交流电动机

交流电动机 第六章 交流电动机 电机是实现电能和机械能互相转换的旋转装置。 本章主要介绍交流电动机的基本构造、、转速与转矩之间的机械特性及起动、反转、调速及制动的基本原理和使用方法等。 6(1 三相异步电动机的构造 三相异步电动机分主要由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两个基本部分组成。见下图 三相异步电动机的定子构成:由机座和装在机座内的圆筒形铁心以及其中的定子绕组组成。见下图 三相异步电动机的转子铁心是圆柱状的，也是用硅钢片叠成，表面有冲槽，用来放置转子绕组。转子铁心装在转轴上，轴上加机械负载。 根据构造的不同可分为鼠笼式和绕线式两种。 鼠笼式异步电动机若去掉转子铁心，嵌放在铁心槽中的转子绕组，就象一个“鼠笼”，它一般是用铜或铝铸成。见下图 绕线式异步电动机的转子绕组同定子绕组一样也是三相的，它联接成星型。每相绕组的的始端联接在三个铜制的滑环上，滑环固定在转轴上。环与环，环与转轴之间都是互相绝缘的。在环上用弹簧压着碳质电刷。 起动电阻和调速电阻是借助于电刷同滑环和转子绕组联接，见下图 6(2 异步电动机转动原理: 旋转磁场 1.旋转磁场的产生 三相异步电动机的定子绕组嵌放在定子铁心槽内，按一定规律连接成三相对称结构。三相 0绕组AX，BY，CZ在空间互成120，它可以联接成星形,也可以联接成三角形。当三相绕组接至三相对称电源时，则三相绕组中便通入三相对称电流i、i、i: ABC i=Isinωt Amoi= Isin(ωt,120) Bmoi= Isin(ωt，120) Cm 电流的参考方向和随时间变化的波形图见下图。 的产生过程(见下图): 由分析可知,当定子绕组中通入三相电流后，当三相电流不断地随时间变化时，它们共同产生的合成磁场也随着电流的变化而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。这个旋转磁场同磁极在空间旋转所产生的作用是一样的。 2.旋转磁场的转向 0从旋转磁场可以看出，在ωt=0的时，A相的电流i=0，此时旋转磁场的轴线与A相绕组A0的轴线垂直;当ωt=90时，A相的电流i=+I达到最大，这时旋转磁场轴线的方向恰好与A相Am 绕组的轴线一致。三相电流出现正幅值的顺序为A—B—C，因此旋转磁场的旋转方向是与通入绕组的电流相序是一致的，即旋转磁场的转向与三相电流的相序一致。如果将与三相电源相联接的电动机三根导线中的任意两根的对调一下，则定子电流的相序随之改变，旋转磁场的旋转方向也发生改变。电动机就会反转，见下图 3.旋转磁场的极数 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定子绕组的安排有关。在上 0图的情况下,每相绕组只有一个线圈, 三相绕组的始端之间相差120，则产生的旋转磁场具有一对极,即p=1。如将定子绕组按下图所示安排。 电动机的转动原理 下图为三相异步电动机工作原理示意图。 当三相定子绕组接至三相电源后，三相绕组内将流过对称的三相电流，并在电动机内产生一个旋转磁场。当p=l时，图中用一对以恒定同步转速n(旋转磁场的转速)按顺时针方向旋转的电磁0 铁来模拟该旋转磁场，在它的作用下，转子导体逆时针方向切割磁力线而产生感应电动势。感应电动势的方向由右手定则确定。由于转子绕组是短接的,所以在感应电动势的作用下，产生感应电流，即转子电流I。即异步电动机的转子电流是由电磁感应而产生的，因此这种电动机又称为2 感应电动机。 由图可见，电磁转矩与旋转磁场的转向是一致的，故转子旋转的方向与旋转磁场的方向相同。(但电动机转子的转速n必须低于旋转磁场转速n。如果转子转速达到n，那末转子与旋转00磁场之间就没有相对运动，转子导体将不切割磁通,于是转子导体中不会产生感应电动势和转子电流，也不可能产生电磁转矩，所以电动机转子不可能维持在转速n状态下运行。可见该) 电0 动机只有在转子转速n低于同步转速n时,才能产生电磁转矩并驱动负载稳定运行。因此这种电0 动机称为异步电动机。 转差率 异步电动机的转子转速n与旋转磁场的同步转速n之差是保证异步电动机工作的必要条件。这0 两个转速之差与同步转速之比称为转差率，用s表示，即 s=(n0,n)/n 由于异步电动机的转速n < n，且n > 0，故转差率在0到1的范围内,即0< s < 1。