三相异步电动机的运行与控制.doc

任务三：三相异步电动机的运行与控制教学提要知识要点：1.了解三相异步电动机的工作原理和控制特性，掌握起动、转向、调速和制动的控制方法。2.理解控制电路的工作原理，初步掌握三相异步电动机控制电路的使用、调试、故障检查与排除方法，形成基本操作技能。3.条件具备时，进行一次三相异步电动机典型控制电路的安装与调试项目化技能实训。能力要点：1.掌握起动、转向、调速和制动的控制方法。2.理解控制电路的工作原理。第一节 三相异步电动机的结构1.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机主要由静止的定子和转动的转子两大部分组成。定子与转子间有一个很小的气隙。1.1.1 定子 组成：由机座、铁心和绕组三部分组成。 机座的作用主要是固定和支撑定子铁心 ；定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分；定子绕组的作用是通入三相对称交流电后产生旋转磁场。 1.1.2 转子 组成：由转子铁心，转子绕组和转轴组成 。转子铁心 是电动机主磁路的一部分，固定在转轴或转子支架上；鼠笼式转子绕组 由嵌放在转子铁心槽内的铜导电条组成；线绕式转子绕组 是由绝缘导线做成的三相绕组；转轴 一般由中碳钢制成。轴的两端用轴承支持。在后端盖外面轴上装着风扇，供轴向通风用。 1.1.3 气隙 气隙是定子与转子间的空隙。气隙大小对电动机性能影响很大，气隙大了电动机空载电流大，电动机输出功率下降；气隙太小，定、转子间容易相碰而转动不灵活。第二节 三相异步电动机的工作原理2.1旋转磁场的产生 当三相定子绕组通入三相交流电时，在定子、转子与空气隙中就会产生一个沿定子内圆旋转的磁场，称为旋转磁场。 2.2 三相异步电动机的转动原理（1）定子绕组通入三相对称交流电，产生同步转速为n1 的旋转磁场，如图所示；（2）开始转子不动，转子导体切割磁感线而产生感生电动势，由于转子导体自成闭合回路，所以转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定；（3）有感应电流的转子导体在旋转磁场中受电磁力F的作用，其方向用左手定则判定；该电磁力F在转子轴上形成电磁转矩，使异步电动机的转子以转速n旋转。 2.2 三相异步电动机的转动原理（1）旋转磁场的转速（同步转速n1 ）式中：f1三相交流电的频率；p定子绕组的极对对数； n1旋转磁场的转速（r/min），又称同步转速。2.3 转差率转差率S 电动机的旋转磁场（同步转速）与转子转速之差叫转差，转差与同步转速的比值叫转差率，用 S 表示，即：（1）异步电动机速度 n0 时，S1。异步电动机最大转速不超过同步转速，极限为nn1，此时S0。（2）三相异步电动机转差率 1 S 0。一般三相异步电动机额定运行状态时，转差率 S 在 0.02 到 0.05 之间。2.4 三相异步电动机的运行特性2.4.1工作特性曲线及分析（1）转速特性 随着负载P2的增加，转子转速n下降，转差率s增大；（2）定子电流特性 当电动机空载时，转子电流差不多为零，定子电流等于励磁电流。随着负载的增加，转速下降，转子电流增大；（3）定子功率因数 空载时，定子功率因数很低，不超过0.2；当负载增大时，定子电流中的有功电流增加，使cos1提高了，接近额定负载时cos1最高；如果负载进一步增大cos1又开始减小，在80% PN 附近有一个最大值。（4）电磁转矩T 电动机的转矩一般是指轴上输出的转矩T2，当稳定运行时，电动机的电磁转矩T等于负载转矩T2加上电动机的空载转矩T0。当电动机空载时，电磁转矩T=T0，随着负载增加，P2增大，转速n变化不大，电磁转矩T随P2的变化近似为一条直线。（5）效率特性 电动机的效率等于输出功率P2与输入功率P1之比。当电动机空载时，P2=0，=0，随着输出功率P2的增加，效率也在增加。