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1、第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 第第8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.1 電機概述電機概述 8.2 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)三相異步電動機的結(jié)構(gòu) 8.3 三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作原理 8.4 三相異步電動機的啟動三相異步電動機的啟動 8.5 三相異步電動機的調(diào)速三相異步電動機的調(diào)速 習(xí)題習(xí)題8 第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.1 電機概述電機概述 電機(Electrical machine)作為一種機電能量變換的電磁裝置，其發(fā)展過程同國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程有著密切的聯(lián)系。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.1.1 我國
2、電機制造業(yè)的發(fā)展 新中國成立以來，我國的電機制造工業(yè)發(fā)生了巨大的變化。1950年，我國建立了獨立自主的完整體系，特別是在1965年研制成功世界上第一臺雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機，顯示出我國電機工程技術(shù)人員對電機的新原理、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料、新品種、新運行方式和調(diào)試等方面的探索和研究，取得了顯著成就。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.1.2 電機的應(yīng)用 電能作為一種能量形式其自身具有許多優(yōu)點，如生產(chǎn)和變換比較經(jīng)濟，傳輸和分配比較容易，使用與控制比較方便等等。目前，電能已成為國民經(jīng)濟各部門中動力的主要來源，而電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用以及控制等都必須利用一種能夠進行能量變換或訊
3、號變換的電磁裝置電機。因此，了解與掌握電機的應(yīng)用對我們學(xué)好電機這種電磁裝置具有很大的幫助。電機的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，介紹如下：第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 1.在電力工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 在電力工業(yè)領(lǐng)域，電機是發(fā)電廠和變電所的主要設(shè)備。在發(fā)電廠中，發(fā)電機由汽輪機、水輪機或柴油機帶動，再由發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能。為了經(jīng)濟地傳輸和分配電能，采用變壓器將電壓升高，把電能送到用電地區(qū)，然后再經(jīng)過變壓器降壓，向用戶提供電能。2.在工業(yè)企業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 在工業(yè)企業(yè)(如機械、冶金、石油、煤炭和化學(xué)工業(yè)等)領(lǐng)域，電機的應(yīng)用十分廣泛。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 3.在交通運輸業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 在交
4、通運輸業(yè)領(lǐng)域，隨著城市交通運輸和電氣鐵道的發(fā)展，需要大量具有優(yōu)良啟動性能和調(diào)速性能的牽引電動機；在航運和航空事業(yè)中，需要很多具有特殊要求的船用電機和航空電機。4.在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，隨著農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，電機在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也日趨廣泛，如電力排灌、脫粒、輾米、榨油、粉碎等農(nóng)業(yè)機械，都是用電動機來拖動的。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 5.在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用 在高科技領(lǐng)域，隨著高科技的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度不斷提高，使得自動化系統(tǒng)中的元件同樣離不開各種各樣的控制電機，甚至在人造衛(wèi)星的自動控制系統(tǒng)中，電機也是必不可少的。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8
