電機及電氣控制技術(shù)教案：第13講

****學(xué)院單元教學(xué)設(shè)計****學(xué)年第**學(xué)期課程名稱：電機與電氣控制技術(shù)授課班級：****任課教師：所在系部及教研室：研室

第13講標(biāo)題：三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)與異步電動勢（1學(xué)時）、三相異步電動機的運行分析（1學(xué)時）授課班級上課時間上課地點多媒體教室教學(xué)目的掌握三相異步電動機的磁場的產(chǎn)生及特點以及三相異步電動機空載運行和負(fù)載運行中的電磁關(guān)系。教學(xué)目標(biāo)能力（技能）目標(biāo)知識目標(biāo)能夠根據(jù)電機的銘牌數(shù)據(jù)，理解電機的運行特性及技術(shù)要求；根據(jù)電機的銘牌，選擇適合應(yīng)用要求的電機產(chǎn)品；理解空載運行和負(fù)載運行主磁路的路徑特點；應(yīng)用磁通勢平衡方程式分析電動機的運行特性。了解電機名牌的特點及作用；掌握三相異步電動機的額定數(shù)據(jù)；理解異步電動機的感應(yīng)電動勢的特點；了解三相異步電動機空載運行和負(fù)載運行中的電磁關(guān)系；理解轉(zhuǎn)子回路中各物理量之間的變化關(guān)系；理解轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢與定子旋轉(zhuǎn)磁場空間上相對靜止的概念。重點難點及解決方法重點：三相異步電動機空載運行和負(fù)載運行中的電磁關(guān)系及銘牌數(shù)據(jù)難點：三相異步電動機空載運行和負(fù)載運行中的電磁關(guān)系解決方法：參考資料【步驟一】說明主要教學(xué)內(nèi)容、目的（時間：5分鐘）三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)與異步電動勢、三相異步電動機的運行分析【步驟二】新知識的講解1（時間：38分鐘）一、三相異步電動機的名牌數(shù)據(jù)仔細(xì)觀察電動機的外形，每一臺電動機的機座上都裝有一塊薄鋁板的銘牌，如圖3-1所示，銘牌上較詳細(xì)地介紹了電動機的特性和一般技術(shù)要求，給使用﹑檢查和修理電動機創(chuàng)造了良好的條件。銘牌上標(biāo)明的參數(shù)主要有：型號﹑額定功率﹑額定電壓﹑額定電流﹑額定頻率﹑額定轉(zhuǎn)速﹑接法﹑工作方式﹑絕緣等級等。若電動機沒有銘牌或銘牌上的內(nèi)容不清，則不要輕易使用該電動機，以免發(fā)生事故。在使用、檢查和維修前，都要首先弄清銘牌上的各種數(shù)據(jù)和符號。1.型號掌握電動機型號對于電動機的使用和維修是非常重要的。如機座號碼是代表大小的，如果要配一臺電動機的機座，不一定要到原制造廠去配，只要知道機座號碼，其他制造廠產(chǎn)品也可配置。電動機產(chǎn)品型號是為統(tǒng)一國家產(chǎn)品的種類，便于使用、制造及設(shè)計部門進(jìn)行業(yè)務(wù)上的聯(lián)系和簡化技術(shù)文件中產(chǎn)品名稱、規(guī)格、形式等敘述而制定的一種代號。它由四部分組成，即產(chǎn)品代號、規(guī)格代號、特殊環(huán)境代號和補充代號，排列順序如下：⑴產(chǎn)品代號電動機產(chǎn)品代號由電動機類型代號、電動機特點代號、設(shè)計序號和勵磁方式代號4個小節(jié)順序組成。類型代號。表示電動機的各種類型，采用漢語拼音字母表示，見表3-1規(guī)定。表中Y、Y-L系列是新產(chǎn)品。Y系列定子繞組是銅線，Y-L系列定子繞組為鋁線。這兩種系列因體積小、效率高、過載能力強，已取代了J、J0系列電動機。特點代號。表示電動機的性能、結(jié)構(gòu)或用途，采用漢語拼音字母表示。設(shè)計序號。表示電動機的產(chǎn)品的設(shè)計順序，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，對于第一次設(shè)計的產(chǎn)品不標(biāo)注序號。勵磁方式代號。用字母表示三次諧波勵磁，J表示晶閘管勵磁，X表示相變勵磁。（2）電動機的規(guī)格代號電動機的規(guī)格代號用中心高、鐵心外徑、機座號、機座長度、鐵心長度、轉(zhuǎn)速或極數(shù)表示，主要系列產(chǎn)品見表1-2的規(guī)定選取。說明：機座長度用國際通用字母符號表示：S表示短機座，M表示中機座，L表示長機座。鐵心長度按短至長的順序用數(shù)字1、2、3·····表示。（3）特殊環(huán)境代號電動機特殊環(huán)境代號，見表3-3。（4）電動機的補充代號此項僅適用于有此要求的電動機，它用漢語拼音字母或阿拉伯?dāng)?shù)字表示。需要用補充代號代表其內(nèi)容，應(yīng)在產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)中作出規(guī)定。例1，Y112S—6，鼠籠式異步電動機，中心高112mm，短機座，6極。例2，Y500—2—4，鼠籠式異步電動機，中心高500mm，2號鐵心長，4極。2.標(biāo)準(zhǔn)編號標(biāo)準(zhǔn)編號是指電動機產(chǎn)品按這個標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，技術(shù)數(shù)據(jù)能達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)要求。