電動機運行特性

1、電氣控制與電氣控制與PLCPLC應用應用1.1.電動機的運行特性電動機的運行特性第第1 1章章 三相交流異步電動機的運行特性三相交流異步電動機的運行特性 三相交流異步電動機是目前生產(chǎn)、生活中應用最廣泛的一種電機。據(jù)統(tǒng)計，在供電系統(tǒng)的動力負載中，約有85%的負載是由異步電動機驅(qū)動。 與其他電動機相比較, 三相交流異步電動機具有結(jié)構簡單、制造方便、堅固耐用、運行可靠、價格低廉、檢修維護方便等一系列優(yōu)點；還具有較高的運行效率和令人滿意的工作特性，能滿足各行各業(yè)大多數(shù)生產(chǎn)機械的傳動要求。 以交流電動機為原動機的電力拖動系統(tǒng)為交流電力拖動系統(tǒng)。三相交流異步電動機由于結(jié)構簡單，價格便宜，且性能良好，運行可

2、靠，故廣泛應用在各種拖動系統(tǒng)中。1.1 1.1 三相交流異步電動機的基本特性三相交流異步電動機的基本特性1.1.1 三相交流異步電動機的運行原理三相交流異步電動機的運行原理 如同所有的旋轉(zhuǎn)電機，三相交流異步電動機在結(jié)構上分成固定不動的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部件，兩者之間還存在氣隙。三相交流異步電動機的定子上嵌有三相對稱繞組，而轉(zhuǎn)子繞組則是一個自成回路的三相或多相繞組。 當繞組與三相對稱電源接通后，三相對稱電流所形成的合成磁場將是一個單方向的旋轉(zhuǎn)磁場。 由于轉(zhuǎn)子導條與定子旋轉(zhuǎn)磁場之間存在相對切割速度時，轉(zhuǎn)子導體就會切割磁力線而感應電動勢。因為轉(zhuǎn)子繞組自成封閉回路，所以轉(zhuǎn)子導條中會有電流出現(xiàn)，該載流

3、導體在定子磁場中將受到電磁力的作用,形成與定子磁場旋轉(zhuǎn)方向相同的電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而將輸入的電功率轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能輸出，這就是異步電動機的基本工作原理。 三相交流異步電動機的運行原理三相交流異步電動機的運行原理1.1.2 1.1.2 三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù) 銘牌注明電動機型號及主要技術數(shù)據(jù)（額定值），這些數(shù)據(jù)是正確選擇、安裝、使用和維修三相交流異步電動機的重要依據(jù)。 1.1.三相交流異步電動機的額定值三相交流異步電動機的額定值 （1）額定功率 在滿載運行時三相交流異步電動機軸上所輸出的機械功率，以千瓦（KW）或瓦（W）為單位。 （2）額定電壓 電動機額定運

4、行時定子繞組上所加的線電壓。單位 V或KV。 （3）額定電流 三相交流異步電動機在額定電源電壓下，輸出額定功率時，流入定子繞組的線電流，以安（A）為單位。 （4）額定轉(zhuǎn)速 三相交流異步電動機額定運行狀態(tài)時電動機每分鐘的轉(zhuǎn)速，單位為r/min或轉(zhuǎn)/分。 （5）額定功率因數(shù) 電動機在額定狀態(tài)運行時，定子側(cè)的功率因數(shù)。 （6）額定頻率 三相交流異步電動機額定運行時所接的交流電源每秒種內(nèi)周期變化的次數(shù)。我國規(guī)定標準電源頻率為50Hz。三相異步電動機的銘牌三相異步電動機的銘牌2.2.電動機的型號和絕緣等級電動機的型號和絕緣等級 異步電動機的型號是由漢語拼音的大寫字母與阿拉伯數(shù)字組成，其中漢語拼音字母是根

5、據(jù)電機全名稱選擇有代表意義的漢字，用該漢字的第一字母組成。 三相交流異步電動機的絕緣等級三相交流異步電動機的絕緣等級 三相交流異步電動機的絕緣等級是指三相交流異步電動機所采用的絕緣材料的耐熱能力，它表明三相交流異步電動機允許的最高工作溫度。 三相交流異步電動機的絕緣等級和最高允許溫度見表1-1。4. 4. 三相交流異步電動機的工作方式三相交流異步電動機的工作方式 三相交流異步電動機的工作方式也叫定額，是指三相交流異步電動機承受負載情況的說明，即允許連續(xù)使用的時間，分為連續(xù)、短時、周期斷續(xù)工作方式三種。 連續(xù)工作方式是指電動機帶額定負載運行時，運行時間很長，電動機的溫升可以達到的穩(wěn)態(tài)溫升的工作方

