电机学

异步电动机培训袁长勇一、什么是电机？电机是利用电磁感应原理进行能量转换的装置。二、电机分类变压器电机电机直流电机交流电机直流电动机直流发电机异步电机同步电机异步电动机异步发电机同步电动机同步发电机交流电机主要有同步电机与异步电机两种。同步电机接在频率为的电网上运行时，其转速为同步转速，且（P为电机极对数），而异步电机运行时，转速与所接电网频率之间不存在这样的关系。三相异步电机的基本结构及运行状态异步电机的定义：转速和所接的交流电源频率之间没有严格不变关系的电机。1n1160/nfP异步电机主要作电动机用，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电机，主要拖动各种生产机械。异步电动机之所以被广泛应用，是由于它结构简单、运行可靠、效率较高、成本较低及维修方便且适用于多种机械负载的工作特性等优点。第一节异步电机的用途和分类但异步电动机也存在功率因数较低和调速性能较差的缺点，在一些生产机械中，不得不采用其它形式的电机（如直流电机）来拖动。随着科学技术的不断进步和发展，以上的两个问题已经逐步得到解决。对于异步电动机引起的功率因数低问题，可以采用一些其它措施来提高电网功率因数；异步电动机调速性能差的方面，可采用异步电动机与电力电子装置结合，从而构成优良的调速系统。异步电动机运行时，将定子绕组接到交流电源上，转子绕组直接短路（鼠笼式电机）或起动时接到一可变电阻（绕线式电机）上。异步电机的转子电流由接到电源上的定子建立的基波旋转磁场感应产生。转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换。所以，异步电机又称作感应电机。异步电机的种类很多。最常用的分类方法，一是按照定子绕组相数来分，有单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机；二是按照转子结构来分，有绕线式异步电动机和鼠笼式异步电动机。第二节三相异步电动机的结构三相异步电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，定子与转子之间存在气隙，此外，还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。图8-1异步电机结构图1－定子2－转子3.5－轴承4－轴承盖6－冷却风扇7－外壳鼠笼式三相异步电动机的结构示意图5.定子铁心,6.定子绕组,7.转轴,8.转子,9.风扇,11.轴承,12.机座1.定子异步电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。定子铁心是电机磁路的一部分，为了减小交变磁场在铁心中引起的铁耗，定子铁心采用导磁性能好、铁耗小、厚度为0.5mm的硅钢片叠压而成，叠片间需经绝缘处理。为了嵌放定子绕组，每个硅钢片上都冲制出一些沿圆周均匀分布、尺寸相同的槽。图8-3定子铁心冲片定子绕组是定子的电路部分，由若干线圈按照一定规律嵌放在定子铁心槽中并联接起来构成。大中型三相异步电机定子绕组为三相双层绕组，小型电机为单层绕组。小型异步电动机定子绕组用高强度漆包圆铜线或铝线绕制而成；大型异步电动机的导线截面较大，采用矩形截面的铜线或铝线制成线圈，再放置再定子槽内。定子绕组在交变磁场中感应电动势，绕组中有电流流过，从电网吸收电功率。高压大功率三相异步电动机定子绕组采用星形联结，只有三根线引出；中、小功率低压三相异步电动机在运行时，定子绕组通常采用三角形联结，但是一般把三相绕组的6个端子都引出，接到固定在机座上的接线盒中，这样便于使用者根据实际需要将三相绕组接成星形或三角形联结。图8-4定子绕组接线端子异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转轴用于固定和支撑转子铁心，并输出机械功率。转轴一般用中碳钢做材料，起支撑和固定转子铁心及传递转矩的作用。2.转子转子绕组是转子的电路部分，在交变的磁场中感应电动势，流过电流并产生电磁转矩，转子绕组分为笼型绕组和绕线型绕组两种，所以按转子结构分类，异步电机可分为笼型电机和绕线式电机。