课题十三 电动机的控1.docx

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课题十三电动机的控1

课题十三电动机的控制、保护及选择

一．电动机的控制

以上我们介绍了电动机的各种基本电气控制线路，而生产机械的机械的电气控制线路都是在这些控制线路的基础上，根据生产工艺过程的控制要求设计的，而生产工艺过程必然伴随着一些物理量的变化对电动机实现自动控制。

对电动机控制的一般原则，归纳起来，有以下几种：

行程控制原则、时间控制原则、速度控制原则和电流控制原则。

现分别叙述如下：

1．行程控制原则

根据生产机械运动部件的行程或位置，利用位置开关来控制电动机的工作状态称为行程控制原则。

行程控制原则是生产机械电气自动花中应用最多和作用原理最简单的一种方式。

如果题四中位置控制线路和自动循环控制线路都是按行程原则来控制的。

2．时间控制原则

利用时间继电器按一定时间间隔来控制电动机的工作状态称为时间控制原则，在电动机的降压启动、制动以及变速过程中，利用时间继电器按一定的时间间隔改变线路的接线方式，来自完成电动机的各种控制要求。

在这里，换接时间的控制信号由时间继电器发出，换接时间的长短则根据生产工艺要求或者电动机启动、制动和变速过程的持续时间来整定时间继电器的动作时间。

像前面介绍的基本控制线路中，图2—23c~e、图2—28、图2—33、图2—34等线路就是按时间原则来控制的。

3．速度控制原则

根据电动机的速度变化，利用速度继电器等电器来控制电动机的工作状态称为控制原则。

反映速度变化的电器有多种，直接测量速度继电器、小型测速发电机；间接测量电动机速度的电器，对于直流电动机用其感生电动势来反映，通过电压继电器来控制：

对于交流绕线转子异步电动机可用转子频率来反映，通过频率继电器来控制。

像课题八中介绍的反接控制线路，如图2—49和图2—50所示，就是利用速度继电器来进行速度控制的，

4．电流控制原则

根据电动机回路的大小，利用电流继电器来控制电动机的工作状态称为电流控制原则。

像课题七中介绍的如图2—41所示控制线路、课题十二中介绍的如图2—83所示控制线路都是按电流原则来控制的。

二．电动机的保护

电动机在运行的过程中，除按生产机械的工艺要求完成各种征程运转外，还必须在线路出现短路、过载、过电流、欠电压及弱磁等现象时，能自动切断电源运转，以防止和避免电气设备和机械设备的损坏事故，保证操作人员的人身安全。

为此，在生产机械的电气控制线路中，采取了对电动机的各种保护措施。

常用的有以下几种：

短路保护、过载保护、过电流保护、欠压保护、失压保护及弱磁保护等。

1．短路保护

当电动机绕组和导线的绝缘损坏或者控制电器及线路发生故障时，线路将出现短路现象，产生很大的短路电流，使电动机、电器及导线等电气设备严重损坏。

因此，在发生短路故障时，保护电器必须立即动作，迅速将电源切断。

常用的短路保护电器是熔断器和压低压断路器。

熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔断器的熔体不起作用，相当于一根导线，其上面的压降很小，可忽略不计。

当电路短路时，很大的短路电流流过熔体，使熔体立即熔断，切断电动机电源，电动机停转。

同样，若电路中接入低压器，当出现短路时，低压断路器会立即动作，切断电源使电动机停转。

2．过载保护

当电动机负载过大、启动操作频繁或缺相运行时，会使电动机的工作电流长时间超过其额定电流，电动机绕组过热，温升超过其允许值，导致电动机的绝缘材料变脆，寿命缩短，严重时会使电动机损坏。

因此，当电动机过载时，保护电器应动作切断电源，使电动机停转，避免电动机在过载下运行。

常用的过载保护电器是热继电器。

当电动机的工作电流等于额定电流时，热极端器不动作；当电动机短时过载或过载电流较小时，热继电器不动作，或经过较长时间才动作；当电动机过载电流较大时，串接在主电路中的热元件会在较短的时间内发热弯曲，使串接在控制电路中的常闭触头断开，先后切断控制电路和主电路的电源，使电动机停转。

