第13章 电动机.ppt

第13章 电动机 三相异步电动机 电机 机电能量的转换装置 机电能量的转换过程是电磁场和载流导体相互作用的结果 早在1832年法拉第发现电磁感应定律后不久 世界上就出现了第一个电机雏形 1866年德国工程师西门子制成发电机 1870年比利时人格拉姆发明了电动机 但直到爱迪生发明了电灯 1878年最初的电灯是使用日本的竹丝 1906年爱迪生改用钨丝做灯丝 这种电灯一直沿用至今 电机才有了工业上的用途 经过一个多世纪的发展 电机工业已成为机械工业的一部分 以电动机为动力拖动生产机械的电力拖动方式比其它 蒸汽 水力等 拖动方式效率高 控制简便 快速性好 易于实现完善的保护 可实现远距离测量控制 便于集中管理和实现生产过程自动化 种类繁多的电动机可以满足不同类型的生产机械的要求 按工作原理分 电机 变压器 静止电机 旋转电机 直流电机 交流电机 同步电机 异步电机 作发电机 作电动机 电机的分类 变压器 主要改变电压和电流大小 发电机 把机械能转换成电能 电动机 把电能转换成机械能 控制电机 作为控制系统中的执行元件 按功能为 按电机尺寸分 大型 中心高 0 63m 功率范围400kW以上 电压为3kV和6kV 中型 中心高 0 355 0 63m 功率范围45 1250kW以上 电压为380V 3kV和6kV 小型 中心高 0 08 0 315m 功率范围0 6 125kW以上 电压为380V 13 1直流电动机 直流电动机是指通以直流电流而转动的电动机 直流电动机具有良好的起动性能 能在较宽的范围内平滑调速并且易于控制 直流电动机广泛地应用于轧钢机 电力机车 无轨电车 机床等大型设备中 而且还用于电动自行车 电动缝纫机和电动玩具中 目前配备了晶闸管整流电源的直流电动机可以直接在交流电网上运行 直流电动机 13 1 1直流电机的工作原理与基本结构 动画 1 直流电机的工作原理 2 直流电动机的结构 电机是以磁场为媒介 利用电磁感应作用实现能量转换的 在电机里 有引导磁通的磁路和引导电流的电路 在带电导体之间以及铁心之间还有绝缘物质 此外还有既不属于磁路也不属于电路 而是构成电机整体所必须的结构部分 直流电机主要由定子 固定部分 和转子 转动部分 两大部分组成 由直流电机的工作原理可知 其磁极和电枢绕组之间必须有相对运动 目前的直流电机都是将电枢绕组装在转子上 而磁极装在定子上静止不动 这样电刷就便于维护 3 直流电动机的符号 直流电动机的外形图 4 直流电动机的反转 改变外接直流电源的极性永久磁铁的南极 S 和北极 N 互换 直流电动机具有优良的调速性能 但由于直流电机的机械式换向器不但结构复杂 制造费时 价格昂贵 而且在运行中容易产生火花 此外还存在换向器机械强度不高 电刷容易磨损等问题 因此在运行中需要经常性的维护检修 并且对环境的要求也比较高 不能适用于化工 矿山等周围环境中有灰尘 腐蚀性气体和易燃 易爆气体的场所 特别是换向问题的存在 使直流电动机无法做成高速大容量的机组 因而不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求 5 直流电机的优缺点 13 2三相异步电动机 三相异步电机也称感应电机 13 2 1三相异步电动机的基本结构和工作原理 异步电机主要由两部分组成 固定部分称为定子 旋转部分称为转子 在定子和转子之间有一很小的间隙 称为气隙 气隙用于储存磁场能 并使转子可以自由旋转 单位体积磁场储能 1 三相异步电动机的基本结构 空气的磁导率比硅钢的磁导率小得多 所以磁场能量绝大部分储存在气隙中 当B增加 磁场能量就储存在气隙中 当B减小 磁场能量将从气隙中释放来 单位体积磁场储能 气隙的大小对异步电机的性能有很大的影响 