三相异步电动机以及控制电路

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1、89 第第 5 5 5 5 章章三相异步电动机及其控制线路三相异步电动机及其控制线路 5 15 1 三相异步电动机三相异步电动机 实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机 电机是利用电磁感应原理实现 电能与机械能的相互转换 把机械能转换成电能的设备称为发电机 而把电能转换成机 械能的设备叫做电动机 在生产上主要用的是交流电动机 特别三相异步电动机 因为它具有结构简单 坚 固耐用 运行可靠 价格低廉 维护方便等优点 它被广泛地用来驱动各种金属切削机 床 起重机 锻压机 传送带 铸造机械 功率不大的通风机及水泵等 对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题 1 基本构造 2 工作原理 3 表

2、示转速与转矩之间关系的机械特性 4 起动 调速及制动的基本原理和基本 方法 5 应用场合和如何正确使用 5 1 15 1 1 三相异步电动机的结构与工作原理三相异步电动机的结构与工作原理 1 1 1 1 三相异步电动机的构造 三相异步电动机的构造 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 5 1 所示 图 5 1 三相电动机的结构示意图 1 1 1 1 定子 定子 三相异步电动机的定子由三部分组成 定子定子铁心 由厚度为 0 5mm 的 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 90 AX BY

3、 CZ 定子绕组 三组用漆包线绕制好的 对称地嵌入定子铁心槽内的 相同的线圈 这三相绕组可接成星形或三角形 机座机座用铸铁或铸钢制成 其作用是固定铁心和绕组 2 2 2 2 转子 转子 三相异步电动机的转子由三部分组成 转子 转子铁心 由厚度为 0 5mm 的 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 转子绕组 转子绕组有两种形式 鼠笼式 鼠笼式异步电动机 绕线式 绕线式异步电动机 转轴转轴上加机械负载 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 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

4、隙 中小型电动机 的空气隙约在 0 2 1 0mm 之间 2 2 2 2 三相异步电动机的转动原理 三相异步电动机的转动原理 1 1 1 1 基本原理 基本原理 为了说明三相异步电动机的工作原理 我们做如下演示实验 如图 5 2 所示 图 5 2 三相异步电动机工作原理 91 1 演示实验 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 若改变磁铁的转向 则导体的转向也跟着改 变 2 现象解释 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

5、沿磁铁的旋转方向转动起来 这就是异步电动机的基本原理 转子转动的方向和磁极旋转的方向相同 3 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 2 2 2 2 旋转磁场 旋转磁场 1 产生 图 5 3 表示最简单的三相定子绕组 AX BY CZ 它们在空间按互差 1200的规律对 称排列 并接成星形与三相电源 U V W 相联 则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 图 5 4 0 0 sin sin 120 sin 120 Um Vm Wm iIt iIt iIt 图 5 3 三相异步电动机定子接线 当 t 00时 0 A i

6、AX 绕组中无电流 B i为负 BY 绕组中的电流从 Y 流入B1流 出 C i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 5 4 a 所示 当 t 1200时 0 B i BY 绕组中无电流 A i为正 AX 绕组中的电流从 A 流入 X 流出 C i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 5 4 b 所示 当 t 2400时 0 C i CZ 绕组中无电流 A i为负 AX 绕组中的电流从 X 流入 A 流出 B i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

7、图 5 4 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作周期性变化 产生的合成磁场也不断地 A iA iB iC X B Y C Z 92 旋 因此称为旋转磁场 图 5 4旋转磁场的形成 2 旋转磁场的方向 旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的 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即可 这时 转子的 旋转方向也跟着改变 3 3 3 3 三相异步电动机的极数与转速 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

8、转磁场的极数和三相绕组的安排有 关 当每相绕组只有一个线圈 绕组的始端之间相差 1200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 600空间角时 产生的旋转磁场 具有两对极 即 p 2 同理 如果要产生三对极 即 p 3 的旋转磁场 则每相绕组必须有均匀安排在空间 的串联的三个线圈 绕组的始端之间相差 400 1200 p 空间角 极数 p 与绕组的始端 之间的空间角 的关系为 0 120 p t iiA iBiC O 1 2 0 2 4 0 3 6 0 a t 0 b t 120 c t 240 AAA XXX B B B YY Y C

9、CC ZZ Z 93 2 转速 n 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 它们的关系是 1 0 60f n p 5 1 由 5 1 可知 旋转磁场的转速n0决定于电流频率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是个常数 在我国 工频f1 50Hz 因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0 见表 5 1 表 5 1 p123456 n0300015001000750600500 3 转差率 s 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同 但转子的转速n不可能达到与旋转磁 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

