电机及电气控制.ppt

书名 电机及电气控制ISBN 978 7 111 36545 7作者 王烈准出版社 机械工业出版社本书配有电子课件 电机及电气控制ppt课件 模块二异步电动机技术 教学目标 知识目标 1 熟悉异步电动机的结构 型号 技术参数 2 掌握异步电动机的工作原理及应用 能力目标 1 能正确选用和使用异步电动机 合理选择其启动 制动及调速方案 2 具有异步电动机的运行和维护的能力 电机及电气控制ppt课件 项目一三相异步电动机的认识 一 项目导入 三相异步电动机主要由定子和转子两部分构成 定子相当于变压器的一次侧 转子相当于变压器的二次侧 它是利用电磁感应原理实现将电能转换为机械能的 是现代化生产中应用最广泛的一种动力设备 二 相关知识 一 三相异步电动机的基本结构 图2 1是一台笼型三相异步电动机的外形图和结构图 它主要是由定子部分 静止的 和转子部分 转动的 两大部分组成 定 转之间是空气隙 另外还有端盖 轴承 机座 风扇等部件 电机及电气控制ppt课件 电机及电气控制ppt课件 1 异步电动机的定子结构 异步电动机的定子是由机座 定子铁心和定子绕组三个部分组成的 机座 异步电动机的机座主要是固定和支撑定子铁心和绕组 如图2 2所示 中小型电机一般采用铸铁机座 大中型电机采用钢板焊接的机座 定子铁心 定子铁心是电动机磁路的一部分 装在机座里 如图2 3所示 定子绕组 异步电机的定子绕组是电动机电路部分 小型异步电动机定子绕组通常由高强度漆包圆线绕成线圈嵌入铁心槽内 大 中型电机使用矩形截面导线预先制成成型线圈 再嵌入槽内 每相绕组按一定规律连接 三相构成对称绕组 电机及电气控制ppt课件 电机及电气控制ppt课件 2 定子与转子间的气隙 异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多 在中 小型异步电动机中 气隙一般为0 2 1 5mm左右 3 异步电动机的转子结构 异步电动机的转子是由转子铁心 转子绕组和转轴组成 转子铁心 转子铁心也是磁略的一部分 与定子铁心一样 也由0 5mm厚的硅钢片叠压而成 整个铁心固定在转轴上 转子铁心外圆上冲有均匀分布的槽 用以安放转子绕组 由于槽缝很小 整个转子铁心的外表面成圆柱形 转子绕组 三相异步电动机的转子绕组用来感应电动势及产生电流 同时与旋转磁场作用产生转矩 是电机的重要部件之一 异步电动机的转子绕组按结构分笼型转子和绕线转子两种 电机及电气控制ppt课件 1 笼型转子分铜条绕组和铸铝绕组两种 如图2 5所示 铜条转子是在转子铁心槽内插入铜条 又称导条 铁心两端槽口外用铜环将全部导条焊接 全部导条自行闭合 其形状为圆柱形 笼子 铸铝绕组是将熔化的铝注入转子槽内 同时注上端环和风扇 使导条与端环构成闭合绕组 其形状也是圆柱形 笼子 笼型绕组的工艺和结构简单 制造方便 经济耐用 2 绕线型转子的铁心槽内嵌放三相对称绕组 与定子绕组相似 如图2 6所示 转子绕组采用V2接线 三相绕组的首端接到转轴上的三个集电环 再通过电刷 滑环间的滑动与外电路连接 绕线型转子回路中串接外接电阻或其他电气设备 以改善电动机的启动性能和调速性能 因此获得广泛应用 但是结构比笼型电机复杂 而且电刷 滑环还增加了维修工作量 电机及电气控制ppt课件 电机及电气控制ppt课件 二 三相异步电动机的工作原理 1 旋转磁场 三相交流异步电动机的三相定子绕组在空间上互差120 电角度 连接成星形 Y 或三角形 是对称三相负载 简化后如图2 7所示 定子绕组接通电源后流入三相对称交流电流 如图2 8所示 电机及电气控制ppt课件 假设某相绕组电流瞬间为正时 电流从该相绕组的首端流入 尾端流出 电流为负时 方向相反 选取电流相位角 t 0 120 240 360 这四个瞬时 对应这四个时刻的各绕组电流方向及磁场分别如图2 9中的 a b c d 所示 根据右手螺旋定则可判断相应的合成磁场为旋转磁场 如果电动机的每相绕组由两个串联的线圈 组 组成 三相绕组连接成Y形 各相绕组的首端或尾端在空间上互差60 放置 电角度仍互差120 如图2 10所示 用同样的方法可判断出这时的磁场有两对磁极 即四个磁极 仍按绕组位置沿U1 V1 W1方向旋转 与电源相序相同 但电流变化一周时 磁场在空间上仅旋转半周 结论 1 旋转磁场产生的条件是 三相对称绕组通以三相对称电流 2 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 3 旋转磁场的转速n1 又称同步转速 其表达式为 2 基本工作原理 1 