对于常用的异0 步电动机,在额定负载时的额定转速s很接近同步转速，所以它的额定转差率s很小，约为0.01- NN0.07, s有时也用百分数来表示。 6.3三相交流异步电动机的电路分析 三相交流异步电动机的每相等效电路类似于变压器，定子绕组相当于变压器的原绕组，闭合的转子绕组相当于的副绕组，其电磁关系也同变压器类似，如下图所示。 当定子绕组接三相电源电压时u，则有三相电流i通过。产生旋转磁场，并通过定子和转11 子铁心而闭合。 旋转磁场在定子绕组和转子绕组分别感应产生电动势e和e。此外，漏磁通产生的漏磁电12 动势分别为e和e。 σ1σ2 定子电路 定子每相电路的电压方程和变压器原绕组的电路一样，其电压方程式为: u,iR，,e，,e()(),11111 did,1,iR，L，N11,11dtdt 正常工作时,定子绕组阻抗上的压降很小,可以忽略不计,故E约等于电源电压U。在电源电压U111 和频率f不变时, Φ基本保持不变。 1m 则:U?E=4.44fNΦ 1111m 式中f为定子绕组中电流的频率即电源的频率，N为每相定子绕组的等效匝数， Φ为旋转磁11m场每个磁极下的磁通幅值。 转子电路 转子每相电路的电压方程为 di2eiReiRL,，(,),，,,2222222dt 转子电路的各个物理量: 1.转子频率 f=s?f 21 转子频率f与转差率s有关,也就是与转速n有关。在n=0,s=l，即转子静止不动时,f= f，221 此时旋转磁场对转子的相对切割速度最大。在额定负载时，s=1,9%，则f=0.5,4.5Hz。 22.转子电动势 E=4.44fNΦ =4.44sfNΦ= s?E222m12m20 在n=0, s=l时，转子电动势为:E=4.44 f?NΦ。这时f= f，转子电动势最大。转子电2012m 21动势E与转差率s有关。 2 3.转子感抗X=2πfL=2πsfL22σ21σ2 在n=0, s=l时，转子感抗为:X=2πfL。这时f= f，转子感抗最大。 201σ2 21可见转子感抗X与转子频率f、转差率s有关。 22 4.转子电流 转子电流I也与转差率s有关。当s增大，即转速n降低时，转子与旋转磁场之间的相对转2 速(n-n)增加，转子导体切割磁力线的速度提高，于是E和I都增加。I随s变化的关系曲线0222见下图。 转距公式 三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通φ与转子电流I相互作用而产生的。因转m2 子电路是电感性的,转子电流I比转子电动势E滞后ψ角。则转矩T与磁通φ及转子电流I222m2的关系为:T=kφ Icosψ =k Tm22 式中的k、k是一与电动机结构有关的常数，cosψ是转子电路的功率因数，转矩T的单位T2 为牛?米(N?m)。 可见,转矩T与定子绕组的每相电压U的平方成正比，所以当电源电压变化时，电动机的输1 出转矩也要改变。此外,转矩T还受转子电阻R的影响。 2 机械特性曲线 三相异步电动机的转速n与转矩T之间的关系n=f(T)称为电动机的机械特性，其曲线如下图所示。 在电动机等速转动时,它的输出转矩必须与阻转矩相平衡，阻转矩主要是机械负载转矩T。2此外,还包括空载损耗转矩(主要是机械损耗转矩)T。由于T很小,常可忽略,所以:T= T+ T?T 00202由此可见，电动机的电磁转短T近似等于电动机轴上的输出机械转矩T。即 2 T?T=60P/(2πn) 22N 式中P是电动机轴上输出的机械功率，单位是瓦(W);转矩的单位是牛?米(N . m);转速的单位2 是转每分(r/rnin)。功率如用工程上常用的千瓦为单位,则:T=9550P/n 2 若上式中电动机轴上输出的机械功率P是额定功率P，则电动机的输出机械转矩T即为22N2额定转矩T。 N PNT,T,9550N2nN2由转距公式得:当s=R/x时，最大转矩T=kU/(2X) m220max120 电动机刚启动时(n-0,s=1)Tst=Tq 2RU21T,Kq22R，X220 分别见下图。 6.4 三相交流异步电动机的调速 由异步电动机的转速公式: n= (1-s)60f/P可见，改变异步电动机转速的方法有:改变转差率s、1 改变磁极对数p和改变电源频率f。 1 1.变频调速 变频调速是通过改变鼠笼式异步电动机定子绕组的供电频率f来改变同步转速n而实现调10速的。