电话电气控制技术第3章

第3章交流异步电动机第3章交流异步电动机第3章交流异步电动机3.1三相异步电动机的结构、工作原理及分类3.2三相异步电动机的运行特性3.3三相异步电动机的控制3.4单相异步电动机3.5电动机的选择本章小结3.1三相异步电动机的结构、工作原理及分类3.1.1三相异步电动机的结构3.1.2三相异步电动机的工作原理3.1.3三相异步电动机的分类3.1.4三相异步电动机的铭牌数据3.1.1三相异步电动机的结构三相异步电动机主要由定子和转子两个基本部分组成。

1．定子

三相异步电动机的定子由机座、铁心和定子绕组组成。

机座仅起固定和支撑定子铁心的作用，一般用铸铁制造而成。

定子铁心是电动机的磁路部分，由0.5mm的硅钢片冲片叠压而成，用以嵌放定子绕组。

定子绕组是电动机的电路部分，由三相对称绕组组成，相差120°电角度，按一定规则连接，有6个出线端，即U1-U2、V1-V2、W1-W2接到机座的接线盒中，定子绕组接成星形或三角形。2．转子转子是异步电动机的旋转部分，由转轴、转子铁心和转子绕组三部分组成，其作用是输出机械转矩。根据构造的不同，转子绕组分为绕线式和笼型两种。图（a）所示为铜条笼型绕组，图（b）所示为铸铝的笼型转子。绕线式转子绕组也是一个三相绕组，一般接成星形，三根引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连。3．其他附件（1）端盖由铸铁或铝铸造而成，起支撑转子的作用。（4）风扇用铝材或塑料制成，起冷却作用。（3）轴承端盖保护轴承，不使润滑油溢出。（2）轴承连接转动与不动部分，一般采用滚动轴承。3.1.2三相异步电动机的工作原理当交流电加至三相异步电动机的定子绕组后，即产生旋转磁场，此旋转磁场切割转子的导体，使导体内产生感应电流，此时旋转磁场和感应电流之间有电磁力产生，形成电磁转矩，使转子随旋转磁场的旋转方向旋转，这就是三相异步电动机的工作原理。旋转磁场的旋转速度称为同步转速，用n0表示；电动机转子的旋转速度用n表示。由于转子的旋转方向与旋转磁场方向一致，如果n=n0，转子与磁场之间就不存在电磁感应关系，也就不能产生电磁转矩，电动机也就无法转动，所以称为异步电动机。1．旋转磁场三相交流电通入三相对称绕组就能产生旋转磁场，旋转磁场的速度与电机的磁极数和电源频率都有关系，若交流电频率为f，磁极对数为p，则旋转磁场的转速为：推广：空间不同相的多相对称绕组通入多相不同相的电流都会形成旋转磁场。旋转磁场的旋转方向与三相电源的相序一致，由电流的超前相向滞后相旋转。改变电动机任意两相绕组所接的电源接线，旋转磁场即改变方向。2．转差率电动机总是以低于旋转磁场的转速转动，即n＜n0。异步电动机的同步转速n0与转子转速n之差，即n0–n称为转速差，转速差(n0–n)与n0之比称为异步电动机的转差率。转差率用s表示：×100%转差率是异步电动机的一个重要参数。电动机起动瞬间：n=0，s=1，转差率最大；转子最大转速时：n≈n0，s≈0，转差率最小；电动机运行之中：0＜n＜n0，s=1～9%；显然电动机的转差率随电动机的转速升高而减小。练一练：三相异步电动机p=3，电源f1=50Hz，电动机额定转速nN=960r/min，求转差率s。3.1.3三相异步电动机的分类三相异步电动机分为三相笼型异步电动机和三相绕线式异步电动机两种。分类内容三相笼型异步电动机三相绕线式异步电动机定子结构对称三相定子绕组对称三相定子绕组转子结构铝浇注或铜条与端环铆接而成绝缘铜线绕制成对称三相绕组识别方法没有集电环和电刷有集电环和电刷用途用于小功率三相异步电动机用于较大功率三相异步电动机3.1.4三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌中标明了型号、额定值、绕组接线方式等。铭牌额定数值计算：练一练：某三相异步电动机，额定输出功率PN=100kW，额定电压UN=380V，额定电流IN=183.5A，功率因数cosΦN=0.9，额定转速nN=1

460r／min，求输入功率P1、效率η、额定输出转矩TN。读一读：读一读图中所示电动机的铭牌数据。3.2三相异步电动机的运行特性3.2.1三相异步电动机的电磁转矩3.2.2三相异步电动机的机械特性3.2.1三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的定子绕组和转子绕组可以等效为变压器的一次绕组和二次绕组，但是，三相异步电动机是旋转的电气设备，与变压器的不同之处有：（1）电源电压不变时，定子绕组中的主磁通基本不变。（2）转子中感应电流的频率与转差率成正比，即f2

