可编程控制器第2章

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1、 第 2章交流电动机2.1三相异步电动机的构造2.2三相异步电动机的基本原理2.3异步电动机的电磁转矩与机械特性2.4三相异步电动机的起动、 调速和制动 2.5三相异步电动机的铭牌和选择2.6其它用途的电动机 返回主目录第 2 章交 流 电 动 机根据电磁感应原理进行机械能与电能互换的旋转机械称为电机。 其中将机械能转换为电能的电机称为发电机，将电能转 换为机械能的电机称为电动机。由于生产过程的机械化，电动 机作为拖动生产机械的原动机，在现代生产中有着广泛的应用 电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机又可分为异步电动机（或称感应电动机）和同步电动机。异 步电动机有单相和三相两种。

2、单相电动机一般为1kW以下的小容量电机，在实验室和日常生活中应用较多。三相异步电动机 因为具有构造简单、价格低廉、工作可靠、易于控制及使用维 护方便等突出优点，在工农业生产中应用很广。如工业生产中 的轧钢机、起重机、机床、鼓风机等，均用三相异步电动机来 拖动。 2.1三相异步电动机的构造异步电动机由定子和转子两个基本部分组成。定子是固定部分，转子是转动部分。为了使转子能够在定子中自由转 动，定子、转子之间有0.22mm的空气隙。 图 4 - 1是鼠笼式异步电动机拆开后各个部件的形状。一、 定子定子主要用来产生旋转磁场,它由定子铁心、 定子绕组、 机壳等组成。 图 2- 1鼠笼式电动机的各部件1

3、. 定子铁心定子铁心是磁路的一部分,为了降低铁心损耗,采用0.5mm厚的硅钢片（图 4 - 2）叠压而成，硅钢片间彼此绝缘。铁心内圆周上分布有若干均匀的平行槽，用来嵌放 定子绕组，如图 4 - 3所示。 2. 机壳机壳包括端盖和机座，其作用是支承定子铁心和固定整个电机。中小型电机机座一般采用铸铁铸造,大型电机机座用钢板焊接而成。 端盖多用铸铁铸成，用螺栓固定在机座两端。 图 2- 2定子的硅钢片图 2 - 3装有三相绕组的定子3. 定子绕组定子绕组是电机定子的电路部分，应用绝缘铜线或铝线绕制而成。三相绕组对称地嵌放在定子槽内（见图 2 - 3）。 三相异步电动机定子绕组的三个首端U1、V1、W

4、1和三个末 U2、V2、W2，都从机座上的接线盒中引出，如图2 - 4 所示。 图（a）为定子绕组的星形接法； 图（b）为定子绕组的三角形接法。三相绕组具体应该采用何种接法，应视电力网的线电压和各相绕组的工作电压而定。目前我国生产的三相异 步电动机，功率在4 kW以下者一般采用星形接法；在4kW以上者采用三角形接法。 图 2 - 4三相定子绕组的接法 二、转子转子主要用来产生旋转力矩，拖动生产机械旋转。转子由转轴、转子铁心、转子绕组构成。 1. 转轴转轴用来固定转子铁心和传递功率， 一般用中碳钢制成。 2. 转子铁心转子铁心也属于磁路的一部分， 也用0.5mm的硅钢片叠压而成（图2 - 5）。

5、转子铁心固定在转轴上，其外圆均匀分布的槽是用来放置转子绕组的。 图 2- 5转子的硅钢片 3. 转子绕组三相异步电动机的转子绕组分为鼠笼式和绕线式两种。 1） 鼠笼式转子鼠笼式转子是由安放在转子铁心槽内的裸导体和两端的短路环连接而成的。转子绕组就像一个鼠笼形状（图 2 - 6）故称其为鼠笼式转子。 目前，100kW以下的鼠笼式电动机，一般采用铸铝绕组。 这种转子是将融化了的铝液直接浇注在转子槽内，并连同两端的短路环和风扇浇注在一起，该鼠笼式转子也称为铸铝转子， 如图 2 - 7 所示。 图 2- 6鼠笼绕组 图 2 - 7铸铝转子2） 绕线式转子 绕线式转子绕组与定子绕组相似，也为三相对称绕组

