第4-章--三相异步电动机及其控制线路

1、第 章 三相异步电动机及其控制线路,. 三相异步电动机的基本工作原理 . 三相异步电动机的基本结构和铭牌 . 三相异步电动机的运行 . 三相异步电动机的启动 . 三相异步电动机调速 . 三相异步电动机的制动,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,4.1.1 三相定子绕组的旋转磁场 1. 旋转磁场的产生 在三相异步电动机中实现机电能量转换的前提是必须产生旋转磁场。所谓旋转磁场,就是一种极性不变且以一定转速旋转的磁场。根据理论分析和实践证明,在多相对称绕组中流过多相对称电流时,会产生一种大小恒定的旋转磁场即圆形旋转磁场。 图4.1为三相异步电动机定子绕组结构示意图。三个完全相同的线圈空间彼此互隔

2、120,分布在定子铁芯内圆的圆周上,构成了三相对称绕组。当三相对称绕组接上三相对称电源时,在绕组中将流过三相对称电流。若各相电流的瞬时表达式,下一页,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,则各相电流随时间变化的曲线如图4.2所示。该电源将在定子绕组中分别产生磁场。为了便于考察三相电流产生的合成磁效应,下面通过几个特定的瞬间,以窥其全貌。规定:电流为正值时,电流从每相绕组的首端(U1、V1、W1)流进,末端(U2、V2、W2)流出;电流为负值时,电流从每相绕组的末端流进,首端流出。在表示线圈导线的“”内,用“”号表示电流流入,用“”号表示电流流出。 观察这些图中合成磁场的分布规律可见:合成磁场

3、的方向按顺时针方向旋转,并旋转了一周。由此可证明,当三相对称电流通过三相对称绕组时,必然产生一个大小不变,转速一定的旋转磁场。,上一页,下一页,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,2. 旋转磁场的旋转方向 由图4.2可以看出,流入三相定子绕组的电流iU、iV、iW 是按UVW 的相序达到最大值的,产生旋转磁场的旋转方向也是从U 相绕组轴线转向V 相绕组轴线,再转向W 相绕组轴线的,即按UVW 的顺序旋转(图中为顺时针方向),即与三相交流电的变化顺序一致。由此可以得出结论:在三相定子绕组空间排序不变的条件下,旋转磁场的转向取决于三相电流的相序,即从电流超前相转向电流滞后相。若要改变旋转磁场的

4、方向,只需将三相电源进线中的任意两相对调即可。 3. 旋转磁场的转速 旋转磁场的转速n1 与磁极对数p 之间的关系是一种反比关系,即具有p 对磁极的旋转磁场,交流电变化一个周期,磁场转过1/p 转。因此具有p 对磁极的旋转磁场的转速为,上一页,下一页,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,4.1.2 三相异步电动机的基本工作原理 1. 三相异步电动机的工作原理 图4.3所示为一台三相笼型异步电动机的示意图。在定子铁芯里嵌放着对称的三相绕组U1U2、V1V2、W1W2。转子槽内放有导体,导体两端用短路环短接起来,形成一个笼型的闭合绕组。定子三相绕组可接成星形,也可以接成三角形。 如果向定子三相

5、对称绕组通入三相交流电,就会在电机的气隙中形成一个在空间以顺时针方向旋转的磁场,这个旋转磁场的转速n1 称为同步转速。该旋转磁场将切割转子导体,在转子导体中产生感应电动势,由于转子导体自成闭合回路,因此该电动势将在转子导体中形成电流,其电流方向可用右手定则判定。,上一页,下一页,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,有电流流过的转子导体将在旋转磁场中受电磁力F 的作用,其方向由“左手电动机定则”确定,如图4.3中箭头所示,该电磁力F 在转子轴上形成电磁转矩,其作用方向与旋转磁场方向一致,拖着转子顺着旋转磁场的旋转方向旋转,将输入的电能变成旋转的机械能。如果电动机轴上带有机械负载,则机械负载随

6、着电动机的旋转而旋转,电动机对机械负载做了功。 综上分析可知,三相异步电动机转动的基本工作原理是: (1)三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。 (2)转子导体切割旋转磁场,产生感应电动势和电流。 (3)转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用,从而形成电磁转矩,驱使电动机转子转动。,上一页,下一页,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,异 步电动机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致,而旋转磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序,因此,三相异步电动机的转向与电流的相序一致。要改变转向,只要改变电流的相序即可,即任意对调电动机的两根电源线,便可使电动机反转。 异步电动机的转速恒小

7、于旋转磁场转速n1,因为只有这样,转子绕组才能产生电磁转矩,使电动机旋转。如果n=n1,转子绕组与定子磁场之间便无相对运动,则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生,可见nn1 是异步电动机工作的必要条件。由于电动机转速n与旋转磁场转速n1 不同步,故称为异步电动机。又因为异步电动机转子电流是通过电磁感应作用产生的,所以又称为感应电动机。,上一页,下一页,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,2. 转差率 转子转速n 与旋转磁场转速n1 之差称为转差n,转差n 与n1 的比值称为转差率,用字母s 表示,即 异步电动机负载越大,转速就越慢,其转差率就越大;反之,负载越小,转速就越快,其转差率就越

