《電機原理與維修》課件第11章

第11章三相異步電動機的基本知識及結(jié)構(gòu)

11.1三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理11.2異步電動機的類型及基本結(jié)構(gòu)11.3三相異步電動機的銘牌習(xí)題11.1三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理11.1.1異步電動機的轉(zhuǎn)動原理三相異步電動機和其他類型電動機一樣，也是利用通電導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生電磁力的原理制成的。圖11-1是三相異步電動機的工作原理示意圖，圖中N、S為一對安裝在用鐵磁材料做成的圓柱形鐵芯上，在兩個磁極中間也裝有一個能夠轉(zhuǎn)動的圓柱形鐵芯，在鐵芯外圓槽內(nèi)嵌放著導(dǎo)體，這些導(dǎo)體兩端各用圓環(huán)把它們短接成一整體。圖11-1異步電動機工作原理示意圖若將外圈以n1速度逆時針方向旋轉(zhuǎn)，則外圈上的磁極也以n1速度逆時針方向旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)磁場。此旋轉(zhuǎn)磁場逆時針方向切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電動勢的方向可以用右手定則判定。由于轉(zhuǎn)子繞組是短路的，因此在感應(yīng)電動勢的作用下，導(dǎo)體中就有電流流過，此電流與感應(yīng)電動勢同方向。載流導(dǎo)體在磁場中將會產(chǎn)生電磁力。由左手定則判定，N極下的導(dǎo)體所受電磁力方向向左，S極下的則向右，這一對力偶產(chǎn)生了轉(zhuǎn)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩T，它與旋轉(zhuǎn)磁場同方向，在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子就會以n的速度順著磁場方向旋轉(zhuǎn)起來。這就是異步電動機的基本工作原理。當(dāng)三相異步電動機接入三相交流電源時，就有三相對稱電流流過三相定子繞組并在電動機的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，此旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度n1稱為同步轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向是一致的，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n

始終要低于旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度n1，如果n與n1相同，則磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體之間就沒有相對運動，因此它們之間就沒有電磁關(guān)系，也就不能在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢、產(chǎn)生電流，也就不能形成電磁轉(zhuǎn)矩。所以異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能等于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，這就是為什么叫異步電動機的原因。11.1.2轉(zhuǎn)差率旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差Δn，這個轉(zhuǎn)差是異步電動機正常運行的必要條件。轉(zhuǎn)差與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1之比，稱為轉(zhuǎn)差率，用符號s表示，即

(11-1)轉(zhuǎn)差率是決定異步電動機運行的一個重要參數(shù)，它的大小也反映了異步電動機的運行速度。在電機啟動瞬間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0，所以轉(zhuǎn)差率s=1；隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不斷上升，轉(zhuǎn)差率s逐漸減小。假如所有阻力矩(包括電動機本身軸承摩擦等)全部為零，則稱為電動機的理想空載。在此情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以上升至理想空載轉(zhuǎn)速n0，即n0=n1，此時轉(zhuǎn)差率s=0。為了使異步電動機的運行效率較高，通常使它的額定轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速。因此額定轉(zhuǎn)差率sn很小，一般在0.015～0.05之間。11.1.3異步電機的三種運行狀態(tài)

1.異步電機的電動運行狀態(tài)異步電機作為電動機運行時，為了克服負載的阻力轉(zhuǎn)矩，異步電動機的轉(zhuǎn)速n總是略小于同步轉(zhuǎn)速n1，以使氣隙旋轉(zhuǎn)磁場能夠切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢和產(chǎn)生電流，使轉(zhuǎn)子能產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩拖動轉(zhuǎn)子以n的速度順著磁場方向旋轉(zhuǎn)，如圖11-2(a)所示，從而把電能轉(zhuǎn)化為機械能。此時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化范圍為0＜n＜n1，轉(zhuǎn)差率的變化范圍為1＞s＞0。圖11-2異步電機三種運行狀態(tài)原理圖

2.異步電機的發(fā)電機運行狀態(tài)在異步電機轉(zhuǎn)子不帶機械負載的情況下，用一原動機拖動異步電機以大于同步轉(zhuǎn)速n1的速度順著旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，如圖11-2(b)所示?？梢钥闯觯捎谵D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場而產(chǎn)生的電勢及電流均與圖11-2(a)相反。由左手定則可知，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流與氣隙磁場相作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向也與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，起制動作用。為了克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動作用，保證轉(zhuǎn)子以n＞n1的某一轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，原動機就必須不斷向電機轉(zhuǎn)子輸入機械功率，而異步電機定子則把輸入的機械功率轉(zhuǎn)化為輸出的電功率，即把機械能轉(zhuǎn)化為電能。此時，異步電機成為發(fā)電機運行，稱為異步發(fā)電機。當(dāng)異步電機在發(fā)電機運行狀態(tài)下運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒大于同步轉(zhuǎn)速，即n＞n1，由式11-1可知，發(fā)電機運行時轉(zhuǎn)差率s恒為負值。

