第四章 交流电动机及电气控制 （交流电动机工作原理）,概 述,三相 异步电动机 异步电机 单相 交流电机 异步发电机 同步发电机 同步电机 同步电动机 同步调相机,同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。现代电力工业几乎都是采用同步发电机。 异步电机主要用作电动机，可分为三相异步电动机和单相异步电动机两类。 三相异步电动机广泛应用于工、农业生产、交通运输业、国防工业中，有90左右的电动机采用三相异步电动机。在电网总负荷中，异步电动机占60左右。 单相异步电动机常用于使用单相交流电源的家用电器和医疗仪器中。,三相异步电动机的特点 优点：结构简单、运行可靠、坚固耐用、维护方便、价格便宜、效率较高 。 缺点：1. 调速、起动性能较差。随着晶闸管元器件及交流调速系统的发展，调速性能已大大改善。 2. 功率因数低。运行时从电网中吸收感性无功功率，以建立旋转磁场，使电网功率因素下降；受电网电压波动影响较大。,继电-接触器式控制是应用最早的控制系统，它是由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等组成的控制电路。 用来实现对电力拖动系统的起动、制动、反转和调速的控制；实现对电力拖动系统的保护和生产过程的自动化。 尽管电力拖动系统已向无触点、连续控制、弱电化、微机控制方向发展，但由于继电-接触器控制系统具有结构简单、维护方便、价格低廉等优点，能够满足各种生产机械的不同的工艺过程，目前仍然广泛应用。,第一节 三相异步电动机的基本工作 原理和结构,一、旋转磁场的产生 三相异步电动机的定子绕组是一个三相对称绕 组，若通以三相对称交流电流，将产生旋转磁场。 以两极三相异步电动机为例，如图4-1所示。三 相对称绕组是指每相绕组的匝数、连接规律等相同， 在空间布置上各相轴线相差120空间电角度的绕 组，线圈的首端分别为U1、V1、W1，尾端分别为 U2、V2、W2。,图4-1 两极旋转磁场示意图,三相对称电流在时间上相差120，其表达式为 规定：电流为正时，电流从线圈的首端(U1、V1、 W1)流入，从线圈的尾端（U2、V2、W2）流出；电 流为负值时则方向相反，从线圈的首端流出，而从线 圈的尾端流入。用符号“”表示电流流入，“”表示 电流流出。*根据右手螺旋定则来判断三相绕组中电流 产生的合成磁场的方向。,三相基波合成磁场的特点： 第一，三相基波合成磁场在空间是正弦分布， 其轴线在空间是旋转的旋转磁场。其幅值恒 定不变，是圆形旋转磁场。 第二，当某相电流达到最大值时，合成磁场的 轴线也正好转到该相的相轴上。因此，在三相绕组 空间排序不变的条件下，旋转磁场的转向由电流的 相序决定。* *若要改变旋转磁场的转向，只需将三相电源进 线中的任意两相对调即可。,第三，旋转磁场的转速n1（同步转速） 两极电机的旋转磁场转速为 n1= 60 (rmin) p=1 四极电机的旋转磁场转速为 (rmin) p=2 因为，电角度=p机械角度 p磁极对数 所以，三相异步电动机的旋转磁场转速的一般 表达式为 (rmin) (4-1),图4-2 四极旋转磁场示意图,定子绕组通入三相交流电流,旋转磁场,切割转子绕组,转子绕组产生感应电势,转子中产生感应电流,转子电流与磁场作用,产生电磁转矩,运转,二、三相异步电动机的基本工作原理,图4-3 三相异步电动机旋转原理,显然，三相异步电动机的转子转速最终不会加 速到等于旋转磁场的转速。 如果同步，转子绕组与旋转磁场之间没有相对 运动，就不会感应电动势并产生电流，也不会产生 电磁转矩使转子继续转动。 所以转子的转速n总要略低于旋转磁场的转速 n1，这就是异步电动机的“异步”由来。,转差(n1 - n)是异步电动机运行的必要条件，将 转差(n1 - n)与同步转速n1的比值称为转差率，用符 号s表示，即 (4-2) 转差率是异步电动机的一个基本参数，它对电 机的运行有着很大的影响。 