三相异步电动机.ppt

1、第11章 异步电动机,目 录,11.1 三相异步电动机的结构和工作原理 11.2 三相异步电动机的运行特性 11.3 三相异步电动机的启动 11.4 三相异步电动机的调速 11.5 三相异步电动机的制动 11.6 特殊异步电动机,上一页,下一页,交流电动机在现代各行各业以及日常生活中都有着广泛的应用。交流电动机有三相和单相之分，同步和异步之分。三相交流异步电动机因其结构简单、工作可靠、维护方便、价格便宜等优点，应用更为广泛，目前大部分生产机械（如各种机床、起重设备、农业机械、鼓风机、泵类等）均采用三相异步电动机来拖动。本章主要介绍三相异步电动机的结构、工作原理、运行特性、故障处理等内容。,概

2、述,上一页,下一页,返回,11.1 三相异步电动机的结构和工作原理,11.1.1 三相异步电动机的结构,上一页,下一页,返回,1-转子绕组 2-端盖 3-轴承 4-定子绕组 5-转子 6-定子 7-集电环 8-出线盒 笼型转子三相异步电动机结构图,7,a） b） 三相异步电动机的结构分解图,1. 定子 定子是用来产生旋转磁场的。主要由定子铁心、定子绕组和机座等部分组成。 (1) 机座：机座是电动机的外壳和支架，它的作用主要是固定与保护定子铁心、定子绕组并支撑端盖，所以要求机座具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。 中小型异步电动机通常采用铸铁机座，大型异步电动机一般采用

3、钢板焊接机座。,(2) 定子铁心：定子铁心是三相异步电动机主磁通磁路的一部分，装在机座里。由于电机内部的磁场是交变的磁场。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心采用0.350.5mm厚的硅钢片叠压而成，在硅钢片的两面还应涂上绝缘漆。为了嵌放定子绕组，硅钢片的内圆表面冲有均匀分布的槽。,定子铁心,a,）,b,）,c,）,a）开口槽 b）半开口槽 c）半闭口槽 定子槽形,(3) 定子绕组：是异步电动机定子的电路部分，作用是通入三相交流电以后产生旋转磁场。是用高强度漆包线绕制成固定形式的线圈，嵌入定子槽内。 三相异步电动机的定子绕组通常有六根出线头，根据电动机的容量和需要可接成星型（Y）或三角形（ ）

4、。高压大、中型容量的异步电动机三相定子绕组通常采用Y接法，只有三根引出线。对中、小容量的低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形或形。,三相异步电动机定子绕组的连接,L,1,L,2,L,3,L1,L,2,L,3,a) Y型接法,b) 型接法,2. 转子 转子是异步电动机的转动部分，它在定子绕组旋转磁场的作用下获得一定的转矩而旋转，通过联轴器或皮带轮带动其他机械设备做功。异步电动机的转子主要是由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成的。 (1) 转子铁心： 转子铁心是电动机主磁通磁路的一部分，通常用厚度为0.350.5mm的硅钢片叠压而成，硅钢片的外圆周表面冲有均匀

5、分布的槽。下图是转子槽形图。,c,),b,),上层导条,下层导条,长导条,a,),圆导条,a）单鼠笼槽形 b）双鼠笼槽形 c）绕线式槽形（深槽形） 转子槽形,(2) 转子绕组：转子绕组是闭合的，在气隙磁场的作用下产生感应电动势和电流，产生电磁转矩。转子绕组按结构形式的不同分为鼠笼式和绕线式两种。 a）鼠笼式转子：是一个自行闭合的短路绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，每根导体都比铁心长，在铁心的两端用两个端环把所有的导条都短路起来，形成一个自己短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状象一个笼子。,a),b),a）无轴鼠笼式铜条转子 b）鼠笼式铸铝转子 鼠笼式转子,a）绕线式转

6、子：与定子绕组相似，是用绝缘导体绕制而成的，嵌于转子槽内。绕线式转子也是按一定规律分布的三相对称绕组，它可以联接成Y形或形。一般小容量电动机联接成形，大、中容量电动机联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来。,绕线式三相异步电动机定、转子绕组接线方式,绕线式转子回路接线图,(3) 转轴： 作用：支撑转子，使转子能在定子空腔内均匀地旋转。 材料：一般用中碳钢制作。,3. 气隙 异步电动机定、转子之间的空气间隙简称为气隙，它比同容量直流电动机的气隙要小得多。在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.21.5左右。 异步电动机的励磁电流是由定子电源供给的。气隙较大时，磁路的

7、磁阻较大。若要使气隙中的磁通达到一定的要求，则相应的励磁电流也就大了，从而影响电动机的功率因数。为了提高功率因数，尽量让气隙小些。但也不应太小，否则，定、转子有可能发生摩擦与碰撞。如果从减少附加损耗以及减少高次谐波磁动势所产生磁通的角度来看，又希望气隙大一点，所以设计电机时应全盘考虑。,11.1.2 三相异步电动机的绕组,绕组是三相异步电动机进行电磁能量转换与传递的关键部件，也是电动机结构的核心。三相电动机的绕组是三相对称绕组，三相绕组可以接成Y形或形。 1. 绕组的基本概念 （1）线圈：构成绕组的最基本单元，是用绝缘导线绕在绕线模上绕指出来的绕组元件，线圈可以用单匝或多匝绕线组成。嵌入槽内部