6、式。電動機本身的溫度與標準環(huán)境溫度（40）的差值稱為溫升 短時工作方式是指電動機帶額定負載運行時，運行時間很短，使電動機的溫升達不到穩(wěn)態(tài)溫升；停機時間很長，使電動機的溫升可以降到零的工作方式。 周期斷續(xù)工作方式是指電動機帶額定負載運行時，運行時間很短，使電動機的溫升達不到穩(wěn)態(tài)溫升；停止時間也很短，使電動機的溫升降不到零，工作周期小于10分鐘的工作方式。5. 5. 三相交流異步電動機的接法三相交流異步電動機的接法 三相交流異步電動機定子繞組的連接方法有星形（Y）和三角形（）兩種。 定子繞組的連接只能按規(guī)定方法連接，不能任意改變接法，否則會損壞三相電動機。6. 6. 三相交流異步電動機的防護等級三

7、相交流異步電動機的防護等級 三相交流異步電動機的防護等級表示三相交流異步電動機外殼防止異物和水進入電機內(nèi)部的等級。 其中，IP是防護等級標志符號，其后面的兩位數(shù)字分別表示電機防固體和防水能力。數(shù)字越大，防護能力越強，如IP44中第一位數(shù)字“4”表示電機能防止直徑或厚度大于1毫米的固體進入電機內(nèi)殼。第二位數(shù)字“4”表示能承受任何方向的濺水。1.1.3 1.1.3 三相交流異步電動機的主要系列三相交流異步電動機的主要系列 1 1Y Y系列系列 Y系列是一般用途的小型籠型電動機系列，Y系列取代了原先的JO2系列，原來的老系列JO系列和J02系列已被淘汰。Y系列的額定電壓為380V，額定頻率為50Hz

8、，功率范圍為（0.5590）KW，同步轉(zhuǎn)速為（7503000）r/min，外殼防護型式為IP44和IP23兩種，B級絕緣。Y系列的技術條件已符合國際電工委員會（IEC）的有關標準。 2 2JDO2JDO2系列系列 該系列是小型三相多速異步電動機系列。它主要用于各式機床以及起重傳動設備等需要多種速度的傳動裝置。 3 3JRJR系列系列 該系列是中型防護式三相繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機系列，容量為（45410）KW。 4 4YRYR系列系列是一種大型三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機系列，容量為（2502500）KW，主要用于冶金工業(yè)和礦山中。1.2 1.2 三相交流異步電動機的運行原理三相交流異步電動機的運行原理

9、 1.2.1 1.2.1 三相交流異步電動機的空載運行三相交流異步電動機的空載運行三相交流異步電動機的三相定子繞組與三相對稱電源接通，軸上不帶任何機械負載，轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)時的運行狀態(tài)，稱為空載運行。 三相交流異步電動機空載運行時，軸上沒有任何機械負載，電機所受阻轉(zhuǎn)矩很小，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n接近同步轉(zhuǎn)速n1，即，轉(zhuǎn)子與氣隙磁場的相對運動轉(zhuǎn)速n就接近零，即。這時三相交流異步電動機內(nèi)只有定子繞組上的電流形成氣隙磁場，該電流稱為空載勵磁電流。 顯然，對于結(jié)構固定的三相交流異步電動機，當電源頻率一定時，主磁通。若外加電壓U1一定，主磁通大體上也為一定值。由于三相交流異步電動機有氣隙，空載電流則較大，一般為額定電流的

10、30%50%，在小型三相交流異步電動機中，甚至可以達到額定電流的60%。1.2.2 1.2.2 三相交流異步電動機的負載運行三相交流異步電動機的負載運行 負載運行時，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nn1，則轉(zhuǎn)子三相對稱繞組將切割氣隙旋轉(zhuǎn)磁場而感應三相對稱電動勢，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生三相對稱電流，進而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生單方向的旋轉(zhuǎn)磁動勢。 若定子磁場為順時針方向，由于nn1，轉(zhuǎn)子三相電動勢的相序則取決于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場依次切割轉(zhuǎn)子繞組的順序，即取決于轉(zhuǎn)子與氣隙磁場的相對運動轉(zhuǎn)速的方向。即在異步電動機中轉(zhuǎn)子磁動勢的旋轉(zhuǎn)方向與定子磁動勢的旋轉(zhuǎn)方向始終相同。1.2.3 1.2.3 三相交流異步電動機的工作特性三相交流異步電動機的工作特性