3.異步電機的制動狀態(tài)運行在某種情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反時，如圖11-2(c)所示，這時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢和電流與電動機狀態(tài)相同，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩方向也與旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同，但與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，起阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用，故稱為異步電機的制動狀態(tài)運行。此時，異步電機一方面消耗原動機的機械功率，同時又從電網(wǎng)上吸收電功率，這與電動機運行時一樣，這兩部分功率均消耗在電動機內(nèi)部。在制動運行時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與磁場方向相反，n為負值，轉(zhuǎn)差率s必大于1。實際應(yīng)用當(dāng)中，異步電機絕大多數(shù)是作為電動機運行的。它結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、效率較高和運行可靠，中、小型的異步電動機在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。異步發(fā)電機的性能由于不如同步發(fā)電機優(yōu)越，僅用于特殊場合，如用于風(fēng)力發(fā)電機。至于制動運行也是異步電機的一種特殊運行方式。綜上所述三種運行狀態(tài)，異步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不等，故稱為異步電機。由于異步電機的轉(zhuǎn)子電流是由定子勵磁磁場所感應(yīng)的，也把異步電機稱為感應(yīng)電機。11.2異步電動機的類型及基本結(jié)構(gòu)11.2.1基本類型三相異步電動機的類型很多，從不同的角度看，有不同的分類方法。通常按轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)分為鼠籠型和繞線型兩種類型。鼠籠型結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本低，運行可靠；繞線型可通過外接電阻來改善啟動性能并能進行調(diào)速。若按機殼的防護形式可分為防護式、封閉式和開啟式。還有按電動機的容量大小、冷卻方式等分類。圖11-3封閉式三相鼠籠型異步電動機的結(jié)構(gòu)示意圖

1.定子部分

1)定子鐵芯定子鐵芯是電動機主磁路的一部分，裝在機座里，并要放置定子繞組。為了增強導(dǎo)磁性能和減少旋轉(zhuǎn)磁場在定子鐵芯中的渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵芯采用片間絕緣的0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。圖11-4(a)、(b)為定子鐵芯及沖片的示意圖。當(dāng)鐵芯直徑小于1m時，用整圓的硅鋼片疊成；大于1m時，有扇型硅鋼片拼裝而成。為了放置定子繞組，在定子內(nèi)圓開有槽，槽的形狀有：開口槽、半開口槽和半封閉槽，如圖11-5所示。它們分別對應(yīng)放置大、中型的高壓異步電動機的定子繞組、中型500V以下和小型異步電動機的定子繞組。圖11-4定子鐵芯與沖片圖11-5定子鐵芯槽型(a)開口槽；(b)半開口槽；(c)半封口槽

2)定子繞組定子繞組是電動機的定子電路部分，由它通過電流建立磁場，并感應(yīng)電動勢以實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。三相異步電動機的定子繞組是一個三相對稱繞組，它由三個完全相同的繞組組成，每個繞組為一相，三個繞組在空間上互差120°電角度，每相繞組的兩端分別用U1-U2

，V1-V2，W1-W2表示，可以根據(jù)需要接成星形和三角形，如圖11-6所示。圖11-6三相異步電動機的定子繞組接線(a)星形連接；(b)三角形連接

3)機座機座的作用主要是起固定和支撐定子鐵芯，對于中、小型異步電動機，一般采用鑄鐵機座；對于大型異步電動機，一般采用鋼板焊接的機座。根據(jù)電動機的防護方式、冷卻方式和安裝方式的不同，機座的形式也不同。

2.轉(zhuǎn)子部分三相異步電動機的轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組兩部分組成。

1)轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)子鐵芯的作用與定子鐵芯相同，既作為電動機磁路的一部分，又用來安放轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯也是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上。

2)轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、流過電流并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的不同分為鼠籠型和繞線型轉(zhuǎn)子兩種。

