太阳能自动跟踪系统总体设计.docx
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太阳能自动跟踪系统总体设计
高等教育自学考试本科毕业论文
三相异步电动机的控制和运行维护
重庆科技学院
高等教育自学考试本科毕业论文
三相异步电动机的控制和运行维护
考生姓名：
吴艺超
准考证号：
1112441636
专业层次：
本科
指导教师：
钱游
院（系）：
机械与动力工程学院
重庆科技学院
二O一三年七月二十九日
摘要
近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的的应用。
特别是
在乡镇企业及家用电器中，更需要有大量的中、小功率电动机。
由于这种电动机的发展及广泛的应用，它的使用、保养和维护工作也越来越重要。
电动机机应用广泛，种类繁多、性能各异，分类方法也很多。
并且随着科技的发展结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜的三相异步电动机越来越受到广大中小型企业的欢迎。
因此本课题所研究的三相异步电动机的控制和运行维护就显得尤为重要。
本文将围绕电动机的发展史、三相异步电动机工作原理、各种控制和日常的运行维护进行论述。
关键字发展史三相异步电动机工作原理控制运行维护
Automatictracingintelligentsolar
energysystemdesign
Abstract
Inrecentyears,withthedevelopmentofpowerelectronictechnology,microelectronictechnologyandmoderncontroltheory,medium,smallpowermotorsinindustrialandagriculturalproductionandpeople'sdailylifeareextremelyextensiveapplication.Especially
Inthetownshipenterprisesandhouseholdappliances,butalsoneedtohavealotof,smallpowermotor.Duetothedevelopmentofthemotorandthewidespreadapplication,itsuse,maintenanceandmaintenanceworkismoreimportantapplicationofmotormachinewidely,variety,theperformanceofdifferentclassificationmethodsaremany.Andwiththeincreasingofthree-phaseasynchronousmotortechnologydevelopmentstructuresimple,reliableoperation,lightweight,lowpriceandmorebythevastnumberofsmallandmediumenterpriseswelcome.Soitisveryimportanttocontrolandoperationofthree-phaseasynchronousmotorthemaintenance.
Inthispaper,thedevelopmenthistory,workingprinciple,aroundthemotorthree-phaseasynchronousmotorcontrolanddailyoperationandmaintenancearediscussed.
Keywordshistoryphaseofworkingprincipleofasynchronousmotorcontroloperationandmaintenance
1绪论
1.1课题背景
1.1.1电动机现状及发展
电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。
它是随着生产力的发展而发展的，反过来，电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。
从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点，已成为电动机学科的一个独立分支。
电动机的功能是将电能转换成机械能，它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械。
在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。
种生产机械运转，可以采用气动液压传动和电力拖动。
由于电力拖动具有控制简单﹑调节性能好﹑耗损小﹑经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点因此大多数生产机械都采用电力拖动。
按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。
纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。
在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。
由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。
虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点，但是由于它具有电刷与换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也受到了限制（如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用），其电压等级，额定转速，单机容量的发展也受到了限制。
所以，在20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现。
尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。
诸如交流电动机的串级调速，各种类型的变频调速，无换向器电动机调速等，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽，稳态精度高，动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。
除此之外，由于交流电力拖动具有调速性能优良，维修费用低等优点，将广泛应用于各个工业电气自动化领域。
经历了100多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。
随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。
电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力。
未来电动机将会沿着体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。
1.1.2我国电机
新中国成立前，我国的电机工业极端落后，全国只有少数几家规模小、设备差、生产能力低的电机制造厂，新中国成立以来，我国的电机工业发生了巨大的变化，经过50年的努力，不仅建成了独立自主和完整的体系，而且有一些产品已经达到或接近世界先进水平。
咋电动机调速系统方面，随着大功率电力电子元件及微电子器的出现和变频技术的发展，是交流异步机的调速在平滑度、范围和效率方面都得到了很大进步，由于生产商的需要，近几年来，对电机的新原理、新结构、新工艺、新材料、新的运行方式和调试方法，进行了许多的探索、研究和试验工作，取得了一定的成就。
