三相异步电机

三相异步电机 3(7 三相变压器 现代电力系统均采用三相制，因而三相变压器的应用极为广泛。三相变压器可以用三个单相变压器组成，这种三相变压器称为三相变压器组;还有一种由铁轭把三个铁心柱连在一起的三相变压器，称为三相心式变压器。从运行原理来看，三相变压器在对称负载下运行时，各相电0压、电流大小相等，相位上彼此相差120。 3(7(1 三相变压器的磁路系统 三相变压器的磁路系统按其铁心结构可分为组式磁路和心式磁路。 一、组式(磁路)变压器 三相组式变压器是由三台单相变压器组成的，相应的磁路称为组式磁路。由于每相的主磁通由各沿自己的磁路闭合，彼此不相关联。当一次侧外施三相对称电压时，各相的主磁通必然对称。三相组式变压器的磁路系统如图3(7(1所示。 图3(7(1 三相组式变压器的磁路系统 二、心式(磁路)变压器 三相心式变压器每相有一个铁心柱，三个铁心柱用铁轭连接起来，构成三相铁心，如图3(7(2所示。这种磁路的特点是三相磁路彼此相关。从图上可以看出，任何一相的主磁通都要通过其他两相的磁路作为自己的闭合磁路。三相心式变压器可以看成是由三相组式变压器演变而来的。如果把三台单相变压器的铁心合并成图3(7(2(a)的形式，在外施对称三相电压时，三相主磁通是对称的，中间铁心柱的磁通Φ+Φ+Φ=0，即中间铁心柱无磁通通过，因此可将中间铁心柱省去，UVW 如图3(7(2(b)所示。为制造方便和降低成本，把V相铁轭缩短，并把三个铁心柱置于同一平面，便得到三相心式变压器铁心结构(如图3(7(2(c)所示。在这种变压器中，中间V相磁路最短，两边U、W两相较长，三相磁路不对称。当外施对称三相电压时，三相空载电流便不相等，但由于空载电流较小，它的不对称对变压器负载运行的影响不大，所以可略去不计。 与三相组式变压器相比，三相心式变压器省材料，效率高，占地少，成本低，运行维护方便，故应用广泛。只在超高压、大容量巨型变压器中由于受运输条件限制或为减少备用容量才采用三相组式变压器。 图3(7(2 三相心式变压器的磁路系统 3(7(2 三相变压器的电路系统——联结组别 一、三相绕组的联结 在三相变压器中，不论一次绕组或二次绕组，我国主要采用星形和 2、V2、W2(或u2、v2、三角形两种联结方法。把三相绕组的三个末端U w2)联结在一起，而把它们的首端Ul、V1、W1(或u1、vl、w2)引出，便 (7(3(a)所示。把一相绕组的是星形联结，用字母Y或y表示，如图3 末端和另一相绕组的首端连在一起，顺次连接成一闭合回路，然后从首端U1、V1、W1(或u1、v1、w1)引出，如图3(7(3(b)、(c)所示，便是三角形联结，用字母D或d表示。其中，在图(b)中，三相绕组按U1—U2W1—W2V1—V2Ul的顺序联结，称为逆序三角形联结。在图(c)中，三相绕组按U1—U2V1—V2W1—W2U1的顺序联结，称为顺序三角形联结。 (a)星形联结 (b)三角形联结(逆序联结) (c)三角形联结(顺序联结) 图3(7(3 三相线圈联结方法及相量图 二、单相变压器的极性 首先掌握单相变压器原、副边电动势(电压)之间的相位关系，即单相变压器的极性。 单相变压器的主磁通及原、副绕组的感应电动势都是交变的，无固定的极性。极性是指某一瞬间的相对极性，即高压绕组的某一端点的电位为正(高电位)时，低压绕组必有一个端点的电位也为正(高电位)，这两个具有正极性或另两个具有负极性的端点，称为同极性端，用符号“?” (7(4(a)所示，也可能在表示。同极性端可能在绕组的对应端，如图3 绕组的非对应端，如图3(7(4(b)所示，这取决于绕组的绕向。当原、副绕组的绕向相同时，同极性端在两个绕组的对应端;当原、副绕组的绕向相反时，同极性端在两个绕组的非对应端。 图3(7(4 线圈的同极性端 单相变压器的首端和末端有两种不同的标法。一种是将原、副绕组的同极性端都标为首端(或末端)，如图3(7(5(a)所示，这时原、副绕组电动势E与E同相位(感应电动势的参考方向均规定从末端指向首Uu 端)。另一种标法是把原、副绕组的异极性端标为首端(或末端)，如图3.7.5(b)所示，这时E与E反相位。 Uu 图3(7(5 不同标志和绕向时原、副绕组感应电动势之间的相位关系 采用“时钟表示法”来表示高、低压绕组电动势之间的相位关系，即把高压绕组电动势相量E作为时钟的长针，并固定在"12”上，低压U 绕组电动势相量E作为时钟的短针，其所指的数字即为单相变压器联结u 组的组别号，图3(7(5(a)可写成:I,I0，图3(7(5(b)可写成I,I6， 其中I,I表示高、低压线圈均为单相线圈，0表示两线圈的电动势(电压)同相，6表示反相。 我国国家规定，单相变压器以I,I0作为标准联结组。 三、三相变压器的联结组别 三相变压器原、副边三相绕组均可采用Y(y)联结或YN(yn)联结，也可采用D(d)联结。