《机电设备电气控制技术》-项目二

任务一认识三相异步电动机学习目标：了解三相异步电动机的特点和用途；熟悉三相异步电动机的结构；知道三相异步电动机铭牌；掌握三相异步电动机的工作原理。技能要点：三相异步电动机的基本操作。交流电机分为同步电机和异步电机两大类。同步电机的转子转速与电源频率之间有着严格不变的关系，不随负载大小变化。异步电机的转子转速将随负载的变化而变化，转子转速与电源频率之间没有严格的比例关系。异步电机主要用作电动机，由于异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低廉，效率较高等优点而广泛应用于工农业生产、日常生活中。下一页返回任务一认识三相异步电动机

一、三相异步电动机的结构异步电动机由两个基本部分组成：定子（固定部分）和转子（旋转部分）。按转子结构的不同，三相异步电动机分为笼型和绕线转子异步电动机两大类。笼型异步电动机由于结构简单、价格低廉、工作可靠、维护方便，已成为生产上应用最广泛的一种电动机。绕线转子异步电动机由于结构较复杂、价格较高，一般只用在对调速和启动性能要求较高的场合，如桥式起重机上。笼型和绕线转子异步电动机的定子结构基本相同，所不同的只是转子部分。图２－１所示为三相笼型异步电动机的结构图。上一页下一页返回任务一认识三相异步电动机

１.定子三相异步电动机的定子由机座、定子铁芯及定子绕组组成。机座一般由铸铁制成，如图２－２所示。定子铁芯是由冲有槽的硅钢片叠成，片与片之间涂有绝缘漆，定子铁芯冲片如图２－３所示。三相绕组是用绝缘铜线或铝线绕制成三相对称的绕组，按一定的规则连接嵌放在定子槽中。按国家标准，三相绕组始端标以Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１，末端标以Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２，这六个接线端引出至接线盒。三相定子绕组可以接成星形或三角形，但必须视电源电压和绕组额定电压的情况而定。上一页下一页返回任务一认识三相异步电动机

一般电源电压为３８０Ｖ（指线电压），如果电动机定子各相绕组的额定电压是２２０Ｖ，则定子绕组必须接成星形；如果电动机各相绕组的额定电压为３８０Ｖ，则应将定子绕组接成三角形。２.转子转子部分是由转子铁芯和转子绕组组成的。转子铁芯也是由相互绝缘的硅钢片叠成的。转子铁芯冲片如图２－４所示。铁芯外圆冲有槽，槽内安装转子绕组。根据转子绕组结构的不同可分为两种形式：笼型转子和绕线型转子。上一页下一页返回任务一认识三相异步电动机

二、铭牌每台异步电动机的机座上都有一个铭牌，它标记着电动机的型号、各种额定值和联结方法等，如图２－７所示。电动机按铭牌上所规定的额定值和工作条件运行，称作额定运行状态。铭牌上的额定值及有关数据是正确选择、使用和检修电机的依据。三、三相异步电动机的工作原理１.旋转磁场１）旋转磁场的产生图２－９所示为三相异步电动机的定子绕组结构示意图。上一页下一页返回任务一认识三相异步电动机

当三相对称的定子绕组外接三相对称的交流电源时，在三相绕组中将流过三相对称的电流，设三相对称交流电流ｉＵ、ｉＶ、ｉＷ的表达式如下，其波形如图２－１０（ａ）所示。三相对称交流电流流过三相绕组时，则在电动机内将产生一个旋转磁场。上一页返回任务二三相异步电动机的运行学习目标：掌握三相异步电动机空载运行与负载运行的电磁关系、电磁转矩和机械特性；了解三相异步电动机的工作特性。技能要点：熟悉三相异步电动机的主要参数和工作特性的测定。下一页返回任务二三相异步电动机的运行

一、三相异步电动机的空载运行与负载运行三相异步电动机的定子与转子之间只有磁的耦合，没有电的直接联系，它是靠电磁感应作用，将能量从定子传递到转子的。１.三相异步电动机的空载运行三相异步电动机的空载运行是指定子绕组接在对称的三相电源上，转子轴上不带机械负载的运行情况。三相异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流，用Ｉ０表示。空载电流产生空载磁动势，它以同步转速ｎ１的速度旋转。上一页下一页返回任务二三相异步电动机的运行