气隙越小 产生同样大小的旋转磁场所需的激磁电流也越小 由于激磁电流基本是无功电流 所以减少激磁电流就能够提高功率因数 为了提高电机的功率因数 气隙应尽可能地小 但气隙过小将使装配困难和运行不可靠 中小型电动机的气隙一般为0 2 2mm左右 动画 1 三相异步电动机的结构图 异步电机的定子是异步电动机固定不动的部分 1 定子 机座 定子绕组 定子铁心 定子铁心 装在机座内 为一个内壁开槽的中空圆柱体 槽内嵌放定子绕组 定子铁心是电动机磁路的一部分 为减少铁心中的损耗 定子铁心用0 5mm厚的硅钢片叠压而成 片间有绝缘 用绝缘的铜线绕成 嵌放在定子铁心槽内 绕组与槽壁用绝缘材料隔开 定子绕组是电动机的电路部分 其主要作用是通过电流产生旋转磁场 定子绕组 定子绕组 接线盒 三相定子绕组的六个引出线头 三相绕组的始端和末端 分别用U1 V1 W1和U2 V2 W2表示 都引到了接线盒的接线板上 可根据需要接成三角或星形接法 接线盒 机座是电动机的外壳 起支撑的作用 要求有足够的机械强度和刚度 能承受运输和运行过程中的各种作用力 通常用铸铁铸成 较大容量的异步电机 一般采用钢板焊接机座 机座 接线盒 机座 铭牌 端盖 吊环 异步电机的转子由转子铁心 转子绕组和转轴组成 2 转子 转子 风扇 转子铁心 转子铁心为电动机磁路的一部分 一般也由0 5mm厚的硅钢片叠成 铁心固定在电动机的转轴上 大型异步电动机的转子铁心则套在转子支架上 转子铁心 转轴 转子绕组 转子绕组的作用是感应电动势 流过电流和产生电磁转矩 转子绕组的结构型式 鼠笼式和有绕线式两种 根据转子的结构形式不同 异步电动机分为 鼠笼式异步电动机 驱动各种机械 如通风机 机床和运输机械等等 绕线转子异步电动机 起动力矩大 卷扬机 水泵和行车 转子绕组的外形就像一个 鼠笼 由于异步电动机的转子绕组不必由外界电源供电 因此可以自行闭合构成短路绕组 鼠笼式转子 绕线式转子绕组与定子绕组相似 也是用绝缘导线嵌于转子铁心槽内 连接成星形接法的三相对称绕组 绕线式转子绕组 转子绕组 集电环 滑环 转子绕组外接变阻器 2 三相异步电动机的符号 三相异步鼠笼式电动机 三相异步绕线式电动机 3 异步电机的基本工作原理 动画 右手定则 确定转子电流的方向 左手定则 确定转子旋转的方向 异步电动机的转速总是低于同步转速 即两种转速之间总是存在差异 异步电动机的名称也由此而来 规定 磁力线的方向出定子入转子 旋转磁场的磁力线切割转子导体而感应电动势 由于转子绕组是短路的 所以在感应电动势的作用下转子导体内便有电流流过 载流导体在磁场中要受到电磁力的作用 由电磁力产生的电磁转矩作用在电动机的转子上 将使转子朝着旋转磁场旋转的方向转动 小结 如果电动机的转轴上带有机械负载 电动机便拖动机械负载运转 输出机械功率 也就是说 电动机把输入的电功率转换成轴上输出的机械功率 同步转速n0与转子转速n之差与同步转速n0的比值称为转差率 也称滑差 电动机运行在额定状态时 s约为1 5 6 左右 在空载状态时 s约在0 5 以下 1 转差率 异步电动机能够旋转 实现机电能量转换的前提是定子三相绕组通入三相对称的交变电流在气隙中产生旋转磁场 2 旋转磁场的产生 如果把三相对称绕组接至三相对称交流电源上 其中流过三相对称交流电流 设各相交流电流的瞬时表达式为 三相对称电流 将在空间对称分布的三相定子绕组接到三相对称电源上 在定子绕组中就会流过三相对称正弦交流电流 U相磁势 V相磁势 W相磁势 每相绕组产生的磁势 合成磁势F1的幅值相等 三相定子绕组的合成磁势 t1 t2 t3 气隙中的磁场 合成磁势F1将通过气隙在空间产生的一个幅值不变的旋转磁场 合成磁场的旋转方向决定于三相绕组电流的相序 3 磁场的旋转方向 当U V