电气控制授课教案电机及电气控制技术

第一部分电机与拖动

《电机及电气控制技术》

学习本课程的基本要求：

一、电机的结构及工作原理

二、基本原理及PLC的组成

三、掌握继电接触器控制系统基本分析和设计能力

四、应用软件、梯形图编程方法及应用实例

参考书籍：

1.《电气控制与PLC原理及应用》电子工业出版社程周主编

2.《工厂电气控制技术》高等教育出版社张运波刘淑荣主编

3.《可编程序控制器及常用控制电器》冶金工业出版社何友华主编

4.《PLC编程及应用》机械工业出版社廖常初主编

5. 《机电一体化专业必备知识与技能手册》华中科技大学出版社游英杰叶俊主编

第一篇电机及拖动

绪论

(2学时)

教学目的要求：

通过本次课的学习，使学生对这门课有一个轮廓性的了解，明确本课程在数控知识体系中的位置、意义，了解本课程在实际生产生活中的作用，掌握本课程的三个重要组成部分——电机、电气控制、PLC，以及学习该门课的方法。

主要教学内容：

①电气技术在生产中的作用

②电力拖动的组成

③电机的发展概况

④电气控制技术的发展方向

教学重点、难点：

重点：①电力拖动的组成

②电机的发展概况

③电气控制技术的发展方向

难点：①电机的发展概况

②电气控制技术的发展方向

教具：电机一台

一、《电机与电气控制技术》课程简介

1.电机

2.电气控制技术

3.PLC技术

二、电机在国民经济中的作用

1.发电厂的发电机和变压器

2.交通运输业中电力机车是由电动机来牵引的

3.电梯的上升和下降、飞机的螺旋桨、电扇的旋转、洗衣机

4.控制电机对信号起执行、检测、放大的作用，广泛应用于雷达的自动定位、人造

5.卫星的发射、飞机的控制、电梯的自动选层和显示、计算机外围设备、机器人、音箱设备中。

三、电力拖动的组成

电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。

如图：

图0-1

①“一拖一” ②“一拖多” ③“多拖一”

四、电机的发展概况

电机工业的发展和科学技术发展密切相关，随着生产力的发展，蒸汽动力在使用和管理上的不便，迫使人们去寻找新的能源和动力。此时电磁学得到了兴起和发展。

19世纪后期正是世界电机工业迅猛发展时期，我国正处于半封建半殖民地国家，电机工业受到了严重的束缚。

解放后，我国电机工业迅猛发展。从20世纪50年代开始研制电机，历经了产品仿制、自行设计和研制，逐步形成了自己的生产体系。

五、电气技术在生产中的作用

不同产品的生产工艺和精度不同， 这就要求对拖动生产机械的电动机进行控制，控制的方法很多，但以电气控制技术尤为普遍。控制方法从手动的到自动控制，功能从简单到复杂，控制技术从单机到群控，操作从笨重到轻便，推动了生产技术的不断更新和高速发展。

六、电气控制技术的发展方向

继电——接触器控制：有触点、工艺复杂

电气控制

PLC ：硬件平台软件化

第一章三相异步电动机

教学目的要求：①掌握三相异步电动机的结构及运行原理

②掌握三相异步电动机的启动、制动问题

③了解三相异步电动机的调速问题

主要教学内容：①三相异步电动机的结构及运行原理

②三相异步电动机的启动、调速及制动问题

教学重点、难点：

重点：①三相异步电动机的结构及运行原理

难点：①三相异步电动机的运行原理

②三相异步电动机的启动

教具：交流电机一台

教学内容：

第一节三相异步电机的结构及工作原理

（2学时）

电机是实现电能和机械能相互转换的一种旋转电机。异步电动机是把交流电能转变为机械能的一种动力机械。三相异步电动机被广泛用来驱动各种金属切削机床、起重机、中、小型鼓风机、水泵及纺织机械等。单相异步电动机由于容量小，性能较差，常用于日常生活中的小家电及小功率电动工具。

