電機與電氣控制技術(shù) 課件 項目4 異步電機調(diào)試與維護(hù)

項目4異步電機調(diào)試與維護(hù)任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型任務(wù)4.2異步電動機性能分析任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速任務(wù)4.4三相異步電動機的維修與維護(hù)任務(wù)4.5技能訓(xùn)練學(xué)習(xí)情境4異步電機調(diào)試與維護(hù)【任務(wù)目標(biāo)】技能目標(biāo)：1.能認(rèn)識三相異步電動機；2.能認(rèn)識各種常規(guī)控制電器；3.能根據(jù)電路圖，正確選擇合適組件完成三相異步電動機的啟動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動控制線路的裝接與調(diào)試。知識目標(biāo)：1.了解三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理；2.了解各種常規(guī)控制電器的組成和工作原理；3.掌握三相異步電動機的啟動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動的控制方法。

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型【任務(wù)描述】

電動機是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，它是利用通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象制成。電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機，電力系統(tǒng)中的電動機大部分是交流電機，可以是同步電機或者是異步電機（電機定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不保持同步速）。電動機主要由定子與轉(zhuǎn)子組成。交流電動機的使用和控制非常方便，具有自起動、加速、制動、反轉(zhuǎn)、掣住等能力，能滿足各種運行要求；電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。由于它的一系列優(yōu)點，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面廣泛應(yīng)用。各種電動機中應(yīng)用最廣的是三相異步電動機（又稱感應(yīng)電動機）。它使用方便、運行可靠、價格低廉、結(jié)構(gòu)牢固。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進(jìn)步，三相異步電動機功率因數(shù)較低、調(diào)速困難的缺點也得到有效解決。本任務(wù)主要研究三相異步電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理、機械特性以及基本試驗?！咀尤蝿?wù)目標(biāo)】技能目標(biāo)：1.能認(rèn)識三相異步電動機；2.能認(rèn)識三相異步電動機各組成部分；3.學(xué)會三相異步電動機的檢測、接線和簡單操作使用。知識目標(biāo)：1.了解三相異步電動機的特點、用途和分類；2.了解三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理；3.了解三相異步電動機銘牌；4.了解三相異步電動機的機械特性。

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型（一）異步電動機的結(jié)構(gòu)

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型1-轉(zhuǎn)子繞組；2-端蓋；3-軸承；4-定子繞組；5-轉(zhuǎn)子；6-定子；7-集電環(huán)；8-出線盒。圖4-1籠型異步電動機的結(jié)構(gòu)圖1.三相異步電動機的結(jié)構(gòu)1）定子部分異步電動機的定子主要是由機座、定子鐵心和定子繞組三個部分組成的。定子鐵心是異步電動機主磁通磁路的一部分，裝在機座里。由于電機內(nèi)部的磁場是交變的磁場，為了降低定子鐵心里的鐵損耗（磁滯、渦流損耗），定子鐵心采用0．35～0．5mm厚的硅鋼片疊壓而成，在硅鋼片的兩面還應(yīng)涂上絕緣漆。圖4-2所示是異步電動機的定子鐵心。當(dāng)定子鐵心的直徑小于1m時，定子鐵心用整圓的硅鋼片疊成；當(dāng)其直徑大于1m時，由于受硅鋼片材料規(guī)格的制約，定子鐵心用扇形的硅鋼片疊成。

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型圖4-2定子鐵心1.三相異步電動機的結(jié)構(gòu)在定子鐵心的內(nèi)圓上開有槽，稱為定子槽，用來放置和固定定子繞組。圖4-3所示為定子槽，其中圖4-3（a）是開口槽，用于大、中型容量的高壓異步電機中；圖4-3（b）是半開口槽，用于中型500V以下的異步電機中；圖4-3（c）是半閉口槽，用于低壓小型異步電機中。

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型圖4-3定子槽

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型（2）

定子繞組圖4-4異步電動機定子繞組的接法

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型2.轉(zhuǎn)子異步電動機的轉(zhuǎn)子主要是由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸三部分組成的。（1）轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心也是電機主磁通磁路的一部分，它用0．35～0．5mm厚的硅鋼片疊壓而成。圖4-5所示是轉(zhuǎn)子槽型圖，整個轉(zhuǎn)子鐵心固定在轉(zhuǎn)軸上，或固定在轉(zhuǎn)子支架上，轉(zhuǎn)子支架再套在轉(zhuǎn)軸上。圖4-5轉(zhuǎn)子沖片上的槽型圖

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型（2）轉(zhuǎn)子繞組異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組按結(jié)構(gòu)不同，可分為繞線式和籠型兩種。圖4-6繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機定、轉(zhuǎn)子繞組接線方式