W相电流达到最大值时 合成旋转磁势依次从U相绕组的轴线移到V W相绕组的轴线上 异步电动机转子的转向与旋转磁场的方向相同 所以要改变异步电动机的转动方向只需改变异步电动机三相电源的相序 4 控制电动机反转 5 旋转磁场的磁极对数 p 当三相异步电动机的每相定子绕组只有一个线圈时 所产生的合成磁场的极数为2 一个N极 一个S极 即磁极对数p 1 如果每相定子绕组由两个线圈串联组成 4极旋转磁场 合成旋转磁场由二个N磁极和二个S磁极组成 极数变为4 即磁极对数p 2 动画 0 6 旋转磁场的转速 同步转速n0 对于两极电机即旋转磁场的磁极对数p 1 当电流变化一周 电角度为360 时 旋转磁场在空间正好转动一圈 空间角度为360 如果电流每秒变化f1周 则旋转磁场就转动f1圈 当电机为p磁极时 旋转磁场的一对磁极在空间旋转的角度等于电角度的p分之一倍 对于4极电机 即磁极对数p 2 当电流变化一周 电角度为360 时 旋转磁场在空间仅转动半圈 空间角度为180 t 0 t 120 旋转磁场的转速即同步转速为 转 分 r min 接在工频电源上不同极数的异步电动机的同步转速 4 三相异步电动机的三种运行状态 转差率s是异步电动机运行时的一个重要物理量 根据s的正负和大小可以判断异步电动机工作在电动状态 发电机状态还是电磁制动状态 1 电动运行状态 电动运行状态 定子从电网吸收电功率 转子从轴上输出机械功率 当异步电机转子的转向与旋转磁场的转向相同而且转速n n0 0 s 1 时 2 发电机运行状态 原动机拖动电机使n n0 s 0 异步电机的定子方由原来从电网吸收电功率改为向电网输出电功率 电磁转矩对原动机来说为制动转矩 原动机要保持转子继续转动 必须输入机械功率 3 电磁制动运行状态 用其他机械拖动异步电机朝着旋转磁场相反的方向转动n1 电磁转矩对拖动机械来说是制动转矩 电机一方面吸收拖动机械的机械功率 另一方面又从电网吸收电功率 这两部分功率在电机内都以损耗的方式最终转化为热能消耗掉 5 电机的可逆性原理 一台交流电动机 当将交流电源接在定子绕组上 可以使其转轴带动生产机械运转 从而完成将输入的电能转换为机械能的过程 即为交流电动机 同一台交流电机在不同的外界条件下 即可作为电动机运行 也可作为发电机运行 这就是交流电机的可逆性原理 在原动机的驱动下 电机向电网输入交流电 完成将转轴上输入的机械能转换成电能的过程 而成为交流发电机 6 机电能量的转换过程 无论是发电机还是电动机都是通过电机中的磁场来实现能量转换的 我们把电机中的气隙磁场称为耦合磁场 交流电机 其它类型的电机也一样 本质上是一种能量转换元件 只有耦合磁场存在 发电机才能将机械能转换成电能 电动机才能将电能转换成机械能 能量守恒定律 在能量转换过程中 能量既不会任意产生也不会任意消失 只能改变其存在的形式 电机在进行能量形态的转换过程中 其内部存在着四种形态 电能机械能磁场储能热能 电动机 发电机 电机 能量转换元件 的能量方程式 电源输入的电能 输出的机械能 磁场储能的增加 转换成热能的损耗 输入的机械能 输出的电能 磁场储能的增加 转换成热能的损耗 电机在能量转换过程中产生的能量损耗通常有三种 电系统内部通有电流时产生的电阻损耗 机械系统的风阻摩擦引起的机械损耗 由耦合磁场在铁心中引起的介质损耗 磁滞损耗和涡流损耗 即铁耗 这些损耗大都变为热能而散发 为了保证电机正常运行 必须对电机进行冷却 如果将上述三种能量分别记入功率方程的电能 机械能和磁场储能中 能量方程可改写为 能量转换元件 电机 可由电系统 电源或用电负载 机械系统 原动机或生产机械 以及联系两者的耦合磁场组成 机电能量转换的关键是耦合磁场对电系统和机械系统的作用和反作用 耦合磁场对电系统的作用 