鼠笼式绕组，是自行短路的对称绕组，在转子铁心的每个槽中放置一根导体，称为导条，每根导条的轴向长度都比铁心略长。在导条的两端用短路环（也称为端环）把所有导条伸出铁心的部分联结起来，形成一个闭合回路，整个绕组的外形象一个鼠笼，因此得名。制造时，把叠好的转子铁心放在铸铝的模具内，把鼠笼和端部的内风扇一次铸成。绕线式转子上放置三相交流绕组，其极数与定子相同，一般用双层绕组，连接成Y形，三相出线端子引到三个滑环上，再利用三个固定在定子上的电刷将电动势引出到外电路，这样可利用外电路串附加电阻以改善电动机的起动性能或调节转速，这是绕线式异步电动机的特点。3.气隙异步电机定子与转子之间有一小的间隙，称为电机气隙。气隙的大小对异步电机运行性能有重要影响。异步电机的气隙磁场是由励磁电流产生，为了减小励磁电流，提高功率因数，气隙应尽可能小。但气隙过小不仅使装配困难，而且电机运行时定、转子之间可能发生摩擦。气隙减小，气隙磁场的高次谐波幅值和附加损耗会增大，因此异步电机最小气隙长度通常由制造工艺、运行可靠性、运行性能等多种因素决定。异步电机的气隙较同容量的同步电机要小得多，中小型异步电机的气隙一般为0.2mm～2mm；功率越大，转速越高，气隙长度越大。任何电机的定子和转子极数都应该相同，否则，电磁转矩等于零，电机无法工作。绕线型转子的极数，在设计时通过转子绕组的适当联结，使其与定子极数一致。笼型转子的绕组由导条加端环构成，与绕线型转子结构不同，其极数和相数也有自己的特点，本节就笼型转子的极数和相数进行讨论。第三节笼型转子的极数和相数笼型转子的所有导条在两端都被端环短路，整个结构对称，实质上它是一个对称的多相绕组。由于每根导条在气隙磁场中的位置不同，各导条的感应电动势和电流在时间上相位不同，所以每根导条就构成了独立的一相。1.笼型转子的相数2.笼型转子的极数由于每个导条内电流的空间分布取决于气隙主磁场的分布，所以笼型转子所产生的磁动势极数与产生它的气隙磁场的极数恒相等，也就是说，笼型转子的极数与定子绕组极数相等，与转子导条数无关。并且定子、转子磁动势的旋转速度始终为同步转速。第四节三相异步电动机的运行状态1.三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机由定子和转子两大部件组成，定子上有三相交流绕组，转子按一定方式构成闭合回路。当定子绕组通入三相对称交流电后，产生旋转磁场，以的速度旋转，它切割转子绕组并在其中感应出电动势，电动势的方向由右手定则决定。1160/nfP由于转子是闭合回路，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同，而载流导体在磁场中将产生电磁力fem，方向由左手定则决定。由电磁力形成的电磁转矩使转子旋转起来，转速为n。不过转子转速达不到n1，因为转速如果达到n1时，转子绕组与定子旋转磁场之间便无相对运动，不能在转子绕组中感应电动势，从而无法产生电流和转矩。因此，异步电动机转子的正常运行转速不等于旋转磁场产生的同步转速，这是异步电机的主要特点。2.转差率sn1n1nnn异步电机转子转速与定子旋转磁场的同步转速之间存在转速差，此转速差正是定子旋转磁场切割转子导体的速度，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响异步电机的工作状态，所以这个转速差对异步电机的运行起了很重要的作用。通常将转速差与同步转速的比值，用转差率s来表示。转差率是异步电机运行时的一个重要物理量。转子静止时，n=0，则s=1；转速n=n1时，则s=0。所以，异步电动机运行时，s的取值范围在0＜s＜1。异步电动机在额定负载条件下运行时，一般额定转差率sN=0.01～0.06。11nnsn根据转差率s为正（或负）的大小，三相异步电动机可分为电动机、发电机和电磁制动三种运行状态。3.三相异步电动机的三种运行状态（1）电动机运行状态0＜s＜1电磁转矩T是驱动转矩，电机作为电动机运行，将从电源吸收(输入)的电能转变为轴上的机械能(输出)。（2）发电机运行状态－∞＜s＜0如果异步电动机由其它原动机驱动，使转子仍顺着旋转磁场方向旋转，并且使其转速超过旋转磁场同步转速，感应在转子导体中的感应电动势和电流方向与电动机状态时相反，所以产生的电磁转矩方向反向，电磁转矩对电机转轴起制动作用。