电动机的作用是将电能转换为机械能现代各种生产机械都...

8.0-1电动机的作用是将电能转换为机械能。现代各种生产机械都广泛应用电动机来驱动。有的生产机械只装配着一台电动机，如单轴钻床；有的需要好几台电动机，如某些机床的主轴、刀架、横梁以及润滑油泵和冷却油泵等都是由单独的电动机来驱动的。常见的桥式起重机上就有三台电动机。第9章电动机及其控制概述8.0-29.1三相异步电动机的结构9.2三相异步电动机的转动原理9.3三相异步电动机的转矩和机械特性9.4三相异步电动机的启动、调速、制动本章目录9.5常用控制电器9.6三相异步电动机的启动控制9.7三相异步电动机的正反转控制8.0-3电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机又分为异步电动机（或称感应电动机）和同步电动机。直流电动机按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复励四种。8.0-49.1三相异步电动机的结构三相异步电动机分成两个基本部分：定子（固定部分）和转子（旋转部分）图9.1三相异步电动机的构造三相异步电动机的定子由机座和装在机座内的圆筒形铁心以及其中的三相定子绕组组成。机座是用铸铁或铸钢制成的，铁心是由互相绝缘的硅钢片叠成的。铁心的内圆周表面冲有槽（图9.2），用以放置对称三相绕组AX，BY和CZ，有的联接成星形，有的联接成三角形。图9.2定子和转子的铁心片9.1三相异步电动机的结构8.0-6三相异步电动机的转子根据构造上的不同分为两种型式：鼠笼式和绕线式。转子铁心是圆柱状，也用硅钢片叠成，表面冲有槽（图9.2）。铁心装在转轴上，轴上加机械负载。9.1三相异步电动机的结构图9.2定子和转子的铁心片鼠笼式的转子绕组做成鼠笼状图9.3鼠笼式转子绕线式异步电动机的构造如图9.4所示图9.4绕线式异步电动机的构造9.2三相异步电动机的转动原理图9.5异步电动机转子转动的演示两点启示：第一、有一个旋转的磁场；第二、转子跟着磁场转动。异步电动机转子的原理是与上述演示相似的。9.2.1旋转磁场(1)旋转磁场的产生tIisinmA)120sin(mBtIi)120sin(mCtIiitO6090AiBiciAiBiCiABCXYZ图9.6三相对称电流A⊙⊙○○⊙⊙⊙⊙⊙○○AABBBCCCXXXYYYZZZ0t60t90t0n0n0n(a)(b)(c)图9.7三相电流产生的旋转磁场（p=1）itO6090AiBiciAiBiCiABCXYZ（2）旋转磁场的转向itO6090AiBiciAiBiCiABCXYZA⊙⊙○○⊙⊙○○ABBCCXXYYZZ0t60t0n0nABC图9.8旋转磁场的反转（3）旋转磁场的极数AiCiABCXYZBi(b)AAZBCXYBC(a)⊙⊙○○ABCXYZ0t60t0n○○⊙⊙(a)⊙⊙○○ABCXYZ0n○○⊙⊙(b)30°图9.10产生四极旋转磁场的定子绕组图9.11三相电流产生的旋转磁场（p=2)（4）旋转磁场的转速三相异步电动机的转速，它与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速决定于磁场的极数。ppfn1060由此推知，当旋转磁场具有对磁极时，磁场的转速为p0n表9.1123456（r/min）3000150010007506005009.2.2电动机的转动原理⊙n0nNSFF图9.12转子转动的原理图如图所示为三相异步电动机转子转动的原理图，图中N，S表示两极旋转磁场，转子中只画出两根导条（铜或铝）。当旋转磁场向顺时针方向旋转时，其磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则确定。在这里应用右手定则时，可假设磁极不动，而转子导条向逆时针方向旋转切割磁力线，这与实际上磁极顺时针方向旋转时磁力线切割转子导条是相当的。在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流。这电流与旋转磁场相互作用。而使转子导条受到电磁力。电磁力的方向可应用左手定则来确定。