6、， 嵌放在转子槽内。三相转子绕组通常连接成星形，即三个末端连在一起，三个首端分别与转轴上的三个滑环（滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘）相连，通过滑环和电刷接到外部的 变阻器上（如图 2 - 8），以便改善电机的起动和调速性能。 具有绕线式转子的电动机称为绕线式电动机。绕线式电动机起动时，为改善起动性能，使转子绕组与外部变阻器相连； 而在正常运转时，将外部变阻器调到零位或直接使三首端短接。绕线式电动机由于结构复杂、价格较贵，仅适用于要求有较大起动转矩及有调速要求的场合。 而鼠笼式电动机由于结构简单、价格低廉、性能可靠及使用维护方便， 在生产实际中应用很广泛。 图 2 - 8绕线式转子绕组与外接变阻器

7、的连接2.2 三相异步电动机的基本原理 三相异步电动机是根据磁场与载流导体相互作用产生电磁力的原理而制成的。要了解其作用原理，必须首先理解旋转磁场的产生及其性质。 一、旋转磁场1. 旋转磁场的产生图 2 - 9 为最简单的三相异步电动机的定子， 三相定子绕组对称放置在定子槽中，即三相绕组首端U1、V1、W1（或末端U2、V2、W2）的空间位置互差120。若三相绕组连接成星形，末端U2、V2、W2相连，首端U1、V1、W1接到三相对称电源上， 则在定子绕组中通过三相对称的电流iU、iV、iW（习惯规定电流参考方向由首端指向末端）， 其波形如图4 - 10 所示。 图 2- 9三相定子绕组作星形连

8、接图 2 - 10三相电流的波形 当三相电流流入定子绕组时，各相电流的磁场为交变、 脉动的磁场，而三相电流的合成磁场则是一旋转磁场。为了说明问题，在图 2 - 10 中选择几个不同瞬间，来分析旋转磁场的形成。 (1) t=0 瞬间（iU=0；iV为负值； iW为正值）: 此时，U相绕组（U1U2绕组）内没有电流；V相绕组（V1V2绕组）电流为负值，说明电流由V2流进，由V1流出；而W相绕组（W1W2绕组）电流为正， 说明电流由W1流进，由W2流出。运用右手螺旋定则， 可以确定这一瞬间的合成磁场如图 2 - 11(a)所示， 为一对极(两极)磁场。 图 2-11两极旋转磁场 (2) t=T/6瞬

9、间（iU为正值；iV为负值；iW=0）: U相绕组电流为正，电流由U1流进，由U2流出；V相绕组电流未变； W相绕组内没有电流。合成磁场如图 2 - 11（b）所示，同t=0瞬间相比，合成磁场沿顺时针方向旋转了 60。 (3) t=T/3瞬间（iU为正值；iV=0；iW为负值）: 合成磁场沿顺时针方向又旋转了60，如图 2 - 11（c）所示。(4) t=T/2瞬间（iU=0；iV为正值；iW为负值）:与t=0瞬间相比，合成磁场共旋转了 180。 由此可见， 随着定子绕组中三相对称电流的不断变化， 所产生的合成磁场也在空间不断地旋转。由上述两极旋转磁场可以看出，电流变化一周，合成磁场在空间旋转

10、360（一转），且旋转方向与线圈中电流的相序一致。 以上分析的是每相绕组只有一个线圈的情况，产生的旋转磁场具有一对磁极。旋转磁场的极数与定子绕组的排列有关。如果每相定子绕组分别由两个线圈串联而成，如图2 - 12 所示，其中，U相绕组由线圈U1U2和U1U2串联组成，V相绕组由V1V2和V1V2串联组成，W相绕组由W1W2和W1 W2串联组成，当三相对称电流通过这些线圈时， 便能产生两对极旋转磁场（四极）。 图 2- 12四极定子绕组当t=0 时，iU=0；iV为负值；iW为正值。即U相绕组内没有电流；V相绕组电流由V2流进，由V1流出，再由V2流进，由V1流出；W相绕组电流由W1流进，由W2

