项目2交流异步电动机.ppt

项目2交流异步电动机的使用 电机与控制技术 学习目标 1 掌握三相交流异步电动机的结构与工作原理 理解交流电动机铭牌数据 并能对交流电动机进行拆装 2 掌握常用三相交流异步电动机的绕组结构与绕组连接 掌握三相异步电动机定子绕组首尾端的测定方法 3 掌握三相交流异步电动机的运行原理及运行特性 4 掌握三相交流异步电动机的起动方法及起动原理 5 掌握三相交流异步电动机的制动方法及制动原理 6 掌握三相交流异步电动机的调速方法与调速原理 7 掌握三相交流异步电动机的选用 使用与维护方法 8 掌握单相交流异步电动机的结构 工作原理 使用与维护方法 9 能够对三相 单相交流异步电动机进行故障检测与排除 任务二三相异步电动机的运行特性 任务一三相异步电动机的拆装 项目2交流异步电动机的使用 任务三三相异步电动机的启动与反转 任务四三相异步电动机的制动 任务五三相异步电动机的调速 第六节单相异步电动机的认知 第七节交流异步电动机的维护与检修 三相异步电动机的结构与铭牌 1 三相异步电动机的结构与铭牌 2 三相异步电动机的绕组概述 3 三相异步电动机的绕组首尾端测定 电动机 交流电动机 直流电动机 同步电动机异步电动机 概述 三相异步电动机和结构 发电机 把机械能转换为电能的电机 电动机 把电能转换为机械能的电机 电机 实现机械能与电能相互转换的旋转机械 三相异步电动机和结构 洗衣机 电冰箱 计算机 微波炉 玩具 打印机 电动机的用途 生产机械 家电 计算机 办公设备 汽车 坦克 一 三相异步电动机的结构 两部分组成 定子部分和转子部分 三相异步电动机的结构 一 定子 铁心 由内周有槽的硅钢片叠成桶状 槽内嵌放三组绕组 绕组与铁心绝缘 定子绕组 一般采用漆包线绕制 分三组分布在定子铁心槽内 机座 铸钢或铸铁 端盖 三相异步电动机的结构 组成 三相异步电动机和结构 定子 定子绕组彼此相隔120o 构成对称三相绕组 可联结成星形或三角形 三相异步电动机和结构 二 转子 铁心 由定子铁心冲片冲下的内圆硅钢片叠成 压装在转轴上 转子铁心与定子铁心之间有空气隙 共同组成磁路 转子绕组 嵌入转子铁心槽内 转轴 风扇 三相异步电动机和结构 组成 转子绕组 笼型 铁芯槽内放铜条 端部用短路环形成一体 或铸铝形成转子绕组外形象笼子 绕线型 分为三相 接成星形 尾端接在一起 首端分别接在转轴上的三个铜制滑环上 通过电刷与外电路的可变电阻器联接 用于启动或调速用于对启动和调速 要求高的场合 三相异步电动机和结构 三相异步电动机和结构 笼型转子 绕线型转子 15 三 气隙 三相异步电动机和结构 气隙是指异步电动机的定子铁芯內圆表面与转子铁芯外圆表面之间的间隙 异步电动机的气隙是均匀的 气隙大小对电动机的运行性能和参数影响较大 由于励磁电流由电网供给 气隙越大 磁路磁阻越大 励磁电流越大 而励磁电流属于无功电流 电动机的功率因数越低 效率越低 因此 异步电动机的气隙大小往往为机械条件所能允许达到的最小电流 气隙过小 装配困难 容易出现扫堂 中小型异步电动机的气隙一般为0 2 1 5mm左右 16 三相异步电动机的铭牌数据 17 每台电动机外壳上都有一块铭牌 上面记录着这台电动机的基本数据 如 三相异步电动机的铭牌数据 18 一 铭牌数据的含义 一 型号 磁极数 极对数p 2 Y160L 4 机座长度代号 L 长 M 中 S 短 机座中心高 160mm 笼型 三相异步电动机 三相异步电动机的铭牌数据 YR绕线型 19 二 电压 有的电动机铭牌标有两种电压值 电动机定子绕组上应加的线电压有效值 Y系列三相异步电动机的额定电压统一为380V 三 频率 所用交流电的频率 我国电力系统规定为50Hz 三相异步电动机的铭牌数据 例 380 220V Y 是指线电压为380V时采用Y联结 线电压为220V时采用 联结 20 五 电流 例 Y 6 73 11 64A表示星形联结下电机的线电流为6 73A 三角形联结下线电流为11 64A 两种接法下相电流均为6 73A 电动机在额定运行时定子绕组的线电流有效值 即额定电流 四 功率 电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2 又称额定容量 它不等于从电源吸取的电功率P1 三相异步电动机的铭牌数据 铭牌标有两种电压的电动机相应标有两种电流 21 六 接法 额定电压下 三相定子绕组的联接方法 通常 三相异步电动机的铭牌数据 22 七 工作方式 S1 连续工作 如水泵 机床等 S2 短时工作 工作时间短 停车时间长 如水坝闸门启闭 机床中尾架等 S3 断续工作 电动机运行与停车交替 如吊车 起重机等 八 绝缘等级 电机绝缘材料能够承受的极限温度等级 分为A E B F H C几个等级 三相异步电动机的铭牌数据 23 九 温升 允许电动机绕组温度高出周围环境温度的最大温差 例 铭牌标的温升75oC 环境温度40oC 允许的最高温度40oC 75oC 115oC 在选用电动机时 除了了解铭牌数据外 还要了解其它一些数据 可从产品手册和电工手册中查到 三相异步电动机的铭牌数据 24 例7 3 1 求Y 160L 4型电动机的额定转差率 额定转矩 启动转矩 最大转矩和输入功率 解 p 2 则 额定转差率 由手册查得Y160L 4的数据 三相异步电动机的铭牌数据 25 额定转矩 起动电流 起动转矩 