8、小。故转差率直接反映了转子转速的快慢或电动机负载的大小。异步电动机的转速为,上一页,下一页,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,对于普通异步电动机,为了使其在运行时效率较高,通常使它的额定转速略低于同步转速,故额定转差率sN 很小,一般在0.010.06之间。 3. 异步电机的三种运行状态 根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态。 1)电动机运行状态 当定子绕组接至电源,转子就会在电磁转矩的驱动下旋转,电磁转矩即为驱动转矩,其转向与旋转磁场方向相同,如图4.4 (b)所示,此时电机从电网取得电功率转变成机械功率,由转轴传输给负载。电动机的转速范围为n1n0,其转差率范围为0s1。,

9、上一页,下一页,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,2)发电机运行状态 异步电机定子绕组仍接至电源,该电机的转轴不再接机械负载,而用一台原动机拖动异步电机的转子以大于同步转速(nn1)的速度并顺旋转磁场方向旋转,如图4.4 (a)所示。显然,此时电磁转矩方向与转子转向相反,起着制动作用,为制动转矩。为克服电磁转矩的制动作用而使转子继续旋转,并保持nn1,电机必须不断从原动机吸收机械功率,把机械功率转变为输出的电功率,因此称为发电机运行状态。此时,nn1,则转差率s0。,上一页,下一页,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,3)电磁制动状态 异步电机定子绕组仍接至电源,如果用外力拖着电机逆

10、着旋转磁场的旋转方向转动。此时电磁转矩与电机旋转方向相反,起制动作用,如图4.4 (c)所示。电机定子仍从电网吸收电功率,同时转子从外力吸收机械功率,这两部分功率都在电机内部以损耗的方式转化成热能消耗掉。这种运行状态称为电磁制动运行状态。此种情况下,n 为负值,即n1。,上一页,下一页,返回,. 三相异步电动机的基本工作原理,由此可知,区分这三种运行状态的依据是转差率s 的大小: (1)当0s1为电动机运行状态; (2)当-s0为发电机运行状态; (3)当1s+为电磁制动运行状态。 综上所述,异步电机可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行和电磁制动运行,但一般作为电动机运行,异步发电机很少使

11、用,电磁制动是异步电机在完成某一生产过程时出现的短时运行状态。例如,起重机下放重物时,为了安全、平稳,需限制下放速度时,就使异步电动机短时处于电磁制动状态。,上一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,4.2.1 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机种类繁多,从不同角度有不同的分类方法。按其外壳防护方式的不同可分开启型、防护型、封闭型三大类,如图4.5所示。由于封闭型结构能防止固体异物、水滴等进入电动机内部,并能防止人与物触及电动机带电部位与运动部位,运行中安全性好,因而成为目前使用最广泛的结构形式。按电动机转子结构的不同,异步电机又可分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机。图4

12、.5为三相笼型异步电动机外形图,图4.6则为绕线转子异步电动机外形图。另外,异步电动机还可按其工作电压的高低不同分为高压异步电动机和低压异步电动机;按其工作性能的不同分为高启动转矩异步电动机和高转差异步电动机;按其外形尺寸及功率的大小可分为大型、中型、小型异步电动机等。,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,三相异步电动机虽然种类繁多,但基本结构均由定子和转子两大部分组成,转子装在定子腔内,定、转子之间有一缝隙,称为气隙。图4.7为封闭型三相笼型异步电动机组成部件图,其主要组成部分如下。 1. 定子部分 定子部分主要由定子铁芯、定子绕组、机座等部分组成。 1)定子铁芯 定子铁芯

13、是电动机磁路的一部分,为减少铁芯损耗,一般由0.5mm 厚的、导磁性能较好的硅钢片叠压而成,安放在机座内。在定子铁芯冲有嵌放绕组的槽,故又称为冲片。定子铁芯及定子冲片如图4.8所示。大、中型电机常采用扇形冲片拼成一个圆。为了冷却铁芯,在大容量电机中,定子铁芯分成很多段,每两段之间留有径向通风槽,作为冷却空气的通道。,上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,2)定子绕组 定子绕组是电动机的电路部分,通入三相交流电产生旋转磁场。它由许多线圈按一定的规律连接而成,嵌放在定子铁芯的内圆槽内。小型异步电动机定子绕组一般采用高强度漆包圆铜线绕成,大中型异步电动机定子绕组一般采用漆包扁

14、铜线或玻璃丝包扁铜线绕成。 三相异步电动机的定子绕组是一个三相对称绕组,它由三个完全相同的绕组所组成,一般有6个出线端U1、U2、V1、V2、W1、W2,置于机座外部的接线盒内,根据需要接成星形(Y)或三角形()。 3)机座 机座的作用是固定定子铁芯和定子绕组,并通过两侧的端盖和轴承来支撑电动机转子。同时可保护整台电机的电磁部分和发散电机运行中产生的热量。,上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,4)端盖 借助置于端盖内的滚动轴承可将电动机转子和机座连成一个整体。端盖一般均为铸钢件,微型电动机则用铸铝件。 2. 转子部分 转子主要由转子铁芯、转子绕组和转轴三部分组成。整个

15、转子靠端盖和轴承支撑着。转子的主要作用是产生感应电流,形成电磁转矩,以实现机电能量的转换。 1)转子铁芯 转子铁芯是电机磁路的一部分,一般也用0.5mm 厚的硅钢片叠成,硅钢片外圆冲有均匀分布的孔,用来安置转子绕组。通常都是用定子铁芯冲落后的硅钢片来冲制转子铁芯。一般小型异步电动机的转子铁芯直接压装在转轴上,而大、中型异步电动机(转子直径在300mm 以上)的转子铁芯则借助于转子支架压在转轴上。,上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,2)转子绕组 转子绕组用来切割定子旋转磁场,产生感应电动势和电流,并在旋转磁场的作用下受力而使转子转动。根据转子绕组的结构型式,异步电动机

