第4 章三相异步电动机及其控制线路

1、第第 章章 三相异步电动机及其控制线路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运行 . 三相异步电动机的启动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调速 . 三相异步电动机的制动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三相定子绕组的旋转磁场1. 旋转磁场的产生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。在三相异步电

2、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在多相对称绕组中流过多相对称电流时,会产生一会产生一种大小恒定的旋转磁场即圆形旋转磁场。种大小恒定的旋转磁场即圆形旋转磁场。图图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空间彼此互隔120,分布在定子铁芯内圆的圆周上分布在定子铁芯内圆的圆周上,构成了三相对称构成了三相对称绕组。当三

3、相对称绕组接上三相对称电源时绕组。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在绕组中将流过三相对称电流。若各相电流的瞬时表达式称电流。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则各相电流随时间变化的曲线如图图4.2所示。该电源将在定子绕组中所示。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,下面通过下面通过几个特定的瞬间几个特定的瞬间,以窥其全貌。规定以窥其全貌。规定:电流为正值时电流为正值时,电流从每相绕组的电流从每相绕组的首端

4、首端(U1、V1、W1)流进流进,末端末端(U2、V2、W2)流出流出;电流为负值时电流为负值时,电流电流从每相绕组的末端流进从每相绕组的末端流进,首端流出。在表示线圈导线的首端流出。在表示线圈导线的“”内内,用用“”号表示电流流入号表示电流流入,用用“”号表示电流流出。号表示电流流出。观察这些图中合成磁场的分布规律可见观察这些图中合成磁场的分布规律可见:合成磁场的方向按顺时针方合成磁场的方向按顺时针方向旋转向旋转,并旋转了一周。由此可证明并旋转了一周。由此可证明,当三相对称电流通过三相对称绕当三相对称电流通过三相对称绕组时组时,必然产生一个大小不变必然产生一个大小不变,转速一定的旋转磁场。转

5、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三相异步电动机的基本工作原理2. 旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向由图由图4.2可以看出可以看出,流入三相定子绕组的电流流入三相定子绕组的电流iU、iV、iW 是按是按UVW 的相序达到最大值的的相序达到最大值的,产生旋转磁场的旋转方向也是从产生旋转磁场的旋转方向也是从U 相相绕组轴线转向绕组轴线转向V 相绕组轴线相绕组轴线,再转向再转向W 相绕组轴线的相绕组轴线的,即按即按UVW 的顺序旋转的顺序旋转(图中为顺时针方向图中为顺时针方向),即与三相交流电的变化顺序一致。由即与三相交流电的变化顺序一致。由此可以得出结论此可以

6、得出结论:在三相定子绕组空间排序不变的条件下在三相定子绕组空间排序不变的条件下,旋转磁场的旋转磁场的转向取决于三相电流的相序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。若要即从电流超前相转向电流滞后相。若要改变旋转磁场的方向改变旋转磁场的方向,只需将三相电源进线中的任意两相对调即可。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旋转磁场的转速旋转磁场的转速n1 与磁极对数与磁极对数p 之间的关系是一种反比关系之间的关系是一种反比关系,即具有即具有p 对磁极的旋转磁场对磁极的旋转磁场,交流电变化一个周期交流电变化一个周期,磁场转过磁场转过1/p 转。因此具

7、有转。因此具有p 对磁极的旋转磁场的转速为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三相异步电动机的工作原理图图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着对称的三相绕组U1U2、V1V2、W1W2。转子槽内放有导体。转子槽内放有导体,导体导体两端用短路环短接起来两端用短路环短接起来,形成一个笼型的闭合绕组。定子三相绕组可形成一个笼型的闭合绕组。定子

8、三相绕组可接成星形接成星形,也可以接成三角形。也可以接成三角形。如果向定子三相对称绕组通入三相交流电如果向定子三相对称绕组通入三相交流电,就会在电机的气隙中形成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这个旋转磁场的转速n1 称为同称为同步转速。该旋转磁场将切割转子导体步转速。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。其电流方向可用右手定则判定。上