逗号前的大写字母表示高压绕组的联结;逗号后的小写字母表示低压绕组的联结，N(或n)表示有中性点引出。 0 原、副边线电动势的相位差总是30的整数倍。仍采用时钟表示法，这时短针所指的数字即为三相变压器联结组别的标号，将该数字乘以030，就是副绕组线电动势滞后于原绕组相应线电动势的相位角。 1(Y,y联结 图3(7(6(a)为三相变压器Y,y联结时的接线图。在图中同极性端子在对应端，这时原、副边对应的相电动势同相位，同时原、副边对应的线电动势E与E也同相位，如图3(7(6(b)所示。这时如把EUVuvUV指向12点上，则E也指向12，联结组就写成Y,y0。 uv 如高压绕组三相标志不变，而将低压绕组三相标志依次后移一个铁0心柱，在相位图上相当于把各相应的电动势顺时针方向转了120(即4 ，则得Y,y4联结组;如后移两个铁心柱，则得8点，记为Y,y8个点) 联结组。如图3(7(7所示，原、副边对应相的相电动势反向，得到了Y,y6联结组。同理，将低压侧三相绕组依次后移一个或两个铁心柱，便得Y,y10或Y,y2联结。 图3(7(6 Y,y0连接组 图3(7(7 Y,y6联结 图3(7(8 Y,d11联结 2(Y,d联结 图3(7(8所示，副绕组作逆序三角形联结，原、副边对应相0的相电动势同相位，但线电动势E与E的相位差为330，用Y,d11UVuv 表示。同理，高压侧三相绕组不变，而相应改变低压侧三相绕组的顺序，则得Y,d3和Y,d7联结组。如将副绕组按顺序三角形联结，如图3(7(90所示。E与E相位差为30，得到Y,dl联结。 UVuv 综上所述可得，对Y,y联结而言，可得0、2、4、6、8、10等六个偶数组别;而Y,d联结而言，可得1、3、5、7、9、11等六个奇数组别。 国家标准规定Y,yn0;Y,d1;YN,d11;YN,y0和Y,y0等五种作为三相双绕组电力变压器的标准联结组。其中以前三种最为常用。Y,yn0联结组的二次绕组可引出中性线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。Y,d11用于低压侧电压超过400V的线路中。YN,d11主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。 图3(7(9 Y,dl联结组 三相异步电动机的基本原理 教 师 姓 名 * * * 教 师 姓 名 张 玉 梅 授 课 日 期 学 时 4学时 培 训 班 第 期 培 训 班 性 质 电 工 取 证 授课地点 教 学 科 目 电机拖动 项目名称 三相异步电动机的基本原理 课 型 综 合 知识目标 通过教学使学生理解和掌握三相异步电动机的基本的原理和结构 能力目标 使学生在工作中能够熟练、、安全地使用三相异步电动机 德育目标 培养学员严谨的工作作风，从而提高工作能力，为生产提供保障 教学重点 三相异步电动机的原理和使用方法 教学难点 三相异步电动机的原理及在工作中的应用 1、如何能提高三相异步电动机的拆装速度, 空 白 点 2、如何用万用表、电桥、钳表、摇表检测运行电机的参数变化是否符合规定, 3、学生在做测量时出现或可预见的一些问。 教学方式 讲授:探究体验式、启发式、试验活动等方式 教学手段 多媒体:Microsoft PowerPoint 三相异步电动机的基本的结构和原理 一、电动机的分类 二、电动机的结构 三、电动机的使用 四、实际应用 通过学员教 学 过 程 的活动和讨 论，激发学组织教学 引导学员思考:电动机的使用方法举例对比 员对新知识 1、 学员活动:用万用表测电动机、观看电动机的部件 的渴望，从课前活动 2、学员讨论:请你总结一下电动机的结构, 而自然地切 它们各是什么作用, 入新课教学 导入新课 引言: 异步电动机是工业、农业、国防、日常生活和医疗器械教学设计 中应用最广泛的一种电动机，它的主要作用是驱动生产机械和生 活用具。其单机容量可从几十瓦到几千千瓦。随着电气化和自动学员首先 化程度的不断提高，异步电动机将占有越来越重要的地位。据统明确电机的 计，在供电系统的动力负载中，约有70,是异步电动机，可见它应用范围和揭示课题 在工农业生产乃至我们日常生活中的重要性。 学习电机的 异步电动机分类方法虽不同，但各类三相异步电动机的基本意义。 结构却是相同的，只有掌握了它，才能合理运用。 新授内容 三相异步电动机的基本的原理和结构 【教师活动】 1、介绍本节课的知识结构 使学员明 1、电动机的分类和型号 确本次课的 三相异步电动机 2、电动机的结构 教学目的和 3、电动机的原理 要求。 4、电动机的实际应用 2、介绍电动机的分类。 三相异步电动机种类繁多，若按转子结构分为鼠笼式和绕线 式异步电动机两大类;若按机壳的防护形式分类，鼠笼式可分为增加学员 防护式、封闭式、开启式，其外形如图5-1所示。