工业自动化教程4交流和直流电机概述
4交流和直流电机概述
电机一般用于将电能转换为机械能。机械能可用于移动电动汽车、旋转风扇等。电机可以被称为将电能转换为运动的执行器。因此，它是一种电动执行器。电动机在我们的家中非常常见。大多数电器中都有电动机，如吊扇、立式电风扇、洗衣机、微波炉、电动搅拌机、电动开罐器、玩具等。
在工业领域，它们被广泛用于泵、鼓风机、搅拌机、搅拌器、传送带等。电动机在家庭和工业的各种设备和机器中的应用证明，电动机是有史以来最重要的电气发明之一。电动机可按其动力来源、构造方法、应用及其产生的运动类型进行分类。下面的方框图显示了电动机的简单分类：
本章将介绍工业自动化中使用的各种电机，如交流电机、直流电机、伺服电机和步进电机。您将了解电动机的基本类型、同步电动机和异步电动机的区别，以及异步（感应）电动机在星形或三角形连接中的布线。本章还介绍了星形和三角形连接与直接在线启动器之间的区别，包括断路器、接触器和过载继电器等组件。电机在工业中发挥着重要作用。因此，自动化工程师有必要充分了解电机知识。
在本章中，我们将介绍以下主要内容：
- 了解交流电机
- 了解直流电机
- 了解步进电机和伺服电机
4.1 交流电机
交流电机是一种由电网或其他交流电源提供交流电的电机。包括以下几种：
- 同步交流电机
- 异步交流电机（感应电机）
让我们从了解同步交流电机开始。
4.1.1 同步交流电机
在同步电机中，定子绕组（安装在定子中的绕组）通常与三相交流电源相连。供给定子的交流电在定子中形成旋转磁场，并以同步速度旋转。转子由直流电（DC）供电，使其充当永磁体。有时，转子可以由永磁体制成。向转子提供直流电或使其成为永磁体可使其磁场静止（即南北极固定）。
定子磁场旋转时，其磁极会吸引转子的相反磁极，从而产生旋转力，使转子以与旋转磁场相同的速度旋转（同步速度）。所谓同步电机，是指电机转子的速度与定子旋转磁场的速度相同。
交流电机的同步转速就是旋转磁场的转速。它由电压源的频率和极数决定，如下式所示：
- 同步转速 = 120f/P 其中，f = 频率（赫兹），P = 极数。
同步电机可用于从空载到满载的恒速运行。它们非常适合用于工业领域的高精度应用，也非常适合用于机器人执行器。
下图所示为同步电机：
接下来，让我们看看异步电机是如何工作的。
4.1.2 异步交流电机（感应电机）
在异步电机中，定子绕组通常与三相交流电源相连。供给定子的交流电在定子中形成旋转磁场，并以同步速度旋转。转子不直接与电源连接（即转子没有电气连接）。产生转动力所需的转子电流，是根据法拉第电磁感应定律从定子磁场中通过电磁感应获得的，该定律指出，置于变化磁场中的导体会产生感应电流。
感应电机可以简单地称为根据电磁感应原理工作的电机。电磁感应是法拉第提出的导体在变化磁场中感应电流的现象。下图显示了由于线圈1中的交流电源导致磁场变化而在线圈2中产生的感应电流。线圈2位于变化的磁场中。因此，根据法拉第定律，线圈（线圈2）中会产生感应电流：
定子的旋转磁场和转子的磁场之间的相互作用会产生一个转动力，使转子旋转，但转子的运行速度永远不会与定子旋转磁场的运行速度相同。感应电机的运行速度通常比同步速度（定子旋转磁场的速度）慢，因为以同步速度旋转不会在转子中产生感应电流。
转子速度与定子旋转磁场速度之间的差值称为滑差。感应电机的一个主要特点是转子电流是通过感应产生的，而不是像同步电机那样单独励磁或使用永磁体自磁。
下图显示了一台三相异步（感应）电机：
根据输入电源的不同，感应电机基本分为单相和三相两种。三相异步电机通常用于制造业和其他行业。它们具有启动扭矩大、成本低、维护费用低和经久耐用等特点。它们可用于输送机、泵、鼓风机、搅拌机、升降机、破碎机等。
现在我们来看看三相电机的定子绕组及其接线端子。
三相电机有六个接线端子和一个接地端子，可以星形或三角形连接。六个端子如下：
- U1（起始端 1）
- U2（末端 1）
- V1（起始端 2）
- V2（末端 2）
- W1（起始 3）
- W2 （末端 3）
下图显示定子绕组和六个端子的内部接线：
下图所示为带有六个接线端子的电机接线端子板：
下图显示了三相电机的星形接线（左）和三角形接线（右）：
下图显示星形连接（左）和三角形连接（右）的三相电机接线，其中显示了接线端子和跳线：
下图所示为星形连接的三相电机：
从上图中可以看出，W2、U2和V2通过跳线连接在一起，三根相线（L1、L2和L3）分别连接到 U1、V1和W1，从而形成星形连接。
跳线可以重新排列，以连接 W2和U1、U2和 V1 以及V2 和 W1，同时仍将三根相线（L1、L2和L3）分别连接到 U1、V1 和 W1，使其成为三角连接。
星形和三角形连接的区别
在本节中，让我们来看看星形连接和三角连接的区别：
在星形连接中，三个线圈（即 U1、V1 和 W1 或 U2、V2 和 W2）的相似点（起点或终点）连接在一起形成中性点，三根导线从其余三个端子引出。在三角接法中，每个线圈的端点与另一个线圈的起点相连，形成一个闭合回路，三根导线从线圈接头处引出。
星形连接有中性点，而三角连接没有中性点。
在星形连接中，相电压是线电压的 1/√3。在三角连接中，相电压等于线电压。
星形连接的电机速度慢，因为它接收的是 1/√3 的线电压，而三角形连接的电机速度快，因为每相接收的是总线电压。
星形连接常用于电力传输，而三角形连接常用于配电和工业。
让我们来看看直接在线（DOL）启动器。
直接在线（DOL）启动器
直联式启动器是一种启动三相异步电机的方法。它也可称为跨线启动器。它是最简单的启动器类型，通过接触器将三相电机直接连接到电源。DOL 启动器由断路器、接触器、过载继电器和按钮（常开（NO）和常闭（NO））组成。