9、一页 下一页返回. 三相异步电动机的基本工作原理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 的作用的作用,其方向由其方向由“左手电动机定则左手电动机定则”确定确定,如图如图4.3中箭头所示中箭头所示,该电磁力该电磁力F 在转子轴上在转子轴上形成电磁转矩形成电磁转矩,其作用方向与旋转磁场方向一致其作用方向与旋转磁场方向一致,拖着转子顺着旋转磁拖着转子顺着旋转磁场的旋转方向旋转场的旋转方向旋转,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上带有机械负载,则机械负载随着电动机

10、的旋转而旋转则机械负载随着电动机的旋转而旋转,电动机对机械电动机对机械负载做了功。负载做了功。综上分析可知综上分析可知,三相异步电动机转动的基本工作原理是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。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转子导体切割旋转磁场,产生感应电动势和电流。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,从而形成电磁转矩从而形成电磁转矩,驱使驱使电动机转子转动。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三相异步电动

11、机的基本工作原理异异 步电动机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致步电动机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致,而旋转磁场而旋转磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序的方向又取决于异步电动机的三相电流相序,因此因此,三相异步电动机的三相异步电动机的转向与电流的相序一致。要改变转向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只要改变电流的相序即可,即任即任意对调电动机的两根电源线意对调电动机的两根电源线,便可使电动机反转。便可使电动机反转。异步电动机的转速恒小于旋转磁场转速异步电动机的转速恒小于旋转磁场转速n1,因为只有这样因为只有这样,转子绕组才转子绕组才能产生电磁转矩能产

12、生电磁转矩,使电动机旋转。如果使电动机旋转。如果n=n1,转子绕组与定子磁场之间转子绕组与定子磁场之间便无相对运动便无相对运动,则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生,可见可见nn0,其转差率范围为其转差率范围为0sn1)的速度并顺旋转的速度并顺旋转磁场方向旋转磁场方向旋转,如图如图4.4 (a)所示。显然所示。显然,此时电磁转矩方向与转子转向此时电磁转矩方向与转子转向相反相反,起着制动作用起着制动作用,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子继续旋转,并保持并保持nn1,电机必须不断从原动机吸收机械

13、功率电机必须不断从原动机吸收机械功率,把机械把机械功率转变为输出的电功率功率转变为输出的电功率,因此称为发电机运行状态。此时因此称为发电机运行状态。此时,nn1,则转则转差率差率s0。上一页 下一页返回. 三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的基本工作原理3)电磁制动状态电磁制动状态异步电机定子绕组仍接至电源异步电机定子绕组仍接至电源,如果用外力拖着电机逆着旋转磁场的如果用外力拖着电机逆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,起制动作用起制动作用,如图如图4.4 (c)所示。电机定子仍从电网吸收电功率所示。电机定子仍从电网吸收

14、电功率,同时转子从外力吸收机械同时转子从外力吸收机械功率功率,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 为负值为负值,即即n1。上一页 下一页返回. 三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的基本工作原理由此可知由此可知,区分这三种运行状态的依据是转差率区分这三种运行状态的依据是转差率s 的大小的大小:(1)当当0s1为电动机运行状态为电动机运行状态;(2)当当-s0为发电机运行状态为发电机运行状态;(3)当当1s+为电磁制动运行状态

15、。为电磁制动运行状态。综上所述综上所述,异步电机可以作为电动机运行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也可以作为发电机运行和电磁制动运行磁制动运行,但一般作为电动机运行但一般作为电动机运行,异步发电机很少使用异步发电机很少使用,电磁制动是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,起重机起重机下放重物时下放重物时,为了安全、平稳为了安全、平稳,需限制下放速度时需限制下放速度时,就使异步电动机短时就使异步电动机短时处于电磁制动状态。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三相异步电动

16、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的基本结构三相异步电动机种类繁多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、封闭型三大类防护方式的不同可分开启型、防护型、封闭型三大类,如图如图4.5所示。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,并能防止并能防止人与物触及电动机带电部位与运动部位人与物触及电动机带电部位与运动部位,运行中安全性好运行中安全性好,因而成为目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

