三相异步电动机的结构工作原理及其控制电路1.docx

1、三相异步电动机的结构工作原理及其控制电路1三相异步电动机及其控制线路5.1 三相异步电动机实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：（1）基本构造；（2）工作原理；（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动

2、、调速及制动的基本原理和基本方法；（5）应用场合和如何正确使用。5.1.1 三相异步电动机的结构与工作原理1三相异步电动机的构造 三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。图 5-1 三相电动机的结构示意图1）定子 三相异步电动机的定子由三部分组成：定子定子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。定子绕组三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组2）转

3、子 三相异步电动机的转子由三部分组成：转子转子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转子绕组转子绕组有两种形式： 鼠笼式 - 鼠笼式异步电动机。 绕线式 - 绕线式异步电动机。转轴转轴上加机械负载鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.21.0mm之间。2三相异步电动机的转动原理1）基本原理 为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。图 5-2 三相异步电动机

4、工作原理 (1)演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。 (2)现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。 转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。 (3)结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。 2）旋转磁场（1）产生 图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称

5、排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图5-4)。 图 5-3 三相异步电动机定子接线 当t=00时，AX绕组中无电流；为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（a）所示。当t=1200时，BY绕组中无电流；为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（b）所示。 当t=2400时，CZ绕组中无电流；为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；为正，B

6、Y绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（c）所示。 可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。 图 5-4 旋转磁场的形成（2）旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。3）三相异步电动机的极数与转速（1）极数（磁极对数p）三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关

7、。当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角的关系为： （2）转速n 三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是： （5-1）由（5-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速

8、n0是个常数。在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表5-1表5-1p123456n0300015001000750600500（3）转差率s电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。旋转磁场的转速n0常称为同步转速。转差率s用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的

9、程度的物理量。即： (5-2)转差率是异步电动机的一个重要的物理量。当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。反之，S减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.0150.06之间。根据式(4-2),可以得到电动机的转速常用公式 (5-3)例 有一台三相异步电动机，其额定转速 n=975r/min

10、，电源频率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率S。 解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。显然，与975r/min最相近的同步转速n0=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。因此，额定负载时的转差率为： （4）三相异步电动机的定子电路与转子电路三相异步电动机中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（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。总结：1、

11、三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。2、欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组，并且旋转的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义；3、三相电源流过在空间互差一定角度按一定规律排列的三相绕组时，便会产生旋转磁场； 4、旋转磁场的方向是由三相绕组中电源相序决定的；5、三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是： 6、转差率s用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即： 转差率是异步电动机的一个重要的物理量，异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.0150.

12、06之间。7、三相异步电动机中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（一般是短接的）相当于副绕组。5.1.2 三相异步电机的转矩特性与机械特性1电磁转矩（简称转矩） 异步电动机的转矩T是由旋转磁场的每极磁通与转子电流I2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。 经理论证明，它们的关系是： （5-4） 其中 T为电磁转矩 KT为与电机结构有关的常数 为旋转磁场每个极的磁通量 I2为转子绕组电流的有效值 2为转子电流滞后于转子电势的相位角 若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为： （5-5） 其中 为常数 U1为定

13、子绕组的相电压 S为转差率 R2为转子每相绕组的电阻 X20为转子静止时每相绕组的感抗由上式可知，转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。2机械特性曲线 图 5-5 三相异步电动机的机械特性曲线在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线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，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：1）额定转矩TN 额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴

14、上的输出转矩。 （5-6） 式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，TN的单位是牛米。 当忽略电动机本身机械摩擦转矩T0时，阻转矩近似为负载转矩TL，电动机作等速旋转时，电磁转矩T必与阻转矩TL相等，即T= TL。额定负载时，则有TN= TL。2）最大转矩Tm Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。 最大转矩的转差率为Sm，此时的Sm叫做临界转差率，见图5-5（a） 最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载系数，即 = Tm/ TN 一般三相异步的过载系数在1.82.2之间。在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩

15、，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。3）起动转矩Tst， Tst为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s时的转矩。为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：TstTN，一般的三相异步电动机有Tst/TN=12.2。3电动机的负载能力自适应分析电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。直至新的平衡。此过程中，时， 电源提供的功率自动增加。总结：1、电磁转矩T的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。 转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所

16、变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。2、在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线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。其特性见图5-53、三个转矩：1）额定转矩TN 额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。 2）最大转矩Tm Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。3）起动转矩Tst， Tst为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s时的转矩。4、电动机的负载能力自适应分析电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应

17、负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。5.2三相异步电动机的使用电动机或其他电气设备电路的接通或断开，目前普遍采用继电器、接触器、按钮及开关等控制电器来组成控制系统。这种控制系统一般称为继电接触器控制系统。任何复杂的控制电路，都是由一些基本的单元电路组成的。因此，在本节中我们主要讨论继电接触器控制的一些基本电路。要弄清一个控制电路的原理，必须了解其中各个电器元件的结构，动作原理以及它们的控制作用。电器的种类繁多，可分为手动的和自动的两类。手动电器是由工作人员手动操纵的，例如刀开关、点火开关等。而自动电器则是按照指令、信号或某个物理量的变化而自动动作的，例如各种继电器、接触器、电磁阀等。因此本

