三相异步电动机讲义.ppt

C6240普通车床,C630普通车床,铣床操作工正在加工主轴,台式钻床,像车床、磨床和钻床等机床上工作机构的运转几乎都是由电动机来带动的，这叫做电力拖动，即：电力拖动是指用电动机拖动生产机械的工作机构，使之运转的一种方法。,第1章三相异步电动机,特点：运行可靠、结构简单、制造方便、维护容易、价格低廉等，应用广泛。分类：三相异步电动机和单相异步电动机。,异步电动机的特点和分类,单相异步电动机因容量小，在实验室和家用电器设备中用得较多；而三相异步电动机则广泛用于生产中。三相异步电动机的种类及外形如图1.1所示。,单相异步电动机与三相异步电动机,图1.1三相异步电动机的种类及外形图,1.1三相异步电动机基础,1.1.1三相异步电动机的结构1.1.2三相异步电动机的基本原理1.1.3三相异步电动机的铭牌,1.1.1三相异步电动机的结构,三相异步电动机的种类很多，但它们的基本结构类似，都是由定子和转子构成的，在定子和转子之间留有一定的气隙此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图1.2所示。1.定子2.转子,罩壳,机座,接线盒,端盖,轴承盖,吊环,端盖,接线盒,转子,转轴,定子铁芯,定子绕组,风扇,罩壳,图1.2电动机的结构及外形,1定子,定子是电动机的固定部分，是用来产生旋转磁场的，一般由定子铁芯、定子绕组和外壳等组成。,（1）定子铁芯如图1.3,定子铁芯是电动机磁路的一部分，是由厚度为0.35mm0.5mm、表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成的圆筒。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过引起的铁芯涡流损耗。铁芯内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕组。,(a)定子铁芯(b)钉子硅钢片(c)转子硅钢片图1.3定子铁芯、硅钢片和转子硅钢片,（2）定子绕组的组成1,定子绕组是电动机电路的一部分，由绝缘铜线或铝线绕制而成。中、小型三相电动机多采用圆漆包线大、中型三相电动机则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制。,（2）定子绕组的组成2,由三个彼此独立的绕组组成（每个绕组即为一相），通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。在空间彼此相隔120电角度，每相绕组的多个线圈均匀分布嵌放在定子铁芯槽中。定子绕组的3个首端U1、V1、W1和3个末端U2、V2、W2，都通过外壳上的接线盒连接到三相电源上。,定子星形接法与三角形接法,(a)星形接法(b)三角形接法图1.4定子绕组的星形和三角形连接,4kW以下电机多采用星形接法,4kW以上电机多采用三角形接法,（3）外壳,吊环,机座,接线盒,端盖,轴承盖,吊环,机座：由铸铁或铸钢浇铸成型，其作用是安装和固定电动机的。机座的外壳一般铸有散热片，具有散热功能。端盖：由铸铁或铸钢浇铸成型，分布在电动机的两端，其作用是把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。轴承盖：由铸铁或铸钢浇铸成型，其作用是固定转子，使转子不能轴向移动；另外，还具有存放润滑油和保护轴承的作用。接线盒：一般是由铸铁浇铸的，其作用是保护和固定绕组引出线端子。吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相电动机。