8、分称为有效边，露出铁心两端的称为线圈端部（只起连接作用）。 （2）线圈组（极相组）：一个磁极下同一相线圈串联成的绕组。 （3）相绕组：将许多线圈组串联或并联构成，并流过同相电流的绕组。,（4）极距：每极所占有的槽数或每极下气隙沿圆周方向的长度，用字母 表示： 式中，Z1为定子铁心的总槽数；2p为电动机极数，p为极对数；D为定子铁心内径，单位是mm。 （5）每极每相槽数（q）：指在一个极内，其中某一相的线圈所占有的槽数，有（式中m1为电动机相数）：,（6）电角度：交流电机转过一对磁极绕组内电流变化一个周期是360o电角度，每个极距 为180o电角度。当电动机有p对磁极时，在铁心上便有P* 360

9、o电角度。只有2极电动机，电角度才等于机械角度。电角度与机械角度的关系是： 电角度=p*机械角度= P* 360o （7）槽距角（ ）：指相邻两槽之间的电角度 例：一台三相48槽6极异步电动机，其极距 、每极每相槽 数、电角度、槽距角各为多少？,例：一台三相48槽6极异步电动机，其极距 、每极每相槽数、 电角度、槽距角各为多少？ 解：由已知可知，电动机的槽数Z1=48，极对数p=3，极数 2p=6，相数m1=3。所以 极距 每极每相槽数 电角度 相邻两槽之间的槽距角,（8）相带：一个极相组线圈所占的范围，以电角度表示。一般一个磁极为180o电角度，一个磁极内有三相，所以其中一相占180o /3

10、=60o电角度，叫做60o相带。三相绕组的这种分布形式叫做60o相带分布。 （9）节距（也叫跨距）：指一个线圈两边之间相隔的槽数，用字母y表示。 ：该线圈称为整距线圈。整距线圈绕组能产生最大 的感应电动势 ：短距线圈。短距线圈绕组能提高电动机的电磁性 能缩短线圈端部接线。多数电机采用这种线圈。 ：长距线圈。特殊电动机采用这种线圈。,（10）支路（a）：同相绕组并联回路的多少，也叫并联支路数。 （11）匝数（N）：绕组所含线圈圈数的多少。 （12）绕组展开图：将电机定子或转子沿轴向切开，沿圆周方向展开，清楚表示各绕组在电机内嵌放位置的示意图。,2. 绕组的分类 （1）按相数分类：单相绕组、三相绕

11、组和多相绕组 （2）按槽内层数分类：单层绕组和双层绕组 （3）按每极每相槽数分类：整数槽绕组和分数槽绕组 （4）按绕组形状分类：叠绕组、波绕组和同心绕组 （5）按绕组装配方式分类：成形绕组和分立绕组 （6）按绕组节距和极距的关系分类：,整距绕组,长距绕组,短距绕组,3. 交流电机的定子绕组构成原则 （1）合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦波，幅值要大 （2）对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电抗要平衡；空间位置彼此相差120o电角度. （3）绕组的铜耗要小，用铜量要省。 （4）绝缘要可靠，机械强度、散热条件好，制造要方便。,11.1.3 三相异步电动机的工作原理 1.工作原理

12、 当定子绕组接通对称三相电源后，绕组中便有三相电流通过，在空间产生了旋转磁场。旋转磁场切割转子上的导体产生感应电动势和感应电流，此感应电流又与旋转磁场相互作用产生电磁转矩，使转子跟随旋转磁场同向转动。旋转磁场代替了旋转磁极。由于转子中的电流和所受的电磁力都是由电磁感应产生，所以也称为感应电动机。,上一页,下一页,返回,2. 异步电动机运行过程与转差率 运行过程：转子的转速n永远小于旋转磁场的转速（既同步转速）n1，转子总是紧跟着旋转磁场以n n1的转速同方向旋转。若旋转磁场的方向反转，转子也将反向转动。 同步转速： n1 =60f/p 转差率：同步转速n1与转子转速n之差和同步转速n1的比值。

13、 s=（ n1 - n ）/ n1 n=（ 1 - s ）n1 s一般在0.010.06之间,3. 异步电机的三种运行状态 （1）电动机状态： 电动机的转速范围为 转差率范围为 （2）发电机状态： 电动机的转速范围为 转差率范围为 （3）电磁制动状态： 电动机的转速范围为 转差率范围为,11.1.4 三相异步电动机铭牌 在异步电动机的机座上都装有一块铭牌，如下图所示。铭牌上标出了该电动机的一些数据，要正确使用电动机，必须看懂铭牌，下面以Y112M-4型电动机为例来说明铭牌数据的含义。,1）型号： 2）额定频率：是指加在电动机定子绕组上的允许频率，国产异步电动机的额定频率为50HZ。 3）额定电

