第七章厂用电动机

第七章厂用电动机第一节厂用电动机的结构和工作原理一、结构厂用电动机主要采用异步电动机，异步电动机也分为定子和转子两部分．在机械方面所许可的条件下，定子和转子间的空气隙要尽可能做小些，以便获得较好的电动机特性。（一）定子定于在结构上和同步发电机的定子没有区别。也包括铁芯、绕组及机座等部分。在小容量低压电动机中多采用半闭口槽，中等容量低压电动机多采用半开口槽，大容量电动机多采用开口槽。定于绕组所用电磁线：小容量低压电动机多用高强度聚脂漆包线，中容最低压电动机和大容量电动机则用绝缘扁线。定子铁芯固定在机座内，中小型电动机的机座及其前后端盖用铸铁铸成，大型电动机则用钢板焊成。（二）转子转子由装在轴上的带槽铁芯和嵌在铁芯上的绕组所组成。铁芯通常用彼此绝缘的硅钢片叠成，以减少铁损。绕组又分鼠笼式和绕线式两种。1、鼠笼式转子鼠笼式转子也称短路式转子。这种转的绕组用适当数量的导体嵌入转子铁芯槽内，导体的两端分别焊接在两个端环(又称短路环)上。为了提高电动机的起动转矩和减少起动电流，转子绕组可制成双笼式或深槽式。2、绕线式转子绕线式转子也称滑环式转子。转子槽内嵌装与定子绕组相似的星形连接的三相绕组，三相引出端分别接到与轴绝缘的三个滑环上，每个滑环通过电刷与起动变阻器连接。为了减少电刷磨损，在电动机起动后，将电动机后侧的手柄转到运行位置，即可将三个滑环短路，同时将三组电刷举起，这种装置称为举刷装置。二、异步电动机的工作原理我们在第一章第一节中分析了三相交流电机的定子旋转磁场，异步电动机所以能装转动起来，其必要条件就是定子绕组产生旋转磁场。当定子三相绕组接到对称三相电源后，三相绕组中通过对称三相交变电流，则在空间产生旋转磁场。旋转磁场的方向决定于定子三相绕组电流的相序；旋转磁场的速度决定于外加电源频率和定子绕组的磁极对数，即1fppfn1160=（转/分）（7—1）1n称为同步转速。由于定于旋转磁场与静止的转子之间有相对运动，所以转子上的绕组导体便切割定子旋113转磁场的磁力线而产生感应电流，其方向用右手定则确定。带电流的转子绕组与定子旋转磁场相互作用将产生电磁力，其方向用左手定则确定。在图7-8中绘出了转子绕组导体上所受电磁力的方向，这些电磁力对转轴形成一个与旋转磁场同方向的电磁转矩为转子半径），驱使转子沿旋转磁场的方向以的转速旋转，这就是异步电动机的工作原理。RFRmMdcdc,(=n很明显，转子的转速不可能达到旋转磁场的转速，否则，两者之间没有相对运动，转子绕组内就不会产生感应电流及产生电磁力而便转于旋转。所以，转子的转速总是小于同步转速，故称这种电动机为异步电动机。又因为这种电动机的转子电流是由电磁感应产生的，故又称为感应电动机。n1nn1n当电动机的定子绕组与电源接通时，而转子轴上未带机械负载，电动机输出的机械功率为零，称为空载运行。电动机在空载运行时，轴上的制动转矩是由轴与轴承之间的摩擦以及转动部分受到的风阻力等所产生的，其值很小。因而此时所需要的电磁转矩也很小，转子的转速接近于同步转速。如果在空载运行的电动机轴上加上机械负载，则轴上产生机械制动转矩，在机械负载加入的瞬时，转矩平衡状态被破坏，引起电动机的转速减慢。随着转于转速的逐渐下降，转子绕组导体切割旋转磁场的速度相应增大，于是，转子绕组内的感应电势增大，电流也随着增大，即电磁转矩增大。直到zdMdcMzddcMM=即电磁转矩与制动转矩达到平衡状态时，电动机在某一恒定转速下旋转。反之，当负载减小时，电动机转速上升，其过程与上述情况相反。异步电动机在不同负载下，其转速变化是很小的。dczdMM〈三、异步电动机的启动特性鼠笼式电动机的重要特点，是可以在电网电压下直接起动，除了开关以外，不需应用任何起动设备，因此操作控制很简单，工作可靠性很高。从下图可见，双鼠笼式电动机的特性最好，它的起动转矩较大，而起动电流则较小（曲线3）。双鼠笼式电动机结构稍复杂而价格高些，运行经验表明，其工作的可靠性比单鼠笼式电动机略低。