项目四北邮电机与电气控制汇总.docx
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项目四北邮电机与电气控制汇总
项目四交流电机的应用
任务一认识三相异步电动机
学习目标
了解三相异步电动机的特点、用途和分类;
认识三相异步电动机的结构,了解各部件的作用;
了解三相异步电动机的铭牌数据,掌握额定值的简单计算;
掌握三相异步电动机的工作原理、旋转磁场、定子绕组。
任务分析
现代各种生产机械都广泛使用电动机来驱动。
三相异步电动机是所有电动机中应用最广泛的一种。
根据相关资料统计,现在电网中的电能2/3以上是由三相异步电动机消耗的,而且工业越发达,现代化程度越高,其比例也越大。
知识链接
一、交流电机的分类
根据产生或使用电能种类的不同,旋转的电磁机械可分为直流电机和交流电机两大类。
交流电机可分为异步电机和同步两种。
异步电机主要作为电动机使用。
异步电动机又有单相和三相两种,而三相异步电动机又分笼型和绕线式。
二、三相异步电动机的特点和用途
三相异步电动机具有结构简单、工作可靠、价格低廉、维修方便、效率较高、体积小、重量轻等一系列优点。
与同容量的直流电动机相比,三相异步电动机的重量和价格约为直流电动机的1/3,所以应用最为广泛。
三相异步电动机的缺点是功率因数较低,起动和调速性能不如直流电动机。
因此,在调速性能要求较高的场合,不得不让位于直流电动机,但由于现代电子技术迅猛发展,采用由晶闸管组成的变频电源装置,三相异步电动机的调速性能得到改善,应用更加广泛。
三、三相异步电动机的结构
异步电动机的结构也可分为定子、转子两大部分。
定子就是电机中固定不动的部分,转子是电机的旋转部分。
由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场,同时从电源吸收电能,并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能,所以与直流电机不同,交流电机定子是电枢。
另外,定、转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙),以保证转子的自由转动。
异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小,一般为0.2mm~2mm。
三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式,以适应不同的工作需要。
在某些特殊场合,还有特殊的外形防护型式,如防爆式、潜水泵式等。
不管外形如何电动机结构
基本上是相同的。
现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。
如图4-1所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。
1—端盖2—轴承3—机座4—定子绕组5—转子
6—轴承7—端盖8—风扇9—风罩10—接线盒
图4-1封闭式三相异步电动机的结构
1.定子部分
定子部分由机座、定子铁心、定子绕组及端盖、轴承等部件组成。
(1)机座。
机座用来支承定子铁心和固定端盖。
中、小型电动机机座一般用铸铁浇成,大型电动机多采用钢板焊接而成。
(2)定子铁心。
定子铁心是电动机磁路的一部分。
为了减小涡流和磁滞损耗,通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒,硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘,在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽,用以嵌放定子绕组。
(3)定子绕组。
定子绕组是电动机的电路部分,也是最重要的部分,一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。
它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。
通常,绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组,按一定的排列方式嵌入定子槽内。
槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。
槽内绕组匝间、绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。
如果是双层绕组(就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边),还要加放层间绝缘。
(4)轴承。
轴承是电动机定、转子衔接的部位,轴承有滚动轴承和滑动轴承两类,滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承),目前多数电动机都采用滚动轴承。
这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱,轴承上还装有油环,轴转动时带动油环转动,把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。
