第4章三相异步电动机及其控制线路.ppt

第４ 章 三相异步电动机及其控制线路,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理 ４.２ 三相异步电动机的基本结构和铭牌 ４.３ 三相异步电动机的运行 ４.４ 三相异步电动机的启动 ４.５ 三相异步电动机调速 ４.６ 三相异步电动机的制动,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,4.1.1 三相定子绕组的旋转磁场 1. 旋转磁场的产生 在三相异步电动机中实现机电能量转换的前提是必须产生旋转磁场所谓旋转磁场,就是一种极性不变且以一定转速旋转的磁场根据理论分析和实践证明,在多相对称绕组中流过多相对称电流时,会产生一种大小恒定的旋转磁场即圆形旋转磁场 图4.1为三相异步电动机定子绕组结构示意图三个完全相同的线圈空间彼此互隔120°,分布在定子铁芯内圆的圆周上,构成了三相对称绕组当三相对称绕组接上三相对称电源时,在绕组中将流过三相对称电流若各相电流的瞬时表达式,下一页,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,则各相电流随时间变化的曲线如图4.2所示该电源将在定子绕组中分别产生磁场为了便于考察三相电流产生的合成磁效应,下面通过几个特定的瞬间,以窥其全貌规定:电流为正值时,电流从每相绕组的首端(U1、V1、W1)流进,末端(U2、V2、W2)流出;电流为负值时,电流从每相绕组的末端流进,首端流出。

在表示线圈导线的“○”内,用“×”号表示电流流入,用“·”号表示电流流出 观察这些图中合成磁场的分布规律可见:合成磁场的方向按顺时针方向旋转,并旋转了一周由此可证明,当三相对称电流通过三相对称绕组时,必然产生一个大小不变,转速一定的旋转磁场上一页,下一页,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,2. 旋转磁场的旋转方向 由图4.2可以看出,流入三相定子绕组的电流iU、iV、iW 是按U→V→W 的相序达到最大值的,产生旋转磁场的旋转方向也是从U 相绕组轴线转向V 相绕组轴线,再转向W 相绕组轴线的,即按U—V—W 的顺序旋转(图中为顺时针方向),即与三相交流电的变化顺序一致由此可以得出结论:在三相定子绕组空间排序不变的条件下,旋转磁场的转向取决于三相电流的相序,即从电流超前相转向电流滞后相若要改变旋转磁场的方向,只需将三相电源进线中的任意两相对调即可 3. 旋转磁场的转速 旋转磁场的转速n1 与磁极对数p 之间的关系是一种反比关系,即具有p 对磁极的旋转磁场,交流电变化一个周期,磁场转过1/p 转因此具有p 对磁极的旋转磁场的转速为,上一页,下一页,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,4.1.2 三相异步电动机的基本工作原理 1. 三相异步电动机的工作原理 图4.3所示为一台三相笼型异步电动机的示意图。

在定子铁芯里嵌放着对称的三相绕组U1U2、V1V2、W1W2转子槽内放有导体,导体两端用短路环短接起来,形成一个笼型的闭合绕组定子三相绕组可接成星形,也可以接成三角形 如果向定子三相对称绕组通入三相交流电,就会在电机的气隙中形成一个在空间以顺时针方向旋转的磁场,这个旋转磁场的转速n1 称为同步转速该旋转磁场将切割转子导体,在转子导体中产生感应电动势,由于转子导体自成闭合回路,因此该电动势将在转子导体中形成电流,其电流方向可用右手定则判定上一页,下一页,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,有电流流过的转子导体将在旋转磁场中受电磁力F 的作用,其方向由“左手电动机定则”确定,如图4.3中箭头所示,该电磁力F 在转子轴上形成电磁转矩,其作用方向与旋转磁场方向一致,拖着转子顺着旋转磁场的旋转方向旋转,将输入的电能变成旋转的机械能如果电动机轴上带有机械负载,则机械负载随着电动机的旋转而旋转,电动机对机械负载做了功 综上分析可知,三相异步电动机转动的基本工作原理是: (1)三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场 (2)转子导体切割旋转磁场,产生感应电动势和电流 (3)转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用,从而形成电磁转矩,驱使电动机转子转动。