5、.1.3 電機的主要類型 電機的種類繁多，從不同的角度可分為不同的類型。1.按電機的功能來分 如果按電機的功能進行分類，則電機可分為如下幾類：(1)發(fā)電機：把機械能轉(zhuǎn)換成電能。(2)電動機：把電能轉(zhuǎn)換成機械能。(3)變壓器、變流機、變頻機、移相器：分別用于改變電壓、電流、頻率及相位。(4)控制電機：作為控制系統(tǒng)中的元件。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 2.按電機的電源性質(zhì)來分 如果按電機的電源性質(zhì)來分，則電機可分為直流電機和交流電機。其中，直流電機又分為直流發(fā)電機和直流電動機，而交流電機則分為同步電機和異步電機。1)直流電機 直流電機是指通以直流電流而轉(zhuǎn)動的電動機或發(fā)出直流電流的
6、發(fā)電機。2)交流電機 交流電機可分成同步電機和異步電機兩大種類。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 國生產(chǎn)的異步電動機種類眾多，從不同的角度可分為不同的類型。(1)按尺寸大小可分為大型、中型、小型和微型四種類型。大型：電動機的中心高H大于630 mm或定子鐵心外徑D1大于1000 mm。中型：電動機的中心高H為355630 mm或定子鐵心外徑D1為5001000 mm。小型：電動機的中心高H為80315 mm或定子鐵心外徑D1為120500 mm。微型：電動機的中心高H為4571 mm。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 (2)按外殼的防護型式可分為開啟式、防護式和封閉式。
7、(3)按轉(zhuǎn)子繞組型式可分為鼠籠式和繞線轉(zhuǎn)子式。(4)按安裝結(jié)構(gòu)型式可分為臥式和立式。(5)按有無換向器可分為有換向器式和無換向器式。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 3)步進電動機及交直流電機 步進電動機是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移（或線位移）的控制電機，故也稱為脈沖電動機。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.2 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)三相異步電動機的結(jié)構(gòu) 8.2.1 三相異步電動機結(jié)構(gòu)的主要部件 在三相異步電動機的結(jié)構(gòu)中，定子和轉(zhuǎn)子是其主要的構(gòu)成部件；定子與轉(zhuǎn)子之間有一個很小的空氣隙，我們稱之為氣隙；此外，在三相異步電動機的結(jié)構(gòu)中還有端蓋、軸承、風(fēng)扇等零部件，
8、圖8.1就是一臺繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機的剖面圖。下面介紹各主要部件的結(jié)構(gòu)及其作用。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.1 繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機剖面圖 第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 1.三相異步電動機的定子 三相異步電動機的定子是由機座、定子鐵心和定子繞組三個部分組成的。1)機座 機座的作用是用來支撐定子鐵心和固定端蓋的。2)定子鐵心 定子鐵心是電動機磁路的組成部分之一，整體結(jié)構(gòu)如圖8.2(a)所示。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 通常情況下，旋轉(zhuǎn)磁場對定子鐵心以同步速度旋轉(zhuǎn)，所以對鐵心內(nèi)某一點來說，磁通是交變的。為了減小鐵心損耗，定子鐵心采用0
9、.5 mm厚的被沖成槽形的硅鋼片疊壓而成，這些硅鋼片被稱為定子沖片。對于小容量電動機，由于片間的渦流電壓較小，因此利用硅鋼片本身的氧化層電阻即可減小渦流損耗；對于容量較大的電動機，片間渦流電壓較大，必須在硅鋼片兩面涂以絕緣漆，以減小渦流損耗。硅鋼片一般寬度為1 m，當(dāng)鐵心沖片外徑小于1 m時，沖片可沖成整圓形，如圖8.2（b）所示；當(dāng)沖片外徑大于1 m時，可沖成扇形，如圖8.2(c）所示。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 定子鐵心疊成后，其內(nèi)圓形成一個槽形，可以安放定子繞組，定子槽形有半閉口槽、半開口槽和開口槽三種，如圖8.3所示。半閉口槽適用于低壓圓銅線繞成的散嵌繞組，其優(yōu)點是槽
10、口較小，齒部對主磁通的磁阻小，可以減小勵磁電流；半開口槽適用于中型電動機，其槽口稍大于槽寬的一半，便于嵌入扁線繞成的分成雙排的成型線圈；開口槽適用于大、中容量的高壓異步電動機，槽口等于槽寬，便于高壓成型線圈的嵌線。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.2 定子鐵心沖片 第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖8.3 定子鐵心槽型及槽內(nèi)繞組定置(a)定子鐵心；(b)圓形沖片；(c)扇形沖片(a)半閉口槽；(b)半開口槽；(c)開口槽 第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 3)定子繞組 三相異步電動機的定子繞組有散嵌軟繞組和成型硬繞組兩種。散嵌軟繞組多用于小容量電動
11、機，它是由高強度漆包圓銅線(或鋁線)繞制而成的，繞線時將一相線圈一次繞成，嵌線時將三相線圈按一定的規(guī)律依次嵌入定子槽中，即形成三相定子繞組。中、大容量電動機由于電流大、電壓高、導(dǎo)線截面大、絕緣要求高，因此采用扁線繞制的成型線圈更為合適。散嵌軟繞組可分為單層、雙層及單雙層混合繞組三種。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 2.三相異步電動機的轉(zhuǎn)子 三相異步電動機的轉(zhuǎn)子可分成兩大類，一類是繞線轉(zhuǎn)子，如圖8.4(a)所示；另一類是鋁鑄鼠籠式轉(zhuǎn)子，如圖8.4(b)所示。繞線轉(zhuǎn)子除鐵心、繞組及轉(zhuǎn)軸外，還有滑環(huán)等部件；鼠籠式轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)子繞組等組成。第第8 8章章 三相異步電動機三相異
