耗，效率达到最大。p(pcu1pcu2pad)pFepmec，负载继续增加，两个铜耗增加很快，使效率下降。 异步电动机效率>70%，效率通常在（1/4 ～3/4）PN时达到最大。

3．功率因数特性 cos1f(P2)

26

空载时，定子电流基本上是励磁电流，它是无功电流，所以空载功率因数非常低，小于0.2。

负载时，随着输出功率增加，定子电流有功分量加大，在额定负载左右达到最大值。

超过额定负载后，转差变大，PsX2s2arctan2Rcos2cos1

24．转矩特性 T2f(P2) TP222n P2T2 因为转速变化很小。 605．定子电流特性 If(P...12) I0I1I2'

空载时，P2=0, I2≈0, I..1I0

负载时，负载电流增加，I...1I0(I2') 定子电流增加。 I1 T2 cos1

η

S P2 异步电动机工作特性图 二、三相异步电动机的电磁转距特性 （一）、物理表达式

物理表达式描述了电磁转矩与磁通、转子有功电流的关系，即TemCMmI2cos2

TPemm1E2'I2'cosem2m12f1N1kN1mI2'cos2pm1N1kN112n11mI2'cos2CmmI2cos2602式中，CpmM1N1kN11pm2N2kN2kI2kiI2'2称为异步电动机转矩常数 i2 (二)、 参数表达式

mR1pU122'参数表达式描述了电磁转矩与参数的的关系，即 Tems

2fR22'1RX'1s1X22

27

'PmI'2R212emsU1'因为：I22'R'R12X1X2s2f11p 所以 Tem2Pem 得上式 1讨论 Temf(s)曲线,即转矩特性：其他参数一定，Temf(s)

分析：异步电动机转差率s在0～1之间，但实际上s在0～sm（临界转差率）时，

dTem0稳定；s在1～sm

ds之间，

dTemdT0不稳定；em0，s=sm，处于临界状态。 dsds 电磁制动状态 电动机状态 发电机状态

Tem

TN

Tmax Tst

+∞ S=1 Sm SN 0 -∞

Tmax 转矩特性 三个特征转矩

①额定转矩TN：额定负载时 TN**注：PN的单位为kW。 ②最大电磁转矩Tmax： TmaxPNP9.55N103(Nm) NnNm1pU124f1[r1r12(x1x2)2]m1pU124f1(x1x2)

28

r2r2

smr12(x1x2)22x1x22特点：⑴Tmax与U1成正比；而Sm与U1无关；

⑵Tmax与转子电阻无关；而Sm与转子电阻有关； ⑶f1一定时，x1x2越大， Tmax越小。 ⑷过载能力（或最大转矩倍数）kM③起动转矩Tst

TmaxTN 一般为1.6～2.5，越大，过载能力越强。

m1pU12r2 n=0, S=1，得Tst

222f1[(r1r2)(x1x2)] 当转子回路电阻为：r2rstx1x2时，起动转矩达到最大电磁转矩。

起动转矩倍数：kstTstTN，kst↑，Tst↑，起动能力强。

JO2：1.0～1.8；Y：1.4～2.2；特殊电机：4.0以上。 （1）电源电压、频率一定时，认为参数不变，

电磁转矩只与转差率有关，曲线如右图示。（5.26Fig） （2） s=1起动时，电抗起主要作用，R2/s相对较小。 （3）s接近零时，R2/s相对较大起主要作用. （4） s等于零时，到同步速n=n1时,Tem=0

1． 最大电磁转矩

'R2sm22'RXXdT112 令em0得：dsm1pU12Tmax'4f1R1R12X1X2

2正号为电动机，负号为发电机

'R2sm'X1X2通常，电阻值远远小于电抗值，上式简化为：

2mpU11Tmax4f(XX')112讨论：（1）频率一定时，最大转矩与电源电压平方成正比。

' （2）最大转矩与转子电阻无关，但出现最大电磁转矩时得转差率s与R2成比例。利用这个特点，可以

29

在转子绕组（绕线式）中串电阻改变转差率（速度）。

(3) 频率一定，最大转矩与漏抗成反比。

（4）电机过载能力 kTMmaxT kM=1.6～2.5范围，它是电机的重要性能指标之一。

2． 起动转矩 N令s=1 得 Tmst1pU2'12R2'

f1R21R2X1X2'2对于绕线式电机，转子回路可以串电阻，使电机起动时获得最大转矩，sm1R'stR2'X1X2'起动转矩倍数 kTststT （1.0～2.0 ） N3. 异步电动机性能指标包括：

经济指标：效率、功率因数

技术指标：最大转矩倍数(1.6～2.5)、起动转矩倍数（1.0～2.0）、起动电流倍数（4～7）

30

第 19、20 课时

课题:

三相异步电动机的机械特性

教学目的和要求:

三相异步电动机的机械特性的含义，掌握三相异步电动机固有机械特性和人为机械特性曲线的特点。

重点与难点:

重点是分析两种人为机械特性曲线上的转速与转矩的关系。 难点是理解机械特性方程的参数变化。

教学方法:

绘图说明，简单推正，结论分析。

预复习任务:

课后归纳固有机械特性中的四个关键点、人为机械特性的特点。

一、固有机械特性

在额定条件下（电压、频率、接线方式）电机的固有T－n特性曲线对于曲线如下页图，它由四个特殊点决定：

1、T=0，n=n0(S=0),电动机处于理想空载点，电动机转速为理想空载转速n0. 2、T=TN,n=nN(S=SN),为电动机额定工作点。这时：SN=( n0- nN)/ n0 ， TN =9.55PN/nN PN为电机额定功率（W）, nN电机额定转速（r/min）, SN额定转差率S＝0.06~0.015 3、T＝Tst n＝0（S＝1）起动工作点:

31

对于起动转矩Tst受如下条件的影响：

（1）电源电压，U影响较大， U波动，T平方关系变化 （2）转子电阻R2合适 Tst有较大值 （3）电感X20大,Tst下降

一般用起动能力系数λst来表示电动机起动能力的好坏。 λst=Tst/TN（一般λst≥ 1） 异步电机工作的条件是起动Tst≥负载TL

4、当T＝Tmax S＝Sm n=nm，在临界工作点，这时Tmax＝KU2/2 X20， Sm＝R2/ X20

由于T， Tmax∝U2 ，所以电源波动对扭矩最大值影响很大。在电机工作过程中：负载变化（冲击）不能>Tmax。以过载能力系数λm来表示：λm=Tm/TN

一般，鼠笼式为：λm =1.8～2.2

线绕式为：λm =2.5～2.2

二、人为机械特性：

人为地改变异步电动机定子电压U1、电源频率f1、定子极对数P、定子回路电阻或电抗、转子回路电阻或电抗中的一个或多个参数，所获得的机械特性，称为人为机械特性。

关于人为机械特性的分析，主要是分析四个公式：

同步转速公式 临界转差率公式

最大转矩公式 起动转矩公式

1、降低定子端电压的人为机械特性

根据公式，U1下降，n1、Sm不变，Tm、Tst与U1成正比例降低。

2

n160f1PR2smX2 32

2．转子回路串对称三相电阻的人为机械特性

根据上述四个公式：n1,Tm不变，Sm随Rp的增大面增大（Nm下降），Tst开始随Rp的增大而增大；当Rp增大到Rp2时Tst2 = Tm, Rp继续增大，Tst开始减小，如图中的Rp3时Tst3减小到Tst1与Tst2之间，Sm大于1。可见，电阻Rp越大，线性段特性越软。

33

第 21、22 课时

课题:

三相异步电动机起动

教学目的和要求:

掌握笼型与绕线式异步电动机的起动方式与特点，学会根据负载的工作情况选择起动方式。

重点与难点:

重点与难点是区分笼型与绕线式异步电动机的起动方法。

教学方法:

以对起动的要求为切入点，提出问题的解决办法，以多媒体课件为依托，绘图说明，简单推正，结论分析，应用介绍。

预复习任务:

课后归纳异步电动机的起动方法及其特点。

起动：转子从静止状态到稳定运行的过程。 起动要求：1、足够大的起动转矩 2、尽可能小的起动电流 3、转速平滑上升 4、起动设备简便经济

5、起动过程的功率损耗尽可能小 一、直接起动（全压起动）

就是起动时，电动机直接加电网电压，这时起动电流比较大所以不是所有的电机都可能这样使用。一般的，当有独立的变压器供动力电时且电机功率<30%变压器功率时（频繁）、电机功率<20%变压器功率时（不频繁）

可以直接起动。起动电流大：（1）使电网电压降低，前端供电变压器的输出电压下降很大，可能超过额定允

许值，一方面由于TST与电压的平方成正比，TST下降更多，负载重时可能不能起动，另一方面影响同一供电变压器的其它负载，电灯变暗，重载的电动机可能停转；（2）绕组过热，起动时间长、频繁时发热更严重，加速绝缘老化，大电流冲击下绕组受电磁力作用易变形，甚至发生短路故障。

