三相的异步电动机地正反转控制线路论文.docx

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三相的异步电动机地正反转控制线路论文

摘要

三相异步电动机是世界上最常见的电动马达。

它的流行是因其坚固耐用，结构简单，易保护，尺寸规范并且成本较低。

三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。

其转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。

本实验设计运用三相异步电动机实现正反转控制。

与单相异步电动机相比，其运行性能更好，并可节省各种材料。

且生产中许多机械设备往往要求运动部件能向正反两个方向运动。

如机床工作台的前进与后退起重机的上升与下降等,这些生产机械要求电动机能实现正反转控制。

改变通入电动机定子绕组的三相电源相序,即把接入电动机的三相电源进线中的任意两根对调,电动机即可反转。

关键词：

电动马达；定子；转子；转速；电磁转矩；正反转。

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引言………………………………………………………………………………………………1

1三相异步电动机概述………………………………………………………………………1

1.1三相异步电动机的工作原理………………………………………………………………1

1.2三相异步电动机的分类……………………………………………………………………2

1.3三相异步电动机的结构……………………………………………………………………2

1.31三相异步电动机的定子（静止部分）………………………………………………2

1.32三相异步电动机的转子（旋转部分）…………………………………………………4

1.33三相异步电动机的其它附件……………………………………………………………4

1.4三相异步电动机的铭牌…………………………………………………………………4

2三相异步电动机正反转控制电路的特点与应用……………………………………………5

2.1三相异步电动机正反转控制电路的特点…………………………………………………5

2.11.三相异步电动机正反转控制电路的主、控制电路…………………………………5

2.12按钮、接触器联锁的正反转控制电路特点及应用分析……………………………6

2.2交流接触器的正反转自动控制线路工作过程及分析……………………………………7

3三相异步电动机常见故障分析………………………………………………………………8

3.1通电后无法转动，但无异响异味且不冒烟的原因及故障排除…………………………8

3.2通电后电动机不转，然后熔丝烧断的原因及故障排除…………………………………8

3.3通电后电动机不转有嗡嗡声的原因及故障排除…………………………………………8

3.4电动机起动困难，额定负载时，电动机转速低于额定转速较多的原因及故障排除…9

3.5电动机空载电流不平衡，三相相差大的原因及故障排除………………………………9

3.6电动机空载，过载时，电流表指针不稳，摆动的原因及故障排除……………………10

3.7电动机过热甚至冒烟的原因及故障排除………………………………………………10

4三相异步电机效率提高措施…………………………………………………………………11

4.1电动机效率与损耗分析…………………………………………………………………11

4.2减少电机定子绕组铜损耗的方法………………………………………………………11

4.21增大导线的直径………………………………………………………………………11

4.22减短定子绕组端部长度………………………………………………………………11

5三相异步电动机的发展与趋势…………………………………………………………12

5.1中小型电动机已完整地建立了三相异步电动机y、y2、y3系列………………………12

5.2推广高效率异步电动机…………………………………………………………………12

5.3进一步推广变频器供电的三相异步电动机系列………………………………………13

5.4小型三相异步电动机的国际发展趋势……………………………………………………14

6结论……………………………………………………………………………………………15

附录…………………………………………………………………………………………16

引言

生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的起动，这就要求拖动电动机能作正、反向旋转。

由电机原理可知，改变电动机三相电源的相序，就能改变电动机的转向。

如机床工作台的前进与后退起重机的上升与下降等,这些生产机械要求电动机能实现正反转控制。

改变通入电动机定子绕组的三相电源相序,即把接入电动机的三相电源进线中的任意两根对调,电动机即可反转。

1三相异步电动机概述

1.1三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机

当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。

由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。

由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。

转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。

电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。

通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：

当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

1.2三相异步电动机的分类

   1、按三相异步电动机的转子结构形式可分为：

   鼠笼式电动机和绕线式电动机。

鼠笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。

绕线式三相异步电机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。

调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。

   2、按三相异步电动机的防护形式可分为：

   开启式（IP11）：

价格便宜，散热条件最好，由于转子和绕组暴露在空气中，只能用于干燥、灰尘很少又无腐蚀性和爆炸性气体的环境。

   防护式（IP22及IP23）：

通风散热条件也较好，可防止水滴、铁屑等外界杂物落入电动机内部，只适用于较干燥且灰尘不多又无腐蚀性和爆炸性气体的环境。

   封闭式（IP44）：

适用于潮湿、多尘、易受风雨侵蚀，有腐蚀性气体等较恶劣的工作环境，应用最普遍。

防爆式三相异步电动机

   3、按三相异步电动机的通风冷却方式可分为：

   自冷式三相异步电动机、自扇冷式三相异步电动机、他扇冷式三相异步电动机、管道通风式三相异步电动机。

   4、按三相异步电动机的安装结构形式可分为：

   卧式三相异步电动机、立式三相异步电动机、带底脚三相异步电动机、带凸缘三相异步电动机。

   5、按三相异步电动机的绝缘等级可分为：

   E级、B级、F级、H级三相异步电动机。

   6、按工作定额可分为：

   连续三相异步电动机、断续三相异步电动机、间歇三相异步电动机。

1.3三相异步电动机的结构