一、三相异步电动机的运行原理

1、旋转磁场

①三相异步电动机与直流电动机一样，也是根据电磁感应原理而制成的。不同的是直流电动机为一静止磁场，三相异步电动机却是一旋转磁场。那么，旋转磁场是怎样产生的？

②三相旋转磁场的产生

三相旋转磁场产生的条件是：三相对称绕组通以三相对称电流。

旋转磁场的转向与三相电源通入定子绕组电流的相序一致。

旋转磁场的转速n1（又称同步转速）。其表达式为：

式中，f 1为电源频率（Hz ）；p 为电机磁极对数，它取决于定子绕组的分布。

2．三相异步电动机基本工作原理

如图为一台两极三相鼠笼式异步电动机的剖面图。

图1-1 三相异步电动机工作原理图

基本工作原理是：

① 电生磁：三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场其转向与相序一致，为

顺时针方向，转速为

p f n 1

160

；

② （动）磁生电：转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流；

③ 电磁力（矩）：转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转矩，驱使

电动机转子转动。

由图可知，转子的转向与旋转磁场转向相同，若要使电动机反转只需对调电动机的任意两根电源线。在没有其他外力作用下，转子的速度n 永远略小于同步转速n 1，异步电动机转子转速与同步转速总是存在差异，故称异步电动机。同时它又是基于电磁感应原理而工作的，所以又称感应电动机。

3．转差率S

异步电动机工作的必要条件是n ＜n 1，二者之差称做转差，即：n 2＝n 1一n 。将异步电动机的转差n 2与同步转速n 1之比值称做转差率s 。即

s ＝（n 1一n ）/ n 1

s 是异步电机的重要物理量，根据s 的大小可判断异步电机工作于不同状态（0＜s ＜1为电动状态、s ＜0为发电状态、s ＞1为制动状态）。就是异步电机电动状态时，s 的微小变化，也会引起转速较大变化，即n ＝（1一s ）n 1 。

① 异步电动机定子刚接上电源瞬时，转子尚未转动，n ＝0，则转差率s ＝1。 ② 当异步电动机转速n ＝n 1，则转差率s ＝0。

③ 当异步电动机转速0< n ＜n 1，则转差率的范围在0～1之间变化。 ④ 异步电动机额定运行时，n ＝n N ，则s N ≈0.02～0.06。

⑤空载时，n接近n1，则s N≈0.0005～0.005。

二、三相异步电动机的结构

三相异步电动机种类繁多，若按转子结构分为鼠笼式和绕线式异步电动机两大类。异步电动机分类方法虽不同，但各类三相异步电动机的基本结构却是相同的。

图1-2

图1-3

三、三相异步电动机的铭牌

三相异步电动机出厂时，电机机座上都固定着一块铭牌，如表1.1所示，主要标注电机的型号和主要技术数据，供正确选择和使用电动机时参考。型号表示方法：

图1-5

第二节三相异步电动机的启动

（2学时）

异步电动机是把交流电能转变为机械能的一种动力机械。三相异步电动机被广泛用来驱动各种金属切削机床、起重机、中、小型鼓风机、水泵及纺织机械等。

一、三相异步电动机的启动

1、定义：指电动机接通电源后，由静止状态到稳定运行状态到稳定运行状态的过程。

2、要求：启动电流小，以减小对电网的冲击。

启动转矩大，以加速启动过程，缩短启动时间。

3、分类：

直接启动

笼型串电阻（电抗）启动

降压启动Y --- △启动

自耦变压器启动

转子回路串电阻

绕线型

转子回路串频敏变阻器

二、三相笼型异步电动机的启动

1、直接启动

三相异步电动机直接起动是指电动机直接加额定电压，定子回路不串任何电器元件时的起动。

特点：①优点：设备简单，操作方便；

②缺点：起动电流大，须足够大的电源；

③适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。

？如何判断是否能起动：①起动电流；②起动转矩；二者必须同时满足。

2、降压启动

原理：启动时，通过启动设备使加到电动机上的电压小于额定电压，使电动机转速上升到一定数值时，再使电动机承受额定电压，保证电动机在额定电压下稳定运行。

①串电阻（抗）启动

三相鼠笼式异步电动机在定子回路中串接电抗器（可改接电阻器，但能耗较大，适用于较小容量电机）降压起动的接线原理图如图1-6所示。三相异步电动机定子串电抗起动。即开关2K接到“起动”端，使起动时电抗器接入定子回路；起动后，切除电抗器，即开关2K 接到“运行”端。

