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1、 三相异步电动机三相异步电动机 1. 转动原理 2. 极数与转速 3. 电动机的构造 4. 定子与转子电路 5. 转矩与机械特性 6. 电动机的起动 7. 电动机的调速 8. 电动机的制动 9. 铭牌数据 10. 电动机的选择 电动机是将电能转换成机械能的装置。广泛应 用于现代各种机械中作为驱动。 由电动机驱动的优点:减轻繁重的体力劳动; 提高生产率;可实现自动控制和远距离操纵。 电动机的分类 : 电动机 直流电动机 交流电动机 他励电动机 并励电动机 串励电动机 复励电动机 同步电动机 异步电动机 三相电动机 单相电动机 同步电动机 异步电动机 两相电动机 交流电动机 异步电动机 三相电动机
2、 电动机 工业生产中广泛应用着交流电动机,特别是三相 异步电动机。它具有结构简单、易于控制、效率 高和功率大等许多优点。 本章讨论的问题 : (1)三相异步电动机的结构; (2)三相异步电动机的工作原理; (3)三相异步电动机的转速与转差率; (4)转矩和机械特性及其与转差率的关系; (5)电动机的起动、反转、调速及制动的基 本原理和方法; 1. 三相电动机的转动原理 参见教材 2. 三相异步电动机的极数与转速 一、三相异步电动机的极数 三相异步电动机定子产生旋转磁场的磁极个数,称为极数 。 对于每相只有一个线圈的电动机,绕组始端之间相差120 的空间角,则产生的旋转磁场只有一对磁极。磁极对数
3、用p 表示,则p=1。 若每相定子绕组由两个线圈串联组成(如图所示),则绕组始 端之间相差60空间角,因而旋转磁场具有两对磁极,p=2. A B C X A X B Y Y Z Z C A X X A B C Y Z A B C X A X B Y Y Z Z C 转子 P=2 磁场位置 (t=0) 二、三相异步电动机的转速 电动机的转速是与旋转磁场有关的。而磁场极 数不同则磁场的转速就不同,在一对磁极的情 况下,交流电经历一个周期磁场恰好在空间转 过一圈,若定子电流的频率为f1,旋转磁场在 每分钟将转过60f1 周。 当磁极对数为 p时,磁场的转速为 在我国(f1=50Hz),磁极对数为 p
4、的磁场转速n0为 123456 300015001000750600500 1. 转子转速 n 电动机运行时的实际转速也就是转子转速 n。 2. 同步转速 n0 电动机旋转磁场的转速也称为同步转速 n0。 根据电动机的转动原理,转子转速将小于磁场的转 速,即n n0。若二者相等,转子就没有切割磁力 线作用,转矩也就消失了,因此转子不可能以n0的 转速正常运行。 3. 转差率 s 转差率 s 是表示转子转速n与磁场转速n0 之间差别 程度的,即 它是异步电动机的重要参量之一,额定时约为19% 例 某三相异步电动机的额定转速n=570r/min。 求电动机的极数和额定时的转差率(f1=50Hz)。
5、 解 : 由于电动机的额定转速应接近且略小于同步 转速 n0,而 n0 对应于磁极对数p有一系列固 定值。显然,与570r/min最接近的是 因此,额定时的转差率为 3. 三相异步电动机的构造 参见教材 4. 三相异步电动机的定子与转子电路 三相异步电动机的电磁关系同变压器类似,定子 绕组相当于变压器的原绕组;转子绕组相当于变 压器的副绕组(而电动机的转子绕组一般是短路的 )。定子电流产生的旋转磁场将通过定子和转子铁 心而构成的闭合磁路,该磁场不仅在转子的每相 绕组中产生感应电动势 e2,也要在定子的每相绕 组中产生感应电动势 e1。而实际上,旋转磁场是 由定子电流和转子电流共同作用产生的。
6、设定子和转子的每相绕组匝数分别N1为N2和, 下面将对动机的电路进行分析。 一、定子电路 电动机内旋转磁场的磁感应强度在沿定子与转子 间气隙应是接近于正弦规律变化分布。因此,通 过每想定子绕组的磁通也应是随时间作正弦规律 变化的,即=msint 因此,每相定子绕组中由旋转磁场产生的感应电 动势为 也是正弦量,其有效值为 f1 是 e1 的频率,由同步转速 可得 每相绕组的电路图 定子电路分析 定子电流不仅产生主磁通,还将产生漏磁通 每相绕组的电路图 主磁通要通过转子绕组,而漏磁通将不通过转子 绕组。这样在原绕组的电压约束方程为 如用相量表示,则可认为 式中R1和X1=2f1L1分别为定 子每相