=

sf1。（3）转子中感应电流的大小与转差率有关，当电动机刚起动或堵住不转时，转子中的电流最大，为额定电流的4～7倍。（4）转子功率因数与转差率有关，当电动机刚起动时，功率因数最小。（5）电磁转矩：三相异步电动机转子中各载流导体在旋转磁场作用下，受到电磁力所形成的转矩总和，称为电磁转矩，用符号T表示。电磁转矩与电源电压的平方成正比，即T∝U12，电压降低时，电磁转矩迅速下降，带载能力降低。3.2.2三相异步电动机的机械特性电动机的电磁转矩T与转速n的关系曲线称为电动机的机械特性曲线。三相异步电动机的运行性能：

曲线的A～C段：近似于线性，有较“硬”的机械特性。

额定运行状态：在B点，电动机工作在额定运行状态，在额定电压、额定电流下产生额定的电磁转矩，以拖动额定的负载，此时对应的转速、转差率均为额定值。

临界状态：C点被称为“临界点”，在该点产生的转矩为最大转矩Tm，它是电动机运行的临界转矩。

起动状态：D称为“起动点”。3.3三相异步电动机的控制3.3.1起动3.3.2反转3.3.3调速3.3.4电气制动3.3.1起动1．直接起动定义：直接起动指电动机在额定电压、额定频率下进行的起动。

特点：起动电流大，一般为额定电流的4～7倍，起动转矩较大，且简单方便，因此一般都作为首选。一般规定：电源容量在180kV·A以上，电动机容量在7kW以下的三相异步电动机采用直接起动。2．降压起动降压起动是指在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，待起动结束时恢复到额定值运行。降压起动常用串电阻（串电抗）降压起动、星形-三角形换接起动和自耦降压起动等方法。（1）串电阻（串电抗）降压起动串电阻（串电抗）降压起动，就是在电动机起动时将电阻（电抗器）串联在定子绕组与电源之间的起动方法。（2）星形-三角形换接起动星形-三角形换接起动，就是电动机起动时把定子绕组连成星形，等到转速接近额定值时再换接成三角形的起动方法。注意：正常运行时定子绕组为三角形联结的三相电动机才能使用这种方法起动。（3）自耦降压起动自耦降压起动是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低的起动方法。3.3.2反转三相异步电动机采用改变三相电源相序的方法来改变旋转磁场的转向，从而改变电动机的转向。方法：将三根电源线的任意两根对调，就可以改变电动机的转向。想一想：为什么对调任意两个电源线，即可改变三相电源的相序，从而改变旋转磁场以及电动机的旋转方向？3.3.3调速异步电动机的调速有3种方法：（1）变频调速：通过改变交流异步电动机的供电频率来进行调速的。采用晶闸管整流器将交流电转换为直流电，再由逆变器变换为频率、电压有效值可调的三相交流电，为三相异步电动机供电，实现电动机无级调速。（2）变转差率调速：对于绕线式电动机可在转子电路中串联电阻改变转差率，达到调速的目的。（3）变极调速：设计制造的电动机具有不同的磁极对数，根据需要改变定子绕组的连接方式，就能改变磁极对数，使电动机得到不同的转速。3.3.4电气制动三相异步电动机的制动方法：机械制动、能耗制动、反接制动和回馈制动。1．能耗制动当电动机三相定子绕组与交流电源断开后，把直流电通入两相绕组，产生固定不动的磁场n0，而转子由于惯性转动产生的感应电流与直流电磁场相互作用产生的转矩方向，恰好与电动机的转向相反，起到制动的作用。能耗制动常用于生产机械中的各种机床制动。2．反接制动当异步电动机的转动方向与旋转磁场方向相反时，即为反接制动。反接制动分为定子两相反接制动和倒拉反接制动两种方式。

倒拉反接制动与直流电动机类似，在转子电路串接大电阻，为了得到反向的低速，只适用绕线式电动机。

定子两相反接制动指在电动机停车时，将三根电线中的任意两根对调，产生反转矩，起到制动作用。反接制动适用于中型车床和铣床的主轴制动。3．回馈制动由于外力的原因，使电动机的转动速度大于同步转速时，电动机的状态即为回馈制动。起重机快速下放重物，使重物拖动转子出现n＞n0情况时，电动机处于发电状态，此时在转子导体中产生感应电流，感应电流的方向与原电流方向相反，因此产生的电磁转矩方向也相反，这种制动称为再生发电制动。由于回馈制动仅当电动机转速大于同步转速时才能实现制动，所以常用于在位能负载作用下的起重机械。3.4单相异步电动机3.4.1单相异步电动机的结构3.4.2单相异步电动机的工作原理3.4.3单相异步电动机的分类及应用3.4.4单相异步电动机的正反转控制3.4.1单相异步电动机的结构单相异步电动机的基本结构由定子、转子两大部分，以及机壳、端盖、轴承、风扇等部件构成，与小型三相笼型异步电动机相似。单相异步电动机是利用单相交流电源供电的一种小功率电动机。单相异步电动机采用笼型转子结构，一般容量多在0.75kW以下。3.4.2单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的定子绕组通以单相电流后，电动机内就产生一交变磁场，但磁场的方向时而垂直向上，时而垂直向下，即单相定子绕组的磁场不是旋转磁场，而是脉振磁场，所以转子不能自行起动。如果起动时用外力朝任意一个方向拨动电动机的转子，电动机就会朝着被拨动的方向旋转起来。因此，单相异步电动机转动的关键是产生一个起动转矩。想一想：三相异步电动机为什么能自行起动？家里的电风扇需要加外力起动吗？单相感应电动机无法自行起动，所以必须装设辅助绕组。3.4.3单相异步电动机的分类及应用采用在单相电动机的定子绕组中嵌放两套绕组，分别为主绕组和起动绕组，在起动绕组中又采用串入电阻或电容使两个绕组中的电流在时间上有一定的相位差，就可以产生旋转磁场。图中“1”为主绕组，匝数比起动绕组多，主要呈感性；“2”为起动绕组，匝数较少、导线较细，相对于主绕组呈阻性。