12、步電動機 圖 8.4 異步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(a)繞線轉(zhuǎn)子；(b)鋁鑄鼠籠式轉(zhuǎn)子第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 1)轉(zhuǎn)子鐵心 轉(zhuǎn)子鐵心是電動機磁路的一部分，一般用0.5 mm厚的硅鋼片疊壓而成。硅鋼片上沖有槽孔，用來安放轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵心固定在轉(zhuǎn)軸上，或固定在轉(zhuǎn)子支架上，轉(zhuǎn)子支架再套裝固定在轉(zhuǎn)軸上。2)轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸是支撐轉(zhuǎn)子鐵心和輸出轉(zhuǎn)矩的零件。轉(zhuǎn)軸必須具有足夠的剛度和強度，以保證電動機在負(fù)載情況下氣隙均勻及轉(zhuǎn)軸本身不致斷裂。轉(zhuǎn)軸一般用中碳鋼棒料車削加工而成，軸伸端銑有鍵槽，用來固定皮帶輪或聯(lián)軸器。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 3)轉(zhuǎn)子繞組 轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組和繞
13、線轉(zhuǎn)子繞組兩種。(1)鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組。按照轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)形式，鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組可分為單籠和雙籠兩種類型；按照制造繞組使用的材料又可分為銅料焊接轉(zhuǎn)子繞組和鋁料鑄造轉(zhuǎn)子繞組兩種。圖8.5（a）和(b)分別為銅條焊接鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組及鋁料鑄造鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.5 鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)示意圖(a)銅條焊接鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組；(b)鋁料鑄造鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 (2)繞線轉(zhuǎn)子繞組。與定子繞組一樣，繞線轉(zhuǎn)子繞組也是一個用絕緣導(dǎo)線繞成的三相對稱繞組。繞線轉(zhuǎn)子繞組不僅其極數(shù)與該臺電動機定子繞組一樣，也是一個用絕緣導(dǎo)線繞
14、成的三相對稱繞組，而且其極數(shù)必須與該臺電動機的定子繞組的極數(shù)相同。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖8.6 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機示意圖（a）接線圖;（b）提刷裝置第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 3.三相異步電動機的氣隙 從磁路來考慮，定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心之間的氣隙是很重要的一部分。氣隙大，則磁阻大，勵磁電流也大，電動機的功率因數(shù)降低。從這一角度來考慮，氣隙應(yīng)取較小的數(shù)值。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.2.2 三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù) 在每臺異步電動機的機座上都有一塊銘牌，上面標(biāo)注著這臺電動機的型號及額定值。1.異步電動機的型號 步電動機型號的表示方法
15、，一般采用大寫印刷體的漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成，其中漢語拼音字母是根據(jù)電動機的全名稱選擇有代表意義的漢字，再用該漢字的第一個拼音字母組成產(chǎn)品的型號，如系列三相異步電動機的型號為Y 112S-6和YB 160M-4 WF，其含義如下：第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 異步電動機的額定值 在三相異步電動機的銘牌上還標(biāo)注有電動機的額定值，它是我們選用、安裝和維修電動機時的依據(jù)。也就是這個額定值，規(guī)定了這臺電動機的正常運行狀態(tài)和條件。電動機額定值包括：第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 (1)額定功率PN:指電動機在額定運行時，軸