上一页,下一页,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,异 步电动机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致,而旋转磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序,因此,三相异步电动机的转向与电流的相序一致要改变转向,只要改变电流的相序即可,即任意对调电动机的两根电源线,便可使电动机反转 异步电动机的转速恒小于旋转磁场转速n1,因为只有这样,转子绕组才能产生电磁转矩,使电动机旋转如果n=n1,转子绕组与定子磁场之间便无相对运动,则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生,可见nn1 是异步电动机工作的必要条件由于电动机转速n与旋转磁场转速n1 不同步,故称为异步电动机又因为异步电动机转子电流是通过电磁感应作用产生的,所以又称为感应电动机上一页,下一页,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,2. 转差率 转子转速n 与旋转磁场转速n1 之差称为转差Δn,转差Δn 与n1 的比值称为转差率,用字母s 表示,即 异步电动机负载越大,转速就越慢,其转差率就越大;反之,负载越小,转速就越快,其转差率就越小故转差率直接反映了转子转速的快慢或电动机负载的大小异步电动机的转速为,上一页,下一页,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,对于普通异步电动机,为了使其在运行时效率较高,通常使它的额定转速略低于同步转速,故额定转差率sN 很小,一般在0.01~0.06之间。

3. 异步电机的三种运行状态 根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态 1)电动机运行状态 当定子绕组接至电源,转子就会在电磁转矩的驱动下旋转,电磁转矩即为驱动转矩,其转向与旋转磁场方向相同,如图4.4 (b)所示,此时电机从电网取得电功率转变成机械功率,由转轴传输给负载电动机的转速范围为n1n0,其转差率范围为0s1上一页,下一页,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,2)发电机运行状态 异步电机定子绕组仍接至电源,该电机的转轴不再接机械负载,而用一台原动机拖动异步电机的转子以大于同步转速(nn1)的速度并顺旋转磁场方向旋转,如图4.4 (a)所示显然,此时电磁转矩方向与转子转向相反,起着制动作用,为制动转矩为克服电磁转矩的制动作用而使转子继续旋转,并保持nn1,电机必须不断从原动机吸收机械功率,把机械功率转变为输出的电功率,因此称为发电机运行状态此时,nn1,则转差率s0上一页,下一页,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,3)电磁制动状态 异步电机定子绕组仍接至电源,如果用外力拖着电机逆着旋转磁场的旋转方向转动此时电磁转矩与电机旋转方向相反,起制动作用,如图4.4 (c)所示。

电机定子仍从电网吸收电功率,同时转子从外力吸收机械功率,这两部分功率都在电机内部以损耗的方式转化成热能消耗掉这种运行状态称为电磁制动运行状态此种情况下,n 为负值,即n1上一页,下一页,返回,４.１ 三相异步电动机的基本工作原理,由此可知,区分这三种运行状态的依据是转差率s 的大小: (1)当0s1为电动机运行状态; (2)当-∞s0为发电机运行状态; (3)当1s+∞为电磁制动运行状态 综上所述,异步电机可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行和电磁制动运行,但一般作为电动机运行,异步发电机很少使用,电磁制动是异步电机在完成某一生产过程时出现的短时运行状态例如,起重机下放重物时,为了安全、平稳,需限制下放速度时,就使异步电动机短时处于电磁制动状态上一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,4.2.1 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机种类繁多,从不同角度有不同的分类方法按其外壳防护方式的不同可分开启型、防护型、封闭型三大类,如图4.5所示由于封闭型结构能防止固体异物、水滴等进入电动机内部,并能防止人与物触及电动机带电部位与运动部位,运行中安全性好,因而成为目前使用最广泛的结构形式。