为使润滑油能分布在整个接触面上,轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。
(a)直条形式(b)斜条形式
图4-2笼型异步电动机的转子绕组形式
2.转子部分
转子是电动机中的旋转部分,如图4-1中的部件5。
一般由转轴、转子铁心、转子绕组、风扇等组成。
转轴用碳纲制成,两端轴颈与轴承相配合。
出轴端铣有键槽,用以固定皮带轮或联轴器。
转轴是输出转矩、带动负载的部件。
转子铁心也是电动机磁路的一部分。
由0.5mm厚的硅钢片叠压成圆柱体,并紧固在转子轴上。
转子铁心的外表面有均匀分布的线槽,用以嵌放转子绕组。
三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同,一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。
(1)笼型转子线槽一般都是斜槽(线槽与轴线不平行),目的是改善起动与调速性能。
其外形如图3.7中的第5部分;笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条,然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接),即构成了转子绕组;小型笼型电动机一般用铸铝转子,这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上,导条、瑞环一次浇铸出来。
如果去掉铁心,整个绕组形似鼠笼,所以得名笼型绕组,如图4-2所示。
图4-2(a)为笼型直条形式,图4-2(b)为笼型斜条形式。
(2)绕线型转子绕组与定子绕组类似,由镶嵌在转子铁心槽中的三相绕组组成。
绕组一般采用星形连接,三相绕组绕组的尾端接在一起,首瑞分别接到转轴上的3个铜滑环上,通过电刷把3根旋转的线变成了固定线,与外部的变阻器连接,构成转子的闭合回路,以便于控制,如图4-3所示。
有的电动机还装有提刷短路装置,当电动机起动后又不需要调速时,可提起电刷,同时使用3个滑环短路,以减少电刷摩损。
图4-3绕线式异步电动机的转子
两种转子相比较,笼型转子结构简单,造价低廉,并且运行可靠,因而应用十分广泛。
绕线型转子结构较复杂,造价也高,但是它的起动性能较好,并能利用变阻器阻值的变化,使电动机能在一定范围内调速;在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械(如起重机)中常常被采用。
一般电动机转子上还装有风扇或风翼(如图4-1中部件8),便于电动机运转时通风
散热。
铸铝转子一般是将风翼和绕组(导条)一起浇铸出来,如图4-2(b)所示。
3.气隙
所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。
中小型异步电动机的气隙一般为0.2mm~1.5mm。
气隙的大小对电动机性能影响较大,气隙大。
磁阻也大,产生同样大小的磁通,所需的励磁电流Im也越大,电动机的功率因数也就越低。
但气隙过小,将给装配造成困难,运行时定、转子容易发生摩擦,使电动机运行不可靠。
四、三相异步电动机的基本工作原理
(一)旋转磁场
1.旋转磁场的产生
在图4-4中,假设磁场的旋转是逆时针的,这相当于金属框相对于永久磁铁,以顺时针方向切割磁力线,金属框中感生电流的方向,如图中小圆圈里所标的方向。
此时的金属框已成为通电导体,于是它又会受到磁场作用的磁场力,力的方向可由左手定则判断,如图4-4中小箭头所指示的方向。
金属框的两边受到两个反方向的力f,它们相对转轴产生电磁转矩(磁力矩),使金属框发生转动,转动方向与磁场旋转方向一致,但永久磁铁旋转的速度n1要比金属框旋转的速度n大。
从上述实验中可以看到,在旋转的磁场里,闭合导体会因发生电磁感应而成为通电导体,进而又受到电磁转矩作用而顺着磁场旋转的方向转动;实际的电动机中不可能用手去摇动永久磁铁产生旋转的磁场,而是通过其他方式产生旋转磁场,如在交流电动机的定子绕组(按一定排列规律排列的绕组)通入对称的交流电,便产生旋转磁场;这个磁场虽然看不到,但是人们可以感受到它所产生的效果,与有形体旋转磁场的效果一样。
通过这个实验,可以清楚地看到,交流电动机的工作原理主要是产生旋转磁场。
图4-4闭合金属框中受力示意图
为了更好的说明三相异步电动机的工作原理,用图4-5进一步进行说明,从中可以很清楚地看到三相交流电产生旋转磁场的现像。
图中所示的3个绕组在空间上相互间隔机械角度120°(实际的电动机中一般都是相差电角度120°),3个绕组的尾端(标有U2、V2、W2)连接在一起(3个绕组的这种连接称为星形(Y)接法。
常用接法还有三角形(△)接法,就是将3个绕组首尾相连,在3个接点上分别引出3根引线的接法。
),将对称的三相交流电iU=Imsint、iV=Imsin(t-120°)、iW=Imsin(t-240°)从3个绕组的首端(标有U1、V1、W1)通入,放在绕组中心处的小磁针便迅速转动起来,由此可知旋转磁场的存在。
图4-5三相交流电动机定子三相绕组排列示意图
三相交流电是怎样产生旋转磁场的呢?