  1.31三相异步电动机的定子（静止部分）

   1、定子铁心                                    

   作用：

电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。

   构造：

定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

   定子铁心槽型有以下几种：

   半闭口型槽：

电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。

一般用于小型低压电机中。

   半开口型槽：

可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。

所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

   开口型槽：

用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。

   2、定子绕组

   作用：

是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。

   构造：

由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

   定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：

（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。

（1）对地绝缘：

定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

（2）相间绝缘：

各相定子绕组间的绝缘。

   （3）匝间绝缘：

每相定子绕组各线匝间的绝缘。

   电动机接线盒内的接线：

   电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2），.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。

凡制造和维修时均应按这个序号排列。

   3、机座

   作用：

固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。

   构造：

机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。

封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。

 1.32三相异步电动机的转子（旋转部分）

   1、三相异步电动机的转子铁心：

   作用：

作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。

   构造：

所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。

通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。

一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

   2、三相异步电动机的转子绕组

   作用：

切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

   构造：

分为鼠笼式转子和绕线式转子。

（1）鼠笼式转子：

转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。

若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。

小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。

（2）绕线式转子：

绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

   特点：

结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。

但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。

1.33三相异步电动机的其它附件

   1、端盖：

将转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。

2、轴承端盖：

固定转子，使转子不能轴向移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。

3、轴承：

连接转动部分与不动部分。

   4、风扇：

冷却电动机。

1.4三相异步电动机的铭牌

   1、型号

如：

Y—112M—4

    Y——异步电动机

    112——中心高度（毫米）

    M——机座类别（L长机座、M中机座、S短机座）

    4——磁极数

   2、额定功率PN    指电动机在额定运行状态下运行时电动机轴上输出的机械功率，瓦或千瓦。

   UN1、IN1、hN、cosjN分别为电动机额定的线电压、线电流、效率、功率因数。

   3、额定电压UN1   指电动机在额定运行状态下运行时定子绕组所加的线电压，单位为V或KV。

   4、额定电流IN1  指电动机加额定电压、输出额定功率时，流入定子绕组中的线电流，单位为A。

   5、额定转速nN 指电动机在额定运行状态下运行时转子的转速，单位为r/min.

   6、额定频率fN   规定工频为50HZ。

   7、额定功率因数cosjN   指电动机在额定运行状态下运行时定子边的功率因数。

   8、接法    指电动机定子三相绕组与交流电源的联接方法。

   9、防护等级   指电动机外壳防护的型式。

2三相异步电动机正反转控制电路的特点与应用

2.1三相异步电动机正反转控制电路的特点

2.11.三相异步电动机正反转控制电路的主、控制电路

1、主电路如图1主电路接触器KM1、KM2分别闭合,完成换相实现电动机正反转。

KM1、KM2不能同时闭合,否则,会造成主电路两相短路。

电路用FR实现过载保护。

2、控制电路控制电路实质是由两条并联的启动支路组成,但为了生产、安全的需要又在各支路中辅加了制约触头。

2.12按钮、接触器联锁的正反转控制电路特点及应用分析

1、接触器联锁正反转控制电路

如图1,右部分是其控制电路,它由两条启动支路构成,且在对方支路中相互串联上彼此的常闭辅助触头,使一接触器线圈得电吸合后另一个接触器因所串联的常闭辅助触头断开而受到制约无法得电,保证了KM1,KM2不能同时得电,从而可靠地避免了两相电源短路事故的发生,电路安全、可靠。

这种在一个接触器得电动作时通过其常闭辅助触头使另一个接触器不能得电动作的作用称为联锁或互锁。

该电路要改变电动机的转向必须先按下停止按钮使接触器失电,各触头断开恢复原状解除联锁,再按下反转启动按钮,电动机才能反转。

2、按钮联锁正反转控制电路

如图2,它将图1中的正、反转控制按钮SB1、SB2换成复合按钮,用对应的常闭触头代替接触器相应的常闭辅助触头构成联锁完成正反转控制。

这样电动机改变转向时,可直接按下反转相对于另一转向按钮即可,而不必先按停止按钮,同时保证了两个接触器KM1、KM2线圈不会同时得电闭合。

例如,KM1吸合电动机正转时,按下反转按钮SB2,串联在KM1线圈支路中SB2的常闭触头先断开,使KM1线圈失电,其主触头、自锁辅助触头断开,电动机断电但仍惯性运转。