16、分为笼型转子和绕线转子两种。 (1)笼型转子:在转子铁芯的每一个槽中,插入一根裸导条,在铁芯两端分别用两个短路环把导条连接成一个整体,形成一个自身闭合的多相对称短路绕组。如去掉转子铁芯,整个绕组犹如一个“松鼠笼子”,因此被称为笼型转子,如图4.9所示。大型电动机则采用铜导条转子结构,如图4.9 (a)所示。中、小型电动机的笼型转子一般都采用铸铝的,如图4.9 (b)所示。,上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,(2)绕线转子:绕线转子绕组与定子绕组相似,它在绕线转子铁芯的槽内嵌有绝缘导线组成的三相绕组,一般做星形联结,三个端头分别接在与转轴绝缘的三个滑环上,再经一套电刷

17、引出来与外电路相连,如图4.10所示。 3)转轴 转轴是支撑转子铁芯和输出转矩的部件,一般用强度和刚度较高的低碳钢制成。 3. 气隙 异步电动机的气隙是均匀的。气隙大小对异步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,励磁电流也就越大,而励磁电流又属无功性质,它会影响电网的功率因数,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数值,中、小型电机一般为0.21.5mm。,上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,4.2.2 异步电动机的铭牌 在三相异步电动机的机座上均装有一块铭牌,如图4.11所示。铭牌上都标注了电动机的型号、额定值和额定运行

18、情况下的有关技术数据。在铭牌上所规定的额定值和工作条件下运行,称为额定运行。 下面对铭牌中的型号、额定值(电压、电流、功率、频率、转速)、接法及电机的防护等级等分别加以叙述: 1. 型号 异步电动机的型号主要包括产品代号、设计序号、规格代号和特殊环境代号等,产品代号表示电机的类型,用大写印刷体的汉语拼音字母表示,如Y表示异步电动机,YR表示绕线转子异步电动机。设计序号指电动机产品设计的顺序,用阿拉伯数字表示。规格代号用中心高、铁芯外径、机座号、机座长度、铁芯长度、功率、转速或极数表示。,上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,2. 额定值 额定值是制造厂规定的电机在额定工

19、作条件下的量值,是选用、安装和维护电动机的依据。 1)额定电压UN 额定电压是指在额定运行状态下运行时,加在电动机定子绕组上的线电压值,单位为V或kV。 2)额定电流IN 额定电流是指在额定运行状态下运行时,流入电动机定子绕组中的线电流值,单位为A或kA。 3)额定功率PN 额定功率是指在额定状态下运行时,转子轴上输出的机械功率,单位为w或kw。,上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,4)额定频率fN 在额定状态下运行时,电机定子侧电压的频率称为额定频率,单位为Hz。我国电网fN=50Hz。 5)额定转速nN 额定转速指在额定状态下运行时电动机的转速,单位为r/min。

20、 3. 接法 接法是指在额定电压下运行时定子绕组的接线方法,电动机定子三相绕组有星形连接和三角形连接两种。 4. 防护等级 电动机外壳防护等级的标志,是以字母“IP”和后面的两位数字表示的。“IP”为国际防护的缩写。IP后面第一位数字代表第一种防护型式(防尘)的等级,共分06七个等级。第二个数字代表第二种防护型式(防水)的等级,共分08九个等级,数字越大,表示防护的能力越强。,上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,4.2.3 三相异步电动机的主要系列简介 我国统一设计和生产的异步电动机经历了三次换代。第一次是1953年设计的J系列和JO系列;第二次是1958年设计的J2

21、系列和JO2系列;第三次是20世纪70年代设计的Y系列,从20世纪80年代开始,Y (IP23)系列替代J2系列,Y (IP44)系列替代JO2系列。 Y系列产品效率高、节能、启动转矩大、噪声低、振动小,其性能指标、规格参数和安装尺寸等完全符合国际电工委员会(IEC)标准,便于进出口产品的配套。常用Y 系列三相异步电动机的型号、结构特点如表4.1所示。,上一页,返回,4.3 三相异步电动机的运行,4.3.1 电磁转矩 异步电动机的电磁转矩是由主磁通与转子电流相互作用产生的,它的大小和电磁场传递的电磁功率成正比,即与主磁通及转子电流的有功分量的乘积成正比。电磁转矩的物理表达式为 物理表达式虽然反

22、映了异步电动机电磁转矩产生的物理本质,但并没有直接反映出电磁转矩与电动机参数之间的关系,更没有明显地表示电磁转矩与转速之间的关系。,下一页,返回,4.3 三相异步电动机的运行,4.3.2 空载运行和负载运行 1. 空载运行 三相异步电动机的空载运行是指电动机的定子绕组接三相交流电源,轴上不带机械负载时的运行状态。 根据磁通经过的路径和性质的不同,异步电动机的磁通可分为主磁通和漏磁通两大类。 1)主磁通 当三相异步电动机定子绕组通三相对称交流电时,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,用0 表示。其路径为:定子铁芯气隙转子铁芯气隙定

23、子铁芯,构成闭合磁路。,上一页,下一页,返回,4.3 三相异步电动机的运行,2)漏磁通 除主磁通外的磁通称作漏磁通,用 表示。漏磁通仅与定子绕组相交链,因此不能起能量转换的媒介作用,并且主要通过空气闭合,受磁路饱和的影响较小,在一定条件下,漏磁通的磁路可以看成线性磁路。 3)空载电流和空载磁动势 当电动机空载,定子三相绕组接到对称的三相电源时,在定子绕组中流过的电流称为空载电流I0,其大小约为额定电流的20%50%。三相空载电流将产生一个旋转磁动势,称为空载磁动势,用F0 表示。 空载电流I0 由两部分组成:一部分专门用来产生主磁通0 的无功分量I0Q,另一部分专门用来供给铁芯损耗的有功分量电