图1-6 鼠笼式异步电动机的串电抗器起动

②Y ---△启动

对应运行时定子绕组接成△形的三相鼠笼式异步电动机，起动时接成ㄚ形（接线原理图如图1-7所示），则定子每相电压降为额定电压的1/3，从而实现了降压起动。即起动时，开关2K合到下方，电动机定子绕组接成ㄚ形，电动机开始起动；当转速升到一定程度后，开关2K从下方断开合向上方。定子绕组接成△形，电动机进入正常运行。

图1-7

③耦变压器降压启动

三相鼠笼式异步电动机采用自耦变压器降压起动接线原理图如图1-8所示。起动时。开关向下一边，电动机的定子绕组通过三相自耦变压器T的中间抽头接到三相电源上，从而降压起动。当转速升高到稳定值后，开关K投向上边。即“运行”端，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机正常运行。

图 1-8自耦变压器降压运动

三、三相绕线式异步电动机的启动

对于三相绕线式异步电动机启动时，转子回路串接适当的三相对称电阻，既能限制起动电流，又能增大起动转矩，且能使起动转矩等于最大转矩。起动结束后，可以切除外串电阻，电动机的效率不受影响。

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、转子回路串电阻

①优点：只要在转子回路串入适当的电阻，既可减少起动电流，又可增加起动转矩

②适用条件：电动机在重载情况下的起动场合。

2、转子回路串频敏电阻器（如图1-9）

转子串频敏变阻器起动的三相饶线式异步电动机接线原理图如图1-9所示，起动开始，开关K断开，电动机转子串入频敏变阻器起动。电机转速达到稳定值后，

开关K接通，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。

频敏变阻器是一铁损耗很大的三相电抗器，在起动过程中，能自动、无级的减小电阻保持转矩近似不变，使起动过程平稳、迅速。结构简单，运行可靠，维护方便，应用广泛。

图1-9（a）图1-9（b）

第三节三相异步电机的制动及调速

（2学时）

许多生产机械工作时，为提高生产力和安全起见，往往需要快速停转或由高速运行迅速转为低速运行，这就需要对电动机进行制动。

一、三相异步电动机的制动

三相异步电动机的制动是三相异步电动机的起动的逆过程。异步电动机的制动就是使电动机的转矩T与转速n反向，即T起反抗运动的作用。使电动机转速由某一稳定转速迅速降为零的过程或者使电动机产生的转矩与负载转矩相平衡，从而使电动机的下降转速保持恒定。

三相异步电动机的制动方法有能耗制动，反接制动，回馈制动三种，其制动运动状态有能耗制动状态，反接制动状态，回馈制动状态。

1、能耗制动

原理：能耗制动的电路原理图如图1-10所示，三相异步电动机定子绕组切断三相交流电源后（1K断开），同时，在定子绕组任意两相上接入直流电流(也称直流励磁电流)，

即接通开关2K，能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。

图1-10能耗制动接线图

2、反接制动

原理：三相绕线式异步电动机处于正常电动运行，当改变三相电源的相序时，如图1-11电路接线图中1K断开，2K闭合则改变了电源相序，电动机便进入了反接制动过程。由于电源相序改变，圆形旋转磁场反向，而转子不可能立即改变转向，因而转子感应电动势反向，电流反向，则电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态，电动转速迅速下降，直到转速，电机将停转，从而实现了快速制动停车。

定子电源反接的反接制动广泛用于要求迅速停车和需要反转的生产机械上，多用于三相绕线式异步电动机中。对于三相鼠笼式异步电动机由于转子回路无法串电阻，则反接制动只能用于不频繁制动的场合。

图1-11 反接制动

二、三相异步电动机的调速

三相异步电动机的转速公式为

n=60f/p (1-s)