最大转矩 输入功率 或 三相异步电动机的铭牌数据 26 三相异步电动机绕组概述 27 笼型异步电动机绕组包括定子绕组和转子绕组 其中 转子绕组为笼型绕组 它是若干根导条由端环在两端短接而成 定子绕组是一套三相对称绕组 它由绝缘导线绕制而成 并按一定规律嵌入定子铁心槽中 在异步电动机中 定子绕组与电源相接 运行时 它的各种参数随电动机运行状态不断变化 直接承受着各种不利运行状态的影响 故定子绕组的故障率远比转子绕组和电机其它部件高 笼型异步电动机定子绕组是分布绕组 即把绝缘导线绕成一个个的线圈 按一定规律嵌入定子槽内 再加以适当连接而成 28 定子绕组基本知识 1 线圈和绕组线圈是绕组的基本单元 是用绝缘导线在绕组模上按一定形状绕制而成 中小型异步电动机定子绕组一般由多匝绕成 多数为菱形线圈和弧形线圈 如图所示 菱形线圈常用于双层绕组 弧形线圈常用于单层绕组 线圈的两直角边分别嵌在定子槽内 直接参与电动机的电磁过程 称为线圈的 有效边 线圈在定子槽外的两端 起到连接两有效边 形成一个完整的线圈 称为线圈的 端接部分 29 绕组是由几个线圈串成的线圈组 异步电动机中最常见的绕组是极相线圈组 它是一个极下同一相的几个线圈串联成的一组线圈 2 基本要求 1 三相绕组对称 匝数形状对称 分布对称 通过的电流对称 2 力求获得最大的电动势和磁动势 3 绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦 4 节省用铜量 5 绕组的绝缘和机械强度可靠 散热条件好 6 工艺简单 便于制造 安装和检修 30 3 绕组的基本概念 1 磁极对数 电动机的主磁场在某一时刻沿气隙按N S N S 交替分布 一对磁极形成一个周期 如果沿气隙有个周期 则有对磁极 称磁极对数为 如 则电动机为4极电动机 2 极距 表示两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离 即一个磁极所占有的定子槽数 若定子的槽数为 则极距为 31 3 线圈节距 一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距 即线圈的两有效边之间相隔的定子槽数 y 叫做整 全 距绕组 线圈可以感应出最大电动势 y 叫做短距绕组 可以削弱部分高次谐波 减少端部导线及减少绕组电阻 降低铜耗 一般 双层绕组多采用此种节距 y 叫做长距绕组 4 每极每相槽数 每个磁极下面的导体平均分给各相 即每相绕组在每个磁极下所分到的定子槽数 又称相带宽度 每极每相所占定子槽数 式中m 相数 32 5 电角度 每个定子槽所对应的电角度 即相邻两个定子槽之间的电角度 也叫槽距角 6 相带 每一相绕组在每个磁极下面所占的范围 用电角度表示称为相带 33 2 几种常用绕组根据每个定子槽内放置的线圈的边数分 可分为单层绕组和双层绕组 单层绕组是指在每槽中只放一个有效边 电动机的线圈总数等于定子槽数的一半 单层绕组分为链式 交叉式和同心式绕组 单层绕组的优点是元件少 结构简单 嵌线方便 槽内无层间绝缘 单层绕组为整距绕组 所以广泛应用于10kW以下的异步电动机定子绕组 但该绕组的缺点是电动势和磁动势波形较差 起动性能较差 铁损和噪声较大 所以不适宜于大中型电动机 双层绕组是在每槽中用绝缘隔为上 下两层 嵌放不同线圈的各一个有效边 每个线圈的一个有效边位于某槽上层 它的另一个有效边则位于相距节距y的另一槽下层 这时 线圈的每个有效边都占1 2 线圈的个数与槽数相等 在以上两种绕组的基础上 发展出了一种单双层绕组 它是在有的槽内只设一个有效边 另一些槽内有上 下两个有效边 这种绕组兼有单 双层绕组的特点 34 1 单层绕组 1 单层链式绕组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 链式绕组的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极的小型三相异步电动机 24槽4极单层链式绕组该绕组的各项参数为 4 q 2 y 5 30 每相绕组线圈的连接为 尾接尾 头接头 即第一个线圈的尾接第二个线圈的头 以此类推 第四个线圈的头为该相绕组的尾U2 第一个线圈的头为该相绕组的头U1 24槽4极单层链式绕组的平面展开图 35 24槽4极链式绕组平面展开图 36 36槽6极单层链式绕组该种电动机的各项参数及各线圈的连接均与24槽4极单层链式绕组相同 只是多12个定子槽 每相绕组多两个线圈 第六个线圈的头为该相绕组的尾 这里不再多讲 请大家根据24槽4极单层链式绕组自行画出其平面展开图 37 2 单层同心式绕组同心式绕组由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 多适用于q 4的2极小型三相异步电动机 该电动机的转速较高 q 4的2极同心式绕组比较费铜 端部整形也困难 使用较少 24槽2极单层同心式绕组的参数为 12 q 4 y 11 9 15 该绕组线圈的连接为 第一个大线圈的尾接第一个小线圈的头 第一个小线圈的尾接第二个小线圈的尾 第二个小线圈的头接第二个大线圈的尾 第二个大线圈的头为该相绕组的尾U2 第一个大线圈的头为该相绕组的头U1 即所谓的 头接尾 尾接头 两个同心线圈组的连接为 尾接尾 24槽2极单层同心式绕组平面展开图 