1.2研究课题的意义
1.2.1电动机的控制和运行维护的深远影响
电动机是人类在生产和生活中必不可少的一部分；而三相异步电动机是电动机的核心部分。
在现代的生产工艺中需要各种的机械，而机械的拖动一般是气动式、液体压力式以及电机拖动式。
由于电机拖动式结构简单、调节性能好、损耗少并且经济实用，所以在现代的生产中大部分都使用电机拖动。
并且三相异步电动机又是电动机中的核心部分，所以本课题有关三相异步电动机的控制和维护显得至关重要。
2电动机的分类
2.1电动机的分类
按电源分电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。
而直流电动机又分为有刷直流电动机和无刷直流电动机两类；交流电动机分为单相交流电动机和三相交流电动机两类。
按结构和工作原理电动可分为同步电动机和异步电动机两大类。
同步电动机包括永磁同步电动机、磁阻同步电机以及磁滞同步电机三种。
异步电动机包括单相异步电动机、三相异步电动机等。
3.三相异步电动机的工作原理
3.1三相异步电动机的结构
3.1.1三相异步电动机的总结构
图3-1封闭式三相异步电动机的结构
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
电动机的结构也可分为定子、转子两大部分。
定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。
由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。
另外，定、转子之间还必须有一定间隙（称为空气隙），以保证转子的自由转动。
异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为0.2mm～2mm。
三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。
在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式、潜水泵式等。
不管外形如何电动机结构基本上是相同的。
现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。
如图3-1所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。
3.1.2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。
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。
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。
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。
3.1.3转子部分
转子是电动机中的旋转部分，如图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。
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3-1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2所示。
（a）直条形式（b）斜条形式
图3-2笼型异步电动机的转子绕组形式
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
电刷摩擦。
图3-3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3-1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3-3（b）所示。
3.1.4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。
3.1.5三相异步电动机的铭牌数据
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：
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。
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。
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。
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。
额定频率fN（Hz）：
指电动机所接交流电源的频率。
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。
3.2三相异步电动机的工作原理
3.2.1三相异步电动机的工作原理
三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。
图3-4
假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。
在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i。
根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。
如图3-4所示。
3.2.2定子旋转磁场
假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹槽之中。
现将三相绕组的末端U2、V2、W2相连，首端U1、V1、W1接三相交流电源。
且三相绕组分别叫做U、V、W相绕组。
如3-5所示。
图3-5
假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相绕组的电流作为参考正弦量，即iU的初相位为零，则三相绕组U、V、W的电流（相序为U—V—W）的瞬时值为：
如图3-6所示是这些电流随时间变化的曲线。
图3-6
t=0时iU=0，iV为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从V2端流到V1端；iW为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从W1端流到W2端。
按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场如图3-7（a）箭头所示。
t=π/2ia为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从U1端流到U2端。
Iv、iw为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从V2、W2端流到V1、W1端；此时的合成磁场如图3-7（b）所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了90。
图3-7
t=πiu=0，iv为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从v1端流到v2端。
Iw为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从W2端流到W1端；此时的合成磁场如图3-8（c）所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了180。