3．欠压保护

当电网电压降低时，电动机便在欠压下运行，由于电动机负载没有改变，所以欠压下电动机转速下降，定子绕组的电流增加。

因为电流增加的幅度尚不足以使熔断器和热继电器动作，所以这两种电器起不到保护作用。

如不采取保护措施，时间一长将会使电动机过热损坏。

另外，欠压将引起一些电器释放，，使线路不能正常工作，也可能导致人身设备事故。

因此，应避免电动机在欠压下运行。

实现欠压保护的电器是接触器和电磁式电压继电器。

在机床电气控制线路中，只有少数线路专门装设了电磁式电压继电器起欠保护总用；而大多数控制线路，由于接触器已兼有欠压保护功能，所以不必再加没欠压保护电器。

一般当电网电压降低到额定电压的85%以下时，接触器（或电压继电器）线圈产生的电磁吸力将小于复位弹簧的拉力，动铁心被迫释放，其主触头和自琐触头同时断开，切断主电路和控制电路电源，使电动机停转。

4．失压保护（零压保护）

生产机械在工作时，由于某种原因而发生电网突然停电，这时电源电压下降为零，电动机停转，生产机械的运动不见也随之停止运转。

一般情况下，操作人员不可能及时拉开电源开关，如不采取措施，当电源电压恢复正常时，电动机便会自行启动运转，很可能造成人身和设备故障，并引起电网电流和瞬间网络电压下降。

因此，必须采取失压保护措施。

在电气控制线路中，起失压保护作用的电器是接触器和中间继电器。

当电网停电时，接触器和中间继电器线圈中的电流消失，电磁吸力减小为零，动铁心释放，触头复位，切断了主电路和控制电路电源。

当电网恢复供电时，若不重新按下启动按钮，则电动机不会自行启动，实现了失压保护。

5．过流保护

为了限制电动机的启动或制动电流，在直流电动机的电枢绕组中或在交流绕线转子异步电动机的转子绕组中需要串入附加的限流电阻。

如果在启动或制动时，附加电阻被短接，将会造成很大的启动制动电流。

使电动机或机械设备损坏。

因此，对直流电动机或绕线转子异步电动机常常采用过流保护。

6．弱磁保护

直流电动机必须在磁场具有一定强度时才能启动、正常运转。

若在启动时，电动机的励磁电流太小，产生的磁场太弱，将会使电动机的启动电流很大；若电动机在正常运转过程中，磁场突然减弱或消失，电动机的转速将会迅速升高，甚至发生“飞车”。

因此，在直流电动机的电气控制线路中要采取弱磁保护。

弱磁保护是在电动机励磁回路中串入励磁继电器（即欠电流继电器）来实现的。

在电动机启动运行过程中，当励磁电流值达到弱磁继电器的动作值时，继电器就吸合，使串接在控制电路中的常开触头闭合，允许电动机启动或维持正常运转；但当励磁电流减小很多或消失时，弱磁继电器就释放，其常开触头断开，切断控制电路，接触器线圈失电，电动机断电停转。

7．多功能保护器

选择和设置保护装置的目的不仅使电动机免受损坏，而且还应使电动机得到充分的利用。

因此，一个正确的保护方案应该是：

使电动机在充分发挥过载能力的同时不但免于损坏，而且还能提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性。

采取双金属的热保护和电磁保护属于传统的保护方式，这种方式已经越来越不适应生产发展对电动机保护的要求。

例如，由于现代电动机工作时绕组电流密度显著增大，当电动机过载时，绕组电流密度增长速率比过去的电动机大2~2.5倍。

这就要求温度检测元件具有更小的发热时间常数，保护装置具有更高的灵敏度和精度。

电子式保护装置在这方面具有极大的优越性。

既然过载、断相、短路和绝缘损坏等都对电动机造成威胁，那就都必须加以防范，最好能在一个保护装置内同时实现电动机的过载、断相及堵转瞬动保护。

多功能保护器就是这样一种电器。

近年来出现的电子式多功能保护装置品种很多，性能各异。

如图2—86所示就是一种保护装置的电路图。

多功能保护器的工作原理如下：

保护信号由电流互感器TA1,TA2,TA3串联后取得.这种互感器选用较低饱和磁感应强度的磁环（例如用铁氧体软磁材料MX0-2000型锰锌磁环）制成.电动机运行时电动机处于饱和状态,因此互感器二次绕组中的感应电动势,除基波外还有三次谐波成分.