用图4-6进行分析。
当3个绕组跟三相电源接通后,绕组中便通过三相对称的交流电流iU、iV、iW,其波形如图4-6图所示。
现在选择几个特殊的运行时刻,看看三相电流所产生的合成磁场是怎样的。
这里规定:
电流取正值时,是由绕组始端流进(符号),由尾端流出(符号⊙);电流取负值时,绕组中电流方向与此相反。
图4-6三相交流电产生旋转磁场示意图
当t=t1=0,U相电流iU=0,V相电流取为负值,即电流由V2端流进,由V1端流出;W相电流iW为正,即电流从W1端流进,从W2端流出。
在图4-6的定子绕组图中,根据电生磁右手螺旋定则,可以判定出此时电流产生的合成磁场如图4-6(a)所示,此时好像有一个有形体的永久磁铁的N极放在导体U1的位置上,S极放在导体U2的位置上。
当t=t2=2时,电流已变化了1/3周期。
此时刻i为正,电流由U1端流入,从U2端流出,iV为零;iW为负,电流从W2端流入,从W1端流出。
这一时刻的磁场如图4-6(b)所示。
磁场方向较t=t1时沿顺时针方向在空间转过了120°。
用同样的方法,继续分析电流在t=t3、t=t4时的瞬时情况,便可得这两个时刻的磁场,如图4-6(c)、4-6(d)所示。
在t=t3=4/3时刻,合成磁场方向较t2时刻又顺时针转过120°。
在t=t4=2时刻,磁场较t3时再转过120°,即自t1时刻起至t4时刻,电流变化了一个周期,磁场在空间也旋转了一周。
电流继续变化,磁场也不断地旋转。
从上述分析可知,三相对称的交变电流通过对称分布的3组绕组产生的合成磁场,是在空间旋转的磁场,而且是一种磁场幅值不变的圆形旋转磁场。
三相异步电动机的基本原理是:
把对称的三相交流电通入彼此间隔120°电角度的三相定子绕组,可建立起一个旋转磁场。
根据电磁感应定律可知,转子导体中必然会产生感生电流,该电流在磁场的作用下产生与旋转磁场同方向的电磁转矩,并随磁场同方向转动。
2.旋转磁场的转速
旋转磁场的速度也称为“同步转速”,用n1表示,其单位是“r/min”。
它的大小由交流电源的频率及磁场的磁极对数决定。
图4-6所举的例子是只能产生一对磁极的电动机,电流变化一个周期,旋转磁场转一圈;若电源电流的频率为f(Hz),则一对磁极的旋转速度应为n1=60f(r/min);我国电网供电电流的频率(即工频)为f=50Hz(即每秒完成50个周期的变化),则一对旋转磁场的转速就是50r/min×60r/min=3000r/min。
若定子绕组采用的排列方式不同,那么产生的磁极对数也不同,依照前面分析产生一对磁极的方法,仍然选取几个特殊的时刻,根据图4-6上图各相电流的正、负时刻,画出各个绕组中电流的流向,即可判定出各时刻产生的磁场情况,如图4-7所示。
t=t1=0时,iU=0,U相绕组内没有电流;iV为负值,电流由端流进,由端流出,再由V2端流进,由V1端流出;iW为正值,电流由W1端流进,由W2端流出再由W1’端流进。
由W2’端流出。
此时三相电流产生的合成磁场如图4-7所示。
前面讲过,每当交流电变化一个周期,两极旋转磁场就在空间转过360°(即1转)机械角度。
从图4-7中可以看出,四极的旋转磁场在电流变化一周中,在空间只转过180°(即1/2转)机械角度。
由此类推,当旋转磁场具有P对磁极时,交流电每变化一周,磁场就在空间转过1/
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