式中f为异步电动机的定子电压供电频率；P电动机的极对数；S异步电动机的转差率。

所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。

1.转差率调速

改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电动机的定子电压调速，采用电磁转差（或滑差）离合器调速，转子回路串电阻调速以及串极调速。前两种方法适用于鼠笼式异步电动机，后者适合于绕线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调速，但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调节过程中转子绕组均产生大量的钢损耗，使转子发热，系统效率降低。

2.改变电动机的极对数

通过改变定子绕组的连接方式来实现。变极调速是改变异步电动机的同步转速n1

所以一般称变极调速的电动机为多速异步电动机。

3.变频调速

通过改变定子绕组的电压供电频率f来实现。当转差率s一定时，电动机的转速n基本上正比于f。很明显，只要有输出频率可平滑调节的变频电源，就能平滑、无极地调节异步电动机的转速。

小结：

通过本章的学习，大家应掌握以下知识：

1、三相笼型异步电动机的降压启动原理及方法

2、三相绕线式异步电动机的启动原理及方法

3、三相异步电动机的制动和调速原理及方法。

作业：

1、三相笼型异步电动机的降压启动方法有哪些？

2、试说明三相异步电动机的运行原理。

3、三相异步电动机的制动方法有哪些？

第二章直流电机

教学目的要求：①掌握直流电机的结构、基本工作原理与分类

②了解直流电机的电枢绕组电磁转矩

③理解掌握直流电机的电枢电动势和电磁转矩

④掌握直流电动机的基本方程式与机械特性

主要教学内容：①直流电机的结构与基本工作原理

②直流电机的电枢绕组电磁转矩

③直流电机的电枢电动势和电磁转矩

④直流电动机的分类、基本方程式与机械特性

教学重点、难点：

重点：①掌握直流电机的基本工作原理与结构

②掌握直流电动机的机械特性

难点：①直流电机的电枢电动势和电磁转矩

②直流电动机的固有机械特性

教具：Z2-17型直流电机一台

教学内容：

第一节直流电机的结构及工作原理

（2学时）

直流电机是实现直流电能和机械能相互转换的一种旋转电机。它包括直流发电机和直流电动机。将机械能转化为电能的是直流发电机，将电能转化为机械能的是直流电动机。一、电机的分类

发电机：将机械能转换为电能

电动机：将电能转换为机械能]

变压器：改变电压

控制电机：信息的处理

二、直流发电机的工作原理

直流电机是实现直流电能和机械能相互转换的一种旋转电机。它包括直流发电机和直流电动机。将机械能转化为电能的是直流发电机，将电能转化为机械能的是直流电动机。与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，维护麻烦，但直流电动机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等很多优点，广泛应用与轧钢机、电力机车、大型机床拖动系统中。

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

当原动机拖动电枢以恒速n逆时针方向转动时，根据电磁感应定律可知，在线圈边（即导体）ab和cd中有感应电动势产生。感应电动势e的大小用式（1）确定。

（1）

e=BLv(V)

式中B——导体所在处的磁密(Wb/m2)

L——导体ab或cd的长度(m);

v——导体ab或cd与B之间的相对线速度(m/s）。

感应电动势的方向按右手定则确定。

如果想要得到直流电动势，那么必须把上述线圈abcd感应的电动势进行整流，实现整流的装置称之为换向器。

图2-1是直流发电机的原理模型。

图2-1直流发电机的原理模型

三、直电动机的工作原理

图2-2 直流电动机原理图

图2-2所示为直流电动机的原理模型，与图2-1不同的是：线圈不被原动机拖动；电刷、接上直流电源。于是在线圈abcd中有电流流过。根据电磁力定律可知，载流导体ab、cd 上受到的电磁力f为：

f=BLI(N)（2）

式中B —导体所在处的气隙磁密（Wb/m 2）；

L ——导体ab 或cd 的长度（m ）； I ——导体中的电流（A ）。 导体受力的方向用左手定则确定

这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理结构用途学理论中称为电机的可逆原理。

四、直流电机的主要结构及用途

图2-3

1．定子部分

直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。 2．转子部分

直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。图2-4为直流电机电枢装配示意图。

主极铁心 励磁绕组 换向极铁心 换向极绕组

主磁极

换向极 机座

电刷装置

定子 转子

电枢铁心 电枢绕组

换向器

转轴

直流电机

图2-4直流电机的电枢

1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承

五、直流电机的用途和分类

把机械能转变为直流电能的电机是直流发电机；把直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械等等。

第二节直流电机的基本特性

（2学时）

把机械能转变为直流电能的电机是直流发电机；把直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械等等。直流电动机具有良好的启动性能和宽广的调速范围，因而在电力拖动系统中被广泛采用。