SB2按下后经过一定的行程,其常开触头闭合,接通反转控制电路,电动机反转。

3、按钮与接触器联锁的正反转控制电路的应用分析

接触器联锁正反转控制电路适用于重载拖动的机床等不能或不需要由一个转向立即换为另一个转向的机械设备,以减小换相对设备的机械冲击力和电机绕组受到的反接电流冲击,起到保护设备,延长其使用寿命的作用。

而按钮联锁正反转控制电路虽操作方便,但安全欠佳,不可靠。

例如,当正转接触器KM1吸合后主触头发生熔焊或动铁芯被杂物卡住等故障时,即使线圈失电,主触头也无法分开,这时若按下反转按钮,SB2,KM2得电动作,主触头闭合造成电源两相短路。

2.2交流接触器的正反转自动控制线路工作过程及分析

图4交流接触器的正反转自动控制线路

当通电以后，按下SB2，KM1接通电动机开始正转，同时KM1常开开关闭合，实现自锁，常闭开关断开，KM1'也闭合，所以KT1开始计时，30秒后，KT1的常开开关闭合，同时KM2吸合，KM2常闭开关断开，KM1停止工作，KM1常开开关断开，KM2常开开关闭合，实现自锁，电动机开始反转，KT2开始计时，当计时到30秒之后，KT2的常开闭合，KM2接通，吸合，如此反复，实现三相异步电动机延时正反转的控制，从而带动机器的正反转。