14、压：是指加在三相电动机定子绕组绕组上的线电压。一般应为380V。 4）额定电流：当电动机在额定状态下运行时，定子绕组的线电流。 5）额定功率：是电动机在额定转速下长期持续工作时，电动机不过热，轴上所能输出的机械功率（或者解释为电动机在额定电压、额定频率和额定负载时，转轴上输出的机械功率） 。,6）额定转速：指电动机接入额定电压、额定频率和额定负载时，电动机转轴上的转速（或者指电动机在额定负载时的转子转速）。 7）绝缘等级及温升：是指电动机定子绕组所用的绝缘材料的等级及允许的温度范围。 8）绕组接线方式：,9）转子电压： 10）转子电流 11）额定功率因数 ：当电动机在额定状态下运行时，定子相电

15、压与相电流之间的相位差。 12）额定效率 ：电动机在额定工作状态下，输出功率p2与输入功率p1的比值。 13）标准编号 14）电动机定额或工作制 15）出厂编号,三相异步电动机的运行特性主要是指三相异步电动机在运行时电动机的功率、转矩、转速相互之间的关系。 11.2.1 三相异步电动机的空载运行 （1）空载运行：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的运行。 （2）主磁通 ：当三相异步电动机定子绕组通入三相对称交流电时，将产生旋转磁动势，该磁动势产生的磁通绝大部分穿过气隙，并同时交链于定、转子绕组，这部分磁通称为主磁通。 作用：同时交链于定、转子绕组并在其中分别产生

16、感应电动 势；电动机能量转换的媒介。,11.2 三相异步电动机的运行特性,上一页,下一页,返回,（3）漏磁通 ：除主磁通外的磁通。 作用：仅在定子绕组上产生漏磁动势，起电抗降压的作用 主磁通和漏磁通 （4）空载电流：异步电动机空载运行时的定子电流，用 表示 （5）空载磁动势：三相空载电流流过定子绕组产生的旋转磁动势，用 表示。,11.2.2 三相异步电动机的负载运行 （1）负载运行：三相异步电动机定子绕组接在对称的三相电源上，转子轴上带机械负载的运行。 （2）空载和负载运行时的电磁关系： 空载运行时： 负载运行时： （3）负载时转子电动势的频率： 转子不转时（如启动瞬间）： 空载运行： 额定情

17、况下运行时：,、,（4）负载时转子绕组感应电动势： 负载时转子绕组漏阻抗： 负载时转子绕组的电流： 负载时转子绕组的功率因数：,转子各电磁量与转差率的关系,11.2.3 三相异步电动机的功率和转矩 （1）三相异步电动机的功率 电动机运行时，定子从电网吸收电功率，转子向拖动的机械负载输出机械功率，电动机在实现机电能量转换的过程中，必然会产生各种损耗。根据能量守恒定律，输出功率应等于输入功率减去总损耗。 输入功率：电网供给电动机的功率 定子铜损耗：定子电流流过定子绕组时，电流在定子绕 组电阻上的功率损耗。, 定子铁损耗：旋转磁场在定子铁心中产生的损耗 电磁功率：由定子侧传递到转子侧的电磁功率 转子

18、铜损耗：转子电流流过转子绕组时，电流在转子绕组 电阻上的功率损耗。 总机械功率：传递到转子的电磁功率扣除转子铜损耗后的 功率。, 机械损耗：电动机运行时，由轴承及风阻等摩擦所引起的 损耗 附加损耗：由定、转子开槽和谐波磁场引起的损耗 机械功率：电动机轴上输出的机械功率,异步电动机的功率流程图： （2）三相异步电动机的转矩平衡方程 为电动机电磁转矩（驱动） 为电动机轴上输出的机械负载转矩（制动） 为机械损耗和附加损耗的转矩,11.2.4 三相异步电动机的工作特性 异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频率运行的情况下，电动机的转速、输出转矩、定子电流、功率因数、效率等与输出功率的关系。,转速特

19、性,转矩特性,定子电流特性,定子功率因数特性,效率特性, 转速特性：异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时转速变化的曲线称为转速特性。 稍向下倾斜的曲线（硬特性） 分析：空载时： 负载时：负载增大时， 额定运行时：, 转矩特性 异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时，电磁转矩的变化曲线。 过零点稍向上翘的曲线。 分析：,空载时：,由空载到额定负载时：,负载时：负载增大时，,（3）定子电流特性 异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时，定子电流的变化曲线。 分析：空载时： 负载时：,（4）定子功率因数特性 异步电动机的功率因数是衡量在异步电动机输入功率中，真正消耗的有

20、功功率所占比重的大小。 异步电动机运行时，必须从电网中吸取感性无功功率，它的功率因数总是滞后的，且永远小于1。 增大时， 先增后降 分析：空载时： 负载时：,当负载增加时，定子电流中的有功电流增加，使功率因数提高； 接近额定负载时，定子电流中的有功电流最大，功率因数也达到最高； 超过额定负载时，由于转速降低较多，转子电流无功分量增大，相应的定子电流无功分量也增大，即定子电流有功分量减小，功率因数减小。,（5）效率特性 增大时， 先增后降， 在 范围内，效率最高 分析：,空载时：,负载时：随着输出功率的增加，效率也增加；在正常运行范围内，因主磁通变化很小，所以铁损耗和机械损耗（由旋转磁场引起的损