24、流I0P。即,上一页,下一页,返回,4.3 三相异步电动机的运行,4)电磁关系 2. 负载运行 负载运行是指异步电动机的定子外施对称三相电压,转子带上机械负载时的运行状态。,上一页,下一页,返回,4.3 三相异步电动机的运行,其电磁关系如下:,上一页,下一页,返回,4.3 三相异步电动机的运行,4.3.3 机械特性 1. 机械特性参数表达式 前面介绍的物理表达式虽然反映了异步电动机电磁转矩产生的物理本质,但并没有直接反映出电磁转矩与电动机参数之间的关系,更没有明显地表示电磁转矩与转速之间的关系,因此,分析或计算异步电动机的机械特性时,一般不采用物理表达式,而是采用下面介绍的参数表达式。,上一页

25、,下一页,返回,4.3 三相异步电动机的运行,2. 固有机械特性 三相异步电动机的固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下,按规定的接线方式接线,定子和转子电路不外接电阻或电抗时的机械特性。当电机处于电动机运行状态时,其固有机械特性如图4.13所示。 为了描述机械特性的特点,下面对固有特性上的几个特殊点进行说明。 1)启动点A 电动机接通电源开始启动瞬间,其工作点位于A 点,此时;n=0,s=1,Tem=Tst,定子电流I1=Ist=(47)IN (IN 为额定电流)。,上一页,下一页,返回,4.3 三相异步电动机的运行,2)最大转矩点B B 点是机械特性曲线中线性段(D B )与非线性段

26、(BA)的分界点,此时:s=sm,Tem =Tm。通常情况下,电动机在线性段上工作时是稳定的,而在非线性段上工作时是不稳定的,所以B 点也是电动机稳定运行的临界点,临界转差率sm 也是由此而得名。 3)额定运行点C 电动机额定运行时,工作点位于C 点,此时:n=nN,s=sN,Tem =TN,I1=IN。额定运行时转差率很小,一般sN =0.010.06,所以电动机的额定转速nN 略小于同步转速n1,这也说明了固有特性的线性段为硬特性。,上一页,下一页,返回,4.3 三相异步电动机的运行,4)同步转速点D D 点是电动机的理想空载点,即转子转速达到了同步转速。此时:n=n1,s=0,Tem=0

27、,转子电流I2=0,显然,如果没有外界转矩的作用,异步电动机本身不可能达到同步转速点。 3. 人为机械特性 三相异步电动机的人为机械特性是指人为地改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。由电磁转矩的参数表达式可知,人为地改变任何一个可以改变的参数(U1、f1、p、r1、X1、r2、X2等),都可以得到不同的人为机械特性。这里介绍两种常见的人为特性。,上一页,下一页,返回,4.3 三相异步电动机的运行,1)降低定子电压时的人为特性 如果异步电动机的其他条件都与固定特性时相同,仅人为地降低定子电压U1 时,Tem(包括Tst和Tm)与U21成正比减小,sm 和n1 与U1 无关而保持不变。因此,

28、降低定子电压的人为机械特性是一组通过同步点的曲线族。图4.14绘出U1=UN 的固有机械特性和U1=0.8UN 及U1=0.5UN 时的人为机械特性。 2)转子电路串接对称电阻时的人为机械特性 在绕线转子异步电动机的转子三相电路中,可以串接三相对称电阻Rs。其人为机械特性为一组通过同步点的曲线族,如图4.15所示。 由图4.15可见,在一定范围内增加转子电阻,可以增大电动机的启动转矩。当所串接的电阻使其sm=1时,对应的启动转矩将达到最大转矩,如果再增大转子电阻,启动转矩反而会减小。另外,转子串接对称电阻后,其机械特性曲线线性段的斜率增大,特性变软。,上一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动

29、,4.4.1 三相笼型异步电动机的启动 三相笼型异步电动机的启动方法有:直接启动、降压启动和软启动三种启动方法。下面分别进行介绍。 1. 直接启动 利用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压的电网上,这种启动方法称为直接启动,也称全压启动。直接启动是一种最简单的启动方法,不需要复杂的启动设备。但是,它的启动电流大,因为启动时n=0,s=1,转子电动势很大,所以转子电流很大,根据磁动势平衡关系,定子电流也必然很大。对于普通笼型异步电动机,启动电流可达额定电流的47倍。,下一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动,2. 降压启动 降压启动是指电动机在启动时降低加在定子绕组上的电压,待电动机

30、转速上升到一定数值时,再使电动机承受额定电压,保证电动机在额定电压下稳定工作。降压启动虽然能降低电动机启动电流,但由于启动转矩与电压的平方成正比,因此降压启动时电动机的启动转矩减小较多,所以降压启动只适用于电动机空载或轻载启动。下面介绍几种常见的降压启动方法及其控制线路。 1)定子绕组串电阻或电抗器的降压启动 (1)定子绕组串电阻降压启动的工作原理。 电动机启动时在定子绕组中串接电阻,使定子绕组的电压降低,从而限制了启动电流。,上一页,下一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动,待电动机转速接近额定转速时,再将串接电阻短接,使电动机在额定电压下正常运行。这种启动方式由于不受电动机接线形式的限制