三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场 2 转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流 3 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 3 转差率s 把同步转速n1与转子转速n的差值称为转差 转差与同步转速的比值称为转差率 以s表示 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 n1 转差率是影响电机状态及其特征的一个重要因素 电机在额定状态时的转差率称为额定转差率 以sN表示 普通三相异步电动机的额定转差率sN约为0 02 0 06 额定转速nN与同步转速n1很接近 三 三相异步电动机的铭牌数据 三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号 额定数据等 1 型号 电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成 其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字 再用该汉字的第一个拼音字母组成 例如Y系列三相异步电动机表示如下 我国生产的异步电动机种类很多 下面列出一些常见的产品系列 Y系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机 用于金属切削机床 通用机械 矿山机械 农业机械等 也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械 如压缩机 传送带 磨床 锤击机 粉碎机 小型起重机 运输机械等 JQ2和JQO2系列是高起动转矩异步电动机 用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上 JQ2是防护式和JQO2是封闭式的 JS系列是中型防护式三相鼠笼异步电动机 JR系列是防护式三相绕线式异步电动机 用在电源容量小 不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上 JSL2和JRL2系列是中型立式水泵用的三相异步电动机 其中JSL2是鼠笼式 JRL2是绕线式 JZ2和JZL2系列是起重和冶金用的三相异步电动机 JZ2是鼠笼式 JZL2是绕线式 JD2和JDO2系列是防护式和封闭式多速异步电动机 BJO2系列是防爆式鼠笼异步电动机 JZZ系列是锥形转子制动异步电动机 JZT系列是电磁调速异步电动机 2 额定值 异步电动机的额定值包含下列内容 1 额定功率PN指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率 单位是kw 2 额定电压UN指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压 单位为V 3 额定电流IN指电动机在定子绕组上加额定电压 轴上输出额定功率时 定子绕组中的线电流 单位为A 4 额定频率f指我国规定工业用电的频率是50Hz 5 额定转速nN指电动机定子加额定频率的额定电压 且轴端输出额定功率时电机的转速 单位为r min 6 额定功率因数指电动机定子加额定负载时 定子边的功率因数 3 铭牌上的其它重要数据 1 绝缘等级与额定温升绝缘等级指电机主绝缘所使用的绝缘材料耐热等级 例如Y系列小型异步电动机采用B级绝缘材料 其最高允许工作温度为130 2 定子绕组接法指额定电压下电动机规定的接线方式 国标规定 Y系列异步电动机 其额定功率3及以下者采用Y接法 4及以上者采用 接法 以便可选用Y 方式启动 3 工作方式 指电动机额定状态运行所允许的持续时间 分 连续 S1 短时 S2 断续 S3 三种 后两种方式指电动机只能短时 间歇地工作 4 防护等级 指为满足环境要求电动机采取的外壳防护型式 通常有开启式 IP11 防护式 IP22 和封闭式 IP44 等三类 三 项目实施 一 三相鼠笼式异步电动机绝缘电阻的测量 1 目的要求 1 掌握三相鼠笼式异步电动机绝缘电阻测量的方法 2 了解相关的仪表知识 2 设备与器材 1 500V等级绝缘电阻表 2 三相鼠笼式异步电动机 3 内容与步骤 1 绕组对地绝缘电阻的测量 放置好三相鼠笼式异步电动机 用500V绝缘电阻表的地端夹住三相鼠笼式异步电动机外壳 用绝缘电阻表的另一端充分接触三相鼠笼式异步电动机绕组的一端 摇动绝缘电阻表 使绝缘电阻表的转速达到120r