项目四北邮电机与电气控制Word文档格式.docx
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1—端盖2—轴承3—机座4—定子绕组5—转子
6—轴承7—端盖8—风扇9—风罩10—接线盒
图4-1封闭式三相异步电动机的结构
1.定子部分
定子部分由机座、定子铁心、定子绕组及端盖、轴承等部件组成。
（1）机座。
机座用来支承定子铁心和固定端盖。
中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。
（2）定子铁心。
定子铁心是电动机磁路的一部分。
为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层（大型电动机要求涂绝缘漆）作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。
（3）定子绕组。
定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜（或铝）导线绕制的绕组联接而成。
它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。
通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。
槽口用槽楔（一般为竹制）塞紧。
槽内绕组匝间、绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。
如果是双层绕组（就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边），还要加放层间绝缘。
（4）轴承。
轴承是电动机定、转子衔接的部位，轴承有滚动轴承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承（也称为球轴承），目前多数电动机都采用滚动轴承。
这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。
为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。
（a）直条形式（b）斜条形式
图4-2笼型异步电动机的转子绕组形式
2.转子部分
转子是电动机中的旋转部分，如图4-1中的部件5。
一般由转轴、转子铁心、转子绕组、风扇等组成。
转轴用碳纲制成，两端轴颈与轴承相配合。
出轴端铣有键槽，用以固定皮带轮或联轴器。
转轴是输出转矩、带动负载的部件。
转子铁心也是电动机磁路的一部分。
由0.5mm厚的硅钢片叠压成圆柱体，并紧固在转子轴上。
转子铁心的外表面有均匀分布的线槽，用以嵌放转子绕组。
三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。
（1）笼型转子线槽一般都是斜槽（线槽与轴线不平行），目的是改善起动与调速性能。
其外形如图3.7中的第5部分；
笼型绕组（也称为导条）是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环（称为端环）分别在裸金属导条两端把它们全部接通（短接），即构成了转子绕组；
小型笼型电动机一般用铸铝转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。
如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以得名笼型绕组，如图4-2所示。
图4-2（a）为笼型直条形式，图4-2（b）为笼型斜条形式。
（2）绕线型转子绕组与定子绕组类似，由镶嵌在转子铁心槽中的三相绕组组成。
绕组一般采用星形连接，三相绕组绕组的尾端接在一起，首瑞分别接到转轴上的3个铜滑环上，通过电刷把3根旋转的线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便于控制，如图4-3所示。
有的电动机还装有提刷短路装置，当电动机起动后又不需要调速时，可提起电刷，同时使用3个滑环短路，以减少电刷摩损。
图4-3绕线式异步电动机的转子
两种转子相比较，笼型转子结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用十分广泛。