或反作用 是通过感应电动势表现出来的 耦合磁场对机械系统的作用 或反作用 是通过电磁转矩表现出来的 有了感应电动势 电动机才能够从电系统吸取电磁功率 有了电磁转矩 电动机才能向机械系统输出机械功率 电动机的能量转换 发电机的能量转换 有了电磁转矩 发电机才能从机械系统吸取机械功率 有了感应电动势 发电机才能向电系统输出电磁功率 说明 为进行机电能量转换 必须要有储存能量的耦合场 耦合场既可以是磁场 也可以是电场 以磁场作为耦合场 电磁式电机 是一种大电流电机 以电场作为耦合场 静电式电机 是一种高电压电机 1 单位体积内可以得到的磁场储能比电场储能要大得多 约为6000倍 2 磁性材料和导线相对来说比较便宜 作为机电能量转换用的大多数旋转电机均为电磁式电机 13 2 2三相异步电动机的功率 转矩和机械特性 异步电动机的作用 是把电能转换成机械能 它输送给生产机械的量是转矩和转速 在选用电动机时 总是要求电动机的转矩和转速 称为机械特性 符合生产负载的需要 电动机输出的转矩的大小受哪些因素的影响 如何计算电动机的转矩 转矩和转速的关系怎样 1 三相异步电动机运行时的电磁关系 三相异步电动机的定子绕组接至三相交流电源之后 定子三相对称绕组中就有三相对称交流电流流过 它们在电机的气隙中将建立幅值恒定的旋转磁场 磁场以同步转速n0旋转的同时将切割定 转子绕组 并在定 转子绕组中感应电动势 每相定子绕组感应电动势的有效值 每相转子绕组感应电动势的有效值 异步电动机气隙中的主磁通 m m 等于每极的磁通量 为异步电动机气隙中的主磁通 三相异步电动机主要依靠主磁通 m实现定 转子之间的能量传递 电机各物理量的电磁关系 以n旋转 静止不动 频率为f1 频率为f2 定 转子电流除了联合产生同时交链定 转子绕组的主磁通外 定 转子电流还分别产生仅交链自身绕组的定 转子漏磁通 在各自绕组内感应漏磁电动势 每相定子绕组漏磁感应电动势 每相转子绕组漏磁感应电动势 定子绕组的漏电抗 转子绕组的漏电抗 转子感应电动势的频率f2 当转子以转速n转动时 旋转磁场与转子的相对速度 转子绕组中感应电动势和电流的频率为 注意 在当转子静止时 即s 1 f2 f1 电动机额定运行时s很小 所以转子的频率较低 约几赫兹 转子转动时 一相转子绕组中感应的电动势 电动机静止不动时 一相转子绕组中感应的电动势 转子的感应电动势的大小与转差率s成正比 电动机的转差越大 转子绕组感应的电动势也越大 转子绕组的漏电抗 电动机的转差越大 转子绕组的漏电抗也越大 转子绕组的漏电抗 定 转子绕组还有电阻r1和r2 定 转子绕组中的漏阻抗分别为 2 异步电动机的基本关系式 1 三相异步电动机的电动势平衡 每相定子电路的电动势平衡方程式 定子绕组的电阻和漏电抗很小 电动机的电源电压 每相转子电路的电动势平衡方程式 三相异步电动机电路示意图 N1k1 f1 N2k2 f2 异步电动机的定子电路和转子电路之间只有磁的耦合而没有电的联系 电路是静止的 电路是旋转的 定 转子绕组中感应电动势的产生 定 转子电流相互影响 电磁转矩的产生 能量的传递 从定子到转子 与转换 从电能变成机械能 都是通过旋转磁场来实现的 旋转磁场是联系定 转子各物理量的核心 2 磁动势平衡方程式 电流 磁动势 磁阻 当在三相对称定子绕组中通入三相对称交流电流时 三相交流定子电流就在电机气隙中产生一个合成的旋转磁动势 从而建立起一个合成的旋转磁场 电机的气隙虽然很小 但其磁阻很大 空气的导磁系数 0却远远小于铁磁磁路的导磁系数 Fe 是整个电机磁路总磁阻的主要部分 因此电机的磁动势F主要作用在气隙上 当旋转磁场在转子中感应电动势和电流后 转子电流也要在气隙中产生一个转子旋转磁动势 它与定子电流产生的旋转磁动势相对静止 