16、上輸出的機械功率(kW)。(2)額定電壓UN：指額定運行時，加在定子繞組上的線電壓(V)。(3)額定電流IN:指電動機在額定電壓和額定頻率下，輸出額定功率時，定子繞組中的線電流(A)。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 (4)連接：指電動機在額定電壓下，定子三相繞組應(yīng)采用的連接方法，一般有三角形()和星形()兩種連接。有些老式電動機銘牌上標(biāo)有220 V380 V兩種額定電壓，連接標(biāo)明為。這種標(biāo)法表示在三相線電壓為220 V時,為三角形（）連接；線電壓為380 V 時，為星形（）連接。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 (5)額定頻率fN：表示電動機所接的交流電源的頻率，我國
17、電力網(wǎng)的頻率規(guī)定為50 Hz。(6)額定轉(zhuǎn)速nN：指電動機在額定電壓、額定頻率和額定輸出功率的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速(rmin)。(7)絕緣等級：指電動機繞組所用的絕緣材料的絕緣等級，它決定了電動機繞組的允許溫升。電動機的允許溫升與絕緣等級的關(guān)系見表8-1。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 表8-1 電動機允許溫升與絕緣耐熱等級的關(guān)系 第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 (8)定額：按電動機在定額運行時的持續(xù)時間，定額分為“連續(xù)”、“短時”、“斷續(xù)”三種?！斑B續(xù)”表示電動機可以按銘牌規(guī)定的各項額定值不受時間的限制連續(xù)運行；“短時”表示只能按照銘牌規(guī)定的工作時間短時間使用，標(biāo)
18、準(zhǔn)的時間限值為10 min、30 min、60 min或90 min四種；第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 “斷續(xù)”表示該電動機可長期運行于一系列完全相同的周期，此周期包括一個額定負(fù)載時間和一個停止時間，額定負(fù)載時間與整個周期之比稱為負(fù)載持續(xù)率(或稱為暫載率)，標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載持續(xù)率為15、25、40或60，每個周期為10 min。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.3 三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作原理 8.3.1 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 從三相異步電動機的結(jié)構(gòu)中我們可以得知，三相異步電動機的定子繞組是一個對稱的三相繞組，如果將定子繞組接到三相交流電源上，則發(fā)電廠輸
19、出的三相對稱交流電壓在定子繞組中就會產(chǎn)生對稱的三相交流電流，該電流在定子繞組中產(chǎn)生的磁場就是一種旋轉(zhuǎn)磁場。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 三相異步電動機的三相對稱繞組是指每相繞組的匝數(shù)、連接規(guī)律等相同且在空間布置上各相軸線互隔120空間電角度的繞組。為了簡化分析，可以用軸線互隔120電角度的三個線圈來代表，線圈的首端分別為U1、V1、W1，尾端分別為U2、V2、W2，并且規(guī)定，繞組軸線的正方向符合右手螺旋定則，即四指從每相的首端進，尾端出(不論電流方向如何)，大拇指所指的方向代表繞組軸線(也稱相軸)的正方向，如圖8.7所示。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.7
20、 兩極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖1(a)U1V2W1U2V1W2V2(b)W1U2U1W2V1t0iU ImiV iW Im/2t120iV ImiU iW Im/2第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.7 兩極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖2(d)U1V2W1U2V1W2(c)V2W1U2U1W2V1t240iW ImiU iV Im/2t360iU ImiV iW Im/2第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.7 兩極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖3 V2W1U2U1V1W2FFU(e)(f)UVWUV2W1U2U1V1W2FUFWFVFVWFVFWt0FU FmFV FW Fm/2F3 Fm/
21、2t120FV FmFU FW Fm/2F3 Fm/2第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.7 兩極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖4(h)(g)UV2W1U2U1V1W2FUFVFWFVWV2W1U2U1V1W2FFUUVWFVFWt240FW FmFU FV Fm/2F3 Fm/2t360FU FmFV FW Fm/2F3 Fm/2第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 三相電流在時間上互差120，其波形變化如圖8.8所示。解析式分別為 iU=Im sin(t+90)iV=Im sin(t-30)iW=Im sin(t-150)第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖8.8