绕线型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能较好，并能利用变阻器阻值的变化，使电动机能在一定范围内调速；
在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械（如起重机）中常常被采用。
一般电动机转子上还装有风扇或风翼（如图4-1中部件8），便于电动机运转时通风
散热。
铸铝转子一般是将风翼和绕组（导条）一起浇铸出来，如图4-2（b）所示。
3.气隙
所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。
中小型异步电动机的气隙一般为0.2mm～1.5mm。
气隙的大小对电动机性能影响较大，气隙大。
磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流Im也越大，电动机的功率因数也就越低。
但气隙过小，将给装配造成困难，运行时定、转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。
四、三相异步电动机的基本工作原理
（一）旋转磁场
1．旋转磁场的产生
在图4-4中，假设磁场的旋转是逆时针的，这相当于金属框相对于永久磁铁，以顺时针方向切割磁力线，金属框中感生电流的方向，如图中小圆圈里所标的方向。
此时的金属框已成为通电导体，于是它又会受到磁场作用的磁场力，力的方向可由左手定则判断，如图4-4中小箭头所指示的方向。
金属框的两边受到两个反方向的力f，它们相对转轴产生电磁转矩（磁力矩），使金属框发生转动，转动方向与磁场旋转方向一致，但永久磁铁旋转的速度n1要比金属框旋转的速度n大。
从上述实验中可以看到，在旋转的磁场里，闭合导体会因发生电磁感应而成为通电导体，进而又受到电磁转矩作用而顺着磁场旋转的方向转动；
实际的电动机中不可能用手去摇动永久磁铁产生旋转的磁场，而是通过其他方式产生旋转磁场，如在交流电动机的定子绕组（按一定排列规律排列的绕组）通入对称的交流电，便产生旋转磁场；
这个磁场虽然看不到，但是人们可以感受到它所产生的效果，与有形体旋转磁场的效果一样。
通过这个实验，可以清楚地看到，交流电动机的工作原理主要是产生旋转磁场。
图4-4闭合金属框中受力示意图
为了更好的说明三相异步电动机的工作原理，用图4-5进一步进行说明，从中可以很清楚地看到三相交流电产生旋转磁场的现像。
图中所示的3个绕组在空间上相互间隔机械角度120°
（实际的电动机中一般都是相差电角度120°
），3个绕组的尾端（标有U2、V2、W2）连接在一起（3个绕组的这种连接称为星形（Y）接法。
常用接法还有三角形（△）接法，就是将3个绕组首尾相连，在3个接点上分别引出3根引线的接法。
），将对称的三相交流电iU=Imsint、iV=Imsin（t-120°
）、iW=Imsin（t-240°
）从3个绕组的首端（标有U1、V1、W1）通入，放在绕组中心处的小磁针便迅速转动起来，由
此可知旋转磁场的存在。
图4-5三相交流电动机定子三相绕组排列示意图
三相交流电是怎样产生旋转磁场的呢？
用图4-6进行分析。
当3个绕组跟三相电源接通后，绕组中便通过三相对称的交流电流iU、iV、iW，其波形如图4-6图所示。
现在选择几个特殊的运行时刻，看看三相电流所产生的合成磁场是怎样的。
这里规定：
电流取正值时，是由绕组始端流进（符号），由尾端流出（符号⊙）；
电流取负值时，绕组中电流方向与此相反。
图4-6三相交流电产生旋转磁场示意图
当t=t1=0，U相电流iU=0，V相电流取为负值，即电流由V2端流进，由V1端流出；
W相电流iW为正，即电流从W1端流进，从W2端流出。
在图4-6的定子绕组图中，根据电生磁右手螺旋定则，可以判定出此时电流产生的合成磁场如图4-6（a）所示，此时好像有一个有形体的永久磁铁的N极放在导体U1的位置上，S极放在导体U2的位置上。
当t=t2=2时，电流已变化了1/3周期。
此时刻i为正，电流由U1端流入，从U2端流出，iV为零；
iW为负，电流从W2端流入，从W1端流出。
这一时刻的磁场如图4-6（b）所示。
磁场方向较t=t1时沿顺时针方向在空间转过了120°
。
用同样的方法，继续分析电流在t=t3、t=t4时的瞬时情况，便可得这两个时刻的磁场，如图4-6（c）、4-6（d）所示。
在t=t3=4
/3时刻，合成磁场方向较t2时刻又顺时针转过120°
在t=t4=2
时刻，磁场较t3时再转过120°