由于电动机空载，所以电动机的空载转速将非常接近同步转速ｎ１，在理想空载的情况下，可以认为ｎ＝ｎ１，即转差率ｓ＝０，因而转子导体中的电动势Ｅ２＝０，转子导体中的电流Ｉ２＝０，所以空载电流Ｉ０主要是产生电机的旋转主磁场，故也称为励磁电流。三相异步电动机空载运行时的电磁关系可表示为上一页下一页返回任务二三相异步电动机的运行

２.三相异步电动机的负载运行三相异步电动机的负载运行是指定子绕组接在对称的三相电源上，转子轴上带机械负载时的运行情况。负载运行时，电动机将以低于同步转速ｎ１的速度ｎ旋转，其转向与旋转磁场的转向相同。因此，气隙磁场与转子的相对转速为Δｎ＝ｎ１－ｎ＝ｓｎ１，Δｎ就是转子绕组切割旋转磁场的相对速度，于是在转子绕组中感应出电动势，产生电流，其频率为上一页下一页返回任务二三相异步电动机的运行

对三相异步电动机，一般ｓ＝０.０２～０.０６，当ｆ１＝５０Ｈｚ时，ｆ２仅为１～３Ｈｚ。三相异步电动机负载运行时，除了定子电流Ｉ１产生定子旋转磁动势Ｆ１外，转子电流Ｉ２还产生转子旋转磁动势Ｆ２，而总的气隙磁动势是Ｆ１和Ｆ２的合成。三相异步电动机负载运行时的电磁关系可表示如下：上一页下一页返回任务二三相异步电动机的运行

二、三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机是通过电磁感应作用把电能传送到转子再转化为轴上输出的机械能的，在能量变换的过程中电磁转矩起了关键性的作用。１.三相异步电动机的功率当三相异步电动机以转速ｎ稳定运行时，定子绕组从电源输入的电功率Ｐ１为上一页下一页返回任务二三相异步电动机的运行

式中，Ｕ１为定子绕组相电压；Ｉ１为定子绕组相电流；ｃｏｓφ１为三相异步电动机的功率因数。Ｐ１的一小部分是消耗于定子绕组电阻上的铜损耗：还有一小部分消耗于定子铁芯中产生的铁耗ｐＦｅ，余下的大部分功率就是由气隙旋转磁场，通过电磁感应作用传递到转子侧的功率，称为电磁功率，用户Ｐｅｍ表示，上一页下一页返回任务二三相异步电动机的运行

上一页下一页返回传递到转子的电磁功率扣除消耗在转子电阻上的铜损耗ｐＣｕ２后为电动机总的机械功率Ｐｍ，即转子铜损耗：任务二三相异步电动机的运行

电动机的机械功率Ｐｍ再扣除机械损耗ｐｍ和附加损耗ｐｓ，才是电动机轴上输出的机械功率，机械损耗和附加损耗之和通常称为空载损耗，所以输出功率为２三相异步电动机的电磁转矩当三相异步电动机稳定运行时，作用在电动机转子上的转矩有三个：电动机电磁转矩Ｔ、电动机的空载转矩Ｔ０和生产机械的负载转矩Ｔ２。显然，它们之间满足上一页下一页返回任务二三相异步电动机的运行