2.4.2 机械特性曲线及分析（1）异步电动机运行时，额定转矩TN不能太接近最大转矩Tm，使电动机有一定的过载能力，以提高运行的稳定性；（2）通常异步电动机稳定运行在机械特性曲线的a、b、c段上，即在OSSc范围内，随S的增加（转速下降），电动机转矩T相应增加，这个转速范围称为异步电动机的稳定运行区；（3）机械特性曲线的c、Tst段随着转速的减小，电动机产生的转矩也随之减小，为不稳定运行区。异步电动机一般不能在该区域内正常稳定运行。但电风扇、通风机等风机型负载在这个区域能稳定运行 ；（4）电源电压的波动对电动机的运行影响很大，当电源电压过低时，电动机就有可能拖不动负载而被迫停转。 2.4.3 电动机的转矩（1）当I2滞后于 E2的电角2越小时，转子电路的功率因数 cos2越高，转子导线中产生的电磁力越大。所以，异步电动机的电磁转矩 M 不仅与旋转磁通，转子电流I2有关，而且还与转子电路的功率因数 cos2有关，因此M=CmI2cos2上式中的 Cm 称为异步电动机的转矩常数，与电动机本身的结构有关；为磁极磁通的平均值。（2）在电源电压为定值的情况下，上式中的值基本保持不变，故可认为异步电动机的电磁转矩仅与I2cos2有关。第三节 三相异步电动机的控制3.1三相异步电动机的起动3.1.1笼型异步电动机的降压起动 指起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，起动结束后再加额定电压运行。常用的起动方式有: 自耦变压器（补偿器）降压起动、星-三角（Y-）起动、笼型异步电动机串电阻（电抗）降压起动（1）自耦变压器（补偿器）降压起动：原理是利用自耦变压器降低加在定子绕组上的电压。优点是能很好的限制起动电流，还可以根据不同负载的起动要求选择起动电压，但起动转矩也下降了，因此广泛应用于大、中容量的三相异步电动机空载或轻载起动的场合。缺点是起动设备体积大、价格高、质量重。（2）星-三角（Y-）起动：原理是将定子绕组三角形联结的电动机在起动时改接成星形，起动结束后恢复三角形联结。优点是设备简单、价格低，一般做成自动切换，应用极为广泛。缺点是起动转矩也降低到原来的1/3 ，只能适用于空载或轻载起动的场合，且只能用于正常工作时定子绕组为三角形联结的电动机中。（3）笼型异步电动机串电阻（电抗）降压起动：原理是在定子回路中串电阻器降压起动电路。优点是设备线路简单，起动平稳，工作可靠，起动时功率因数高等。缺点是电阻的功率损耗大、温升高。3.1.2 绕线转子异步电动机的起动绕线式异步电动机的转子采用三相对称绕组，且均采用星形联结。起动时通常在三相绕组中串可变电阻起动，也有使用频敏变阻器起动。电动机在整个起动过程中起动转矩较大，适合于重载起动，主要用于桥式起重机，卷扬机、龙门吊车等。其缺点是所需起动设备较多，有一部分能量消耗在起动电阻上。3.2 三相异步电动机的调速 就是在负载不变的情况下，用人为的方法来改变电动机的转速，以满足不同生产机械的要求。用公式表示为从上式可以看出，三相异步电动机以下有三种调速方法：（1）变极调速 通过改变定子旋转磁场的极数来改变电动机的转速。优点是设备简单、操作方便、效率高；缺点是调速级数少。（2）变频调速 通过改变电源的频率，平滑地调节异步电动机的转速。优点是调速范围大，平滑性好，效率高，能适应不同负载的要求。缺点是调速系统较复杂，成本较高。 （3）变转差率调速 常用方法有变阻调速和变压调速。变阻调速 通过改变电动机转子电路的外接电阻实现的，因此只适用于绕线转子电动机。对应一定的负载转矩，在转子电阻不同时，就有不同的转速，且电动机的转速随转子电阻的增加而下降。变压调速 通过改变电动机定子绕组上的电压实现，适用于笼型异步电动机的调速。当加在定子绕组上的电压改变时，电动机的临界转速不变，但最大转矩随电压的平方而下降。