17、同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。分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机。图图4.5为三相笼型异步为三相笼型异步电动机外形图电动机外形图,图图4.6则为绕线转子异步电动机外形图。另外则为绕线转子异步电动机外形图。另外,异步电动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动机;按其外形尺寸及功率的大小可分为大型、中

18、型、小型异步电动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。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的基本结构和铭牌三相异步电动机虽然种类繁多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但基本结构均由定子和转子两大部分组成组成,转子装在定子腔内转子装在定子腔内,定、转子之间有一缝隙定、转子之间有一缝隙,称为气隙。称为气隙。图图4.7为为封闭型三相笼型异步电动机组成部件图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。其主要组成部分如下。1. 定子部分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。定子部分主要由定子铁

19、芯、定子绕组、机座等部分组成。1)定子铁芯定子铁芯定子铁芯是电动机磁路的一部分定子铁芯是电动机磁路的一部分,为减少铁芯损耗为减少铁芯损耗,一般由一般由0.5mm 厚的厚的、导磁性能较好的硅钢片叠压而成、导磁性能较好的硅钢片叠压而成,安放在机座内。在定子铁芯冲有安放在机座内。在定子铁芯冲有嵌放绕组的槽嵌放绕组的槽,故又称为冲片。定子铁芯及定子冲片如故又称为冲片。定子铁芯及定子冲片如图图4.8所示。大所示。大、中型电机常采用扇形冲片拼成一个圆。为了冷却铁芯、中型电机常采用扇形冲片拼成一个圆。为了冷却铁芯,在大容量电在大容量电机中机中,定子铁芯分成很多段定子铁芯分成很多段,每两段之间留有径向通风槽每

20、两段之间留有径向通风槽,作为冷却空气作为冷却空气的通道。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三相异步电动机的基本结构和铭牌2)定子绕组定子绕组定子绕组是电动机的电路部分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,大中型异步电大中型异步电动机定子绕组一般采用漆包扁铜线或玻璃丝包扁铜线绕成。动机定子绕组一般采用漆包

21、扁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,它由三个完全相同它由三个完全相同的绕组所组成的绕组所组成,一般有一般有6个出线端个出线端U1、U2、V1、V2、W1、W2,置于机置于机座外部的接线盒内座外部的接线盒内,根据需要接成根据需要接成星形星形(Y)或三角形或三角形()。3)机座机座机座的作用是固定定子铁芯和定子绕组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

22、热量。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三相异步电动机的基本结构和铭牌4)端盖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盖一般均为铸钢件,微型电动机则用铸铝件。微型电动机则用铸铝件。2. 转子部分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。整个转子靠端盖转子主要由转子铁芯、转子绕组和转轴三部分组成。整个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,形成电磁转矩形成电磁转矩,以实以实现机电能量的转换。现机电

23、能量的转换。1)转子铁芯转子铁芯转子铁芯是电机磁路的一部分转子铁芯是电机磁路的一部分,一般也用一般也用0.5mm 厚的硅钢片叠成厚的硅钢片叠成,硅钢硅钢片外圆冲有均匀分布的孔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接压装在转轴上,而大、中型异步电动机而大、中型异步电动机(转子直径在转子直径在300mm 以上以上)的的转子铁芯则借助于转子支架压在转轴上。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

24、.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌三相异步电动机的基本结构和铭牌2)转子绕组转子绕组转子绕组用来切割定子旋转磁场转子绕组用来切割定子旋转磁场,产生感应电动势和电流产生感应电动势和电流,并在旋转磁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,异步电动异步电动机分为笼型转子和绕线转子两种。机分为笼型转子和绕线转子两种。(1)笼型转子笼型转子:在转子铁芯的每一个槽中在转子铁芯的每一个槽中,插入一根裸导条插入一根裸导条,在铁芯两端分在铁芯两端分别用两个短路环把导条连接成一个整体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