二、降压起动

（一）鼠笼式异步电动机的起动方法 1.定子串电阻或电抗器起动

34

使加在电动机定子绕组上的相电压U1Ф低于电源相电压UNФ

U1Ф =IST′(R+XL) UNФ = IST (R+XL) U2

1Ф/ UNФ = IST′/ IST =1/K TST′/ TST = 1/K 特点：1）适用于空载起动（轻载）

2）电阻耗能（电抗器太贵，体积大）,适用于较小容量的电动机。 2. 自耦变压器降压起动 自耦变压器用作起动补偿器。

一、二次电压比为K ，K = U1/U2 = N1/N2

U1 = UNФ 电源相电压 U2 = U1Ф 定子绕组相电压

所以，U1Ф = UNФ/K

全压起动时电流IST = UNФ/ZK

35

减压是相电流IST2 = U1Ф/ZK = UNФ/KZK = IST/K 自耦变压器的一次电流I2

ST1 = IST2/K = IST/K

U2

1Ф = UNФ/K TST′= TST/K

特点：1、在相同的起动电流下，从电网吸取的电流减小，即T相同时，I下降

2、自耦变压器副边有多个抽头，所以起动电压可选 3、起动设备多且体积大，成本比较高 4、不适于频繁起动（过电流工作） 5、有一定的起动转矩（适用轻载）

6、用在不能Y－Δ起动的场合，（Y形接法工作的电机） 3. Y－Δ起动

只适用于定子绕组在正常工作时为三解形联接的三相异步电动机。 Y起动时，电动机在相电压UNФ =UN/3起动

ISTY = IST = UN/3ZK

Δ起动时，电动机在相电压UNФ =UN（线电压） 设每相绕组起动电流为UNФ/ZK 那么，线电流为ISTΔ =3UNФ/ZK =3UN/ZK

ISTY / ISTΔ = （UN/3ZK）/（3UN/ZK）=1/3 TSTY / TST = 1/3

说明：起动电流I是直接起动的1/3；起动扭矩T是直接起动的1/3 特点：1、起动电流小，所需设备简单

36

2、力矩小，适于空载起动（轻载） 3、有专门的Y－△起动器 (二)、绕线式电动机的起动方法

绕线电机由于转子绕组可在起动时串联电阻改善特性所以有比较大的起动转矩和比较小的起动电流。对于重载和频繁起动的生产机械，三相鼠笼式异步电动机难以满足要求时，才选用三相绕线式异步电动机。因为，绕线式异步电动机与鼠笼式异步电动机相比较，结构较复杂，控制维护较困难，制造成本较高，价格较贵。 1.转子串电阻分级起动 接线原理图见P52的图2-24。

起动时，转子串入全部电阻，TST1等于T m ,对应于a点；n↗,电磁转矩↘；到b点时切除Rst1,对应于c点；n↗到d点，切除Rst2,对应于e点；n↗到f点，切除Rst3,对应于g点,直至在固有机械特性的h点，稳定运行。 特点：1、与直流电机起动类似; 用接触器切换

2、由于起动时，R比较大，所以转子功率因数Cosφ2↑ ，有较大的起动转矩 3、适于带载起动

2.转子串频敏变阻器起动

频敏变阻器是一个铁心损耗很大的三相电抗器，铁心做成三柱式，由较厚的钢板叠成。每柱上绕一个线圈，三相线圈联结成星形，然后接到绕线转子异步电动机转子绕组上接线原理图见P52的图2-25。 Rp 每相绕组电阻 Rmp 铁心损耗等效电阻

Rp SXmp 每相电抗

起动时S=1，f2=f1,Rmp大，铁心饱和，SXmp小，相当于转子回路串

入较大的起动电阻Rmp,起动电流小，转矩大；n↗,s↘,f2↘,Rmp↘,SXmp↘,相当于随着转速的上升,自动连续地减小起动电流;当转速约等于额定

RmSX转速时,SN很小,f2极低,Rmp、SXmp都很小，相当于将起动电阻全部切除。

特点：

（1） 起动电流小 （2） 起动转矩大 （3） 起动过程平滑性好。

37

第 23、24 课时

课题:

三相异步电动机制动

教学目的和要求:

利用机械特性方程分析三相异步电动机的制动过程。

重点与难点:

重点是三相异步电动机的三种制动方法与特点。

难点是倒拉反接制动的理解；三种制动状态对应的转差率易混淆。

教学方法:

始终用电动机的机械特性方程为基础，定性地分析三相异步电动机的制动过程及其特点。

预复习任务:

课后归纳异步电动机的制动方法及其特点。

三相异步电动机的制动方法： 一．机械制动：加机械抱闸 二．电气制动 1. 反接制动：

停车时，将电动机接电源的任意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的。三相异步电动机的反接制动有电源反接制动和倒拉反接制动。 （1） 电源反接制动

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(2) 倒拉反接制动

注意：

反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。即切割磁力线的速度很大，造成 I2增加，引起I1变大。 为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。 2. 能耗制动

3．回馈制动（再生发电制动） （1）反向回馈制动

39

（2）正向回馈制动

40

第 25、26 课时

课题:

三相异步电动机调速

教学目的和要求:

掌握三相异步电动机的调速方法。

重点与难点:

重点是三相异步电动机的三种调速方法与特点。 难点是变转差率调速方法。

教学方法:

以三相异步电动机的转速公式为基础，定性地分析三相异步电动机的调速过程及其特点。

预复习任务:

课后归纳异步电动机的调速方法及其特点。

异步电动机的调速原理：

sn1nn1n1sn11s60f1p

三相异步电动机的调速方法： 1）变频调速

改变异步电动机定子电源频率f1来改变同步转速n1，从而进行调速。 2）变极调速

改变异步电动机的极对数 p来改变电动机同步转速n1来进行调速。 3）变转差率调速

调速过程中保持电动机同步转速n1不变，改变转差率s来进行调速。其中有降低定子电压、在绕线型异步电动机转子回路中串入电阻或串附加电动势等方法调速。 一、笼型异步电动机的变极调速 （一）变极原理

41

（二）两种常用的变极接线法

TPY2PYPyyY9550n9550n9550TyyY2Ynyy

2．Δ/ yy变极调速 Pyy2INyycosyyp3UN3UNINcos231.15

（三）变极调速电动机的机械特性

42

二、变频调速

（一）变频与调压的配合

1．变频时应保持电动机主磁通不变，此时 电动机定子电压与频率应有下式关系

2．变频时保持过载能力λm不变，则：

U1U1f1f1U1U1TNf1f1TN 具体对于恒转矩负载，只要满足U1/f1=U1’/f1’=常数，即可保持变频调速时电动机过载能力λm不变。又可使主磁通保持不变。因而变频调速最适合于恒转矩负载。对于恒功率负载采用变频调速时，无法使电动机的过载能力λm和主磁通同时保持不变。 （二）恒转矩变频调速时机械特性

（三）三相异步电动机变频调速

43

（四）变频电源简介

三、变转差率 s调速

变转差率调速方法很多，有绕线型异步电动机转子串电阻调速、转子串附加电动势（串级）调速、定子调压调速等。

（一） 绕线转子异步电动机转子串电阻调速

（二） 转子串附加电动势调速（串级调速）

（三） 改变定子电压调速

44

第 27、28 课时

课题:

低压电器的基本问题

教学目的和要求:

 了解常用低压电器的分类。  掌握常用低压电器的基本结构。

重点与难点:

重点是低压电器的电磁机构与触头系统的组成。 难点是交、直流电磁机构的吸力特性的区别。 教学方法:

以多媒体图片为依托，绘图说明，简单推正，结论分析，应用介绍。

预复习任务:

课前的实训课多留心观察在用与即将使用的电器，课后分析总结。

一、常用低压电器的分类

（一）按用途分类：控制电器、配电电器、执行电器等。 （二）按应用场合分类；低压电器、矿用电器、化工电器等。 （三）按操作方式分类：手动电器、自动电器。

（四）按使用系统分类：电力拖动系统电器、通信系统电器。 （五）按功能分类：由触头电器、无触头电器和混合电器。 （六）按拖动系统用电器分类：接触器、继电器等。 二、低压电器的应用

在电力拖动控制系统中，低压电器主要用于对电动机进行空制、调节和保护。在低压配电电路或动力装置中，低压电器主要用于对电路或设备进行保护以及通断、转换电源或负载。 三、低压电器额定工作制与正常工作条件 （一）额定工作制

（1）8小时工作制：电器通入稳定电流，工作时间不超过8小时。 （2）长期工作制：电器通入稳定电流，连续工作在8小时以上。 （3）短时工作制：有载与空载相互交替，有载时间小于无载时间。 （4）断续周期工作制：有载与空载相互交替，且有一定比例。

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（二）正常工作条件

（1）环境温度：—5～+40℃。 （2）安装地点：不超过海拔2000M。 （3）相对湿度：不超过50%。

低压电器的基本结构：由电磁机构和触头系统组成。 一、电磁机构

（一）电磁机构的结构形式

电磁机构由电磁线圈、铁心和衔铁三部分组成。电磁线圈分为直流线圈和交流线圈两种。直流线圈须通入直流电，交流线圈须通入交流电。 （二）电磁机构的吸力特性

①交流电磁机构的吸力特性： U = 4.44fNФm

Ф = IN/Rm = INμ0S/δ

在交流电磁机构中，由于交流电磁线圈的电流I与气隙δ成正比，所以在线圈通电而衔铁尚未闭合时，电流可能达到额定电流的5～6倍。如果衔铁卡住不能吸合，或频繁操作，线圈可能因过热而烧毁，所以在可靠性要求较高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构。

②直流电磁机构的吸力特性：

直流电磁机构因外加电压和线圈电阻不变，流过电磁线圈的的电流为常数,即电流与气隙大小无关。 F∝Ф∝（1/δ）

在直流电磁机构中，电磁吸力F与气隙的平方成反比，所以衔铁闭合前后电磁吸力变化较大，但由于电磁线圈中的电流不变，所以直流电磁机构适用于动作频繁的场合。

由于直流电磁机构的通电线圈断电时，由于磁通的急剧变化，在线圈中会感应出很大的反电动势，很容易使线圈烧毁，所以在线圈的两端要并联一个放电回路。放电回路中的电阻值为线圈电阻的5～6倍。

2

+ -

R VD

图5-1 直流线圈的放电回路 ③交流电磁机构中短路环的作用

Ф1 Ф2

铁心

短路环

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当线圈中通入交流电时，铁芯中出现交变的磁通，时而最大时而为零，这样在衔铁与固定铁心间因吸引力变化而产生振动和噪音。当加上短路环后，交变磁通的一部分将通过短路环，在环内产生感应电势和电流，根据电磁感应定律，此感应电流产生的感应磁通使通过短路环的磁通Ф2比Ф1在相位上滞后，由Ф2和Ф1产生的吸力F2和F1也有相位差，作用在磁铁上的力为F1+F2，只要合力大于反力，即可消除振动。 二、触头系统