按电动机转子结构的不同,异步电机又可分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机图4.5为三相笼型异步电动机外形图,图4.6则为绕线转子异步电动机外形图另外,异步电动机还可按其工作电压的高低不同分为高压异步电动机和低压异步电动机;按其工作性能的不同分为高启动转矩异步电动机和高转差异步电动机;按其外形尺寸及功率的大小可分为大型、中型、小型异步电动机等下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,三相异步电动机虽然种类繁多,但基本结构均由定子和转子两大部分组成,转子装在定子腔内,定、转子之间有一缝隙,称为气隙图4.7为封闭型三相笼型异步电动机组成部件图,其主要组成部分如下 1. 定子部分 定子部分主要由定子铁芯、定子绕组、机座等部分组成 1)定子铁芯 定子铁芯是电动机磁路的一部分,为减少铁芯损耗,一般由0.5mm 厚的、导磁性能较好的硅钢片叠压而成,安放在机座内在定子铁芯冲有嵌放绕组的槽,故又称为冲片定子铁芯及定子冲片如图4.8所示大、中型电机常采用扇形冲片拼成一个圆为了冷却铁芯,在大容量电机中,定子铁芯分成很多段,每两段之间留有径向通风槽,作为冷却空气的通道上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,2)定子绕组 定子绕组是电动机的电路部分,通入三相交流电产生旋转磁场。

它由许多线圈按一定的规律连接而成,嵌放在定子铁芯的内圆槽内小型异步电动机定子绕组一般采用高强度漆包圆铜线绕成,大中型异步电动机定子绕组一般采用漆包扁铜线或玻璃丝包扁铜线绕成 三相异步电动机的定子绕组是一个三相对称绕组,它由三个完全相同的绕组所组成,一般有6个出线端U1、U2、V1、V2、W1、W2,置于机座外部的接线盒内,根据需要接成星形(Y)或三角形(△) 3)机座 机座的作用是固定定子铁芯和定子绕组,并通过两侧的端盖和轴承来支撑电动机转子同时可保护整台电机的电磁部分和发散电机运行中产生的热量上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,4)端盖 借助置于端盖内的滚动轴承可将电动机转子和机座连成一个整体端盖一般均为铸钢件,微型电动机则用铸铝件 2. 转子部分 转子主要由转子铁芯、转子绕组和转轴三部分组成整个转子靠端盖和轴承支撑着转子的主要作用是产生感应电流,形成电磁转矩,以实现机电能量的转换 1)转子铁芯 转子铁芯是电机磁路的一部分,一般也用0.5mm 厚的硅钢片叠成,硅钢片外圆冲有均匀分布的孔,用来安置转子绕组通常都是用定子铁芯冲落后的硅钢片来冲制转子铁芯一般小型异步电动机的转子铁芯直接压装在转轴上,而大、中型异步电动机(转子直径在300mm 以上)的转子铁芯则借助于转子支架压在转轴上。

上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,2)转子绕组 转子绕组用来切割定子旋转磁场,产生感应电动势和电流,并在旋转磁场的作用下受力而使转子转动根据转子绕组的结构型式,异步电动机分为笼型转子和绕线转子两种 (1)笼型转子:在转子铁芯的每一个槽中,插入一根裸导条,在铁芯两端分别用两个短路环把导条连接成一个整体,形成一个自身闭合的多相对称短路绕组如去掉转子铁芯,整个绕组犹如一个“松鼠笼子”,因此被称为笼型转子,如图4.9所示大型电动机则采用铜导条转子结构,如图4.9 (a)所示中、小型电动机的笼型转子一般都采用铸铝的,如图4.9 (b)所示上一页,下一页,返回,4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌,(2)绕线转子:绕线转子绕组与定子绕组相似,它在绕线转子铁芯的槽内嵌有绝缘导线组成的三相绕组,一般做星形联结,三个端头分别接在与转轴绝缘的三个滑环上,再经一套电刷引出来与外电路相连,如图4.10所示 3)转轴 转轴是支撑转子铁芯和输出转矩的部件,一般用强度和刚度较高的低碳钢制成 3. 气隙 异步电动机的气隙是均匀的气隙大小对异步电动机的运行性能和参数影响较大,由于励磁电流由电网供给,气隙越大,励磁电流也就越大,而励磁电流又属无功性质,它会影响电网的功率因。