25、对形成一个自身闭合的多相对称短路绕组。如去掉转子铁芯称短路绕组。如去掉转子铁芯,整个绕组犹如一个整个绕组犹如一个“松鼠笼子松鼠笼子”,因此因此被称为笼型转子被称为笼型转子,如如图图4.9所示。大型电动机则采用铜导条转子结构所示。大型电动机则采用铜导条转子结构,如如图图4.9 (a)所示。中、小型电动机的笼型转子一般都采用铸铝的所示。中、小型电动机的笼型转子一般都采用铸铝的,如图如图4.9 (b)所示。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:绕线转子绕组与定子绕组相似绕线转子绕组与定子绕组相似,它在绕线转子铁芯的槽内它在

26、绕线转子铁芯的槽内嵌有绝缘导线组成的三相绕组嵌有绝缘导线组成的三相绕组,一般做星形联结一般做星形联结,三个端头分别接在与三个端头分别接在与转轴绝缘的三个滑环上转轴绝缘的三个滑环上,再经一套电刷引出来与外电路相连再经一套电刷引出来与外电路相连,如如图图4.10所示。所示。3)转轴转轴转轴是支撑转子铁芯和输出转矩的部件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一般用强度和刚度较高的低碳钢制成。碳钢制成。3. 气隙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数影响较大,由于励磁电流由电网供给由

27、于励磁电流由电网供给,气隙越大气隙越大,励磁电流也就越大励磁电流也就越大,而而励磁电流又属无功性质励磁电流又属无功性质,它会影响电网的功率因数它会影响电网的功率因数,因此异步电动机的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、小型电机一中、小型电机一般为般为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在三相异步电动机的机座上均装有一块铭牌,如如图图4.11所示。铭牌上所示。铭牌上都标注了

28、电动机的型号、额定值和额定运行情况下的有关技术数据。都标注了电动机的型号、额定值和额定运行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。称为额定运行。下面对铭牌中的型号、额定值下面对铭牌中的型号、额定值(电压、电流、功率、频率、转速电压、电流、功率、频率、转速)、接、接法及电机的防护等级等分别加以叙述法及电机的防护等级等分别加以叙述:1. 型号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境代号等,产品代号表示电机的类型产品代号表示电机的类型

29、,用大写印刷体的汉语拼音字母表用大写印刷体的汉语拼音字母表示示,如如Y表示异步电动机表示异步电动机,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。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三相异步电动机的基本结构和铭牌2. 额定值额定值额定值是制造厂规定的电机在额定工作条件下的量值额定值是制造厂规定的电机在额定工作条件下的量

30、值,是选用、安装是选用、安装和维护电动机的依据。和维护电动机的依据。1)额定电压额定电压UN额定电压是指在额定运行状态下运行时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加在电动机定子绕组上的线电压值电压值,单位为单位为V或或kV。2)额定电流额定电流IN额定电流是指在额定运行状态下运行时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流入电动机定子绕组中的线电流值电流值,单位为单位为A或或kA。3)额定功率额定功率PN额定功率是指在额定状态下运行时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转子轴上输出的机械功率,单位为单位为w或或kw。上一页 下一页返

31、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的基本结构和铭牌4)额定频率额定频率fN在额定状态下运行时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电机定子侧电压的频率称为额定频率,单位为单位为Hz。我国电网。我国电网fN=50Hz。5)额定转速额定转速nN额定转速指在额定状态下运行时电动机的转速额定转速指在额定状态下运行时电动机的转速,单位为单位为r/min。3. 接法接法接法是指在额定电压下运行时定子绕组的接线方法接法是指在额定电压下运行时定子绕组的接线方法,电动机定子三相电动机定子三相绕组有星形连接和三角形连接两种。绕组有星形连接和三角形连接两种。4. 防护等级防护等级电

32、动机外壳防护等级的标志电动机外壳防护等级的标志,是以字母是以字母“IP”和后面的两位数字表示的和后面的两位数字表示的。“IP”为国际防护的缩写。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后面第一位数字代表第一种防护型式(防尘防尘)的等级的等级,共分共分06七个等级。第二个数字代表第二种防护型式七个等级。第二个数字代表第二种防护型式(防防水水)的等级的等级,共分共分08九个等级九个等级,数字越大数字越大,表示防护的能力越强。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三相异步电动机