转子旋转磁动势的出现将影响定子电流产生的旋转磁动势并使之发生变化 因为磁动势等于磁通回路所包围电流的总和F Ni 从而使定 转子绕组中的电流也发生变化 异步电动机中的旋转磁场是由定 转子电流共同建立的 由于三相定 转子电流分别产生的磁动势在空间保持相对静止 且都以同步转速n0旋转 因此可以把它们的矢量相加而得合成磁动势 整个电磁过程处于一个平衡 稳定状态 达到磁势平衡 就在气隙中建立以同步转速旋转的旋转磁场 其磁通量为 主磁通在定 转子绕组中分别感应出电动势和 这时定子在外施电压和内部电动势作用下产生电流 而转子在的作用下产生 转子对定子的作用都是由磁动势引起的 如果增大电动机转轴所带的机械负载 必然引起转速降低 于是转子与旋转磁场的相对运动加大 则转子感应的电动势和电流也增大 由于转子电流增大转子磁动势也增大 从而破坏了原来的磁动势平衡 为保持主磁通不变 势必增加定子电流产生的磁势 定子电流产生的磁势可分解成两个分量 激磁分量 激磁磁动势 气隙旋转磁场 负载分量 抵消转子磁动势对旋转磁场的影响 为了保证不变 以维持磁通不变 自动增大 定子向电网吸收的电流自动增大 电动机机械负载的变化引起的转子电流的变化 会立即引起电动机的定子电流的变化 从而调节输入的电功率以满足机械负载对电动机输出机械功率的需要 3 三相异步电动机的功率平衡 4 三相异步电动机的转矩平衡 当异步电动机带动负载运转时 其转子上作用着三个转矩 电磁转矩T 由转子电流和主磁通相互作用引起电磁力所产生的 空载制动转矩T0 由电动机的机械损耗pm和附加损耗pad引起的 负载制动转矩T2 转子拖动的机械负载反作用在转子上的力矩 转子获得的机械功率为 当转子以机械角速度 弧度 秒 rad s 旋转时 作用在转子上的三个转矩便产生或者吸收功率 电动机稳定运行时 转矩平衡方程式 电动机所获得的总得机械功率Pmec全部用于克服制动转矩消耗掉 克服空载制动转矩T0所消耗的功率就是电动机消耗的机械损耗pm和附加损耗pad 克服负载制动转矩T2所消耗的功率就是电动机转轴上输出的机械功率为 由于电动机的机械损耗pm和附加损耗pad很小 异步电动机的电磁转矩为 牛顿 米 N m P2为异步电动机输出的机械功率 单位为千瓦 kW n为电动机的转速 单位 转 分 r min 例 有两台功率都为PN的 7 5kW三相异步电动机UN 380V nN 962r min一台 另一台UN 380V nN 1450r min 求两台电动机的额定转矩 解 第一台 第二台 3 三相异步电动机的电磁转矩 异步电动机产生的电磁转矩可直接由电磁力定律 通过计算转子上各导条所受的力得到 公式表明 三相异步电动机的电磁转矩是由气隙中的旋转磁场 m与转子电流的有功分量相互作用产生的 式中三项T m和符合左手定则 异步电动机的工作原理也是建立在电磁感应定律和电磁力定律基础之上 人们就是利用电磁感应定律和电磁力定律所描述的客观规律而设计和制造出各种电机来为人类服务 由转子电路的电动势平衡方程式 转子每相电流的有效值 由于转子电路显感性 所以转子电流滞后 转子电路的功率因数为 异步电动机转子的电流及功率因数与转差率s的关系 在电动机刚起动时转差s 1最大 转子电路的漏抗最大 所以转子电路的功率因数也最小 因此 在电动机起动时 虽然转子电流较大 但起动时转矩并不大 在电机起动时 s 1 要采取限流措施 更要避免在电机运行时发生堵转现象 否则会由于电流过大 使电机温升增加 损坏电机绝缘 使电机烧坏 随着转速的升高转差s较小时 转子频率f2较低 则转子电路的漏抗较小 所以转子电路的功率因数较大 电磁转矩的另一个表达式 重要的结论 当电源频率和电动机参数不变时 三相异步电动机的电磁转矩不仅与电动机的转差率s有关 还与每相定子电压U1的平方成正比 