三相异步电动机的控制和运行维护(编辑修改稿)

三相异步电动机的控制和运行维护(编辑修改稿)内容摘要：

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 mm～ 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 31 所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。 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 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，一般是重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4自动跟踪系统设计 29 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。 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 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 31 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 32笼型异步电动机的转子绕组形式 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4自动跟踪系统设计 30 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 33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 31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 33(b)所示。 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～。 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。 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。 NNNNN C O SUI3P  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。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4自动跟踪系统设计 31 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 S短时工作的定额 S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。 三相异步电动机的工作原理 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 34 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 34 所示。 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 U V W2 相连，首端 U V W1 接三相交流电源。 且三相绕组分别叫做 U、 V、 W 相绕组。 如 35所示。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4自动跟踪系统设计 32 图 35 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 36所示是这些电流随时间变化的曲线。 图 36 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 37（ a）箭头所示。 t=π /2 ia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 V W2 端流到 V W1 端；此时的合成磁场如图 37（ b）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转Wm 4sin ( )3i I t Vm 2sin ( )3i I t Umsini I t重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4自动跟踪系统设计 33 了 90。 图 37 t=π iu=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 38（ 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 /2 IU 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 V W1端流到 V W2端。 此时的合成磁场如 图 38（ 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 38 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。 0 60nf 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4自动跟踪系统设计 34 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 39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 39 所示。 图 39 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： 0 60fn p 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 310 为 24 槽 4极三相异步电动机旋转磁场。 图 310 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 (n0n)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 0 0nnS n 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4自动跟踪系统设计 35 转差率 S是分析异步电动机运行特性的主要参数 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： 10 s （ 01 nn )。 特点是 n与 1n 同方向，且 1nn ，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： 0 s （ 1nn )。 特点是 n与 1n 同方向且 1nn ，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： s1 （ n0 ）。 特点是 n与 1n 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 )。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4自动跟踪系统设计 36 4 电动机的控制 对三相异步电动机的控制 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。 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。