,2转子,作用：产生旋转力矩，拖动生产机械旋转。组成：转子铁芯、转子绕组、转轴等。转轴：固定转子铁芯和传递功率（中碳钢）。转子铁芯：磁路的一部分（厚0.5mm的硅钢片叠成圆柱体），套在转轴上。转子绕组：笼型转子和绕线型转子两种。,槽：用于放置转子绕组,转子铁芯,图1.5笼型转子,铜条导条,铜排转子,导电环,导电环,铁芯,笼子,（1）笼型转子（鼠笼式电动机）,图1.6铸铝的笼型转子,铸铝转子,风叶,风叶,转子铁芯,槽中浇入铝液并全部浇注,铸铝条,铸铝条,（2）绕线型转子（与定子绕组相似）,图1.7（a）绕线型转子结构,转子铁芯,转子三相绕组,集电环,转子绕组接线头,电刷及刷架,电刷外接线,转轴,镀锌钢丝箍,绕线型转子（接线）,集电环,至外电阻,电刷,转子三相绕组,定子绕组,图1.7（b）接线示意图,图1.7（c）提刷装置,绕线型转子（启动时用）,电刷,集电环,切断电阻,3其他,风扇：通风冷却电动机。定子与转子间的空气隙（0.21.5mm）：气隙太大，运行时功率因数会降低；气隙太小，装配困难，运行不可靠，使附加损耗增加以及使启动性能变差。,1.1.2三相异步电动机的基本原理,定律电磁感应、全电流、电路、电磁力等。旋转磁场电动机旋转的动力。基本原理在定子绕组中，通入三相交流电所产生的旋转磁场与转子绕组中的感应电流相互作用产生的电磁力形成电磁转矩，驱动转子转动，从而使电动机工作。（1）三相交流电可产生旋转磁场（2）转子转动原理,1旋转磁场2旋转磁场的转向3四极旋转磁场4三相异步电动机的转动原理5同步转速n06“异步”、转差和转差率7电磁转矩T8机械特性曲线,（a）三相交流电可产生旋转磁场（b）电动机转动原理图1.8旋转磁场的产生,马蹄形磁铁,铜框笼型转子,通电后，磁针转动,1旋转磁场,图1.9三相定子绕组及其波形,星形连接,三相对称电流波形,iA=Imsint参考方向iB=Imsin（t120）iC=Imsin（t+120）,三相电流互成120，相序A-B-C,定子三相电流产生的旋转磁场,磁场,顺时针转60o,t=0,t=60,t=90,t=180,图1.10三相电流产生的旋转磁场,顺时针转60o,顺时针转90o,顺时针转180o,磁场,三相对称交流电流，产生一对磁极（磁极对数p=1）合成的随时间变化的旋转磁场。当电流经过一个周期的变化（t=0360）时，合成磁场也顺时针方向旋转360的空间角度。,图1.11改变旋转磁场的转向,2旋转磁场的转向,相序A-B-C,相序A-C-B,t=0t=60,3四极旋转磁场,图1.12四极旋转磁场,定子绕组分成两部分,定子绕组分成两部分,绕组始端之间相差60,2个N极,2个N极,转过定子电流电角度的一半,电流变化一周，旋转磁场在空间只转了半周旋转磁场的转速与电动机的合成磁极对数有关，且与磁极对数成反比。,磁极对数p=2,4三相异步电动机的转动原理,定子绕组通电旋转磁场感应电动势（右手定则）转子感应电流受电磁力F作用（左手定则）对转轴产生电磁转矩T（顺时针）转子以转速n顺着旋转磁场的方向旋转,同步转速,转子感应电流,旋转磁场,定子绕组,转子转速,感应电动机：电磁感应传递能量,5同步转速n0,三相交流电产生的旋转磁场的转速n0=60f1/p转/分（r/min）,p磁极对数（由三相定子绕组的布置和连接决定）。p=l为2极；p=2为4极；p=3为6极,f1（Hz）：定子电流频率,电动机p固定，且f1也固定，则n0也是固定的,6“异步”、转差和转差率,（1）异步电动机转子转速n不可能达到同步转速n0“异步”电动机工作的必要条件（nn0）。假设n=n0，则转子与旋转磁场间无相对运动转子导体不再切割磁力线感应电动势、感应电流和电磁转矩均为零，转子也不能继续以n0的转速转动。