4 三相异步电动机的机械特性 异步电动机的机械特性是描述电机拖动系统 由异步电动机和生产机械所组成 的各种运行状态的有效工具 异步电动机的机械特性是指当电动机的电源电压和频率不变时 电动机转速n与电磁转矩T之间的关系 机械特性曲线 额定工作点N 额定转矩TN额定转速nN额定转差sN 牛顿 米 N m T 10 sn 0n0 TN sNnN 起动点A和起动转矩Tst 起动点A 指电动机已投入电网 但尚未开始转动时的工作状态 电动机产生的电磁转矩称为 最初 起动转矩Tst Tst是表征电动机运行性能的重要指标之一 如果Tst太小 在一定负载下电动机可能不能起动起来 因而不能满足生产机械的要求 Tst A T n 0或s 1 当电源频率和电动机参数不变时 起动转矩Tst与电源电压U1的平方成正比 电网电压的下降 将对异步电动机拖动装置的起动性能产生严重影响 起动转矩倍数 最初 起动转矩倍数来表示起动转矩 通常用 一般 鼠笼异步电动机的 最初 起动转矩倍数为1 0 2 0 电动机不产生电磁转矩 而电动机却以同步转速高速运行 这种运行状态只能是一种理想情况 称为理想运行状态 理想空载点D D T 临界点B和最大转矩Tmax 电磁转矩为最大转矩Tmax是电动机所能提高的极限转矩 Tmax越大 电动机短时过载能力越强 最大转矩Tmax也是表征电动机运行性能的重要指标之一 T Tmax sm B 当电源频率和电动机参数为常数时 最大转矩Tmax与电源电压U1的平方成正比 电网电压有较小的波动 也会使异步电动机所产生的电磁转矩发生较大的变化 如果电源电压下降过多 以致最大转矩小于负载转矩 则电机拖动系统将发生停车事故 也称为堵转 当电动机运行时 若负载短时突然增大 随后又恢复正常负载 在这期间只要总的制动转矩 负载转矩与空载制动转矩的总和 不超过最大转矩 电动机仍能稳定运行 但若总的制动转矩大于最大转矩 则电机拖动系统将停车 也称堵转 电动机的过载能力 一般异步电动机的过载能力 1 8 2 5 电动机的过载能力 5 异步电动机的稳定运行区 稳定运行 就是如果电力拖动系统原来处于一种平衡运转状态 由于受到外界扰动离开原来的平衡状态 仍能在新的条件下达到新的平衡状态 或者在扰动消失后 能够恢复到原来的平衡状态 稳定工作点N 电机产生的电磁转矩 当TL n 当T 10 sn 0n0 T 稳定运行区 13 2 3三相异步电动机的起动与制动方法 1 三相异步电动机的起动 当异步电动机接在三相对称电源上 如果最初起动转矩大于负载转矩时 电动机就从静止状态过渡到稳定运行状态 这个过程叫做异步电动机的起动 把异步电动机刚起动 n 0 s 1 时 三相异步电动机定子线电流称为异步电动机的最初起动电流Ist 若异步电动机在额定电压下起动 则 最初 起动电流为额定电流的4 7倍 在线路上会产生较大的线路压降 使得电源电压在起动电机时下降 尤其是电源的容量较小时起动电机 会使电压降得更多 这就有可能影响同一电源上其他用电设备的正常运行 较大的起动电流在线路和电机中产生的损耗大 引起发热 特别是机组转动惯量J较大时 起动较慢 起动过程产生的损耗增大 使电机过热 温度上升 严重时可能烧坏电机 有足够大的最初起动转矩 尽可能小的最初起动电流 起动过程中的功率损耗应尽可能减少 起动的操作方便 起动设备简单 经济 起动性能的要求 2 三相异步电动机的起动方法 1 直接起动 直接起动是利用开关等电器设备将电动机直接接到额定电压上的起动方式 又称全压起动 当电机容量小于10kW或其容量不超过电源变压器容量的15 20 时 最初起动电流不会影响同一供电线路上的其他用电设备的正常工作 可允许直接起动 优点 简单 方便 经济 起动过程快 是一种适用于小容量的常用方法 