《電氣控制與PLC》課件-3.1三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

鐵道機(jī)車專業(yè)教學(xué)資源庫金屬切削機(jī)床如車床、磨床等在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常普遍，其加工工作一般必須通過工件的運(yùn)動(dòng)或加工刀具、工作臺(tái)等的運(yùn)動(dòng)來完成，這些運(yùn)動(dòng)都必須有一個(gè)動(dòng)力來拖動(dòng)，在實(shí)際中大都采用的是三相異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)容量從幾十瓦到幾千千瓦，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，重量輕、效率較高，不僅在工業(yè)生產(chǎn)中使用非常廣泛，在農(nóng)業(yè)方面如水泵、脫粒機(jī)、粉碎機(jī)及其他農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等也都是用異步電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在整個(gè)電能消耗中，電動(dòng)機(jī)的耗能占總電能的65%左右，而在整個(gè)電動(dòng)機(jī)的耗能中，三相異步電動(dòng)機(jī)又居首位。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，三相異步電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速性能越來越凸顯其優(yōu)勢(shì)，三相異步電動(dòng)機(jī)將在更多的領(lǐng)域代替直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用?！景咐?/p>

三相異步電動(dòng)機(jī)種類繁多，按其外殼防護(hù)方式的不同可分為開啟式、防護(hù)式、封閉式三類。由于封閉式結(jié)構(gòu)能防止異物進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，并能防止人與物觸及電動(dòng)機(jī)帶電部位與運(yùn)動(dòng)部分，運(yùn)行中安全性能好，因而成為目前使用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式。3.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)籠型異步電動(dòng)機(jī)的各個(gè)部件（1）定子鐵心定子鐵心作為電動(dòng)機(jī)磁通的通路，對(duì)鐵心材料既要有良好的導(dǎo)磁性能，剩磁小，又要盡量降低渦流損耗，一般用0.5mm厚表面有絕緣層的硅鋼片疊壓而成。定子鐵心內(nèi)圓沖有沖均勻分布的槽，用于嵌放三相定子繞組。（2）定子繞組三相繞組是用絕緣銅線或鋁線繞制成三相對(duì)稱的繞組按一定的規(guī)則連接嵌放在定子槽中。小型異步電動(dòng)機(jī)定子繞組一般采用高強(qiáng)度漆包圓銅線繞制，大中型異步電動(dòng)機(jī)則用漆包扁銅線或玻璃絲包扁銅線繞制。三相定子繞組之間及繞組與定子鐵心之間均墊有絕緣材料。常用的薄膜類絕緣材料有聚酯薄膜青殼紙、聚酯薄膜、聚酯薄膜玻璃漆布箔及聚四氟乙烯薄膜。異步動(dòng)機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和基座三部分組成。鐵心和機(jī)座定子沖片定子線圈（a）星形聯(lián)結(jié)（b)三角形聯(lián)結(jié)三相繞組的聯(lián)結(jié)定子繞接線圖（3）機(jī)座機(jī)座的作用是固定定子繞組和定子鐵心，并通過兩側(cè)的端蓋和軸承來支撐電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，同時(shí)構(gòu)成電動(dòng)機(jī)的電磁通路并發(fā)散電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量。機(jī)座通常為鑄鐵件，大型異步電動(dòng)機(jī)機(jī)座一般用鋼板焊成，而某些微型電動(dòng)機(jī)的基座則采用鑄鋁件以減輕電動(dòng)機(jī)的重量。封閉式電動(dòng)機(jī)的基座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護(hù)式電動(dòng)機(jī)的機(jī)座兩端端蓋開有通風(fēng)孔，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)外的空氣可以直接對(duì)流，以利于散熱。