第1章 三相异步电动机及其控制电路

第1章三相异步电动机及其控制电路三相异步电动机概述任务1常用电压电器及三相异步电动机的选用方法任务2三相异步电动机的启动与控制任务3任务1三相异步电动机概述阶段1三相异步电动机的结构与工作原理1.三相异步电动机的结构三相异步电动机的两个基本组成部分为定子(固定部分)和转子(旋转部分)，此外还有端盖、风扇等附属部分，如图1-1所示。(1)定子。三相异步电动机的定子由以下3部分组成：①定子铁芯。定子铁芯由厚度为0.5mm、相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组。②定子绕组。定子绕组是指3组用漆包线绕制好并对称地嵌入定子铁芯槽内的相同的线圈。三相绕组共有6个接线端，分别用U1、V1、W1表示3个绕组的首端，用U2、V2、W2表示对应的末端。根据电动机的额定电压和电源电压，将三相定子绕组连接成星形或三角形(见图1-2)。③机座。机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁芯和绕组。图1-1三相异步电动机的构造1—轴承盖；2—端盖；3—接线盒；4—定子铁芯；5—定子绕组；6—转轴；7—转子；8—风扇；9—罩笼；10—机座图1-2三相定子绕组的接法(2)转子。三相异步电动机的转子由以下3部分组成：①转子铁芯。转子铁芯由厚度为0.5mm、相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。②转子绕组。转子绕组有两种形式，即鼠笼式与绕线式，分别如图1-3、图1-4所示。采用鼠笼式转子绕组的鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。③转轴。转轴用于承受机械负载。为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约0.2~1.0mm。图1-3笼形转子图1—铸铝条；2—风叶；3—转子铁芯图1-4绕线转子1—铁芯；2—集电环；3—转子绕组2.三相异步电动机的转动原理为了说明三相异步电动机的工作原理，进行如下演示实验：如图1-5所示，在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋转；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，转子转动的方向和磁极旋转的方向相同，这就是异步电动机的基本原理。由上述分析得到如下结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。图1-5三相异步电动机工作原理(1)旋转磁场。①旋转磁场的产生。图1-6为最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差120°的规律对称排列，并接成星形，与三相电源U、V、W相连。iU=ImsinωtiV=Imsin(ωt-120°)iW=Imsin(ωt+120°)图1-6三相异步电动机定子接线三相定子绕组便通过三相对称电流，随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场，如图1-7所示。图1-7旋转磁场的形成(a)ωt=0°；(b)ωt=120°；(c)ωt=240°当ωt=0°时，iA=0，AX绕组中无电流；iB为负，BY绕组中的电流从Y流入，B1流出；iC为正，CZ绕组中的电流从C流入，Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1-7(a)所示。当ωt=120°时，iB=0，BY绕组中无电流；iA为正，AX绕组中的电流从A流入，X流出；iC为负，CZ绕组中的电流从Z流入，C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1-7(b)所示。当ωt=240°时，iC=0，CZ绕组中无电流；iA为负，AX绕组中的电流从X流入，A流出；iB为正，BY绕组中的电流从B流入，Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1-7(c)所示。可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地做周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋转，因此称为旋转磁场。②旋转磁场的方向。旋转磁场的方向是由三相绕组中的电流相序确定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调。这时，转子的旋转方向也跟着改变。(2)三相异步电动机的极数与转速。①极数(磁极对数p)。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绕组的形式有关。当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120°空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1。当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差60°空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2。同理，如果要产生3对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的3个线圈，绕组的始端之间相差40°(120°p)空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角θ的关系为θ=120°p②旋转磁场转速n0。三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系为n0=60f1p(1-1)由式(1-1)可知，旋转磁场的转速n0取决于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0为常数。③转差率s。电动机转子的转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说，旋转磁场与转子之间存在转速差，因此这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。旋转磁场的转速n0常称为同步转速。转差率s是用来表示转子转速n与磁场转速n0相差程度的物理量，即s=n0-nn0×100%(1-2)转差率是异步电动机的一个重要的物理量。