达到延时停车的控制。

其操作简便、安全易于控制。

3三相异步电动机常见故障分析

3.1通电后无法转动，但无异响异味且不冒烟的原因及故障排除

原因：

①电源未通（至少两相未通）。

②熔丝熔断（至少两相熔断）。

③过流继电器调得过小。

④控制设备接线错误。

故障排除：

①检查电源回路开关，熔丝、接线盒处是否有断点，修复。

②检查熔丝型号、熔断原因，换新熔丝。

③调节继电器整定值与电动机配合。

④改正接线。

3.2通电后电动机不转，然后熔丝烧断的原因及故障排除

原因：

①缺一相电源，或定干线圈一相反接；

②定子绕组相间短路；

③定子绕组接地；

④定子绕组接线错误；

⑤熔丝截面过小，电源线短路或接地。

故障排除：

①检查刀闸是否有一相未合好，可电源回路有一相断线消除反接故障；

②查出短路点，予以修复；

③消除接地；

④查出误接，予以更正；

⑤更换熔丝；

3.3通电后电动机不转有嗡嗡声的原因及故障排除

原因：

①定、转子绕组有断路（一相断线）或电源一相失电；

②绕组引出线始末端接错或绕组内部接反；

③电源回路接点松动，接触电阻大；

④电动机负载过大或转子卡住；

⑤电源电压过低；

⑥小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬；

⑦轴承卡住。

故障排除：

①查明断点予以修复；

②检查绕组极性；判断绕组末端是否正确；

③紧固松动的接线螺丝，用万用表判断各接头是否假接，予以修复；

④减载或查出并消除机械故障，

⑤检查是还把规定的面接法误接为Y；是否由于电源导线过细使压降过大，予以纠正，

⑥重新装配使之灵活；更换合格油脂；

⑦修复轴承。

3.4电动机起动困难，额定负载时，电动机转速低于额定转速较多的原因及故障排除

原因：

①电源电压过低；

②面接法电机误接为Y；

③笼型转子开焊或断裂；

④定转子局部线圈错接、接反；

③修复电机绕组时增加匝数过多；

⑤电机过载。

故障排除：

①测量电源电压，设法改善；

②纠正接法；

③检查开焊和断点并修复；

④查出误接处，予以改正；

⑤恢复正确匝数；

⑥减载。

3.5电动机空载电流不平衡，三相相差大的原因及故障排除

原因：

①重绕时，定子三相绕组匝数不相等；

②绕组首尾端接错；

③电源电压不平衡；

④绕组存在匝间短路、线圈反接等故障。

故障排除：

①重新绕制定子绕组；

②检查并纠正；

③测量电源电压，设法消除不平衡；

④消除绕组故障。

3.6电动机空载，过载时，电流表指针不稳，摆动的原因及故障排除

原因：

①笼型转子导条开焊或断条；

②绕线型转子故障（一相断路）或电刷、集电环短路装置接触不良。

故障排除：

①查出断条予以修复或更换转子；

②检查绕转子回路并加以修复。

3.7电动机过热甚至冒烟的原因及故障排除

原因：

①电源电压过高，使铁芯发热大大增加；

②电源电压过低，电动机又带额定负载运行，电流过大使绕组发热；

③修理拆除绕组时，采用热拆法不当，烧伤铁芯；

④定转子铁芯相擦；

⑤电动机过载或频繁起动；

⑥笼型转子断条；

⑦电动机缺相，两相运行；

⑧重绕后定于绕组浸漆不充分；

⑨环境温度高电动机表面污垢多，或通风道堵塞；

⑩电动机风扇故障，通风不良；定子绕组故障（相间、匝间短路；定子绕组内部连接错误）。

故障排除：

①降低电源电压（如调整供电变压器分接头），若是电机Y、Δ接法错误引起，则应改正接法；

②提高电源电压或换粗供电导线；

③检修铁芯，排除故障；

④消除擦点（调整气隙或挫、车转子）；

⑤减载；按规定次数控制起动；

⑥检查并消除转子绕组故障；

⑦恢复三相运行；

⑧采用二次浸漆及真空浸漆工艺；

⑨清洗电动机，改善环境温度，采用降温措施；

⑩检查并修复风扇，必要时更换；检修定子绕组，消除故障。

4三相异步电机效率提高措施

4.1电动机效率与损耗分析

电机效率是衡量电机性能好坏的重要技术经济指标之一。

随着电机功率的增大，单位功率损耗相对减小，效率提高。

普通大容量电机效率一般为95%-98%，小容量电机一般为80%-92%。

计算电机效率通常用以下关系式:

η=[1−ΣP/（P+ΣP）]×100%

或11η=（P−ΣP）/P×100%

（1）

式中P—有功功率，ΣP—总损耗，1P—输入功率。

从上式可以看出,要提高电机效率就要尽量减少总损耗.中小型三相电动机损耗由五种损耗组成,其中风摩损耗约占5%左右,铁心损耗约占20%左右,定子绕组铜耗约占40%左右,转子绕组损耗约占25%左右,杂散损耗约占10%左右。

4.2减少电机定子绕组铜损耗的方法

由4.1论述可知，定子绕组铜耗占到了电机总损耗的40%以上，本文主要针对这种损耗提出减少措施。

4.21增大导线的直径

图1为不同的定子绕组铜线直径下电机的效率随转速变化图。

当铜线直径为0.7mm时，计算得到额定运行时刻定子绕组铜耗为110.36W，电机效率为81.22%。

当铜线直径为0.75mm时，定子绕组铜耗为96.85W，电机效率为82.06%。

当铜线直径为0.8mm时，定子绕组铜耗为85.91W，电机效率为82.75%。

可见，随着定子绕组铜线直径的增加，定子绕组铜耗有明显的下降，电机的效率有了明显的提升。

4.22减短定子绕组端部长度

图2为不同端部长度条件下电机效率随转速变化图。

当端部长度为30mm时，计算得到额定运行时刻定子绕组铜耗为127.84W，电机效率为80.12%。

当端部长度为20mm时，定子绕组铜耗为115.84W，电机效率为80.87%。

当端部长度为10mm时，定子绕组铜耗为105.08W，电机效率为81.55%。

可见，减少定子绕组端部长度可以降低定子铜损，提高电机效率。

但端部长度取的过小会给嵌线带来困难，具体设计时还需要考虑嵌线工艺的要求。

综上，通过采用增大定子绕组导线直径、减短定子绕组端部长度等措施有效的减少了定子绕组铜损耗，从而达到了提高电机效率的目的。

5三相异步电动机的发展与趋势

5.1中小型电动机已完整地建立了三相异步电动机y、y2、y3系列

1985年迅速推广了y系列及其派生系列产品，其功率范围为0.55～250kw，机座中心高为80～315。

 通过引进消化美国西屋公司和瑞士bbc公司的技术，自行研发的y系列6kv、220～2800kw中型高压三相异步电动机，采用新颖的箱式结构，是目前国内中型高压电机的主导产品，以后又随着我国电网电压由6kv升高到10kv，又研发了10kv系列中小型高压异步电动机。

　　1996年以电科所为首组织有关厂家完成了y2系列的开发，功率范围为0.12～315kw，机座中心高为63～355。

该系列产品显著降低了空载噪声，有效抑制了负载噪声。

　　2003年电科所组织有关厂家又完整地建立了全系列采用冷轧硅钢片的y3系列，其能耗达到国标gb18163－2002中能耗限定值的规定，同时也达到欧洲eff2效率标准，并且主要性能指标达到国际同类产品的先进水平发展趋势 

5.2推广高效率异步电动机 

　　1992年美国能源部发布了新的能源法规，提出了高效率三相异步电动机的效率标准（即epact指标），并规定从1997年10月24日开始，凡制造和进口一般用途电动机效率必须符合这一标准。

以后又更进一步提出超高效率电机（nemapremium）。

1999年欧洲电机和电力电子制造商协会（cemep）制定了eff1、eff2、eff3三个等级的效率标准，并决定到2003年削减50％低于eff3标准水平的电机生产，2006年以后不再生产。

　　我国也于2002年8月正式实施《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评定值》的国标（g