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。F9.2.3转差率⊙n0nNSFF图9.12转子转动的原理图sn0n00nnns我们用转差率来表示转子转速与磁场转速相差的程度，即转差率是异步电动机的一个重要的物理量。转子转速越接近磁场转速，则转差率越小。由于三相异步电动机的额定转速与同步转速相近，所以它的转差率很小。通常异步电动机在额定负载时的转差率约为1%~9%。0)1(nsn例有一台三相异步电动机，其额定转速min/r975n。试求电动机的极数和额定负载时的转差率。电源频率Hz501f。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（见表9.1）。显然，与min/r975最相近的同步转速min/r10000n，与此相应的磁极对数3p。因此，额定负载时的转差率为%5.2%10010009751000%10000nnns9.3三相异步电动机的转矩和机械特性9.3.1电机转矩22cosTTKITK——常数，与电动机的结构有关；——每级磁通；2I——转子电流；22122220()sRUTKRsX电机转矩另一种表达式9.3.2机械特性曲线当定子电压1U、频率1f等保持不变时，三相异步电动机的T与s之间的关系)(sfT称为转矩特性，n与T之间的关系)(Tfn称为机械特性。有时也统称为机械特性。笼型异步电动机如果定子电压和频率保持为额定值，绕线转子异步电动机如果定子电压和频率保持为额定值，而且转子电路中不另外串联电阻或电抗，这时的转矩特性和机械特性称为固有转矩和固有机械特性，简称固有特性，否则称为人为特性。TMTSTNTONMS1sMsNsONMTMTSSTNT0nNnMnb)机械特性a)转矩特性图9.13固有特性1.额定状态这是电动机的电压、电功率和转速等都等于额定值时的状态，工作点在特性曲线上的N点，约在OM段或Mn0段的中间附近。这时的转差率Ns、转速Nn和转矩NT分别称为额定转差率、额定转速和额定转矩。忽略0T，则N2TT，NT可用下式求得NNNNN260nPPT额定状态说明了电动机的长期运行能力。因为，若NTT，则电流和功率都会超过额定值，电动机处于过载状态。长期过载运行，电动机的温度会超过允许值，这将会降低电动机的使用寿命，甚至很快烧坏，这是不允许的。因此，长期运行时电动机的工作范围应在固有转矩特性的ON段和固有机械特性的Nn0段。2临界状态这是电动机的电磁转矩等于最大值时的状态，工作点在特性曲线上的M点，这时的电磁转矩MT称为最大转矩，转差率Ms和转速Mn称为临界转差率和临界转速。可求得临界转差率2M20RsX同样,我们可求得最大转矩为21M202UTKX临界状态说明了电动机的短时过载能力。因为电动机虽然不允许长期过载运行，但是只要是过载时间很短，电动机的温度还没有超过允许值，就停止工作或负载又减小了，在这种情况下，从发热的角度看，电动机短时间过载是允许的。3起动状态这是电动机刚接通电源、转子尚未转动时的工作状态，工作点在特性曲线上的S点。这时的转差率1s，转速0n，对应的电磁转矩ST称为起动转矩，定子线电流用SI表示，称为起动电流。22122220sRUTKRX9.4三相异步电动机的启动、调速、制动9.4.1三相异步电动机的启动异步电动机起动时的主要缺点是起动电流较大。为了减小起动电流（有时也为了提高或减小起动转矩），必须采用适当的起动方法。电动机起动就是把它开动起来。在刚起动时，由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速，磁通切割转子导条的速度很快，这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都很大。和变压器的原理一样，转子电流增大，定子电流必然相应增大。一般中小型鼠笼式电动机的定子起动电流（指线电流）与额定电流之比值大约为5~7。例如Y132M-4型电动机的额定电流为15.4A，起动电流与额定电流之比值为7，因此起动电流为A8.1074.1571直接启动直接启动就是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到具有额定电压的电源上。