7、绕组的电阻和漏磁感抗 。它们都很小,对于主磁通产 生的感应电动势可忽略,则 或 二、转子电路 每相绕组的电路图 根据电动机的转动原理,异步电动机之所以能够转 动,是因为转子绕组在旋转磁场中要产生感应电动 势e2,进而产生转子电流i2,而与旋转磁场作用产生 电磁转矩T 。下面讨论转子电路中的各物理量: 1. 转子绕组中的感应电动势 旋转磁场的主磁通在每相转子 绕组产生感应电动势 其有效值为 f2为转子绕组中电流的频率 。 因为旋转磁场和转子之间的相对转速为 (n0 n), 所以 2. 转子绕组中电流的频率 f2 可见,转子电流频率与转差率 s 有关,也就是与 转速n 有关。 在 s=1 即(n
8、=0)时,转子电流频率最大 f2= f1。 对额定转速时, s为19%,则f2= 0.5 4.5 Hz。 由此,进而可得转子感应电动势的有效值为 E20为 s = 1 (或n=0)时转子所产生的感应电动势的 有效值, 3. 转子绕组中的电流 转子电流也要产生漏磁通2,每相绕组中的感应 电动势为 对转子电路应用KVL,有 若用相量表示,则为 每相绕组的电路图 X2与转子频率f 2有关,即 可见,转子感抗与转差率有关。其中X20是 s=1(或n=0)时的转子感抗 将感抗X2代如上式,可得转子电流为 可见,转子电流I2也与转差率s有关,如图曲线所示 。转差率s增加(转速n减小)时,转子切割磁力线加
9、剧,于是E2增加,I2也增加。 0 I2, cos2 s1 I2 cos2 由于转子漏磁通的存在,呈电 感性,因此 I2 比 E2 滞后2角 。转子绕组的功率因数为 也与转差率s有关(见图示曲线)。 5. 三相异步电动机的转矩 与机械特性 电磁转矩 T 是三相异步电动机最重要的物理量之一, 机械特性是电动机的主要特性。对电动机进行分析往 往离不开这两方面内容。 一、转矩公式 异步电动机的转矩是由旋转磁场每磁极的磁通 与 转子电流I2相互作用产生的。它应与电磁功率成正 比,因而与转子的功率因数有关。于是 及且 则转矩公式可表示为 转矩T也与s有关。 由上式可见,转矩还与定子的相电压U1的平方成
10、正比。所以,电源电压的变动对转矩的影响很大 。 转矩特性T =T(s)曲线如图 所示,当s很小时, T与s 成正比;当s很大时,T与 s 成反比(以双曲线为渐近 线),并且有最大转矩Tmax 存在。 T s sm Tmax 0 0 n n0 1 二、机械特性曲线 在电源电压U1和转子电阻R2 一 定的情况下,转矩与转差率的 关系曲线 T= f (s) 或转速与转矩 的关系曲线 n = f (T),称为电 动机的机械特性曲线。 转矩与转差率的关系曲线T= f (s) 如右侧上图所示, 转速与转矩的关系曲线 n = f (T) 如右侧下图所示。 T s sm Tmax 0 0nn0 1 T b T
11、max 0 n n0 TNTst nN a 实际上,下图是通过上图右 旋90得到的。 研究机械特性是分析为了分析电动机的运行性能 。在机械特性曲线上,要讨论三个转矩。 1. 额定转矩 TN T b Tmax 0 n n0 TNTst nN a 在电动机匀速转动时,其转矩T必须与阻力转矩TC 平衡,而阻力转矩包括负载转矩T2和空载损耗转矩 T0。一般T0很小,常可忽略,所以 P2是电动机的输出功率 (单位 W ) , T 的单位是(Nm)。n 的单位是 (r / min)。若功率单位用千瓦,则 额定转矩是电动机在额定负载时的转矩。 可从电动机铭牌上额定功率和额定转速等数据求得。 如某台电动机,P