33、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年设计的年设计的J系列和系列和JO系列系列;第二次是第二次是1958年设计的年设计的J2系列和系列和JO2系列系列;第三次是第三次是20世纪世纪70年代设计的年代设计的Y系列系列,从从20世纪世纪80年代开始年代开始,Y (IP23)系列替代系列替代J2系列系列,Y (IP44)系列替代系列替代JO2系列。系列。Y系列产品效率高、节能、启动转矩大、噪声低、振动小系列产品效率高、节能、启动转矩大、噪声低、振动小,其性能指标其性能指标、规格参数和安装尺寸等完全符合国际电

34、工委员会、规格参数和安装尺寸等完全符合国际电工委员会(IEC)标准标准,便于进便于进出口产品的配套。常用出口产品的配套。常用Y 系列三相异步电动机的型号、结构特点如系列三相异步电动机的型号、结构特点如表表4.1所示。所示。上一页返回4.3 三相异步电动机的运行三相异步电动机的运行 4.3.1 电磁转矩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,它的它的大小和电磁场传递的电磁功率成正比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分量的乘积成正

35、比。电磁转矩的物理表达式为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,但并没但并没有直接反映出电磁转矩与电动机参数之间的关系有直接反映出电磁转矩与电动机参数之间的关系,更没有明显地表示更没有明显地表示电磁转矩与转速之间的关系。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三相异步电动机的运行 4.3.2 空载运行和负载运行空载运行和负载运行1. 空载运行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。轴上不带

36、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异步电动机的磁通可分为主磁通和漏磁通两大类。和漏磁通两大类。1)主磁通主磁通当三相异步电动机定子绕组通三相对称交流电时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、转子绕组并同时交链于定、转子绕组,这部分磁通称为主磁通这部分磁通称为主磁通,用用?0 表示。其路径为表示。其路径为:定子铁芯定子铁芯气隙气隙转子转子铁芯铁芯气隙气隙定子铁芯定子铁芯,构成闭合磁路。构成闭合磁

37、路。上一页 下一页返回4.3 三相异步电动机的运行三相异步电动机的运行2)漏磁通漏磁通除主磁通外的磁通称作漏磁通除主磁通外的磁通称作漏磁通,用用? 表示。漏磁通仅与定子绕组相交表示。漏磁通仅与定子绕组相交链链,因此不能起能量转换的媒介作用因此不能起能量转换的媒介作用,并且主要通过空气闭合并且主要通过空气闭合,受磁路饱受磁路饱和的影响较小和的影响较小,在一定条件下在一定条件下,漏磁通的磁路可以看成线性磁路。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空载电流和空载磁动势当电动机空载当电动机空载,定子三相绕组接到对称的三相电源时定子三相绕组接到对称的三相电源时,在定子绕组中流在定子绕组中

38、流过的电流称为空载电流过的电流称为空载电流I0,其大小约为额定电流的其大小约为额定电流的20%50%。三相空。三相空载电流将产生一个旋转磁动势载电流将产生一个旋转磁动势,称为空载磁动势称为空载磁动势,用用F0 表示。表示。空载电流空载电流I0 由两部分组成由两部分组成:一部分专门用来产生主磁通一部分专门用来产生主磁通?0 的无功分的无功分量量I0Q,另一部分专门用来供给铁芯损耗的有功分量电流另一部分专门用来供给铁芯损耗的有功分量电流I0P。即。即上一页 下一页返回4.3 三相异步电动机的运行三相异步电动机的运行4)电磁关系电磁关系2. 负载运行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

39、压负载运行是指异步电动机的定子外施对称三相电压,转子带上机械负转子带上机械负载时的运行状态。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三相异步电动机的运行其电磁关系如下其电磁关系如下:上一页 下一页返回4.3 三相异步电动机的运行三相异步电动机的运行 4.3.3 机械特性机械特性1. 机械特性参数表达式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,更没有明更没有明显地表示电磁转矩与