如能均匀地改变供电频率f，则电动机的同步转速n及电动机的转速n均可以平滑地改10 变。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，其特点是调速范围大、稳定性好、运行效率高。目前已有多种系列的通用变频器问世，由于使用方便，可靠性高且经济效益显著，得到了广泛的应用。 近年来变频调速技术发展很快，目前主要采用如下图所示的通用变频调速装置。 它主要由整流器和逆变器两大部分组成。整流器先将频率f为50Hz的三相交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率f可调、电压有效值U也可调的三相交流电，供给三相鼠笼式电动机。11 由此可使电动机达到无级调速，并具有较好的机械特性。 2.变极调速 由式n可知，如果磁极对数p减小一半，则旋转磁场的转速n将提高一倍，转子转速n差00 不多也提高一倍。因此改变p可以得到不同的转速。如何改变磁极对数，取决于定子绕组的布置和联接方式。下图所示的鼠笼式多速异步电动机的定子绕组是特殊设计和制造的，可以通过改变外部联接的方式来改变磁极对数p，以达到调节转速的目的。 常见的多速电动机有双速、三速、四速几种，是有级调速。 3.改变转差率调 只要在绕线式电动机的转子电路中接入一个调速电阻R(和起动电阻一样接入)，改变电阻2 R的大小，就可得到平滑调速。譬如增大调速电阻R时，转差率s上升，而转速n下降。 22 这种调速方法的优点是设备简单、投资少，缺点是功率损耗较大，运行效率较低。这种调速方法广泛应用于起重设备中。 6.5 三相交流异步电动机的制动 阻止电动机转动,使之减速或停车的措施称为制动。因为电动机的转动部分具有惯性，所以把电源切断后，电动机还会继续转动一定时间而后停止。因此在要求电动机迅速停转或准确停在某一位置，以满足要求，缩短辅助工时，提高生产机械的生产率，都需要采取制动措施。 制动措施有机械制动和电气制动两种。 电气制动有以下几种方式: 1.能耗制动 当电动机与交流电源断开后,立即给定子绕组通入直流电流，如下图所示，将开关Q由运行位置转换到制动位置，这样将建立一个静止的磁场，而电动机由于惯性作用继续沿原方向转动。由右手定则和左手定则不难确定这时的转子电流与固定磁场相互作用产生的转矩的方向和电动机转动的方向相反，因而起制动的作用，使电动机迅速停车。这种制动过程，是将转子的动能转换为电能，再消耗在转子绕组电阻上，所以称为能耗制动。 2.反接制动 反接制动是在电动机停车时，将其所接的三根电源中任意两根对调，如下图所示，开关Q由上方(运行状态)合到下方(制动状态) ,使加在电动机定子绕组中的电源相序改变,旋转磁场反向旋转,产生与原来方向相反的电磁转矩，这对由于惯性作用仍沿原方向旋转的电动机起到制动作用。当电动机转速接近零时,利用测速装置及时将电源自动切断,否则电动机将反转。由于反接制动时,转子以(n十n)的速度切割旋转磁场,因而定子及转子绕组中的电流较正常运行时大十几倍,0 为保护电动机不致过热而烧毁,反接制动时应在定子电路中串入电阻限流。 3.发电反馈制动 当转子的实际转速n超过旋转磁场的转速n时，这时的电磁转矩会和原方向相反,也是制动0 的(下图)。 当起重机载物下降时,由于物体的重力加速度作用，会导致电动机的转速n大于旋转磁场的转 ，电动机产生的电磁转矩是与转向相反的制动转矩。实际上这时电动机已进入发电机运行速n0 状态,将重物的势能转换为电能而反馈到电网里去，所以称为发电反馈制动。另外,当将多速电动机从高速调到低速的过程中，也会发生这种制动。因为刚将极对数p加倍时,磁场转速立即减半，但由于惯性，转子的转速只能逐渐下降，因此就出现n> n的情况。 0 6(6 三相异步电动机的铭牌数据 三相异步电动机的额定值刻印在每台电动机的铭牌上,一般包括下列几种: 1.型号:为了适应不同用途和不同工作环境的需要，电动机制成不同的系列,每种系列用各种型号表示。例如 Y 132 M- 4 Y ?三相异步电动机，其中三相异步电动机的产品名称代号还有:YR为绕线式异步电动机;YB为防爆型异步电动机;YQ为高起动转距异步电动机。 132?机座中心高(mm) M ?机座长度代号 4 ?磁极数 2.接法:这是指定子三相绕组的接法。一般鼠笼式电动机的接线盒中有六根引出线,标有U、1V 、W、U、V、W。其中:U U是第一相绕组的两端;V V是第二相绕组的两端;W W11222121212是第三相绕组的两端。 