12、 2N =7.5kW ,额定转速nN =1440 r / min ,则额定转矩为 正常情况下,电动机都工作在 特性曲线的 ab 段,当负载转矩增加时,电动机转 速要降低,但对应的电磁转矩却要增加,因为 ab 段比较平坦,所以电动机的转速变化不大。这种 特征称为硬的机械特性。 T b Tmax 0 n n0 Tst a TN nN 2. 最大转矩 Tmax 在机械特性曲线的最大值,称 为最大转矩或临界转矩。 T b 0 n n0 Tst a TN nN Tmax 此时对应的转差率为 s m (可由 dT/ds = 0 求得) , 即令 可得进而可得 可见,TmaxU12,且与转子电阻R2 无关,
13、而 R2 越大 sm也越大。 当负载转矩超过最大转矩时,电动机转速急剧下 降,电动机将停止转动产生闷车现象。 电动机一旦闷车,电流立即上升67倍,电动机 严重过热!以至烧坏。从另一方面考虑,若在很 短时间内过载,在电动机尚未过热就恢复达到正 常状态,未损坏电动机是允许的。因此,最大转 矩也表示电动机具有短时间的过载能力。 定义最大转矩与额定转矩的比值为过载系数, 即 一般电动机的过载系数为1.82.2。 3. 起动转矩 Tst 电动机刚起动 (n =0) 时的 转矩称为起动转矩 可见,起动转矩与 U12 及 R2有关,当电源电压降低时起 动转矩会减小;当适当增加转 子绕组的电阻会使起动转矩有
14、所增加。可有上式证明当R2 = X20时, Tst = Tmax ,及sm =1。 关于起动问题将在下节介绍 。 T 0 n U1 U1 U1 U1 U1对转矩的影响 T 0 n Tmax R2 R2 R2 R2 R2对转矩的影响 6. 三相电动机的起动 一、起动性能 电动机的起动就是将它开动起来。在起动瞬间 ,n=0,s=1。我们没从起动时的电流和转矩来分 析电动机的期待性能。 1、起动电流Ist 在刚起动时,由于旋转磁场对静止的转子有 着很大的相对转速,磁力线切割转子导体的 速度很快,这时转子绕组中感应出的电动势 和产生的转子电流都很大。一般中小型电动 机的起动电流约为额定值的5-7倍。
15、即: 当电动机不是频繁起动时,起动电流对电机本身 影响不大。因为电机的起动时间很短。但当起动 频繁时,由于热量的积累,可以使电机过热。 但是,电动机的起动电流对线路是有影响的。 2、起动转矩Tst 在刚起动时,虽然转子电流较大,但由于转子 的功率因数是很低的。因此起动转矩是不大的 ,它与额定转矩之比值约为1.02.2。 如果起动转矩过小,就不能在满载下起动,应 设法提高。但起动转矩也不能过大,否则,会 使传动机构收到冲击而损坏。 由上述可知,异步电动机起动时的主要缺点是 起动电流较大。为了减小起动电流,必须采用 适当的起动方法。 二、起动方法 鼠笼式电动机的起动方法有两种 1、直接起动 2、降
16、压起动 1、直接起动 直接起动就是利用闸刀开关或接触器将电动机 直接接到额定电源上。这种起动方法虽然简单,但 如上所述,由于起动电流较大,将使线路电压下降 ,影响负载的正常工作。一般只有功率在二三十千 瓦以下的异步电动机才能采用直接起动的方法来起 动。而对于功率较大的异步电动机通常都采用降压 起动。 2、降压起动 所谓降压起动就是在电动机起动时,降低其所 加的电压。其目的就是要减小起动电流。降压 起动通常采用下面的几种方法。 (1)星形三角形(Y-)换接起动 该方法只适合于电动机在工作时,其定子绕组接成三 角形时的情况。 如有一台三角形联接的电动机,接在电压为 380V的电源上,其每相定子绕组
17、上的电压就是 380V;当采用星形联接并接在相同电源上,此时 每相定子绕组上的电压是220V。 电流关系 |Z| UL Ily=Ipy Il Ip UL 当电动机正常工作时, 当电动机星形起动时, 通过计算可以看出,电压下降了1/3倍,电流 下降了1/3。 由于转矩与电压的平方成正比,所以起动 转矩也减小到直接起动时的1/3。因此,这种 方法只适合于空载或轻栽时起动。 该种起动一般采用星三角起动器来实现,电 路如图所示。 动 触 点 Y 动 触 点 Y起动状态 动 触 点 Y 动 触 点 待起动状态 动 触 点 Y 动 触 点 切换状态 动 触 点 Y 动 触 点 工作状态 动 触 点 Y 动