按冷却方式异步学习的兴趣 电动机可以分为自冷式、自扇冷式、管道通风式、液体冷却式。和热情，丰 异步电动机分类方法虽不同，但各类三相异步电动机的基本结构富课堂教学 却是相同的。的效果。 3、、【电脑投影:一些不同类型的电动机】引导学员对电动机分类。 一、 电动机的结构 【电脑板书】 1、定子部分 可以给学 员提供一些 网址，供学 员自己学习 时，以便了 解最新发展 情况。 定子机座和铁心冲片 2、转子部分 笼式转子 【学员活动:学员通过观察了解电动机的分类】 教学重点 二、电动机的原理 教学难点 【教师活动】 【电脑投影:电动机分析图片】请大家结合实物观察分析。 学员熟悉 电桥的面板 结构和各部 分组成的作 用，可以更 好的分析使 用电机。 【电脑板书】 在磁场中的载流导体将受到电磁力的作用，根据电动机左手 定则，上下两根导条所受电磁力的方向如图所示。在图中可以看 出，N 极下的导条受力方向是朝向右，而S 极下的导条受力方向 是朝向左。这一对力形成一顺时针方向的转矩。如果我们把异步 电动机的鼠笼式转子放置在旋转磁场中代替线框，不难想象，当 磁场旋转时，在磁极经过下的每对导条都会产生这样的电磁转矩， 在这些电磁转矩的作用下，转子就按顺时针的方向旋转起来了。 当然，如果磁场按逆时针方向旋转，转子也将按逆时针方向旋转。 由此可见，转子的旋转方向同旋转磁场的旋转方向是相同的。 原理要求 学员在教师 接成星形的三相定子绕组 教学重点 的指导下， 自主探究电 三、电动机的实际应用 动机的工作 1、实际连线 原理。但推 导过程只作 一般了解。 U2W2V2U2W2V2 U1V1W1U1V1W1 2(三相异步电动机的额定值【电脑板书】 (1)额定功率P:指电动机额定状态下运行时，电动机转子轴上输出 N 的机械功率。单位为kW或W。对于三相异步电动机， P=UIηCOS3NNNN -3φ× 10 ，其中U为电动机的额定电压(V)，I为电动机的额定电流 N NN (A)，η为电动机的额定效率，COSφ为电动机的额定功率因数，P的 授课,NNN 单位为KW。对于380V的电动机，I?2 P，因此可以根据电动机的额定 中强调电机NN 功率估算出额定电流，即一千瓦两个电流。 参数的重要 (2)额定电压U(V):指电动机额定工作状态时，加在定子绕组上 性，并注重N 的线电压。 安全生产教 (3)额定电流I(A):指电动机额定工作状态时，流入定子绕组的线 育。 N 电流。 (4)额定转速n(r/min):指电动机额定工作状态时，电动机转速。 N (5)额定频率f(Hz):指电动机定子侧电压的频率。我国电网f=50 Hz。 NN 【教师活动:电脑投影:电动机的原理图】给予一定的指导。 【学员探究活动:讨论三相异步电动机的铭牌，从而更好的理解 原理，指导应用】 三相异步电动机的铭牌 三相异步电动机 分组讨论 可以帮助学型号Y2—200L—4 功率30kW 电流57.63A 电压380V 员更好地掌 频率50HZ 接法D 转速1470r,min LW79dB,A 握电桥的使 用方法，同防护等级IP54 工作制S1 F级绝缘 重量270kg 时拓宽知识 点在深层次X X 电 机 厂 的挖掘。 【教师指导活动:正确理解电动机。】教师说明概念。 三、交流绕组的几个基本概念【电脑详细板书】 (1)线圈(元件) (2)极矩τ (3)线圈节距y (4)机械角度与电 角度 (5)槽距角α (6)每极每相槽数q (7)相带 在教学中 【教师提问:1、如何认识以上概念, 实际操作 应根据学员 2、在图纸中找到以上概念】 的工种特 点，授课注【学员体验式活动】:学员分组操作中去获得答案 重理论联系 【教师设计题目】:1、给你提供万用表，如何检测运行电机的极 生产实际。 对数,我们一起来练练手吧～ 这一点很重 这是2006今年举行的石油销售系统维修电工大赛上的一道技能 要。 操作题目，要求学员能够规范操作。 2、将电机按要求连接到电源上运行 【综合评价:】具体规范步骤详见附表一、二 表格填写应 注意规范巩固练习 【教师预见测量中可能出现的问题，并用电脑展示:】 性。 【学生快乐互动活动】:【多媒体展示:轻松观看正确答案吧～】 设计构思: 在电机图上演示，指出正确答案。 营造轻松 是为巩固本堂课内容而设计，让学员在轻松而愉快的课堂气氛中而愉快的课 结束本节课的学习。 堂气氛 课堂小结 我们这堂课除了对所学过的知识复习以外，更重要的是学习了电动机的原 理和结构。同时提高了一定的技能操作水平。 课外作业 1、如何选择电动机,为什么, 2、写出技能操作题目规范的操作步骤:交流电动机参数测量及评价 课后加以总结后再填写。 课后反思 编定日期:2006年 11 月 2 日 教 师 签 字: * * * 教研组长签字: * * * 审定日期:2006年 11 月 6 日 教务主任签字: * * * 第一章 三相异步电动机的基本原理 1.1 三相异步电动机的工作原理与结构 三相异步电动机的定子装有三相对称绕组，当接至三相交流电源 时，流入定子绕的三相对称电流在电机气隙内产生一个旋转磁场n1旋转 的磁场。