,异步电动机的转速,转差电动机的同步转速n0与转子的转速n之差。转差率s转差与同步转速n0的比值s=(n0n)/n0100%n=(1s)60f1/p,（2）转差和转差率,电动机启动时n=0，s=1；当n=n0时（理想空载运行），s=0；稳定运行时，n接近n0，s很小，一般在2%7%。例：一台四极异步电动机，三相电源频率为50Hz，额定转差率为0.04，则其在额定运行时转速为n=(1s)60f/p=(10.04)6050/2=1440r/min,转差率,7电磁转矩T,电磁转矩T的产生转子电流I2在旋转磁场中受到电磁阻力的作用：T=kTI2cos2T（Nm）电动机的电磁转矩；（Wb）旋转磁场每极的磁通量；I2（A）转子电流的有效值；kT与电动机结构相关的常数；cos2转子电路的功率因数。,转子电流的有功分量,8机械特性曲线,（1）三相异步电动机的转矩特性T=f(s)当定子外加电压U1和频率f1一定时（磁通量基本不变），转矩T与转差率s的关系曲线T=f(s)。（2）三相异步电动机的机械特性n=f(T)转速与转矩的关系曲线,图1.14,（1）三相异步电动机的转矩特性,理想空载：s=0，n=n0，T=0,临界转矩：最大值Tm,临界转差率Sm,额定转矩TN,启动转矩Tst,图1.15,（2）三相异步电动机的机械特性,稳定区硬特性,硬特性,不稳定区,在稳定区内某一点时，电磁转矩与负载转矩相平衡而保持匀速转动。自动适应负载转矩的变化,不能自动适应负载转矩的变化,TN：电动机在额定电压下，带上额定负载，以额定转速运行，输出额定功率时的转矩；是电动机长期持续工作时轴上输出转矩的最大值。TN=9550PN/nNPN（kW）异步电动机的额定功率；nN（r/min）异步电动机的额定转速；TN（Nm）异步电动机的额定转矩。,额定转矩TN,Tm：电动机转矩的最大值表示。“闷车”当负载转矩超过Tm时，电动机将带不动负载而发生停车。此时电动机的电流（堵转电流）立即增大到额定电流值的67倍，将引起电动机严重过热，甚至烧坏。过载能力允许电动机短时间接近Tm过载运行。过载系数最大转矩Tm与额定转矩TN之比=Tm/TN一般为1.82.2,最大转矩（临界转矩）Tm,Tst：电动机在接通电源被启动的最初瞬间，n=0，s=1时的转矩。启动能力（Tst/TN）取1.32.2为保证电动机能够启动，则TstTL电动机一旦启动，会迅速进入机械特性的稳定区运行。堵转现象：当TstTL时，电动机无法启动，电流达最大，造成电动机过热，也会烧坏电动机。,启动转矩Tst,电动机静止时的负载转矩,1.1.3三相异步电动机的铭牌,应了解电动机铭牌数据的含义。例：Y132M-4型三相异步电动机。表1.2三相异步电动机的铭牌,1型号2电压及接法3电流4功率、功率因数和效率5频率6转速7绝缘等级8工作方式9防护等级,型号：表示电动机类型、用途和技术特征的代号。Y132M-4Y三相鼠笼型异步电动机，名称代号的意义；132机座中心高132mm；M机座长度代号（L/长机座，M/中机座，S/短机座4磁极数（磁极对数p=2）,1型号,大写拼音字母和数字组成,表1.3常用三相异步电动机产品名称代号及汉字意义,表中Y、Y-L系列是新产品。Y系列定子绕组是铜线，Y-L系列定子绕组是铝线。,额定电压UN：电动机额定运行时，加在定子绕组出线端的线电压。电源电压波动应在UN5%范围内。过高，易烧毁；过低，难启动，可能带不动负载，易烧坏。三相异步电动机的额定电压有380V、3000V、6000V等多种。,2电压及接法,Y系列三相异步电动机的额定电压为380V；电动机如标有两种电压值，如220/380V，则电源电压220V时，电动机作三角形连接；电源电压380V时，电动机作星形连接。