电动机正常运行时,由于三个线电流基本平衡（即大小相等,相位互差120゜）所以在电流互感器二次侧绕组中的基波电动势合成为零,但是三次谐波电动势合成是每个电动势的3倍.取得的三次谐波电动势经过二极管V1整流、V2稳压（利用二极管的正向特性）、电容器C1滤波,再经过Rt与R2分压后,提供晶体三极管V的基极,使V饱和导通,于是电流继电器KA吸合,KA常开触头闭合.按下SB2时,接触器KM线圈得电并自锁.

当电动机的电源线断开一相时,其余的线电流大小相等、方向相等、方向相反,互感器三个串联的二次绕组中只有两个绕组感应电动势,且大小相等、方向相反,使互感器二次绕组中总电动机为零,既不存在基波电动势,也不存在三次谐波电动势,于是V的基极电流为零,V截止,V集电极的电流器KA释放,接触器KM线圈失电,其触头断开切断电动机的电源.

当电动机由于故障或其他原因使其绕组温度过高,若温度超过允许值时,PTC热敏电阻Rt的阻值急剧上升,改变了Rt和R2的分压比,使晶体三极管V的基极电流的数值减小（实际上接近于零）,V截止,电流继电KA释放,其常开触头断开,接触器KM线圈失电,电动机脱离电源停转.

对电动机的保护问题,,现代技术正在提供更加广阔的途径.例如,研制发热时间常数小的新型PTC热敏电阻,增加电动机绕组对热敏电阻的热传导;发展高性能和多功能综合保护装置,其主要方向是取代电动原则而采用固态集成电路和微处理器作为电流、电压、时间、频率、相位和功率等方面的检测和逻辑单元.

对于频率或反复启动、制动和重载启动的笼型电动机以及大容量电动机,由

它们的转子温升比定子绕组温升高,所以较好的办法是检测转子电动机的温度.国外已有用红外线保护装置的实际应用,它用红外线温度计从外部检测转子温度并加以保护.

三、电动机的选择

在电力拖动系统中,正确选择拖动生产机械的电动机是系统安全、经济、可靠和合理运行的重要保证.而衡量电动机的选择合理与否,要看选择电动机时是否遵循了以下基本原则:

第一,电动机能够完全满足生产机械在机械性方面的要求.如产生机械所需要的工作速度、调速的指标、加速以及启动、制动时间等.

第二,电动机在工作过程中,其功率能被充分利用.即温升应达到国家标准规定的数值.

第三,电动机的结构形式应适合周围环境的条件.如防止外界灰尘,水滴等杂物进入电动机内部;防止绕组绝缘受有害气体的侵蚀;在有爆炸危险的环境中应把电动机的导电部位和有花火的部位封闭起来,不使它们影响外部等.

电动机的选择主要包括以下内容；电动机的额定功率（即额定容量）,额定电压,额定转速,电动机的种类,电动机的结构形式.其中以电动机额定功率的选择最为重要.所以,下面重点介绍电动机额定功率的选择问题.

1.电动机额定功率的选择

正确合理地选择电动机的功率是很重要的.因为如果电动机的功率选得过小,电动机将过载运行,使温度超过允许值,会缩短电动机的使用寿命甚至烧坏电动机;如果选得过大,虽能保证设备正常工作,但由于电动机不在满载下运行,其用电效率因数较低,电动机的容量得不到充分利用,造成电力浪费.此外,设备投资大,运行费用高,很不经济.

电动机的工作方式有以下三种:

连续工作制（或长期工作制）,短期工作制和周期性断续工作制.下面分别介绍在三种工作方式下电动机额定功率的选择方法.

（1）连续工作制电动机额定功率的选择在这种方式下,电动机连续工作时间很长,可使其温升达到规定的稳定值,如通风机、泵等机械的拖动运转就属于这类工作制电动机的负荷可分为恒定负荷和变化负荷两类.