转子导体嵌放在转子铁心槽内，两端被导电环短接。当旋转磁 场以逆时针方向旋转时，转子导条切割磁力线产生感应电动势，其方向 可用右手定则来判别，如下图所示。转子上半部导体中的电动势方向都 是进入纸面，用?来表示，下半部导体中的电动势方向都是穿出纸面， 用?表示。在转子回路闭合的情况下，转子导体中就有电流流通。如不 考虑转子绕组电感，那么电流的方向与电动势必的方向相同。 转子载流导体在旋转磁场中将受到电磁力|F的作用，导体所受 电磁力的方向可用左手定则来判定。如下图所示，转子上各 导条都受到逆时针的电磁转矩T，在电磁转矩T的作用下转 子以逆时针方向旋转，其转速为n与旋转磁场方向相同。由 于转子导体电流是通过电磁感应产生的，所以也可把这种电 动机称作感应电动机。 1.2三相异步电动机的基本结构 图1.2所示的是一台三相异步电动机的结构图。它主要分为锭子和转子两大部分，锭子、转子中间是空气隙。 图1.2 三相异步电动机结构图 1-轴承 2-前端盖 3-转轴 4-接线盒 5-吊攀 6-锭子铁心 7-转子 8-锭子绕组 9-机座 10-后端盖 11-风罩 12-风扇 附表:三相异步电动机参数测量及评价评分表 学生姓名: 班级: 课程名称: 小组成员: 带队教师: 实训日期: 序 自互教师 综合考核内容 评分标准 号 评 评 评分 得分 1( 设计思10 1( 方案设计思路不清扣5分 方案设 路2实施步骤策2( 实施步骤策划不合理扣5分 计 划 1 2( 安全意识及10 3( 缺乏安全意识 课前 提前的劳动保护 4( 没有按要求穿戴劳动保护 准备 3( 方案设计 3(没有方案设计 2 20 1.带电测量未注意安全扣5分 测量空用钳型表测量电 2.档位选择错误扣2分 载电流 动机每相空 3.带电换档扣5分 载电流 4.测量时钳型表使用不规范每一处扣1分 5.测量数据错误扣5分 3 1(带电测量未注意安全扣1分 测量电万用表测量 10 2(档位选择错误扣2分 源电压 电源电压 3. 测量错误2分 4 1( 未断电本项不得分 1、将电动机断电、10 2( 未验电扣2分 检测前验电、放电 3( 未放电扣2分 的准备 2、拆除电源线、4( 未拆除电源线引线扣2分 拆除连接片 5( 未拆除电机连接片扣4分 5 1( 兆欧表选择错误扣2分 2( 未开路或短路校验兆欧表每一处 扣1分，不能判断兆欧表好坏扣2分 测量绝测量电动机相对 20 3( 接线错误扣2分 缘电阻 地、相间绝缘电阻 4( 测量时表使用不规范每一处扣1分 5( 少测量一项扣3分 6 1( 未粗测量绕组电阻值扣2分 1、 万用表粗测 2( 未按正确使用方法操作每错 电动机绕组10 误一处扣2分 测量直直流电阻 3( 损坏单臂电桥指针扣3分 流电阻 2单臂电桥测电 4( 少测量一相扣5分 动机绕组直流电5( 测量数据错误扣5分 阻 6( 未记录测量数据本项不得分 7 综合素坚韧和能吃苦的10 1( 坚韧和能吃苦的品质 质 品质2独到见解2( 独到见解和创新精神 和创新精神3(团3( 不能团队合作与沟通能力 队合作与沟通能 力 8 安全文1养成良好的生10 1未按要求填写操作记录扣5分 明生产 产习惯 2未清理现场离开扣5分 2营造良好的学3工具摆放杂乱扣5分 习气氛 4安全责任心不足扣5分 合 计 目录 第一章 绪论....................................................2 第二章 三相异步电机工作原理及特性.................................2 2.1 三相异步电机的基本结构.....................................2 2.2 三相异步电机的工作原理.....................................3 2.3 三相异步电动机工作特性.....................................4 第三章 三相异步电机启动出现的问题.................................6 3.1 三相异步电动机启动时的要求 ................................6 3.2 三相异步电动机启动时产生的问题 ............................7 3.3工业生产机械不同的起动条 .................................8 第四章 三相异步电机的典型启动方式 ...............................8 4.1.