22、三相電流的變化曲線 OiiUiViW120240360t第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 對于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，當(dāng)將三相定子繞組安排成兩極時,每當(dāng)t 變化120,磁場就在空間轉(zhuǎn)過120；當(dāng)t 變化360，磁場就轉(zhuǎn)回到起始位置。也就是說，在兩極電動機中，電流時間上變化一個周期，磁場在空間也正好旋轉(zhuǎn)一周(即360)；電流每秒鐘變化f 周，磁場在空間也旋轉(zhuǎn)f 周。我國交流電的頻率f 為每秒變化50周，故兩極異步電動機的定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1為 n1=f=50 r/s 或 n1=60f=3000 r/min第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 如果將三相定子繞組安排成四極，如圖8.9
23、所示。取t=0、t=120、t=240、t=360 這幾個時刻，電流變化時，電動機磁場也發(fā)生變化。當(dāng)t經(jīng)過120時，磁場只在空間按逆時針方向轉(zhuǎn)過60，電流變化一個周期(即t 經(jīng)過360)，磁場只在空間旋轉(zhuǎn)了半周，即四極電極旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為min/1500260/25221rfnsrfn或 第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.9 四極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖(a)t=0;(b)t=120;(c)t=240;(d)t=360U2W1V1W2U1V2U1U2V1W1W2V2U2W1V1W2U1V2U1U2V1W1V2W2(a)(b)第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.9
24、四極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖(a)t=0;(b)t=120;(c)t=240;(d)t=360U2W1V1W2U1V2U1U2V1W1V2W2(c)U2W1V1W2U1V2U1U2V1W1W2V2(d)第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 用上述的作圖方法，同樣可以求得它們的轉(zhuǎn)速。六極時，n1=60f/3=1500 r/min；八極時，n1=60f/4=750 r/min；當(dāng)電動機為2p個磁極時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為 pfn601(8-1)式中，p為磁極對數(shù)。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.3.2 三相異步電動機的工作原理 弄清了如何產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場的道理之后，我們就來說明三相異
25、步電動機的工作原理。當(dāng)三相異步電動機接到三相電源上時，定子繞組就能夠產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場相對切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n的差稱為轉(zhuǎn)差或轉(zhuǎn)差速度，用n表示，即nn1-n。轉(zhuǎn)差與n1之比稱為轉(zhuǎn)差率(slip)，我們用s表示，則 11nnns(8-2)第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 綜上所述，三相異步電動機能旋轉(zhuǎn)的前提是空間有一個旋轉(zhuǎn)磁通勢或旋轉(zhuǎn)磁場，而旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生是由定子三相對稱繞組通以三相對稱電流而建立的。通過作圖可知，旋轉(zhuǎn)磁場有四個特點：(1)其幅值恒定不變，其頂點軌跡為一圓，故有
26、圓形磁場之稱。(2)旋轉(zhuǎn)方向與電流相序一致。(3)某相電流達(dá)最大值時，磁場正好轉(zhuǎn)到該相繞組軸線處。(4)同步轉(zhuǎn)速n1與電流頻率成正比，即n160 fp。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 例8.1 一臺三相異步電動機，定子繞組接到50 Hz的三相對稱電源上，已知電動機正常運行時轉(zhuǎn)速 n960 rmin，求該電動機極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s各為多少?第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.4 三相異步電動機的啟動三相異步電動機的啟動 8.4.1 三相異步電動機的直接啟動 直接啟動就是用刀閘開關(guān)或接觸器把電動機的定子繞組直接接到額定電壓的電網(wǎng)上。這種啟動方式的優(yōu)點是操作簡單，缺點是啟動
27、電流太大。為了利用直接啟動的優(yōu)點，現(xiàn)代設(shè)計的鼠籠式三相異步電動機都是按直接啟動時的電磁力和發(fā)熱來考慮它的機械強度和熱穩(wěn)定性的，因此，從鼠籠式電動機本身來說都是允許直接啟動的。這樣，對直接啟動方法應(yīng)用的限制便主要來自電網(wǎng)的容量。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 一般來說，7.5 kW以下的三相異步電動機可以允許直接啟動；如果功率大于7.5 kW，則看其是否能符合以下經(jīng)驗公式，即3(41NstII電源總量kVA 電動機功率kVA)（8-3）其中，Ist為直接啟動時的啟動電流。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 例8.2 一臺22 kW的三相異步電動機，啟動電流與額定電流之比I