1）恒定负载下电动机额定功率的选择在工业生产中,相当多的生产机械是在长期恒定的或变化很小的负载下运转,为这一类机械选择电动机的功率比较简单,只要电动机的额定功率等于或略大于生产机械所需要的功率即可.若负载功率为PL,电动机的额定功率为PN,则应满足下式:

PN≥PL

电动机制造厂生产的电动机,一般都是按照恒定负载运转连续设计的,并进行形式试验和出厂试验,完全可以保证电动机在额定功率工作时,电动机温度不会超过允许值.

通常电动机的容量是按周围环境温度为40℃而确定的.绝缘材料最高允许温度与40℃的差值称为允许温升,各级绝缘材料的最高允许温度和允许温升见表2-64.

应该指出,我国幅员辽阔,地域之间的温差较大,就是在同一地区,一年四季的气温变化也较大,因此电动机运行时周围环境的温度不可能正好是40℃,一般是小于40℃.为了充分利用电动机,可以对电动机能够应用的容量进行修正,不同环境温度下电动机功率的修正值见表2-65.

2）变化负载下电动机额定功率的选择在变化负载下使用的电动机,一般是为恒定作而设计的.因此,这种电动机在变化负载下使用时,必须进行发热校验.所谓发热校验,就是看电动机在整个运行过程中所表达到的最高温度升是否接近并低于允许温升,因为只有这样，电动机的绝缘材料才可能充分允许利用而又不导致过热.某周期性变化负载记录如图2-87所示.当电动机拖动这一机械工作时,因为输出功率周期性改变,故其温升也必然作周期性的波动.在工作周期不大的情况下,此波动的过程也不大.波动的最大值将低于相应于最大负载的温升而高于相应于最小负载的稳定温升.在这种情况下,如按最大负载选择电动机功率,电动机将不能充分利用,而按最小负载选择,电动机又有超过允许温升的危险.因此,电动机功率可以在最大负载之间适当选择,以使得电动机得到充分利用,而又不致过载.

在变化负载下长期运转的电动机功率的电动机功率按以下步骤进行选择:

第一步,计算并绘制如图2-87所示生产机械进行选择:

第二步,根据下列公式求出负载的平均功率PLj;n

PL1t1+PL2t2+````+PLntn∑PLiti

PLj=________________________=___________________

T1+t2+`````+tn_n

∑ti

I=

式中,PL1、PL2、``````、PLn是各段负载的功率;t1、t2````tn是各段负载工作所用时间.

第三步,按PN≥（1.1～1.6）PLj预选电动机.如果在工作过程中大负载所占的比列较大时,则系数应选得大些.

第四步,对预选电动机进行发热、过载能力及启动能力校验,合格后即可使用.

（2）短期工作制电动机额定功率的选择在这种工作方式下,电动机的工作时间较短,在运行期间温度未升到规定的稳定值,而在停止运行期间,温度则可能降到周围的温度值.如吊桥、水闸、车床的夹紧装置的拖动运转.

为了满足某些生产机械短期工作的需要,电机生产家专门制造了一些具有较大过载能力的短期工作制电动机,其标准工作时间有15min、30min、60min、90min四种.因此,若电动机的实际工作时间符合标准工作时间时,选择电动机的额定功率Pn只要不小于负载功率Pl即可,即满足Pn≥Pl.

（3）周期性连续工作制电动机额定功率的选择这种工作方式的电动机的工作与停止交替进行.在工作期间内,温度未升温到稳定值,而在停止期间,温度也来不及降到周围温度值,如很多起重设备以及某些金属切削机床的拖动运转即属此类.

电机制造厂专门设计生产的周期性断续工作制的交流电动机有YZR和YZ系列。

标准负载支持率FC%（负载工作时间与整个周期之比称为负载持续率）有15%、

25%、40%和60%四种，一个周期的时间规定不大于10min。

周期性断续工作制电动机功率的选择方法和连续工作制变化负载下的功率选择相类似，再次不再叙述。

但需指出的是，当负载持续率FC≤10%时，按短期工作制选择；当负载持续率FC≤70%时，可按长期工作制选择。

以上简单介绍了电动机和电功率的选择方法，但在实际工作中，人们通过不断的总结经验，采用调查、统计、对比和分析等方法，总结出了关于电动机功率与产生生产机械主要参数之间的经验公式。

下面介绍几种确定不同类型机床主拖动电动机功率的经验公式。

车床：

P=36.5D1.54

立式车床：

P=20D0.88

式中D——工件最大直径（m）；

P——电动机容量（kW）.