触头的形式：

点接触式：常用于小电流电器中。

线接触式：用于通电次数多、电流大的场合。 面接触式：用于较大电流的场合。 三、电弧的产生和灭弧方法 （一）电弧的产生

当触头在分断时，若触头之间的电压超过12V，电流超过0．25A时，触头间隙内就会产生电弧。（二）常用的灭弧方法

1．双断口灭弧 2．磁吹灭弧 3．柵片灭弧 4．灭弧罩灭弧

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第 29、30 课时

课题:

常用继电器

教学目的和要求:

 了解常用继电器的结构。

 掌握常用继电器的工作原理、图形符号、文字符号。  会选用继电器。

重点与难点:

重点是正确选择与使用继电器。

难点是通电延时与断电延时型时间继电器的区别。 教学方法:

以多媒体的形式将大量的图片资料展现在学生的面前，加深学生的感性认识；并展示具体的实物让学生真正看清其工作原理。以归纳的形式说明继电器的分类以及各种继电器的应用。

预复习任务:

课前的实训课多留心观察在用与即将使用的电器，课后分析总结。

一、 电磁式接触器

接触器是一种适用于在低压配电系统中远距离控制频繁操作交、直流电路及大容量控制电路的自动控制开关电器。主要用于控制交、直流电动机，电热设备等。接触器分为直流继电器和交流继电器。 （一）、接触器结构及工作原理

接触器由电磁机构、触头系统、灭弧装置、释放弹簧、触头压力弹簧及底座等组成。见图5-2。

接触器的基本工作原理是利用电磁原理，通过控制电路的控制和可动衔铁的运动来带动触头，控制主电路的通断。当接在控制电路中的线圈通电后，衔铁在电磁吸力作用下被吸向铁心，衔铁运动的同时带动触头动作，使其常闭触头分开，常开触头闭合。当线圈断电或线圈的电压过低时，电磁吸力消失或减弱，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复位，实现控制电路通断和失电压与欠电压释放保护功能。 （二）、接触器的主要技术参数 1．接触器的极数和电流种类

按主触头的个数分类:接触器有两极、三极和四极接触器。

按主触头接通和分断主电路的电流种类分类：有交流接触器和直流接触器。

2．额定工作电压：是指主触头之间的正常工作电压。直流接触器额定电压有：110V、220V、440V、660V；交流

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接触器额定电压有：127V、220V、380V、500V、600V。 3．额定工作电流：是指主触头正常工作电流。

4．额定通断能力：指主触头在规定条件下，能可靠地接通和分断的电流值。

5．线圈额定工作电压：指接触器电磁线圈正常工作电压值。交流线圈由127V、220V、380V。直流线圈有：110V、220V、440V。

6．允许操作频率：指接触器在每小时内允许的最高操作次数。

7．机械寿命和电气寿命：机械寿命是指接触器在需要修理或更换机构零件前所能承受的无载操作次数。电器寿命是在规定的正常工作条件下，接触器需要修理或更换零件前的有载次数。 8．接触器线圈的起动功率和吸持功率：

直流接触器的起动功率与吸持功率相等；交流接触器起动视在功率一般为吸持功率的5～8倍。线圈的工作功率是指吸持有功功率。

9．使用类别：接触器用于不同负载时，对主触头的接通和分断能力的要求也不同。接触器常见的使用类别及典型应用如下表所示。

表5-1 接触器的常见使用类别和典型用途 触头 电流种类 使用类别代号 AC-1 AC 主 触 头 DC AC-2 典型用途举例 无感或微感负载，电阻炉 绕线转子异步电动机的起动、制动 笼型异步电动机的起动、运转和分断 笼型异步电动机的起动、反接制动与反向、点动 无感或微感负载，电阻炉 并励电动机的起动、反接制动、点动 串励电动机的起动、反接制动、点动 白炽灯的接通 （交流） AC-3 AC-4 DC-1 DC-2 （直流） DC-3 DC-4 （三）、常用典型接触器

1．交流接触器：CJ20、B系列接触器的技术数据见书P．123。 2．切换电容器接触器：用于低压无功补偿设备中。 3．真空交流接触器：适用于条件恶劣及危险环境中。 4．直流接触器：主要用于直流电力系统中。 （四）、接触器的选用 1）接触器极数和种类的选择：

①根据主触头接通和分断的电流种类，选用直流和交流接触器。 ②根据主触头控制的相数确定接触器的极数。

③根据接触器应用场地的条件选用普通接触器还是特殊接触器。 2）根据接触器所控制负载的工作任务选择相应的接触器。

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3）根据负载的功率和操作情况来确定接触器主触头的电流等级。 4)根据接触器主触头所控制电路电压等级来确定接触器的额定电压等级。 5）接触器线圈的额定电压由所接控制电路电压来确定。 6）接触器常开、常闭触头数目要满足控制要求。

二、 电磁式电压、电流继电器

继电器是一种控制元件，根据输入信号的不同而达到不同的控制目的。继电器一般用来接通和断开控制电路。 （一）、电磁式继电器的基本结构及分类 1．电磁式继电器的基本结构

电磁式继电器有直流和交流之分，其结构和工作原理与接触器基本相同，但触头的通断电流值比接触器小，没有灭弧装置。由于继电器为了满足控制要求，需要调节继电器的动作参数，故又调节装置。 2．电磁式继电器的分类

按输入信号不同分：有电压继电器、电流继电器、时间继电器等。 按线圈种类不同分：有交流和直流继电器。 按用途分：有控制继电器、保护继电器等。 （二）、继电器的主角要技术参数

1．额定参数：是指继电器的线圈和触头在正常工作时允许的电压或电流值。

2．动作参数：即继电器的吸合值和释放值。对电压继电器为吸和电压U0和释放电压Ur；对电流继电器为吸合电流和释放电流。

3．整定值：根据要求，对继电器的动作参数进行人工调整的值。

4．返回参数：是指继电器的释放值与吸合值的比值，用K表示。不同的应用场合要求继电器的返回参数不同。 5．动作时间：有吸合时间和释放时间两种。吸合时间是指线圈接受电信号起，到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈断电到衔铁完全释放所需的时间。 （三）、电磁式电压继电器与电流继电器 1．电磁式电压继电器

1）．过电压继电器：在电路中用于过电压保护。当线圈为额定电压时，衔铁不吸合，只有当线圈电压高于其额定电压一定值时，衔铁才吸合相应触头动作；当线圈电压低于继电器释放电压时，衔铁返回释放状态，相应触头也返回到原始状态。

2）．欠电压继电器：在电路中用于欠电压保护。当线圈电压低于额定电压时，衔铁就吸合，而当线圈电压很低时衔铁才释放。 2．电磁式电流继电器

1）．过电流继电器：正常工作时，线圈流过负载电流，衔铁不吸合；当流过线圈的电流超过一定值时，衔铁吸合使触头动作，常闭触头打开，切断接触器线圈电路，使接触器线圈释放，接触器主触头断开主电路，起到保护作用。

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2）．欠电流继电器：正常工作时，线圈流过额定电流，衔铁处于吸合状态；当负载电流减小至继电器释放电流时，衔铁释放，触头恢复到原始状态。欠电流继电器只用于直流电路中。 3．电磁式中间继电器

中间继电器的特点是触头数量较多，在电路中起增加触头数量和中间放大作用。有交流和直流继电器之分。 （四）、继电器的选用

1．类别的使用：AC-11控制交流电磁铁，DC-11控制直流电磁铁。

2．额定工作电流和额定工作电压的选用：继电器线圈电压应为额定值，继电器的最高电流应小于额定发热电流。 3．工作制的选用：继电器的工作制应与使用场合的工作制一致。 4．继电器返回系数的调节：应根据控制要求进行继电器返回系数的调节。

三、 时间继电器

当接受到输入信号，经过一段时间后执行机构才动作的继电器称为时间继电器。 （一）、直流电磁式断电延时型时间继电器

该继电器是在直流电磁式电压继电器的铁心上增加一个阻尼铜套，其结构见图5-3。

直流电磁式断电延时型时间继电器是利用电磁阻尼原理产生延时的。这种时间继电器只能用于断电延时，延时时间仅为0．3～5s，只能用于延时短且要求不高的场合。 （二）、空气阻尼式时间继电器 1．结构与工作原理

空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时的。它由电磁机构、延时机构、触头系统三部分组成。延时方式有通电延时和断电延时两种。结构图见图5-4。

空气阻尼式时间继电器的延时时间为0.4～180s，但精度不高。 2．空气阻尼式时间继电器的典型产品（见书P133） （三）、电动机式时间继电器

见图5-5 JS11-1型电动机式时间继电器结构原理图

当同步电机8通电后，带动减速齿轮7与差动轮系6一起转动，差动轮系z1与z3在轴上空转，z2在另一个轴上空转，而转轴不转。当需要延时时，接通电磁铁线圈，使离合电磁铁吸合，将齿轮z3刹住。于是，齿轮z2的旋转只能以z3为轨迹连同其轴作圆周运动。当轴上的凸轮随着轴转动到合适位置，它就推动脱扣机构，使延时触头动作，并通过一对常闭触头的分断，切断同步电机电源。需要复位时，只要断开离合电磁铁的电源，所有机构将在复位游丝的作用下复位。

电动机式时间继电器具有延时精度高、延时范围宽等特点，但也存在结构复杂、寿命短、体积大等特点，一般用于要求延时精度高的场合。 （四）、电子式时间继电器

以JS1系列晶体管时间继电器为例。 见图5-6 JS1系列晶体管时间继电器原理图

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当电源通电时，晶体管V1立即导通，V2截止，继电器K不动作。同时，电源通过电位器RP和R对电容充电，a点电位逐渐上升，当a点电位高于b点电位时，二极管VD1导通，使V2截止，而V2变为导通，继电器K的线圈有电流通过，使触头动作。调节RP值可调节延时时间。