18、 触 点 返回正常状态 (2)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,其接线如图所示。 自耦变压器备有抽头,以便得到不 同的电压(例如为电源电压的73% 、64%、55%),根据对起动转矩 的要求而选用。 自耦降压起动适用于 容量较大的或正常运 行时联成星形不能采 用三角起动器的鼠笼 式异步电动机。 自耦降压起动接线图 工 作 起 动 (3)、接起动电阻起动 对于绕线式电动机的起动,只要在转子电路中接入 大小适当的起动电阻,就可达到减小起动电流的目 的;同时起动转矩也提高了。 例 有一Y225M-4型三相异步电动机,其额定数据如 下:试求:(1)额定电
19、流;(2)额定转差率SN ;(3)额定转矩TN;最大转矩Tmax;起动转矩Tst 1480r/min 功率 45KW 转速电压效率 功率因数 380V92.3%0.887.01.92.2 (2 ) (3) 解 : (1)4100KW的电动机通常都是380V、联接。 在上题中:(1)若负载转矩为510.2N.m,试 问在U=UN和U/=0.9 UN两种情况下,能否起动 ?(2)采用Y-换接起动时,求起动电流和 起动转矩。又当负载转矩为额定转矩TN的80% 和50%时,电动机能否起动? 例 解:解:(1 1) T Tst st=551.8N.m =551.8N.m510.2N.m510.2N.m所
20、以能起动。所以能起动。 (2 2 ) 在在U/=0.9 UN时, T T / / stst=0.9=0.9 2 2 551.8=447N.m 551.8=447N.m 510.2N.m510.2N.m所以不能起动。所以不能起动。 在80%额定负载时 在50%额定负载时 对上题如采用自耦降压起动,设起动时电动机 的端电压降到电源电压的64%,求线路起动电 流和电动机的起动转矩。 例 解解: 直接起动时的起动电流 直接起动时的起动电流 设降压起动时电动机中的起动电流为设降压起动时电动机中的起动电流为 设降压起动时线路中的起动电流为设降压起动时线路中的起动电流为 设降压起动时的起动转矩为设降压起动时
21、的起动转矩为 7. 三相电动机的调速 调速就是在同一负载下能得到不同的转速,以 满足生产过程的要求。 从三相异步电动机的转速公式从三相异步电动机的转速公式 可以看到改变电动机的转速有三种可能:可以看到改变电动机的转速有三种可能: (1 1)改变电源频率)改变电源频率f f 1 1 (2 2)改变极对数)改变极对数p p (3 3)改变转差率)改变转差率s s 前两者是鼠笼式电动机的调速方法,后者是绕线前两者是鼠笼式电动机的调速方法,后者是绕线 式电动机的调速方法。下面我们分别讨论。式电动机的调速方法。下面我们分别讨论。 一、变极调速 由式 可知,如果极对数减小一半可知,如果极对数减小一半 ,
22、则旋转磁场的转速便提高一倍,转子转速差不多则旋转磁场的转速便提高一倍,转子转速差不多 也提高一倍,因此,改变也提高一倍,因此,改变p p可以得到不同的转速。可以得到不同的转速。 如何改变极对数呢?这同定子绕组的接法有关。如何改变极对数呢?这同定子绕组的接法有关。 A A1 1 X X1 1 A A2 2 X X2 2 A A X X A A1 1 X X1 1 A A2 2 X X2 2 A A X X p=1p=1的绕组接法的绕组接法p=2p=2的绕组接法的绕组接法 二、变频调速 变频调速就是改变电源电压的频率,从而改变电动 机的转速。目前主要采用下图所示的变频装置 整流器整流器 f f1