21、耗）变化很小，认为是不变的，合起来称不变损耗。定、转子铜损耗与电流平方成正比，随着负载而变化，附加损耗也随负载而变，称可变损耗。当负载增大到使可变损耗等于不变损耗时，电动机的效率达最大。 如果负载继续增大，与电流平方成正比的定、转子铜损耗增加的较快,效率反而降低。,时，效率最高。,小结：输出功率增大时，转速、输出转矩、定子电流均增大； 功率因数、效率先增大后减小。 其中功率因数和效率是反映异步电动机工作性能的两个重要的参数，在额定负载附近的功率因数和效率均较高，因此电动机应该运行在额定负载附近。,11.2.5 三相异步电动机的机械特性 电动机的转速 与电磁转矩 之间的关系，即 。 因为异步电动

22、机的转速与转差率之间存在着 的关系，所以异步电动机的机械特性通常表示为 三相异步电动机的电磁转矩有三种表达式（物理表达式、 参数表达式、实用表达式），现介绍如下：,（1）物理表达式 三相异步电动机转矩的物理表达式为： 电磁转矩与主磁通 成正比，与转子电流的有功分量 成正比 用于定性分析异步电动机的各种运行状态。,转矩常数,（2）参数表达式 三相异步电动机转矩的参数表达式为： 当 （或 ）变化时，可由参数表达式算出相应的电磁转矩 。 机械特性的参数表达式清楚地表示了转矩与转差率和参数之间的关系，用它分析各种参数对机械特性的影响很方便。,极对数,定子 相电压,转子侧折算到定子侧的转子电阻,电源频率

23、,定子每相绕组的电阻,定子每相绕组的漏抗,转子侧折算到定子侧的转子漏抗,电磁转矩与转速都为正，从规定正方向判断电机工作在电动机运行状态,电磁转矩大于0但与电机旋转方向相反，电机工作在电磁制动运行状态。,电磁转矩为负值，即为制动性转矩，电机工作在发电机运行状态,最大转矩 （电动机状态）,最大转矩 （发电机状态）,启动转矩, 异步电机最大转矩、临界转差率和电动机的过载能力 最大转矩： 临界转差率： “+”号表示电动机状态，“-”号表示发电机状态 过载能力：最大电磁转矩和额定转矩的比值，反映电动机 短时过载能力的大小 表征电动机运行性能的重要参数，一般, 异步电动机启动转矩和启动转矩倍数 启动转矩：

24、异步电动机接至电源电压开始启动瞬间的电磁转矩。 此时： 启动转矩倍数：启动转矩和额定转矩之比 只有当启动转矩大于额定转矩时，电动机才能启 动起来，即 一般鼠笼式异步电动机的 约为2.0左右。,对于绕线子转子异步电动机，可以在转子回路中串电阻，使临界转差率 ，启动转矩 ，即增大启动转矩，来改善启动性能。,异步电动机转子回路串电阻时的机械特性,对于鼠笼式异步电动机，无法在转子回路中串电阻，启动转矩大小只能在设计时考虑。只有当启动转矩大于负载转矩时，电动机才能转动起来。一般鼠笼式异步电动机的 约为2.0左右。 启动转矩倍数是针对鼠笼式电动机而言。因为绕线式电动机通过增加转子回路的电阻，可加大或改变启

25、动转矩。,（3）实用表达式 机械特性的参数表达式清楚地表示了转矩与转差率和参数之间的关系，用它分析各种参数对机械特性的影响很方便。但是，查找电动机的参数是很困难的，通常利用电动机的技术数据和铭牌数据求得电动机的机械特性，即电动机的实用表达式。,（4）三相异步电动机的机械特性曲线分析,启动点,最大转矩点,额定运行点,同步转速点, 启动点A： 最大转矩点B： 电动机稳定运行的临界点，在临界点以下的非线性段（BA），电动机工作是不稳定的；在临界点以上的线性段（DB），电动机可以稳定运行。 额定运行点C： 同步转速点D：电动机的理想空载点，此时,（5）三相异步电动机的机械特性总结 三相异步电动机的三种

26、表达式都能用来表征电动机的运行性能，但应用场合不同。一般来说，物理表达式适用于对电动机的运行做定性分析，参数表达式适用于分析各种参数变化对电动机运行性能的影响，实用表达式适用于电动机机械特性的工程计算。,11.3 三相异步电动机的启动,电动机接通三相电源后，开始启动，转速逐渐增高，一直到达稳定转速为止，这一过程称为启动过程。 在生产过程中，电动机经常要启动、停车，其启动性能优劣对生产有很大的影响，所以，要考虑电动机启动性能，选择合适的启动方法至关重要。 异步电动机的启动性能，包括启动电流、启动转矩、启动时间和启动设备的经济性、可靠性等，其中最主要的是启动转矩和启动电流。,上一页,下一页,返回,