四、 热继电器

热继电器主要用于电动机的长期过载保护。 （一）、双金属片热继电器的结构及工作原理

双金属片热继电器由热元件、触头系统、复位按钮、电流整定装置和温度补偿元件组成。 见图5-7双金属片热继电器原理图 （二）、具有断相保护功能的热继电器

当电动机的定子绕组采用△接法时，必须采用三相结构带断相保护装置的热继电器。 （三）、热继电器的选用

热继电器的额定电流应按电动机额定电流选择，对过载能力较差的电动机，通常按电动机额定电流的60%～80%来选择热继电器的额定电流。

五、温度继电器与速度继电器 （一）、温度继电器

温度继电器可以深入电动机内部，直接测量电动机的温度，可以做到及时保护电动机。见图5-8 热敏电阻并联接线的温度继电器 （二）、速度继电器

速度继电器主要由转子、定子及触头系统三部分组成，转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个笼型空心圆环形，由硅钢片叠成，并嵌有笼形导条。

工作原理：速度继电器的转子轴与被控电机的轴相连，当电机运行时，速度继电器的转子随电动机轴转动，永久磁铁形成旋转磁场，定子中的笼形导条切割磁力线而产生感应电动势，形成感应电流，在磁场的作用下产生电磁转矩，使定子随转子旋转方向转动，但由于有返回杠杆挡住，故定子只能随转子方向转动一定角度。当定子偏转到一定的角度时，在杠杆7的作用下使常闭触点打开，敞开触点闭合。当被控电动机转速下降时，速度继电器转子也下降，使电磁转矩减小，当电磁转矩小于反作用弹簧的反作用力时，定子返回原位，速度继电器的触点也恢复原位。见图5-9 速度继电器结构原理图。

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第 31、32 课时

课题：

熔断器、开关电器、主令电器

教学目的和要求:

 了解熔断器、开关电器、主令电器的结构。

 掌握熔断器、开关电器、主令电器的工作原理、图形符号、文字符号。  会选用熔断器、开关电器、主令电器。

重点与难点:

重点是正确选择与使用熔断器、开关电器、主令电器。 难点是断路器的动作机理、万能转换开关的符号意义。 教学方法:

以多媒体的形式将大量的图片资料展现在学生的面前，加深学生的感性认识；并展示具体的实物让学生真正看清其工作原理。以归纳的形式说明熔断器、开关电器、主令电器的分类以及各种熔断器、开关电器、主令电器的应用。

预复习任务:

课前的实训课多留心观察在用与即将使用的电器，课后分析总结。

一 熔断器

（一）、熔断器的机构与工作原理

熔断器主要由熔体、绝缘管座、填料及导电部件组成。熔断器在使用时，熔体与被保护电路串联，当电路为正常电流时熔体温度较低，当电路发生断路故障时，熔体温度急剧上升，使其熔断，起到保护作用。 （二）、熔断器的主要技术参数

1）额定电压：是熔断器长期工作时的电压，其值一般要大于或等于熔断器所接电路的额定电压。

2）额定电流：指熔断器长期工作，各部件温升不超过允许温升的最大工作电流。熔断器的额定电流有两种：一种是熔管额定电流，另一种是熔体额定电流。熔体的额定电流不允许大于熔管的额定电流。 （三）、熔断器的选择

熔断器的选择包含熔断器类型的选择和熔体、熔断器额定电流的选择。

1）熔断器类型的选择：对于保护照明和电动机的熔断器只考虑过载保护，熔体的熔化系数要小一些。熔断器的额定电压与保护电路相符。

2）熔体、熔断器电流的选择：

①对于平稳、无冲击电流的负载可按负载电流实际大小确定。

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②对单台电动机：

INP=（1.5～2.5）INM

式中 INP——熔体额定电流（A）。

INM——电动机额定电流（A）。 ③多台电动机共用同一熔断器

INP=(1.5～2.5)INMmax+∑INM

式中 INMmax——容量最大一台电机的额定电流（A） ∑INM——其余电机额定电流之和

当熔体的电流确定后，熔断器的电流应大于熔体电流来确定。

二、刀开关与低压断路器 （一）、刀开关和组合开关 1．开启式刀开关

开启式刀开关一般用于额定电压交流380V、直流440V，额定电流至1500A的配电设备中作电源隔离之用。见图5-10 HD、HS系列刀开关结构示意图

刀开关图形符号：

（多线表示） （单线表示） Q

单极

文字符号：Q或QG

三极 2．封闭式负荷开关

封闭式负荷开关俗称铁壳开关，适合额定电压在交流380V、直流440V，额定电流至600A的电路，作为手动、不频繁的接通与分断负载电路，一般用于控制交流异步电动机。见图5-11HH系列负荷开关示意图 3．开启式负荷开关

开启式负荷开关常用作交流380V、220V，额定电流至60A的照明配电线路和小容量的电动机非频繁起动的操作开关。 4．组合开关

见图5-12 HZ系列组合开关结构图 图形符号及文字符号：

QB 54

组合开关由分别装在多层绝缘件内的动、静触头组成，动触头装在附有手柄的绝缘方轴上，手柄每转动90°，触头便轮流接通或断开。组合开关的特点是装有动、静触头的触头座可以一层一层地堆叠起来。 5．刀开关的选用原则

1）根据使用场合，选择刀开关的类型、极数及操作方式。 2）刀开关的额定电压应大于或等于线路电压。

3）刀开关的额定电流应大于或等于线路的额定电流。对于电动机负载，开启式刀开关额定电流可取电机额定电流的3倍；封闭式刀开关额定电流可取为额定电流的1.5倍。 （二）、低压断路器

低压断路器的功能相当于刀开关、熔断器、热继电器、过电流继电器及欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的开关电器。 1．低压断路器的结构和工作原理 见图5-13 低压断路器的工作原理

1）．主触头及灭弧装置 主触头用来接通和分断主电路，并装有灭弧装置。

2）．脱扣器 脱扣器是断路器的感受元件，当电路出现故障时，脱扣器感测到故障信号后，经自由脱扣机构是断路器主触头分断。

3）．自由脱扣机构和操作机构 自由脱扣机构是用来联系操作机构与主触头的机构，当操作机构处于闭合位置时，也可操作分励脱扣器进行脱扣，将主触头分开。

4）．工作原理 低压断路器的三个主触头串接于三相电路中，经操作机构将其闭合，此时传动杆3由锁扣4钩住，保持主触头闭合。当主电路出现过电流故障且达到过电流脱扣器的动作电流时，过电流脱扣器6的衔铁吸合，顶杆向上将锁扣4顶开，在分闸弹簧1的作用下是主触头断开。当主电路出现欠电压、失压或过载时，则欠压、失压脱扣器及过载脱扣器分别将锁扣顶开，使主触头断开。 2．低压断路器的主要技术参数

1）额定电压：指断路器在电路中长期工作的允许电压。 2）额定电流：指脱扣器允许长期通过的电流。

3）断路器壳架等级额定电流：指每一种框架或塑壳中能安装的最大脱扣器的额定电流。 4）断路器的通断能力：指在规定操作条件下，断路器能接通和分断短路电流的能力。 3．断路器的选用

1）断路器额定电压等于或大于线路额定电压。 2）断路器额定电流等于或大于线路计算负荷电流。

3)断路器通断能力等于或大于线路中可能出现的最大短路电流。 4）断路器欠压脱扣器额定电压等于线路额定电压。 5）断路器分励脱扣器额定电压等于控制电源电压。 6）长延时电流整定值等于电动机额定电流。

7）瞬时整定电流：对保护笼型异步电动机的断路器，瞬时整定电流为（8～15）倍电动机额定电流；对于保

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护绕线式异步电动机的断路器，其瞬时整定电流为（3～6）倍电动机额定电流。 4．图形符号及文字符号：

（三）、漏电断路器

1．漏电断路器的结构与工作原理

漏电保护器是由操作机构、电磁脱扣器、触头系统、灭弧室、零序电流互感器、漏电脱扣器、试验装置等组成。

1）．零序电流互感器的工作原理

见图5 零序电流互感器原理方框图

零序电流互感器是用来检测漏电流信号，将其一次侧漏电流变换为其二次侧的交流电压，经电子电路进行检波、放大后，再由执行执行电路分断供电线路，实现漏电保护功能。 2）．电磁式漏电脱扣器结构

见图5 电磁式漏电脱扣器的结构

电磁式漏电脱扣器由衔铁、线圈、铁心、永久磁铁、分磁板、拉力弹簧和铁轭组成。使用时，漏电脱扣器的线圈与零序电流互感器二次绕组相接，用来反映有无漏电流。 3）．电磁式电流动作型漏电断路器的工作原理

见图5 电磁式电流动作型漏电断路器的工作原理图

当电网正常运行时，不论三相负载是否平衡，通过零序电流互感器主电路的三相电流的向量和等于零，故其二次绕组中无感应电动势产生，漏电断路器的衔铁被永久磁铁的磁通Ф1所产生的吸力吸住，拉力弹簧被拉紧，漏电断路器工作于闭合状态。当出现漏电或触电事故时，漏电或触电电流通过大地回到电源配电变压器的中性点，使三相电流的相量和不再等于零。零序电流互感器二次绕组中便产生了相对应于漏电电流的感应电压U2，U2加在• •

漏电脱扣器线圈上，使线圈中流过交变电流，从而产生交变磁通，Ф3有半个周期在方向上与永久磁铁产生的磁通Ф1方向相反，互相抵消，使漏电脱扣器电磁吸力减小。当漏电电流达到一定值时，漏电脱扣器衔铁在拉力弹簧作用下释放，衔铁上的锁扣脱开，使脱扣机构动作，断路器主触头断开主电路。漏电脱扣器中设置分磁板是为了减少磁路对Ф3的磁阻，以提高动作灵敏度，同时防止永久磁铁退磁老化。 2．漏电保护器的选用

