三相异步电动机及其控制电路1精.docx

1、三相异步电动机及其控制电路1精第5章三相异步电动机及其控制线路5.1 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表示转速与转矩之间关系的机械特性;(4起动、调速及制动的

2、基本原理和基本方法;(5应用场合和如何正确使用。5.1.1 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.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AX、BY、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.转子三相异步电动机的转子

3、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隙,中小型电动机的空气隙约在0.21.0mm之间。2.三相异步电动机的转动原理1.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(1.演示实验:在装有手

4、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.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

5、 、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。00sin sin(120sin(120U m V m Wm i I t i I t i I t =-=+图 5-3 三相异步电动机定子接线当t=00时,0A i =,AX 绕组中无电流;B i 为负,BY 绕组中的电流从Y 流入B 1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,0B 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

6、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,0C 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 i Ai B i CX BYC Z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

7、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。3.三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

8、间角的关系为:120p =tii A i B i CO120 240 360(a t = 0 (b t = 120 (c t = 240AA A XXX B B BYYYCCCZZZ(2.转速n三相异步电动机旋转磁场的转速n 0与电动机磁极对数p 有关,它们的关系是:1060f n p=(5-1由(5-1可知,旋转磁场的转速n 0决定于电流频率f 1和磁场的极数p 。对某一异步电动机而言,f 1和p 通常是一定的,所以磁场转速n 0是个常数。在我国,工频f 1=50Hz ,因此对应于不同极对数p 的旋转磁场转速n 0,见表5-1表5-1p 1 2 3 4 5 6 n 0300015001000

9、750600500(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n 0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n 0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n 0相差的程度的物理量。即:00n n n s n n -=(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n 0开始旋转时

10、,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,(n 0-n 差值减小,电动机的转差率S T N ,一般的三相异步电动机有T st /T N =12.2。3.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 T n S I T 直至新的平衡。此过程中,2I 时,1 I 电源提供的功率自动增加。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。22cos T T K I =转矩T 还与定子每相电压U 1的平方成比例,所以当电源

11、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R 2的影响。2、在一定的电源电压U 1和转子电阻R 2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5-53、三个转矩:1.额定转矩T N额定转矩T N 是异步电动机带额定负载时,转轴上的输出转矩。29550N P T n =2.最大转矩T mT m 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T st ,T st 为电动机起动初始瞬间的转矩,即n=0,s =1时的转矩。4、电动机的负载能力自适应分析电动机在工作

12、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。5.2.三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

13、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控制电器作简单介绍。5.2.1. 常用低压电器介绍1.手动电器1.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断电

14、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:35倍异步电机额定电流 2.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QS2.自动电器1 .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

15、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 F L I I ; 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 (1.62;3.几台电动机合用的总熔体:熔体额定电流 =(1.52.5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 .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。

16、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,常接在电动机的控制电路中;主触头能通过较大电流,常接在电动机的主电路中。如CJl0-20型交流接触器有三个常开主触头和四个辅助触头 (两个常开,两个常闭 。 当主触头断开时,其间产生电弧,会烧坏触头,并使电路分断时间拉长,因此,必 须采取灭弧措施。通常交流接触器的触头都做成桥式结构,它有两个断点,以降低触头 断开时加

17、在断点上的电压,使电弧容易熄灭,同时各相间装有绝缘隔板,可防止短路。 在电流较大的接触器中还专门设有灭弧装置。接触器的电路符号见图 5-10,接触器线圈 主触头-用于主电路辅助触头-用于控制电路图 5-10 接触器电路符号在选用接触器时,应注意它的额定电流、线圈电压及触头数量等。 CJl0系列接触器 的主触头额定电流有 5、 10、 20、 40、 75、 120A 等数种。3 .中间继电器中间继电器的结构与接触器基本相同,只是体积较小,触点较多,通常用来传递信 号和同时控制多个电路,也可以用来控制小容量的电动机或其他执行元件。常用的中间继电器有 JZ7系列,触点的额定电流为 5A ,选用时应

18、考虑线圈的电压。 4 .热继电器热继电器是用来保护电动机,使之免受长期过载危害的继电器。热继电器是利用电流的热效应而动作的,它的工作原理如图 5-11所示。图中热元 件是一段电阻不大的电阻丝,接在电动机的主电路中的双金属片,由两种具有不同线膨 胀系数的金属采用热和压力辗压而成, 亦可采用冷结合, 其中, 下层金属的膨胀系数大, 上层的小。当主电路中电流超过容许值,双金属片受热向上弯曲致使脱扣,扣板在弹簧 的拉力下将常闭触头断开。触头是接在电动机的控制电路中的,控制电路断开使接触器 的线圈断电,从而断开电动机的主电路。由于热惯性,热继电器不能作短路保护,因为发生短路事故时,我们要求电路立即 断开