直接启动 ................................................8 4.2软启动 ...................................................9 4.3降压启动 ..............................................10 结论 ..........................................................15 致谢 ..........................................................16 参考文献 .......................................................17 1、绪论 目前，工业中原动力主要由电动机提供，电动机可分为直流和交流电机。由于直流电机和交流电机的特点又决定了机械设备的动力大多由交流异步电机提供，尤其以鼠笼式电机居多。根据统计，在电网的总负载中，动力负载约占59%，而异步电机则占总动力负载中的85%，由此可见异步电动机在工农业中的重要性，异步电机的应用范围是非常广的，容量从几十瓦一直到几千瓦，应用在各种行业，例如，在工业方面，中小型的轧钢设备都采用异步电机，它也被广泛地用在各种机床上和在各种轻工业中作为一般的动力装备。在矿山上，它常用来拖动卷扬机和鼓风机等。在农业方面，它被用来拖动水泵和其它副产品加工机械。此外，它在人民日常生活中也越来越占重要地位，例如电扇，冷冻机，和各种医疗机械钟也都采用异步电机。总之，异步电动机应用范围广，需要量大，而且随着电气化自动化的发展，它在工农业生产和人民生活中的重要性也将逐步增大。 与直流电机相比，交流电机有结构简单、成本低、可靠性高等一系列优点，但是相对欠缺的是其启动性能和调速性能。作为调速性能，随着变频技术的发展，已经得到了很好的解决，所以一直处于弱势的是其启动性能。因为在该阶段，由于启动过程中措施不到位导致电流过大有可能会出现烧毁电机和引发电网故障的现象，所以在工程界比较重视电机的启动问题。 2 、三相异步电机运行原理及特性 2.1三相异步电机的基本结构 三相异步电机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转的部分，在定子和转子之间有一定的气隙，叫空气隙。 定子由铁心、绕组和机座三部分组成。定子铁心是电机磁路的一部分，它由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片自间是绝缘的，以减少涡流损耗。硅钢片的内圈冲有定子槽，槽中安放绕组，铁心被叠压后成为一整体，固定于机座上。定子绕组是电机的电路部分，由许多线圈连接而成，每个线圈有两个有效边， 分放在两个槽里。三相对称绕组AX,BY,CZ可连接成三角形或星形。机座主要用于固定和支撑铁心定子。 转子由铁心和绕组组成。转子铁心压装在转轴上，由硅钢片叠压而成，转子铁心也是电机磁路的一部分。异步电机转子绕组多采用鼠笼式，它是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊接在两个铜端环上组成，小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇注而成。异步电机的绕组除了鼠笼式还有线绕式。线绕式转子绕与定子绕组一样，转子绕组一般是连接成星形的三相绕组转子绕组组成的磁极数与定子相同，线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能和调节转速。 鼠笼式和线绕式电动机转子构造虽然不同，但其工作原理是相同的。 2.2三相异步电机的工作原理 直流电动机是通过一静止的磁场与通入电枢绕组中的电流相互作用而产生一恒定方向上的电磁转矩使电机转动。而异步电机是通过一旋转的磁场与感应在转子绕组内所产生的电流相互作用而产生电磁转矩来实现转动。 图1三相异步电动机的工作原理 上图是三项异步电动机的工作原理图，定子上装有对称三相绕组，在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环把他们连接成一个 整体。当定子接通三项电源后，即在定子、转子之间的气隙内建立了一同步速为n1的旋转磁场。磁场旋转时将切割转子导体，根据电磁感应定律可知，在转子导体中将产生感应电势，其方向可由右手定则确定。磁场顺时针方向旋转，导体相对磁体为逆时针方向切割磁力线。转子上半边导体感应电势的方向为出来的，用?表示;下半边导体感应电势的方向为进去的，用?表示。因转子绕组是闭合的，导体中有电流，其方向与电势相同。载流导体在磁场中再受到磁力作用 ，其方向由左手定则确定，如图(1)。这样，在转子导体上形成一个顺时针方向的电磁转矩。