通常，Y系列4kW以上的三相异步电动机运行时均采用三角形接法，以便于采用Y-换接启动。,电压接法,铭牌上的接法：指电动机在额定运行时定子绕组的连接方式,额定电流IN：电动机在额定运行时，定子绕组中的线电流。若超过额定电流（过载）运行，三相电动机就会过热乃至烧毁。,3电流,额定功率PN：电动机在额定运行状态下，其轴上输出的机械功率。对电源来说电动机为三相对称负载，则电动机的输入功率：P1N=UNINcos功率因数cos：定子相电压与相电流相位差的余弦。电动机的效率：=PN/P1N100%通常，电动机额定运行时的效率约为72%93%。,4功率、功率因数和效率,鼠笼式异步电动机在空载或轻载时的cos很低，约为0.20.3。TLcos迅速（额定运行时为0.70.9）。为提高电路的功率因数，要尽量避免电动机轻载或空载运行。必须正确选择电动机的容量，防止“大马拉小车”，并力求缩短空载运行时间。,尽量避免电动机轻载或空载运行,额定频率f1或fN：定子绕组外加的电源频率。我国电网的频率（工频）为50Hz。,5频率,额定nN：指电动机在额定电压、额定频率及输出额定功率时的转速。可根据额定转速判断出电动机的磁极对数：由于额定状态下sN很小，nN和n0相差很小。例，若nN=1440r/min，则其n0应为1500r/min，从而推断出磁极对p=2。,6转速,7绝缘等级,根据电动机绕组所用的绝缘材料、按使用时的最高允许温度而划分的不同等级。表1.4常用绝缘材料的等级及其最高允许温度,上述最高允许温度为环境温度（40C）和允许温升之和。,（1）连续工作方式S1额定状态下可长期连续工作。如机床，水泵，通风机等设备所用的异步电动机。（2）短时工作S2额定情况下，持续运行时间不允许超过规定的时限，否则会使电动机过热。短时工作分为10，30，60，90（分钟）等4种。（3）断续工作S3可按与系列相同的工作周期、以间歇方式运行。如吊车、起重机等。,8工作方式,对电动机在铭牌规定的技术条件下持续运行时间的限制，以保证电动机的温升不超过允许值。,IP：指外壳防护型电动机的分级。数字表示电动机防固体和防水能力，数字越大，防护能力越强。如：IP44“4”表示电机能防止直径或厚度大于1mm的固体进入电机内壳；“4”表示能承受任何方向的溅水。,9防护等级,1.2三相异步电动机的选择,三相异步电动机的选择是否合理，对电气设备是否运行安全和具有良好的经济、技术指标有很大影响。在选择电动机时，应根据电源类型、生产机械对拖动性能的需要，合理选择其功率、种类和型号等。,1种类和结构的选择2功率（即容量）的选择3电压的选择4转速的选择,1种类和结构的选择,根据电源类型、机械特性、调速与启动特性、维护及价格等方面来选择电动机。,表1.5电动机的主要种类、性能特点及典型应用实例,机械特性（调速范围、调速的平滑性、经济性等）应与所拖动的生产机械的机械特性相匹配；优先笼型电动机。启动性能应满足生产机械对电动机启动性能的要求，还应注意电网容量对电动机启动电流的限制。启动、制动频繁且具有较大启动转矩、制动转矩和小范围调速要求的，可选用绕线转子电动机，如起重机、锻压机、卷扬机等设备。电动机的结构形式应适应周围环境条件的要求。,表1.6电动机结构形式的特点及应用场合,电动机的安装形式有立式和卧式两种，带底座的通常为卧式电动机。,必须与生产机械的负载大小相匹配，还要考虑生产机械的工作性质与其持续、间断的规律相适应。对连续运行的电动机，要先算出生产机械的功率，使所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械功率即可。对短时运行的电动机，可根据过载系数来选择功率。电动机的额定功率可以是生产机械所要求功率的1/。