漏电断路保护器有两个功能：一是具有断路器的功能，二是具有漏电保护的功能。断路器的功能与一般低压断路器相同，所以该功能的选择与一般低压断路器的选择相同；漏电保护部分通过零序电流互感器来检测被保护电路内相线和中性线的电流瞬时值，判断对地泄漏电流的变化。

漏电保护器的选择考虑两个条件：一是漏电保护器的漏电动作电流必须躲过电网正常泄漏电流。二是漏电保护器的漏电动作电流必须小于引起火灾的最小点燃电流或人身安全电流。一般按一下原则选择漏电保护器。 1）．漏电保护器的额定漏电不动作电流，应不小于电气线路和设备的正常泄漏电流最大值的2倍。

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2）．漏电保护器的额定动作电流为额定漏电不动作电流的2倍。 3）．电气线路和设备泄漏电流值与分级安装的漏电保护特性的配合：

a.用于单台用电设备时，漏电保护器动作电流应不小于正常运行实测泄漏电电流的4倍，但也不能过大，以免因漏电引起触电事故和火灾。

b.配电线路的漏电保护器动作电流应不小于正常运行实测泄漏电流的2.5倍，同时还应不小于其中泄漏电流最大的一台用电设备正常运行泄漏电流的4倍。

c.用于全网保护时，动作电流应不小于实测漏电流的2倍。全网应全面增设漏电保护，防止因漏电引起火灾。 4）．不同额定剩余动作电流的漏电保护器一般按以下原则选用：

a.额定剩余动作电流为30mA及以下的漏电保护器，用于对直接接触及TT配电系统的保护，及对不直接接触IT中性线不接地系统和完全暴露条件的保护。

b.额定剩余动作电流为50mA及以下的漏电保护器，用于对非直接接触及TT系统防止火灾的保护。 c.配制选择性保护时，应保证除对非直接接触及TT系统的保护外，还能对下级装有30mA的漏电保护系统作选择性保护。应仅隔离事故电路，其他电路应保证仍继续供电。

三 主令电器

主令电器是电气自动控制系统中用来发送或转换控制指令的电器，是一种用于控制电路的控制电器。 （一）、控制按钮

控制按钮主要用于远距离操作具有电磁线圈的电器，也用在控制电路中发布指令和执行电气连锁。 1．按钮结构

见图5 控制按钮结构示意图 图形符号、文字符号：

常闭按钮 常开按钮 复合按钮

SB

SB

SB 2．结构形式

按保护形式分：有开启式、保护式、防水式、防腐式等。

按结构形式分：有嵌压式、紧急式、钥匙式、旋钮式、带信号灯式、带灯揿钮式等。 3．选用原则：

根据使用场合选择种类；根据用途选择结构形式；根据控制要求选择数量等。 （二）、行程开关

行程开关是用来反映工作机械的行程位置，并发出指令，以控制其运动方向和行程大小的指令电器。 1）行程开关的结构如图所示：

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2）行程开关的选用

①根据使用环境选择防护形式。

②根据控制电路的电压和电流选择行程开关系列。

③根据运动机械与行程开关的传动和位移关系选择行程开关的头部形式。 （三）、接近开关

接近开关是一种非接近式的检测装置，能检测金属物体或非金属物体的存在与否，只要当运动物体接近它一定距离时就能发出信号，以控制运动物体的位置，接近开关不仅具有向程开关的作用，还有计数作用。

工作原理：当无金属物体接近时，由于V1、L、C1、C2等元件组成电容耦合振荡器，输出信号加于V2基极，放大后的信号经VD1、VD2整流后加于V3基极，使V3导通V4截止，V5导通V6截止，因此无信号输出。

当金属物体接近线圈L时，由于金属中产生涡流损耗，振荡回路等效电阻增加，能量损耗增加，使振荡减弱以至停止，这时VD1、VD2无输出电压，V3截止，V4导通，V5截止，V6导通，开关有信号输出。当金属物体离开线圈后，振荡重新建立，恢复前述过程。

选用原则：

1）用于工作频率高、可靠性及精度要求均较高的场合。 2）按输出要求选择触头形式和数量。 （四）主令控制器（主令开关） 1．结构及工作原理：

由多组相同结构的触头组件叠装而成的多回路的手动控制电器。 2．用途：

因主令控制器有多组触头，可以变换主电路的接法和转子电路中的电阻值，以达到电动机的起动和反转的目的。常用于起重机控制电路中。 3．图形符号、文字符号及触头通断表：

F SL R

Ⅲ Ⅱ Ⅰ 0 Ⅰ Ⅱ Ⅲ ● ● ● ● ● ● ● ●

●

4．选用原则：

1） 按额定电压和工作电流选用相应的开关系列。 2） 根据要求确定触头数量和接线图号。

1 2 ● ● ● 3 ● 45 6 ● ● ● ● 线路号 1 2 3 4 5 6 F Ⅲ X X X X Ⅱ Ⅰ X X X X X 0 X R Ⅰ X X Ⅱ X X Ⅲ X X X X 58

第 33、34 课时

课题：

电气控制系统图

教学目的和要求:

掌握电气原理图、电气元件布置图、电气接线图的绘制原则。并就电气原理图中的一些画法与旧标准作比较，从而能够阅读理解老些的图纸。

重点与难点:

重点是掌握电气原理图、电气接线图的绘制。 难点是电气原理图中触头画法的理解。 教学方法:

以多媒体的形式将图例资料展现在学生的面前，以归纳的形式说明电气原理图、电气元件布置图、电气接线图的绘制原则与绘图时常用的错误画法。

预复习任务:

复习常用低压电器的图形表示与符号表示

图纸是工程师的语言，而图例符号是这种语言的基本组成元素。设计部门用图纸来表达设计思想与设计意图；生产部门用图纸指导加工与制造；使用部门用图纸作为编制招标标书的依据，或用以指导使用和维护；施工部门用图纸为编制施工组织计划等的依据。 一、电气原理图

电气原理图是用来表示电路各电气元件中导电部件的连接关系和工作原理的电路图。电路图不反映元器件的实际位置、大小，只反映元器件之间的连接关系。 （一）绘制电路图的原则 1．电气原理图的组成

电气原理图可分为主电路和辅助电路。主电路是从电源到电动机或线路末端的电路，是强电流通过的电路，其内有刀开关、熔断器、接触器主触头热继电器和电动机等。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，是小电流通过的电路。绘制电路图时，主电路用粗线条绘制在原理图的左侧或上方，辅助电路用细线条绘制在原理图的右侧或下方。

2．电气原理图中电器元件图形符号、文字符号及标号必须采用最新国家标准。 3．电源线的画法

原理图中直流电源用水平线画出，正极在上，负极在下；三相交流电源线水平画在上方，相序从上到下依L1、

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L2、L3、中性线（N线）和保护地线（PE线）画出。主电路要垂直电源线画出，控制电路和信号电路垂直在两条水平电源线之间。 4．元器件的画法

元器件均不画元件外形，只画出带电部件，且同一电器上的带电部件可不画在一起，而是按电路中的连接关系画出，但必须用国家标准规定的图形符号画出，且要用同一文字符号标明。 5．电器原理图中触头的画法

原理图中各元件触头状态均按没有外力或未通电时触头的原始状态画出。当触头的图形符号垂直放置时，以“左开右闭”原则绘制；当触头的图形符号水平放置时，以“上闭下开”的原则绘制。 6．原理图的布局

同一功能的元件要集中在一起且按动作先后顺序排列。 7．连接点、交叉点的绘制

对需要拆卸的外部引线端子，用“空心圆”表示；交叉连接的交叉点用小黑点表示。 8．原理图中数据和型号的标注

原理图中数据和型号用小写字体标注在符号附近，导线用截面标注，必要时可标出导线的颜色。 9．绘制要求

布局合理、层次分明、排列均匀、便于读图。 （二）电气原理图图面的划分

每个分区内竖边用大写字母编号，横边用数字编号。编号的顺序应从左上角开始。 （三）接触器、继电器触头位置的检索

在接触器、继电器电磁线圈的下方注有相应触头缩在图中位置的检索代号，其中左栏位常开触头所在区号，右栏位常闭触头所在区号。 二、电器元件布置图

电气元件布置图用来表示元器件实际安装位置的图。绘制时注意以下几方面： 1） 体积大和较重的元件应安装在下方，发热元件安装在上方。 2） 强、弱电之间要分开，弱电部分要加屏蔽。 3） 需要经常调整、检修的元件安装高度要适中。 4） 元件的布置要整齐、对称、美观。 5） 元件布置不要过密，以利于布线和维修。 三、电气安装接线图

电气安装接线图使用规定的图形符号按电器元件的实际位置和实际接线来绘制的，用于电气设备和电器元件的安装、配线或检修。

绘制规则：

1）元件的图形、文字符号应与电气原理图标注完全一致。同一元件的各个部件必须画在一起，并用点划线框起来。各元件的位置应与实际位置一致。

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2）各元件上凡需接线的部件端子都应绘出，控制板内外元件的电气连接一般要通过端子排进行，各端子的标号必须与电气原理图上的标号一致。

3）走向相同的多根导线可用单线或线束表示。

4）接线图中应标明连接导线的规格、型号、根数、颜色和穿线管的尺寸等。

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第 35、36 课时

课题：

电气控制电路基本控制规律

教学目的和要求:

掌握自锁与互锁的控制、点动与连续运转的控制、多地联锁控制、自动循环的控制。

重点与难点:

掌握自锁与互锁的控制、点动与连续运转的控制。 教学方法:

以多媒体的形式将图例资料展现在学生的面前，以归纳的形式说明自锁与互锁的控制、点动与连续运转的控制、多地联锁控制、自动循环的控制。

预复习任务:

复习常用低压电器的图形表示与符号表示。

一、自锁与互锁的控制 1）自锁

依靠接触器自身辅助触头而保持接触器线圈通电的现象称为自锁。

图6-5中并联在按钮SB2两端的触头KM是接触器KM的辅助常开触头，当按钮SB2复位后，虽然SB2这一路已断开，但KM线圈仍通过自身的常开触头而保持通电。 2）互锁

图6-7c）中，将接触器KM1的辅助常闭触头串接于接触器KM2的线圈电路中，将接触器KM2的辅助常闭触头串接于接触器KM1的线圈电路中，从而形成相互制约的控制，将这种关系称为互锁。又因为这种互锁是利用接触器辅助触头实现的，故又称为电器互锁。

图6-7d）中是在图c)中增加了两个按钮的常闭触头，这种关系称为按钮互锁。

二、点动与连续运转的控制

图a 主电路。

图b 点动控制：按SB→KM线圈得电→KM主触头闭合→电动机运转。 松开SB→KM线圈失电→KM主触头打开→电动机停止运转。 图c点动与连续控制：

点动：打开SA，按SB2→KM线圈得电→KM主触头闭合→电动机运转。

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松开SB→KM线圈失电→KM主触头打开→电动机停止运转。 连续：闭合SA，按SB2→KM线圈得电→KM主触头闭合→电动机运转。 KM辅助触头闭合，自锁。 按SB1→KM线圈失电→KM主触头打开→电动机停止运转。 点动：按SB3→KM线圈得电→KM主触头闭合→电动机运转。 松开SB3→KM线圈失电→KM主触头打开→电动机停止运转。 连续：按SB2 →KM线圈得电→KM主触头闭合→电动机运转。 KM辅助触头闭合，自锁。

按SB1→KM线圈失电→KM主触头打开→电动机停止运转。

三、多地联锁控制

特点：多个停止按钮串联，多个起动按钮并联。

四、顺序联锁控制

图a主电路。

图b顺序起动联锁控制电路。

KM1辅助触头闭合，实现自锁。 起动M1：按下SB2→KM1线圈得电→KM1主触头闭合→M1运行。

KM1辅助触头闭合，为M2起动做准备。 起动M2：按下SB4→KM2线圈得电→KM2主触头闭合→M2运行。 KM2辅助触头闭合，实现自锁。 停止：按SB1，M1停止；按SB3，M2停止。 图c顺序起动、停止联锁控制电路

图c是在图b的基础上将KM2的常开辅助触头并在KM1的停止按钮SB1两端。该电路的功能是，起动时，先起动M1后才能起动M2；停止时，先停M2后才能停M1。

图d一台起动使另一台停止的联锁控制电路

该电路的特点是：在KM2线圈电路中串入了KM1的常闭辅助触头。如果M2先起动，一旦M1起动时，M2立即停止运行。

起动：按SB2→KM1线圈、通电延时继电器KT线圈得电并自锁→M1得电起动→当时间继电器KT延时时间到→延时闭合的常开触头闭合→KM2得电→M2运转。

KM2的常闭辅助触头打开，使时间继电器失去作用。

五、自动循环的控制

工作原理：合上电源开关→按下正转起动按钮SB2→KM1线圈得电并自锁→电动机运

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转，使工作台向右运动。当挡块A碰到SQ2时→SQ2常闭触点打开→KM1失电，电动机正转运行停止。 SQ2常开触点闭合→KM2线圈得电并自锁→电动机反转运行，工作台向左移动。

当挡块B碰到SQ1时→SQ1常闭触点打开→KM2失电，电动机反转运行停止。

SQ1常开触点闭合→KM1线圈得电并自锁→电动机正转运行。如此周而复始。

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第 37、38 课时

课题：

三相异步电动机的起动控制

教学目的和要求:

掌握三相异步电动机的星形—三角形降压起动、自耦变压器降压起动、转子串电阻降压起动等起动控制电路。

重点与难点:

掌握星形—三角形降压起动、自耦变压器降压起动、转子串电阻降压起动控制电路。 教学方法:

以多媒体的形式将图例资料展现在学生的面前，绘图分析星形—三角形降压起动、自耦变压器降压起动、转子串电阻降压起动控制电路。

预复习任务:

复习第二章第八节的三相异步电动机的起动控制分析。

全压起动

星形—三角形降压起动（常用） 电动机的起动方式 自耦变压器降压起动（常用）

降压起动 软起动

延边三角形降压起动（很少用） 转子串电阻降压起动（常用） 一、星形—三角形降压起动控制

1）适用范围：适用于正常运行状态下定子绕组接成三角形连接且容量较大的三相异步笼形异步电动机。 2）起动原理：电动机起动时，定子绕组接成星形连接，每相绕组电压降为电源电压的1/3，起动电流降为全压起动时电流的1/3。待电动机转速上升到接近额定转速时，将定子绕组接成三角形连接，电动机进入全压下的正常运转。

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KM1自锁触头闭合 KM1得电→ K M1主触头闭合 KM3主触头闭合 →电动机Y形起动 按下SB2 → KM3得电→ KM3互锁触头分断 KT常闭触头延时断开 Δt KM3线圈断电 KT得电→ KM3主触头分断 KM3互锁触头闭合 KM2线圈得电 KT常开触头延时闭合 KM2主触头闭合(KM1仍闭合) 电动机Δ形联结全压运行 KM2自锁触头闭合 KM2互锁触头分断→KT断电复位

二、自耦变压器降压起动控制 1）起动原理

自耦变压器降压起动控制是将自耦变压器一次侧接在电网上，二次侧接在电动机定子绕组上，电动机的起动电压是自耦变压器的二次侧电压。当电动机起动后接近额定转速时，再将电动机的定子绕组接在额定电压上， （一）手动控制的自耦降压起动控制电路 （二）自动控制的自耦降压起动电路

工作原理：

合上开关Q → HL1电源指示灯亮，正常 → 按下SB2 →

KM1常闭辅助触头断开，HL1灯灭

KM1常开辅助触头闭合，HL2灯亮，减压起动指示

KM1线圈得电 KM1常开辅助触头闭合自锁

KM1主触头闭合 → M降压起动

→

KT线圈得电并自锁→电机减压起动→当时间继电器定时到→时间继电器的延时闭合触头KT（3-7）闭合→KA线圈得电并自锁 →

KA（4-5）断开 → KM1线圈失电，将自耦变压器切除。

→ KA（3-8）→ KM2线圈得电 → 主触头闭合 → 电机得到全部电压正常运行。 常开辅助触头闭合，HL3正常运行灯亮。

KA（10-11）断开 → HL2灯灭。

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三、三相绕线转子电动机的起动控制

起动方式：串电阻起动；串频敏变阻器起动。 （一）转子串电阻起动控制

1）起动原理：串接在三相转子绕组中的起动电阻，一般都接成星形。起动时，将全部起动电阻接入，随着起动的进行，电动机转速逐步提高，转子电阻依次被短接，起动结束后，转子电阻被全部切除。

2）实例

电机串入全部电阻起动

按下SB2→KM1线圈得电并自锁→ 时间继电器KT1线圈得电，经延时后KT1延时闭合 KM2主触头闭合→切除电阻R1。 的常开触点闭合→KM2线圈得电并自锁→ KM2一对常闭辅助触头断开→切除KT1。

KM2一对常开辅助触头闭合→KT2线圈得电→过一段时间后→KT2延

时闭合的常开触点闭合→KM3线圈得电→

KM3主触头闭合，切除电阻R2。

KM3常闭触头断开→KM2、KT2、KT1线圈失电。

KM3常开触头闭合→ KT3得电，过一段时间后 → KT3的常开触头闭合 → KM4得电 → 切除全部电阻。

KM4常闭触头断开→KT1、KM2、KT2、KM3、KT3失电。 （二）转子回路串频敏变阻器起动控制

工作原理：按下SB2→KM1、KT1线圈得电→电机接入频敏变阻器起动，经一段时间后KT1动作→KA1线圈得电→ KM2线圈得电→频敏变阻器短接，电机起动结束。

KT2线圈得电，经一段时间后，KT2动作→KA2得电→将过电流继电器KA3线圈串入电机定子电路电流互感器输出端，对电机进行过电流保护。

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第 39、40 课时

课题：

三相异步电动机的制动控制

教学目的和要求:

掌握三相异步电动机的电源反接制动控制线路、能耗制动控制电路。

重点与难点:

掌握三相异步电动机的电源反接制动中的可逆运行反接制动控制电路；能耗制动控制电路中的按时间原则控制电动机单向运行能耗制动电路、按速度原则控制电动机可逆运行能耗制动电路。

教学方法:

以多媒体的形式将图例资料展现在学生的面前，绘图分析三相异步电动机的电源反接制动控制线路、能耗制动控制电路。

预复习任务:

复习第二章第九节的三相异步电动机的制动控制分析。

反接制动 电气制动 能耗制动 制动类型 回馈制动

电磁抱闸制动

电磁机械制动 电磁离合器制动

电气制动：是使电动机产生一个与转子旋转方向相反的电磁转矩进行制动。 电磁机械制动：用电磁铁操纵使断开电源后的电动机迅速停转。 一、电源反接制动控制线路 1）反接制动的原理

当电动机的电源反接时，转子与定子旋转磁场的相对转速接近电动机同步转速的两倍，此时转子中流过的电流相当于全压起动电流的两倍，因此反接制动转矩大，制动迅速。为减小制动电流，必须在制动电路中串入电阻。 2）电动机反接制动的要求：

①三相电动机的电源应能实现反接。

②当电动机制动转速接近零时，应及时切断电源。

③对笼型三相异步电动机进行反接制动时，应在电动机定子回路中串入电阻。 （一）电动机单向运行反接制动控制电路

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工作原理：按下起动按钮SB2→KM1得电并自锁→电机全压起动→当电机转速超过速度继电器KS的设定值时，其相应常开触头闭合，为停车反接制动做准备。