，即自t1时刻起至t4时刻，电流变化了一个周期，磁场在空间也旋转了一周。
电流继续变化，磁场也不断地旋转。
从上述分析可知，三相对称的交变电流通过对称分布的3组绕组产生的合成磁场，是在空间旋转的磁场，而且是一种磁场幅值不变的圆形旋转磁场。
三相异步电动机的基本原理是：
把对称的三相交流电通入彼此间隔120°
电角度的三相定子绕组，可建立起一个旋转磁场。
根据电磁感应定律可知，转子导体中必然会产生感生电流，该电流在磁场的作用下产生与旋转磁场同方向的电磁转矩，并随磁场同方向转动。
2．旋转磁场的转速
旋转磁场的速度也称为“同步转速”，用n1表示，其单位是“r/min”。
它的大小由交流电源的频率及磁场的磁极对数决定。
图4-6所举的例子是只能产生一对磁极的电动机，电流变化一个周期，旋转磁场转一圈；
若电源电流的频率为f（Hz），则一对磁极的旋转速度应为n1=60f（r/min）；
我国电网供电电流的频率（即工频）为f=50Hz（即每秒完成50个周期的变化），则一对旋转磁场的转速就是50r/min×
60r/min=3000r/min。
若定子绕组采用的排列方式不同，那么产生的磁极对数也不同，依照前面分析产生一对磁极的方法，仍然选取几个特殊的时刻，根据图4-6上图各相电流的正、负时刻，画出各个绕组中电流的流向，即可判定出各时刻产生的磁场情况，如图4-7所示。
t=t1=0时，iU=0，U相绕组内没有电流；
iV为负值，电流由端流进，由端流出，再由V2端流进，由V1端流出；
iW为正值，电流由W1端流进，由W2端流出再由W1’端流进。
由W2’端流出。
此时三相电流产生的合成磁场如图4-7所示。
前面讲过，每当交流电变化一个周期，两极旋转磁场就在空间转过360°
（即1转）机械角度。
从图4-7中可以看出，四极的旋转磁场在电流变化一周中，在空间只转过180°
（即1/2转）机械角度。
由此类推，当旋转磁场具有P对磁极时，交流电每变化一周，磁场就在空间转过1/p转。
故旋转磁场的转速（同步转速）n为
n1=60f/P（r/min）
式中f——电流的频率；
P——定子绕组产生的磁极对数。
图4-7三相交流异步电动机产生4个磁极旋转磁场
3．旋转磁场的旋转方向
交流电动机旋转磁场的旋转方向，一般与接入定子绕组的电流相序有关。
如前面举的两个例子，磁场都是按顺时针方向旋转的，这与三相电源通入三相绕组的电流相序IU－IV－IW（正序电流）是一致的。
若要使磁场按逆时针方间旋转，只需改变通入三相绕组中的电流相序，也就是说通入三相绕组的电流相序为IU－IV－IW是反（负）序的，即只要把三相绕组的3根引出线头任意调换两根后再接电源就可实现，如图4-8所示。
在图4-7中，使iV流入W1W2绕组，iW流入V1V2绕组，iU仍流入U1U2绕组。
三相绕组通入反（负）序电流后，所产生的旋转磁场分析如图4-8所示。
从图中可以明确看到，旋转磁场的旋转方向是逆时针的，与图3.3所示的旋转磁场的顺时针方向相反。
图4-8三相绕组通入反（负）序电流时的旋转磁场
（二）转子的转动
1．转子转动的原理
当定子绕组接通三相电源后，绕组中流过三相交流电流，图4-9所示为某瞬时定子电流产生的磁场，如果它以同步转速
按顺时针方向旋转，则静止的转子与旋转磁场间就有了相对运动，这相当于磁场静止而转子按逆时针方向旋转，则转子导体切割磁场，在转子导体中产生感应电动势
，其方向可用右手定则来确定，转子上半部导体的感应电动势方向是出纸面的，下半部导体的感应电动势方向是进入纸面的。
由于转子导体是闭合的，所以在转子感应电动势作用下流过转子电流
，若忽略
与
之间的相位差，则
的方向与转子感应电动势方向一致。
通有转子电流
的转子导体处在定子磁场中，根据左手定则，便可确定转子导体受到的电磁力
的作用方向，如图所示。
由于转子导体是圆周均匀分布，所以电磁力
对转轴形成电磁转矩的方向与旋转磁场的旋转方向相同，于是转子就顺着定子旋转磁场旋转方向转动起来了。
图4-9三相异步电动机转动原理
2．转子的转速
转子的旋转速度一般称为电动机的转速，用n表示。
根据前面的工作原理可知，转子是被旋转磁场拖动而运行的，在异步电动机处于电动状态时，它的转速恒小于同步转速n1，这是因为转子转动与磁场旋转是同方向的，转子比磁场转得慢，转子绕组才可能切割磁力线，产生感生电流，转子也才能受到磁力矩的作用。
假如有n=n1情况，则意味着转子与磁场之间无相对运动，转子不切割磁力线，转子中就不会产生感生电流，它也就受不到磁力矩的作用了。