缺点 最初起动电流较大 将使线路电压下降 影响邻近负载正常工作 2 降压起动 降压起动的方法是通过降低电动机定子电压U1来限制最初起动电流Ist 由于电动机的最初起动转矩 所以当电动机定子电压U1降低为时 起动转矩就会降低为 1 Y 换接降压起动 正常运行时 定子绕组换接成 这种控制方式仅适用于电动机正常运行时定子绕组为D形接法 起动时 定子绕组首先接成Y形 Y 换接降压起动时的电流仅为直接起动时的三分之一 经过一段时间的延时 当电动机的转速接近额定转速时 断开KM2然后闭合KM3 电动机的定子绕组接成正常运行时的 形 起动时先闭合KM2定子绕组接成Y 每相定子上的电压仅为额定电压的 而电网的电流仅为全压直接起动时的 适用范围 正常运行时定子绕组是三角形连接电动机 优点 最初起动电流为全压起动时的1 3 起动设备比较简单 成本低 运行比较可靠和维修方便 缺点 最初起动转矩为全压起动时的1 3 只适用于轻载或空载起动 说明 2 自耦降压起动 采用自耦变压器降压起动的控制电路中 电动机起动电流的限制 是依靠自耦变压器的降压作用来实现的 电动机起动时 定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压 一旦起动结束 自耦变压器便被切除 额定电压或者说自耦变压器的一次电压直接加在定子绕组 这时电动机进入全电压正常运行 通常习惯称自耦变压器为起动补偿器 电动机定子绕组上的电压为 设 UN为电网电压 自耦变压器的变比为k 自耦变压器副边电流 电网供给电动机的电流应是变压器原边电流 直接起动时的起动电流 自耦降压起动时的电流仅为直接起动时的 优点 使用时可根据允许的起动电流和负载特性所需要的最初起动转矩进行选配 缺点 同样要降低起动转矩 且线路比较复杂 使用的大型电器开关较多 而且自耦变压器的体积大 价格高 维修麻烦 不允许频繁起动 说明 对鼠笼式异步电动机 无论采用哪一种降压起动方法来减小最初起动电流 电动机的最初起动转矩也都会随之减小 绕线式异步电动机采用转子绕组串入附加电阻的方法来起动电机既可以降低起动电流Ist又可以增大起动转矩Tst 绕线式异步电动机的起动 转子电路串接电阻的机械特性 例13 2 3一台鼠笼式异步电动机 额定电压UN 380V 额定电流IN 20 1A 额定转矩TN 65 5N m最初起动转矩倍数为 问 为使最初起动转矩不小于额定转矩的0 8倍 若用自耦变压器降压起动 设自耦变压器配有73 64 55 三档抽头 应选哪一档 解 为使最初起动转矩不小于额定转矩的0 8倍 由于电动机的最初起动转矩 起动时应使电压降低到 为变压器变比的倒数 故为使最初起动转矩不小于额定转矩的0 8倍 且兼顾尽量减小最初起动电流 应选自耦变压器64 一档 3 三相异步电动机的制动 制动 对电动机采取强迫措施使其迅速停车 要求电动机产生的电磁转矩和转子的旋转方向相反 1 反接制动 改变异步电动机定子绕组上三相电源的相序 使定子绕组产生反向旋转的磁场 正转 反转 0 反接制动时 电动机不仅从电源吸收电能 还从电机转轴上吸收机械能 由拖动系统降速时释放出的动能转换而来 并将这两部分能量消耗在转子电路的电阻上 转换成热能散发除去 说明 反接制动时 转子与旋转磁场的相对转速接近转子转速的两倍 因此 制动电流大 制动力矩大 制动迅速 但是这种方法对设备冲击也大 通常仅用于10kW以下的小容量电动机 2 能耗制动 能耗制动就是在电动机脱离三相交流电源之后 定子绕组上加一个直流电压 即通入直流电流 利用转子感应电流与静止磁场的作用 在转速为零时切除直流电源 以达到制动的目的 能耗制动常用于需要准确停车的场合 异步电动机进入能耗制动后 电动机实际上已成为发电机 转子电路中的电阻就是它的负载 