低壓電工實(shí)操及考證課件 第10章 三相異步電動(dòng)機(jī)概述

第10章三相異步電動(dòng)機(jī)概述10.1電動(dòng)機(jī)的分類10.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理10.3三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)10.4三相異步電動(dòng)機(jī)的接線10.5三相異步電動(dòng)機(jī)銘牌識(shí)讀

10.1電動(dòng)機(jī)的分類

交流電動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與交流電能之間互相轉(zhuǎn)換的一種裝置，其可以分為以下幾類：

(1)按其使用電源不同，交流電動(dòng)機(jī)可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類。三相交流電動(dòng)機(jī)中，由于產(chǎn)生磁場和力矩都是由定子電壓完成的，互相很難解耦，又不能獨(dú)立控制，所以，交流傳動(dòng)比直流傳動(dòng)更加復(fù)雜。但是交流電動(dòng)機(jī)制造簡單，維護(hù)簡易，耐用而且成本低，得到了廣泛的應(yīng)用。電力系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)大部分是交流電動(dòng)機(jī)。

(2)按其原理不同，交流電動(dòng)機(jī)可分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)兩大類。同步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與交流電源的頻率有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在運(yùn)行中轉(zhuǎn)速嚴(yán)格保持恒定不變；異步電動(dòng)機(jī)的定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不保持同步，轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的變化稍有變化。

(3)按其所需交流電源相數(shù)的不同，交流電動(dòng)機(jī)可分為單相和三相兩大類。目前使用最廣泛的是三相異步電動(dòng)機(jī)，這是由于三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。在沒有三相電源的場合及一些功率較小的電動(dòng)機(jī)則廣泛使用單相異步電動(dòng)機(jī)。

(4)按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，交流電動(dòng)機(jī)可分為鼠籠式和繞線式兩大類。其中鼠籠式應(yīng)用最為廣泛。

10.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

1.磁鐵旋轉(zhuǎn)對(duì)導(dǎo)體的作用圖10-1(b)是與圖10-1(a)對(duì)應(yīng)的原理簡化圖。當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，閉合線圈的上、下兩段導(dǎo)線會(huì)切割磁鐵產(chǎn)生的磁場，兩段導(dǎo)線都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于磁鐵沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，假設(shè)磁鐵不動(dòng)，那么線圈就被認(rèn)為沿順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)。

線圈產(chǎn)生的電流方向判斷：從圖10-1(b)中可以看出，磁場方向由上往下穿過導(dǎo)線，上段導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)方向可以看成向右，下段導(dǎo)線則可以看成向左，根據(jù)右手定則可以判斷出線圈的上段導(dǎo)線的電流方向由外往內(nèi)，下段導(dǎo)線的電流方向則由內(nèi)往外。圖10-1單匝閉合線圈旋轉(zhuǎn)原理

如果將圖10-1中的單匝閉合導(dǎo)體轉(zhuǎn)子換成圖10-2(a)所示的鼠籠式轉(zhuǎn)子，然后旋轉(zhuǎn)磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鼠籠式轉(zhuǎn)子也會(huì)隨磁鐵一起轉(zhuǎn)動(dòng)。圖中鼠籠式轉(zhuǎn)子的兩端是金屬環(huán)，金屬環(huán)中間安插多根金屬條，每兩根相對(duì)應(yīng)的金屬條通過兩端的金屬環(huán)構(gòu)成一組閉合的線圈，所以鼠籠式轉(zhuǎn)子可以看成是多組閉合線圈的組合。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁鐵時(shí)，鼠籠式轉(zhuǎn)子上的金屬條會(huì)切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，有電流通過的金屬條受磁場的作用力而運(yùn)動(dòng)。根據(jù)圖10-2(b)可分析出，各金屬條的受力方向都是逆時(shí)針方向，所以鼠籠式轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。圖10-2鼠籠式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)原理

綜上所述，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁鐵時(shí)，磁鐵產(chǎn)生的磁場也隨之旋轉(zhuǎn)，處于磁場中的閉合導(dǎo)體會(huì)因此切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，而有感應(yīng)電流通過的導(dǎo)體在磁場中又會(huì)受到磁場力，在磁場力的作用下導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)起來。

2.異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

采用旋轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場讓轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，并沒有實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。實(shí)踐和理論都證明，如果在轉(zhuǎn)子的圓周空間放置互差120°的3組繞組，如圖10-3所示，然后將這3組繞組按星形或三角形接法接好(圖10-4是按星形接法接好的3組繞組)，將3組繞組與三相交流電壓接好，有三相交流電流流進(jìn)3組繞組，這3組繞組會(huì)產(chǎn)生類似圖10-2所示的磁鐵產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，處于此旋轉(zhuǎn)磁場中的轉(zhuǎn)子上的各閉合導(dǎo)體有感應(yīng)電流產(chǎn)生，磁場對(duì)有電流流過的導(dǎo)體產(chǎn)生作用力，推動(dòng)各導(dǎo)體按一定的方向運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子也就運(yùn)轉(zhuǎn)起來了。圖10-3三相電動(dòng)機(jī)互差120°三繞組圖圖10-43組繞組與三相電源星形(Y形)連接圖