18、节首先对这些常用控制电器作简单介绍。5.2.1 常用低压电器介绍1手动电器1）刀开关 刀开关又叫闸刀开关，一般用于不频繁操作的低压电路中，用作接通和切断电源，有时也用来控制小容量电动机的直接起动与停机。 刀开关由闸刀（动触点）、静插座（静触点）、手柄和绝缘底板等组成。 刀开关的种类很多。按极数（刀片数）分为单极、双极和三极；按结构分为平板式和条架式；按操作方式分为直接手柄操作式、杠杆操作机构式和电动操作机构式；按转换方向分为单投和双投等。 图5-6 刀开关的电路符号 刀开关一般与熔断器串联使用，以便在短路或过负荷时熔断器熔断而自动切断电路。 刀开关的额定电压通常为250V和500V，额定电流在

19、1500A以下。 考虑到电机较大的起动电流，刀闸的额定电流值应如下选择：35倍异步电机额定电流2）按钮按钮常用于接通、断开控制电路，它的结构和电路符号见图5-7。按钮上的触点分为常开触点和常闭触点，由于按钮的结构特点，按钮只起发出“接通”和“断开”信号的作用。 图 5-7 按钮的结构和符号2自动电器1）熔断器 熔断器主要作短路或过载保护用，串联在被保护的线路中。线路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当线路短路或过载时熔断器熔断，起到保护线路上其他电器设备的作用。 熔断器的结构有管式、磁插式、螺旋式、等几种。其核心部分熔体（熔丝或熔片）是用电阻率较高的易熔合金制成，如铅锡合金；或者是用截面积较

20、小的导体制成。 熔体额定电流的选择：1无冲击电流的场合（如电灯、电炉）； 图5-8 熔断器的电路符号2一台电动机的熔体：熔体额定电流电动机的起动电流2.5；如果电动机起动频繁，则为：熔体额定电流电动机的起动电流(1.62)；3几台电动机合用的总熔体：熔体额定电流=(1.52.5)容量最大的电动机的额定电流+其余电动机的额定电流之和。2）交流接触器接触器是一种自动开关，是电力拖动中主要的控制电器之一，它分为直流和交流两类。其中，交流接触器常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路。图5-9是交流接触器的主要结构图。接触器主要由电磁铁和触头两部分组成。它是利用电磁铁的吸引力而动作的。当电磁线圈通电后

21、，吸引山字形动铁心 (上铁心)，而使常开触头闭合。 图5-9 接触器工作原理图根据用途不同，接触器的触头分主触头和辅助触头两种。辅助触头通过的电流较小，常接在电动机的控制电路中；主触头能通过较大电流，常接在电动机的主电路中。如CJl0-20型交流接触器有三个常开主触头和四个辅助触头 (两个常开，两个常闭)。 当主触头断开时，其间产生电弧，会烧坏触头，并使电路分断时间拉长，因此，必须采取灭弧措施。通常交流接触器的触头都做成桥式结构，它有两个断点，以降低触头断开时加在断点上的电压，使电弧容易熄灭，同时各相间装有绝缘隔板，可防止短路。在电流较大的接触器中还专门设有灭弧装置。 接触器的电路符号见图5-

22、10，接触器线圈 主触头用于主电路辅助触头用于控制电路 图 5-10 接触器电路符号在选用接触器时，应注意它的额定电流、线圈电压及触头数量等。CJl0系列接触器的主触头额定电流有5、10、20、40、75、120A等数种。3）中间继电器 中间继电器的结构与接触器基本相同，只是体积较小，触点较多，通常用来传递信号和同时控制多个电路，也可以用来控制小容量的电动机或其他执行元件。常用的中间继电器有JZ7系列，触点的额定电流为5A，选用时应考虑线圈的电压。4）热继电器热继电器是用来保护电动机，使之免受长期过载危害的继电器。热继电器是利用电流的热效应而动作的，它的工作原理如图5-11所示。图中热元件是一

23、段电阻不大的电阻丝，接在电动机的主电路中的双金属片，由两种具有不同线膨胀系数的金属采用热和压力辗压而成，亦可采用冷结合，其中，下层金属的膨胀系数大，上层的小。当主电路中电流超过容许值，双金属片受热向上弯曲致使脱扣，扣板在弹簧的拉力下将常闭触头断开。触头是接在电动机的控制电路中的，控制电路断开使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。由于热惯性，热继电器不能作短路保护，因为发生短路事故时，我们要求电路立即断开，而热继电器是不能立即动作的。但是这个热惯性又是合乎我们要求的，比如在电动机起动或短时过载时，由于热惯性热继电器不会动作，这可避免电动机的不必要的停车。如果要热继电器复位，则按下复位按钮即