28、stIN=7，電源變壓器容量為560 kVA，問電動機是否允許直接啟動。解 按照式（8-3）計算，得11.7)225603(41第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.4.2 三相異步電動機的降壓啟動 如果由于電源容量的限制，而不能采用直接啟動時，就需要采用降壓啟動來減小啟動電流。不過，由于TMU21，降壓啟動的同時會使電動機的啟動轉(zhuǎn)矩也減小，因此降壓啟動只適用于對啟動轉(zhuǎn)矩要求不高的場合。通常降壓啟動有以下幾種方法：電阻降壓或電抗降壓啟動；自耦變壓器降壓啟動；星三角（Y-）連接降壓啟動。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 1.電阻降壓或電抗降壓啟動 在定子電路中串接電阻，如
29、圖8.10(a)所示，或在定子電路中串接電抗，如圖8.10(b)所示。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖8.10 電阻、電抗降壓啟動1M32運行啟動Rst(a)1M32運行啟動Xst(b)第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖8.11 自耦補償器M3運行啟動QJ第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 2 自耦變壓器降壓啟動 自耦變壓器降壓啟動的原理如圖8.11所示，圖中QJ為自耦變壓器。常用的啟動自耦變壓器又稱為啟動補償器。設(shè)自耦變壓器的電壓變化比為kAU1U2，經(jīng)自耦變壓器降壓后，加在電動機端的相電壓為U1kA。此時電動機的啟動電流Ist2便與電壓成比例地減小，
30、為全壓啟動時的啟動電流Ist的1kA，即stAstIkI12第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 由于電動機接在自耦變壓器的二次側(cè)，因此從變壓器原理可知，二次電流與一次電流之比為kA，即1ststAIIk 故電動機從電網(wǎng)吸取的電流為 2211AstAstAAststkIkIkkII第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 3 星三角(Y-)連接降壓啟動 星三角(Y-)連接降壓啟動方法只適用于定子繞組在正常工作時是三角形連接的三相異步電動機。這種啟動的原理線路如圖8.12所示。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖8.12 Y-連接啟動的原理線路 361425SAY第第8
31、8章章 三相異步電動機三相異步電動機 設(shè)電動機每相短路阻抗為zK，用三角形（）連接直接啟動時，每相繞組中的啟動電流為U1zK，線電流為3133331111KKststYkstYkstzUzUIIzUIzUI（8-4）（8-5）比較式（8-4）和式（8-5）可得（8-6）第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 表8-2列出了各種降壓啟動方法的特征及優(yōu)缺點。從表上的綜合對比可以看出，不論采用哪種降壓啟動的方法，啟動轉(zhuǎn)矩都按電壓的平方減小。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 表8-2 各種降壓啟動方法的特征 第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.5 三相異步電動機的調(diào)速三
32、相異步電動機的調(diào)速 三相異步電動機的調(diào)速，是一個極其復(fù)雜而又很重要的課題，它涉及到很多理論方面的知識，要想用幾個課時來掌握它，是不太現(xiàn)實的。在此，我們僅對三相異步電動機的調(diào)速作一簡單介紹,讓大家對三相電動機的調(diào)速有一個大致的了解。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 所謂調(diào)速，就是人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)機械的需要。異步電動機的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為)1(60)1(11spfsnn(8-7)第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 從式(8-7)不難看出，異步電動機調(diào)速的方法可以分成三類：(1)通過改變定子繞組的磁極對數(shù)p從而改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，即所謂的變極調(diào)速；(2)通過
33、改變電源頻率f1以改變n1，即所謂的變頻調(diào)速；(3)改變電動機的轉(zhuǎn)差率s，即所謂的改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.5.1 變極調(diào)速 變極調(diào)速就是利用定子單繞組中的半相電流方向改變而極對數(shù)成倍變化的原理來實現(xiàn)的。變極調(diào)速方法的優(yōu)點是設(shè)備簡單，運行可靠，既可獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，又可獲得恒功率調(diào)速，所以這種調(diào)速能適應(yīng)不同的生產(chǎn)機械的需要。變極調(diào)速的缺點是調(diào)速的擋數(shù)少，在機床上應(yīng)用必須與齒輪箱配合，才能得到更多擋的速度。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 從轉(zhuǎn)速的表達(dá)式(8-7)中我們可以得出，當(dāng)極數(shù)p增加1倍時，轉(zhuǎn)速n就能降低一半，即變極可以調(diào)速。因為當(dāng)改變定