一般有廠標(biāo)，如GB755-87。3.產(chǎn)品編號產(chǎn)品編號是對每臺電動機產(chǎn)品給予一個號碼，以便彼此相區(qū)別，否則所有實驗結(jié)果和使用情況無法分別記錄。4.額定功率額定功率是指電動機在銘牌規(guī)定的條件下正常工作時，轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率，單位千瓦，記為kW。如一臺10kW的電動機，就表示這臺電動機轉(zhuǎn)軸能長期帶動功率為10kW的工作機械。如果一臺10kW的電動機拖動11kW的負(fù)載，雖可拖動，但負(fù)載過大，電動機易過熱，其它性能可能變差，所以電動機長期要在額定功率下運行，一般可以短時過載運行。5.額定電壓額定電壓是指電動機在額定工作狀況下運行時，定子繞組應(yīng)加的線電壓值。電壓單位為伏特，記為V。如果銘牌上標(biāo)有兩個電壓數(shù)據(jù)，如220V/380V，表示該電動機定子繞組在兩種不同接法（△接、Y接法）時的線電壓。6.額定電流額定電流是指電動機在額定工作狀況下運行時，定子繞組端輸入的電流，單位為安培，記為A。7.接法接法是指電動機定子繞組的六個引出線頭的接線方法，即接成Y（星）形，還是△（角）形。接線時必須注意，電動機的電壓、電流和接法三者之間的關(guān)系。如銘牌中標(biāo)有額定電壓220V/380V，額定電流14.7A/8.49A，接法△/Y，說明電源線電壓不同時，對應(yīng)著不同的接法。當(dāng)電源電壓為220V時，電動機應(yīng)接成△形；當(dāng)電源電壓為380V，應(yīng)接成Y形。8.額定頻率額定頻率是指輸入交流電流電的頻率，我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電源頻率為50Hz。9.額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速是指電動機在額定功率時，轉(zhuǎn)子每分鐘的轉(zhuǎn)速。如1450r／min，表示額定轉(zhuǎn)速為1450r／min。電動機空載時，轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，滿載時轉(zhuǎn)速略低。10.絕緣等級絕緣等級表示電動機在額定工作狀況下運行時，繞組允許溫度的升高值（即繞組溫度比周圍空氣溫度高出的數(shù)值）。允許溫升的高低，取決于電動機使用的絕緣材料。不同絕緣等級的材料此處有修改對應(yīng)的耐熱等級已修改見表3-4。也有的電動機制造廠在銘牌上直接給出電動機的允許溫升，如一臺電動機其繞組允許溫升為60oC,實際使用時，測得電動機繞組溫度是70oC，而當(dāng)時室溫為20oC，測繞組的實際溫升為50oC。因此，實際溫升沒有超過所允許的溫升60oC，可以繼續(xù)運行。若超過允許溫升，繞組容易受熱而損壞。此處有修改已修改11.額定功率因數(shù)額定功率因數(shù)是指額定條件正常運行時，定子繞組的相電壓和相電流之間的相位差余弦值。12.額定效率額定效率是指電動機在額定工作狀況運行時的效率。13.工作制或定額工作制或定額用于說明電動機允許連續(xù)使用的時間。上面提到過10KW電動機拖動11kW的負(fù)載，定子繞組要過熱，但不是馬上過熱，而是需經(jīng)過一定時間才過熱的。因此，在規(guī)定電動機的額定功率的同時，還需規(guī)定連續(xù)工作的時間。工作制分為S1~S9，下面介紹較為常見的三種：（1）連續(xù)工作制（S1）指這種電動機可長時間帶額定負(fù)載，溫升不會超過規(guī)定的值。（2）短時工作制（S2）指這種電動機不能連續(xù)使用，只能按規(guī)定的時間帶額定負(fù)載工作，短時運行持續(xù)時間有10min、30min、60min和90min。（3）斷續(xù)周期工作制（S3）指電機在銘牌規(guī)定的額定條件下只能斷續(xù)運行。每一周期由一段恒定負(fù)載運轉(zhuǎn)時間和一段停轉(zhuǎn)時間所組成。一般規(guī)定一周期為10分鐘。負(fù)載持續(xù)率規(guī)定有15%、25%、40%及60%4種。14.制造年月制造年月表示電動機產(chǎn)品的出廠日期。15.重量重量是指這臺電動機的總重量，單位為kg(千克)。制造廠家標(biāo)明廠名，便于用戶與制造廠聯(lián)系這臺電動機的有關(guān)問題。上述為較詳細(xì)的銘牌數(shù)據(jù)值，有的電動機的銘牌上只列出有關(guān)的重要幾項內(nèi)容，如圖3-2所示。此外，電動機銘牌除標(biāo)注上述數(shù)據(jù)和符號外，對防護型電動機還標(biāo)明了電動機的防護形式:Ip表示防護形式，Ip后的第一數(shù)代表防塵等級，第二個數(shù)字代表防水等級，數(shù)字越大，表示防護的能力越強。二、三相異步電動機的感應(yīng)電動勢三相異步電動機氣隙中的磁場旋轉(zhuǎn)時,定子繞組切割該磁場，在定子繞組中將感應(yīng)電動勢。每相繞組的基波感應(yīng)電動勢公式可表示為：E1=4.44f1N1KN1φ1。式中：φ1為旋轉(zhuǎn)磁場每一極的磁通量；N1為定子每相繞組的匝數(shù)；f1為電源的頻率；kN1為基波繞組因數(shù)，它反映了繞組采用分布、短距后，基波電動勢應(yīng)打的折扣，一般此折扣為大于0.9而小于1。雖然異步電動機繞組采用分布、短距后，基波電動勢有微小損失，但是可以使高次諧波電動勢大大削弱，使電動勢波形接近于正弦波，有利于電動機的正常運行。