38 39 3 单层交叉式绕组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 36槽4极单层交叉式绕组的参数为 9 q 3 y 8 7 20 该绕组线圈的连接为 双线圈中大线圈的尾接双线圈中小线圈的头 双线圈中小线圈的尾作为双线圈的尾 第一个双线圈的尾接第一个单线圈的尾 第一个单线圈的头接后一个双线圈的头 第二个双线圈的连接与第一个双线圈的连接相同 第二个双线圈的尾接第二个单线圈的尾 第二个单线圈的头为该相绕组的尾U2 第一个双线圈的头为U1 即 尾接尾 头接头 36槽4极单层交叉式绕组平面展开图 40 41 2 三相双层绕组双层绕组是在每个槽内放上 下两层线圈的有效边 即线圈的一个有效边放在某一槽的上层 另一个有效边则放置在相隔为y的另一槽的下层 1 双层绕组的特点 线圈数等于槽数 线圈数组数等于极数 也等于最大并联支路数 每相绕组的电动势等于每条支路的电动势 2 双层绕组的优点 可组成较多的并联支路 所有线圈的形状和尺寸相同 便于实现机械化 可以选择最有利的节距 使电动势和磁动势波形更接近正弦波 端部排列整齐机械强度高 3 双层绕组的缺点 嵌线困难 用铜量大 42 43 三相交流异步电动机绕组首尾端测定 三相绕组首尾端接错 将造成电动机起动困难 转速低 振动大 响声大 三相电流严重不平衡 因此 电动机绕组重绕或维修后绕组重接都必须进行首尾端测定 避免出现新的故障或损坏电动机 44 1 万用表或微安表判别方法之一 1 首先用万用表电阻档判断出各相绕组的两个出线端 分清三相绕组各相的两个线头 并进行假设编号 按图2 13的方法接线 2 判断首尾端 注视万用表 微安档 或微安表指针摆动的方向 合上开关瞬间 若指针摆向大于0的一边 则接电池正极的线头与万用表 或微安表 负极所接的线头同为首端或尾端 如指针反向摆动 则接电池正极的线头与万用表 或微安表 正极所接的线头同为首端或尾端 3 再将电池和开关接另一相绕组的两个线头 进行测试 就可正确判别各相绕组的首尾端 45 46 2 万用表或微安表判别方法之二 1 首先用万用表电阻档判断出各相绕组的两个出线端 分清三相绕组各相的两个线头 并进行假设编号 假设编号为U1 U2 V1 V2和W1 W2 2 按图接线 判断首尾端 用手转动电动机转子 如万用表 微安档 指针不动 则证明假设的编号是正确的 若指针有偏转 说明其中有一相首尾端假设编号不对 应逐相对调重测 直至正确为止 指针不动首尾端假设正确指针摆动首尾端假设错误 47 3 36V低压交流电源法 1 首先用万用表电阻档判断出各相绕组的两个出线端 分清三相绕组各相的两个线头 并进行假设编号 假设编号为U1 U2 V1 V2和W1 W2 2 按图接线 把其中任意两相绕组串联后再与电压表或万用表的交流电压档连接 也可用灯泡替代电压表或万用表 第三相绕组与36V低压交流电源接通 3 判断首尾端 通电后 若电压表无读数 或灯不亮 说明连在一起的两个线头同为首端或尾端 电压表有读数 或灯亮 说明连在一起的两个线头中一个是首端 另一个是尾端 任定一端为已知首端 同法可测定第三相的首尾端 48 a 有读数 b 无读数 三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机是利用定子绕组中产生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用而工作的 一 定子的旋转磁场 每相一头一尾 共6个头 三相绕组相隔120o 单线圈 星形联接 三相交流电源 三相异步电动机的工作原理 规定U1 V1 W1为头 U2 V2 W2为尾 流入 流出 首端U1 V1 W1接三相电源L1 L2 L3 相序为1 2 3 三相对称电流i1 i2 i3流入定子绕组 相位互差120o 三相异步电动机的工作原理 o 三相交流电在定子铁心内部空间产生的合成磁场 三相异步电动机的工作原理 t 0时 i1 0 U1U2中无电流 i2为负 方向为由V2流入 从V1流出 i3为正 方向为从W1流入 从W2流出 三相电流产生N极在上S极在下的合成磁场 i1 0无磁场 i2 为负尾入V2 头出V1 i3 为正头入W1 尾出W2 右手定则判断合成磁场 从波形看电流流向 电磁感应 条件 导体做切割磁力线运动 电磁感应现象 一定条件下磁场可产生电流 产生感应电流的方法 1 磁场恒定 导体相对磁场作切割磁力线运动 2 线圈不动 磁场发生变化 让带磁性的物体相对线圈运动 动磁生电 回忆 回忆 电磁感应 右手定则 伸开右手掌掌心迎磁场姆指运动向四指电势向 方向的判定 右手定则 大小的判定 e BlVsin o 三相交流电在定子铁心内部空间产生的合成磁场 三相异步电动机的工作原理 t 2 3时 i2 0 V1V2中无电流 i3为负 方向为由W2流入 从W1流出 i3为正 方向为从W1流入 从W2流出 合成磁场顺时针旋转120o o 三相交流电在定子铁心内部空间产生的合成磁场 三相异步电动机的工作原理 t 4 3时 i3 0 W1W2中无电流 i1为负 方向为由U2流入 从U1流出 i2为正 方向为从V1流入 从V2流出 合成磁场又顺时针旋转120o o 三相交流电在定子铁心内部空间产生的合成磁场 三相异步电动机的工作原理 t 2 时 合成磁场又顺时针旋转120o 与 t 0时完全一样 