114图7-1-1鼠笼式电动机的特性1-单鼠笼式；2——深槽式；3——双鼠笼式绕线式异步电动机，通常采用转子绕组回路中接入电阻来起动。它的主要优点是起动转矩很高，而起动电流较小，不超过电动机额定电流的2～3倍（依启动变阻器的电阻值而定）。下图所示为绕线式异步电动机启动时逐级减小的启动电阻时的启动特性（粗线），而虚线表示在转子电路中接入不同启动电阻下（r4r3r2r1）,相应的Me=f(n)的关系。图7-1-2绕线式电动机的起动特性用变阻器起动能保证把启动条件最困难的机械均匀地发动起来。此外，借助调节串联于绕线式异步电动机转子回路中的电阻，使其转矩特性Me=f(n)发生变化，可以实现均匀地无级调速。绕线式异步电动机虽然具有良好的启动特性和调速性能，但其结构及辅助设备比较复杂，价格较高，一般只用在需要带恒定负荷反复起动或需要均匀无级调速的机械设备上，如吊车、抓斗机、起重机等。四、直流电动机的特点直流电动机的主要优点是，可以利用激磁电路中的变阻器调节磁场电流，在大范围内均匀而平滑地调节转速，且调速变阻器中只消耗较少的电能。并激机直流电动机用变阻器起动时的起动特性：起动转矩（起始值）Me0≈MN,起动115电流I0≈2.5IN.直流电动机不依赖厂用交流电源，可由蓄电池组供电。直流电动机制造工艺复杂、成本高、维护量大，特别是换向器部分，工作可靠性较差，而且厂用电必须提供直流电源或整流电源。因此，直流电动机在厂用电系统中一般仅用于事故保安负荷中的汽轮机直流备用润滑油泵、氢密封油泵等。五、玉环电厂厂用电动机的技术参数电动机的主要技术参数，反映电动机的工作能力及其起动特性。起动性的优劣主要表现在起动电流和起动转矩等方面。下表是玉环电厂采用的电动机主要技术参数。第二节厂用电动机的运行方式一、允许温度与允许升温电动机运行过程损坏，大多数是由于热引起的。因为电动机在运行过程中，各种能量损耗都要产生热量。主要的能量损耗可分为可变损耗两部分，可变损耗中包括定子绕组中有电阻的铜损，因为绕组中有电阻，所以当电流通过电阻时，便产生I2R的确良功率损耗，它随负荷的变化它随负荷的变化而变化，且随电流的平方正比例地增加。不变损耗中包括机械损耗和耗铁芯损耗。机械损耗是由轴承的摩擦和风扇与空气之间的阻力等腰三角形成的，其大小由转速决定。而在运行过程中，异步电动机的转速基本不变，因此机械损耗的大小也基本不变。铁芯损耗是由铁芯中磁通交变而产生的，其大小决定于铁芯中的磁通密度及磁通变化的快慢。铁芯损耗与电源电压的平方，成正比，而在运行中由于电源电压几乎不变，因此铁芯损耗也基本不变。在电动机的运行过程中，上述各种损耗最后都转化力热能，使电动机的绕组和铁芯发热，从而引起电动机各部的温度升高。在电动机过负荷运行时，若绝缘材料的温度超过了规定值，即使不会立即烧坏电动机，也将使电动机的寿命因绝缘迅速老化而缩短。因此，为了防止电动机的烧坏，所以电动机有规定的允许温度和允许温升，以便监视电动机运行中的各部分温度，保证电动机的正常运行。电动机的温升Θ为：（7-2）ett−=Θ式中t——允许温度（度）et——周围空气温度(度)。电机绕组的散热能力不与周围空气温度的变化成正比，如电动机带满负荷运行时，在冬季，周围的空气温度很低，电动机外壳的散热能力大大增加，使外壳温度降低很多，但此时电动机内部绕组的散热能力提高得并不多，即不能相应的提高。这时，若大量增加电动机的负荷，则会使电动机绕组的温度升得很高，以致于超过允许温度。116为了便于检查及正确反应电动机内部的发热情况，因此就就必须规定其温升限额。电动机的连续工作量主要决定于定子绕组、转于绕组和定子铁芯的温度，而这些部分的最高允许温度则决定于所用绝缘材料的等级和测温方法；因而根据电动机的绝缘等级及其温度测量方法，规定出允许温度t和允许温升Θ。电动机的允许温度t和允许温升，一般应根据制造厂的规定执行，在任何运行条件下均不得超过此温度及温升，但如无制造厂的规定时，也可参照表7-2-1的数值来监视电动护，各部分的温度与温升。