《電機(jī)原理與維修》課件第11章

第11章三相異步電動(dòng)機(jī)的基本知識(shí)及結(jié)構(gòu)

11.1三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理11.2異步電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型及基本結(jié)構(gòu)11.3三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌習(xí)題11.1三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理11.1.1異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理三相異步電動(dòng)機(jī)和其他類(lèi)型電動(dòng)機(jī)一樣，也是利用通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力的原理制成的。圖11-1是三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖，圖中N、S為一對(duì)安裝在用鐵磁材料做成的圓柱形鐵芯上，在兩個(gè)磁極中間也裝有一個(gè)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱形鐵芯，在鐵芯外圓槽內(nèi)嵌放著導(dǎo)體，這些導(dǎo)體兩端各用圓環(huán)把它們短接成一整體。圖11-1異步電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖若將外圈以n1速度逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則外圈上的磁極也以n1速度逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逆時(shí)針?lè)较蚯懈钷D(zhuǎn)子導(dǎo)體，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的方向可以用右手定則判定。由于轉(zhuǎn)子繞組是短路的，因此在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，導(dǎo)體中就有電流流過(guò)，此電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同方向。載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將會(huì)產(chǎn)生電磁力。由左手定則判定，N極下的導(dǎo)體所受電磁力方向向左，S極下的則向右，這一對(duì)力偶產(chǎn)生了轉(zhuǎn)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩T，它與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同方向，在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子就會(huì)以n的速度順著磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。這就是異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)接入三相交流電源時(shí)，就有三相對(duì)稱(chēng)電流流過(guò)三相定子繞組并在電動(dòng)機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度n1稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向是一致的，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n

始終要低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度n1，如果n與n1相同，則磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體之間就沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此它們之間就沒(méi)有電磁關(guān)系，也就不能在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、產(chǎn)生電流，也就不能形成電磁轉(zhuǎn)矩。所以異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1，這就是為什么叫異步電動(dòng)機(jī)的原因。11.1.2轉(zhuǎn)差率旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱(chēng)為轉(zhuǎn)差Δn，這個(gè)轉(zhuǎn)差是異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的必要條件。轉(zhuǎn)差與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1之比，稱(chēng)為轉(zhuǎn)差率，用符號(hào)s表示，即

(11-1)轉(zhuǎn)差率是決定異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，它的大小也反映了異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。在電機(jī)啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0，所以轉(zhuǎn)差率s=1；隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不斷上升，轉(zhuǎn)差率s逐漸減小。假如所有阻力矩(包括電動(dòng)機(jī)本身軸承摩擦等)全部為零，則稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)的理想空載。在此情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以上升至理想空載轉(zhuǎn)速n0，即n0=n1，此時(shí)轉(zhuǎn)差率s=0。為了使異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率較高，通常使它的額定轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速。因此額定轉(zhuǎn)差率sn很小，一般在0.015～0.05之間。11.1.3異步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)

1.異步電機(jī)的電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)異步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，為了克服負(fù)載的阻力轉(zhuǎn)矩，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n總是略小于同步轉(zhuǎn)速n1，以使氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)能夠切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和產(chǎn)生電流，使轉(zhuǎn)子能產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以n的速度順著磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，如圖11-2(a)所示，從而把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。此時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化范圍為0＜n＜n1，轉(zhuǎn)差率的變化范圍為1＞s＞0。圖11-2異步電機(jī)三種運(yùn)行狀態(tài)原理圖

2.異步電機(jī)的發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子不帶機(jī)械負(fù)載的情況下，用一原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)異步電機(jī)以大于同步轉(zhuǎn)速n1的速度順著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，如圖11-2(b)所示?？梢钥闯觯捎谵D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場(chǎng)而產(chǎn)生的電勢(shì)及電流均與圖11-2(a)相反。由左手定則可知，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流與氣隙磁場(chǎng)相作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向也與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，起制動(dòng)作用。為了克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)作用，保證轉(zhuǎn)子以n＞n1的某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，原動(dòng)機(jī)就必須不斷向電機(jī)轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率，而異步電機(jī)定子則把輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為輸出的電功率，即把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。此時(shí)，異步電機(jī)成為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，稱(chēng)為異步發(fā)電機(jī)。當(dāng)異步電機(jī)在發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒大于同步轉(zhuǎn)速，即n＞n1，由式11-1可知，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率s恒為負(fù)值。