起动绕组一般是按短时工作设计，因此串有一个起动开关S，当转速上升到一定程度时，开关自动断开起动绕组，由工作绕组维持运行。1．分相电阻起动式异步电动机（型号YU）2．电容式起动异步电动机电容式起动异步电动机又分为单相电容起动式异步电动机（型号YC）、单相电容运行式异步电动机（型号YY）和单相双电容起动式异步电动机（型号YL）。单相电容运行式电动机的接线原理图中，电动机的起动绕组中串联了一个电容器，选择合适的电容量，可使工作绕组与起动绕组的电流相位差接近90°，产生近似于圆形的旋转磁场。电容起动式电动机的起动绕组也是按短时工作设计，因此串有一个起动开关S，当转速上升到一定程度时，开关自动断开起动绕组，由工作绕组维持运行。3．罩极式起动异步电动机（型号YJ）罩极式单相异步电动机定子铁心做成凸极式，转子仍为笼型，定子磁极上开一个槽，将磁极分成两部分，较小部分套一个短路环—罩极。罩极式单相异步电动机不能改变转向，它的起动转矩较小，一般用在空载或轻载起动的台扇、排风机、仪器用电动机等设备中。3.4.4单相异步电动机的正反转控制1．分相式电动机的反转改变单相异步电动机的起动绕组或工作绕组的电流方向就可以改变单相异步电动机的转向。2．罩极式电动机的反转罩极式电动机的转向由定子磁极的结构决定的，故运行时无法改变，只有把定子绕组铁心从机座中抽出来，反相后再装，或在定子槽中增加一套主绕组或罩极线圈。3.5电动机的选择在电力拖动系统中，正确选择拖动生产机械的电动机是系统安全、经济、可靠和合理运行的重要保证。选择电动机时遵循以下基本原则：

（1）电动机能够完全满足生产机械的要求。如生产机械所需要的工作速度、调速指标、加速度以及起动、制动时间等。（2）电动机在工作过程中，其功率能被充分利用，即温升应达到国家标准规定的数值。（3）电动机的结构形式应适合周围环境的条件。电动机的选择主要包括：电动机的额定功率（即额定容量）、额定电压、额定转速、种类、结构形式等。3.5.1电动机额定功率的选择3.5.2电动机额定电压的选择3.5.3电动机额定转速的选择3.5.4电动机种类的选择3.5.5电动机形式的选择3.5电动机的选择3.5.1电动机额定功率的选择1．连续工作制电动机额定功率的选择连续工作制电动机的负载可分为恒定负载和变化负载两类。电动机的额定功率等于或略大于生产机械所需要的功率即可。2．短时工作制电动机额定功率的选择选择电动机的额定功率PN只要不小于负载功率PL即可，即满足PN≥PL。3．周期性断续工作制电动机额定功率的选择周期性断续工作制的交流电动机有YZR系列YZ系列，标准负载持续率FC%。当负载持续率FC%≤10%时，可按短时工作制选择；当负载持续率FC%≥70%时，可按连续工作制选择。3.5.2电动机额定电压的选择电动机额定电压要与现场供电电网电压等级相符。选择电动机的额定转速时，必须全面考虑，在电动机性能满足生产机械要求的前提下，力求电能损耗少，设备投资少，维护费用少。通常，电动机的额定转速选在750～1

500r/min比较合适。3.5.3电动机额定转速的选择3.5.4电动机种类的选择在选择电动机的种类时，在考虑电动机的性能必须满足生产机械的要求下，优先选用结构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便的电动机。在这方面，交流电动机优于直流电动机，笼型电动机优于绕线转子电动机，异步电动机优于同步电动机。1．三相笼型异步电动机三相笼型异步电动机的电源采用的是应用最普遍的动力电源—三相交流电源。这种电动机的优点是结构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便；缺点是起动和调速性能差。2．三相绕线转子异步电动机在起动、制动比较频繁，起动、制动转矩较大，而且有