电机与电气控制技术 课件 项目4 异步电机调试与维护

项目4异步电机调试与维护任务4.1异步电机的基础原理与数学模型任务4.2异步电动机性能分析任务4.3异步电动机的起动和调速任务4.4三相异步电动机的维修与维护任务4.5技能训练学习情境4异步电机调试与维护【任务目标】技能目标：1.能认识三相异步电动机；2.能认识各种常规控制电器；3.能根据电路图，正确选择合适组件完成三相异步电动机的启动、调速、反转与制动控制线路的装接与调试。知识目标：1.了解三相异步电动机的结构和工作原理；2.了解各种常规控制电器的组成和工作原理；3.掌握三相异步电动机的启动、调速、反转与制动的控制方法。

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型【任务描述】

电动机是把电能转换成机械能的设备，它是利用通电线圈在磁场中受力转动的现象制成。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成。交流电动机的使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。各种电动机中应用最广的是三相异步电动机（又称感应电动机）。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固。随着现代电力电子技术的进步，三相异步电动机功率因数较低、调速困难的缺点也得到有效解决。本任务主要研究三相异步电动机的结构、工作原理、机械特性以及基本试验。【子任务目标】技能目标：1.能认识三相异步电动机；2.能认识三相异步电动机各组成部分；3.学会三相异步电动机的检测、接线和简单操作使用。知识目标：1.了解三相异步电动机的特点、用途和分类；2.了解三相异步电动机的结构和工作原理；3.了解三相异步电动机铭牌；4.了解三相异步电动机的机械特性。

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型（一）异步电动机的结构

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型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。图4-1笼型异步电动机的结构图1.三相异步电动机的结构1）定子部分异步电动机的定子主要是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。定子铁心是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（磁滞、涡流损耗），定子铁心采用0．35～0．5mm厚的硅钢片叠压而成，在硅钢片的两面还应涂上绝缘漆。图4-2所示是异步电动机的定子铁心。当定子铁心的直径小于1m时，定子铁心用整圆的硅钢片叠成；当其直径大于1m时，由于受硅钢片材料规格的制约，定子铁心用扇形的硅钢片叠成。

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型图4-2定子铁心1.三相异步电动机的结构在定子铁心的内圆上开有槽，称为定子槽，用来放置和固定定子绕组。图4-3所示为定子槽，其中图4-3（a）是开口槽，用于大、中型容量的高压异步电机中；图4-3（b）是半开口槽，用于中型500V以下的异步电机中；图4-3（c）是半闭口槽，用于低压小型异步电机中。

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型图4-3定子槽

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型（2）

定子绕组图4-4异步电动机定子绕组的接法

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型2.转子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）转子铁心转子铁心也是电机主磁通磁路的一部分，它用0．35～0．5mm厚的硅钢片叠压而成。图4-5所示是转子槽型图，整个转子铁心固定在转轴上，或固定在转子支架上，转子支架再套在转轴上。图4-5转子冲片上的槽型图

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型（2）转子绕组异步电动机的转子绕组按结构不同，可分为绕线式和笼型两种。图4-6绕线式转子异步电动机定、转子绕组接线方式

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型图4-7笼型转子

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型

三相异步电动机的工作原理图4-8闭合金属框受力示意图

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型图4-9异步电动机工作原理

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型2.转差率和三相异步电机的转速与运行状态（1）转差率定子旋转磁场的同步转速n1与转子转速n之差，称为转差，∆n=n1-n，其与同步转速n1的比值，称为异步电动机的转差率，即式中，s为转差率。当异步电动机刚要起动时，n=0，s=1；当n=n1时，s=0。异步电动机正常额定运行时，电动机转速一般略小于同步转速，s很小，通常s=0．01～0．05。

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型图4-10异步电动机的3种运行状态

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型正方向的规定图4-11转子绕组开路时异步电动机的正方向

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型2.异步电动机的合成磁动势（1）定子磁动势当三相异步电动机的定子绕组接到三相对称电源上时，定子绕组中就会有三相对称电流i1流过，三相对称电流流过定子三相对称绕组所产生的定子合成磁动势是圆形旋转磁动势

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型式中：N1——定子一相绕组串联的匝数；

kw1——定子绕组的绕组系数；np——电动机的极对数；I1——定子绕组电流的有效值。其中，幅值F1m为

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型（2）转子磁动势同理，在转子三相对称绕组中流过三相对称电流i2时，也会产生转子空间旋转磁动势。现设异步电动机以转速n旋转时，由转子电流i2产生的三相合成旋转磁动势的幅值为式中：N2——转子一相绕组串联的匝数；kw2——转子绕组的绕组系数；I2——转子绕组电流的有效值

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型假定转子电流i2的频率为f2，显然由转子电流产生三相合成旋转磁动势F2，它相对于转子绕组的转速用n2表示为转子旋转磁动势F2相对于转子绕组的转速为n2，由于转子本身相对于定子绕组有一个转速n，于是，转子旋转磁动势F2相对于定子绕组的转速为