（4）端蓋端蓋對(duì)內(nèi)部起保護(hù)作用，并借助滾動(dòng)軸承將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)座聯(lián)成一個(gè)整體。端蓋一般為鑄鋼件，微型電動(dòng)機(jī)則為鑄鋁件。2．轉(zhuǎn)子（1）轉(zhuǎn)子鐵心作為電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，并放置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵心一般用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。一般小型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，而大中型異步電動(dòng)的轉(zhuǎn)子鐵心則借助于轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。為了改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行性能，減少諧波，籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心一般都采用斜槽結(jié)構(gòu)（2）轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組用來切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，并在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下受力而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，按繞組不同，異步電動(dòng)機(jī)分為籠型轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子兩類。轉(zhuǎn)子的兩種類型①籠型轉(zhuǎn)子。根據(jù)導(dǎo)體材料不同，籠型轉(zhuǎn)子分為銅條轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子。銅條轉(zhuǎn)子即在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)放置沒有絕緣的銅條，銅條的兩端用短路環(huán)焊接起來，形成一個(gè)籠型的形狀;中小型異步電動(dòng)機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子，一般為鑄鋁式轉(zhuǎn)子，采用離心鑄鋁法，將熔化了的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)成為一個(gè)完整體，兩端的短路環(huán)和冷卻風(fēng)扇葉子也一并鑄成.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)異步動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。1）籠型繞組銅條籠型轉(zhuǎn)子鑄鋁籠型轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子繞線轉(zhuǎn)子照片②繞線轉(zhuǎn)子。繞線型轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組一樣，也是一個(gè)用絕緣導(dǎo)線繞成的三相對(duì)稱繞組，被嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽中，接成星形。繞組的三個(gè)出線端分別接到轉(zhuǎn)軸端部的三個(gè)彼此絕緣的銅制滑環(huán)上。通過滑環(huán)與支持在端蓋上的電刷構(gòu)成滑動(dòng)接觸，轉(zhuǎn)子繞組的三個(gè)出線端引到機(jī)座上的接線盒內(nèi)，以便與外部變阻器連接，故繞線式轉(zhuǎn)子又稱滑環(huán)式轉(zhuǎn)子.異步電機(jī)的氣隙比同容量直流電機(jī)的氣隙小得多，在中、小型異步電動(dòng)機(jī)中，一般為0.2~2.5mm。氣隙大小對(duì)電機(jī)性能影響很大，氣隙愈大則為建立磁場(chǎng)所需勵(lì)磁電流就大，從而降低電機(jī)的功率因數(shù)。如果把異步電機(jī)看成變壓器，顯然，氣隙愈小則定子和轉(zhuǎn)子之間的相互感應(yīng)(即耦合)作用就愈好。因此應(yīng)盡量讓氣隙小些，但也不能太小，否則會(huì)使加工和裝配困難，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)定轉(zhuǎn)子之間易發(fā)生掃膛。3．氣隙3.1.3三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌三相異步電動(dòng)機(jī)銘牌1．型號(hào)