40、转速之间的关系显地表示电磁转矩与转速之间的关系,因此因此,分析或计算异步电动机的分析或计算异步电动机的机械特性时机械特性时,一般不采用物理表达式一般不采用物理表达式,而是采用下面介绍的参数表达式而是采用下面介绍的参数表达式。上一页 下一页返回4.3 三相异步电动机的运行三相异步电动机的运行2. 固有机械特性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特性。当

41、电机处于电动机运行状态时,其固有机械特性如其固有机械特性如图图4.13所示所示。为了描述机械特性的特点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下面对固有特性上的几个特殊点进行说明。1)启动点启动点A电动机接通电源开始启动瞬间电动机接通电源开始启动瞬间,其工作点位于其工作点位于A 点点,此时此时;n=0,s=1,Tem=Tst,定子电流定子电流I1=Ist=(47)IN (IN 为额定电流为额定电流)。上一页 下一页返回4.3 三相异步电动机的运行三相异步电动机的运行2)最大转矩点最大转矩点BB 点是机械特性曲线中线性段点是机械特性曲线中线性段(D B )与非线性段与非线性段

42、(BA)的分界点的分界点,此此时时:s=sm,Tem =Tm。通常情况下。通常情况下,电动机在线性段上工作时是稳定的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而在非线性段上工作时是不稳定的,所以所以B 点也是电动机稳定运行的点也是电动机稳定运行的临界点临界点,临界转差率临界转差率sm 也是由此而得名。也是由此而得名。3)额定运行点额定运行点C电动机额定运行时电动机额定运行时,工作点位于工作点位于C 点点,此时此时:n=nN,s=sN,Tem =TN,I1=IN。额定运行时转差率很小。额定运行时转差率很小,一般一般sN =0.010.06,所以电动机所以电动机的额定转速的额定

43、转速nN 略小于同步转速略小于同步转速n1,这也说明了固有特性的线性段为硬这也说明了固有特性的线性段为硬特性。特性。上一页 下一页返回4.3 三相异步电动机的运行三相异步电动机的运行4)同步转速点同步转速点DD 点是电动机的理想空载点点是电动机的理想空载点,即转子转速达到了同步转速。此时即转子转速达到了同步转速。此时:n=n1,s=0,Tem=0,转子电流转子电流I2=0,显然显然,如果没有外界转矩的作用如果没有外界转矩的作用,异步异步电动机本身不可能达到同步转速点。电动机本身不可能达到同步转速点。3. 人为机械特性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参三相异

44、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,人为地改变任人为地改变任何一个可以改变的参数何一个可以改变的参数(U1、f1、p、r1、X1、r2、X2等等),都可以得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。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三相异步电动机的运行1)降低定子电压时的人为特性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,仅人为地降低定子仅人

45、为地降低定子电压电压U1 时时,Tem(包括包括Tst和和Tm)与与U21成正比减小成正比减小,sm 和和n1 与与U1 无无关而保持不变。因此关而保持不变。因此,降低定子电压的人为机械特性是一组通过同步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。图点的曲线族。图4.14绘出绘出U1=UN 的固有机械特性和的固有机械特性和U1=0.8UN 及及U1=0.5UN 时的人为机械特性。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可以串接三相对称电阻R

46、s。其人为机械特性为一组通过同步点的曲线族。其人为机械特性为一组通过同步点的曲线族,如如图图4.15所示。所示。由图由图4.15可见可见,在一定范围内增加转子电阻在一定范围内增加转子电阻,可以增大电动机的启动转可以增大电动机的启动转矩。当所串接的电阻使其矩。当所串接的电阻使其sm=1时时,对应的启动转矩将达到最大转矩对应的启动转矩将达到最大转矩,如如果再增大转子电阻果再增大转子电阻,启动转矩反而会减小。另外启动转矩反而会减小。另外,转子串接对称电阻后转子串接对称电阻后,其机械特性曲线线性段的斜率增大其机械特性曲线线性段的斜率增大,特性变软。特性变软。上一页返回4.4 三相异步电动机的启动三相异