31、,结构简单、经济,故获得了广泛应用。 (2)线路的工作原理。 图4.16 (b)为定子绕组串电阻降压启动的控制线路。该线路利用时间继电器控制降压电阻的切除。时间继电器的延时时间按启动过程所需时间整定。当合上刀开关QS,按下启动按钮SB2时,KM1立即通电吸合,使电动机在串接定子电阻的情况下启动,与此同时,时间继电器KT通电开始计时,当达到时间继电器的整定值时,其延时闭合的动合触点闭合,使KM2线圈通电,KM2的主触点闭合,将启动电阻短接,电动机在额定电压下进入稳定的正常运转状态。,上一页,下一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动,由图4.16 (b)可以看出,线路在启动结束后,KM1、KT

32、线圈一直通电,这不仅会消耗电能,而且会减少电器的使用寿命,这是不必要的。图4.16 (c)是在此控制线路图上进行改进得到的。方法是:在接触器KM1和时间继电器KT的线圈电路中串入KM2的动断触点,KM2有自锁触点,如图4.16 (c)所示。这样当KM2线圈通电时,其动断触点断开使KM1、KT线圈断电。 2)星形-三角形降压启动 对于正常运行时定子绕组接成三角形的三相笼型电动机,可采用星形-三角形降压启动方法来达到限制启动电流的目的。Y系列的笼型异步电动机容量4.0kW 以上者均为三角形连接,都可以采用星形-三角形启动的方法。,上一页,下一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动,(1)星形-三角

33、形降压启动的工作原理。 在启动时,先将电动机定子绕组接成星形,使电动机每相绕组承受的电压为电源的相电压,是额定电压的1/3,启动电流为三角形直接启动时电流的1/3;当转速上升到接近额定转速时,再将定子绕组接线方式由星形改接成三角形,电动机就可进入全电压正常运行状态。 (2)三接触器式星形-三角形降压启动控制线路。 三接触器式星形-三角形降压启动的控制线路如图4.17所示。图中UU、VV、WW为电动机的三相绕组,当KM3的动合触点闭合,KM2的动合触点断开时,相当于U、V、W连接在一起,为星形连接;当KM3的动合触点断开,KM2的动合触点闭合时,相当于U与V、V 与W、W 与U连接在一起,三相绕

34、组头尾相连接,为三角形连接。,上一页,下一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动,线路的工作原理分析:当合上刀开关QS以后,按下启动按钮SB2,接触器KM1线圈、KM3线圈以及通电延时型时间继电器KT 线圈通电,电动机接成星形启动;同时通过KM1的动合辅助触点自锁,时间继电器开始定时。当电动机接近于额定转速,即时间继电器KT延时时间已到,KT延时断开的动断触点断开,切断KM3线圈电路,KM3断电释放,其主触点和辅助触点复位;同时,KT延时闭合的动合触点闭合,使KM2线圈通电自锁,主触点闭合,电动机连接成三角形运行。时间继电器KT 线圈也因KM2动断触点断开而失电,时间继电器的触点复位,为下一次

35、启动做好准备。图中的KM2、KM3动断触点是联锁控制,防止KM2、KM3线圈同时通电而造成电源短路。 图4.17所示的控制线路适用于电动机容量较大(一般为13kW 以上)的场合。当电动机的容量较小(413kW)时,通常采用两个接触器的星形-三角形降压启动控制线路。,上一页,下一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动,3)自耦变压器降压启动 电动机在启动时,先经自耦变压器降压,限制启动电流,当转速接近额定转速时,切除自耦变压器转入全压运行。 (1)自耦变压器降压启动的工作原理。 启动时将电动机定子绕组接到自耦变压器的二次侧。这样,电动机定子绕组得到的电压即为自耦变压器的二次电压,改变自耦变压器抽

36、头的位置可以获得不同的启动电压。由电动机原理可知:当利用自耦变压器将启动电压降为额定电压的1/K 时,启动电流减小到1/K,同时,启动转矩也降为直接启动的1/K。因此,自耦变压器降压启动常用于空载或轻载启动。 在 实际应用中,自耦变压器一般有65%、85%等抽头。当启动完毕时,自耦变压器被切除,额定电压(即自耦变压器的一次电压)直接加到电动机的定子绕组上,电动机进入全电压正常运行状态。,上一页,下一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动,(2)自耦变压器降压启动控制线路的工作原理。 图4.18为自耦变压器降压启动的控制线路。其中,自耦变压器按星形连接,KM1、KM2为降压接触器,KM3为正常运

37、行接触器,KT为时间继电器,KA 为中间继电器。 合上电源开关QS,按下启动按钮SB2,KM1、KM2 的线圈及KT 的线圈通电并通过KM1的动合辅助触点自锁,KM1、KM2的主触点将自耦变压器接入,电动机定子绕组经自耦变压器供电进行降压启动。同时,时间继电器KT开始延时。当电动机转速上升到接近额定转速时,对应的KT延时结束,其延时闭合的动合触点闭合,中间继电器KA 通电并自锁,KA 的动断触点断开使KM1、KM2、KT的线圈均断电,将自耦变压器切除,KA 的动合触点闭合使KM3线圈通电,主触点接通电动机主电路,电动机在全电压下运行。,上一页,下一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动,3.

