《電氣控制與PLC》課件-3.1三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

鐵道機(jī)車專業(yè)教學(xué)資源庫金屬切削機(jī)床如車床、磨床等在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常普遍，其加工工作一般必須通過工件的運(yùn)動或加工刀具、工作臺等的運(yùn)動來完成，這些運(yùn)動都必須有一個動力來拖動，在實(shí)際中大都采用的是三相異步電動機(jī)。三相異步電動機(jī)容量從幾十瓦到幾千千瓦，由于其結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕、效率較高，不僅在工業(yè)生產(chǎn)中使用非常廣泛，在農(nóng)業(yè)方面如水泵、脫粒機(jī)、粉碎機(jī)及其他農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等也都是用異步電動機(jī)來拖動的。據(jù)統(tǒng)計，在整個電能消耗中，電動機(jī)的耗能占總電能的65%左右，而在整個電動機(jī)的耗能中，三相異步電動機(jī)又居首位。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，三相異步電動機(jī)的平滑調(diào)速性能越來越凸顯其優(yōu)勢，三相異步電動機(jī)將在更多的領(lǐng)域代替直流電動機(jī)的應(yīng)用?！景咐?/p>

三相異步電動機(jī)種類繁多，按其外殼防護(hù)方式的不同可分為開啟式、防護(hù)式、封閉式三類。由于封閉式結(jié)構(gòu)能防止異物進(jìn)入電動機(jī)內(nèi)部，并能防止人與物觸及電動機(jī)帶電部位與運(yùn)動部分，運(yùn)行中安全性能好，因而成為目前使用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式。3.1.1三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)籠型異步電動機(jī)的各個部件（1）定子鐵心定子鐵心作為電動機(jī)磁通的通路，對鐵心材料既要有良好的導(dǎo)磁性能，剩磁小，又要盡量降低渦流損耗，一般用0.5mm厚表面有絕緣層的硅鋼片疊壓而成。定子鐵心內(nèi)圓沖有沖均勻分布的槽，用于嵌放三相定子繞組。（2）定子繞組三相繞組是用絕緣銅線或鋁線繞制成三相對稱的繞組按一定的規(guī)則連接嵌放在定子槽中。小型異步電動機(jī)定子繞組一般采用高強(qiáng)度漆包圓銅線繞制，大中型異步電動機(jī)則用漆包扁銅線或玻璃絲包扁銅線繞制。三相定子繞組之間及繞組與定子鐵心之間均墊有絕緣材料。常用的薄膜類絕緣材料有聚酯薄膜青殼紙、聚酯薄膜、聚酯薄膜玻璃漆布箔及聚四氟乙烯薄膜。異步動機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和基座三部分組成。鐵心和機(jī)座定子沖片定子線圈（a）星形聯(lián)結(jié)（b)三角形聯(lián)結(jié)三相繞組的聯(lián)結(jié)定子繞接線圖（3）機(jī)座機(jī)座的作用是固定定子繞組和定子鐵心，并通過兩側(cè)的端蓋和軸承來支撐電動機(jī)轉(zhuǎn)子，同時構(gòu)成電動機(jī)的電磁通路并發(fā)散電動機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量。機(jī)座通常為鑄鐵件，大型異步電動機(jī)機(jī)座一般用鋼板焊成，而某些微型電動機(jī)的基座則采用鑄鋁件以減輕電動機(jī)的重量。封閉式電動機(jī)的基座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護(hù)式電動機(jī)的機(jī)座兩端端蓋開有通風(fēng)孔，使電動機(jī)內(nèi)外的空氣可以直接對流，以利于散熱。（4）端蓋端蓋對內(nèi)部起保護(hù)作用，并借助滾動軸承將電動機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)座聯(lián)成一個整體。端蓋一般為鑄鋼件，微型電動機(jī)則為鑄鋁件。2．轉(zhuǎn)子（1）轉(zhuǎn)子鐵心作為電動機(jī)磁路的一部分，并放置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵心一般用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。一般小型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，而大中型異步電動的轉(zhuǎn)子鐵心則借助于轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。為了改善電動機(jī)的啟動和運(yùn)行性能，減少諧波，籠型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心一般都采用斜槽結(jié)構(gòu)（2）轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組用來切割定子旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，并在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下受力而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，按繞組不同，異步電動機(jī)分為籠型轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子兩類。轉(zhuǎn)子的兩種類型①籠型轉(zhuǎn)子。根據(jù)導(dǎo)體材料不同，籠型轉(zhuǎn)子分為銅條轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子。銅條轉(zhuǎn)子即在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)放置沒有絕緣的銅條，銅條的兩端用短路環(huán)焊接起來，形成一個籠型的形狀;中小型異步電動機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子，一般為鑄鋁式轉(zhuǎn)子，采用離心鑄鋁法，將熔化了的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)成為一個完整體，兩端的短路環(huán)和冷卻風(fēng)扇葉子也一并鑄成.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)異步動機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。1）籠型繞組銅條籠型轉(zhuǎn)子鑄鋁籠型轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子繞線轉(zhuǎn)子照片②繞線轉(zhuǎn)子。繞線型轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組一樣，也是一個用絕緣導(dǎo)線繞成的三相對稱繞組，被嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽中，接成星形。繞組的三個出線端分別接到轉(zhuǎn)軸端部的三個彼此絕緣的銅制滑環(huán)上。通過滑環(huán)與支持在端蓋上的電刷構(gòu)成滑動接觸，轉(zhuǎn)子繞組的三個出線端引到機(jī)座上的接線盒內(nèi)，以便與外部變阻器連接，故繞線式轉(zhuǎn)子又稱滑環(huán)式轉(zhuǎn)子.異步電機(jī)的氣隙比同容量直流電機(jī)的氣隙小得多，在中、小型異步電動機(jī)中，一般為0.2~2.5mm。氣隙大小對電機(jī)性能影響很大，氣隙愈大則為建立磁場所需勵磁電流就大，從而降低電機(jī)的功率因數(shù)。如果把異步電機(jī)看成變壓器，顯然，氣隙愈小則定子和轉(zhuǎn)子之間的相互感應(yīng)(即耦合)作用就愈好。因此應(yīng)盡量讓氣隙小些，但也不能太小，否則會使加工和裝配困難，運(yùn)轉(zhuǎn)時定轉(zhuǎn)子之間易發(fā)生掃膛。3．氣隙3.1.3三相異步電動機(jī)的銘牌三相異步電動機(jī)銘牌1．型號