34、子繞組的極對數(shù)時，其轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)能自動地與定子極對數(shù)相對應(yīng)。鼠籠式異步電動機正好符合這一特點，而繞線轉(zhuǎn)子則必須拆開電動機將轉(zhuǎn)子繞組改接才行，這在生產(chǎn)現(xiàn)場上是不宜采用的。所以變極調(diào)速方法一般應(yīng)用于鼠籠式異步電動機。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.13 定子繞組改接以改變定子極對數(shù) (a)2p=4;(b)2p=2;(c)2p=212SNSNU1U2(a)12NSU1U2(b)12SNU1U2(c)第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 當(dāng)一相繞組中的一半反接時，反接的線圈中電流的方向改變，繞組磁場就從四極變成兩極，如圖8.13所示。這種由一套繞組通過改變連接方法而得
35、到兩種或兩種以上轉(zhuǎn)速的電動機稱為單繞組多速電動機。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 變極調(diào)速有星形改成雙星形（Y-YY）連接的恒轉(zhuǎn)矩變極調(diào)速和三角形改成雙星形（-YY）連接的恒功率變極調(diào)速兩種調(diào)速方式。圖8.14(a)為三相繞組由星形改接成雙星形（Y-YY）方法的示意圖；圖8.14(b)為三相繞組由三角形改接成雙星形（-YY）方法的示意圖。現(xiàn)在我們就看看它們在變極調(diào)速前后輸出轉(zhuǎn)矩及功率的變化關(guān)系是怎樣的。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.14 常用的兩種三相繞組的改接方法VIN2pUWVINpUW2INWININ2INpUV(a)VUWIN2pT常數(shù)UININ2
36、INpVWP常數(shù)(b)ININ2INVWUpIH第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 1.星形改成雙星形（Y-YY）連接的變極調(diào)速 當(dāng)繞組連接成星形（Y）時是四極，而連接成雙星形（YY）時是兩極，如圖8.14(a)所示。設(shè)電源線電壓U1不變，通過每個線圈中的電流IN不變(即保持導(dǎo)體的電流密度不變)，則電動機的輸出功率P2變化為 星形（Y）連接時)()(1)()(1)(2cos3cos33YYNYYNYYIUIUP(8-8)其中，為效率；cos為功率因數(shù)。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 雙星形（YY）連接時)()(1)()(1)(2cos32cos233YYYYNYYYYN
37、YYIUIUP(8-9)假定變極前后的和cos保持不變，比較式(8-8)和式(8-9)得2cos3cos32)()(1)()(1)(2)(2YYNYYYYNYYYIUIUPP第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 即由星形（Y）連接四極變成雙星形（YY）連接兩極后，功率增大了1倍；但由于轉(zhuǎn)速也增大1倍，由22PT 可得出電動機的轉(zhuǎn)矩基本上保持不變，所以這種調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這種調(diào)速方法較適于帶動起重機、運輸帶等恒轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。式中，T2為電動機輸出的機械轉(zhuǎn)矩，為轉(zhuǎn)子的機械角速度，P2為輸出電動機軸上輸出的功率。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 2 三角形改成雙星形（-YY）連
38、接的變極調(diào)速 當(dāng)繞組連接成三角形（）時是四極，改接成雙星形（YY）時是兩極，如圖8.14(b)所示。變極前后的輸出功率分別為 三角形（）連接時 P2()=3U1IN()cos()(8-10)雙星形（YY）連接時)()(1)(2cos233YYYYNYYIUP(8-11)第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 同樣假定變極前后的效率和功率因數(shù)保持不變，比較式(8-10)和式(8-11)，得15.132cos3cos233)()(1)()(1)(2)(2YYYYNYYYYNYYIUIUPP第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.5.2 變頻調(diào)速 所謂變頻調(diào)速，就是改變供電電源的頻率
39、以使旋 轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速跟著發(fā)生改變，電動機的轉(zhuǎn)速也隨之變化。變頻調(diào)速有兩種調(diào)速方式，即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速。變頻調(diào)速方法的機械特性可以用圖8.15來描述。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖8.15 變頻調(diào)速時的機械特性nn1OTmaxTncrf1f2f3f4fN50 Hz1f 2f 2f 1f fN f1 f2 f3 f4第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 1.恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 變頻調(diào)速時是以電源頻率fN=50 Hz為基本頻率的。在基本頻率50 Hz以下變頻調(diào)速時，由于U1E14.44f1N1kN11，因此如果降低頻率而保持電壓不變，則隨f1的下降將會使磁通1增大，電動機磁路