27、11.3.1 三相异步电动机对启动的要求 （1）启动转矩要大，以便加快启动过程，保证其能在一定负载 下启动。 （2）启动电流要小，以避免启动电流在电网上引起较大的电压 降落，影响到接在同一电网上其它电器设备的正常工作。 （3）启动时所需的控制设备应尽量简单，力求操作和维护方便。 （4）启动过程中的能量损耗尽量小。,实际的三相异步电动机在刚启动时： 启动电流较大，启动转矩并不大 分析：刚启动时，转子处于静止状态（ ），旋转磁场以较大转速切割转子导体，在转子中产生较大的感应电动势，因而产生较大的感应电流。这样，定子绕组中也将流过较大的电流。 刚启动时，转差率 （最大），转子绕组的漏电抗最大，由机械

28、特性的参数表达式可知，此时电磁转矩比较小。,不利影响 大的 Ist 使电网电压降低，影响自身及其他负载工作。 频繁起动时造成热量积累，易使电动机过热。,三相鼠笼式异步电动机直接启动控制线路,下一页,返回,11.3.2 三相鼠笼式异步电动机的全压启动 全压启动指在额定电压下，将电动机三相定子绕组直接接到额定电压的电网上来启动电动机，又称为直接启动。,优点：简单易行 缺点：启动电流很大 一般鼠笼式异步电动机的最初启动电流为（57）IN，最初启动转矩为（1.52）TN 直接启动的应用场合 (1) 小容量的电动机（PN 7.5kW） (2) 电动机容量满足如下要求： (3) 用户由专用变压器供电，电动

29、机的容量小于变压器容量的20%,2.3.3 三相鼠笼式异步电动机的降压启动,这种方法是在启动时利用启动设备，使加在电动机定子绕组上的电压U1降低，此时磁通随U1成正比地减小，其转子电动势E2、转子启动电流I2st和定子电路的启动电流I1st也随之减小。在降压启动时，启动转矩也大大降低了。因此，这种方法仅适用于电动机在空载或轻载情况下的启动。,（1） 三相鼠笼式异步电动机定子回路串电阻降压启动,启动 运行,也可以把定子回路中串入的电阻改成电抗器,优点:启动电流小 当启动电压减小为原来的1/k时，启动电流也减小到原来的1/k 缺点:启动转矩小 启动转矩正比于电压平方，减小到原来的1/k2 应用：高

30、电压电动机,（2） 三相鼠笼式异步电动机Y -转换降压启动,电动机启动时，定子三相绕组接成Y型，（启动起来后）运行时接成型。,适用于：正常运行为联结的电动机。,三相鼠笼式异步电动机Y -转换降压启动,适用于：正常运行为联结的电动机。,三相鼠笼式异步电动机Y -转换降压启动,Y 起动,适用于：正常运行为联结的电动机。, 运行,定子相电压比,定子相电流比,启动电流比,三相鼠笼式异步电动机Y -转换降压启动,Y 型启动的启动电流,启动转矩比,Y型启动的启动转矩,分析： 型接法时：设定子绕组的线电压是U1，则每相的电压为U1，假设电动机的每相阻抗为Z，则每相的启动电流为U1/Z，启动线电流为 启动时：

31、接成Y型，定子绕组的线电压是U1，则每相的电压为 。此时，定子绕组的线电流等于相电流，即启动电流，为 。 由上述可知：接成Y型启动时，由电网供给的最初启动电流为型接法时的1/3，即启动电流减小了。启动转矩减小到原来的1/3。,优点：设备比较简单，启动电流小 启动电流为型接法时的1/3 缺点：启动转矩小 启动转矩正比于电压平方，启动转矩减小到 型接法时的1/3 应用：轻载或空载启动 只适用于电动机运行时定子绕组为型接法的 三相异步电动机,（3） 三相鼠笼式异步电动机延边三角形降压启动,启动时接法,运行时接法,分析： Y -转换降压启动时：,延边三角形接法实际上是将Y型和型接法结合在一起，因此它每

32、相绕组所承受的电压小于型接法时的电压，大于Y型接法时的 线电压，介于这两种接法之间。那它的启动电流和启动转矩也就介于Y型接法和型接法之间。启动电流和启动转矩到底取多少，取决于相绕组中Y型部分和型部分的匝数比。,缺点：定子绕组比较复杂,（4） 三相鼠笼式异步电动机自耦变压器降压启动,高压侧,低压侧,启动,3 UN,运行,分析： 设自耦变压器的变比为ka，启动时自耦变压器的高压侧接在电网，设高压侧的电压是U1，那它低压侧的电压就是U1/ ka。 电动机接在自耦变压器的低压侧，加在电动机端点上的电压便为U1/ ka，它的启动电流便为额定电压下直接启动时的1/ ka。对于变压器，有： I1/ I2 =