摇臂钻床：

P=0.0646D1.19

式中D——最大钻孔直径（mm）。

卧式镗床：

P=0.004D1.17

式中D——镗杆直径（mm）。

外圆磨床：

P=0.1KB

式中B——砂轮宽度（mm）。

K——考虑砂轮主轴采用不同轴承时的系数，当才同滚动轴承时K=0.8~1.1；

若采用滑动轴承时K=1.0~1.3。

龙门铣床：

B1.15

P=__________

166

式中B——工作台宽度（mm）

例如，国产C60型车床，其加工工件的最大直径为1250mm，则主拖动电动机的额定功率为：

P=36.5×（1.25）1.54=52kW

实际选用PN=60kW的电动机就能满足需求，与计算值相近。

2．电动机额定电压的选择

电动机额定电压要与现场供电电网电压等级相符。

否则，若选择电动机的额

定电压低于供电电源电压时，电动机将由于电流过大而被烧毁：

若选择的额定电压高于供电电源电压时，电动机有可能因电压过低不能启动，或虽能启动但因电流过大而见效其使用寿命甚至被烧毁。

中小型交流电动机的额定电压一般为380V，大型交流电动机的额定电压一般为3kV、6kV等。

直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V等，最常用的直流电压等级为220V。

直流电动机一般是由车间交流供电电压经整流器整流后的直流电压供电。

选择电动机的额定电压时，要与供电电网的交流电压及不同形式的整流电路相配合，当交流电压为380V时，若采用晶闸管整流装置直接供电，电动机的额定电压应选用440V（配合三相桥式整流电路）或160V（配合单相整流电路），电动机采用改进的Z3型。

3．电动机额定转速的选择

电动机额定转速选择得合理与否，将直接影响到电动机的价格、能量损耗及生产机械的生产率等各项技术指标和经济指标。

额定功率相同的电动机，转速高的电动机的尺寸小，所用材料少，因而体积小，质量轻，价格低，所以选用高额定转速的电动机比较经济，但由于生产机械的工作速度一定且较低（30~900r/min），因此，电动机转速越高，传动机的传动比较大，传动机构越复杂。

所以，选择电动机的额定转速时，必须全面考虑，在电动机性能满足生产机械要求的前提下，力求电能损耗少，设备投资少，维护费用少。

通常，电动机的额定转速选在750~15000r/min比较合适。

4．电动机种类的选择

选择电动机的种类时，在考虑电动机的性能必须满足生产机械的要求下，优先选用结构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便的电动机。

在这方面交流电动机优于直流电动机，笼型电动机优于绕线转子电动机，异步电动机优于同步电动机。

（1）三相笼型异步电动机三相笼型异步电动机的电源采用的是应用最普

遍的动力电源——三相交流电源。

这种电动机的优点是结构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便。

缺点是启动和调速性能差。

因此，在不要求调速和启动性能要求不高的场合，如各种机床、水泵、通风机等生产机械上应优先选用三相笼型异步电动机；对要求大启动转矩的生产、机械。

如某些纺织机械、空气压缩机、皮带运输机等，可选用具有高启动转矩的三相笼型异步电动机，如斜槽式、深槽式或双笼式异步电动机等；对需要有级调速的生产机械，如某些机床和电梯等，可选用多速笼型异步电动机。

目前。

随着变频调速技术的发展，三相笼型异步电动机越来越多应用地应用在要求无级调速的生产机械上。

（2）三相绕线转子异步电动机在启动、制动比较频繁，启动、制动转

矩较大，而且有一定调速要求的生产机械上，如桥式起重机、矿井提升机等可以优先选用三相绕线转子异步电动机。

绕线转子电动机一般采用转子串接电阻（或电抗器）的方法实现启动和调速，调速范围有限，使用晶闸管串级调速，扩展了绕线转子异步电动机的应用范围，如水泵、风机的节能调速。