n = n1(1-s),异步电机工作在电动状态时，其转速与同步速 同方向，但略低于同步速，所以电动状态的转差率 s的范围是：01。 其中 s = 0，是理想空载状态； s = 1，是起动瞬间。 对普通的三相异步电动机，为了使额定运行时 的效率较高，额定转差率sN一般为0.020.06。 因此当标准工业频率（即电流频率）为50Hz 时，对应不同极对数的同步速分别为： p = 1， n1= 3000rmin；p = 2，n1= 1500rmin； p = 3， n1= 1000rmin；p = 4， n1= 750rmin； p = 5， n1= 600rmin 。,三、三相异步电动机的基本结构,机壳 定子绕组 转子绕组 1.定子 定子铁心 2.转子 转子铁心 接线盒 转轴 端盖 轴承,三相异步电动机的分类： 若按转子绕组结构分类有：笼型异步电动机和 绕线转子异步电动机两类。笼型转子结构简单、制 造、维护方便、成本低、运行可靠；绕线转子可通 过外串电阻来改善起动性能并进行调速。 若按机壳的防护形式分类有：防护式、封闭式 和开启式。 还可按电动机容量的大小、冷却方式等分类。,图4-4 封闭式三相笼型异步电动机的结构图,1定子 主要由定子铁心、定子绕组和机座等构成。 (1)定子铁心 定子铁心是电动机主磁路的一部分，并放置定 子绕组。为了提高导磁性能和减少交变磁场在铁心 中的铁心损耗，故采用片间绝缘的0.5mm厚的硅钢 片迭压而成。 定子铁心及冲片的示意图如图4-5a、b所示。为 了放置定子绕组，在铁心内圆开有槽，槽的形状有： 半闭口槽、半开口槽和开口槽等。,图4-5 定子铁心及冲片的示意图 a) 定子铁心 b) 定子冲片,图4-6 定子铁心槽形和绕组分布示意图 a) 半闭口槽 b)半开口槽 c)开口槽,(2)定子绕组 定子绕组是电动机的定子电路部分，它将通过 电流建立磁场，并感应电动势以实现机电能量转换。 三相定子绕组的每相由许多线圈按一定的规律 嵌放在铁心槽内，单层：如图4-6a所示；双层：如 图4-6b、c所示。 三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端 分别为U1、V1、W1，尾端分别为U2、V2、W2。 为了接线方便，这六个出线端在接线板上的排列如 图4-7所示，根据需要可联成星形或三角形。,图4-7 定子绕组的联结 a)星形联接 b)三角形联接,(3)机座 机座是电动机机械结构的组成部分，主要作用 是固定和支撑定子铁心还要固定端盖。 在中小型电动机中，端盖兼有轴承座的作用， 则机座还要支撑电动机的转子部分，故机座要有足 够的机械强度和刚度。 中小型电动机一般采用铸铁机座，而大容量的 异步电动机采用钢板焊接机座。,2转子 由转轴、转子铁心和转子绕组等所构成。 (1)转子铁心 转子铁心也是电动机主磁路的一部分，并放置 转子绕组。也用0.5mm厚的冲有转子槽形的硅钢片 叠压而成。 (2)转轴 转轴是支撑转子铁心和输出转矩的部件，必须 具有足够的刚度和强度。转轴一般用中碳钢车削加 工而成，轴端铣有键槽，用来固定带轮或联轴器。,(3)转子绕组 作用是感应电动势、流过电流并产生电磁转矩。 按其结构形式可分为笼型转子和绕线转子。 笼型转子:在转子铁心的每个槽内插入一根 导体，在铁心的两端分别用两个导电端环把所有的 导条联结起来，形成一个自行闭合的短路绕组。如 图4-8所示，称为笼型转子。 对于中小型三相异步电动机，笼型转子绕组一 般采用铸铝，将导条、端环和风叶一次性浇铸，如 图4-8b所示。 大型三相异步电动机则采用铜条笼型转子，如 图4-8a所示。,图4-8 笼型转子绕组结构示意图 a) 铜条笼型绕组 b) 铸铝笼型绕组 1-风叶 2-端环 3-铝导条,绕线转子： 绕线转子绕组与定子绕组一样，是对称三相绕组。联 结成Y后，其三根引出线分别接到轴上的三个集电环，再 经电刷引出而与外部电路接通，如图4-9a所示。可以在转 子回路中串入外接的附加电阻或其它控制装置，以改善三 相异步电动机的起动性能及调速性能。 绕线转子异步电动机还装有提刷短路装置，如图4-9b 所示。