如果真的出现了这样的情况，转子会在阻力矩（来自摩擦或负载）作用下逐渐减速，使得n<
n1。
当转子受到的电磁力矩和阻力矩（摩擦力矩与负载力矩之和）平衡时，转子保持匀速转动。
所以，异步电动机正常运行时，总是n<
n1，这也正是此类电动机被称作“异步”电动机的由来。
又因为转子中的电流不是由电源供给的，而是由电磁感应产生的，所以这类电动机也称为感应电动机。
3．转差率
旋转磁场的同步转速与转子转速之差与同步转速的比值，称为异步电动机的转差率，即
s=（n1-n）/n1
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。
异步电动机正常使用时，电动机转速略小于但接近同步转速，额定转差率一般小于5%。
由上分析还可知，异步电动机的转动方向总是与旋转磁场的转向一致。
因此，要改变三相异步电动机的旋转方向，只需把定子绕组与三相电源连接的三根导线中任意两根对调，改变旋转磁场的转向，也便实现电动机转向的改变了。
五、三相异步电动机的铭牌数据
每一台三相异步电动机，在其机座上都有一块铭牌，其上标有型号、额定值等，如表所示。
表三相异步电动机的铭牌
三相异步电动机
型号Y112M-2
编号×
×
4kW
8.2A
380V
2890r/min
LW79dB（A）
接法Δ
防护等级IP44
50Hz
kg
JB/T9616-1999
工作制
B级绝缘
年×
月
电机厂
1．型号
异步电动机型号的表示方法是用汉语拼音的大写字母和阿拉伯数字表示电动机的种类、规格和用途等，其型号意义：
中心高越大，电动机容量越大，中心高80~315mm为小型电动机；
315~630mm为中型电动机；
630mm以上为大型电动机。
在同一中心高下，机座长则铁心长，容量大。
2．额定值
三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额定数据。
主要的额定数据为：
（1）额定功率PN（kW）：
指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。
（2）额定电压UN（v）：
指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。
（3）额定电流IN（A）：
指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。
（4）额定转速门nN（r/min）：
指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速。
（5）额定频率fN（Hz）：
指电动机所接交流电源的频率。
（6）额定工作制：
指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。
此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（接成星形或三角形）、绝缘等级及温升等。
对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。
任务二三相异步电动机运行
了解三相异步电动机运行时的电磁关系；
了解三相异步电动机的基本方程式和等值电路；
了解异步电动机起动时存在的问题；
熟悉异步电动机常用的起动方法；
了解异步电动机的反转、制动方法；
学会三相异步电动机常用起动、反转和制动方法的操作使用。
三相异步电动机起动时与直流电动机一样，起动电流大，对电源有较大的冲击，因此容量较大的电动机不允许直接起动。
需要在三相异步电动机的各种起动方法中选择一种对电源、对负载最合适的方法。
异步电动机拖动的生产机械，也经常要改变运动方向，如电梯的上下、刨床的来回运动，这就需要电动机能快速地正反转。
某些生产机械除了需要电动机提供驱动力矩外，还要异步电动机在必要时，提供制动力矩，以便迅速反转、停车或限制转速；
例如起重机下放重物时，机床反向运动开始时，都需要电动机进行制动。
因此掌握三相异步电动机起动、反转和制动的知识及技能，对电气技术人员是很重要的。
一、三相异步电动机的空载运行
（一）空载电流和空载磁动势
当电机空载，定子三相绕组接到对称的三相电源时，在定子绕组中流过的电流成为空载电流I0。
I0也称为励磁电流，它的有功分量
用来供给空载损耗，包括空载时的定子铜损耗、定子铁心损耗和机械损耗。
无功分量
用来产生气隙磁场，也称磁化电流，它是空载电流的主要部分。
也可写为：
=
+
