电工电子技术6

第六章6.1三相异步电动机的结构与转动原理6.2三相异步电动机的电磁转矩与机械特性（选）6.3三相异步电动机的起动、调速与制动6.4三相异步电动机的铭牌与技术数据6.5三相异步电动机的选择6.6单相异步电动机（选）本章小结•异步电动机是把交流电能转变为机械能的一种动力机械。它结构简单，制造、使用和维护简便，成本低廉，运行可靠，效率高，因此在工农业生产及日常生活中得以广泛应用，三相异步电动机被广泛用来驱动各种金属切削机床、起重机；中、小型鼓风机；水泵及纺织机械等。单相异步电动机由于容量小，性能较差，常用于日常生活中的小家电及小功率电动工具。6.1三相异步电动机的结构与转动原理一、三相异步电动机的基本结构异步电动机主要有定子和转子两部分组成。这两部分之间有气隙隔开。1.定子定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子铁心是电机磁路的一部分，它由0.5mm厚，两面涂有绝缘漆的硅钢片叠成，在其内圆冲有均匀分布的槽，如图所示，槽内嵌放三相对称绕组。定子绕组是电机的电路部分，它用铜线缠绕而成，三相绕组根据需要可结成星形和三角形，由接线盒的端子板引出。机座是电动机的支架，一般用铸铁或铸钢制成。图6-3异步电动机的定子铁心2.转子转子由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。转子铁心也是由0.5mm厚、两面涂有绝缘漆的硅钢片叠成，在其内圆冲有均匀分布的槽，槽内嵌放转子绕组，转子铁心装在转轴上。笼型转子绕组结构与定子绕组不同，转子铁心各槽内有嵌有铸铝导条，端部有短路环短接，形成一个短接回路。去掉铁心，形如一笼子。如（ab）所示。绕线型转子绕组结构与定子绕组相似，在槽内嵌放三相绕组，通常为星形连接，绕组的三个端线接到装在轴上的一端的三个滑环上，再通过一套电刷引出，以便于外电路相连，如图（c）所示。转轴由中碳钢制成，其两端有轴承支撑着，它用来输出转矩。图（c）6.1.2旋转磁场1、两极旋转磁场的形成•如图6-9所示，将异步电动机的3个定子绕组接成“星”型，并将它的3个首端A、B、C分别与三相电源相联接。3个定子绕组的尺寸、匝数和其他特性是完全相同的，仅空间位置彼此相差120°。当接通三相对称电源后，其中将产生对称的三相电流，设它们分别为：)120sin()120sin(sintIitIitIimCmBmA由于电流随时间而变，所以电流流过线圈产生的磁场分布情况也随时间而变现研究几个瞬间。iiuiviwiu0t33三相电流波形UUVVWW111222t=Iu=Im0UUVVWW111222t=Iv=ImUUVVWW111222t=Iw=Im（1）当ωt=0°时，iA=0、，3个定子绕组中电流的方向和3个电流合成产生的感生磁场的分布如图6-11（a）所示。这时电动机中央磁力线的方向从Ａ-Ｘ绕组的尾端Ｘ指向首端Ａ，并与轴垂直。Ｘ处相当于磁场的Ｎ极，Ａ处相当于磁场的Ｓ极。（2）当ωt=120°时，这时3个定子绕组中的电流方向和磁场分布情况如图6-11（b）所示。相当于ωt=0°时的磁场顺时针方向旋转了120°mCmBIiIi23,23mCBmAIiiIi23,0,23（3）同理，当ωt=240°（-120°）时，3个定子绕组中的电流和磁场分布情况如图6-11（c）所示。相当于ωt=120°时的磁场顺时针方向又旋转了120°（4）当ωt=360°时，iA、iB、iC和磁场分布又回到了ωt=0°时的情况，如图6-11（d）所示。,0,23,23CmBmAiIiIi二极旋转磁场的如下特点。（１）空间上互为120°的3个定子绕组接通相位互为120°的三相正弦交流电源时，可以产生以ω角速度匀速旋转的磁场。旋转磁场的方向与三相电源的相序有关。当三相电源的相序为Ａ-B-C时，旋转磁场按顺时针方向旋转，电动机正转。当三相电源的相序改变为A-C-B时，旋转磁场则按逆时针方向旋转，电机反转。（３）旋转磁场的变化频率与三相电源的变化频率一致。三相交流电变化一个周期，旋转磁场则旋转一圈。三相交流电的频率为50Hz，二极旋转磁场每秒钟就转过50转。