当电动机起动完毕而又不需调速时，可操作手柄将 电刷提起切除全部电阻同时使三只集电环短路起来，其目 的是减少电动机在运行中电刷磨损和摩擦损耗。,图4-9 绕线转子异步电动机示意图 a)接线图 b)提刷装置 1-定子 2-转子 3-电刷 4-集电环,3气隙 三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，比同容量直流电动机的气隙要小得多，一般仅为0.21.5mm。 气隙的大小对三相异步电动机的性能影响很大。气隙大，则磁阻大，由电网提供的励磁电流(滞后的无功电流)大，使电动机运行时的功率因数降低。但是气隙过小时，将使装配困难，运行不可靠；高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使起动性能变差。,四、三相异步电动机的铭牌,表4-l 三相异步电动机的铭牌,1型号 Y 112M-2 规格代号，表示中心高112mm，中机座，两极 产品代号，表示异步电动机 YR 160S2-4 WF 特殊环境代号，W表示户外用，F表示化工防腐用 规格代号，表示中心高160mm，短机座2号(长)铁心，四极 产品代号，Y表示异步电动机，R表示绕线转子,2额定值 额定值规定了电动机正常运行状态和条件，是 选用、安装和维修电动机时的依据。 异步电动机的铭牌上标注的主要额定值有： (1)额定功率PN 指电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率(kW)。 (2)额定电压UN 指额定运行时，加在定子绕组出线端的线电压(V)。 (3)额定电流IN 指电动机在额定电压额定频率下，轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流(A)。,对三相异步电动机的额定功率与其它额定数据 之间有如下关系式 (4-3) 式中cosN 额定功率因数； N 额定效率。 (4)额定频率N 表示电动机所接的交流电源的频率，我国电网的频率(即工频)规定为50Hz 。 (5)额定转速nN 指电动机在额定电压、额定频率下，轴上输出额定功率时的转子转速(rmin)。,(6) 绝缘等级 指电动机内部所用绝缘材料允许的最高温升等级，它决定了电动机的允许温升。 (7) 接法 用Y或表示。表示在额定运行时，定子绕组应采用的连接方法。 (8)工作制 指电动机按定额运行时的持续时间。分为三种工作制：长期工作制S1、短时工作制S2、断续工作制S3。,五、三相异步电动机的主要系列简介 新系列电机符合国际电工协会(IEC)标准，具有 国际通用性，技术、经济指标更高。 我国生产的异步电动机主要产品系列有: Y系列：是一般用途的小型笼型全封闭自冷式 三相异步电动机，取代了原先的JO2系列。 额定电压为380V，额定频率为50Hz，功率范围 为0.55315kW，同步转速为6003000rmin，外 壳防护型式有IP44和IP23两种。,该系列主要用于金属切削机床、通用机械、矿 山机械和农业机械等。也可用于拖动静止负载或惯 性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、锤 击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。 YR系列：为三相绕线转子异步电动机。用在 电源容量小，不能用同容量笼型异步电动机起动的 生产机械上。,第二节 三相异步电动机的等效电路,三相异步电动机的定子和转子之间只有磁的耦合，没有电的直接联系，它是靠电磁感应作用，将能量从定子传递到转子的。 这一点和变压器完全相似。三相异步电动机的定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组则相当于变压器的二次绕组。 因此，可以用分析变压器的基本方法来分析异步电动机内部的电磁关系。,图4-10 异步电动机的定子和转子电路,三相异步电动机的实际电路如图4-10所示