3.異步電機(jī)的制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行在某種情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，如圖11-2(c)所示，這時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場(chǎng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)和電流與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)相同，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩方向也與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向相同，但與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，起阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用，故稱(chēng)為異步電機(jī)的制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。此時(shí)，異步電機(jī)一方面消耗原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率，同時(shí)又從電網(wǎng)上吸收電功率，這與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)一樣，這兩部分功率均消耗在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部。在制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)方向相反，n為負(fù)值，轉(zhuǎn)差率s必大于1。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，異步電機(jī)絕大多數(shù)是作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、效率較高和運(yùn)行可靠，中、小型的異步電動(dòng)機(jī)在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。異步發(fā)電機(jī)的性能由于不如同步發(fā)電機(jī)優(yōu)越，僅用于特殊場(chǎng)合，如用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)。至于制動(dòng)運(yùn)行也是異步電機(jī)的一種特殊運(yùn)行方式。綜上所述三種運(yùn)行狀態(tài)，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速不等，故稱(chēng)為異步電機(jī)。由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流是由定子勵(lì)磁磁場(chǎng)所感應(yīng)的，也把異步電機(jī)稱(chēng)為感應(yīng)電機(jī)。11.2異步電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型及基本結(jié)構(gòu)11.2.1基本類(lèi)型三相異步電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型很多，從不同的角度看，有不同的分類(lèi)方法。通常按轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)分為鼠籠型和繞線(xiàn)型兩種類(lèi)型。鼠籠型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低，運(yùn)行可靠；繞線(xiàn)型可通過(guò)外接電阻來(lái)改善啟動(dòng)性能并能進(jìn)行調(diào)速。若按機(jī)殼的防護(hù)形式可分為防護(hù)式、封閉式和開(kāi)啟式。還有按電動(dòng)機(jī)的容量大小、冷卻方式等分類(lèi)。圖11-3封閉式三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.定子部分

1)定子鐵芯定子鐵芯是電動(dòng)機(jī)主磁路的一部分，裝在機(jī)座里，并要放置定子繞組。為了增強(qiáng)導(dǎo)磁性能和減少旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子鐵芯中的渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵芯采用片間絕緣的0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。圖11-4(a)、(b)為定子鐵芯及沖片的示意圖。當(dāng)鐵芯直徑小于1m時(shí)，用整圓的硅鋼片疊成；大于1m時(shí)，有扇型硅鋼片拼裝而成。為了放置定子繞組，在定子內(nèi)圓開(kāi)有槽，槽的形狀有：開(kāi)口槽、半開(kāi)口槽和半封閉槽，如圖11-5所示。它們分別對(duì)應(yīng)放置大、中型的高壓異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組、中型500V以下和小型異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組。圖11-4定子鐵芯與沖片圖11-5定子鐵芯槽型(a)開(kāi)口槽；(b)半開(kāi)口槽；(c)半封口槽

2)定子繞組定子繞組是電動(dòng)機(jī)的定子電路部分，由它通過(guò)電流建立磁場(chǎng)，并感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組是一個(gè)三相對(duì)稱(chēng)繞組，它由三個(gè)完全相同的繞組組成，每個(gè)繞組為一相，三個(gè)繞組在空間上互差120°電角度，每相繞組的兩端分別用U1-U2

，V1-V2，W1-W2表示，可以根據(jù)需要接成星形和三角形，如圖11-6所示。圖11-6三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組接線(xiàn)(a)星形連接；(b)三角形連接

3)機(jī)座機(jī)座的作用主要是起固定和支撐定子鐵芯，對(duì)于中、小型異步電動(dòng)機(jī)，一般采用鑄鐵機(jī)座；對(duì)于大型異步電動(dòng)機(jī)，一般采用鋼板焊接的機(jī)座。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的防護(hù)方式、冷卻方式和安裝方式的不同，機(jī)座的形式也不同。

2.轉(zhuǎn)子部分三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組兩部分組成。

1)轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)子鐵芯的作用與定子鐵芯相同，既作為電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，又用來(lái)安放轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯也是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上。

2)轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、流過(guò)電流并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的不同分為鼠籠型和繞線(xiàn)型轉(zhuǎn)子兩種。

(1)鼠籠型轉(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子鐵芯的每一個(gè)槽內(nèi)用鋁水澆鑄填滿(mǎn)，冷卻后就成為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，并且在澆鑄時(shí)將導(dǎo)條、端環(huán)和風(fēng)扇葉片一次鑄成，故稱(chēng)為鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖11-7(a)所示。若除去轉(zhuǎn)子鐵芯，則剩下導(dǎo)條和端環(huán)，其形狀像老鼠籠子，故稱(chēng)為鼠籠型轉(zhuǎn)子，如圖11-7(b)所示。100kW以下的異步電動(dòng)機(jī)一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。