综上所述 在定子的三个空间上互差120o的线圈中分别通入在相位上互差120o的三相交流电时 能产生一个合成的旋转磁场 三相异步电动机的工作原理 旋转磁场方向反向旋转 上述定子每相只有一个绕组 放在定子铁心的6个槽内 形成一对N S磁极 二极 的旋转磁场 记为P 1 若定子每相绕组由两个线圈串联 分别放入12个槽内 则将形成两对磁极 四极 的旋转磁场 P 2 绕组的始端之间互差60 电流变化一周 磁极旋转半个周期 三相异步电动机的工作原理 P 2 三相异步电动机的工作原理 定子绕组采取不同的接法 可获得3对 6极 4对 8极 5对 10极 等不同极对数的旋转磁场 同步转速 n1 1 电流频率 p 旋转磁场极对数 例如 对于50Hz的工频电 f1 50r min若P 1 则转速n1 60f1 60 50 3000r min若P 2 则转速n1 60f1 2 60 50 2 1500r min f1 50Hz时的同步转速 极对数越多旋转越慢 二 转子的转动 三相异步电动机的工作原理 定子绕组 转子绕组 分析转子中两根导线 空隙 定子电流产生的磁场以同步转速n1按顺时针方向旋转 相当于静止的转子逆时针方向切割磁力线 产生感应电动势和感应电流 转子电流I2 通有电流I2的转子导体与定子磁场相互作用 转子导体受到电磁力F的作用 F对转轴形成电磁转矩T 转子转速n顺着旋转磁场的方向转动 转子转动方向与旋转磁场的方向一致 大小不一 三相异步电动机的工作原理 I2 由右手定则判断感应电流I2方向 由左手定则判断电磁力F的方向 回忆 磁场对通电直导体的作用力 方向的判定 左手定则 左手定则 伸开左手掌掌心迎磁场四指指电流姆指力方向 转子的转速n n n1 永远不可能达到n n1 因为 若n n1 则磁力线不能切割转子导体 则转子电动势 转子电流及电磁力矩不存在 转子不能继续以n1转动 因此 称为 异步 电动机 转子电流是由电磁感应产生 所以又称 感应 电动机 三相异步电动机工作原理 三 转差率 转速差 同步转速n1与转子转速n之差 转差率 转速差与同步转速的比值 用s表示 s是分析异步电动机运行情况的一个重要参数 1 启动时 n 0 s 1 转差率最大 2 稳定运行时 n接近n1 s很小 3 额定运行时 s约为0 01 0 08 5 若n n1 则s 0 称为理想空载状态 实际运行中不存在 三相异步电动机的工作原理 4 空载时 s约为0 005以下 例7 1 1 一台三相异步电动机的额定转速nN 1460r min 电源频率f 50Hz 求该电动机的同步转速 磁极对数和额定运行时的转差率 解 由于额定转速小于且接近同步转速 查表 可知与1460r min最接近的的同步转速为n1 1500r min 对应的磁极对数为p 2 额定运行时的转差率 三相异步电动机的工作原理 四 电动势和电流 电动机定子电路中的电动势 电流和转子电路中的电动势 电流与变压器类似 电动机 变压器 定子电路与转子电路由磁路连接 一次绕组与二次绕组由磁路连接 三相异步电动机的工作原理 1 定子电路的电动势E1 每相定子绕组电动势的有效值 E1 4 44K1N1f1 K1 绕组系数 稍小于1 N1 每相定子绕组匝数 f1 定子外接电源频率 旋转磁场每极磁通 为磁通最大值 m 忽略定子绕组的电阻和漏磁通 则 U1 E1 4 44K1N1f1 外加电压不变 定子电路的感应电动势基本不变 旋转磁场每极磁通 也基本不变 三相异步电动机的工作原理 2 转子电路的电动势E2 转子静止不动时 n 0 s 1 转子电路相当于变压器的二次绕组 转子绕组产生的感应电动势频率f2等于定子外接电源频率f1 有效值为 E20 4 44K2N2f1 K2 转子绕组系数 稍小于1 N1 每相转子绕组匝数 开始运转时 n升高 转速差 n1 n 减小 转差率s减小 转子中感应电动势频率f2降低 三相异步电动机的工作原理 转子绕组中的感应电动势随之减小 E2 4 44K2N2sf1 sE20 启动 s 1 f2 f1 50Hz 转子电动势E20较高 额定运行 s 0 01 0 08 f2 0 5 0 4 转子电流的频率很低 转子电动势很低 可见 转子电动势的有效值和频率都与转差率s有关 三相异步电动机的工作原理 转子电路除了有电阻R2 还存在漏磁电感L2 则相应的漏磁感抗X2为 设n 0时 感抗为X20 则 则转子电流为 转子电路电流I2随转差率s的增大而增大 s 1时 即转子静止时 I2最大 三相异步电动机的工作原理 3 转子电路电流I2和功率因数cos2 由于电路中存在感抗 因此I2与E2存在相位差 2 则功率因数为 转子电路的功率因数随转差率s的增大而减小 s 1时 功率因数最低 三相异步电动机的工作原理 4 定子电路电流I1 与变压器的电流变换原理相似 定子电流与转子电流关系如下 或 Ki 电流变换系数 与定子绕组和转子绕组的匝数及结构有关 I1随s增大而增大 空载 s 0 I2很小 I1也很小 加载 s增大 I2增大 I1也增大 负载过大 电动机停转 又称堵转 n 0 s 1 I2和I1达到最大值 三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机的特性 一 转矩特性 二 机械特性 三 运行特性 75 三相异步电动机的特性 转矩特性电磁转矩对三相异步电动机的拖动性能起着极其重要的作用 