3.1.3三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌Y2系列三相籠型異步電動(dòng)機(jī)外形圖2．額定功率PN(2．2kW)

表示電動(dòng)機(jī)在額定工作狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，允許輸出的機(jī)械功率。3．額定電流IN(9.69/5.61A)

表示電動(dòng)機(jī)在額定工作狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，定子電路輸入的線電流。9.69A是D接時(shí)的額定電流，5.61A是Y接的額定電流。4．額定電壓UN(380V)表示電動(dòng)機(jī)在額定工作狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，定子電路所加的線電壓。5．額定轉(zhuǎn)速nN(950r／min)

表示電動(dòng)機(jī)在額定工作狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。6．接法(220D/380Y)

表示電動(dòng)機(jī)定子三相繞組與交流電源的連接方法，220D/380Y表示電源為220V時(shí)采用D接法，電源380V時(shí)采用Y接法。對(duì)Y2系列電動(dòng)機(jī)而言，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定凡3kW及以下者均采用星形聯(lián)結(jié)；4kW及以上者均采用三角形聯(lián)結(jié)。7．防護(hù)等級(jí)(IP44)

表示電動(dòng)機(jī)外殼防護(hù)的方式。IPll是開啟式，IP22、IP23是防護(hù)式，IP44是封閉式8．頻率(50Hz)

表示電動(dòng)機(jī)使用交流電源的頻率。9．絕緣等級(jí)

表示電機(jī)各繞組及其他絕緣部件所用絕緣材料的等級(jí)。絕緣材料按耐熱性能可分為7個(gè)等級(jí)絕緣耐熱等級(jí)AEBFHC允許最高溫度/℃105120130155180180以上允許最高溫升/℃658090115140140以上電動(dòng)機(jī)允許溫升與絕緣耐熱等級(jí)關(guān)系10．定額

指電動(dòng)機(jī)按銘牌值工作時(shí)，可以持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間和順序。電動(dòng)機(jī)定額分連續(xù)定額、短時(shí)定額和斷續(xù)定額三種。分別用Sl、S2、S3表示。

①連續(xù)定額(S1)：可連續(xù)運(yùn)行

②短時(shí)定額(S2)：表示電動(dòng)機(jī)按銘牌值工作時(shí)只能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)短時(shí)運(yùn)行。我國規(guī)定的短時(shí)運(yùn)行時(shí)間為10、30、60及90min(分鐘)4種。

③斷續(xù)定額(S3)：表示電動(dòng)機(jī)按銘牌值工作時(shí)，運(yùn)行一段時(shí)間就要停止一段時(shí)間，周而復(fù)始地按一定周期重復(fù)運(yùn)行。每一周期為10min，我國規(guī)定的負(fù)載持續(xù)率為15％、25％、40％及60％等4種(如標(biāo)明40％則表示電動(dòng)機(jī)工作4min就需休息6min)3.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)工作原理1．旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生

三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組分布示意圖

定子三相繞組通入三相交流電(星形聯(lián)接)AXBYCZ1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生oo規(guī)定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(?)電流出(

)電流入

tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ

三相電流合成磁場(chǎng)的分布情況合成磁場(chǎng)方向向下合成磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)60°合成磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)90°600動(dòng)畫oAAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)是一旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)

即：一個(gè)電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間轉(zhuǎn)過360°取決于三相電流的相序2.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向結(jié)論：任意調(diào)換兩根電源進(jìn)線，則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)。動(dòng)畫任意調(diào)換兩根電源進(jìn)線(電路如圖)AXCZBY0

to3.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)P

當(dāng)三相定子繞組按圖示排列時(shí)，產(chǎn)生一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即：o

tAXBYCZAXYCBZ

若定子每相繞組由兩個(gè)線圈串聯(lián)

，繞組的始端之間互差60°，將形成兩對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC極對(duì)數(shù)動(dòng)畫旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)與三相繞組的排列有關(guān)C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'0p=2時(shí)0旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n0與極對(duì)數(shù)p的關(guān)系極對(duì)數(shù)每個(gè)電流周期磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過的空間角度同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n0與頻率f1和極對(duì)數(shù)p有關(guān)。可見:2電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理1.轉(zhuǎn)動(dòng)原理AXYCBZ定子三相繞組通入三相交流電方向:順時(shí)針

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體右手定則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E20旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)左手定則電磁力FF電磁轉(zhuǎn)矩TnF3轉(zhuǎn)差率

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率。

由前面分析可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向一致，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能達(dá)到與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相等，即異步電動(dòng)機(jī)如果:無轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流

轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁通不切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條無轉(zhuǎn)矩因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速間必須要有差別。異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦可由轉(zhuǎn)差率求得轉(zhuǎn)差率s

例1：一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速

n=975r/min，電源頻率f1=50Hz。試求電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)和額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率。解：根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系可知：n0=1000r/min,即p=3額定轉(zhuǎn)差率為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n是否會(huì)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1相同呢？不可能的。因?yàn)橐坏┺D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同，二者便無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子也不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，也就沒有電磁轉(zhuǎn)矩了。只有二者轉(zhuǎn)速有差異時(shí)，才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是略小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)