33、 U2/ U1= 1/ ka ，故知由电网供给的启动电流减小为额定电压下直接启动时的1/ ka2。 由上可知：自耦变压器降压启动和全压启动相比，由电网所供给的最初启动电流减小了ka2倍。启动转矩正比于电压平方，因此启动转矩减小了ka2倍。,优点：可以按允许的启动电流和所需的启动转矩选择自耦变 压器的不同抽头实现降压启动，不论电动机定子绕组 是采用Y型接法还是型接法。 缺点；设备体积大，投资高，不能频繁启动，在启动转矩要 求高的场合是不适用的。,11.3.4 三相线绕式异步电动机的启动 三相鼠笼式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，虽然减小了启动电流，但启动转矩也随着减小

34、了，因此鼠笼式异步电动机只能用于空载或轻载启动。,为了在整个启动过程中得到较大的加速转矩，并使启动过程 比较平滑，可以在转子回路中串入多级对称电阻。在启动过 程中，随着转速的升高，逐段切除启动电阻，这种启动方法 称为分级启动。,对于绕线式异步电动机，可以在转子回路中串入适当的电阻， 这样既可以限制启动电流，又能增大启动转矩。这种启动方 法适用于大、中容量的异步电动机重载启动。,(1) 启动过程,（1）三相绕线式异步电动机转子电路串电阻启动,串联 Rst1 和 Rst2 起动（特性 a） 总电阻 R22 = R2 + Rst1+ Rst2,n0,a (R22),T2,a1,a2,T1,切除 Rs

35、t2,切换转矩,(1) 启动过程,b (R21),b1,b2, 合上 S2 ，切除 Rst2（特性 b） 总电阻 R21 = R2+ Rst1,三相绕线式异步电动机转子电路串电阻启动,切除 Rst1, 合上 S1 ，切除 Rst1（特性 c） 总电阻: R2,c (R2),c1,c2,(1) 启动过程,p,三相绕线式异步电动机转子电路串电阻启动,优点：不仅能在转子回路中串入电阻减小启动电流，增大启动转矩，而且还可以在小范围内进行调速。可以用于启动较困难的机械，如起重吊车，卷扬机。 缺点：电动机比较复杂，造价高，效率低。在启动过程中，当切除电阻时，转矩突然增大，产生冲击。当电动机容量较大时，转子

36、电流很大，启动设备将变得很庞大，操作和维护工作量大。,频敏变阻器 频率高：损耗大，电阻大。 频率低：损耗小，电阻小。 转子电路启动时 f2 高，电阻大， Tst 大， Ist 大。 转子电路正常运行时 f2 低，电阻小， 自动切除变阻器。,（2）三相绕线式异步电动机转子串频敏变阻器启动,等效电路,频敏变阻器是一个铁耗很大的三相电抗器，相当于一个没有二次绕组的三相芯式变压器。其等效电阻随着通过其中的电流频率变化而自动变化，它相当于一个无触点的变阻器。 启动时将频敏变阻器串入转子中，当接通定子上的电源开关瞬间，转子电流频率最大，频敏变阻器的等效电阻最大；在启动过程中，随着转速的升高，转子电流频率逐

37、渐减小，频敏变阻器的等效电阻也逐渐减小；这个过程相当于在启动过程中逐渐切除转子回路中串入的电阻。启动结束后，切除频敏变阻器，使转子回路直接短接。 电动机切断电源停转后，还应将启动频敏变阻器回到启动位置。,三相绕线式异步电动机转子串频敏变阻器启动原理图,启动,运行,上一页,下一页,返回,优点：频敏变阻器的结构简单，运行可靠，使用和维护方便， 因此应用比较广泛,异步电动机的缺相运行,一相断线可分成四种情况。其中图（a）、（b）、（c）为单相运行，图（d）为两相运行。,当异步电动机在断线前为额定负载运行,缺相后， 如果TmaxT2，则电动机还能继续运行，由于电动机的负载不变，定子电流会超过额定值，转

38、速，噪音，长时间运行会烧坏电机。 如果TmaxT2，电动机的转子会停转，由于这时电源电压仍加在电机上，定、转子电流将很大，如果不及时切断电源，将有可能烧毁运行相的定子绕组。,11.3 三相异步电动机的不对称运行,异步电动机在三相电压不对称的运行,异步电动机在三相电压不对称条件下运行时，正序电压分量和负序电压分量分别产生正序电流和负序电流，并形成各自的旋转磁场。这两个旋转磁场的转速相等，方向相反，分别在转子上产生感应电动势和形成感应电流。感应电流和定子旋转磁场相互作用，产生电磁力，形成电磁转矩。显然，这两个电磁转矩的方向是相反的，但大小不等，使得电动机的合成转矩下降，转速降低，噪音增大。,电动机