直接影响着电动机的起动 调速 制动等性能 三相异步电动机的转矩特性就是指转速n与电磁转矩Tem之间的关系 一 转矩特性 异步电动机的电磁转矩由定子绕组产生的旋转磁场与转子绕组的感应电流相互作用而产生 三相异步电动机的特性 转子电流 旋转磁场每极磁通 与电动机结构有关的常数 磁场越强 转子电流越大 电磁转矩越大 则电磁转矩的另一个表达式 K 比例常数 s 转差率 U1 加在定子每相绕组上的电压 X20 转子静止时每相绕组的感抗 一般为常数 R2 每相转子绕组的电阻 U1和R2是影响电动机机械特性的两个重要因素 可人为改变其参数 三相异步电动机的特性 转矩特性曲线T f s 表示电源电压U1和转子电阻R2一定时 电磁转矩T与转差率s的关系 转矩特性曲线 1 s 0 即n n1时 T 0 理想空载运行 三相异步电动机的特性 临界转矩 临界转差率 2 0 s sm T随s增大而增大 I2增加快 cos减小慢 3 s sm T随s增大而减小 I2增加慢 cos减小快 二 机械特性 机械特性曲线n f T 表示电源电压U1一定时 转速n与电磁转矩T的关系 固有机械特性 额定转矩 起动转矩 最大转矩 三相异步电动机的特性 转矩特性曲线 机械特性曲线 重点掌握机械特性曲线上的两个区域和三个重要转矩 两个区域 稳定区 不稳定区 三个转矩 额定转矩TN 最大转矩Tm 起动转矩Tst 三相异步电动机的特性 一 稳定区和不稳定区 以最大转矩Tm为界划分 1 工作于稳定区 电磁转矩与负载转矩平衡T TL Ta 电动机以转速na匀速运行于a点 若TL由Ta增大到Tb T TL n T TL 稳定运行于b点 硬特性 负载变化时 转速变化不大 运行特性好 T 三相异步电动机的特性 不稳定区 稳定区 2 工作于不稳定区 TL n T n 停转 堵转 TL n T 进入稳定区 缺点 电动机工作于不稳定区 电磁转矩不能自动适应负载转矩变化 不能稳定运行 三相异步电动机的特性 不稳定区 二 三个重要转矩 1 额定转矩TN 施加额定电压 以额定转速运行 输出额定功率时 轴上输出的转矩 由转轴功率P T 得 单位 rad s PN kWn r min TN N m 电动机应工作于额定工作点 允许短期过载运行 三相异步电动机的特性 额定工作点 2 最大转矩Tm 电动机能够提供的极限转矩 转子轴上机械负载转矩T2不能大于Tm 否则将造成堵转 停车 堵转时电流一般为额定电流的4 7倍 时间过长 可能会将电机烧毁 因此应避免堵转 允许电机瞬间过载能力的参数 一般三相异步电动机的过载系数为 1 8 2 2 三相异步电动机的特性 最大转矩 3 起动转矩Tst 接通电源起动瞬间n 0 s 1时的转矩 Tst TL 电动机不能起动 与堵转情况相同 应立即切断电源 Tst TL 电动机的工作点沿机械特性曲线从底部很快进入稳定区 表示起动能力的参数 一般三相笼型异步电动机 st 0 8 2 2 绕线型电动机可显著提高起动能力 三相异步电动机的特性 起动转矩 三相异步电动机的特性 例7 2 1 已知两台异步电动机的额定功率都是5 5kW 其中一台额定转速为2900r min 过载系数2 2 另一台额定转速960r min 过载系数2 0 求它们的额定转矩和最大转矩 解 第一台电动机额定转矩 最大转矩 第二台电动机额定转矩 最大转矩 功率相同 转速低的转矩大 三 影响机械特性的两个重要因素U1和R2 人为机械特性 1 R2一定 同一转速n s T与U1的平方成正比 电磁转矩公式 75 UN 50 UN U1 机械特性左移 最大转矩和起动转矩下降 三相异步电动机的特性 UN 2 U1一定 转子电路R2对机械特性的影响 R2 则Tst 但Tm不变 有可能达到Tst Tm R2 R2 R2 R2 斜率增大 电动机的机械特性变软 三相异步电动机的特性 绕线型异步电动机可以采用加大转子电路电阻的办法来增大起动转矩 三 运行特性 在U1和f1为额定值时 定子电流 定子电路的功率因数 电动机效率与电动机输出机械功率之间的关系 用3条曲线表示 一 I1 f P2 曲线 I1随P2的增大而增大 原理类似于变压器 但空载电流I10比变压器大得多 约为额定电流的20 40 三相异步电动机的特性 I10 空载时功率因数很低 约为0 2 加载后功率因数提高 一般为0 7 0 9 三相异步电动机的特性 I10 0 8 二 f P2 曲线 三 f P2 曲线 空载 P2 0 则 0 加负载 P2 快速 之后PCu迅速 则 max 80 90 三相异步电动机的特性 0 8 归纳 三相异步电动机的特性 三相异步电动机在其额定负载70 100 时运行 其功率和效率都比较高 因此应使它尽量运行在满载或接近满载的状态 尽量避免轻载或空载运行的时间 三相异步电动机的使用 一 起动 二 调速 三 制动 94 三相异步电动机的启动 异步电动机投入运行的第一步 就是要使静止的转子转动起来 三相异步电动机的起动就是把电动机定子绕组与电源接通 使电动机的转子转速从零开始到稳定运行为止的这一过程 生产中 异步电动机要经常起动 停车 制动 因此它的起动性能对生产有着直接的影响 衡量异步电动机起动性能的好坏要从起动电流 起动转矩 起动过程的平滑性 起动时间及经济性等方面来考虑 其中最主要的是 1 电动机应有足够大的起动转矩 2 在保证一定大小的起动转矩的前提下 起动电流越小越好 95 1 起动电流 