即转速为50×60=3000r／min。2.旋转磁场的极对数上面讨论的旋转磁场只有两个极，即只有一对Ｎ、S极，故称为一对极。用（p=1）表示。如果电动机的磁场不只两个极，则为多极旋转磁场，如四极旋转磁场有两对Ｎ、Ｓ极，称为二对极，用p=2表示。同理，六极旋转磁场具有３对N、S极，称为３对极，用p=3表示。通常我们所说的电动机的对极数就是指电动机中旋转磁场的对极数。旋转磁场对极数增加时，电动机的同步转数将会按比例减少。可以证明p对极旋转磁场转速（同步转速）的一般公式为pfn1160（6.4）我国电工标准规定f1=50Hz，则n1和p的对应关系可用表6-2列出。表6–2p（极对数）12345…n1/(r/min)300015001000750600…显然，可以通过增加极对数来降低转速，但极对数的增加需要采用更多的定子线圈和加大电动机的铁芯，这将使电动机的成本提高和重量增大。常用电机的极对数多为1~4。需要继续降低转速时，采用其他方法。6.1.3三相异步电动机转动原理•图3为三相异步电动机转动原理示意图。•过程为(1)电生磁（2）磁生电（3）电磁力•三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速。•旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极N下为南极S，如图3.7所示。•根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用⊙表示；在下半部则由外向里，用⊕表示。pfn601图3三相电动机的转动原理原理：定子旋转磁场以速度n0切割转子导体感生电动势（发电机右手定则），在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n顺n0方向旋转（电动机左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。(n不能等于n0)特点：电动机内必须有一个以n0旋转的磁场。－实现能量转换的前提；电动运行时n恒不等于n0（异步）－必要条件nn0；建立转矩的电流由感应产生。－感应名称的来源。NSn0n异步电动机模型笼型转子•流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力作用，力F的方向可用左手定则确定，如图3所示。电磁力作用于转子导体上，对转轴形成电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向旋转起来，转速为n。•三相电动机的转子转速n始终不会加速到旋转磁场的转速n1。因为只有这样，转绕组与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向继续旋转。由此可见，且，是异步电动机工作的必要条件，“异步”的名称也由此而来。nn11nn•3．转差率旋转磁场转速n1与转子转速n之差与同步转速n1之比称为异步电动机的转差率s，即转差率是异步电动机的一个基本参数，对分析和计算异步电动机的运行状态及其机械特性有着重要的意义。当异步电动机处于电动状态运行时，电磁转矩和转速n同向。转子尚未转动时，当n=0时,；当n1=n时，，可知异步电动机处于电动状态时，转差率的变化范围总在0和1之间，即0＜s＜1。一般情况下，额定运行时=1%～5%。11nnns111nnns011nnns6.3三相异步电动机的起动、调速与制动6.3.1三相异步电动机的起动起动要求起动转矩Tst要大，以减小起动时间；起动电流Ist要小，以免导致电网电压下降，影响其它同一电网的设备正常运行和自身使用寿命。另外，起动方法和设备要求简单、经济、易操作。视与电源容量的相对大小，三相异步电动机可直接起动或降压起动。（一）直接起动电动机在额定电压、额定频率下进行的，起动电流大、起动转矩较大，且简单、方便，因此一般都作为首选采用。（二）降压起动一般20kW以上较大容量的三相异步电动机，须采用以下各种降压起动的方法来限制起动电流，但应注意在降压起动时，起动转矩会因电压下降而会下降得更多。