(2)繞線(xiàn)型轉(zhuǎn)子。圖11-8(a)所示為繞線(xiàn)型轉(zhuǎn)子，與定子繞組一樣，它也是對(duì)稱(chēng)三相繞組。繞線(xiàn)型轉(zhuǎn)子一般接成星形，三根引出線(xiàn)分別接到轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上，通過(guò)電刷裝置與外電路相連，如圖11-8(b)所示。它可以把附加電阻接到轉(zhuǎn)子繞組回路中去，以改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。圖11-7鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組圖11-8繞線(xiàn)型轉(zhuǎn)子繞組(a)外形圖；(b)接線(xiàn)圖

3.其他部分其他部分包括端蓋、軸承和風(fēng)扇等。端蓋對(duì)電動(dòng)機(jī)起防護(hù)作用并用于安裝軸承。軸承用于支撐轉(zhuǎn)子軸。風(fēng)扇用來(lái)通風(fēng)冷卻。11.3三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌每一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座上都有一塊銘牌，標(biāo)注有電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、額定值、繞組接線(xiàn)方式、防護(hù)等級(jí)等，如表11-1所示。

1.型號(hào)異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)一般由漢語(yǔ)拼音的大寫(xiě)字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成，主要表征電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)、規(guī)格和用途等。具體含義如下所示：

2.額定參數(shù)異步電動(dòng)機(jī)在銘牌上標(biāo)注的額定值主要有下列幾項(xiàng)：

(1)額定功率PN。指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，單位是kW。

(2)額定電壓UN。指額定運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)加在定子繞組上的線(xiàn)電壓，單位是V或kV。

(3)額定電流IN。指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下，輸出額定功率時(shí)，輸入定子繞組中的線(xiàn)電流，單位是A。

(4)額定轉(zhuǎn)速nN。指額定運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位是轉(zhuǎn)/分(r/min)。

(5)額定頻率fN。指電動(dòng)機(jī)所接電源的頻率，單位是Hz。我國(guó)的工頻頻率為50Hz。

3.防護(hù)等級(jí)電動(dòng)機(jī)的防護(hù)等級(jí)用字母IP和兩個(gè)數(shù)字表示，I是International(國(guó)際)的第一個(gè)字母，P是Protection(防護(hù))的第一個(gè)字母，IP后面的第一個(gè)數(shù)字代表第一種防護(hù)形式(防塵)的等級(jí)，第二個(gè)數(shù)字代表第二種防護(hù)形式(防水)的等級(jí)，數(shù)字越大，表明防護(hù)的能力越強(qiáng)。

4.接法用Y或△表示。表示在額定運(yùn)行時(shí)，定子繞組應(yīng)采用的連接方式，Y表示星形連接，△表示三角形連接。

5.絕緣等級(jí)絕緣等級(jí)決定了電動(dòng)機(jī)的允許溫升，有時(shí)也不標(biāo)明絕緣等級(jí)而直接標(biāo)明允許溫升。

6.工作方式電動(dòng)機(jī)的工作方式與電動(dòng)機(jī)允許的溫升有關(guān)，分三種情況：

(1)連續(xù)運(yùn)行。依據(jù)電動(dòng)機(jī)銘牌規(guī)定的參數(shù)，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，其各部分的溫升不會(huì)超過(guò)允許值。

(2)短時(shí)運(yùn)行。依據(jù)電動(dòng)機(jī)銘牌規(guī)定的參數(shù)，由實(shí)際冷態(tài)開(kāi)始，在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，才可保證電動(dòng)機(jī)不超過(guò)允許溫升值。

(3)周期運(yùn)行。依據(jù)電動(dòng)機(jī)銘牌規(guī)定的參數(shù)，電動(dòng)機(jī)按照周期性方式工作，每個(gè)周期包括額定負(fù)載時(shí)間和停機(jī)或空載時(shí)間。額定負(fù)載時(shí)間與周期時(shí)間之比稱(chēng)為負(fù)載持續(xù)率。標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載持續(xù)率為15%、25%、40%及60%。每個(gè)周期為10min。習(xí)題

11-1簡(jiǎn)述異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，并解釋“異步”的意義。

11-2什么叫轉(zhuǎn)差率？異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率一般是多少？啟動(dòng)瞬時(shí)的轉(zhuǎn)差率是多少？轉(zhuǎn)差率等于零對(duì)應(yīng)什么情況，這在實(shí)際中存在嗎？

11-3異步電機(jī)有哪三種運(yùn)行狀態(tài)?對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率范圍各是多少?

11-4三相異步電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)有那幾部分？分別起什么作用？

11-5為什么異步電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵芯要用導(dǎo)磁性能良好的硅鋼片制成？空氣隙為什么必須很??？

11-6異步電動(dòng)機(jī)的額定電壓、額定電流、額定功率的定義是什么？

11-7三相異步電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)注