23、1 =50Hz=50Hz 逆变器逆变器 - - + + M M 3 3 f f可变可变 整流器先将整流器先将5050HzHz的交流电变换为直流电,再由逆的交流电变换为直流电,再由逆 变器变换为频率可调、电压有效值也可调的三相变器变换为频率可调、电压有效值也可调的三相 交流电,供给鼠笼式异步电动机。由此可得到电交流电,供给鼠笼式异步电动机。由此可得到电 动机的无级调速,并具有硬的机械特性。动机的无级调速,并具有硬的机械特性。 三、变转差率调速 只要在绕线式电动机的转子电路中接入一个调 速电阻,改变电阻的大小,就可以得到平滑调 速。如增大调速电阻时,转差率上升,而转速 下降。这种调速方法的优点是设
24、备简单、投资 少;但能量损耗较大。 这种调速方法广泛应用于起重设备中。这种调速方法广泛应用于起重设备中。 8. 三相电动机的制动 因为电动机的转动部分有惯性,所以把电源切 断后,电动机还会继续转动一定时间后停止。 为了缩短辅助工时,提高生产机械的生产率, 并为了安全起见,往往要求电动机能够迅速停 车和反转。这就需要对电动机制动。对电动机 制动,也就是要求它的转矩与转子的转动方向 相反。这时的转矩称为制动转矩。 异步电动机的制动常用下列几种方法:异步电动机的制动常用下列几种方法: 一、能耗制动 M M 3 3 R R + + - - n n0 0 =0=0 F F n n 二、反接制动 F F
25、n n0 0 n n M M 3 3 三、发电反馈制动 n n0 0 n n n nn n 0 0 F F 9. 三相电动机的铭牌数据 要正确使用电动机,必须要看懂铭牌。今以 Y132M-4型电动机为例,来说明铭牌上各个数 据的意义。 三相异步电动机三相异步电动机 型号型号Y132M-4Y132M-4功率功率7.57.5KWKW频率频率5050HzHz 电压电压380V380V电流电流15.415.4A A接法接法 转速转速1440r/min1440r/min绝缘等级绝缘等级 B B工作方式工作方式连续连续 年年 月月 编号编号 电机厂电机厂 此外,还有功率因数此外,还有功率因数0.850.8
26、5,效率,效率87%87%。 1、型号 为了适应不同用途和不同工作环境的需要,电动 机制成不同的系列,每种系列用各种型号表示。 型号说明:型号说明: Y Y 132 132 M - 4 M - 4 三相异步电动机三相异步电动机 磁极数磁极数 机座中心高机座中心高 机座长度代号机座长度代号 (S-S-短机座;短机座;M-M-中机座;中机座;L-L-长机座长机座 ) 异步电动机产品名称代号 产品名称产品名称 异步电动机异步电动机 绕线式异步电动机绕线式异步电动机 防爆型异步电动机防爆型异步电动机 高起动转矩异步电动机高起动转矩异步电动机 新代号新代号 汉字意义汉字意义老代号老代号 Y Y 异异 异
27、绕异绕 异爆异爆 异起异起 YRYR YBYB YQYQ J J、JOJO JRJR、JROJRO JBJB、JBOJBO JQJQ、JQOJQO 2、接法 U1 U2 V1 V2 W1 W2 U1 U2 V1 V2 W1 W2 U1V1 W1 W2U2V2 接电源接电源 U1V1 W1 W2U2V2 接电源接电源 3、电压 铭牌上所标的电压值是指电动机在额定 运行时定子绕组上应加的线电压。 4、电流 铭牌上所标的电流值是指电动机在额定 运行时定子绕组的线电流。 5、功率与效率 铭牌上所标的功率值是指电动机在额定 运行时轴上输出的机械功率值。所谓效 率就是输出功率与输入功率的比值。 6、功率因数 因为电动机是电感性负载,定子相电流比相电 压滞后一个角。cos 就是功率因数。 7、转速 由于生产机械对转速的要求不同,需要生产不 同磁极数的异步电动机,因此有不同的转速等 级。最常用的是四磁极的(n0=1500r/min)。 8、绝缘等级 绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用 时容许的极限温度来分级的。所谓极限温度,是 指电动机绝缘结构中最热点的最高容许温度。 绝缘等级绝缘等级 极限温度(极限温度( 0 0C C ) A A E E B B 105105120120130130 10. 三相电动机的选择
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