（3）三相异步电动机在要求大功率、恒转速和改善功率因数的场合，如

水泵、压缩机、通风机等生产机械上应选用三相同步电动机。

（4）直流电动机由于直流电动机的启动性能好，可以实现无级平滑调

速，且调速范围广、精度高，所以对于要求在大范围内平滑调速和需要准确的位置控制的生产机械，如高精度的数控机床、龙门刨床、可逆轧钢机、造纸机、矿井卷扬机等可使用他励或并励直流电动机；对于要求启动转矩大、机械特性较软的生产机械，如电车、重型启动机等则选用串励直流电动机。

近年来，在大功率的生产机械上，广泛采用晶闸管励磁的直流发电机——电动机组或晶闸管——直流电动机组。

5．电动机形式的选择

电动机按其工作方式不同可分为连续工作制、短期工作制和周期性断续工作

制三种。

原则上，电动机与生产机械的工作方式应该一致，但也可选用连续工作制的电动机来代替。

电动机按其安装方式不同可分为卧式和立式两种。

由于立式电动机的价格较贵，所以一般情况下应选用卧式电动机。

只有当需要简单化传动装置时，如深井水泵和钻床等，才使用立式电动机。

电动机按轴伸个数分为单轴伸和双伸两种。

一般情况下，选用单轴闪电动机；特殊情况下才选用双轴伸电动机，如需要一边安装测速发电机，另一边需要拖动生产机械时，则必须选用双轴伸出电动机。

电动机按防护形式分为开启式、防护式、封闭式和防爆式四种。

为防止周围的媒介质对电动机的损坏以及因电动机本身故障而引起的危害，电动机必须根据不同环境选择适当的防护形式。

开启式电动机价格便宜，散热好，但灰尘、铁屑、水滴及油垢等容易进入其内部，影响电动机的正常工作和寿命，因此，只有在干燥、清洁的环境中使用；防护式电动机的通风孔在机壳的下部，通风冷却条件较好，并能防止水滴、铁屑等杂物落入电动机内部，但不能防止潮气和灰尘侵入，因此只能用语比较干燥、灰尘不多、无腐蚀性气体和爆炸性气体的环境；封闭式电动机分为自扇冷式、他扇冷式和密闭式三种。

前两种用于潮湿、尘土多、有腐蚀性气体、易引起火灾和易受风雨侵蚀的环境中，如纺织厂、水泥厂等；密闭式电动机则用于侵入水中的机械，如潜水泵电动机；防爆式电动机在易燃、易爆气体的危险环境中选用，如煤气站、油库及矿井等场所。

综合以上分析可见，选择电动机时，应从额定功率、额定电压、额定转速、种类和形式几方面综合考虑，做到既经济又合理。

2．电气故障检修的一般方法

尽管对电气设备采取了日常维护保养工作，降低了电气故障的发生率，但绝不可能

杜绝电气故障的发生。

因此，维修电工不但要掌握电气设备的日常维护保养，同时

还要学会正确的检修方法。

下面介绍电气故障发生后的一般分析和检修方法。

（1）检修前的故障调查当工业机械发生电气故障后，切忌盲目随便动手检修。

在检修前，通过问、看、听、摸来了解故障前后的操作情况和故障的发生后出现的异常现象,以便根据故障现象判断出故障发生的部位,进而准确的排除故障.

问：

询问操作者故障前后的电路和设备的运行状况及故障发生后的症状,如故障是经常发生还是偶尔发生；是否有响声、冒烟、火花、异常振动等征兆；故障发生前有无切削力过大和频繁地启动、停止、制动等情况；有无经过保养检修或改动线路等。

看：

察看故障发生前是否有明显的外观征兆,如各种信号；有指示装置的熔断器的情况；保护电气脱扣的动作；接线脱落；触头烧蚀或熔焊；线圈过热烧坏等。

听：

在线路还能运行和不扩大故障范围、不损坏设备的前提下，可通电试车，细听电动机、接触器和继电器等电器的声音是否正常。

摸：

在刚切断电源后，尽快触摸检查电动机、变压器、电磁线圈及熔断器等，看是否有过热现象。

（2）有逻辑分析法确定并缩小故障范围检修简单的电器控制线路时，对每个电器元件、每根导线逐一进行检查，一般能很快找到故障点。

但对复杂的线路而言，往往有上百个元件，成千条连线，若采取逐一检查的方法，不仅需耗费大量的时间，而且也容易漏查。

在这种情况下，若根据电路图，采用逻辑分析法，对故障现象作具