Θ表7-2-1电动机各部分最高允许温度与温升(周围额定空气温度)Cte035=绝缘等级A级E级B级F级H级测定方法温度与温升（0C）tΘTΘtΘtΘtΘ定子绕组转子绕组定子铁芯105105105707070120120120858585130130130959595140140140105105105165165165130130130电阻法①温度表法②滑环Ct0105=C070=Θ温度表法轴承流动滑动温度表法温度表法CtC0080100==CC004565=Θ=Θt绕组温度用电阻法测量。利用金属导体的电阻随金属导体的温度而增加的特性，可以从电机温度的变化得知电阻数值相应的变化，从而可以推算出电机的温度。铁芯温度用酒精温度计测量，在有磁场的地方，不能用水银温度计测量，以免水银中产生涡流损耗而发热。温度计应紧贴在铁芯上，并用油灰覆盖，以防止散热。二、冷却空气温度对电动机出力的影响由于电动机的连续工作容量主要决定于定于绕组、转子组和定子铁芯的温度，而这些温度受电动机周围的冷却空隘度的影响很大，所以应考虑电动机的冷却空气温度与所负荷的关系。当冷却空气为额定温度(一般35℃)时，电动机可以在周波电压正常的情况下带满负荷长期运行。当冷却空气温度高于额定温度时，电动机的出力就应该降低，而当冷却空气温度低于额定温度时，其出力可以升高。一般电动机的冷却空气的额定温度为35℃。若电动周围的空气温度超过35℃时，应先设法降低电动机外壳温度，如无效果时，应适当降低电动机的负荷，其值如表7-2-2所示。表7-2-2冷却空气温度升高时对电动机出力的影响周围空气温度（0C）电流降低百分值（%）eI周围空气温度（0C）电流降低百分值（%）eI35400545501015当周围空气温度低于35℃时，则电动机的负荷可按表7-2-3所示的数值升高。117表7-2-3冷却空气温度降低时对电动机出力的影响周围空气温度（0C）电流升高百分值（%）eI30250C及以下58当冷却空气温度(室温)低于+25~C以下时，由于电机绕组的散热能力变化不大，故冷却空气温度在+25℃以下时，定于电流的增加仍规定不得超过额定电流的8％。对于大容量的高压电动机采用空气冷却器冷却时，其入口风温不得低于5℃，入口冷却水量以不使空气冷却器凝结成水珠为标准，以防止电动机定子绕组端部绝缘变脆。上述规定在大部分情况下均适用，但对有些电动机不太适合，所以在按上述规定执行时，要密切注意电动机的温度与温升，如有超过规定值的现象时，则应将负荷降低。三、当周波、电压与额定值有偏差时，异步电动机的运行在电动机运行中，常常发生电压和周波长期与额定值有偏差的情况，当周波在额定值时，电动机可以在额定电压应运—5—+10％的范围内运行，其额定出力不变，而当电压在额定值时，电动机可以在额定周波变动±0.5周/秒的范围辆运行，其额定出力不变。1、在额定周波下电压变化时电动机的运行(1)在恒定负荷下，当加在电动机定子绕组上的电压降低很多时，根据公式，则电动机的电动势和磁通便减少，随着电压的平方而正比地变化的电磁转矩。也减少。此时，若不减少外面的负荷，使电动机的电磁转矩。与制动转矩达到新的平衡，势必使转子的转速下降，转差增加。这样，由于定子旋转磁通切割转子导体的次数增多；于是转于导体内感应的电势和电流便随着增加，产生较大的电磁转矩，使与制动转矩达到新的平衡。此时，由于转子电流的增加，必然使定子电流增大，以抵消因转子电流所产生的磁通对定子旋转磁通的影响，这样便会使电动机的发热增大，严重时甚至会将电动机烧坏。所以我们在使用电动机时，为了保证电动机的正常运行而不损坏，必须尽可能使电压保持为额定值。Θ=≈1111144.4NfKEUzdMzdMzdMzdMzdM（2）在恒定负荷下，当电动机的外加电压增加时，与上述的情况相反，此时转子导体内感应的电流减少，定子的电流也相应地减少。这样，由于定子的铁芯损耗与电源电压的平方成正比，使定子的铁损增加，铁芯发热也增大而造成升温度升高