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型（3）定、转子合成总磁动势图4-12异步电动机旋转磁动势的矢量关系

任务4.1异步电机的基础原理与数学模型根据异步电动机定、转子旋转磁动势的矢量关系，其合成的总磁动势可表示为由此可见，当三相异步电动机的转子以转速n旋转时，定、转子磁动势的关系并未改变，只是每个磁动势的大小及相互之间的相位有所不同而已。在气隙中建立的基波旋转磁动势，产生相应的基波旋转磁场，与基波旋转磁场相对应的磁通称为主磁通，用表示。

任务4.2异步电动机性能分析1.功率转换过程和功率平衡方程式（1）输入电功率P1异步电动机由电网向定子输入的电功率P1为式中U1——定子绕组的相电压；I1——定子绕组的相电流；cos——异步电动机的功率因数。

任务4.2异步电动机性能分析（2）功率转换过程中的功率损耗1）定子铜损耗2）铁心损耗

任务4.2异步电动机性能分析3）转子铜损耗

pCu24）机械损耗pΩ及附加损耗pad

机械损耗是由于通风、轴承摩擦等产生的损耗；附加损耗是由于电动机定、转子铁心存在齿槽以及高次谐波磁势的影响，而在定、转子铁心中产生的损耗。

任务4.2异步电动机性能分析（5）输出机械功率P2图4-13异步电动机的功率传递图

任务4.2异步电动机性能分析2）电磁转矩的参数表达式将式（4-24）代入式（4-23）可得电磁转矩的参数表达式

任务4.2异步电动机性能分析图4-14三相异步电动机转矩特性曲线图

任务4.2异步电动机性能分析异步电动机的电磁转矩公式为在异步电动机等效电路中，由于励磁阻抗比定、转子漏阻抗大很多，可以近似把T形等效电路中励磁阻抗这一段电路认为是开路，故有此时功率因数为

任务4.2异步电动机性能分析（2）

参数表达式将式（4-27）代入上式中，得到

任务4.2异步电动机性能分析（3）实用表达式1）最大电磁转矩最大电磁转矩对应的转差率称为临界转差率，用sm表示为其中，“+”号适用于电动机状态；“-”号适用于发电机状态。

任务4.2异步电动机性能分析2.机械特性（1）固有机械特性固有机械特性是指异步电动机在额定电压和额定频率下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的三相异步电动机的固有机械特性如图4-15所示。图4-15三相异步电动机的固有机械特性

任务4.2异步电动机性能分析1）降低U1当供电电网电压降低时，最大转矩Tm及起动转矩Tst与U1成正比地降低；sm与U1的降低无关（即保持不变）；由于同步转速

，因此n1也保持不变（其值与U1无关）。图4-16绘出了U1=UN、0．5UN及0．8UN时的人为机械特性。图4-16异步电动机降低U1时的人为机械特性

任务4.2异步电动机性能分析图4-17转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性

任务4.2异步电动机性能分析3）定子电路串联对称电抗图4-18定子电路串联对称电抗时的人为机械特性

任务4.2异步电动机性能分析4）定子电路串联对称电阻图4-19定子电路串联对称电阻时的人为机械特性

任务4.2异步电动机性能分析5）转子电路接入并联阻抗图4-20转子电路接入并联阻抗的电路图与人为机械特性

任务4.2异步电动机性能分析图4-21转子电路接入并联阻抗的转子等效电路图

任务4.2异步电动机性能分析异步电动机的工作特性及其计算图4-22三相异步电动机的典型工作特性曲线

任务4.3异步电动机的起动和调速1.三相笼型异步电动机的起动（1）直接起动（2）

降压起动对大、中型笼型异步电动机，可采用降压起动方法，以限制起动电流。即起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，起动电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，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。

任务4.3异步电动机的起动和调速图4-23星形—三角形降压起动接线图

任务4.3异步电动机的起动和调速3）自耦变压器降压起动图4-24自耦变压器降压起动接线图

任务4.3异步电动机的起动和调速2.三相绕线式转子异步电动机的起动（1）

转子串电阻起动图4-25三相绕线转子异步电动机转子串接对称电阻分级起动

任务4.3异步电动机的起动和调速（2）转子串频敏变阻器起动图4-26三相绕线式转子异步电动机转子串频敏变阻器起动

任务4.3异步电动机的起动和调速1.变极调速（1）变极原理图4-27三相四极电动机定子U相绕组

任务4.3异步电动机的起动和调速图4-28三相两极电动机U相绕组

任务4.3异步电动机的起动和调速图4-29异步电动机Y-YY变极调速接线

任务4.3异步电动机的起动和调速（2）典型变极接线及其机械特性①机械特性

任务4.3异步电动机的起动和调速根据以上所得Y接与YY接时的同步机械角速度和最大转矩之间的关系，可以绘出图4-30所示的Y-YY变极调速的机械特性曲线。图4-30Y-YY变极调速的机械特性