它将转轴上的机械能转换成电能消耗在转子电阻上 3 发电回馈制动 13 2 5三相异步电动机的铭牌数据 功率 电动机在铭牌规定条件下正常工作时转轴上输出的机械功率 称为额定功率或容量PN 单位为千瓦 kW 电压 电动机额定运行时 外加在定子绕组上的线电压UN 单位为伏 V 电流 电动机在额定电压下 转轴有额定功率输出时 定子绕组的线电流 单位为安 A 频率 电动机所接交流电源的频率 单位为赫兹 Hz 我国电网频率为50Hz 转速 电动机在额定电压和额定频率下 转轴有额定功率输出时 转子的额定转速 单位为转 分 r min 接法 指三相定子绕组接成三角形 D 还是星形Y 功率因数 指电动机额定运行时 定子相电压与相电流相位差的余弦 效率 指电机额定运行时 轴上输出功率PN与定子输入电功率P1N的比值 定子输入的电功率 标准编号 表示电机制造厂在设计这台电动机时所依据的技术文件 GB 为国家标准 温升 电机内的温度与环境温度之差 环境温度 海拔1000米以下 40 绝缘等级 指电机使用绝缘材料的等级 绝缘等级为H 最高容许工作温度180 绝缘等级为F 最高容许工作温度155 绝缘等级为B 最高容许工作温度130 绝缘等级为E 最高容许工作温度120 绝缘等级为A 最高容许工作温度105 绝缘材料的等级与电动机的容许温升有关 若电机的绝缘一直处于最高容许工作温度以下 一般来讲 可以保证20年的使用寿命 例如 A绝缘 若在90 95 使用寿命可达20年 但在95 以上 每升高8 10 使用寿命就减少一半 当在110 工作时 寿命仅有4 5年 电动机的绝缘如果损坏 运行中机壳就会带电 一旦机壳带电而电动机又没有良好的接地装置 当操作人员接触到机壳时 就会发生触电事故 因此 电动机的安装 使用一定要有接地保护 绝缘损坏还可造成电气短路烧坏电机等事故 按照电机功率大小和使用条件 电机有不同的冷却及防护装置 电机的结构形式 开启式 为最简单的结构 电机无专门的防护装置 只靠转子本身在旋转时带动的空气来冷却电机 防护式 一般中小型电机都采用防护式 在两端的端盖上开了进风口和出风口 在转轴上装有风扇 运转时 风扇把电机外的空气引入电机 空气经过一定的风路 冷却换向器 磁极线圈 电枢铁心及绕组 然后经过风扇从出风口打出电机外 在端盖的进出风口上都装着有孔的网罩 以防止外物进入电机 电机用在空气中含灰尘较多或带有腐蚀性气体的场所就做成封闭式结构 为了防止灰尘和有害气体进入电机 电机里外不通风 只靠电机的外表面的散热来冷却此时机壳外表面常带有肋状散热片以增加散热面积 大容量电机常常用管道式通风 用另外的风机对电机进行吹风循环 冷风由管道引向电机 又由管道将热风带走 这种管道式通风常应用在大型轧钢机上 封闭式 电机用在空气中含有爆炸性成分的场所如矿井中就做成隔爆式结构 这种电机的机壳有较强的机械强度 封闭得更严密 包括轴伸出处的轴封部分 以保证当电机内部逐渐积累的可燃气 因偶然的火花而引起爆炸时 能使此爆炸不致蔓延到电机外而引起严重事故 隔爆式 例 有一Y225M 4防护式鼠笼式异步电动机的技术数据如下 试求 1 额定电流IN 额定转矩TN 最初起动转矩Tst 最大转矩Tm 2 负载转矩TL TN时 电源电压为UN和0 9UN两种情况下 电动机能否起动 3 采用Y 降压起动 求最初起动电流Ist 最初起动转矩Tst 4 当TL TN和TL 0 5TN时 能否采用Y 降压起动 解 1 额定电流 最初起动转矩 N m 2 当U1 UN时 Tst TN 能起动 当U1 0 9UN时仍能起动 3 直接起动时 最初起动电流 A 4 当TL TN时 最初起动电流 不能采用Y 降压起动 当TL 0 5TN时 能采用Y 降压起动 13 3单相异步电动机 采用单相交流电