一、直流电动机的分类

直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。

1．他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图2-5（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。

2．并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图2-5（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

3．串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图2-5（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

4．复励直流电机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图2-5（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。

图2-5直流电机的励磁方式

a)他励；b)并励；c)串励；d）复励

二、电压平衡方程式

当直流电动机运行时，电枢绕组切割气隙磁场产生感应电动势E a。由右手定则可判定电动势E a的方向与电枢电流I a的方向相反，如图2-6所示。”

如果以图2-5中各物理量的方向为参考正方向，就可以写出他励直流电动机的电压平衡方程式：

图2-6直流电机的原理

式中，R a为电枢回路的总电阻；R f为励磁回路的总电阻；I f为励磁电流。

上式表明，直流电动机在电动运行状态下，电枢电动势E a小于端电压U。

三、直流电动机的机械特性

电动机的机械特性是指电动机稳定运行时，电动机转速与电磁转矩的关系，即n＝f (T em)。

当U＝U N，Φ＝ΦN，R＝R a（R s＝0）时的机械特性称为固有机械特性，其方程式为

由上式作出的特性曲线，称为固有机械特性曲线，如图2所示。其特点为：

（1）对于任何一台直流电动机，只有一条固有机械特性曲线。

（2）由于电枢回路没有外串电阻，因为R a很小，则β很小，那么转速降Δn很小，因此，它是一条微微下降的直线，所以固有机械特性属于硬特性。

图2-7直流电动机固有机械特性

小结：

1、直流电机的结构与基本工作原理

2、直流电机的电枢绕组电磁转矩

3、直流电机的电枢电动势和电磁转矩

4、直流电动机的基本特性

作业：1、电机的分类？

2、直流电动机的分类？

第三章变压器

教学目的要求：①知道变压器的构造．知道变压器是用来改变交流电压的装置．

②理解互感现象，理解变压器的工作原理．

③掌握理想变压器工作规律并能运用解决实际问题．

④理解理想变压器的原、副线圈中电压、电流与匝数的关系，能应用它分

析解决基本问题。

主要教学内容：①变压器的工作原理和结构

②掌握变压器的铭牌和用途

③三相电力变压器

④掌握变压器的应用

教学重点、难点：

重点：①变压器的工作原理和结构

②三相电力变压器

难点：三相电力变压器

教具：电子变压器一个，电力变压器一个

教学内容：

第一节变压器

（2学时）

变压器是一种静止的电机，通过线圈间的电磁感应关系，将某一等级的交流电压转换为同频率的另一等级的交流电压。

一、变压器的用途：

1、电力系统用于电力系统升、降电压的变压器。远距离输电为什么必须采用高压输电？

2、调压用的自耦变压器

整流变压器(专用)：给直流电力机车供电。

电炉变压器(专用) 给电炉(如炼钢炉)供电。

电焊变压器(专用)：给电焊机供电。

电子变压器：用于电子产品中

3、仪表变压器：用在测量设备中。

二、基本工作原理

图3-1

变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。

只要(1)磁通有变化量;

(2)一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压的目的。

基本原理：2

21

011i e e i u →→→→

Φ→→

其中：

dt d N e 01

1Φ-=； dt d N e 0

2

2Φ-=

若 111N u e ∝≈

222N u e ∝≈

可见，21

2

1N N u u =

只要改变线圈的匝数，就能达到改变电压的目的。 三、三相电力变压器的基本结构

1、铁心：构成主磁路，机械骨架，由硅钢片迭成

①材料：0.35mm 厚涂有绝缘漆膜的硅钢片，导磁性能好，可减少铁损；