三相空载电流所产生的合成磁动势的基波分量的幅值为：
它以同步转速n1旋转。
（二）空载时的定子电压平衡关系
设定子绕组上每相所加的端电压为
，相电流为
，主磁通
在定子绕组中感应的每相电动势为
，定子漏磁通在每相绕组中感应的电动势为
，定子的每相电阻为
，则电动机空载时每相的定子电压平衡方程式为
与变压器类似
于是电压平衡方程可改写为
由上式可画出感应电动机空载时的等效电路和相量图如图4-10所示。
图4-10感应电动机空载时的等效电路和相量图
二、三相感应电动机的负载运行
（一）负载运行时的物理情况
负载运行时，电机将以低于同步转速的速度n旋转，其转向仍与n1的方向相同，因此，气隙磁场与转子的相对速度为
△n也就是气隙磁场切割转子绕组的速度，于是在转子绕组中感应出电势，产生电流，其频率为：
对感应电机，一般s=0.02～0.06，当f1=50Hz时，f2仅为（1～3HZ）。
负载运行时，除了定子电流产生一个磁势，转子电流也产生一个磁势，总的磁势是由它们合成，因此必须对转子磁势作一说明。
1．转子磁动势的分析
无论是笼型电机还是绕线型转子电机，其转子绕组都是一个对称的多相系统。
转子中的电流也一定是一个对称的多相电流，产生的磁势必是一个旋转磁势，其幅值为:
转子磁动势F2在空间的（相对于定子）旋转速度为
n2+n=sn1+n=n1,
即等于定子磁势F1在空间的旋转速度。
上面的式子是在任意转速下得到的，这就说明，无论电机的转速如何变化，定子磁势与转子磁势相对静止。
这是一切电机正常运行的必要条件。
2．电动势平衡方程式
负载时，定子电流为
，则负载时定子的电动势平衡方程式为
负载时，定子电流为
负载时，转子电动势的频率为
，转子电动势的大小为
转子的电动势平衡方程为
转子电流的有效值为
3．磁动势平衡
由于定、转子磁动势相对静止，因此可以合并成一个磁动势Fm。
即：
F1+F2=Fm
Fm也称为励磁磁动势，它产生气隙中的旋转磁场。
对上述公式其物理意义如下：
在平衡方程式中，表现出：
在转子绕组中通过电流产生磁势F2的同时，定子绕组中必然要增加一个分量，使这一分量产生磁势-F2抵消转子电流产生的磁势F2，从而保持总磁动势Fm近似不变，显然Fm等于空载时的定子磁动势F0。
（二）感应电动机的相量图
根据变压器负载运行时的定、转子电势激磁势平衡方程可以绘制出感应电动机的相量图如图4.2（b）所示。
三、三相异步电动机的功率和电磁转矩
异步电动机是一种机电能量转换元件，是通过电磁感应作用把电能传送到转子再转化为轴输出机械能。
本节从能量观点出发阐述电动机的能量转换过程，分析其功率和转矩的平衡关系。
（一）功率转换过程和功率平衡方程式
感应电机运行时，不可避免地存在着一定的损耗，本节着重分析各种损耗之间的关系。
由气隙旋转磁场通过电磁感应传递到转子的功率，称为电磁功率
转子旋转的总机械功率
转子轴端输出的机械功率P2
感应电动机的功率平衡方程为：
功率变换过程可用功率图（图4.3）表示。
图4-11感应电动机的功率图
从电路的观点看
这是在分析感应电动机的特性中很重要的公式。
它说明转差s越大，电磁功率消耗在转子铜耗中的比重就越大，电动机的效率就越低，所以感应电动机一般都运行在s=0.02～0.06的范围内。
同时也说明，只要知道了感应电动机的转子铜耗和转速，就可求出电磁功率和总机械功率。
（二）转矩平衡方程式
当电机稳定运行时，作用在电机上有三个转矩。
1）使电机旋转的转矩Tem。
2）由电机的机械损耗和附加损耗引起的空载制动转矩T0。
3）由电机所拖动的负载的反作用转矩T2。
显然Tem=T0+T2
（三）电磁转矩公式
1．电磁转矩的物理表达式
上式表明，电磁转矩的大小与主磁通及转子电流的有功分量的乘积成正比，即电磁转矩是由气隙磁场与转子电流有功分量共同作用产生的。
电动机中电流、磁通与作用力这3个量的方向符合左手定则这一物理规则，故称物理表达式。
主要用于定性分析异步电动机电磁转矩大小。
2．电磁转矩的参数表达式
根据感应电动机的简化等效电路
考虑
，可得
因为式中表示了转矩T与转差率s的关系，所以也称为T—s曲线方程。
四、三相异步电动机的工作特性
三相异步电动机的工作特性是指电源电压、频率均为额定值的情况下，电动机的定子电流、转速（或转差率）、功率因数、电磁转矩、效率与输出功率的关系，即在
、
时，
的关系曲线。
工作特性指标在国家标准中
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