其中：与直流电机的电磁转矩一样，三相异步电动机的电磁转矩也可以表示成上一页下一页返回任务二三相异步电动机的运行

式中，ＣＴ为转矩常数，对已制成的异步电动机来说，ＣＴ为常数。Φｍ为主磁通，Ｗｂ；Ｉ′２ｃｏｓφ为转子电流有功分量，Ａ。转矩Ｔ的单位为Ｎ·ｍ。上一页返回任务三三相异步电动机的调速学习目标：熟悉三相异步电动机的变极调速、变频调速、改变转差率调速方法。技能要点：会进行三相异步电动机的调速控制。在工业生产中为了获得最高的生产率和保证产品的加工质量，常要求生产机械能在不同的转速下进行工作。如果采用电气调速，就可大大简化机械变速机构。根据异步电动机的转速表达式：可知，异步电动机有三种调速方法：变极调速、变频调速和改变转差率调速。下一页返回任务三三相异步电动机的调速一、变极调速在电源频率ｆ１一定的条件下，改变电动机的极对数，电动机的同步转速ｎ１就会发生变化，电动机的极对数增加一倍，其同步转速就降低一半，电动机的转速也几乎降一半，从而得到转速的调节。改变电动机的极对数，可以在定子铁芯槽内嵌放两套不同极对数的定子三相绕组，但这种方法很不经济。通常是利用改变定子绕组的接法来改变极对数，这种电动机称为多速电动机。多速电动机均采用笼型转子，这是因为转子的极对数能自动地与定子极对数相适应。上一页下一页返回任务三三相异步电动机的调速１.变极原理下面以４极变２极为例，说明定子绕组的变极原理。图２－１６所示为４极电机Ｕ相绕组的两个线圈，每个线圈代表Ｕ相绕组的一半，称为半相绕组。两个半相绕组顺向串联时，根据线圈中的电流方向，可以看出定子绕组产生４极磁场，即２ｐ＝４，磁场方向如图２－１６所示。如果将两个半相绕组的连接方式改为图２－１７所示的样子，即反相串联或反向并联，使其中的一个半相绕组的电流反向，这时定子绕组便产生２极磁场，２ｐ＝２。由此可见，使定子每相的一半绕组中电流改变方向，就可以改变磁极对数，故这种方法称为电流反向法变极。上一页下一页返回任务三三相异步电动机的调速２.常用的变极接线方式图２－１８所示是三种常用的变极接线方式的原理图，图２－１８（ａ）表示由星形连接改为双星形连接（－），图２－１８（ｂ）表示由顺向串联的星形连接改为反相串联的星形连接（顺串－反串），图２－１８（ｃ）表示由三角形连接改为双星形连接（△－）。由图可见，这三种接线方式都是使每相的一半绕组内的电流改变了方向，因而定子磁场的极对数减少一半。必须指出，当改变定子绕组接线时，必须同时改变定子绕组的相序（对调任意两相绕组出线端），以保证调速前后电动机的转向不变。上一页下一页返回任务三三相异步电动机的调速二、变频调速根据转速公式可知，当转差率ｓ变化不大时，异步电动机的转速ｎ基本上与电源频率ｆ１成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电动机运行性能的恶化，其原因可分析如下：电动机正常运行时，定子漏阻抗压降很小，可以认为Ｕ１＝４.４４ｆ１Ｎ１ｋｗ１Φ０。若端电压Ｕ１不变，则当频率ｆ１减小时，主磁通Φ０将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁芯损耗增大；而当ｆ１增大时，Φ０将减小，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也得不到充分利用。上一页下一页返回任务三三相异步电动机的调速因此，为了使电动机能保持较好的运行性能，要求在调节ｆ１的同时，改变定子电压Ｕ１，以维持Φ０不变，或者保持电动机的过载能力不变。变频调速时若能保持Ｕ１／ｆ１＝恒值，则电动机的过载能力不变，同时能满足Φ０不变的要求。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，将促进变频调速的广泛应用。如果ｆ１是连续可调的，则变频调速是无级调速。上一页下一页返回任务三三相异步电动机的调速三、改变转差率调速改变转差率的调速方法有：调压调速、绕线转子异步电动机转子串电阻调速、串级调速、电磁转差离合器调速等。这里仅介绍绕线转子异步电动机转子串电阻调速。绕线转子异步电动机转子串联不同电阻时的人为特性中机械特性看出，改变转子串联电阻可以调节转速，转子串联电阻越大，转速越低。因为改变转子串联电阻不影响同步转速，只改变转差率，所以属于改变转差率调速。