19、,而热继电器是不能立即动作的。但是这个热惯性又是合乎我们要求的,比如在电动机起动或短时过载时,由于热惯性热继电器不会动作,这可避免电动机的不必要的停 车。如果要热继电器复位,则按下复位按钮即可。 图 5-11 热继电器工作原理图常用的热继电器有 JR0、 JRl0及 JRl6等系列。 热继电器的主要技术数据是整定电流。 所谓整定电流, 就是热元件通过的电流超过此值的 20%时, 热继电器应当在 20min 内动 作。 JR0一 40型的整定电流从 0.6A 一 40A 有 9种规格。选用热继电器时,应使其整定 电流与电动机的额定电流基本上一致。5 .行程开关行程开关结构与按钮类似,但其动作要由

20、机械撞击。用作电路的限位保护、行程控 制、自动切换等。 图 5-12 行程开关结构示意图和电路符号5.2.2三相异步电动机技术数据及选择1.三相异步电动机技术数据每台电动机的机座上都装有一块铭牌。铭牌上标注有该电动机的主要性能和技术数据。电路符号ST电路符号ST 1 .型号为不同用途和不同工作环境的需要,电机制造厂把电动机制成各种系列,每个系列 的不同电动机用不同的型号表示。如三相异步电动机 机座中心高 mm 机座长度代号S :短铁心M :中铁心L :长铁心磁极数2 .接法接法指电动机三相定子绕组的联接方式。一般鼠笼式电动机的接线盒中有六根引出线,标有 U 1、 V 1、 W 1、 U 2、

21、V 2、 W 2,其 中:U 1、 V 1、 W 1是每一相绕组的始端U 2、 V 2、 W 2是每一相绕组的末端三相异步电动机的联接方法有两种:星形(Y 联接和三角形(联接。通常三相 异步电动机功率在 4kW 以下者接成星形;在 4kW (不含以上者,接成三角形。 3 .电压铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规 定电动机的电压不应高于或低于额定值的 5%。必须注意:在低于额定电压下运行时,最大转矩 T max 和启动转矩 T st 会显著地降低, 这对电动机的运行是不利的。三相异步电动机的额定电压有 380V 、 3000V 及 6000V 等多种。4 .

22、电流铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的最大线电流允许值。当电动机空载时,转子转速接近于旋转磁场的转速,两者之间相对转速很小,所以 转子电流近似为零,这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大 时,转子电流和定子电流都随着相应增大。5 .功率与效率铭牌上所标的功率值是指电动机在规定的环境温度下,在额定运行时电极轴上输出 的机械功率值。输出功率与输入功率不等,其差值等于电动机本身的损耗功率,包括铜 损、铁损及机械损耗等。所谓效率 就是输出功率与输入功率的比值。一般鼠笼式电动机在额定运行时的效 率约为 72% 93%。6 .功率因数因为电动机是电感性负载,定子相电流比

23、相电压滞后一个 角, cos 就是电动机的 功率因数。 三相异步电动机的功率因数较低,在额定负载时约为 0.70.9,而在轻载和 空载时更低,空载时只有 0.20.3。选择电动机时应注意其容量,防止“大马拉小车” ,并力求缩短空载时间。7 .转速电动机额定运行时的转子转速,单位为转 /分。不同的磁极数对应有不同的转速等级。最常用的是四个级的(n 0=1500r/min 。 8 .绝缘等级绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。 所谓极限温度是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度。绝缘等级 环境温度 40时的容许温升 极限允许温度A 65 105E 80 120B 90 1302.三相异步电动机的选择正确选择电动机的功率、种类、型式是极为重要的。1 .功率的选择电动机的功率根据负载的情况选择合适的功率,选大了虽然能保证正常运行,但是 不经济,电动机的效率和功率因数都不高;选小了就不能保证电动机和生产机械的正常 运行,不能充分发挥生产机械的效能,并使电动机由于过载而过早地损坏。(1连续运行电动机功率的选择对连续运行的电动机,先算出生产机械的功率,所选电动机的额定功率等于或稍大 于生产机械的功率即可。(2短时运行电动机功率的选择如果没有合适的专为短时运行设计的电动机,可选用连续运行的电动机。由于发热 惯性,在短时运行时可以容许过载。工作