任务4.3异步电动机的起动和调速②容许输出Y接时的容许输出功率和容许输出转矩为YY接时的容许输出功率和容许输出转矩为由此表明，Y-YY变极调速方法属于恒转矩调速方式。

任务4.3异步电动机的起动和调速2）△-YY变极线路图4-31异步电动机△-YY变极调速接线

任务4.3异步电动机的起动和调速△接时，极对数为2p，每相绕组电压为U1。由最大转矩的一般公式可得由以上关系可绘出△-YY接线时的机械特性曲线，如图4-32所示。式（4-19）表明△-YY变极调速近似为恒功率调速方式。

任务4.3异步电动机的起动和调速图4-32△-YY变极调速的机械特性曲线

任务4.3异步电动机的起动和调速

其机械特性如图3-33（b）所示，其运行特性近似是平行的，这种调速方式可近似认为恒功率调整类型。图3-33变频调速的机械特性

任务4.3异步电动机的起动和调速3.变转差率调速（1）改变定子电压调速图4-34电动机改变电源电压调速的机械特性

任务4.3异步电动机的起动和调速（2）转子串电阻调速图4-35转子串电阻调速的机械特性

任务4.4三相异步电动机的维修与维护1.三相异步电动机使用时应注意的问题（1）使用三相异步电动机之前，要详细对照铭牌，按照铭牌使电压、频率、功率、转速等与实际相符。（2）在使用电动机前，要进行外部机械检查，注意各部件是否完好，螺钉是否松动，检查有无杂物，转子是否能转动，可用手轻轻转动转子，检查轴承润滑情况，注意有无杂音与摩擦，检查合格后方能通电工作。（3）电动机在使用前，应用500V兆欧表检查电动机的绝缘情况。（4）检查线路电压与电动机额定电压是否相符，线路电压的变动不应超出电动机额定电压的±5%。（5）电动机在运行前应装保护接地线或中性线。（6）检查线路连接是否正确，各接触点是否接触良好，保护设备是否完好，熔体额定电流应为电动机额定电流的1.5～2.5倍。（7）若用皮带轮传动，必须检查两转轴几何中心线是否平行，皮带松紧要适当，过紧会使电动机轴加快损坏，过松则容易使皮带打滑。（8）如果用联轴器直接耦合，应注意两转轴几何中心线要在一条直线上，否则易使轴承损坏或使电动机发生振动。（9）检查完毕后，电动机应按照电动机铭牌上定子绕组的接线方式连接好，可先接通电源空载运转，查看旋转方向与实际要求是否一致。如果不一致，可先将电源断开，然后打开接线盒，将电源引入线的任意两根换接一下。（10）电动机在使用过程中，应经常注意防潮防尘，保持电动机风道畅通，所有机械连接部分要紧固牢靠，电气接触点要保持清洁，接触良好。

任务4.4三相异步电动机的维修与维护2.电动机常见故障分析与处理方法（1）

通电后电动机不能转动，但无异响，也无异味和冒烟（2）

通电后电动机不转，然后熔丝烧断（3）

通电后电动机不转，有嗡嗡声（4）

电动机起动困难，额定负载时，电动机转速低于额定转速较多（5）

电动机空载电流不平衡，三相相差大（6）

电动机空载、过负载时，电流表指针不稳、摆动（7）

电动机空载电流平衡，但数值大（8）

电动机运行时有异响（9）

运行中电动机振动较大（10）

轴承过热（11）

电动机过热甚至冒烟

任务4.5技能训练序号型号名称数量1DD03导轨、测速发电机及转速表12DJ23校正过的直流电机13DJ16三相笼型异步电动机14D33交流电压表15D32交流电流表16D34-3单三相智能功率、功率因数表17D31直流电压、毫安、安培表18D42三相可调电阻器19D51波形测试及开关板1

任务4.5技能训练（1）

判断定子绕组的首末端图4-36三相交流绕组首末端测定

任务4.5技能训练（2）

空载实验图4-37三相笼型异步电动机试验接线图

任务4.5技能训练表4-1空载实验数据记录表序号U0L/VI0L/AP0/Wcosφ0UABUBCUCAU0LIAIBICI0LPⅠPP0

任务4.5技能训练表4-2短路实验数据记录表序号UKL/VIKL/APK/WcosφKUABUBCUCAUKLIAIBICIKLPⅠPⅡPK

任务4.5技能训练表4-3负载实验数据记录表U1=U1N=220V（△）

If=mA序号I1L/AP1/WIF/AT2/（N·m）n/（r·min-1）IAIBICI1LPⅠPⅡP1

任务4.5技能训练序号型号名称数量