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型圖4-7籠型轉(zhuǎn)子

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型

三相異步電動機的工作原理圖4-8閉合金屬框受力示意圖

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型圖4-9異步電動機工作原理

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型2.轉(zhuǎn)差率和三相異步電機的轉(zhuǎn)速與運行狀態(tài)（1）轉(zhuǎn)差率定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差，稱為轉(zhuǎn)差，?n=n1-n，其與同步轉(zhuǎn)速n1的比值，稱為異步電動機的轉(zhuǎn)差率，即式中，s為轉(zhuǎn)差率。當(dāng)異步電動機剛要起動時，n=0，s=1；當(dāng)n=n1時，s=0。異步電動機正常額定運行時，電動機轉(zhuǎn)速一般略小于同步轉(zhuǎn)速，s很小，通常s=0．01～0．05。

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型圖4-10異步電動機的3種運行狀態(tài)

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型正方向的規(guī)定圖4-11轉(zhuǎn)子繞組開路時異步電動機的正方向

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型2.異步電動機的合成磁動勢（1）定子磁動勢當(dāng)三相異步電動機的定子繞組接到三相對稱電源上時，定子繞組中就會有三相對稱電流i1流過，三相對稱電流流過定子三相對稱繞組所產(chǎn)生的定子合成磁動勢是圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型式中：N1——定子一相繞組串聯(lián)的匝數(shù)；

kw1——定子繞組的繞組系數(shù)；np——電動機的極對數(shù)；I1——定子繞組電流的有效值。其中，幅值F1m為

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型（2）轉(zhuǎn)子磁動勢同理，在轉(zhuǎn)子三相對稱繞組中流過三相對稱電流i2時，也會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子空間旋轉(zhuǎn)磁動勢。現(xiàn)設(shè)異步電動機以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，由轉(zhuǎn)子電流i2產(chǎn)生的三相合成旋轉(zhuǎn)磁動勢的幅值為式中：N2——轉(zhuǎn)子一相繞組串聯(lián)的匝數(shù)；kw2——轉(zhuǎn)子繞組的繞組系數(shù)；I2——轉(zhuǎn)子繞組電流的有效值

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型假定轉(zhuǎn)子電流i2的頻率為f2，顯然由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動勢F2，它相對于轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速用n2表示為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢F2相對于轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速為n2，由于轉(zhuǎn)子本身相對于定子繞組有一個轉(zhuǎn)速n，于是，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢F2相對于定子繞組的轉(zhuǎn)速為

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型（3）定、轉(zhuǎn)子合成總磁動勢圖4-12異步電動機旋轉(zhuǎn)磁動勢的矢量關(guān)系

任務(wù)4.1異步電機的基礎(chǔ)原理與數(shù)學(xué)模型根據(jù)異步電動機定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢的矢量關(guān)系，其合成的總磁動勢可表示為由此可見，當(dāng)三相異步電動機的轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，定、轉(zhuǎn)子磁動勢的關(guān)系并未改變，只是每個磁動勢的大小及相互之間的相位有所不同而已。在氣隙中建立的基波旋轉(zhuǎn)磁動勢，產(chǎn)生相應(yīng)的基波旋轉(zhuǎn)磁場，與基波旋轉(zhuǎn)磁場相對應(yīng)的磁通稱為主磁通，用表示。

任務(wù)4.2異步電動機性能分析1.功率轉(zhuǎn)換過程和功率平衡方程式（1）輸入電功率P1異步電動機由電網(wǎng)向定子輸入的電功率P1為式中U1——定子繞組的相電壓；I1——定子繞組的相電流；cos——異步電動機的功率因數(shù)。

任務(wù)4.2異步電動機性能分析（2）功率轉(zhuǎn)換過程中的功率損耗1）定子銅損耗2）鐵心損耗

任務(wù)4.2異步電動機性能分析3）轉(zhuǎn)子銅損耗

pCu24）機械損耗pΩ及附加損耗pad

機械損耗是由于通風(fēng)、軸承摩擦等產(chǎn)生的損耗；附加損耗是由于電動機定、轉(zhuǎn)子鐵心存在齒槽以及高次諧波磁勢的影響，而在定、轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生的損耗。

任務(wù)4.2異步電動機性能分析（5）輸出機械功率P2圖4-13異步電動機的功率傳遞圖

任務(wù)4.2異步電動機性能分析2）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式將式（4-24）代入式（4-23）可得電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式

任務(wù)4.2異步電動機性能分析圖4-14三相異步電動機轉(zhuǎn)矩特性曲線圖

任務(wù)4.2異步電動機性能分析異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為在異步電動機等效電路中，由于勵磁阻抗比定、轉(zhuǎn)子漏阻抗大很多，可以近似把T形等效電路中勵磁阻抗這一段電路認(rèn)為是開路，故有此時功率因數(shù)為