对于风机型负载，其负载转矩与转速的平方成正比，因此此法调速范围较宽，调速作用明显，大多数电扇都采用串电抗器或晶闸管调压调速。 通常采用带转速负载反馈的控制系统来解决速度稳定性问题。 3.3 三相异步电动机的反转与制动3.3.1 三相异步电动机的反转 方法：将接在定子绕组上的任意两根相线对调。原理：三相异步电动机转子的转向与旋转磁场的转向相同，而旋转磁场的转向取决于定子绕组通电电流的相序，因此，要使电动机反转只要将接在定子绕组上的任意两根相线对调即可。3.3.2 三相异步电动机的制动 （1）机械制动 通常是靠摩擦产生制动转矩，常用装置是电磁抱闸。 （2）电气制动 是使异步电动机产生与转动方向相反的电磁转矩，使电力拖动系统迅速停转或限制转速，常用方法有以下三种。反接制动 制动原理与电动机反转一样，改变正在转动的电动机定子绕组中任意两相的接线，使磁场反转，从而使转子导体中产生与转向相反的电磁转矩，使转速很快下降到零。注意即时切断电源，避免电动机反转。 再生制动 又称回馈制动、发电制动，是指由于外力的作用使电动机的转速n 超过了同步转速n1，转子导体切割磁场的方向与电动机运行状态相反，转子电流与产生的电磁转矩改变了方向，驱动力矩变为制动力矩，电动机在制动状态下运行，即电动机是将机械能转化为电能，向电网反送电。 能耗制动 在断开定子绕组交流电源的同时，立即给两相定子绕组通入直流电，定子产生恒定磁场。由于惯性的作用，此时转子仍沿运行方向旋转，切割定子磁场产生感应电动势和电流，从而起到制动作用。 第四节 三相异步电动机的选择与安装4.1 三相异步电动机的铭牌正确地选择三相异步电动机，就必须了解电动机的规格，也就是读懂电动机的铭牌。三相异步电动机型号：Y132M-4 功率：7.5kw 频率：50HZ电压：380V 电流：15.4A 接法：转速：1440r/min 绝缘等级：B 工作方式：连续工作出厂年月： 编号：电机厂（1）型号 电动机不同的系列用不同的型号表示，如:1324。（2）电压 指电动机在额定运行时，定子绕组上应加的线电压值。（3）电流 指电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。（4）功率和效率 铭牌上所标的功率值是指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率值；输出功率与输入功率的比值就是电动机的效率。 （5）功率因数 电动机定子相电流比相电压滞后角度的余弦cos（6）绝缘等级 按电动机绕组所用的绝缘材料，在使用时容许的极限温度来分级的，有A、B、C、D、E五个等级。（7）接法 指定子三相绕组的接法， 有“Y”和“”两种。（8）工作方式 是指电动机的运转状态，有连续、短时和断续三种。此外，它的主要技术数据还有：功率因数0.85，效率87。4.2 三相异步电动机的选择 4.2.1 电动机功率的选择一般选取电动机额定功率等于或略大于计算功率数值的电动机，就可满足要求。4.2.2 电动机种类的选择（1）无特殊变速调速要求的一般机械设备，可选用机械特性较硬的鼠笼式异步电动机。（2）要求启动特性好，在不大范围内平滑调速的设备，一般应选用绕线式异步电动机。（3）有特殊要求的设备，则选用特殊结构的电动机，如升降设备可选用锥型转子制动电动机。4.2.3 电动机容量的选择（1）长期运行的电动机容量的选择在恒定负载下长期运行的电动机容量应等于生产机械所需要的功率。在变动负载下长期运行的电动机，采用等效恒定负载法去选择容量。（2）短时间运行电动机容量的选择电动机在短时间运行时，在不超过温升限值下，可以允许过载。工作时间越短，允许过载量越大，但过载量必须小于电动机的最大转矩。（3）重复短时运行电动机容量的选择在工作中电动机的运转与停机相互交替，周期性重复工作时间短，停机时间长，应选用专门用于重复短时运转的JZR和JZ系列交流异步电动机。其容量也可应用等效负载法来选择。4.2.4 电动机转速的