上一页下一页返回任务三三相异步电动机的调速绕线转子异步电动机转子串电阻调速的物理过程可以这样理解：当电动机在某一转速下稳定运行时，由于转子串联电阻增大，必然引起转子电流减小，从而引起电磁转矩减小，使电动机转矩小于负载转矩，电动机减速，转差率增大。当转子电流随转差率增大而增大，达到电动机转矩与负载转矩相等时，电动机便在较低的转速下稳定运行。绕线转子异步电动机转子串电阻调速方法的优点是：设备简单，易于实现。但是属于阶段调速，不够平滑，低速时转差率大，转子铜耗大，电动机运行效率低，机械特性变软，负载变化时，转速的相对稳定性差。这是它的缺点，因此只用在对调速性能要求不高和电动机容量不大的场合。上一页返回任务四三相异步电动机的启动、反转和制动学习目标：掌握三相异步电动机的直接启动、反转和制动原理；了解笼型转子异步电动机的降压启动方法和绕线转子异步电动机的启动方法。技能要点：三相异步电动机的启动和制动控制。一、三相异步电动机的启动异步电动机的启动是指在接通电源后，从静止状态加速到稳定运行状态的过程。电力拖动系统对三相异步电动机启动性能的要求，主要有以下两点：一是启动电流要小，以减小对电网的冲击；二是启动转矩要大，以加速启动过程，缩短启动时间。下一页返回任务四三相异步电动机的启动、反转和制动１.直接启动电动机定子绕组直接接入额定电压的电网上的启动，称为直接启动，也称全压启动。这种启动方法的优点是设备简单，操作方便，启动过程短。但异步电动机在直接启动的最初瞬间，其转速ｎ＝０，转差率ｓ＝１，转子电流较大，定子电流也较大，为额定值的４～７倍。电动机启动电流大，在输电线路上产生的电压降也大，会影响同一电网上其他负载的正常工作。笼型异步电动机的启动电流虽大，但由于启动时转子回路的功率因数很低，故启动转矩并不大。因此，直接启动一般只在小容量电动机中使用，如容量在１０ｋＷ以下的三相异步电动机可采用直接启动。上一页下一页返回任务四三相异步电动机的启动、反转和制动电动机能否直接启动，还要看电网容量的大小，如果电网容量很大，就可以允许容量较大的电动机直接启动，若电动机满足下列经验公式的要求，则电动机可以直接启动，否则应采用降压启动方法启动。式中：Ｉｓｔ为电动机的直接启动电流，Ａ；ＩＮ为电动机的额定电流，Ａ；ＳＮ为电网容量，ｋＶＡ；ＰＮ为电动机的额定功率，ｋＷ。上一页下一页返回任务四三相异步电动机的启动、反转和制动２.笼型异步电动机的降压启动降压启动的目的是限制启动电流。启动时，通过启动设备使加在电动机定子绕组上的电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值时，再将使电动机定子绕组接到承受额定电压上，保证电动机在额定电压下稳定工作。三相异步电动机常用的降压启动方法有定子串电阻（或电抗）降压启动、Y－△降压启动、延边三角形降压启动和自耦变压器降压启动等。上一页下一页返回任务四三相异步电动机的启动、反转和制动３.绕线转子异步电动机的启动三相笼型异步电动机直接启动时，启动电流大，启动转矩不大，降压启动时，虽然限制了启动电流，但启动转矩也随之减小，因此笼型异步电动机只能用于空载或轻载启动。绕线转子异步电动机，若转子回路串入适当的电阻，既能限制启动电流，又能增大启动转矩，同时克服了笼型异步电动机启动电流大、启动转矩不大的缺点，这种启动方法适用于大、中容量的异步电动机重载启动。绕线转子异步电动机的启动分为转子串电阻和串频敏变阻器两种启动方法。上一页下一页返回任务四三相异步电动机的启动、反转和制动转子串电阻启动时，为了使整个启动过程得到较大的启动转矩，并使启动过程比较平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻。启动时，随转速的升高，逐段切除各级电阻，显然所串电阻级数越多，启动设备越复杂，电路工作的可靠性越低，因此，绕线转子异步电动机多采用转子串三级电阻启动。为了克服绕线转子异步电动机转子串电阻启动级数不宜太多的缺点，可以采用转子串频敏变阻器启动。二、三相异步电动机的制动上一页下一页返回任务四三相异步电动机的启动、反转和制动三相异步电动机除了运行于电动状态外，还时常运行于制动状态。运行于电动状态外时，电磁转矩Ｔ与转速ｎ方向相同，电磁转矩Ｔ是驱动转矩，电动机从电网吸收电能并转化成机械能从转轴上输出。运行于制动状态时，电磁转矩Ｔ与转速ｎ方向相反，电磁转矩Ｔ是制动转矩，电动机从轴上吸收机械能并转化成电能，这些电能或消耗在电机内部，或反馈给电网。