39、在运行过程中，电气控制系统除了能满足生产机械加工要求外，还应保证设备长期、安全、可靠、无故障地运行。必须在线路出现短路、过载、过流、欠压、失压和弱磁等现象时，能自动切断电源，使电动机停转。为此，在生产机械的电气控制线路中，必须对电动机采取各种保护措施，利用它们来保护电动机、电网、电气控制设备及人身安全等。 电气控制系统中常用的保护环节： 1. 电流型保护短路、过流、过载 2. 电压保护过压、欠压、失压 3. 其它保护弱磁、超速、极限保护等,11.3 电动机的安全运行条件,电气控制系统具有的保护功能,1、短路保护FU 、KA(I) 、QF,3、过载保护KA(I) 、 FR、QF,4、欠压、失压保

40、护 KM、 KV(U) 、 QF,QS,L1 L2 L3,2、过流保护KA(I)、FR、 QF、电动机保护器,6、超速保护KS,7、极限保护SQ,5、过压保护KV(U),8、失磁、弱磁保护KA(I),6.3.1 短路保护,电动机、电器及导线的绝缘损坏或线路发生故障时，都可能造成短路事故，产生很大的短路电流，致使电动机、电器设备严重损坏。因此，一旦发生短路故障，保护电器必须立即动作，迅速将电源切断。 常用的短路保护电器是熔断器和低压断路器。,熔断器保护 过电流继电器、低压断路器保护,6.3.2 过载保护,当电动机负载过大、启动频繁或缺相运行时，会使电动机的工作电流长时间超过其额定电流，电动机绕组

41、过热，温度超过其允许值，会使电动机的寿命缩短，严重时会使电动机损坏。为此，在生产机械的电气控制线路中，应有过载保护电器。当电动机过载时，保护电器动作，切断电源，避免电动机过载运行。 1. 采用热继电器作为过载保护元件。 2. 由于热惯性的关系，热继电器不会受短路电流的冲击而瞬时动作。 3. 当有810倍额定电流通过热继电器时，有可能使热继电器的发热 元件烧坏，所以，在使用热继电器作过载保护时，还必须装有熔 断器或过流继电器配合使用。,热继电器FR过载保护,6.3.3 过流保护,过流保护是一种区别于短路保护的电流型保护。 过电流：电动机或电器元件的电流超过其额定电流的运行状态。 起因：不正确的启

42、动和负载转矩过大，常引起电动机出现很大的过电流。 损害： 过电流一般比短路电流小，不超过6IN，过电流时，电器元件 并不马上损坏，若在达到允许温升之前电流值恢复正常即可； 较大的冲击负载将使电路产生很大的冲击电流，致使电器设备 损坏； 过大的电流会使电路中的电动机转矩很大，会使机械的转动部 件受到损坏。 在出现过载时，要瞬时切断电源。,电动机运行过程中，出现过流的可能性要比发生短路的可能性大，特别是对于频繁启动和正、反转，重复短时工作的电动机。 过流保护措施：采用低压断路器QF、热继电器FR、过电流继电器KA(I)、电动机保护器等。,过电流继电器过流保护,I,过电流继电器串接在被保护电路中，电

43、路电流达到其整定值时，过电流继电器动作，其串接在控制回路中的常闭触头断开，切断电源。,过电流继电器过流保护,6.3.4 欠压保护,欠压保护：当电网电压降到额定电压UN以下，如60%80%UN时，就要 求电动机能自动切除电源而停止工作，这种保护称为欠压保护。 欠压损害：在电网电压降低时 电动机的转速、电磁转矩都将降低甚至堵转； 在负载一定得情况下，电动机电流将增加，不仅影响产品 加工质量，还会影响设备正常工作，使机械设备损坏，造 成人身事故； 由于电网电压的降低，控制线路中的各类交流接触器、继 电器既不能释放又不能可靠吸合，处于抖动状态并产生很 大噪声；线圈电流增大，甚至造成电器元件和电动机的烧

44、毁。,实现欠压保护的电器：接触器KM和电磁式电压继电器KV(U)。 在机床电气控制线路中，大多数情况下，由于接触器已兼有欠压保护功能，因而不必再加电压继电器欠压保护。 一般电网电压降低到额定电压的85%以下时，接触器就切断主电路和控制电路电源，使电动机停转。,6.3.5 失压（零压）保护,电动机正常工作时，如果因为电源电压的消失而停转，那么在电源电压恢复时，就可能自行启动。 电动机的自行启动将会造成人身事故和机械设备损坏。 对于电网而言，多台电动机同时启动，会引起不允许的过电流和过大的电压降，而电热类电器可能引起火灾。 为防止电压恢复时电动机自行启动或电器元件自行投入工作而设置的保护方式，称为

45、失压保护。 采用接触器和按钮控制的电动机启、停本身就具有失压保护作用。,采用接触器的自锁控制电路来实现失压保护,如果不采用按钮控制，而使用自动恢复的手动开关、行程开关等控制接触器，则必须采用专门的零压继电器。对多位开关，应采用零位保护来实现失压保护，即电路控制必须先接通零压继电器。工作中一旦失电，零压继电器释放，其自锁也释放，当电网恢复正常时，就不会自行投入工作。,6.3.6 极限保护、过压保护、超速保护,极限保护： 例：机床工作台的往返循环，要使工作台的运动控制在在两个极限位置之间，这时候就需要有极限保护，通常采用限位开关（行程开关）来做极限保护。 过压保护： 可以采用过电压继电器KV(U)