t=3π/2IU为负,电流实际方向与正方向相反，Iv\iW为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从V1、W1端流到V2、W2端。
此时的合成磁场如图3-8（d）所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了3π/2。
按以上分析可以证明：
当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。
图3-8
3.2.3旋转磁场的旋转方向和速度
U相绕组内的电流超前V相绕组内的电流2π/3，而V相绕组内的电流又超前W相绕组内的电流2π/3，当三相交流电的U→V→W，旋转磁场的旋转方向为从U→V→W，即向顺时针方向旋转。
在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用n0表示。
以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用p表示）即p=1。
从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化360电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f转，即：
如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如图3-9所示的三相绕组。
其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。
如图3-9所示。
图3-9
对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了/2，即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。
由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。
依次类推，当有p对磁极时，其转速为：
所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。
图3-10为24槽4极三相异步电动机旋转磁场。
图3-10
3.2.4转差率S
转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。
由工作原理可知：
转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度n0（同步速度）要小。
因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。
因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。
定义：
转速差（n0-n）与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用表示S，即
转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数
3.2.5异步电动机的三种运行状态
根据转差率的大小和正负，异步电动几有三种运行状态。
电动机运行状态所对应的转差率区间为：
（
）。
特点是n与
同方向，且
，电磁转矩是驱动性质的，将电能变为机械能。
发电机运行状态所对应的转差率区间为：
（
）。
特点是n与
同方向且
，电磁转矩是制动性质的，将机械能变为电能。
电磁制动运行状态所对应的转差率区间为：
（
）。
特点是n与
反方向；转子导体以高于同步的速度切割旋转磁场，电磁转矩是制动的，定子从电网吸收的电能和转子的机械能都变成电机内部的损耗而转换为热能（电源反接制动就是一个例子）。
4电动机的控制
4.1plc对三相异步电动机的控制
4.1.1三相异步电动机的ㄚ-△减压起动控制
三相笼型异步电动机具有结构简单、价格便宜、坚固耐用、维修方便等优点，因而获得了广泛的应用。
它的起动控制有直接（全压）起动和减压起动两种方式。
对于较大容量的笼型异步电动机（大于10KW），其起动电流较大，一般采用减压起动的方式起动。
减压起动是利用某些设备或者采用电动机定子绕组换接的方法，降低起动时加在电动机定子绕组上的电压，而起动后再将电压恢复到额定值，使之在正常电压下运行。
4.1.2三相异步电动机ㄚ-△减压起动的继电器控制
星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。
在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。
正常运转时再换接成三角形接法。
图4-1ㄚ-△减压起动的继电器控制电路图
图4-1中主电路通过三组接触器主触点将电动机的定子绕组接成三角形或星形，即KM1、KM3主触点闭合时，绕组接成星形；KM1、KM2主触点闭合时，接为三角形。
电路的工作过程：
先接通三相电源开关Q。
KM1线圈得电①
①起动：
按下起动按钮SB2
KM3线圈得电②
KT线圈得电③
②电动机接成星形，减压起动
触点KT断开
KM3线圈失电
③延时一定时间△t
电动机接成三角形
触点KT闭合
KM2线圈得电
与此同时，触点KM2断开
KT线圈失电释放。
停止：
按下SB1
KM1、KM2线圈失电
电动机停止运转。
4.1.3三相异步电动机ㄚ-△减压起动的PLC控制
星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。
在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。
正常运转时再换接成三角形接法。
有电工基础知识可知，星形连接时起动电流仅为三角形连接时的1/√3，相应的起动转矩也是三角形连接时的1/3。
输入输出
停止按钮SB1:
X0KM1:
Y0
起动按钮SB2:
X1KM2:
Y1接触器△
FR:
X2KM3:
Y2接触器ㄚ
图4-2三相异步电动机减压起动的I/O接线图
图4-3减压起动梯形图
对应的指令如下图：
步序
指令数据
步序
指令数据
0
LDX001
10
MPP
1
ORY000
11
OUTT0K50
2
ANIX000
12
LDT0
3
ANIX002
13
ORY001
4
OUTY000
14
ANIY000
5
LDY000
15
ANIY002
6
ANIY001
16
ANIX002
7
MPS
17
OUTY001
8
ANIT0
18
END
9
OUTY002
图4-4三相异步电动机的ㄚ-△减压起动的指令语句表
4.1.4三相异步电动机正反转的PLC控制
因为三相异步电动机的转动方向是由旋转磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取决于定子绕组中通入三相电流的相序。
因此，要改变三相异步电动机的转动方向非常容易，只要将电动机三相供电电源中的任意两相对调，这时接到电动机定子绕组的电流相序被改变，旋转磁场的方向也被改变，电动机就实现了反转。
4.1.5三相异步电动机正反转的继电器控制
在没有按下停止按钮SB3且热继电器FR没有动作的情况下，X000和X003触点均为闭合状态。
此时按下正向起动按钮SB1，输入继电器X001动合触点闭合，输出继电器Y000线圈得电并自锁，接触器KM1得电吸合，电动机正转；与此同时，Y000的动断触点断开Y001线圈的驱动回路,KM2不能吸合，实现了电气互锁。
按下反向起动
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