47、步电动机的启动 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三相笼型异步电动机的启动方法有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。种启动方法。下面分别进行介绍。1. 直接启动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也称全压启动。直接启动是一种最简单的启动方法的启动方法,不需要复杂的启动设备。但是不需要复杂的启动设备。但是,它的启动电流

48、大它的启动电流大,因为启动因为启动时时n=0,s=1,转子电动势很大转子电动势很大,所以转子电流很大所以转子电流很大,根据磁动势平衡关系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,启动电流可达额定启动电流可达额定电流的电流的47倍。倍。下一页返回4.4 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动2. 降压启动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,待电动机待电动机转速上升到一定数值时转速上升到一定数值时,再使电动机承受额定电压再使电动机承受额定电压,保证电动机在额定

49、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,但由于启动但由于启动转矩与电压的平方成正比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因此降压启动时电动机的启动转矩减小较多多,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。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。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

50、电阻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使定子绕组的电压降低,从而限从而限制了启动电流。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三相异步电动机的启动待电动机转速接近额定转速时待电动机转速接近额定转速时,再将串接电阻短接再将串接电阻短接,使电动机在额定电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,结构结构简单、经济简单、经济,故获得了广泛应用。故获得了广泛应用。(2)线路的工作原理。线路的工作原理。图图4.16 (b)为定子绕组串电阻降压启动的控制线路。该线路利用时间为定子绕组

51、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。当合上刀开关时间整定。当合上刀开关QS,按下启动按钮按下启动按钮SB2时时,KM1立即通电吸合立即通电吸合,使电动机在串接定子电阻的情况下启动使电动机在串接定子电阻的情况下启动,与此同时与此同时,时间继电器时间继电器KT通电通电开始计时开始计时,当达到时间继电器的整定值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其延时闭合的动合触点闭合,使使KM2线圈通电线圈通电,KM2的主触点闭合的主触点闭合,将启动电阻短接将启动

52、电阻短接,电动机在额定电电动机在额定电压下进入稳定的正常运转状态。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三相异步电动机的启动由图由图4.16 (b)可以看出可以看出,线路在启动结束后线路在启动结束后,KM1、KT 线圈一直通电线圈一直通电,这这不仅会消耗电能不仅会消耗电能,而且会减少电器的使用寿命而且会减少电器的使用寿命,这是不必要的。图这是不必要的。图4.16 (c)是在此控制线路图上进行改进得到的。方法是是在此控制线路图上进行改进得到的。方法是:在接触器在接触器KM1和时和时间继电器间继电器KT的线圈电路中串入的线圈电路中串入KM2的动断触点的动断触点,

53、KM2有自锁触点有自锁触点,如图如图4.16 (c)所示。这样当所示。这样当KM2线圈通电时线圈通电时,其动断触点断开使其动断触点断开使KM1、KT线圈断电。线圈断电。2)星形星形-三角形降压启动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。三角形降压启动方法来达到限制启动电流的目的。Y系列的笼型异步系列的笼型异步电动机容量电动机容量4.0kW 以上者均为三角形连接以上者均为三角形连接,都可以采用星形都可以采用星形-三角形启三角形启动的方法。动的方法。上一页 下一

54、页返回4.4 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动(1)星形星形-三角形降压启动的工作原理。三角形降压启动的工作原理。在启动时在启动时,先将电动机定子绕组接成星形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使电动机每相绕组承受的电压为电源的相电压压为电源的相电压,是额定电压的是额定电压的1/3,启动电流为三角形直接启动时电启动电流为三角形直接启动时电流的流的1/3;当转速上升到接近额定转速时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再将定子绕组接线方式由星形改接成三角形改接成三角形,电动机就可进入全电压正常运行状态。电动机就可进入全电压正常运行状态。(2)三接触器式星形