3.1.3三相異步電動機(jī)的銘牌Y2系列三相籠型異步電動機(jī)外形圖2．額定功率PN(2．2kW)

表示電動機(jī)在額定工作狀態(tài)下運(yùn)行時，允許輸出的機(jī)械功率。3．額定電流IN(9.69/5.61A)

表示電動機(jī)在額定工作狀態(tài)下運(yùn)行時，定子電路輸入的線電流。9.69A是D接時的額定電流，5.61A是Y接的額定電流。4．額定電壓UN(380V)表示電動機(jī)在額定工作狀態(tài)下運(yùn)行時，定子電路所加的線電壓。5．額定轉(zhuǎn)速nN(950r／min)

表示電動機(jī)在額定工作狀態(tài)下運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速。6．接法(220D/380Y)

表示電動機(jī)定子三相繞組與交流電源的連接方法，220D/380Y表示電源為220V時采用D接法，電源380V時采用Y接法。對Y2系列電動機(jī)而言，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定凡3kW及以下者均采用星形聯(lián)結(jié)；4kW及以上者均采用三角形聯(lián)結(jié)。7．防護(hù)等級(IP44)

表示電動機(jī)外殼防護(hù)的方式。IPll是開啟式，IP22、IP23是防護(hù)式，IP44是封閉式8．頻率(50Hz)