于是 转子就跟着旋转磁场顺时针方向转动。 综上，三项异步电动机能够转动的必备条件:一是电动机的定子必须产生一个在空间不断旋转的旋转磁场，二是电动机的转子必须是闭合导体。 2.3三相异步电动机工作特性 2.3.1三相异步电动机的转矩特性 异步电动机的电磁转矩T是由载流导体在磁场中受电磁力的作用而产生的， 2222它使电动机旋转，T?CSRU/(fR+fSX)。 2I1 2120 u1——定子绕组线电压有效值，单位伏特(v); f——定子电源频率，单位是赫兹(Hz); 1 s——电动机的转差率; R——转子绕组一相电阻，单位是欧姆(Ω); 2 X——转子不动时一相感抗，单位是欧姆(Ω); 20 C——与电机结构有关的比例常数。为了分析方便，将异步电动机的电磁转矩T代替电动机的输出转矩T。 2 由于电动机的转子参数R及X是一定的，电源频率f也是一定的，故当电2201 源电压U一定时，上式即表明异步电动机的电磁转矩T只与转差率s有关，因1 此可用函数式T 表示，称为异步电动机的转矩特性，画出其图象则称为转矩特性曲。如下图所示: 图2异步电动机的转矩特性曲线 2.3.2异步电动机的机械特性 1)电动机的额定转矩的实用计算式 旋转机械的机械功率等于转矩和转动角速度的乘积,对于电动机而言,就有P=TΩ。 22 当电动机的输出转矩T用牛?米(N?m)作单位，旋转角速度Ω用弧度/秒(rad/s)2 作单位时，输出功率P的单位是瓦特。 2 在电动机中计算转矩时输出功率P的单位是千瓦(kW)，转速n的单位是转/2 分(r/min)，可以将计算公式简化，在额定状态下转矩公式为:Tn=9550Pn/Nn。 图3异步电动机的机械特性曲线 电动机在旋转时，作用在轴上的有两种转矩，一种是电动机产生的电磁转矩T，一种是生产机械作用在轴上的负载转矩T(其它如摩擦转矩忽略不计)，L 当T=T时，电动机便以某种相应转速稳定运行;当T,T时，电动机则提高转速;LL 当T,T时，电动机将降低转速。 L 2) 异步电动机的机械特性参数 (1)额定转矩 :额定转矩T是指电动机在额定状态下工作时，轴上输出的最大允许转矩。电动机的额定转矩可根据电动机铭牌的额定功率和额定转速用公式来求得。 (2)最大转矩与过载系数 电动机的额定转矩应小于最大转矩Tm，而且不许太接近Tm，否则，电动机略一过载，电动机便停转，因此，一般电动机的额定转矩较最大转矩小得多。把最大转矩与额定转矩的比值称作过载系数λ，它是表示电动机过载能力的一个参数。 (3)起动转矩与起动能力 电动机的起动转矩Tst是指电动机刚起动瞬间(n=0，s=1)的转矩。起动转矩与额定转矩之比可表示起动能力，用起动转矩倍数来表示，是标明异步电动机起动性能的重要指标。 空载或轻载起动的电动机，起动能力为1,1.8，一般的电动机起动能力为1.5,2.4，在重负荷下起动的电动机，要求有大的起动转矩，故起动能力可达2.6,3。 3 三相异步电机启动出现的问题 3.1.异步电动机启动时的要求 1)电动机有足够大的启动转矩。 2)一定大小启动转矩前提下，启动电流越小越好。 3)启动所需设备简单，操作方便。 4)启动过程中功率损耗越小越好。 3.2三相异步电动机启动问题 电动机的起动特性中最主要的是它的起动力矩。设起动力矩为,，为了机组能转动起来，必须大于拖动机械在n=0时的静负载力矩,加上静摩擦阻力。 图4电动机负载特性曲线 图4曲线1表示异步机的M—S曲线，曲线2和3表示(如图4)两种不同的负载特性曲线，为了能转动起来，必须要求a点在b点或c点的上面，否则机组将转动不起来。根据力矩平衡关系可以得出，为了保证能顺利加速到额定转速，在整个起动过程忠，必须保持正的加速度，也就要求电动机的电磁力矩M在整个起动过程中大于负载的制动力矩。在相同的惯量下，力矩的差额越大，加速越快。惯量大得机械，起动就较慢。对于重复起动的生产机械来说，加速过程的时间长短对劳动生产率的影响是很大的。 电动机起动特性的另一个问题是起动电流，在起动时电流的大小可以用等值电路来求得。异步机在额定电压下的起动电流常大于额定电流好几倍。起动电流太大的影响是:一方面将影响电源的电压，太大的起动电流将产生较大的线路压降，使得电源电压在起动时下降，特别当电源容量较小时电压降更多，可能影响电源上其它电机的运行。另一个方面，大的起动电流将在线路及电机中产生损耗引起发热，特别是当加速力矩较小，机组的惯量J较大，起动很慢的情况下，损耗将很多而发热也更严重。由上面可以看出，对电动机起动的要求是不同的，须看负载的特性，电网的情况等因素而定。有时要求有大的起动力矩，有时要求限制起动电流的大小，有时两个要求须同时满足。总的来说，要考虑下列各问题: 1.应该有足够大的起动力矩，适当的机械特性曲线; 2.尽可能小的起动电流; 3.起动的操作应该很方便;所用的起动设备应该尽可能简单、经济;起动过程中的功率损耗应尽可能的少。 