min 持续1分钟 当仪表指针指示稳定后再读数 依次测量另外两组对地电阻 记录数据填写的表2 2中 2 绕组与绕组之间绝缘电阻的测量 放置好三相鼠笼式异步电动机后 用绝缘电阻表地端夹住三相鼠笼式异步电动机U1相绕组一侧 再用绝缘电阻表的另一端充分接触V1绕组一侧 转速达到120r min持续1分钟记录此时电阻值 同理测量U1相与W1相 V1相与W1相的电阻 记录数据填写到表2 3中 表2 2绕组对地绝缘电阻 表2 3绕组间绝缘电阻 二 三相鼠笼式异步电动机直流电阻的测量 1 目的要求 掌握三相鼠笼式异步电动机三相绕组直流电阻的测量方法 2 设备与器材 1 可调直流电源 直流电压表 直流电流表 可调电阻 2 三相鼠笼式异步电动机 3 内容与步骤 1 将电机在室内静置一段时间 用温度计测量电动机绕组端部 铁心或轴承的表面温度 若此时温度与周围空气温度相差不大于 2K 则称电动机绕组端部 铁心或轴承的表面温度为绕组在冷态下的温度 2 测量线路图如图2 12所示按图接线 其中电阻R选850 电流表用屏上直流电流表 电压表用屏上直流电压表 量程选择20V档 3 把R调节到最大 把三相鼠笼式异步电动机其中一个绕组接入电路中 启动开关打开直流电源开关 调节调压器 使可调直流电源电压升高 直至测量回路的直流电流表显示30mA 把R顺时针慢慢旋 直到电流表显示100mA时 合上电压表开关S 将此时电压 电流记录于表2 3中 读完后 先断开开关S 再切断可调直流电源 4 用同样方法分别在80mA 60mA电流下测量两组数据 将数据记录于表2 4中 5 用同样的方法测量另外两组线圈的直流电阻 将测量得到的数据记录于表2 4中 表2 4绕组直流电阻 三 考核与评价 四 知识拓展 异步电动机与变压器的比较 一 异步电动机和变压器相似的方面 1 从基本工作原理来看 异步电动机和变压器都利用电磁感应定理 2 从励磁方面来看 两者都是 单边励磁 的电气设备 3 从结构上看 异步的定子绕组相当于变压器的原绕组 转子绕组相当于变压器的副绕组 二 异步电动机与变压器相区别的方面 1 变压器是静止的电气设备 异步电动机是旋转的动电机 2 变压器的主磁场是脉动磁场 而异步电动机的主磁场是旋转磁场 3 变压器中只有能量的传递 通过磁场媒介所原边的电能传送到副边 异步电动机中除了能量的传递之外 还进行能量的转换 即定子绕组中的电能通过气隙主磁场传送转子绕组以后 有相当大的一部分要转换成机械能 从转子轴了输出给机械负载 4 异步电动机的绕组是短矩分布绕组 而变压器的绕组为全距集中绕组 5 异步电动机的主磁通磁路有空气隙存在 而变压器的主磁路均为铁芯 五 项目小结 1 三相异步电动机具有结构简单 造价低廉 坚固耐用 便于维护的优点而被广泛应用 2 三相异步电动机旋转磁场产生的条件是 三相对称绕组通以三相对称电流 其转向取决于三相电流的相序 其转速n1 60fl p 异步电动机转子转速总是小于同步转速 而又接近于同步转速 其转差率的范围0 s 1 项目二三相异步电动机绕组展开图的绘制 一 项目导入 定子绕组结构形式较多 若按槽内层数来分 可分为单层绕组 双层绕组 按每极每相所占槽数来分 可分为整数槽绕组和分数槽绕组 若按绕组的结构和形状来分 又可分为链式绕组 同心式绕组 交叉式绕组 叠绕组和波绕组等 本项目重点介绍单层链式绕组展开图的绘制 二 相关知识 一 交流绕组的基本知识 1 线圈及节距y 线圈可由一匝或多匝串联而成 它有两个引出线 一个叫首端 头 另一个叫末端 尾 如图2 13所示 如果已知电机有Z槽 个磁极 则用槽数表示的极距为 交流绕组中 的绕组称为整距绕组 的绕组称为短距绕组 的绕组称为长距绕组 常用的是整距和短距绕组 2 电角度与机械角度 若电机圆周有对磁极 电机圆周按电角度计算就为 而机械角度总是360 因此电角度 机械角度 3 槽距角 4 相带 为了使三相绕组对称 通常要使每个极面下每相绕组所占的范围相等 这个范围称为相带 5 每极每相槽数 6 极相组 将一个磁极下属于同一相 即一个相带 的q个线圈 按照一定方式串联成一组 称为极相组 又称为线圈组 二 三相单层绕组 所谓的对称三相绕组 是由三个在空间互差120 电角度的三个独立绕组所组成 它的排列和连接由极距 相带 极数等参数确定 在确定了一相的线圈在定子槽内的排列以及线圈间的联接后 其余两相绕组由空间互差120 电角度的原则 去进行相似的排列和联接 就可以构成整个对称三相绕组 1 绕组基本数据的确定 极距 每极每相槽数 槽距角 2 相绕组的展开图 1 在展开图上确定极距和极数 2 划分相带顺序 3 确定线圈边中的电流方向 4 