24、可。图5-11 热继电器工作原理图常用的热继电器有JR0、JRl0及JRl6等系列。热继电器的主要技术数据是整定电流。所谓整定电流，就是热元件通过的电流超过此值的20%时，热继电器应当在20min内动作。JR0一40型的整定电流从0.6A一40A有9种规格。选用热继电器时，应使其整定电流与电动机的额定电流基本上一致。5）行程开关行程开关结构与按钮类似，但其动作要由机械撞击。用作电路的限位保护、行程控制、自动切换等。图 5-12 行程开关结构示意图和电路符号5.2.2三相异步电动机技术数据及选择 1三相异步电动机技术数据每台电动机的机座上都装有一块铭牌。铭牌上标注有该电动机的主要性能和技术数据。

25、三相异步电动机型 号 Y132M-4功 率 7.5kW频 率 50Hz电 压 380V电 流 15.4A接 法 转 速 1440r/min绝缘等级 E工作方式 连续温 升 80防护等级 IP44重 量 55Kg 年 月 编号 电机厂1）型号 为不同用途和不同工作环境的需要，电机制造厂把电动机制成各种系列，每个系列的不同电动机用不同的型号表示。如Y315S6三相异步电动机机座中心高mm机座长度代号S：短铁心M：中铁心L：长铁心磁极数2）接法 接法指电动机三相定子绕组的联接方式。 一般鼠笼式电动机的接线盒中有六根引出线，标有U1、V1、W1、U2、V2、W2，其中：U1、V1、 W1是每一相绕组的

26、始端U2、V2、 W2是每一相绕组的末端 三相异步电动机的联接方法有两种：星形（Y）联接和三角形（）联接。通常三相异步电动机功率在4kW以下者接成星形；在4kW（不含）以上者，接成三角形。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值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%。 必须注意：在低于额定电压下运行时，最大转矩Tmax和启动转矩Tst会显著地降低，这对电动机的运行是不利的。三相异步电动机的额定电压有380V、3000V及6000V等多种。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最大线电流允许值。当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场

27、的转速，两者之间相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流都随着相应增大。5）功率与效率 铭牌上所标的功率值是指电动机在规定的环境温度下，在额定运行时电极轴上输出的机械功率值。输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗等。所谓效率就是输出功率与输入功率的比值。一般鼠笼式电动机在额定运行时的效率约为72%93%。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就是电动机的功率因数。 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.70.9，而在轻载和空载时更低

28、，空载时只有0.20.3。选择电动机时应注意其容量，防止“大马拉小车”，并力求缩短空载时间。7）转速 电动机额定运行时的转子转速，单位为转/分。 不同的磁极数对应有不同的转速等级。最常用的是四个级的（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机绝缘结构中最热点的最高容许温度。绝缘等级环境温度40时的容许温升极限允许温度A65105E80120B901302三相异步电动机的选择 正确选择电动机的功率、种类、型式是极为重要的。1）功率的选择电动机的功率根据负载的情况选择合适的功率，选大了虽然能保证正常运行，但是不经

29、济，电动机的效率和功率因数都不高；选小了就不能保证电动机和生产机械的正常运行，不能充分发挥生产机械的效能，并使电动机由于过载而过早地损坏。（1）连续运行电动机功率的选择 对连续运行的电动机，先算出生产机械的功率，所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械的功率即可。（2）短时运行电动机功率的选择 如果没有合适的专为短时运行设计的电动机，可选用连续运行的电动机。由于发热惯性，在短时运行时可以容许过载。工作时间愈短，则过载可以愈大。但电动机的过载是受到限制的。通常是根据过载系数来选择短时运行电动机的功率。电动机的额定功率可以是生产机械所要求的功率的1/。2）种类和型式的选择（1）种类的选择选择电动机

30、的种类是从交流或直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等方面来考虑的。 交、直流电动机的选择 如没有特殊要求，一般都应采用交流电动机。 鼠笼式与绕线式的选择 三相鼠笼式异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便，但调速困难，功率因数较低，起动性能较差。因此在要求机械特性较硬而无特殊调速要求的一般生产机械的拖动应尽可能采用鼠笼式电动机。 因此只有在不方便采用鼠笼式异步电动机时才采用绕线式电动机。（2）结构型式的选择电动机常制成以下几种结构型式： 开启式在构造上无特殊防护装置，用于干燥无灰尘的场所。通风非常良好。 防护式在机壳或端盖下面有通风罩，以防止铁屑等杂物掉入。也有将外壳做成挡板状，以防止在一定角度内有雨水滴溅入其中。 封闭式它的外壳严密封闭，靠自身风扇或外部风扇冷却，并在外壳带有散热片。在灰尘多、潮湿或含有酸性气体的场所，可采用它