,2功率（即容量）的选择,根据电动机类型、功率及使用地点的电源电压等级来决定。我国的交流供电电源，低压通常为380V，高压通常为3kV、6kV或10kV。*中等功率（约200kW）以下的交流电动机，额定电压一般为380V；*大容量的电动机（大于100kW）在允许条件下一般选用3kV或6k的高压电动机；*小容量的Y系列笼型电动机电压只有380V一个等级。,3电压的选择,在选择电动机的额定转速时，应综合电动机和生产机械两方面的因素来确定。因为：电动机(PN同)nN越高，体积越小，造价越低，也越高；高nN的cos也高。若要求低nN，则要增加一套传动比高、体积较大的减速传动装置。,4转速的选择,不调速的高、中速生产机械（如泵、鼓风机）选择相应额定转速的电动机。不调速的低速生产机械（如球磨机、粉碎机）选用相应的低速电动机或者传动比较小的减速机构。经常启动、制动和反转的生产机械主要考虑缩短启、制动时间（取决于电动机的飞轮矩和额定转速，应选择较小的飞轮矩和额定转速）以提高生产率。,调速性能要求不高的多速电动机或额定转速稍高配以减速机构；或用电气调速的电动机拖动系统。对调速性能要求较高的生产机械使电动机的最高转速与生产机械的最高转速相适应，直接采用电气调速。,例1.1有一台异步电动机的技术数据为：额定功率PN=40kW，形连接（额定电压UN=380V），额定转速nN=1470r/min，额定工作时的效率=90%，定子功率因数cos=0.85，启动能力Tst/TN=1.2，过载系数=2.0，工频f1=50Hz，启动电流比Ist/IN=7.0。试求：（1）极对数p；（2）额定转差率sN；（3）额定转矩TN；（4）最大转矩Tm；（5）直接启动转矩Tst；（6）额定电流IN；（7）直接启动电流Ist。,解：（1）求极对数p由于电动机的额定转速略小于旋转磁场的同步转速no，因此，可根据nN=1470r/min判断其同步转速no=1500r/min，故得：p=60f1/no=6050/1500=2,（2）求额定转差率sNsN=(n0nN)/n0100%=(1500-1470)/1500100%=2%（3）求额定转矩TNTN=9550PN/Nn=955040/1470Nm=259.9Nm（4）求最大转矩TmTm=TN=2259.9Nm=519.8Nm,（5）求直接启动转矩TstTst=1.2TN=1.2259.9Nm=311.9Nm（6）求额定电流IN电动机的额定输入功率P1N=PN/=UNINcosIN=PN/UNcos=40103/3800.90.85A=79.5A（7）求直接启动电流IstIst=7.0IN=7.079.5A=556.5A,1三相异步电动机的安装2三相异步电动机电气部分的接线3三相异步电动机电气部分的使用注意事项,1.3三相异步电动机的安装与使用,1三相异步电动机的安装,包括电动机基础的制作和电动机的安装。电动机基础的制作：选好安装地点（在干燥、防雨、通风散热条件好、便于操作、维护、检修的地方），确定好基础形式（永久性、流动性和临时性3种），根据实际需要来选择。电动机一定要固定牢固，不能松动。,图1.16电动机的固定与接线,定子绕组由三相对称绕组构成：首端（U1、V1、W1），尾端（U2、V2、W2）。,2三相异步电动机电气部分的接线,同绕组错开,尾端,首端,同绕组错开,接线盒,用万用表判断同一相绕组的两个线头。万用表表笔不动，另一支表笔依次接其他5个线头，若阻值很小，则表明此时两支表笔接的两个线头同属同一相绕组。同理第1个绕组l、4，第2个绕组2、5，第3个绕组3、6。