组成线圈和线圈组 5 连接相绕组 3 三相绕组的展开图 单层交叉式绕组 由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成 同一组线圈的形状 几何尺寸和节距均相同 各线圈组的端部互相交叉 交叉式绕组由两大一小线圈交叉布置 线圈端部连线较短 有利于节省材料 并且省铜 广泛用于q 1的且为奇数的小型三相异步电动机 单层链式绕组 由形状 几何尺寸和节距相同的线圈连接而成 整个外形如长链 每个线圈节距相等并且制造方便 线圈端部连线较短并且省铜 主要用于q 2的4 6 8极小型三相异步电动机 单层同心式绕组 几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成 同心式绕组端部连线较长 适用于q 4 6 8等偶数的2极小型三相异步电动机 三 三相双层叠绕组 双层绕组是指定子的每个槽内有上下两个线圈边 每个线圈边为一层 每个线圈的一个边嵌在某一个槽的上层时 其另一个边放在相隔节距为的另一槽的下层 由于一个槽内有两个线圈边 所以电机线圈总数等于定子总槽数 双层绕组的优点是 所有线圈尺寸相同 便于绕制 端接部分形状排列整齐 有利于散热和增强机械强度 从电磁角度来看 可以选择最有利的节距 结合绕组本身均匀地分布这一性质 可改善磁动势和电动势波形 所以大多数7kw以上的交流电机使用双层绕组 交流电机的双层绕组根据线圈形状以及端接部分的联接形式 有叠绕组和波绕组两种 三 项目实施 一 案例分析 例 Y系列三相单层绕组电机 极数2P 4 定子槽数Z 24 试列出600相带的分相情况 并画出三相单层链式绕组展开图 U相 解 24槽 2p 4 短距绕组 取 1 计算 2 分相带 列表 q 2 3 画绕组展开图 二 同步训练 Y系列三相单层绕组电机 极数2P 4 定子槽数Z 24 试列出60 相带的分相情况 并画出三相单层链式绕组展开图 V相或W相 三 考核与评价 四 知识拓展 单相异步电动机绕组展开图的绘制 单相异步电动机 极数2P 4 定子槽数Z 24 画出绕组展开图 解 24槽 2p 4 整矩 1 计算 2 画绕组展开图 五 项目小结 交流定子绕组是交流电机的主要电路 异步电动机从电源输入电功率以后 就在定子绕组中以电磁感应的方式传递到转子 再由转子输出机械功率 定子绕组也可以认为是交流机的 心脏 学习定子绕组的目的 在于理解异步电动机主电路组成的情况 交流电机的定子绕组是一种交流绕组 交流绕组的形式很多 其构成原则是一致的 在本项目中 以三相单层叠绕组为例 叙述了三相绕组排列和联接的方法 即计算极距 每极每相槽数 划分相带 组成线圈组 按极性对电流方向的要求构成相绕组 得出了由线圈组成线圈组由线圈组联结为相绕组由相绕组构三相交流绕组 即完整的三相交流定子绕组 项目三三相异步电动机的运行与维护 一 项目导入 合理地选择电动机及其安装和接线方式以及对其运行进行监视 维护和定期检查维修 是消除故障隐患 防止故障发生 提高电动机寿命的重要手段 本项目在讨论三相异步电动机运行特性和工作特性的基础上 介绍三相异步电动机绕组的拆除 绕制 嵌线及装配 试验与故障排除实训 二 相关知识 一 三相异步电动机的空载运行 1 主磁通 主磁通是定 转子绕组共同交链的磁通 磁路由定 转子铁心 气隙组成 主磁通从定子开始 经过气隙到达转子 再经过气隙回到定子 形成闭合磁路 主磁通是定 转子间进行能量交换的载体 其磁路磁导受铁心饱和程度的影响 2 漏磁通 漏磁通仅仅和定子绕组自身交链 没有进入转子 其磁路主要在空气隙中闭合 磁路磁导不受磁路饱和的影响 可以认为是常数 三相异步电机的交流绕组的漏磁通按磁路主要分为 槽漏磁通和端部漏磁通 3 电磁关系 三相异步电动机定子绕组接在对称的三相电源上 转子轴上不带机械负载时的运行 称为空载运行 由于空载运行时转子转速几乎与同步转速相等 转子导体切割磁场的速度很小 可认为转子的感应电动势 2 0 转子电流 2 0 则空载运行时的电磁关系 二 三相异步电动机的负载运行 1 负载运行时的电磁关系 所谓负载运行是指异步电动机的定子外施对称三相电压 转子带上机械负载时的运行状态 负载运行时的电磁关系 2 转子绕组的电磁量 异步电动机转子运行并带上负载后 n n1 且转子 转速为n 与旋转磁场 转速为n1 同方向旋转 旋转磁场以相对转速切割转子绕组而产生电动势 其大小 频率以及电抗 转子电流 转子功率因数都将随转差率而变化 转子各物理量与转差率的关系如图2 22所示 异步电动机转子运行并带上负载后 n n1 且转子 转速为n 与旋转磁场 转速为n1 同方向旋转 旋转磁场以相对转速切