38、软启动 前面介绍的几种减压启动方法都属于有级启动,启动的平滑性不高。软启动是指电动机在启动过程中,装置输出电压按一定规律上升,被控电动机电压由起始电压平滑地升到全电压,其转速随控制电压变化而发生相应的软性变化,即由零平滑地加速至额定转速的全过程,称为软启动。软启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电动机控制装置,国外称为SoftStarter。应用软启动器可以实现笼型异步电动机的无级平滑软启动。软启动器可分为磁控式与电子式两种。磁控式软启动器现已被先进的电子软启动器取代。,上一页,下一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动,4.4.2 三相绕线转子异步电动机的启动

39、 1. 转子绕组串电阻启动控制线路 在启动前,启动电阻全部接入电路中。在启动过程中,启动电阻被逐级地短接切除,正常运行时所有外接启动电阻全部切除。 图4.19所示为时间原则控制线路,KM1KM3为短接转子电阻接触器,KM4为电源接触器,KT1、KT2、KT3为时间继电器。启动完毕正常运行时,线路仅KM3、KM4通电工作,其他电器全部停止工作,这样既节省了电能,又能延长电器使用寿命,提高了电路工作的可靠性。为防止由于机械卡阻等原因使接触器KM1、KM2、KM3不能正常工作,使启动时仅带部分电阻或不带电阻,造成冲击电流过大,损坏电动机,采用将KM1、KM2、KM3三个辅助动断触点串接于启动回路中的

40、方法来消除这种故障的影响。,上一页,下一页,返回,4.4 三相异步电动机的启动,2. 转子绕组串频敏变阻器的启动控制线路 绕线式异步电动机转子串电阻的启动方法,由于在启动过程中逐渐切除转子电阻,在切除的瞬间电流及转矩会突然增大,产生一定的机械冲击力。如果想减小电流的冲击,必须增加电阻的级数,这将使控制线路复杂,工作性能不可靠,而且启动电阻的体积较大。 频敏变阻器的阻抗能够随着电动机转速的上升、转子电流频率的下降而自动减小,所以它是绕线式异步电动机较为理想的一种启动装置,常用于较大容量的绕线式异步电动机的启动控制。,上一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,4.5.1 变极调速 改变定子绕组的极

41、对数,通常用改变定子绕组的接线方式来实现。由于只有定子和转子具有相同的极数时,电动机才具有恒定的电磁转矩,才能实现机电能量的转换,因此,在改变定子极数的同时,必须同时改变转子的极数,因笼型电动机的转子极数能自动地跟随定子极数的变化,所以变极调速只用于笼型电动机。 1. 变极调速的原理 双速电动机的变速是通过改变定子绕组的连接来改变磁极对数,从而实现转速的改变。,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,如图4.20所示为4/2极的双速电动机定子绕组的接线示意图。电动机定子绕组有六个接线端,分别为U1、V1、W1、U2、V2、W2。图4.20 (a)是将电动机定子绕组的U1、V1、W1三个接线端

42、接三相交流电源,而将电动机定子绕组的U2、V2、W2三个接线端悬空,三相定子绕组按三角形接线,此时每个绕组中的、线圈相互串联,电流方向如图4.20(a)中的箭头所示,电动机的极数为4极。如果将电动机定子绕组的U2、V2、W2三个接线端子接到三相电源上,而将U1、V1、W1三个接线端子短接,则原来三相定子绕组的三角形连接变成双星形连接,此时每相绕组中的、线圈相互并联,电流方向如图4.20 (b)中箭头所示,于是电动机的极数变为2极。注意观察两种情况下各绕组的电流方向。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,2. 双速电动机控制线路 4/2极双速异步电动机的控制线路如图4.21所示。

43、该线路利用开关S进行高低速转换。当开关S处在低速L位置时,接触器KM3线圈通电,KM3的主触点闭合,将定子绕组的接线端U1、V1、W1接到三相电源上,而此时由于KM1、KM2动合触点不闭合,所以电动机定子绕组按三角形接线,电动机低速运行。在变极时,将电动机的两个出线端U2、W2对调。 当开关S处在高速位置H 时,线路的工作原理分析如下: (1)时间继电器KT首先通电,其瞬动动合触点闭合,接触器KM3线圈通电,主触点闭合,将电动机接成三角形做低速启动。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,(2)经过一段时间延时后,KT 延时断开的动断触点断开,KM3线圈断电,其触点复位。而KT延时

44、闭合的动合触点闭合,使KM2的线圈通电,KM2的主触点闭合将U1、V1、W1连接在一起,同时通过KM2的动合触点闭合使KM1线圈通电,KM1的主触点闭合使电动机以双星形连接高速运行。 通过本线路可以实现变极调速电动机的控制,在实际应用中,首先必须正确识别电动机的各接线端子,这一点是很重要的。变极多速电动机主要用于驱动某些不需要平滑调速的生产机械,如冷拔拉管机、金属切削机床、通风机、水泵和升降机等。在某些机床上,采用变极调速与齿轮箱调速相配合,可以较好地满足生产机械对调速的要求。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,4.5.2 变频调速 变频调速原理是将电网电压提供的恒压恒频交流电

45、转换为变压变频的交流电,它是通过平滑改变异步电动机的供电频率f 来调节异步电动机的同步转速n0,从而实现异步电动机的无级调速。这种调节同步转速n0 的方法,可以由高速到低速保持有限的转差率,效率高、调速范围大、精度高,是交流电动机一种比较理想的调速方法。 1. 电压随频率调节的规律 根据转速公式可知,当转差率s 变化不大时,连续调节电源频率,就可以平滑地改变电动机的转速。但是在工程实践中,仅仅改变电源频率,不能得到满意的调速特性,其原因可分析如下。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,若端电压U1 不变,则当电源频率f1 减小时,主磁通1 将增加,使磁路过分饱和,励磁电流增大,铁