表示電動機(jī)使用交流電源的頻率。9．絕緣等級

表示電機(jī)各繞組及其他絕緣部件所用絕緣材料的等級。絕緣材料按耐熱性能可分為7個等級絕緣耐熱等級AEBFHC允許最高溫度/℃105120130155180180以上允許最高溫升/℃658090115140140以上電動機(jī)允許溫升與絕緣耐熱等級關(guān)系10．定額

指電動機(jī)按銘牌值工作時，可以持續(xù)運(yùn)行的時間和順序。電動機(jī)定額分連續(xù)定額、短時定額和斷續(xù)定額三種。分別用Sl、S2、S3表示。

①連續(xù)定額(S1)：可連續(xù)運(yùn)行

②短時定額(S2)：表示電動機(jī)按銘牌值工作時只能在規(guī)定的時間內(nèi)短時運(yùn)行。我國規(guī)定的短時運(yùn)行時間為10、30、60及90min(分鐘)4種。

③斷續(xù)定額(S3)：表示電動機(jī)按銘牌值工作時，運(yùn)行一段時間就要停止一段時間，周而復(fù)始地按一定周期重復(fù)運(yùn)行。每一周期為10min，我國規(guī)定的負(fù)載持續(xù)率為15％、25％、40％及60％等4種(如標(biāo)明40％則表示電動機(jī)工作4min就需休息6min)3.1.1三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)工作原理1．旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

三相異步電動機(jī)定子繞組分布示意圖

定子三相繞組通入三相交流電(星形聯(lián)接)AXBYCZ1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生oo規(guī)定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(?)電流出(

)電流入

tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ

三相電流合成磁場的分布情況合成磁場方向向下合成磁場旋轉(zhuǎn)60°合成磁場旋轉(zhuǎn)90°600動畫oAAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相電流產(chǎn)生的合成磁場是一旋轉(zhuǎn)的磁場

即：一個電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)過360°取決于三相電流的相序2.旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向結(jié)論：任意調(diào)換兩根電源進(jìn)線，則旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)。動畫任意調(diào)換兩根電源進(jìn)線(電路如圖)AXCZBY0

to3.旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)P

當(dāng)三相定子繞組按圖示排列時，產(chǎn)生一對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，即：o

tAXBYCZAXYCBZ

若定子每相繞組由兩個線圈串聯(lián)

，繞組的始端之間互差60°，將形成兩對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC極對數(shù)動畫旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)與三相繞組的排列有關(guān)C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'0p=2時0旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0與極對數(shù)p的關(guān)系極對數(shù)每個電流周期磁場轉(zhuǎn)過的空間角度同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0與頻率f1和極對數(shù)p有關(guān)。可見:2電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理1.轉(zhuǎn)動原理AXYCBZ定子三相繞組通入三相交流電方向:順時針

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體右手定則感應(yīng)電動勢E20旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場左手定則電磁力FF電磁轉(zhuǎn)矩TnF3轉(zhuǎn)差率

旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率。

由前面分析可知，電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向一致，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能達(dá)到與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相等，即異步電動機(jī)如果:無轉(zhuǎn)子電動勢和轉(zhuǎn)子電流

轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間沒有相對運(yùn)動，磁通不切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條無轉(zhuǎn)矩因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速間必須要有差別。異步電動機(jī)運(yùn)行中:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦可由轉(zhuǎn)差率求得轉(zhuǎn)差率s

例1：一臺三相異步電動機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速

n=975r/min，電源頻率f1=50Hz。試求電動機(jī)的極對數(shù)和額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率。解：根據(jù)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系可知：n0=1000r/min,即p=3額定轉(zhuǎn)差率為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n是否會與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1相同呢？不可能的。因?yàn)橐坏┺D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，二者便無相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子也不能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，也就沒有電磁轉(zhuǎn)矩了。只有二者轉(zhuǎn)速有差異時，才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動?？梢?，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是略小于旋轉(zhuǎn)磁場