电动机起动时的瞬间电流叫起动电流 异步电动机在起动的最初瞬间 n 0 s 1 旋转磁场与转子的相对转速最大 因而转子的感应电动势最大 假定额定转差率为sN 0 05 那么刚起动时转子的电动势可从式 2 12 E2 sNE20求出这说明 刚起动时的感应电动势是额定转速时转子电动势的20倍 这样大的电动势加在闭合的转子绕组上 将产生一个很大的电流I2Q 即实际上I2Q达不到转子额定电流的20倍 这是因为刚起动时 转子电流的频率f2 f1 这时转子的感抗也达到最大值X20 起动时转子电流达到最大值 这样大的转子电流反映到定子绕组 定子电流随转子电流改变而相应变化 所以起动时定子电流也达到最大值 一般电动机的起动电流可达额定电流值的4 7倍 起动电流与额定电流之比IQ IN称为起动电流倍数 是表示电动机起动性能的重要指标之一 96 2 起动转矩 由转矩T KT I2cos 2的关系可知 笼型异步电动机的起动电流虽大 但由于起动时定子绕组阻抗压降变大 电源电压为定值 则感应电动势将减小 主磁通 m将减小 转子电路的功率因数很低 故起动转矩并不大 一般起动系数只有0 8 2 如果起动转矩过小 则带负载起动就很困难 即使可以起动 但势必造成起动过程过长 使电动机发热 可见 这样大的起动电流 一方面使电源和线路上产生很大的压降 影响其他用电设备的正常运行 使电灯亮度减弱 电动机的转速下降 欠电压继电保护装置动作而将正在运行的电气设备断电等 另一方面电流很大对频繁起动的电动机 引起电动机发热 故常采取一些措施来减小起动电流 增大起动转矩 从以上分析可以看出 要限制起动电流 可以采取降压或增大电动机参数的起动方法 为了增大起动转矩 可适当加大转子的电阻 下面将介绍三相异步电动机几种常用的起动方法 一 起动 起动问题 为额定电流的4 7倍 起动转矩小 转子感 三相异步电动机的使用 起动电流大 n 0 s 1 转子导体切割磁力线速度很大 已知T KT I2cos 由于功率因数很低 所以起动转矩很低 起动系数约为0 8 2 把电动机定子绕组与电源接通 使转子由静止加速到以一定转速稳定运行 后果 要采取措施减小起动电流 增大起动转矩 三相异步电动机的使用 起动方法 直接起动 降压起动 自耦降压起动 Y 换接起动 软起动 绕线型电动机的起动 一 直接起动 将额定电压直接加到定子绕组上使电动机起动 优点 设备简单 操作方便 起动过程短 但需电网容量允许 1 查阅电力部门的规定 判断一台电动机是否可以直接起动 2 满足经验公式 容量小于4kW的三相异步电动机可直接起动 三相异步电动机的使用 熔断器 100 例题2 2有一台22kW笼型三相异步电动机 其起动电流是额定电流的6倍 问接在容量为150kVA的变压器上能否直接起动 变压器容量多少时可以直接起动 是电动机额定功率的多少倍 解 根据 2 45所以不能直接起动 时 可以直接起动 倍 约占变压器容量的5 二 降压起动 在起动时 适当降低定子绕组上的电压 待稳定运行时 再将电压恢复到额定值 目前常用的3种降压起动方法 1 Y 换接起动 起动 闭合电源开关QS Q扳到起动位置 Y 所加电压为额定值的1 3 稳定 Q扳到运行位置 电动机正常运行 三相异步电动机的使用 可见 换接起动时的电流为直接起动时的1 3 由于T U I2 所以起动转矩为直接起动的1 3 设 电机每相阻抗为 Y 换接起动的优缺点 优点 设备简单 工作可靠 缺点 只适用于正常工作时 联结的电动机 容量在4kW以上的三相异步电动机均设计成 接法 三相异步电动机的使用 2 自耦降压起动 用自耦变压器起动 自耦变压器接成Y型 起动 Q扳到起动位置 电源通过变压器接到定子绕组 稳定 Q扳到运行位置 定子绕组直接与电源相联 定子电压降为直接起动的1 K 起动转矩降为直接起动的1 K2 K为变压比 优点 起动电压可根据需要选择 缺点 只适合于功率较大和不能采用Y 起动的场合 三相异步电动机的使用 起动补偿器 3 软起动 通过软起动器使电压从某一较低值逐渐上升至额定值 起动后再用KM使电动机正常运行 电磁开关 软起动器 一种晶闸管调压装置 优点 上升时间可调 电磁转矩变化平稳 具有节能和保护功能 广泛应用于水泵 压缩机 传送带等设备中 三相异步电动机的使用 不同起动方法比较 三相异步电动机的使用 软起动 斜坡曲线和上升时间可调 电磁转矩变化平稳 还具有节能和保护功能 三 绕线型电动机的起动 起动 将起动变阻器调最大 接通电源后 随着转子转速升高逐渐减小电阻 三相异步电动机的使用 稳定 转速接近额定值时 把变阻器短接 电动机进入正常运行 转子绕组 定子绕组 电刷滑环 起动电阻 方法一 转子加电阻的方法 起动时 在转子电路中增加电阻 转子电流I2 定子电流I1 R2 R 2 R2 R2 Tst R2选得适当 转子电路串电阻起动既可以降低起动电流 又可以增加起动转矩 常用于起动频繁 要求起动转矩较大的生产机械上 三相异步电动机的使用 108 转子串频敏变阻器起动频敏变阻器是用厚钢板做铁心的三相电抗器 它是一个三相铁心线圈 通常接成星形 其铁心不用硅钢片而用厚钢板叠成 铁心中产生涡流损耗和一部分磁滞损耗 铁心损耗相当于一个等值电阻 其线圈又是一个电抗 故电阻和电抗都随频率变化而变化 故称频敏变阻器 它与绕线转子异步电动机的转子绕组相接 起动时 s 1 f2 f1 50Hz 这时频敏变阻器的铁心损耗大 等效电阻大 即限制了起动电流 