(1)鼠籠型轉(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子鐵芯的每一個槽內(nèi)用鋁水澆鑄填滿，冷卻后就成為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，并且在澆鑄時將導(dǎo)條、端環(huán)和風(fēng)扇葉片一次鑄成，故稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖11-7(a)所示。若除去轉(zhuǎn)子鐵芯，則剩下導(dǎo)條和端環(huán)，其形狀像老鼠籠子，故稱為鼠籠型轉(zhuǎn)子，如圖11-7(b)所示。100kW以下的異步電動機一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。

(2)繞線型轉(zhuǎn)子。圖11-8(a)所示為繞線型轉(zhuǎn)子，與定子繞組一樣，它也是對稱三相繞組。繞線型轉(zhuǎn)子一般接成星形，三根引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上的三個與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相連，如圖11-8(b)所示。它可以把附加電阻接到轉(zhuǎn)子繞組回路中去，以改善電動機的運行性能。圖11-7鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組圖11-8繞線型轉(zhuǎn)子繞組(a)外形圖；(b)接線圖

3.其他部分其他部分包括端蓋、軸承和風(fēng)扇等。端蓋對電動機起防護作用并用于安裝軸承。軸承用于支撐轉(zhuǎn)子軸。風(fēng)扇用來通風(fēng)冷卻。11.3三相異步電動機的銘牌每一臺三相異步電動機的機座上都有一塊銘牌，標注有電動機的型號、額定值、繞組接線方式、防護等級等，如表11-1所示。

1.型號異步電動機的型號一般由漢語拼音的大寫字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成，主要表征電動機的種類、規(guī)格和用途等。具體含義如下所示：

2.額定參數(shù)異步電動機在銘牌上標注的額定值主要有下列幾項：

(1)額定功率PN。指電動機在額定運行時轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率，單位是kW。

(2)額定電壓UN。指額定運行時電網(wǎng)加在定子繞組上的線電壓，單位是V或kV。

(3)額定電流IN。指電動機在額定電壓下，輸出額定功率時，輸入定子繞組中的線電流，單位是A。

(4)額定轉(zhuǎn)速nN。指額定運行時電動機的轉(zhuǎn)速，單位是轉(zhuǎn)/分(r/min)。

(5)額定頻率fN。指電動機所接電源的頻率，單位是Hz。我國的工頻頻率為50Hz。

3.防護等級電動機的防護等級用字母IP和兩個數(shù)字表示，I是International(國際)的第一個字母，P是Protection(防護)的第一個字母，IP后面的第一個數(shù)字代表第一種防護形式(防塵)的等級，第二個數(shù)字代表第二種防護形式(防水)的等級，數(shù)字越大，表明防護的能力越強。

4.接法用Y或△表示。表示在額定運行時，定子繞組應(yīng)采用的連接方式，Y表示星形連接，△表示三角形連接。

5.絕緣等級絕緣等級決定了電動機的允許溫升，有時也不標明絕緣等級而直接標明允許溫升。

6.工作方式電動機的工作方式與電動機允許的溫升有關(guān)，分三種情況：

(1)連續(xù)運行。依據(jù)電動機銘牌規(guī)定的參數(shù)，長期連續(xù)運行，其各部分的溫升不會超過允許值。

(2)短時運行。依據(jù)電動機銘牌規(guī)定的參數(shù)，由實際冷態(tài)開始，在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)運行，才可保證電動機不超過允許溫升值。

(3)周期運行。依據(jù)電動機銘牌規(guī)定的參數(shù)，電動機按照周期性方式工作，每個周期包括額定負載時間和停機或空載時間。額定負載時間與周期時間之比稱為負載持續(xù)率。標準的負載持續(xù)率為15%、25%、40%及60%。每個周期為10min。習(xí)題

11-1簡述異步電動機的工作原理，并解釋“異步”的意義。

11-2什么叫轉(zhuǎn)差率？異步電動機的額定轉(zhuǎn)差率一般是多少？啟動瞬時的轉(zhuǎn)差率是多少？轉(zhuǎn)差率等于零對應(yīng)什么情況，這在實際中存在嗎？

11-3異步電機有哪三種運行狀態(tài)?對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率范圍各是多少?

11-4三相異步電動機的主要結(jié)構(gòu)有那幾部分？分別起什么作用？

11-5為什么異步電動機的定、轉(zhuǎn)子鐵芯要用導(dǎo)磁性能良好的硅鋼片制成？空氣隙為什么必須很?。?/p>

11-6異步電動機的額定電壓、額定電流、額定功率的定義是什么？

11-7三相異步電動機銘牌上標注