在電動機中，定子每相繞組端電壓U1近似與每相定子繞組中感應(yīng)的電動勢平衡。三相異步電動機轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場不同步，所以，轉(zhuǎn)子每相繞組中也將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，與定子每相繞組基波電動勢E1類似，其基波感應(yīng)電動勢公式為：E2=4.44f2N2KN2φ1。其中f2為異步電動機工作時轉(zhuǎn)子中電源頻率，經(jīng)推導(dǎo)，f2=sf1。特殊時刻，當(dāng)定子接通三相對稱電源，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子還沒有起動的瞬間，由于此時s=1，則可知電機起動瞬間，轉(zhuǎn)子的每相基波感應(yīng)電動勢最大為E20=4.44f1N2KN2φ1。【步驟三】知識和能力的歸納（時間：2分鐘）每臺三相異步電動機上都有一塊銘牌，上面標(biāo)有生產(chǎn)廠家為用戶規(guī)定的該電機在正常運行狀態(tài)時的額定數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了電機的運行特點和使用時的技術(shù)要求，對于該電機的使用、修理以及選擇合適的替代產(chǎn)品，提供了重要的參考。三相異步電動機的定子和轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場存在相對切割運動，分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，構(gòu)成定子和轉(zhuǎn)子回路的電路平衡關(guān)系。異步電動機的感應(yīng)電動勢對于理解三相異步電動機的工作過程，具有重要的意義，必須深入理解?！静襟E四】新知識的講解2（時間：35分鐘）一、三相異步電動機的空載運行異步電動機在運行時，轉(zhuǎn)軸上不帶任何機械負(fù)載的情況下，也即輸出機械功率為零，稱為空載運行。此時，電磁關(guān)系相對簡單一些，但是通過對于空載運行時電磁關(guān)系的分析，有利于幫助理解負(fù)載時的電磁過程?？蛰d運行的主、漏磁通的分布如圖3-3所示。為了便于分析，根據(jù)磁通路徑和性質(zhì)不同，異步電動機的磁通分為主磁通和漏磁通。主磁通同時交鏈定、轉(zhuǎn)子繞組，其路徑為：定子鐵心→氣隙→轉(zhuǎn)子鐵心→氣隙→定子鐵心。主磁通起傳遞能量的作用。除了主磁通以外的磁通稱為漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次諧波磁通。漏磁通只起電抗壓降作用。異步電動機空載運行時的電磁關(guān)系分析：異步電動機空載運行時的定子電流稱為空載電流。與變壓器類似，異步電動機空載電流由兩部分組成，包括產(chǎn)生主磁通φ0的無功分量和用來供給鐵心損耗的有功分量。由于無功分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有功分量，所以空載電流基本上為一無功分量性質(zhì)的電流。具體的電磁關(guān)系如圖3-4所示。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，異步電動機空載運行時也要滿足電壓平衡關(guān)系式，結(jié)合空載運行時的電磁關(guān)系，可列出空載時定子每相電壓的平衡方程： （3-1）式中U1表征加在電機定子繞組的相電壓，E1表征主磁通在定子繞組上異步的電動勢，Z1表征定子繞組的每相漏阻抗，I0表征空載電流。由于空載電流和漏阻抗較小，異步電機正常運行時，可近似認(rèn)為，定子繞組每相電壓U1與定子繞組異步電動勢E1相等。 U1≈E1=4.44f1N1KN1φ1 （3-2）通過以上分析，也說明了一個重要的概念，即在電源頻率不變的情況下，對于已經(jīng)制作完成的異步電機來說，其主磁通的大小與外加電壓成正比。所以，當(dāng)電源頻率不變，外加電壓不變時，主磁通基本上是常量，這一點在電機負(fù)載運行時也成立。二、三相異步電動機的負(fù)載運行異步電動機在運行時，轉(zhuǎn)軸上拖動一定的機械負(fù)載的情況下，也即輸出的機械功率不為零時，稱為負(fù)載運行。當(dāng)異步電動機從空載到負(fù)載瞬時，由于軸上機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩的突然增加，原空載時的電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機開始降速，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間的相對運動加大，轉(zhuǎn)子電動勢增加，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩增加，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩增加到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和空載制動轉(zhuǎn)矩相平衡時，電動機就以低于空載時的轉(zhuǎn)速而穩(wěn)定運行?？