3.3工业生产机械不同的起动条件 用电动机拖动的生产机械有不同的起动条件，有些机械在起动时负载力矩很小，随着速度的增大力矩渐增大到额定值，这些负载的例子如鼓风机，它的负载力矩差不多和转速的平方成正比，起动时只需克服一些静摩擦力矩。有些机械在起动时负载力矩就和额定转速时一样大，这类的例子象卷扬机等起重设备。有些机械则在起动过程中负载较轻，等速度高起来以后再加上负载，例如机床等。此外，起动的频繁程度也是需要考虑的因素。有些机械起动次数少，有些则不断地停而又再起动。这一切因素都将电动机起动性能提出不同的要求。 4 三相异步电机的典型启动方式 4.1.直接启动 直接启动就是用闸刀开关或接触器把电机直接接到具有额定电压的电源上。在变压器容量允许的情况下，鼠笼式异步电动机应该尽可能采用全电压直接起动，既可以提高控制线路的可靠性，又可以减少电器的维修工作量。电动机单向起动控制线路常用于只需要单方向运转的小功率电动机的控制。例如小型通风机、水泵以及皮带运输机等机械设备。图5是电动机单向起动控制线路的电气原理图。这是一种最常用、最简单的控制线路，能实现对电动机的起动、停止的自动控制、远距离控制、频繁操作等。 图5 电动机单向起动控制线路的电气原理图 直接启动方法主要受电网配电变压器的容量限制，过大启动电流可能会使电压下降，影响在同一电网上其他设备的正常运行。一般异步电机的功率小于7.5千瓦时允许直接启动，对于更大容量的电机能否使用要视配电变压器的容量和各地电网部门而定。 4.2软启动 以上几种降压启动的方法是有级启动，启动的平滑性不高，应用一些自动控制线路组成的软启动器可以实现鼠笼式异步电机的无级平滑运动，这种方法称为软启动。软启动分为磁控式和电子式两种。磁控式故障率高，已被电子式取代。 启动过程电机所加的电压不是一个固定值，软启动装置输出电压安指定要求上升，被控电机电压由零安指定斜率上升至全电压，转速相应由零上升到规定转速。软启动能保证电机在不同负载下平滑启动，减少电机启动对电网冲击，又降低对自身承受的较大结构冲击力。 软启动可以设定起始电压、 上升方式、启动电流倍数等参数，以适用重载、轻载启动不同情况。 4.3降压启动 鼠笼式异步电动机采用全压直接起动时，控制线路简单，维修工作量较少。但是，并不是所有异步电动机在任何情况下都可以采用全压起动。这是因为异步电动机的全压起动电流一般可达额定电流的4-7倍。过大的起动电流会降低电动机寿命，致使变压器二次电压大幅度下降，减少电动机本身的起动转矩，甚至使电动机根本无法起动，还要影响同一供电网路中其它设备的正常工作。 如何判断一台电动机能否全压起动呢,一般规定，电动机容量在10kW以下者，可直接起动。10kW以上的异步电动机是否允许直接起动，要根据电动机容量和电源变压器容量的比值来确定。对于给定容量的电动机，一般用下面的经验公式来估计:Iq/Ie?(3/4+电源变压器容量)/(4×电动机容量)，式中 Iq—电动机全电压起动电流;Ie—电动机额定电流。 若计算结果满足上述经验公式，一般可以全压起动，否则不予全压起动,应考虑采用降压起动。有时，为了限制和减少起动转矩对机械设备的冲击作用，允许全压起动的电动机，也多采用降压起动方式。 鼠笼式异步电动机降压起动的方法有以下几种:定子电路串电阻(或电抗)降压起动、自耦变压器降压起动、Y-?降压起动、?-?降压起动等.使用这些方法都是为了限制起动电流,(一般降低电压后的起动电流为电动机额定电流的2-3倍)，减小供电干线的电压降落，保障各个用户的电气设备正常运行。 4.3.1串电阻(或电抗)降压起动控制线路 在电动机起动过程中，常在三相定子电路中串接电阻(或电抗)来降低定子绕组上的电压，使电动机在降低了的电压下起动，以达到限制起动电流的目的。一旦电动机转速接近额定值时，切除串联电阻(或电抗)，使电动机进入全电压正常运行。这种线路的设计思想，通常都是采用时间原则按时切除起动时串入的电阻(或电抗)以完成起动过程。在具体线路中可采用人工手动控制或时间继电器自动控制来加以实现。 图6定子串电阻降压起动控制线路 图6是定子串电阻降压起动控制线路。电动机起动时在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，起动后再将电阻短路，电动机仍然在正常电压下运行。这种起动方式由于不受电动机接线形式的限制，设备简单，因而在中小型机床中也有应用。机床中也常用这种串接电阻的方法限制点动调整时的起动电流。图6(A)控制线路的工作过程如下: 按SB2，KM1得电(电动机串电阻启动)，KT 得电 ，KM2得电(短接电阻，电动机正常运行)，按SB1，KM2断电，其主触点断开，电动机停车。 只要KM2得电就能使电动机正常运行。但线路图(A)在电动机起动后KM1与KT一直得电动作，这是不必要的。