11、 1. 1.三相交流異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式三相交流異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式 （1 1）電磁轉(zhuǎn)矩）電磁轉(zhuǎn)矩T T的物理表達式的物理表達式 （2 2）電磁轉(zhuǎn)矩）電磁轉(zhuǎn)矩T T的參數(shù)表達式的參數(shù)表達式（3 3）電磁轉(zhuǎn)矩的實用表達式）電磁轉(zhuǎn)矩的實用表達式22cosICTmT)()(232212211221xxsrrfsrpUTmmssssTT2max2.2.三相交流異步電動機的機械特性三相交流異步電動機的機械特性 機械特性是指在一定條件下，電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關系。機械特性機械特性 降低電源電壓的人為機械特性曲線 轉(zhuǎn)子回路串電阻的人為機械特性 3.3.三相交流異步電動機的工作特性曲線三相交流

12、異步電動機的工作特性曲線 三相交流異步電動機的工作特性是指定子的電壓及頻率為額定值時，電動機的轉(zhuǎn)速、定子電流、功率因數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩、效率等與輸出功率的關系曲線。1.3 1.3 三相交流異步電動機的起動三相交流異步電動機的起動 異步電動機從接通電源，到進入穩(wěn)定運行的過程，稱為起動。 異步電動機起動過程的特點： （1）起動電流大 （2）起動時間短 （3）起動轉(zhuǎn)矩不高 為了使異步電動機能帶動負載很快達到穩(wěn)定運行，同時又不影響接在同一電網(wǎng)上的其它設備，對起動的基本要求是起動轉(zhuǎn)矩足夠大，起動電流又不要太大。 由上面的分析可以看出，要限制起動電流，可以采取降壓或增大電機參數(shù)的方法。為增大起動轉(zhuǎn)矩，可適當加大

13、轉(zhuǎn)子的電阻。所以大容量的異步電動機一般采用加裝起動裝置起動。1.3.1 1.3.1 直接起動直接起動 給電動機定子繞組加上額定電壓使之起動的方法稱為直接起動，或稱全壓起動。 直接起動是最簡單的起動方法。起動時用刀開關、電磁起動器或接觸器將電動機定子繞組直接接到電源上，其接線圖如圖1-6所示。直接起動時，起動電流很大，一般選取熔體的額定電流為電機額定電流的2.53.5倍。 對于一般小型籠型異步電動機如果電源容量足夠大時，應盡量采用直接起動方法。對于某一電網(wǎng)，多大容量的電動機才允許直接起動，可按下列經(jīng)驗公式來確定 電動機的起動電流倍數(shù)ki需符合式(1-2)中電網(wǎng)允許的起動電流倍數(shù)，才允許直接起動，

14、否則應采取降壓起動。一般10kW以下的電動機都可以直接起動。隨電網(wǎng)容量的加大，允許直接起動的電動機容量也變大。電動機額定功率電源總?cè)萘?41NstiIIk1.3.2 1.3.2 籠型異步電動機的降壓起動籠型異步電動機的降壓起動 降壓起動是指電動機在起動時降低加在定子繞組上的電壓，起動結(jié)束時加額定電壓運行的起動方式。 降壓起動雖然能降低電動機起動電流，但由于電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，因此降壓起動時電動機的轉(zhuǎn)矩減小較多，故此法一般適用于電動機空載或輕載起動。 降壓起動的方法有以下幾種： 1.1.定子串接電抗器或電定子串接電抗器或電阻的降壓起動阻的降壓起動 2.Y-2.Y-降壓起動降壓起動 3

15、.3.自耦變壓器（起動補自耦變壓器（起動補償器）起動償器）起動 4.4.延邊三角形起動延邊三角形起動1.3.31.3.3三相繞線式異步電動機的起動三相繞線式異步電動機的起動 適當增加轉(zhuǎn)子電路的電阻不僅可以降低起動電流，還可以提高起動轉(zhuǎn)矩。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機正是利用這一特性，起動時在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻器或頻敏變阻器來改善起動性能。 1.1.轉(zhuǎn)子串接轉(zhuǎn)子串接電阻器起動電阻器起動 2.2.轉(zhuǎn)子串頻轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動敏變阻器起動 1.4 1.4 三相交流異步電動機的調(diào)速三相交流異步電動機的調(diào)速 人為地在同一負載下使電動機轉(zhuǎn)速從某一數(shù)值改變?yōu)榱硪粩?shù)值，以滿足生產(chǎn)過程的需要，這一過程稱為調(diào)速。 近年來，