常用的降压起动方法有：1．定子串电阻或电抗的降压起动在定子绕组上串联电阻或电抗2．星—三角降压起动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，如图所示。星—三角形换接启动只适用于正常工作时，定子绕组呈现三角形连接的鼠笼式异步电动机。它在启动时，先将定子绕组接成星形，等电动机接近正常运行时再换接成三角形。其原理电路如图所示。定子转子(a)ZIYUUφS1S2Y(b)IU(c)ZIp图Y-换接启动线路图图中，S1为三刀单掷闸刀开关，供接通电源用；S2为三刀双掷闸刀开关，供Y-△换接用。S2与3个定子绕组的尾端相联，启动时将它向下掷，使定子绕组接成星形（Y），如图（b）所示。待电动机接近正常运行后，再将它向上掷，使定子绕组接成三角形（△），如图(c)所示。启动过程结束。显然，星形连接时，每相定子绕组上的电压较小，为电源电压Ue的倍，因此相应的启动电流IstY也较小。三角形连接时，每相定子绕组上的电压恢复到正常的电源电压Ue，相应的电流为额定电流。6.3.2异步电动机的调速三种方法：变极调速、改变转差率调速、变频调速。（1）变极调速：改变磁极对数p，电动机的转速只能成倍的改变。（2）改变转差率调速：转差率与电动机转子结构参数有关，对于绕线型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。这种方法不适用于笼型电动机。（3）变频调速：改变交流电源的频率调速。1.根据三相异步电动机转差率的计算公式可知：上式说明了转子的转速n2与电源频率f1成正比，与旋转磁场的极对数p成反比，而且还与转差率S有关。因此，异步电动机的转速可以通过改变旋转磁场的极对数p（变极）、改变电源频率f1（变频）或改变转差率S（变阻）来调节。pfSnSn11260)1()1((6.32)2.调速方法1)变极调速是通过改变旋转磁场的极对数来达到改变电动机转速的方法。图6-24是一双速电机定子绕组的接法及相应的旋转磁场极对数的示意图。图6-24中，双速电机的定子绕组采用两副三相绕组结构，每个定子绕组均由两段组成，首端空间位置彼此相差60°。当每相定子绕组都并接于电源之上时，旋转磁场为两极（一对极），如图6-24（a）所示。根据转速公式（n1=60f1/p=60f1。当每相定子绕组都串接于电源上时旋转磁场为4极（2对极），如图6-24（b）所示。n1=60f1/2，只有(b)(a)A1A2X1X2A1A2X1X2A1A2X1X2A图6-24变极调速方法2）由于频率f1能连续调节，故可得到较大范围的平滑调速，它属无级调速，其调速性能好，但它需要有一套专用变频设备。随着晶闸管元件及变流技术的发展，交流变频变压调速已是20世纪80年代迅速发展起来的一种专门电力传动调速技术，是一种很有发展前途的三相异步电动机的调速转置。3）变阻调速就是变转差率的调速，它是通过改变转子电路中串接调速电阻R2的大小来调整转差率的大小实现平滑调速的。这种方法仅适用于绕线式异步电动机。这种调速方法优点是有一定的调速范围，设备简单，但能耗较大，效率较低，广泛用于起重设备。6.3.3三相异步电动机的制动•许多生产机械工作时，为提高生产力和安全起见，往往需要快速停转或由高速运行迅速转为低速运行，这就需要对电动机进行制动。所谓制动就是要使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，可见电动机制动状态的特点是电磁转矩方向与转动方向相反。三相异步电动机常用的制动方法有能耗制动、反接制动和回馈制动。1．能耗制动通过直流电流在电动机内产生的固定磁场来阻碍转子的继续转动，等电动机接近停稳时再切断这个直流电流。这个固定磁场相对于惯性运行的转子来说是一个反向旋转磁场，它将对转子产生一个反向转矩，在这个反向转矩的作用下，转子很快减速至停止,如图6-26所示。制动转矩的大小与通入的直流电流大小有关。这个直流电流一般为电动机额定电流的0.5~1倍。这种制动停车过程平稳，能量消耗小，但需要直流电源。生产中一般通过＋－