任務(wù)4.2異步電動機性能分析（2）

參數(shù)表達(dá)式將式（4-27）代入上式中，得到

任務(wù)4.2異步電動機性能分析（3）實用表達(dá)式1）最大電磁轉(zhuǎn)矩最大電磁轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱為臨界轉(zhuǎn)差率，用sm表示為其中，“+”號適用于電動機狀態(tài)；“-”號適用于發(fā)電機狀態(tài)。

任務(wù)4.2異步電動機性能分析2.機械特性（1）固有機械特性固有機械特性是指異步電動機在額定電壓和額定頻率下，電動機按規(guī)定的接線方法接線，定子及轉(zhuǎn)子電路中不外接電阻（電抗或電容）時所獲得的三相異步電動機的固有機械特性如圖4-15所示。圖4-15三相異步電動機的固有機械特性

任務(wù)4.2異步電動機性能分析1）降低U1當(dāng)供電電網(wǎng)電壓降低時，最大轉(zhuǎn)矩Tm及起動轉(zhuǎn)矩Tst與U1成正比地降低；sm與U1的降低無關(guān)（即保持不變）；由于同步轉(zhuǎn)速

，因此n1也保持不變（其值與U1無關(guān)）。圖4-16繪出了U1=UN、0．5UN及0．8UN時的人為機械特性。圖4-16異步電動機降低U1時的人為機械特性

任務(wù)4.2異步電動機性能分析圖4-17轉(zhuǎn)子電路內(nèi)串聯(lián)對稱電阻時的人為機械特性

任務(wù)4.2異步電動機性能分析3）定子電路串聯(lián)對稱電抗圖4-18定子電路串聯(lián)對稱電抗時的人為機械特性

任務(wù)4.2異步電動機性能分析4）定子電路串聯(lián)對稱電阻圖4-19定子電路串聯(lián)對稱電阻時的人為機械特性

任務(wù)4.2異步電動機性能分析5）轉(zhuǎn)子電路接入并聯(lián)阻抗圖4-20轉(zhuǎn)子電路接入并聯(lián)阻抗的電路圖與人為機械特性

任務(wù)4.2異步電動機性能分析圖4-21轉(zhuǎn)子電路接入并聯(lián)阻抗的轉(zhuǎn)子等效電路圖

任務(wù)4.2異步電動機性能分析異步電動機的工作特性及其計算圖4-22三相異步電動機的典型工作特性曲線

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速1.三相籠型異步電動機的起動（1）直接起動（2）

降壓起動對大、中型籠型異步電動機，可采用降壓起動方法，以限制起動電流。即起動時降低加在電動機定子繞組上的電壓，起動電壓小于額定電壓，待電動機轉(zhuǎn)速上升到一定數(shù)值后，再使電動機承受額定電壓，保證電動機在額定電壓下穩(wěn)定工作。

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速圖4-23星形—三角形降壓起動接線圖

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速3）自耦變壓器降壓起動圖4-24自耦變壓器降壓起動接線圖

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速2.三相繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機的起動（1）

轉(zhuǎn)子串電阻起動圖4-25三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串接對稱電阻分級起動

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速（2）轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動圖4-26三相繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速1.變極調(diào)速（1）變極原理圖4-27三相四極電動機定子U相繞組

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速圖4-28三相兩極電動機U相繞組

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速圖4-29異步電動機Y-YY變極調(diào)速接線

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速（2）典型變極接線及其機械特性①機械特性

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速根據(jù)以上所得Y接與YY接時的同步機械角速度和最大轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，可以繪出圖4-30所示的Y-YY變極調(diào)速的機械特性曲線。圖4-30Y-YY變極調(diào)速的機械特性

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速②容許輸出Y接時的容許輸出功率和容許輸出轉(zhuǎn)矩為YY接時的容許輸出功率和容許輸出轉(zhuǎn)矩為由此表明，Y-YY變極調(diào)速方法屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速2）△-YY變極線路圖4-31異步電動機△-YY變極調(diào)速接線

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速△接時，極對數(shù)為2p，每相繞組電壓為U1。由最大轉(zhuǎn)矩的一般公式可得由以上關(guān)系可繪出△-YY接線時的機械特性曲線，如圖4-32所示。式（4-19）表明△-YY變極調(diào)速近似為恒功率調(diào)速方式。

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速圖4-32△-YY變極調(diào)速的機械特性曲線

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速

其機械特性如圖3-33（b）所示，其運行特性近似是平行的，這種調(diào)速方式可近似認(rèn)為恒功率調(diào)整類型。圖3-33變頻調(diào)速的機械特性