停车时，按下SB1→ KM1失电→电机被切断电源。

KM2线圈得电并自锁→电机定子串入电阻，接入反三相电源进行反接制动，当转速下降到KS的释放值时→KS常开触点复位→KM2失电，主触头断开反相序交流电源，反接制动动结束。 （二）电机可逆运行反接制动控制电路

工作原理：

起动 按下起动按钮SB2→KA3线圈得电→KM1得电→使电动机串入电阻降压起动，当转速上升到一定值时→速度继电器KS常开触头KS-1闭合→KA1得电并自锁，为正转反接制动作准备。由于KA1、KA3常开触头的闭合→KM3得电→将电阻R切除，电机全压运行。

反接制动 按下停止按钮SB1→KA3、KM1、KM3线圈失电→电机失去正向运转电源。由于电机转速仍较高→KS-1仍闭合→KA1线圈仍通电→电机经电阻R获得反相序电源，进行反接制动，当转速降至一定值时，KS释放→KM2失电→反接制动结束。

二、能耗制动控制电路

定义：当电动机切断电源后，立即在定子绕组的任意两相中通入直流电，迫使电动机迅速停转的方法叫能耗制动。

按接入直流电的控制方式不同分：

时间控制原则 速度控制原则

（一）按时间原则控制电动机单向运行能耗制动电路

工作原理：设电动机已处于运行状态，若使电动机停止，按下停止按钮SB1→KM1失电→电动机断开电源。在按下SB1的同时→KM2、KT线圈得电并自锁→KM2主触头将电动机两相绕组接入直流电源进行能耗制动，当到达时间继电器KT的设定值时→KT的延时断开触点动作→KM2、KT线圈失电释放，能耗制动结束。 （二）按速度原则控制电动机可逆运行能耗制动电路

工作原理：设电动机已处于运行状态，停车时，按下停止按钮SB1，电动机电源被切断，KM3线圈通电并自锁，电动机定子接入直流电源进行能耗制动，当速度降至很低时，速度继电器释放，使KM3线圈失电，切除直流电源，能耗制动结束。

三、机械制动控制电路

工作原理：

按下起动按钮SB2→KM1得电→电磁铁线圈YB得电→制动闸松开制动轮 电动机起动运行。

KM2线圈得电

停车时，按下停止按钮SB1→KM11、KM2失电→电磁铁线圈YB失电→电磁抱闸将制动轮紧紧抱住，电机迅速停转。

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第 41、42 课时

课题：

三相异步电动机的调速控制

教学目的和要求:

掌握三相笼型异步电动机的变极调速控制、三相绕线转子异步电动机转子串电阻调速控制电路。

重点与难点:

掌握三相笼型异步电动机的双速变极调速控制、三相绕线转子异步电动机转子串电阻调速控制电路。 教学方法:

以多媒体的形式将图例资料展现在学生的面前，绘图分析三相笼型异步电动机的变极调速控制、三相绕线转子异步电动机转子串电阻调速控制电路。

预复习任务:

复习第二章第十节的三相异步电动机的调速控制。

调速方式：由三相异步电动转速n=60f1(1-s)/p可知，三相异步电动机的调速方法有：改变定子绕组的极对数；变频调速；改变转子电路中的电阻；串极调速。

一、 三相异步电动机的变极调速控制线路 分析见图6-25

特点——2/4极双速电动机——高、低速运行。

二、三相绕线转子异步电动机转子串电阻调速控制

分析见图6-28

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第 43、44 课时

课题：

C650型普通车床电气控制

教学目的和要求:

掌握C650型车床主要结构和运动情况、电气控制电路的阅读分析方法、C650型车床电气控制特点与故障分析。

重点与难点:

掌握C650型普通车床电气控制原理

教学方法:

以多媒体的形式将图例资料展现在学生的面前，绘图分析C650型普通车床电气控制原理。 预复习任务:

与车工实训相结合预复习。

一 、电气控制电路分析基础 （一）电气控制分析的依据

熟悉控制对象：设备的基本结构、运行情况

掌握控制要求：加工工艺要求、对电力拖动的要求、对电气控制的要求 （二）电气控制分析的内容

1、设备说明书：机械、液压、气动 2、电气控制原理图 3、电气设备的总装接线图 4、电器元件布置图与接线图 （三）电气控制原理图的阅读分析方法

1.先机后电 2.先主后辅 3.化整为零

4.集零为整、统观全局 5.总结特点 二、分析举例

以C650型普通卧式车床为例说明分析电气控制原理图的方法。

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（一）主要结构和运动情况

组成：由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、丝杆和光杆组成。

运动：车床的主运动为工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘带动工件旋转。主轴要求有变速功能。普通车床一般采用机械变速。车削加工时，一般不要求反转，但在加工螺纹时，为避免乱扣，要求反转退刀，再以正向进刀继续进行加工，所以要求主轴能够实现正反转。

车床的进给运动是溜板带动刀具（架）的横向或纵向的直线运动。其运动方式有手动、机动两种。加工螺纹时，要求工件的切削速度与刀架横向进给速度之间应有严格的比例关系。所以，车床的主运动与进给运动由一台电动机拖动并通过各自的变速箱来改变主轴转速与进给速度。 C650车床的溜板还能快速移动，这种运动称为辅助运动。 （二）C650车床对电气控制的要求

根据C650车床运动情况及加工需要，共采用三台三相笼型异步电动机拖动，主轴与进给电动机MI、冷却泵电动机M2和溜板箱快速移动电动机M3。各台电动机的控制要求是：

1）主轴与进给电动机（简称主电动机）MI，功率20W，允许在空载情况下直接起动。主轴与进给电动机要求实正、反转，从而经主轴变速箱实现主轴正、反转，或通过挂轮箱传给溜板箱来拖动刀架实现刀架的横向左、右移动。

为便于进行车削加工前的对刀，要求主轴拖动工件作调整点动，所以要求主轴与进给电动机能实现单方向旋转的低速点动控制。

主电动机停车时，由于加工工件转动惯量较大，故需采用反接制动。一 主电动机除具有短路保护和过载保护外，在主电路中还应设有电流监视环节。

2）冷却泵电动机M2，功率为0.15kw，用以在车削加工时，供出冷却液，对工件与刀具进行冷却。采用直接起动，单向旋转，连续工作。具有短路保护与过载保护。

3）快速移动电动机M3，功率为2．Zkw，由于溜板箱连续移动是短时工作，故M3只要求单向点动、短时运转，不设过载保护。

4）电路还应有必要的联锁和保护及安全可靠的照明电路。 （三）C650型车床电气控制电路分析

图7．2为C650型普通车床电气控制原理图。 1.主电路分析

带脱扣器的低压断路器QS将三相交流电源引人，FU1为主电动机M1短路保护用熔断器，FR1为M1过载保护用热继电器，R为限流电阻，限制反接制动时的电流冲击，防止在点动时连续起动电流造成电动机的过载，通电电流互感器TA接人电流表来监视主电动机的线电流。KMI、KM2分别为主电动机正、反转接触器，KM3为主电动机制动限流接触器。

冷却泵电动机M2通过接触器KM4的控制来实现单向连续运转，FU2为M2的短路保护 用熔断器，FR2为其过载保护用热继电器。

快速移动电动机M3通过接触器KM5控制实现单向旋转点动短时工作，FU3为其短路保护用熔断器。

73

2.控制电路分析

控制电路电源为110V的交流电压，由控制变压器TC供给控制电路。同时TC还为照明电路提供36V的交流电压，FU5为控制电路短路保护用熔断器，FU6为照明电路短路保护用熔断器，车床局部照明灯EL由主令开关SA控制。

丨）主电动机M1的点动调整控制。按下SB2，KM1线圈通电吸合，KM1主触头闭合，M1定子绕组经限流电阻R与电源接通，电动机M1定子串电阻作正转减压点动。若点动时速度达到速度继电器KS动作值140r／min，KS正转触头KS－l将闭合，为点动停止时的反接制动作准备。松开点动按钮SB2，KM1线圈断电释放，KM1触头复原；若KS转速大于其释放值100r／min时，触点KS－1仍闭合，使KM2线圈通电吸合，M1接入反相序三相交流电源，并串入限流电阻R进行反接制动；当KS转速达到100r／min时，KS-1触头断开，反接制动结束，电动机自然停车至零。

2）主电动机M1的正、反转控制。正转时，按下起动按钮SB3，接触器KM3首先通电吸合，其常开主触头闭合，将限流电阻R短接。同时KM3常开辅助触头闭合，使中间继电器KA线圈通电吸合，触头KA（13-9）闭合使接触器KM1线圈通电吸合，其常开主触头闭合，主电动机MI在全电压下正向直接起动。由于 KM1常开触头 KMI（15－13） 闭合和 KA常开触头 MA（7-15）闭合，使KMI和KM3线圈自锁，M1获得正向连续运转。 接触器KMI与ILM2的常闭触头串接在对方线圈电路中，实现电动机MI正反转的互锁。

3）主电动机M1的停车制动控制。主电动机停车时采用反接制动。反接制动电路由正反转可逆电路和速度继电器组成。

正转制动：当MI正转运行时，接触器KMI、KM3和中间继电器KA线圈通电吸合，KS约常开触头KS-1闭合，为正转制动作好准备。如需停车时，按下停止按钮SB1，KM3、KM1、KA线圈同时断电。