,用交流电源和万用表判断绕组的首尾端的方法,用万用表的交流电压挡测绕组的联接1前提：指定2端为首端，1、4端接万用表的交流电压挡,图1.17判断绕组首尾端方案1,首尾相接,3为首端,小读数,大读数,首首相接,3为尾端,用万用表的交流电压挡测绕组的联接2前提：指定2端为首端，3、6端接万用表的交流电压挡,1为尾端,图1.18判断绕组首尾端方案2,实际负载配套要按铭牌所载电压、频率、功率、转速等规格使用。经常进行外部机械检查，注意检查各部件是否完好、螺丝是否松动及轴承的润滑情况。使用前要用500V兆欧表检查电动机的绝缘情况，绝缘电阻值大于0.5M后方能使用，低于0.5M时要作烘干处理，电动机应在7080下烘7h8h。,3三相异步电动机电气部分的使用注意事项,检查线路电压与电动机额定电压是否相符，线路电压的变动不应超出电动机额定电压的5%。检查线路连接是否正确，各接触点是否接触良好，保险设备是否完好，熔丝额定电流应为电动机额定电流的1.52.5倍。电动机在运行前应该装保护接地线或保护接零线。,本章小结,三相异步电动机的结构、基本原理及铭牌，三相异步电动机的选择、安装及使用注意事项。,1）结构：由定子（定子铁芯、定子绕组和外壳等）和转子（由转子铁芯、转子绕组、转轴等）构成。2）原理：在定子绕组中，通入三相交流电所产生的旋转磁场与转子绕组中的感应电流相互作用产生的电磁力形成电磁转矩，驱动转子转动，从而使电动机旋转。只要将电流相序任意二相对调，就能改变电动机的旋转方向。3）安装：基础的制作（永久性、流动性和临时性3种）和电动机的安装（固定牢固）。,习题1,1填空（1）三相异步电动机产生的电磁转矩是由于_的相互作用。（2）三相异步电动机的转动方向决定于_。（3）三相异步电动机在运行中提高其供电频率，电动机的转速将_。（4）某三相异步电动机，其电源频率为50Hz，额定转速为2850r/min，则其极对数为_。,2简述三相异步电动机的结构，试述三相异步电动机的转动原理。3旋转磁场是如何产生的?如何改变旋转磁场的转向?解释“异步”的意义。4何谓三相异步电动机的转差率?额定转差率一般是多少?启动瞬时的转差率是多少?5三相异步电动机的电磁转矩与电源电压大小有何关系？若电源电压下降20%，电动机的最大转矩和启动转矩将变为多大?,6三相异步电动机接通电源后，如果转轴受阻而长时间不能启动旋转，会有何后果？7三相异步电动机带额定负载运行时，如果电源电压降低，电动机的转矩、转速及电流有无变化？如何变化？8异步电动机长时间过负载运行时，为什么会造成电动机过热？当电动机运行过程中负载转矩增加而大于Tm时，将会发生什么情况？,9如图1.19所示，在运行中三相异步电动机的负载转矩从T1增加到T2时，将稳定运行在机械特性曲线的哪一点（d点还是b点）？,10说明电动机型号Y160L-4的意义。说明三相异步电动机铭牌的意义：2.8kW、Y/、220/380V、10.9/6.3A、1370r/min、50Hz、cos=0.9。11电网电压太高或太低，都易使三相异步电动机定子绕组过热而损坏，为什么?,12已知Y132S-4型三相异步电动机的额定技术数据为：额定功率PN=5.5kW，额定电压UN=380V，额定转速nN=1440r/min，额定工作时的效率=85%，定子功率因数cos=0.84，启动能力Tst/TN=1.5，过载系数=2.2，工频f1=50Hz，启动电流比Ist/IN=7.0。试求：（1）额定转差率sN；（2）额定电流IN（3）额定转矩TN；（4）最大转矩Tm；（5）直接启动转矩Tst；（6）直接启动电流Ist。,13一台三相异步电动机的额定功率为15kW，额定电压为220/380V，接法/，额定转速为1450r/min，额定效率为90%，额定功率因数为0.8，试求：（1）额定运行时的输入功率；（2）定子绕组接成Y形和形的额定电流；（3）额定转矩。,本章结束！,