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速3.變轉(zhuǎn)差率調(diào)速（1）改變定子電壓調(diào)速圖4-34電動機改變電源電壓調(diào)速的機械特性

任務(wù)4.3異步電動機的起動和調(diào)速（2）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速圖4-35轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的機械特性

任務(wù)4.4三相異步電動機的維修與維護(hù)1.三相異步電動機使用時應(yīng)注意的問題（1）使用三相異步電動機之前，要詳細(xì)對照銘牌，按照銘牌使電壓、頻率、功率、轉(zhuǎn)速等與實際相符。（2）在使用電動機前，要進(jìn)行外部機械檢查，注意各部件是否完好，螺釘是否松動，檢查有無雜物，轉(zhuǎn)子是否能轉(zhuǎn)動，可用手輕輕轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，檢查軸承潤滑情況，注意有無雜音與摩擦，檢查合格后方能通電工作。（3）電動機在使用前，應(yīng)用500V兆歐表檢查電動機的絕緣情況。（4）檢查線路電壓與電動機額定電壓是否相符，線路電壓的變動不應(yīng)超出電動機額定電壓的±5%。（5）電動機在運行前應(yīng)裝保護(hù)接地線或中性線。（6）檢查線路連接是否正確，各接觸點是否接觸良好，保護(hù)設(shè)備是否完好，熔體額定電流應(yīng)為電動機額定電流的1.5～2.5倍。（7）若用皮帶輪傳動，必須檢查兩轉(zhuǎn)軸幾何中心線是否平行，皮帶松緊要適當(dāng)，過緊會使電動機軸加快損壞，過松則容易使皮帶打滑。（8）如果用聯(lián)軸器直接耦合，應(yīng)注意兩轉(zhuǎn)軸幾何中心線要在一條直線上，否則易使軸承損壞或使電動機發(fā)生振動。（9）檢查完畢后，電動機應(yīng)按照電動機銘牌上定子繞組的接線方式連接好，可先接通電源空載運轉(zhuǎn)，查看旋轉(zhuǎn)方向與實際要求是否一致。如果不一致，可先將電源斷開，然后打開接線盒，將電源引入線的任意兩根換接一下。（10）電動機在使用過程中，應(yīng)經(jīng)常注意防潮防塵，保持電動機風(fēng)道暢通，所有機械連接部分要緊固牢靠，電氣接觸點要保持清潔，接觸良好。

任務(wù)4.4三相異步電動機的維修與維護(hù)2.電動機常見故障分析與處理方法（1）

通電后電動機不能轉(zhuǎn)動，但無異響，也無異味和冒煙（2）

通電后電動機不轉(zhuǎn)，然后熔絲燒斷（3）

通電后電動機不轉(zhuǎn)，有嗡嗡聲（4）

電動機起動困難，額定負(fù)載時，電動機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速較多（5）

電動機空載電流不平衡，三相相差大（6）

電動機空載、過負(fù)載時，電流表指針不穩(wěn)、擺動（7）

電動機空載電流平衡，但數(shù)值大（8）

電動機運行時有異響（9）

運行中電動機振動較大（10）

軸承過熱（11）

電動機過熱甚至冒煙

任務(wù)4.5技能訓(xùn)練序號型號名稱數(shù)量1DD03導(dǎo)軌、測速發(fā)電機及轉(zhuǎn)速表12DJ23校正過的直流電機13DJ16三相籠型異步電動機14D33交流電壓表15D32交流電流表16D34-3單三相智能功率、功率因數(shù)表17D31直流電壓、毫安、安培表18D42三相可調(diào)電阻器19D51波形測試及開關(guān)板1

任務(wù)4.5技能訓(xùn)練（1）

判斷定子繞組的首末端圖4-36三相交流繞組首末端測定

任務(wù)4.5技能訓(xùn)練（2）

空載實驗圖4-37三相籠型異步電動機試驗接線圖

任務(wù)4.5技能訓(xùn)練表4-1空載實驗數(shù)據(jù)記錄表序號U0L/VI0L/AP0/Wcosφ0UABUBCUCAU0LIAIBICI0LPⅠPP0

任務(wù)4.5技能訓(xùn)練表4-2短路實驗數(shù)據(jù)記錄表序號UKL/VIKL/APK/WcosφKUABUBCUCAUKLIAIBICIKLPⅠPⅡPK

任務(wù)4.5技能訓(xùn)練表4-3負(fù)載實驗數(shù)據(jù)記錄表U1=U1N=220V（△）

If=mA序號I1L/AP1/WIF/AT2/（N·m）n/（r·min-1）IAIBICI1LPⅠPⅡP1

任務(wù)4.5技能訓(xùn)練序號型號名稱數(shù)量