10、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 因此我们把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 用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量 即 0 00 nnn s nn 5 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 转子则因机械惯性尚未转动 转子的瞬间转 速n 0 这时转差率S 1 转子转动起来之后 n 0 n0 n 差值减小 电动机的转差 率STN 一般的三相异步电动机有 Tst TN

11、 1 2 2 3 3 3 3 电动机的负载能力自适应分析 电动机的负载能力自适应分析 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 2 L TnSIT 直 至 新 的 平 衡 此 过 程 中 2 I 时 1 I 电源提供的功率自动增加 97 总结 总结 1 电磁转矩T的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关 22 cos T TKI 转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例 所以当电源电压有所变动时 对转矩 的影响很大 此外 转矩T还受转子电阻R2的影响 2 在一定的电源电压U1和转子电阻R2下 电动机的转矩T与转差

12、率n之间的关系曲 线T f s 或转速与转矩的关系曲线n f T 称为电动机的机械特性曲线 其特性见图 5 5 3 三个转矩 1 额定转矩TN 额定转矩TN是异步电动机带额定负载时 转轴上的输出转矩 2 9550 N P T n 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 3 起动转矩Tst Tst为电动机起动初始瞬间的转矩 即n 0 s 时的转矩 4 电动机的负载能力自适应分析 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 98 5 25 25 25 2 三相异步电

13、动机的使用 三相异步电动机的使用 电动机或其他电气设备电路的接通或断开 目前普遍采用继电器 接触器 按钮及 开关等控制电器来组成控制系统 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 在本节中我们主 要讨论继电 接触器控制的一些基本电路 要弄清一个控制电路的原理 必须了解其中各个电器元件的结构 动作原理以及它 们的控制作用 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 例如刀开关 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 例如各种继电器 接触器 电磁阀等 因此本节首先对这些常用

14、控制电器作简单介绍 5 2 15 2 1 常用低压电器介绍常用低压电器介绍 1 1 1 1 手动电器 手动电器 1 1 1 1 刀开关 刀开关 刀开关又叫闸刀开关 一般用于不频繁操作的低压电 路中 用作接通和切断电源 有时也用来控制小容量 电动机的直接起动与停机 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 分为单极 双 极和三极 按结构分为平板式和条架式 按操作方式 分为直接手柄操作式 杠杆操作机构式和电动操作机 构式 按转换方向分为单投和双投等 图 5 6 刀开关的电路符号 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

15、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 考虑到电机较大的起动电流 刀闸的额定电流值应如下选择 3 5 倍异步电机额定 电流 2 2 2 2 按钮 按钮 按钮常用于接通 断开控制电路 它的 结构和电路符号见图 5 7 按钮上的触点分为常开触点和常闭触 点 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 5 7 按钮的结构和符号 电路符号 QS 99 2 2 2 2 自动电器 自动电器 1 1 1 1 熔断器 熔断器 熔断器主要作短路或过载保护用 串联在被保护的线路中 线路正常工作时如同一根导线 起通路作用 当线路短路或过 载时熔断

16、器熔断 起到保护线路上其他电器设备的作用 熔断器的结构有管式 磁插式 螺旋式 等几种 其核心 部分熔体 熔丝或熔片 是用电阻率较高的易熔合金制成 如 铅锡合金 或者是用截面积较小的导体制成 熔体额定电流 F I的选择 1 无冲击电流的场合 如电灯 电炉 FL II 图 5 8 熔断器的电路符号 2 一台电动机的熔体 熔体额定电流 电动机的起动电流 2 5 如果电动机起动频繁 则为 熔体额定电流 电动机的起动电流 1 6 2 3 几台电动机合用的总熔体 熔体额定电流 1 5 2 5 容量最大的电动机的额定 电流 其余电动机的额定电流之和 2 2 2 2 交流接触器 交流接触器 接触器是一种自动开关 是电力拖动中主要的控制电器之一 它分为直流和交流两 类 其中 交流接触器常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路 图 5 9是交流接 触器的主要结构图 接触器主要由电磁铁和触头两部分组成 它是利用电磁铁的吸引力 而动作的 当电磁线圈通电后 吸引山字形动铁心 上铁心 而使常开触头闭合 图 5 9 接触器工作原理图 根据用途不同 接触器的触头分主触头和辅助触头两种 辅助触头通过的电流较小 常接在电