46、芯损耗增大,效率降低,功率因数降低,使电动机不能正常工作;而当电源频率f1 增大时,1 将减少,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。 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,也成比例地降低电源电压,保持U1/f1=常数,使1 基本恒定。当电源频率f1 增大时,由于电源电压不能大于电动机的额定电压,因此电压U1 不能随频率成比例升高,只能保持额定值不变,这样使得电源频率f1 升高时,主磁通1 将减小,相当于电动机弱磁调速。 变频调速时,U1 与f1 的调节规律是和负载性质有关的,通常分为恒转矩变频调速和恒功率变频调速两种情况。,上一页,下一

47、页,返回,4.5 三相异步电动机调速,以电动机的额定频率f1N为基准频率,变频调速时电压随频率的调节规律以基频为分界线的,可分以下两种情况: 1)在基频以下调速 保持U1/f1 为常数,即恒转矩调速。当f1 减小时,最大转矩Tm 不变,启动转矩Tst增大,临界点转速降nm 不变。因此,机械特性随频率的降低而向下平移,如图4.22中虚线所示。实际上,由于定子电阻r1 的存在,随着f1 降低,Tm 将减小,当f1 很低时,Tm减小很多,如图4.22中实线所示。 为保证电动机在低速时有足够大的Tm 值,U1 应比f1 降低的比例小一些,使U1/f1 的值随f1 的降低而增加,这样才能获得图4.22中

48、虚线所示的机械特性。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,2)在基频以上调速 频率从f1N往上增高,但电压U1 却不能增加得比额定电压U1N还大,最多只能保持U1=U1N,Tm 和Tst均随频率f1 的增高而减小,nm 保持不变,其机械特性如图4.23所示。这种调速近似为恒功率调速,相当于直流电动机弱磁调速的情况。 2. 变频装置简介 实现交流电动机调速的装置即交流变频调速器(简称变频器),是一种采用模块化结构,集数字技术、计算机技术和现代自动控制技术于一体的智能型交流电动机调速装置。变频器具有转矩大、精度高、噪声低、功能齐全、运行可靠、操作简单、维护方便、节约能源等特点,广泛应

49、用于钢铁、石油、化工、机械、电子等行业,实现自动控制和能源节约等。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,1)变频调速原理 变频调速原理是将电网电压提供的恒压恒频交流电转换为变压变频的交流电,它是通过平滑改变异步电动机的供电频率f 来调节异步电动机的同步转速n0,从而实现异步电动机的无级调速。这种调节同步转速n0 的方法,可以由高速到低速保持有限的转差率,效率高、调速范围大、精度高,是交流电动机一种比较理想的调速方法。 由于电动机每极气隙磁通主要受到电源频率的影响,所以在实际调速控制中要保持定子电压与其频率之比为常数这一基本原则。 2)变频器的基本构成 变频器已经有几十年的发展历史

50、,曾经出现过多种类型的变频器。但是,目前市场上的主流变频器,其基本结构类似,如图4.24所示。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极(基极)驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分,也是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的高低。控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路,使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极(基极)驱动信号,并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。 异步电动机变频调速的主要特点是可以实现无级(平滑)调速,调速范围宽,且可实现恒功率调速或恒转矩调速,但其需要一套变频调速电

51、源及控制、保护装置,价格较贵。随着技术水平的提高,变频调速将获得很快发展。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,4.5.3 变转差率调速 1. 绕线转子电动机的转子回路串接电阻调速绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻调速的机械特性如图4.25所示。 当电动机转子电路不串附加电阻,拖动恒转矩负载TL=TN 时,电动机稳定运行在A 点,转速为nA。若转子电路串入Rp1时,串电阻的瞬间,转子转速不变,转子电流I2 减小,电磁转矩也减小,因此电动机开始减速,转差率增大,使转子电动势、转子电流和电磁转矩均增大,直到B 点满足Tem=TL 为止,此时电动机将以转速nB 稳定运行,显然nBnA

52、。若转子电路所串电阻增大到Rp2和Rp3时,电动机将分别以转速nC 和nD 稳定运行。显然,转子电路所串电阻越大,稳定运行转速越低,机械特性越软。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,2. 绕线转子电动机的串级调速 在负载转矩不变的条件下,异步电动机的电磁功率Pem =Tem1=常数,转子铜损耗PCu2=sPem与转差率成正比,所以转子铜损耗又称为转差功率。转子串接电阻调速时,转速调得越低,转差功率越大、输出功率越小、效率就越低,所以转子串接电阻调速很不经济。 如果在转子回路中不串接电阻,而是串接一个与转子电动势E2s同频率的附加电动势Ead (见图4.26),通过改变Ead的幅

53、值和相位,同样也可实现调速。这种在绕线转子异步电动机转子回路串接附加电动势的调速方法称为串级调速。 串级调速完全克服了转子串电阻调速的缺点,它具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,串级调速时的机械特性如图4.27所示。由图可见,当Ead与E2s同相位时,机械特性基本上是向右上方移动;当Ead与E2s反相位时,机械特性基本上是向左下方移动。因此机械特性的硬度基本不变,但低速时的最大转矩和过载能力降低,启动转矩也减小。 3. 调压调速 改变定子电压时的异步电动机机械特性如图4.28所示。当定子电压降低时,电动机的同步转速n1 和临界