11、流出， 再由W1流进，由W2流出。此时，三相电流的合成磁场如图 4 - 13(a)所示。图 4 - 13(b)、 (c)、 (d)分别表示当t=T/6、 t=T/3、 t=T/2 时的合成磁场。从图 2 - 13 不难看出， 四极旋转磁场在电流变化一周时， 旋转磁场在空间旋转 180。 图 2 -13四极旋转磁场 2. 旋转磁场的转速由以上分析可以看出，旋转磁场的转速与磁极对数、定子电流的频率之间存在着一定的关系。一对极的旋转磁场， 电流变化一周时， 磁场在空间转过360（一转）；两对极的 旋转磁场，电流变化一周时，磁场在空间转过180（1/2转） ；由此类推，当旋转磁场具有p对磁极时，电流变

12、化一周， 其旋转磁场就在空间转过 1/p转。 常转速是以每分钟的转数来表示的， 所以旋转磁场转速的计算公式为式中: n1旋转磁场的转速，又称同步转速，单位为 r/min ； f1定子电流的频率，单位为Hz ； p旋转磁场的极对数。 国产的异步电动机，定子绕组的电流频率为50Hz，所以不同极对数的异步电动机所对应的旋转磁场的转速也就不同 （如表 4 - 1）。 表 2- 1异步电动机转速和极对数的对应关系p1234n1/r(min)-1 300015001000750旋转磁场的转向与电流的相序一致， 例如图 2 - 11 和图 2 - 13 中电流的相序为U-V-W， 则磁场旋转的方向为顺时针。

13、 必须指出，电动机三相绕组的任一相都可以是U相（或V相、 W相），而电源的相序总是固定的（正）。因此，如果我们将三根电源线中的任意两根（如U和V）对调，也就是说，电源的U相接到V相绕组上，电源的V相接到U相绕组上，在V相绕组中，流过的电流是U相电流iU，而在U相绕组中，流过的是V相电流iV，这时，三相对称的定子绕组中电流的相序为U-W-V（逆时针），所以旋转磁场的转向也变为逆时针了。 二、三相异步电动机的工作原理当电动机的定子绕组通以三相交流电时，便在气隙中产生旋转磁场。设旋转磁场以n1的速度顺时针旋转，则静止的转子绕组同旋转磁场就有了相对运动， 从而在转子导体中产生了感应电动势，其方向可根据

14、右手定则判断（假定磁场不动， 导体以相反的方向切割磁力线）。如图 2 - 14所示，可以确定出上半部导体的感应电动势垂直纸面向外，下半部导体的感应电动势垂直于纸面向里。由于转子电路为闭合电路， 在感应电动势的作用下， 产生了感应电流。 图 2 - 14异步电动机的工作原理由于载流导体在磁场中要受到力的作用， 因此， 可以用左手定则确定转子导体所受电磁力的方向如图 4 - 14 所示。 这些电磁力对转轴形成一电磁转矩， 其作用方向同旋转磁场的旋转方向一致。这样，转子便以一定的速度沿旋转磁场的旋转方向转动起来。 从上面的分析可以知道，异步电动机电磁转矩的产生必须具备下列条件： 气隙中有旋转磁场；

15、转子导体中有感应电流。不难知道，在三相对称的定子绕组中通以三相对称的电流就能产生旋转磁场，而闭合的转子绕组在感应电动势的作用下能够形成感应电流，从而产生相应的电磁力矩。 如果旋转磁场反转， 则转子的旋转方向也随之 改变。 电动机不带机械负载的状态称为空载。这时负载转矩是由轴与轴承之间的摩擦力及风阻力等造成的，称为空载转矩 ， 其值很小。这时电动机的电磁转矩也很小，但其转速n0（称空载转速）很高，接近于同步转速。 异步电动机的工作原理与变压器有许多相似之处，如二者都是依靠工作磁通为媒介来传递能量；异步电动机每相定 子绕组的感应电动势E1也近似与外加电源电压U1平衡,即U1E1=4.44f1N1k1 (2 - 3) 式(2 - 3)中， k1为定子绕组系数，与电动机的结构有关； 为旋转磁场的每极平均磁通。 同样，异步电动机定子电路与转子电路的电流也满足磁 通势平衡关系，即i1N1+i2N2=i0N1 (2 - 4) 由式(4 - 4)可知：当异步电动机的负载增大时，转子电流增大，在外加电压不变时，定子绕组电流也增大，从而抵消 转子磁通势对旋转磁通的影响。 可见， 同变压器类似，定子 绕组电流是由转子电流来决定的。 当然，异步电动机与变压器也有许多不同之处。如变压器是静止的，而异步电动机是旋转