线路图(B)就解决了这个问题，接触器KM2得电后，其动断触点将KM1及KT断电，KM2自锁。这样，在电动机起动后，只要KM2得电，电动机便能正常运行。 串电阻起动的优点是控制线路结构简单，成本低，动作可靠，提高了功率因数，有利于保证电网质量。但是，由于定子串电阻降压起动，起动电流随定子电压成正比下降，而起动转矩则按电压下降比例的平方倍下降。同时，每次起动都要消耗大量的电能。因此，三相鼠笼式异步电动机采用电阻降压的起动 方法，仅适用于要求起动平稳的中小容量电动机以及起动不频繁的场合。大容量电动机多采用串电抗降压起动。 4.3.2串自耦变压器降压起动控制线路 在自耦变压器降压起动的控制线路中，限制电动机起动电流是依靠自耦变压器的降压作用来实现的。自耦变压器的初级和电源相接，自耦变压器的次级与电动机相联。自耦变压器的次级一般有3个抽头，可得到3种数值不等的电压。使用时，可根据起动电流和起动转矩的要求灵活选择。电动机起动时，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压，一旦起动完毕，自耦变压器便被切除，电动机直接接至电源，即得到自耦变压器的一次电压，电动机进入全电压运行。通常称这种自耦变压器为起动补偿器。这一线路的设计思想和串电阻起动线路基本相同，都是按时间原则来完成电动机起动过程的。 图7定子串自耦变压器降压起动控制线路 在自耦变压器降压起动过程中，起动电流与起动转矩的比值按变比平方倍降低。在获得同样起动转矩的情况下，采用自耦变压器降压起动从电网获取的电流，比采用电阻降压起动要小得多，对电网电流冲击小，功率损耗小。所以自耦变压器被称之为起动补偿器。换句话说，若从电网取得同样大小的起动电 流，采用自耦变压器降压起动会产生较大的起动转矩。这种起动方法常用于容量较大、正常运行为星形接法的电动机。其缺点是自耦变压器价格较贵，相对电阻结构复杂，体积庞大，且是按照非连续工作制设计制造的，故不允许频繁操作。 4.3.3 Y—?降压起动控制线路 线路设计思想:Y—?降压起动也称为星形—三角形降压起动，简称星三角降压起动。这一线路的设计思想仍是按时间原则控制起动过程。所不同的是，在起动时将电动机定子绕组接成星形，每相绕组承受的电压为电源的相电压220V，减小了起动电流对电网的影响。而在其起动后期则按预先整定的时间换接成三角形接法，每相绕组承受的电压为电源的线电压380V，电动机进入正常运行。凡是正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，均可采用这种线路。定子绕组接成Y—?降压起动的自动控制线路如图8所示。 图8 Y—?降压起动控制线路 图中，可以看到主电路中有三组主触点，其中接触器KM2和KM3主触点一定不能同时闭合，意味着电源将被短路。所以，控制线路的设计必须保证一个接触器吸和时，另一个接触器不能吸和，这就叫做互锁。也就是说KM2和KM3两个接触器需要互锁。通常的方法是在控制线路中解除其KM2与KM3线圈的支 路里分别串联对方的一个动断辅助触电。这样，每个接触器线圈能否被接通，将取决于另一个接触器是否处于释放状态，如解除其KM2已接通，它的动断辅助触点八KM3线圈的电路断开，从而保证KM2和KM3两个接触器不会同时吸合。这一对动断触点叫做互锁触点。 Y-Δ降压起动控制线路的工作原理如下:合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，这时，接触器KM1、KM2时间继电器KT线圈通电，解除其KM1主触点和自锁触点闭合。KM2主触点闭合与KM2互锁触点断开，电动机按Y形接法起动，经过所整定延时时间后，时间继电器KT的动合触点闭合和动断触点断开，使接触器KM2线圈断电，接触器KM2主触点断开，电动机暂时断电，同时接触器KM2互锁触点闭合，使得接触器KM3线圈通电，接触器KM3主触点和自锁触点闭合，电动机改为三角形连接，然后进入稳定运行，同时接触器KM3互锁触点断开，使时间继电器KT线圈断电。 Y接法的起动的电流仅为Δ接法的三分之一，从而限制了起动电流，但是Y接法的起动转矩为Δ接法的三分之一，所以Y-Δ起动只适用空载或轻载起动。这种方法适用在正常运行时绕组是三角接法的电机。电机定子的六个线头都引出来，接到换接开关上。在起动时先将定子接成星型，这时加在每相绕组上的电压将为额定电压的倍，待起动完成后再改接到三角接法，加上额定电压。下图是星三角启动的接线图。 图9 星型——三角起动的接线图 结论 三相异步电动机星三角启动的优点是附加设备少，操作简便。所以现在生产的小型异步电动机常采用这种方法。为了便于采用星三角启动，小型异步电动机的定子绕组一般设计成三角形连接，刚开始采用星型连接的电流是三角连接的三分之一，从而减小启动电流，保护电网安全，待启动后改为三角形连接，转矩就为开始星连接的三倍，从而保证对电机力矩的要求。