4）冷却崩电动机M2的控制 5）刀架移动电动机M3的控制 6）辅助电路

（四）C650型车床电气控制特点与故障分析 3.电气控制电路特点

1）采用三台电动机拖动，尤其是车床溜板箱的快速移动单由一台快速移动电动机M3拖动。

2）主电动机MI不但有正、反向运转，还有单向低速点动的调整控制，MI正反向停车时均具有反接制动停车控制。

3）设有检测主电动机工作电流的环节。

4）具有完善的保护和联锁功能：主电动机MI正反转之间有互锁。熔断器FU1－FU6可实现各电路的短路保护；热继电器FR1、FR2实现M1、M2的过载保护；接触器KM1、KM2、 KM4采用按钮与自锁环节，对M1、M2实现欠电压与零电压保护。 2．常见故障分析

1）主电动机点动起动时起动电流过大，相当于全压起动时的情况，其原因是短接限流电阻R的接触器KM3线圈虽未通电吸合，但由于其主触头发生粘连而断不开，造成R被短接，使M1处于全压起动。应检查KM3接触

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器是否存在触头粘连或衔铁机械上卡住而不能释放等情况。

2）主电动机正反向起动时，检测电动机定子电流的电流表读数较大，这是由于时间继电器KT延时过短，主电动机起动尚未结束，而延时时间已到，造成过早地接人电流表，使电流表读数较大。

3）主电动机反接制动时制动效果差。如果这一情况每次都发生，一般来说是由于速度继电器触头反力弹簧过紧，使触头过早复位断开了反接制动电路，造成反接制动效果差；若属于偶然发生，往往是由于操作不当造成的。按下停止按钮四 时间过长，只有当松开SB1后，其常闭触头复位才接人反接制动电路，对M1进行反接制动。

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第 45、46 课时

课题：

直流电机

教学目的和要求:

掌握直流电机的结构与工作原理，了解直流电动机的工作特性，掌握直流电动机制起动、制动、调速。 重点与难点:

重点是掌握直流电机的工作原理，难点是直流电动机的起动与调速控制。 教学方法:

以多媒体的形式将图例资料展现在学生的面前，对比交流电动机，分析两种类型的电机的工作原理，以及两类电动机的起动、制动、调速的异同。

预复习任务:

复习交流电动机的结构原理，以及交流电动机的起动、制动、调速。

一、 直流电机的结构： 二、

二、直流电机工作原理

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。

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，驱动电动机转动。

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直流发电机则是根据切割磁场的导体会产生感生电势这一基本理论工作的。

原动机拖动转子逆时针方向旋转，在线圈abcd中就有感生电动势产生，根据电磁感应定律可知，导体ab和cd中产生的感生电动势e相等。感生电动势的方向由右手定则确定，线圈中的感生电动势是导体ab和cd感应电势之和。电动势的方向是由低电位指向高电位。d点应为低电位，a点应为高电位，相应电刷A端为高电位，为输出电源的正极，电刷B端为低电位，为输出电压为负极。线圈在外力作用下连续不断地旋转，所以导体ab和cd在不同一极下感应的电动势方向也随之变化，因此线圈中产生的感生电动势是交变的。

三、直流电动机的工作特性

直流电动机的工作特性是指在直流电动机电枢加额定电压、励磁不变, 电枢电阻不变时,电动机的转速n、电磁转矩T、效率η与输出功率P2之间的关系 。

四、直流电动机的起动与反转

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1、电枢串电阻起动 2、直流电动机减压起动

五、直流电动机调速方法 1、电枢回路串电阻调速 2、改变电枢电压调速 3、弱磁调速

六、直流电动机的制动

根据运行电路和能量传递的不同特点，可分为能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。

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第 47、48 课时

课题：

伺服电动机

教学目的和要求:

掌握伺服电动机的结构与工作原理，掌握伺服电动机的控制方式。 重点与难点:

重点是掌握伺服电动机的工作原理，难点是伺服电动机的控制方式。 教学方法:

以多媒体的形式将图例资料展现在学生的面前，类比前述课程所学的交流电动机与直流电动机。 预复习任务:

复习交流电动机与直流电动机的结构原理。

伺服电动机把输入的信号电压变为转轴的角位移或角速度输出，转轴的转向与转速随信号电压的方向和大小而改变，并且能带动一定大小的负载，在自动控制系统中作为执行元件，故伺服电动机又称为执行电动机。

一、 直流伺服电动机

1. 结构和分类

直流伺服电动机分传统型和低惯量型两大类。

传统型直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机，也是由定子、转子（电枢）、电刷和换向器四大部分组成的，按定子磁极的种类可分为永磁式和电磁式两种。永磁式电动机的磁极是永久磁铁；电磁式电动机的磁极是电磁铁，磁极外面套着励磁绕组。

按照电枢形式的不同，低惯量直流伺服电动机分为盘形电枢直流伺服电动机、空心杯电枢永磁式直流伺服电动机及无槽电枢直流伺服电动机。低惯量型直流伺服电动机的明显特点是转子轻，转动惯量小，快速响应好。 2、控制方式

直流伺服电动机的控制方式有两种：一种是电枢控制，一种是磁极控制。

把电枢电压作为控制信号即采用改变电枢电压控制转速的方法称为电枢控制。

把励磁绕组电压作为控制信号即改变励磁绕组电压控制转速的方法称为磁极控制或磁场控制。

电枢控制较磁场控制具有较多的优点，因此自动控制系统中大多采用电枢控制，而磁场控制只用于小功率电动机中。永磁式直流伺服电动机由永磁磁极励磁，采用电枢控制方式。

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二、 交流伺服电动机 1、基本结构

交流伺服电动机在结构上为两相异步电动机，其定子上有空间相差90°电角度的两相分布绕组，它们可以有相同或不同的匝数。定子绕组的一相作为励磁绕组，运行时接到电压为Uf的交流电源上，另一相作为控制绕组，输入控制信号电压Uk。电压Uf和Uk同频率，一般为50Hz或400 Hz。

常用的转子结构有两种形式：高电阻笼型转子和非磁性空心杯转子。 2、工作原理

图示为两相交流伺服电动机的原理图。两相绕组轴线位置在空间相差90°电角度，当两相绕组分别加以交流电压以后，就会在气隙中产生旋转磁场。当转子导体切割旋转磁场的磁力线时，便会感应电动势，产生电流，转子电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩，使转子随旋转磁场的方向而旋转。

3、控制方式

交流伺服电动机的控制方式有以下三种： (1) 幅值控制。

通过调节控制电压的大小来改变电动机的转速，而控制电压Uk与励磁电压Uf之间的相位角保持90°电角度，通常Uk滞后于Uf。当控制电压Uk=0时，电动机停转，即n=0。 (2) 相位控制。

通过调节控制电压的相位（即调节控制电压与励磁电压之间的相位角β ）来改变电动机的 转速，而控制电压的幅值保持不变，当β=0时，电动机停转。这种控制方式较少采用。 (3) 幅值—相位控制（电容移相控制）。

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第 49、50 课时

课题：

步进电动机

教学目的和要求:

掌握步进电动机的结构与工作原理，掌握步进电动机的控制方式。 重点与难点:

重点是掌握步进电动机机的工作原理，难点是步进电动机的控制方式。 教学方法:

以多媒体的形式将图例资料展现在学生的面前，类比前述课程所学的交流电动机与伺服电动机。 预复习任务:

复习交流电动机与伺服电动机的结构原理。

步进电动机就是一种用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机。它通过专用电源把电脉冲按一定顺序供给定子各相控制绕组，在气隙中产生类似于旋转磁场的脉冲磁场。

步进电动机的种类繁多，按相数可分为单相、两相、三相及多相步进电动机，按其运动方式分为旋转运动型、直线运动型和平面运动型。通常使用的旋转型步进电动机又可分为反应式、永磁式和感应式。其中反应式步进电动机是我国目前应用最广泛的一种，它具有调速范围大，动态性能好，能快速起动、制动和反转等优点。永磁式和感应式步进电动机的基本原理与反应式步进电动机相似。 一、步进电动机的工作原理

(a)(b)(c)AB214CB3AA1CCB24BC3AACB2134BCA

当A相绕组通电且B相、C相绕组都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，因而转子齿1和齿3的轴线与定子A极轴线对齐（负载转矩为零时），如 (a)所示。当A相断电且B相通电时，转子便逆时针方向转过30°，使转子齿2和齿4的轴线与定子B极轴线对齐，如(b)所示。当B相断电且C相通电时，转子再转过30°，使转子齿1和齿3的轴线与定子C极轴线对齐，如 (c)所示。如此循环往复, 按A—B—C—A的顺序不

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断接通和断开控制绕组，气隙中将产生脉冲式的旋转磁场，转子就一步一步地按逆时针方向转动。

二、步进电动机类型 1、反应式步进电动机

设转子的齿数为Z，则齿距为：τ＝360º/Z每通电一次，转子就走一步，故步距角β为：

齿距360360＝拍数Z拍数mKZ步进电动机的转子齿数Z和定子相数m愈多，则步距角β愈小，控制越精确。 如果电脉冲的频率为f（电源频率），则步进电动机转速n

nf3606060fmKZ 可见，反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。 2、永磁式步进电动机

永磁式步进电动机转子的磁极上绕有激磁绕组，绕组中通以直流电以产生直流磁通。与反应式步进电动机相比，有如下特点：

➢ 输出转矩大而脉冲电流较小 ➢ 低频运行时更稳定可靠 ➢ 高频运行时的矩频特性好 3、永磁反应式（混合式）步进电动机

永磁反应式步进电动机既具有反应式步进电动机的步距角小和工作频率较高的特点，又具有永磁式步进电动机的控制功率比较小的特点，但结构较复杂，成本也较高。

三、步进电动机的驱动电源

步进电动机应由专用的驱动电源来供电，由驱动电源和步进电动机组成一套伺服装置来驱动负载工作。步进电动机的驱动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分。变频信号源是一个频率从几十赫兹到几千赫兹的可连续变化的信号发生器，可以采用多种线路，最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的弛张振荡器两种，通过调节电阻R和电容C的大小来改变电容充放电的时间常数，以达到选取脉冲信号频率的目的。

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