异步电动机制动的目的是使电力拖动系统快速停车或使拖动系统尽快减速，对于位能性负载，制动运行可以获得稳定的下降速度。异步电动机电气制动的方法有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。上一页返回任务五单相异步电动机的应用学习目标：掌握单相异步电动机的结构和工作原理，了解其机械特性和常用的启动、反转和调速方法。技能要点：熟悉单相异步电动机的结构和工作原理，了解其机械特性和常用的启动、反转和调速方法。单相异步电动机是利用单相交流电源供电的一种小容量交流电机。由于它结构简单、成本低廉、运行可靠、维护方便，并可以直接在单相２２０Ｖ交流电源上使用，下一页返回任务五单相异步电动机的应用因此被广泛用于办公场所、家用电器等方面，在工农业生产及其他领域中，单相异步电动机的应用也越来越广泛。如台扇、吊扇、洗衣机、电冰箱、吸尘器、电钻、小型鼓风机、小型机床、医疗器械等均需要单相异步电动机驱动。单相异步电动机的不足之处是它与同容量的三相异步电动机相比，体积较大、运行性能较差、效率较低。因此一般只制成小型和微型系列，容量多在几十瓦到几百瓦之间，千瓦级的较少见。上一页下一页返回任务五单相异步电动机的应用一、单相异步电动机的结构和工作特点单相异步电动机的结构原理和三相异步电动机大体相似，即由定子和转子两大部分组成，是根据载流导体在磁场中受力而旋转的原理工作的。但由于单相异步电动机往往与它所拖动的设备组合成一个整体，因此它的结构各异。最具典型的结构是它的转子为笼型结构转子，在定子铁芯槽内嵌放单相定子绕组，如图２－２５所示。二、电容分相单相异步电动机如图２－２７所示，向在空间相差一定角度（一般为９０°）的两相定子绕组通入在时间上相差一定角度的两相交流电，与前面图的分析方法相同，可以看出其合成磁场也是沿定子与转子的气隙旋转，即为旋转磁场。上一页下一页返回任务五单相异步电动机的应用电容分相单相异步电动机就是根据这个原理工作的。在电动机定子铁芯上嵌放有两套绕组，即工作绕组Ｕ１、Ｕ２（又称主绕组）和启动绕组Ｚ１、Ｚ２（又称副绕组）。它们的结构相同或基本相同，但在空间的嵌放位置互相差９０°电角度。在启动绕组中串入电容器Ｃ后再与工作绕组并联接在单相交流电源上，适当选择电容器Ｃ的容量，使流过工作绕组中的电流ｉＵ与流过启动绕组中的电流ｉＺ在时间上相差约９０°电角度，就满足了旋转磁场产生的条件，在定子、转子及气隙间产生一个旋转磁场。单相异步电动机的笼型结构转子在该旋转磁场的作用下，获得启动转矩而旋转。电容分相单相异步电动机可根据启动绕组是否参与运行而分成三类，即电容运转单相电动机、电容启动单相电动机和双电容单相电动机。上一页下一页返回任务五单相异步电动机的应用三、罩极单相异步电动机这种电动机的定子仍由硅钢片叠成，但做成类似于直流电动机定子的磁极，有隐极式和凸极式两种，一般都采用凸极式，如图２－３１所示。每个极上装有集中绕组，称为主绕组。每个极的极靴上开一个小槽，槽中嵌入短路铜环，一般罩住极靴面积的１／３左右。当绕组中通以单相交流电流时，产生一脉动磁通，一部分通过磁极的未罩部分，一部分通过短路环，后者必然在短路环中感应出电动势，产生电流，根据楞次定律，该电流的作用总是阻止磁通变化的，这就使通过短路环部分的磁通与通过磁极未罩部分的磁通在时间上不同相，并且总要滞后一个角度。上一页下一页返回任务五单相异步电动机的应用于是就会在电动机内产生一个类似于旋转磁场的“扫动磁场”，扫动的方向由磁极未罩部分向着短路环方向。在“扫动磁场”的作用下转子产生一定的启动转矩，使电动机顺着扫动方向旋转。因此对于一台制造好的罩极电动机，其旋转方向是不能改变的。2、单相异步电动机的反转和调速１．单相异步电动机的反转控制对于三相异步电动机，要实现反转，只要将输入电动机的三相电源线任意两相对调，就能使电动机反转。要使单相异步电动机反转，必须将工作绕组和启动绕组中的任意一个绕组的首端与尾端对调，才能使电动机反转。上一页下一页返回任务五单相异步电动机的应用因为单相异步电动机的转向是由工作绕组和启动绕组产生的磁场在时间上有近似９０°的相位差决定的，把其中一个绕组反过来接，相当于将这个绕组的磁场相位改变了１８０°。如果原来是工作绕组超前启动绕组９０°相位角，在一个绕组首尾改接后变成了工作绕组滞后启动绕组９０°相位角。所以旋转磁场的方向改变了，