增大起动转矩 又提高了转子回路的功率因数 随着转速n升高 s下降 f2减小 铁心损耗和等效电阻也随之减小 相当于逐渐切除转子电路所串的电阻 起动结束时 n nN f2 sN f1 1 3 Hz 就可以切除频敏变阻器 三相异步电动机的使用 方法二 采用频敏变阻器起动 频敏变阻器 频敏变阻器 用厚钢板做铁心的三相电抗器 当转子电流频率变化时 在铁心中产生涡流 铁心发热耗能 效果相当于电阻的作用 电阻和线圈本身电感随转子频率的降低而自动减小 起动后需切除频敏变阻器 例7 4 1 Y280S 4笼型异步电动机的额定功率为75kW 额定转速1480r min 起动系数Tst TN 1 9 负载转矩200N m 电动机由额定容量为320kVA 输出电压380V的三相电力变压器供电 求 1 电动机能否直接起动 2 电动机能否用Y 换接起动 3 如采用有40 60 80 的三个抽头的起动补偿器起动 应选用哪个抽头 解 1 电动机额定功率占变压器容量比值 三相异步电动机的使用 查资料得笼型异步电动机直接起动的参考数据 所以不能直接起动 2 额定转矩 起动转矩 若采用Y 换接起动 则起动转矩 可以采用 三相异步电动机的使用 3 用40 60 80 抽头降压 起动转矩分别为 采用40 的抽头不能起动 采用80 的抽头起动电流较大 应采用60 的抽头 三相异步电动机的使用 113 三相异步电动机的反转 实现三相异步电动机反转的方法有多种 但无论采用哪一种方法 其原理都是调换两根电动机与电源的连接线 使电动机定子绕组产生反转磁场 从而使转子产生反转力矩 实现电动机的反转 产生反转磁场的方法在学习任务2的旋转磁场一节中已经讲过 常见的实现电动机反转的方法主要有两种 一种是直接改变电源的两根接线 使其产生反转磁场 实现电动机的反转 另一种方法是通过电气控制器件 根据实际需要实现电动机的正转和反转 一种是通过按钮和交流接触器实现电动机正转和反转的控制电路 将在项目5学习任务2中做详细的介绍 另一种是由倒顺开关完成的实现电动机正转和反转的控制电路 该电路在建筑工地的升降机 食堂的和面机中应用较多 当倒顺开关旋到正转位置时电动机完成正转 倒顺开关旋到倒转位置时 通过开关内的线路连接 改变了两根电源接线 则电动机实现反转 这种电路结构简单 成本低 但电机冲击较大 114 双重联锁正反转控制电路 115 异步电动机的其它起动方法 除以上介绍的几种常用起动方法外 还由其它几种起动方法 1 定子串接电抗器或电阻的降压起动方法 起动时 将电抗器或电阻接入定子电路 起动后 切除电抗器或电阻 进入正常运行 三相异步电动机定子边串入电抗器或电阻起动时 定子绕组实际所加电压降低 从而减小起动电流 但定子边串电抗器 功率因数降低 起动时 串电阻起动时 能耗较大 功率损耗较大 热量 实际应用不多 在电动机运行原理与特性一节中已作过介绍 116 延边三角形起动 延边三角形降压起动介于自耦调压器起动与Y 起动方法之间 方法 每相定子绕组都连接为两个绕组 起动时 每相绕组的一个绕组接成 形 另一个绕组接 形的三个结点 使三角形的边长向外延伸 所以称为延边三角形 从外形看 又像Y形连接 实际上 中间为三角形连接 外围为星形连接 由于部分绕组采用了Y形连接 从而降低了起动电压 减小了起动电流 起动后 自动将每相的两个绕组线圈串联 接成 形连接 进入正常运行 延边三角形可采用不同的抽头比 来满足不同负载特性的要求 延边三角形起动的优点是节省金属 质量轻 缺点是内部接线复杂 笼型异步电动机除了可在定子绕组上想办法减压起动外 还可以通过改变转子的电阻参数来改善起动性能 这类电动机主要有深槽式和双笼式 117 三 制动 采取措施使电动机迅速停机 制动方法 机械制动 利用电磁抱闸实现 电气制动 利用反向电磁转矩 能耗制动反接制动 机械制动 起动时 电磁抱闸线圈同时通电 电磁铁吸合 使抱闸打开 断电时 抱闸线圈同时断电 在弹簧作用下 抱闸把转子紧紧抱住 实现制动 三相异步电动机的使用 118 一 能耗制动 切断电源后 把转子及拖动系统的动能转换为电能在转子电路中以热能形式迅速消耗掉的制动方法 三相异步电动机的使用 119 停机时 QS从 运行 合向 制动 V W绕组通直流电 可判定转子电流与固定磁场相互作用产生的电磁转矩为逆时针 称制动转矩 电动机停转后 制动转矩消失 三相异步电动机的使用 优点 制动平稳 消耗电能少 缺点 需直流电 120 二 反接制动 改变电动机三相电流的相序 使电动机的旋转磁场反转的方法 三相异步电动机的使用 优点 简单 停机迅速 缺点 机械冲击和耗能大 接电源3根导线对调2根 转速接近零时切断电源 121 回馈制动发生在电动机的转速n超过旋转磁场的同步转速n1的时候 如当起重机下放重物时 重物拖动转子 或多速电动机由高速向低速转换过程 如变极调速电动机 刚将磁极对数p加倍时 磁场转速立即减半 但由于惯性 转子的转速只能逐渐下降 出现转子转速超过同步转速的状态 即n n1 此时转子绕组切割定子旋转磁场方向与原电动状态相反 则转子绕组感应电动势和电流方向也随之相反 电磁转矩方向也反了 即由转向相同变为转向相反 成为制动力矩 转子电路中感应电动势 电流和转矩的方向都发生了变化 转矩方向与转子转向相反 成为制动转矩 使重物受到制动而匀速下降 此时电动机将机械能转变为电能馈送电网 所以称回馈制动 实际上这时的电动机已转入发电机运行状态 