这种启动方法虽然简单，但如上所述，由于启动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正常工作。一台电动机能否直接启动，有一定规定。有的地区规定：用电单位如有独立的变压器，则在电动机起动频繁时，电动机容量小于变压器容量的20%时允许直接启动；如果电动机不经常启动，它的容量小于变压器容量的30%时允许直接启动。如果没有独立的变压器（与照明共用），电动机直接启动时所产生的电压降不应超过5%。二三十千瓦以下的异步电动机一般都是采用直接启动的。2降压启动如果电动机直接起动时所引起的线路电压降较大，必须采用降压起动，就是在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流。鼠笼式电动机的降压起动常用下面几种方法：(1)星形—三角形（Y-）换接起动如果电动机在工作时其定子绕组是联接成三角形的，那么在起动时可把它联成星形，等到转速接近额定值时再换接成三角形。这样，在起动时就把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的.31lUpYlYII||ZlU||ZlIpI图9.14比较星形联接和三角形联接时的启动电流当定子绕组联成星形，即降压起动时，||3/pZUIIll当定子绕组联成三角形，即直接起动时，||33pZUIIll比较上列两式，可得31llII即降压起动时的电流为直接起动时的31。由于转矩和电压的平方成正比，所以起动转矩也减小到直接起动时的31)3/1(2。因此，这种方法只适合于空载或轻载时起动。采用星三角起动器来实现。图9.15是一种星三角起动器的接线简图。3L1W2V2U2L1V2W1L1U3L2L1L1U2U1V2V1W2WY动触点静触点图9.15星三角起动器接线简图(2)自耦降压起动自耦降压起动是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低.1Q2Q工作起动图9.16自耦降压起动接线图绕线式电动机的起动，只要在转子电路中接入大小适当的起动电阻StR定子转子tSR电刷滑环图9.17绕线式电动机起动时的接线图9.4.2三相异步电动机的调速在讨论异步电动机的调速时，首先从研究公式pfsnsn1060)1()1(出发。此式表明，改变电动机的转速有三种可能，即改变电源频率1f、极对数p及转差率s。前两者是鼠笼式电动机的调速方法，后者是绕线式电动机的调速方法。今分别讨论如下。1变频调速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1f可调、电压有效值1U也可调的三相交流电，供给三相鼠笼式电动机。由此可得到电动机的无级调速，并具有硬的机械特性。Hz50f~~3M11,Uf可调逆变器整流器图9.18变频调速装置通常有下列两种变频调速方式：(1)在N11ff，即低于额定转速调速时，应保持11fU的比值近于不变，也就是两者要成比例地同时调节。由11144.4NfU和22cosIKTT两式可知，这时磁通和转矩T也都近似不变。这是恒转矩调速。如果把转速调低时N11UU保持不变，在减小1f时磁通则将增加。这就会使磁路饱和（电动机磁通一般设计在接近铁心磁饱和点），从而增加励磁电流和铁损，导致电机过热，这是不允许的。(2)在N11ff，即高于额定转速调速时，应保持N11UU。这时磁通和转矩T都将减小。转速增大，转矩减小，将使功率近于不变。这是恒功率调速。如果把转速调高时11fU的比值不变，在增加1f的同时1U也要增加。1U超过额定电压也是不允许的。1变频调速2变极调速由式pfn1060可知，如果极对数p减小一半，则旋转磁场的转速0n便提高一倍，转子转速n差不多也提高一倍。因此改变p可以得到不同的转速。如何改变极对数呢?这同定子绕组的接法有关。⊙⊙(b)1A2A1X2X⊙⊙1A2A1X2XA1A1X2A2X1A1X2A2X(a)图9.19改变极对数p的调速方法9.4.3三相异步电动机的制动1能耗制动2反接制动3发电制动9.5常用控制电器9.5.1按钮按钮通常是用来接