梢姡?dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩改變時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n或轉(zhuǎn)差率s隨之變化，而s的變化引起了電動機內(nèi)部許多物理量的變化。1.轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢及電流的頻率f2電動機正常運行時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，旋轉(zhuǎn)磁場的磁通Φ將以轉(zhuǎn)速(n1—n)去切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E2，其頻率為f2。 （3-3）此式表明：當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的頻率f2與轉(zhuǎn)差率s成正比，顯然當(dāng)s很小時，f2也很小。電動機處于額定運行時，f2只有2-3赫茲。2.轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子繞組的電動勢E2s先分析在電動機接通電源的瞬間，這種情況是轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，特點是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n=0，則s=1，旋轉(zhuǎn)磁場的磁通Φ將以同步轉(zhuǎn)速n1去切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)出電動勢為E20，其有效值為： E20=4.44K2f1N2φ （3-4）式中K2為轉(zhuǎn)子繞組的繞組系數(shù)，N2為轉(zhuǎn)子每相繞組的匝數(shù)，f1就是轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中靜止時感應(yīng)電動勢的頻率。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由于在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的頻率為f2，則這時感應(yīng)電動勢為E2s，其有效值為： E2s=4.44K2f2N2φ=sE20 （3-5）以上分析表明：轉(zhuǎn)子電動勢的大小與轉(zhuǎn)差率成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)子不動時，轉(zhuǎn)子電動勢最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子電動勢隨s的減小而減小。3.轉(zhuǎn)子電抗轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時每相繞組的電抗記為X2s，則有： X2s=2πf2L2=sX20 （3-6）式中X20為轉(zhuǎn)子靜止時每相繞組的感抗，即X20=2πf1L2，此時轉(zhuǎn)子電路頻率f2最大，為電源頻率f1。上式表明:轉(zhuǎn)子電抗的大小與轉(zhuǎn)差率成正比。轉(zhuǎn)子不動時最大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時隨著s的減小而減小。4.轉(zhuǎn)子電流I2 （3-7）式中R2為轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻。上式表明，轉(zhuǎn)子電流隨轉(zhuǎn)差率s的增大而增大。當(dāng)電動機起動瞬間，轉(zhuǎn)子電流最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，隨著s的減小，轉(zhuǎn)子電流也隨之減小。5.轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁通勢F2當(dāng)異步電動機工作時，轉(zhuǎn)子繞組由于其相數(shù)和極數(shù)都與定子繞組相同，定子旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢也是對稱的三相電動勢，因而電流也是對稱的三相電流，因此與定子電流一樣也要建立旋轉(zhuǎn)磁通勢，即建立一個相對轉(zhuǎn)子本身是旋轉(zhuǎn)的磁通勢F2。由于轉(zhuǎn)子電流的頻率f2=sf1,容易推到得出結(jié)論：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢F2的空間轉(zhuǎn)速即相對定子的轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速相等。可見，無論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速怎樣變化,定、轉(zhuǎn)子磁動勢總是以同速、同向在空間旋轉(zhuǎn)，兩者在空間上總是保持相對靜止，沒有相對運動。這是三相交流異步電動機能正常運行的必備條件。三、三相交流異步電動機負(fù)載運行時的基本平衡方程式1.磁動勢平衡方程式從前面的分析可知，當(dāng)外加電壓和頻率不變時，主磁通近似為一常量。因此，空載時產(chǎn)生主磁通的磁通勢F0與負(fù)載時產(chǎn)生主磁通的合成磁通勢（F1+F2）應(yīng)相等。負(fù)載時增