三 回馈制动 二 调速 负载不变的情况下 人为地改变电动机转速 三种方法调速 改变磁极对数p 改变电源频率f1 改变转差率s 三相异步电动机的使用 一 变极调速 P 2 改变定子绕组接线 可以改变极对数 从而改变转速 三相绕组中的U相绕组中的两个绕组串联 三相异步电动机的使用 P 1 三相绕组中的U相绕组中的两个绕组并联 缺点 由于p只能成倍变化 因此不能实现平滑无极调速 只用在对调速性能要求不高的场合 如铣床 镗床 磨床等机床 优点 简单 经济 三相异步电动机的使用 二 变频调速 改变电源频率 可以得到平滑的调速 变频调速 要保证T不变 需磁通量不变 因为 m U 4 44f N所以 需保证U f比值不变 专用变频设备 晶闸管变频器 优点 实现无级平滑调速 机械特性硬度基本不变 因而正获得越来越广泛的应用 三相异步电动机的使用 交流 交流 直流 三 变转差率调速 转子电路中串入调速电阻 通常只用于绕线型电动机 设负载转矩TL 转子电路电阻为Ra 运行于a点 转速na 若TL不变 将Ra增大为Rb 工作点移至b点 转速nb 实现调速 优点 方法简单 调速平滑 缺点 能耗较大 使机械特性变软 三相异步电动机的使用 Ra Rb Ra 单相异步电动机 一 电容分相式电动机 二 罩极式电动机 1 定义 主要应用于电动工具 洗衣机 电冰箱 空调 电风扇等小功率电器中 与三相异步电动机相仿 转子一般是笼型的 单相异步电动机 概述 使用单相交流电源的异步电动机 2 用途 3 工作原理 定子绕组通入的是单相交流电 产生的是空间位置不变 大小和方向随时间做正弦变化的脉动磁场 由于脉动磁场不能旋转 电动机不能起动 单相异步电动机 4 特点 常用方法 电容分相式和罩极式两种 必须采取措施 再产生一个与此脉动磁场频率相同 相位不同 在空间相差一个角度的另一个脉动磁场与其合成 一 电容分相式电动机 iU U1 U2 V1 V2 iV C u C的作用 iU滞后iV接近90 即把单相交流电变为两相交流电 产生两个脉动磁场 单相异步电动机 C与V绕组串联后与U绕组并联在电源上 两个脉动磁场合成一个旋转磁场 单相异步电动机 2 转子启动后 转速上升到一定数值 利用离心开关将分相电容从电路中断开 脉动磁场产生的脉动转矩能使转子继续转动 电容分相式电动机的运行过程 1 在旋转磁场作用下 转子顺着一个方向启动 电容分相式电动机也可反向运行 正转 开关S向上扳 C与V绕组串联 反转 开关S向下扳 C与U绕组串联 洗衣机中的电动机即为此原理 单相异步电动机 二 罩极式电动机 定子绕组 鼠笼式转子 单相异步电动机 短路环 定子作成凸极式 极面上开小槽 嵌入短路铜环 罩住部分磁极 单相异步电动机 电流i流过定子绕组产生磁通 1 同时另一部分磁通与短路环作用生成磁通 2 由于短路环中感应电流的阻碍作用 使 2在相位上滞后 1 这样两个时间上有相位差 空间上相隔一定角度的脉动磁场 使转子继续转动 定子绕组 鼠笼式转子 短路环 单相异步电动机能在单相交流电源上使用 但效率 功率因数和过载能力都较低 因此目前只生产1KW以下的小容量单相异步电动机 优点 结构简单 缺点 起动转矩较小 正反转不能用开关控制 常用于电风扇 吹风机中 单相异步电动机 136 异步电动机的选择 一 类型的选择 二 容量 额定功率 的选择 三 额定电压的选择 四 额定转速的选择 五 结构的选择 137 一 类型的选择 异步电动机 笼型 结构简单 价格便宜 维护方便 没有特殊要求 尽量选用笼型 例如 水泵 风机 运输机 压缩机等 线饶型 起动转矩大 起动电流小 可平滑调速 但结构复杂 价格高 使用维护不便 用于起动负载大和有一定调速要求的场合 例如 起重机 卷扬机 轧钢机 锻压机等 异步电动机的选择 138 单相异步电动机 用于只有单相交流电源或需小功率的场合 需正反转 电容分相式 单方向转动 罩极式 例如 家用电器 医疗器械 特种异步电动机 直接带动低速机械工作 力矩电动机 作为执行元件驱动控制对象 伺服电动机 带动机械做直线运动 直线电动机 用于特殊要求的场合 异步电动机的选择 139 二 容量 额定功率 的选择 功率选得过大不经济 功率选得过小电动机容易因过载而损坏 应按电动机的三种工作方式选择电动机频率 连续 短时和断续 一 连续工作制 S1 所选功率为 PL 生产机械的负载功率 1 生产机械本身的效率 2 电动机与生产机械之间的传动效率直接连接 2 1 皮带传动 2 0 95 异步电动机的选择 140 二 短时工作制 S2 所选功率为 PL 生产机械的负载功率 1 生产机械本身的效率 2 电动机与生产机械之间的传动效率 Tm TN 电动机的过载系数 异步电动机的选择 当电动机在恒定负载下按给定运行时间而未达热稳定时即行停机 使电动机再度冷却的工作方式 141 三 断续工作制 S3 运行的每一周期包括一段恒定运行时间t1和一段停歇时间t2 工作时间t1与工作周期T t1 t2的比值称为负载持续率 我国的标准持续率有15 25 40 和60 专门的电动机为YZ和YZR系列 同一型号电动机 负载持续率越小 其额定功率越大 实际上 电动机所带负载是经常变化的 用计算方法难以确定电动机的功率 实际上常采用类比法 通过调查研究进行选择 异步电动机的选择 一种周期重复短时运行的方式 142 三 额定电压的选择 三相电动机都选用额定电压380V 单相电动机选