如果U、V 、W分别为三相绕组的始端(头) ,则U、V、W是相应的末端(尾)。这六个引111222 出线端在接电源之前,相互间必须正确联接。联接方法有星形(Y)联接和三角形(Δ)联接两种(下图所示)。通常三相异步电动机自3kW以下者,联接成星形;自4kW以上者, 联接成三角形。 3.额定功率P:是指电动机在制造厂所规定的额定情况下运行时, N 其输出端的机械功率,单位一般为千瓦(kW)。 4.额定电压U:是指电动机额定运行时,外加于定子绕组上的线电压,单位为伏(V)。 N 一般规定电动机的工作电压不应高于或低于额定值的5%。当工作电压高于额定值时,磁通将增大，将使励磁电流大大增加,电流大于额定电流,使绕组发热。同时,由于磁通的增大,铁损耗(与磁通平方成正比)也增大,使定子铁心过热;当工作电压低于额定值时，引起输出转矩减小，转速下降,电流增加，也使绕组过热，这对电动机的运行也是不利的。 我国生产的Y系列中、小型异步电动机，其额定功率在3kW以上的,额定电压为380 V，绕组为三角形联接。额定功率在3 kW及以下的,额定电压为380/220V,绕组为Y/Δ联接(即电源线电压为380 V时,电动机绕组为星形联接;电源线电压为220 V时,电动机绕组为三角形联接)。 5.额定电流I:是指电动机在额定电压和额定输出功率时,定子绕组的线电流,单位为安(A)。 N 当电动机空载时,转子转速接近于旋转磁场的同步转速,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,如下图中的I=f(P)曲线所示。图中是一台l0kW三相异步电动机的工作特12 性曲线。 6.额定频率f:我国电力网的频率为50赫兹(Hz)，因此除外销产品外,国内用的异步电动机N 的额定频率为50赫兹。 7.额定转速n:是指电动机在额定电压、额定频率下,输出端有额定 N 功率输出时, 转子的转速,单位为转/分(r/min)。由于生产机械对转速的要求不同,需要生产不同磁极数的异步电动机,因此有不同的转速等级。最常用的是四个极的异步电动机(n=l500 r/min)。 0 8.绝缘等级:它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,是指电动机绝缘结构中最热点的最高容许温度。其技术数据见下表: 绝缘等级 A E B F H 极限温度? 105 120 130 155 180 9.工作方式:反映异步电动机的运行情况，可分为三种基本方式:连续运行、短时运行和断续运行。 三相交流异步电动机的选择 三相交流异步电动机的选用，主要从选用的电动机的功率、工作电压、种类、型式及其保护电器考虑。 1.功率的选择 选用电动机的功率大小是根据生产机械的需要所确定的。 (1)连续运行电动机功率的选择 对于连续运行的电动机，先算出生产机械的功率，所选用的电动机的额定功率等于或大于生产机械的功率即可。 (2)短时运行电动机功率的选择 短时运行电动机的功率可以允许适当过载( 2.种类和型式的选择 (1)种类的选择 选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、调速与起动特性、维护及价格等方面考虑。 因为生产上常用的是三相交流点，如没有特殊要求，多采用交流电动机。由于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;其缺点是调速困难，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要求的一般生产机械的拖动，如水泵、通风机、运输机、传送带和机床都采用鼠笼式异步电动机。 绕线式电动机的基本性能与鼠笼式相同。其特点是起动性能较好，并可在不大的范围内平滑调速。但是它的价格较鼠笼式电动机为贵，维护亦较不便。因此，只有在某些必须采用绕线式电动机的场合，如起重机、锻压机等，大多采用鼠笼式异步电动机。 (2)结构形式的选择 在不同的工作环境，应采用不同结构形式的电动机，以保证安全可靠地运行。电动机常用的结构形式有:开启式、防护式、封闭式和防爆式，如下图所示。 3.电压和转速的选择 电动机电压等级的选择，要根据电动机的类型，功率以及使用地点的电压来决定。电动机的额定转速根据生产机械的要求而决定，一般采用尽量高转速的电动机。