55、三接触器式星形-三角形降压启动控制线路。三角形降压启动控制线路。三接触器式星形三接触器式星形-三角形降压启动的控制线路如三角形降压启动的控制线路如图图4.17所示。图中所示。图中UU、VV、WW为电动机的三相绕组为电动机的三相绕组,当当KM3的动合触点闭合的动合触点闭合,KM2的动的动合触点断开时合触点断开时,相当于相当于U、V、W连接在一起连接在一起,为星形连接为星形连接;当当KM3的动的动合触点断开合触点断开,KM2的动合触点闭合时的动合触点闭合时,相当于相当于U与与V、V 与与W、W 与与U连接在一起连接在一起,三相绕组头尾相连接三相绕组头尾相连接,为三角形连接。为三角形连接。上一页 下

56、一页返回4.4 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动线路的工作原理分析线路的工作原理分析:当合上刀开关当合上刀开关QS以后以后,按下启动按钮按下启动按钮SB2,接触接触器器KM1线圈、线圈、KM3线圈以及通电延时型时间继电器线圈以及通电延时型时间继电器KT 线圈通电线圈通电,电动电动机接成星形启动机接成星形启动;同时通过同时通过KM1的动合辅助触点自锁的动合辅助触点自锁,时间继电器开始时间继电器开始定时。当电动机接近于额定转速定时。当电动机接近于额定转速,即时间继电器即时间继电器KT延时时间已到延时时间已到,KT延时断开的动断触点断开延时断开的动断触点断开,切断切断KM3线圈电路线圈电路,

57、KM3断电释放断电释放,其主触点其主触点和辅助触点复位和辅助触点复位;同时同时,KT延时闭合的动合触点闭合延时闭合的动合触点闭合,使使KM2线圈通电线圈通电自锁自锁,主触点闭合主触点闭合,电动机连接成三角形运行。时间继电器电动机连接成三角形运行。时间继电器KT 线圈也因线圈也因KM2动断触点断开而失电动断触点断开而失电,时间继电器的触点复位时间继电器的触点复位,为下一次启动做好为下一次启动做好准备。图中的准备。图中的KM2、KM3动断触点是联锁控制动断触点是联锁控制,防止防止KM2、KM3线圈线圈同时通电而造成电源短路。同时通电而造成电源短路。图图4.17所示的控制线路适用于电动机容量较大所示

58、的控制线路适用于电动机容量较大(一般为一般为13kW 以上以上)的的场合。当电动机的容量较小场合。当电动机的容量较小(413kW)时时,通常采用两个接触器的星形通常采用两个接触器的星形-三角形降压启动控制线路。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三相异步电动机的启动3)自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动电动机在启动时电动机在启动时,先经自耦变压器降压先经自耦变压器降压,限制启动电流限制启动电流,当转速接近额定当转速接近额定转速时转速时,切除自耦变压器转入全压运行。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。自耦变压器降压启动的工作原理。启

59、动时将电动机定子绕组接到自耦变压器的二次侧。这样启动时将电动机定子绕组接到自耦变压器的二次侧。这样,电动机定电动机定子绕组得到的电压即为自耦变压器的二次电压子绕组得到的电压即为自耦变压器的二次电压,改变自耦变压器抽头改变自耦变压器抽头的位置可以获得不同的启动电压。由电动机原理可知的位置可以获得不同的启动电压。由电动机原理可知:当利用自耦变当利用自耦变压器将启动电压降为额定电压的压器将启动电压降为额定电压的1/K 时时,启动电流减小到启动电流减小到1/K,同时同时,启启动转矩也降为直接启动的动转矩也降为直接启动的1/K。因此。因此,自耦变压器降压启动常用于空载自耦变压器降压启动常用于空载或轻载启

60、动。或轻载启动。在在 实际应用中实际应用中,自耦变压器一般有自耦变压器一般有65%、85%等抽头。当启动完毕时等抽头。当启动完毕时,自耦变压器被切除自耦变压器被切除,额定电压额定电压(即自耦变压器的一次电压即自耦变压器的一次电压)直接加到电动直接加到电动机的定子绕组上机的定子绕组上,电动机进入全电压正常运行状态。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。自耦变压器降压启动控制线路的工作原理。图图4.18为自耦变压器降压启动的控制线路。其中为自耦变压器降压启动的控制线路。其中,自耦变压器按星形自耦变