40、就會越來越飽和，勵磁電流也會大大增加，電動機將無法正常運行，故在降低頻率的同時，必須降低電源電壓，保持111111144.4NkNfEfU=常數(shù) 第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 2.恒功率調(diào)速 從基本頻率50 Hz往上變頻調(diào)速時，如果也按比例升高電壓，則電壓會超過電動機的額定電壓，這是不允許的，因此只好保持電壓不變，頻率越往上調(diào)，磁通1就越小，是一種弱磁調(diào)速的方法，屬于恒功率的調(diào)速方法。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.5.3 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機來說，改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速有轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串極調(diào)速等方法。由異步電動機轉(zhuǎn)速的公式(8-7)可知，保持n
41、1不變，改變轉(zhuǎn)差率s便可以使轉(zhuǎn)速n跟著改變。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 1.串電阻調(diào)速 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子電路串電阻后，臨界轉(zhuǎn)差率scr變大，機械特性運行段的斜率變大調(diào)速時的機械特性曲線，圖8.16為串接不同的調(diào)速電阻后所得的一組機械特性曲線。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖8.16 異步電動機轉(zhuǎn)子電路串電阻 2rOTLTn1abcdn1s2 Rr2s2 Rr3s2 Rr第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 2 串極調(diào)速 在異步電動機轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)得越低，轉(zhuǎn)差功率損耗sPM就越大，為了充分利用這部分功率，可采用在轉(zhuǎn)子電路串接一個三相對
42、稱的附加電動勢，其頻率應(yīng)與轉(zhuǎn)子電動勢的頻率相同，改變附加電動勢的大小及相位，均能改變轉(zhuǎn)子電流及轉(zhuǎn)矩，也就可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，這種方法稱為串極調(diào)速。圖8.17為串極調(diào)速系統(tǒng)示意圖。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 圖 8.17 串極調(diào)速系統(tǒng)示意圖 MM123至機械負(fù)載Ea Rf1異步電機；2直流電機第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 習(xí)習(xí) 題題 8 8.1 詳細(xì)敘述電機有哪些類型。8.2 詳細(xì)敘述三相異步電動機的結(jié)構(gòu)。8.3 為什么異步電動機的定、轉(zhuǎn)子鐵心要用導(dǎo)磁性能良好的硅鋼片制成?8.4 一臺電動機的型號為 YB 160M4 WF,說明這是一臺什么樣的電動機。8.5
43、詳細(xì)敘述三相異步電動機的磁場的產(chǎn)生。第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.6 詳細(xì)敘述三相異步電動機的工作原理。8.7 一臺三相異步電動機，銘牌上標(biāo)明頻率 f1=50 Hz,nN=960 r/min。這臺電動機的極數(shù)是多少？額定轉(zhuǎn)差率是多少？8.8 變頻調(diào)速時，若電源的頻率降低，而電壓大小不變，將有什么后果?8.9 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子電路中串電阻調(diào)速時，如果負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，問調(diào)速前后轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定電流是否改變?調(diào)速過程中轉(zhuǎn)子電流是否改變?為什么?第第8 8章章 三相異步電動機三相異步電動機 8.10 在變極調(diào)速時，為什么繞組的相序會發(fā)生變化?如果從低速改變成高速通入電流的相序保持不變，電動機的旋轉(zhuǎn)方向如何?8.11 有一臺鼠籠式三相異步電動機，PN=300 kW，UN380 V，定子星形（Y）連接，IN=527 A，nN1475 rmin，啟動電流倍數(shù) IstIN=6.7，啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)TstTN=1.5。車間變電所允許最大沖擊電流為1800 A，生產(chǎn)機械要求啟動轉(zhuǎn)矩不得小于1000 Nm。試選擇恰當(dāng)?shù)膯臃椒?采用自耦變壓器減壓啟動時，抽頭分為55、64和73三擋)。
電工基礎(chǔ) 第8章 三相異步電動機