当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则由于机械惯性而尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率s=1。转子转动起来之后，n0，n0-n的值减小，电动机的转差率s1。如果转轴上的转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，这样才能产生足够大的感应电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率s增大。反之，s减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为1.5%~6%。根据式(1-2),可以得到电动机的转速常用公式为n=（1-s）n0(1-3)【例1-1】有一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率s。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。显然，与975r/min最相近的同步转速为n0=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。因此，额定负载时的转差率为s=n0-nn0×100%=1000-9751000×100%=2.5%(3)三相异步电动机的定子电路与转子电路。三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组(一般是短接的)相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁芯而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都会感应出电动势。阶段2三相异步电机的转矩特性与机械特性1.电磁转矩(简称转矩)异步电动机的转矩T是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。经理论证明，它们的关系为T=KTΦI2cosφ2(1-4)式中KT——与电机结构有关的常数；Φ——旋转磁场每个极的磁通量；I2——转子绕组电流的有效值；φ2——转子电流滞后于转子电势的相位角。若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，式(1-4)可写为T=KT′sR2U21R22+(sX20)2(1-5)式中KT′——常数；U1——定子绕组的相电压；s——转差率；R2——转子每相绕组的电阻；X20——转子静止时每相绕组的感抗。由式(1-5)可知，转矩T还与定子每相电压U1的平方成正比，所以电源电压的变动对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。2.机械特性曲线在一定的电源电压U1和转子电阻R2作用下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f(s)或转速n与转矩T的关系曲线n=f(T)称为电动机的机械特性曲线，它可根据式(5-4)得出，如图1-8所示。在机械特性曲线上主要讨论以下3个转矩。(1)额定转矩TN。额定转矩TN是指异步电动机带额定负载时转轴上的输出转矩，其计算式为TN=9550P2n(1-6)式中P2——电动机轴上输出的机械功率，单位为kW；n——转子转速，单位为r/min；TN——额定转矩，单位为N·m。图1-8三相异步电动机的机械特性曲线(a)T=f(s)曲线；(b)n=f(T)曲线(2)最大转矩Tm。Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。最大转矩时对应的转差率为sm，此时的sm称为临界转差率，如图1-8(a)所示。最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载系数λ，即λ=Tm/Tn三相异步的过载系数一般为1.8~2.2。在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，应重选电动机。(3)启动转矩Tst。Tst为电动机启动初始瞬间的转矩，即n=0，s=1时的转矩。为确保电动机能够带额定负载启动，必须满足TstTN，一般的三相异步电动机有Tst/TN=1~2.2。3.电动机的自适应负载能力电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。当TL增加时，n减小，s增加，从而I2增加，T相应地增加至新的平衡。此过程中，I2增加时，I1增加，电源提供的功率也自动增加。任务2常用电压电器及三相异步电动机的选用方法阶段1常用低压电器电动机或其他电气设备电路的接通或断开，目前普遍采用按钮、开关、接触器、继电器等控制电器来组成控制系统进行控制，这种控制系统一般称为继电—接触器控制系统。任何复杂的控制电路，都是由一些基本的单元电路组成的。因此，本阶段主要讨论继电—接触器控制系统中的一些基本电压电器。电器的种类繁多，可分为手动的和自动的两类。手动电器是由工作人员手动操纵的，如刀开关、点火开关等。而自动电器则是按照指令、信号或某个物理量的变化而自动动作的，如各种继电器、接触器、电磁阀等。1.手动电器(1)刀开关。刀开关又称为闸刀开关，一般用于不频繁操作的低压电路中，主要用于接通和切断电源，有时也用来控制小容量电动机的直接启动与停机，其电路符号如图1-9所示。刀开关由闸刀(动触点)、静插座(静触点)、手柄和绝缘底板等组成。刀开关的种类很多，按极数(刀片数)不同可分为单极刀开关、双极刀开关和三极刀开关，按结构不同可分为平板式刀开关和条架式刀开关，按操作方式不同可分为直接手柄操作式刀开关、杠杆操作机构式刀开关和电动操作机构式刀开关，按转换方向不同可分为单投刀开关和双投刀开关。刀开关一般与熔断器串联使用，以便在短路或过负荷时熔断器熔断而自动切断电路。刀开关的额定电压通常为250V和500V，额定电流在1500A以下。考虑到电机较大的启动电流，刀闸的额定电流值应为异步电机额定电流的3~5倍。图1-9刀开关的电路符号(2)按钮。按钮常用于接通、断开控制电路，一般有常开按钮、常闭按钮和复合按钮3种类型，其电路符号如图1-10所示。其中，复合按钮即常开按钮与常闭按钮做在一起。由于按钮的结构特点，按钮只起发出接通和断开信号的作用。图1-10按钮的电路符号（a）常开按钮；(b)常闭按钮；(c)复合按钮2.自动电器(1)熔断器。熔断器主要于短路或过载保护，串联在被保护的电路中。电路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当电路短路或过载时熔断器熔断，起到保护电路上其他电器设备的作用。其电路符号如图1-11所示。熔断