46、作过压保护。 超速保护： 可以采用速度继电器KS作超速保护。,6.3.7 弱磁保护,直流电动机必须在磁场具有一定强度时，才能启动和正常运转。 若直流电动机启动时的励磁电流太小，产生的磁场太小，则启动电流将会很大。在正常运转时，磁场突然减弱或消失，对串励电动机来说，电动机会停止运行；对并励或他励电动机，则转速急剧上升，会引起“飞车”事故。 因此，在直流电动机的控制线路中应该设置弱磁或失磁保护，常采用的方法是在电路中串入欠电流继电器来监视直流电机的励磁电流，并与接触器配合使用。 工作原理：当励磁电流达到欠电流继电器的动作值时，继电器动合触头闭合，电动机启动或正常工作；一旦励磁电流低于欠电流继电器的

47、整定值，继电器就会动作，使接在电路中的动合触头断开，接触器线圈失电，电动机断电停转。,6.3.8 多功能保护器,多功能保护器外形,多功能保护器电路原理图,TA,QS,FU,FR,KM,KM,FR,SB1,KM,KA,三个电流互感器TA串联，以获得保护信号。TA用具有较低饱和磁密的磁环组成，电动机运行时磁环处于饱和状态。电流互感器二次绕组中的感应电动势除基波外还有三次谐波成分。,整流二极管,稳压二极管,滤波电容,分压电阻,定子绕组串热敏电阻,QS,FU,FR,KM,KM,FR,SB1,KM,KA,电动机正常工作时，三个线电流基本平衡，在电流互感器二次侧绕组中的基波电动势合成为0，但三次谐波合成电

48、动势是每个电动势的3倍。三次谐波合成电动势经二极管VD1整流、VD2稳压、电容器C1滤波，再经过R1与R2分压后，供给晶体管V的基极，使V饱和导通，于是继电器KA吸合，其常开触点闭合。按下启动按钮SB2时，电磁接触器线圈KM通电并自锁，电动机启动旋转。,电动机电源一相断开时，剩余两线电流大小相等，但方向相反，电流互感器三个串联的二次绕组中有两个绕组感应电动势，且大小相等，方向相反，结果使互感器二次绕组总电动势为0，既不存在基波电动势，也不存在三次谐波电动势，于是晶体管V的基极电流为0，V截止，使继电器KA释放，其常开触点断开。电磁接触器线圈KM断电释放，触点切断电机电源，电动机停止转动。,电动

49、机由于故障或其它原因使其绕组温度过高，则当温度超过允许值时，热敏电阻Rt的阻值急剧上升，改变了R1和R2的分压比，使晶体管V的基极电流下降到很低的数值（接近于0），V截止，继电器KA释放，其常开触点断开，接触器KM线圈失电，触头恢复常态，电动机脱离电源，实现电动机的过载或过热保护。,短时工作制和断续周期工作制的生产机械也可选用连续工作制的电动机，需让电动机在工作时过载运行，使其温升接近而不超过允许温升，使电动机得到充分利用。 电动机的常用保护有短路保护、过载保护、过电流保护、过压保护、欠压保护、失压（零压）保护、弱磁保护、极限保护和弱磁保护等。,三相异步电动机应用广泛，但通过长期运行后，会发生

50、各种故障，及时判断故障原因，进行相应处理，是防止故障扩大，保证设备正常运行的一项重要的工作。 三相异步电动机常见故障及相应的处理措施有以下几点：,11.4 异步电动机的故障与处理,一、通电后电动机不能转动，但无异 响，也无 异味和冒烟,1故障原因 电源未通（至少两相未通）； 熔丝熔断（至少两相熔断）； 过流继电器调得过小； 控制设备接线错误。,2. 故障排除 检查电源回路开关，熔丝、接线盒处是否有断点，修复； 检查熔丝型号、熔断原因，换新熔丝； 调节继电器整定值与电动机配合； 改正接线。,二、通电后电动机不转，然后熔丝烧断,1故障原因 缺一相电源，或定干线圈一相反接； 定子绕组相间短路； 定子

51、绕组接地； 定子绕组接线错误； 熔丝截面过小； 电源线短路或接地。,2故障排除 检查刀闸是否有一相未合好，可电源回路有一相断线；消除反接故障； 查出短路点，予以修复； 消除接地； 查出误接，予以更正； 更换熔丝； 消除接地点。,三、通电后电动机不转有嗡嗡声,l故障原因 定、转子绕组有断路（一相断线）或电源一相失电； 绕组引出线始末端接错或绕组内部接反； 电源回路接点松动，接触电阻大； 电动机负载过大或转子卡住； 电源电压过低； 小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬； 轴承卡住。,2故障排除 查明断点予以修复； 检查绕组极性；判断绕组末端是否正确； 紧固松动的接线螺丝，用万用表判断各接头是否假接，予以修复； 减载或查出并消除机械故障， 检查是还把规定的面接法误接为Y；是否由于电源导线过