定子绕组中电流有功分量相对于电动机状态是反向的，即电机向电网输送出有功功率，将原动机的机械能通过电磁耦合磁场转变为电能，这时电机为发电机运行状态，如图7－9（c）所示。（3）电磁制动状态1＜s＜+∞如果作用在电动机转子上的外转矩使转子朝着与旋转磁场方向相反的方向转动，如起重机放下重物的情况，由于转子绕组与旋转磁场相对运动方向仍与电动机状态时一样，所以感应电动势与电流有功分量与电动机状态时相同，电磁转矩方向如图7－9（a）所示，与电动机运行状态时一样，但外转矩使转子反方向旋转，所以电磁转矩对旋转的转子而言是制动性质。这时，电机一方面从电网吸收电功率，另一方面转子也从外部吸收机械功率（来自下放的重物），二者都转变为转子内部电阻上的损耗，异步电机运行在电磁制动状态。第四节三相异步电动机的型号及额定值1.三相异步电动机的型号电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，它是表示电机主要技术条件、名称和规格的一种产品代号。如中小型三相异步电动机表示如下：大型异步电动机表示为：我国生产的异步电动机种类很多，Y系列是小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机，还有如JQ2、JS、JR等系列，可参阅电机产品目录。额定功率PN：指电机在铭牌规定的额定条件下，转轴上输出的机械功率，单位为瓦（W）或千瓦(kW)。额定电压UN：电机在额定工况下运行时，加在定子绕组出线端的线电压，单位为伏（V）或千伏（kV）。额定电流IN：指电机定子绕组上所加电压为额定电压，转轴上输出功率为额定功率时定子绕组的线电流，单位为安（A）。2.三相异步电动机的额定值额定频率fN：指加在定子边的电源频率，我国规定标准工频为50Hz。额定转速nN：指电机在定子绕组加额定电压，转轴输出额定功率时的转速，单位为r/min。额定功率因数：是电机在额定运行条件下定子侧的功率因数。额定效率：是电机在额定运行条件下，转轴输出的机械功率（即额定功率）与定子侧输入的电功率（即额定输入功率）的比值。cosNN除了以上各额定值外，三相异步电机在铭牌上还标出了相数、绕组联结方式、绝缘等级、额定温升等。对三相绕线式异步电机，还标有转子绕组的联结方式及转子的额定电压和电流。对于三相异步电动机，定子三相绕组不管是接成Y形还是D形，其额定值之间均有下述关系表达式：3cos()NNNNNPUIkW5.三相异步电动机的起动特性生产机械对电动机起动的要求是:起动转矩大,起动电流小.1).三相鼠笼式异步电动机的起动方法三相异步电动机起动电流是额定电流的(5-7)倍,为满足起动要求,三相异步电动机的起动方法分为直接起动和降压起动两类.(1)直接起动(全电压起动)适用范围;电动机功率20%变压器容量.一般中小型鼠笼式异步电动机都采用全电压直接起动.(2)降压起动:容量大的电动机起动电流大,为了限制过大的起动电流,采用降压起动.在工厂常用的降压起动方法有4种:定子串电阻或电抗器,Y-△变换,自耦变压器,延边三角形.(1)定子绕组串电阻或电抗器降压起动电路图如右图;不足之处:起动转矩随定子电压的平方下降;不经济.应用场合:电动机空载或轻载起动.(2)Y-△降压起动:只有正常运行时定子三相绕组是△接法的电动机才能采用Y-△降压起动.对于国产JO,JO2,Y,Y2系列电动机,功率大于4.5kW的都是采用△接线.也就是说,大容量电动机都可以用Y-△降压起动.Y-△降压起动的电气原理图如右图所示.起动时,三相绕组接成Y形,运行时,绕组接成△形.电流下降1/3,转矩也下降1/3.特点:电动机Y形起动过程中,可提高电动机的效率和功率因数;起动转矩小,只适用于空载或轻载起动的场合;设备简单,经济;在机床工业上应用较普遍.(3)自耦变压器降压起动特点:起动电流小,而且可以调节;不适用于频繁起动;体积大,重量重,价格高.与定子串电阻或电抗器起动相比较,在相同的起动转矩情况下,起动电流要小.(4)延边三角形起动对电动机定子绕组和绕组出线有特殊要求;起动时绕组一部分Y形,一部分△形接线;运行时绕组△接线