16、隨著電力電子技術的發(fā)展，異步電動機的調(diào)速性能大有改善，交流調(diào)速應用日益廣泛，在許多領域有取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢。 從異步電動機的轉(zhuǎn)速關系式可以看出，異步電動機調(diào)速可分以下三大類： (1)改變定子繞組的磁極對數(shù)p變極調(diào)速。(2)改變供電電網(wǎng)的頻率fl變頻調(diào)速。 (3)改變電動機的轉(zhuǎn)差率s轉(zhuǎn)差調(diào)速。方法有改變電壓調(diào)速、繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級調(diào)速。 1.4.11.4.1變極調(diào)速變極調(diào)速 在電源頻率不變的條件下，改變電動機的極對數(shù)，電動機的同步轉(zhuǎn)速n1就會發(fā)生變化，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。若極對數(shù)減少一半，同步轉(zhuǎn)速就提高一倍，電動機轉(zhuǎn)速也幾乎升高一倍。 通常用改變定子繞組的接法來改變極對數(shù)，這種

17、電機稱多速電動機。其轉(zhuǎn)子均采用籠型轉(zhuǎn)子，因其感應的極對數(shù)能自動與定子相適應。 變極調(diào)速主要用于各種機床及其他設備上。它所需設備簡單、體積小、重量輕，接線簡單，調(diào)速級數(shù)少。1.4.2 1.4.2 變頻調(diào)速變頻調(diào)速 隨著晶閘管整流和變頻技術的迅速發(fā)展，異步電動機的變頻調(diào)速應用日益廣泛。變頻調(diào)速是目前公認的交流電動機最理想、最有前途的調(diào)速方案，它主要用于拖動泵類負載，如通風機、水泵等。而且，變頻調(diào)速有逐步取代直流調(diào)速的趨勢。 變頻調(diào)速根據(jù)電動機輸出性能的不同可分為： 保持電動機過載能力不變。 保持電動機恒轉(zhuǎn)矩輸出。 保持電動機恒功率輸出。變頻器變頻器 應用變頻調(diào)速可以大大提高電動機轉(zhuǎn)速的控制精度，使

18、電動機在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行。 以風機水泵為例，其軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當所需風量減少，風機轉(zhuǎn)速降低時，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降?？梢?，精確調(diào)速的節(jié)電效果非常可觀。與此類似，許多電動機接變動負載時一般按最大需求來生產(chǎn)電動機的容量，故設計裕量偏大，而在實際運行中，輕載運行的時間所占比例卻非常高。如采用變頻調(diào)速，可大大提高輕載運行時的工作效率。 變頻器是一種將固定頻率的交流電變換成頻率、電壓連續(xù)可調(diào)的交流電供給負載的電源裝置，變頻器的基本結(jié)構主要由主電路和控制電路組成，如圖1-16所示。變頻器主要用于交流電動機(異步電動機或同步電動機)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。變頻器還有顯著的節(jié)能作用，是企業(yè)技術改造和產(chǎn)品

19、更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。自20世紀80年代被引進中國以來，變頻器作為節(jié)能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應用。 1.4.3 1.4.3 改變定子電壓調(diào)速改變定子電壓調(diào)速 此法用于籠型異步電動機，靠改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。 對于轉(zhuǎn)子電阻大、機械特性曲線較軟的籠型異步電動機而言，如加在定子繞組上的電壓發(fā)生改變，則負載TL對應于不同的電源電壓U1、U2、U3，可獲得不同的工作點aI、a2、a3，如圖1-17所示，顯然電動機的調(diào)速范圍很寬。缺點是低壓時機械特性太軟，轉(zhuǎn)速變化大，可采用帶速度負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)來解決該問題。 改變電源電壓調(diào)速時，過去都采用定子繞組串電抗器來實

20、現(xiàn)，目前已廣泛采用晶閘管交流調(diào)壓線路來實現(xiàn)。1.4.4 1.4.4 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 此法只適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，靠改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的機械特性如圖1-18所示。轉(zhuǎn)子串電阻時最大轉(zhuǎn)矩不變，臨界轉(zhuǎn)差率加大。所串電阻越大，運行段特性斜率越大。若帶恒轉(zhuǎn)矩負載，原來運行在固有特性上的a點，轉(zhuǎn)子串電阻R1后，就運行于b點，轉(zhuǎn)速由na變?yōu)閚b，依此類推。 若轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差率s越大，轉(zhuǎn)子損耗越大，低速時效率不高。 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的優(yōu)點是方法簡單，主要用于中、小容量的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，如橋式起動機等。1.4.5 1.4.5 串級調(diào)速串級調(diào)速 所謂串級調(diào)速，就是在三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)子回路串入一個三相對稱的附加電勢Ef，其頻率與轉(zhuǎn)子