54、转差率sm 均不变,但电动机的最大电磁转矩和启动转矩均随着电压平方关系减小。对于通风机负载(图4.28中特性1),电动机在全段机械特性上都能稳定运行,在不同电压下的稳定工作点分别为a1、b1、c1,所以,改变定子电压可以获得较低的稳定运行速度。对于恒转矩负载(图4.28中特性2),电动机只能在机械特性的线性段(0ssm)稳定运行,在不同电压时的稳定工作点分别为a2、b2、c2,显然电动机的调速范围很窄。,上一页,下一页,返回,4.5 三相异步电动机调速,异 步电动机的调压调速通常应用在专门设计的具有较大转子电阻的高转差率异步电动机上,这种电动机的机械特性如图4.29所示。由图可见,即使恒转矩负

55、载,改变电压也能获得较宽的调速范围。但是,这种电动机在低速时的机械特性太软,其静差率和运行稳定性往往不能满足生产工艺的要求。因此,现代的调压调速系统通常采用速度反馈的闭环控制,以提高低速时机械特性的硬度,从而在满足一定的静差率条件下,获得较宽的调速范围,同时保证电动机具有一定的过载能力。 调压调速既非恒转矩调速,也非恒功率调速,它最适用于转矩随转速降低而减小的负载(如通风机负载),也可用于恒转矩负载,最不适用于恒功率负载。,上一页,返回,4.6 三相异步电动机的制动,4.6.1 能耗制动 1. 能耗制动原理 异步电动机的能耗制动接线图如图4.30 (a)所示。制动时,接触器触点S1断开,电动机

56、脱离电网,同时触点S2闭合,在定子绕组中通入直流电流(称为直流励磁电流),于是定子绕组便产生一个恒定的磁场。转子因惯性而继续旋转并切割该恒定磁场,转子导体中便产生感应电动势及感应电流。由图4.30 (b)可以判定,转子感应电流与恒定磁场作用产生的电磁转矩为制动转矩,因此转速迅速下降,当转速下降至零时,转子感应电动势和感应电流均为零,制动过程结束。此制动方法是将电动机旋转的动能转变为电能,消耗在转子回路电阻上,故称为能耗制动。,下一页,返回,4.6 三相异步电动机的制动,机械特性表达式的推导比较复杂,其曲线形状与接到交流电网上正常运行时的是相似的,只是它要通过坐标原点,如图4.31所示。图中曲线

57、1和曲线2具有相同的转子电阻,但曲线2比曲线1具有较大的直流励磁电流;曲线1和曲线3具有相同的直流励磁电流,但曲线3比曲线1具有较大的转子电阻。 由图4.31可见,转子电阻较小时(曲线1),初始制动转矩比较小。对于笼型异步电动机,为了增大初始制动转矩,就必须增大直流励磁电流(曲线2)。对绕线转子异步电动机,可以采用转子串电阻的方法来增大初始制动转矩(曲线3)。 2. 按速度原则控制的能耗制动控制线路 图4.32为按速度原则控制的笼型异步电动机可逆运行能耗制动控制线路。图中,KM1、KM2分别为正、反转接触器,KM3为制动接触器,KS为速度继电器,KS1、KS2分别为正、反转时对应的动合触点。,

58、上一页,下一页,返回,4.6 三相异步电动机的制动,启动时,合上电源开关QS,根据需要按下正转按钮或反转按钮,相应的接触器KM1或KM2线圈通电并自锁,电动机正转或反转,此时速度继电器触点KS1或KS2闭合。 需要停机时,按下停机按钮SB1,使KM1或KM2线圈断电,SB1的动合触点闭合,接触器KM3线圈通电动作并自锁,电动机定子绕组接通直流电源进行能耗制动,转速迅速下降。 当转速下降到100r/min时,速度继电器KS的动合触点KS1或KS2断开,KM3线圈断电,能耗制动结束,以后电动机自由停机。 能耗制动的特点是制动电流较小,能量损耗小,制动准确,但它需要直流电源,制动速度较慢,所以能耗制

59、动适用于要求平稳制动的场合,也可应用于起重机一类带位能性负载的机械上,用来限制重物下降的速度,使重物保持匀速下降。,上一页,下一页,返回,4.6 三相异步电动机的制动,4.6.2 反接制动 当异步电动机转子的旋转方向与定子磁场的旋转方向相反时,电动机便处于反接制动状态。它有两种情况,一是在电动状态下突然将电源的任意两相反接,使定子旋转磁场的方向反向,这种制动称为电源反接制动;二是保持定子磁场的转向不变,而转子在位能负载作用下进入倒拉反转,这种制动称为倒拉反接制动。 1. 电源反接制动 实现电源反接制动的方法是将三相异步电动机任意两相定子绕组的电源进线对调。这种制动类似于他励直流电动机的电压反接制动。,上一页,下一页,返回,4.6 三相异步电动机的制动,反接制动前,设电动机处于正向电动状态,以速度n 逆时针旋转,拖动负载运行于固有特性曲线上的A 点,如图4.33 (b)所示。当把定子两相绕组出线端对调时如图4.33(a)所示,由于改变了定子电压的相序,所以定子旋转磁场方向变为顺时针方向,电磁转矩方向也随之改变,变为制动性质,其机械特性曲线变为图4.33 (b)中曲线2,其对应的理想空载转速为-n1。 在定子两相反接瞬间,转速来不及变化,工作点由A 点平移到B 点,这时系统在制动的电磁转矩和负载转矩共同作用下迅速减速,工作点沿曲线2移动,当到达C 点时,转速