圖10-3實(shí)際上是三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。繞組繞在鐵芯支架上，由于繞組和鐵芯都固定不動(dòng)，因此稱為定子，定子中間是鼠籠式的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)可以看成是由繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場推動(dòng)的，旋轉(zhuǎn)磁場有一定的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速(又稱同步轉(zhuǎn)速)n、三相交流電的頻率f和磁極對(duì)數(shù)p(一對(duì)磁極有兩個(gè)相異的磁極)有以下關(guān)系：

例如，一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的交流電壓頻率f?=?50Hz，定子繞組的磁極對(duì)數(shù)p?=?3，那么旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)數(shù)n=60?×?50/3=1000(r/min)。

電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場方向是相同的，轉(zhuǎn)子是由旋轉(zhuǎn)磁場作用轉(zhuǎn)動(dòng)的，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速要小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，并且要滯后于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，也就是說，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速是不同步的。這種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不同步的電動(dòng)機(jī)稱為異步電動(dòng)機(jī)。

10.3三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

三相異步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分組成，如圖10-5所示。圖10-5三相異步電動(dòng)機(jī)的組成

1.定子部分

定子部分包括機(jī)座、定子鐵芯和定子繞組。機(jī)座通常用鑄鐵或鑄鋼制成，鐵芯用硅鋼片疊成圓筒形，鐵芯的內(nèi)圓上有若干分布均勻的平行槽，槽內(nèi)安裝定子繞組。

定子繞組通常由涂有絕緣漆的銅線繞制而成，再將繞制好的銅線按一定的規(guī)律嵌入定子鐵芯的小槽內(nèi)，具體見圖10-5局部放大部分。繞組嵌入小槽后，按一定的方法將槽內(nèi)的繞組連接起來，使整個(gè)鐵芯內(nèi)的繞組構(gòu)成U、V、W三相繞組，再將三相繞組的首、末端引出來，接到接線盒的U1、U2、V1、V2、W1、W2接線柱上。接線盒各接線柱與電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組的連接關(guān)系如圖10-6所示。圖10-6接線盒各接線端與內(nèi)部繞組的連接關(guān)系

2.轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸等部分組成。轉(zhuǎn)子鐵芯也由硅鋼片疊成，并固定在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子的外圓周上也有若干分布均勻的平行槽，用于安置轉(zhuǎn)子繞組。

轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為鼠籠式和繞線式兩種

1)鼠籠式轉(zhuǎn)子

鼠籠式轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵芯的每一條槽內(nèi)插入一根裸導(dǎo)條，在鐵芯兩端分別用兩處短路環(huán)把導(dǎo)條連接成一個(gè)整體，形成一個(gè)自身閉合的短路繞組。如去掉鐵芯，整個(gè)繞組就像一個(gè)鼠籠，所以稱為鼠籠式電動(dòng)機(jī)。中小型電動(dòng)機(jī)的鼠籠式轉(zhuǎn)子一般采用鑄鋁，大型電動(dòng)機(jī)則采用銅導(dǎo)條，如圖10-7所示。圖10-7鼠籠式轉(zhuǎn)子示意圖

2)繞線式轉(zhuǎn)子

繞線式轉(zhuǎn)子外形如圖10-8所示，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖10-9所示。繞線式轉(zhuǎn)子繞組是在平行槽內(nèi)嵌入對(duì)稱的三相繞組，并把它接成星形，其末端接在一起，首端分別接在轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)彼此絕緣的滑環(huán)上，經(jīng)電刷與變阻器連接，這樣轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的電流通過集電環(huán)、電刷、變阻器構(gòu)成回路(如圖10-10所示)。調(diào)節(jié)變阻器可以改變轉(zhuǎn)子繞組回路的電阻，以此來改變繞組的電流，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。這種電動(dòng)機(jī)稱為繞線式電動(dòng)機(jī)。圖10-8繞線式轉(zhuǎn)子圖10-9線繞式轉(zhuǎn)子繞組圖10-10按星形連接的轉(zhuǎn)子繞組

3.三相異步電動(dòng)機(jī)的其他附件

(1)端蓋：起支撐作用。

(2)軸承：連接轉(zhuǎn)動(dòng)部分與不動(dòng)部分。

(3)軸承端蓋：保護(hù)軸承。

(4)風(fēng)扇：冷卻電動(dòng)機(jī)。

10.4三相異步電動(dòng)機(jī)的接線

1.接線盒

三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組由U、V、W三相繞組組成，這三相繞組有6個(gè)接線端，它們與接線盒的6個(gè)接線柱連接。三相繞組的6個(gè)接線柱排成上下兩排，并規(guī)定上排三個(gè)接線柱自左至右排列的編號(hào)為1(U1)、2(V1)、3(W1)，下排三個(gè)接線柱自左至右排列的編號(hào)為6(W2)、4(U2)、5(V2)，凡制造和維修時(shí)均應(yīng)按這個(gè)序號(hào)排列。接線盒如圖10-11所示。圖10-11電動(dòng)機(jī)接線盒內(nèi)有六個(gè)接線端

2.星形接線

要將定子繞組接成星形，可按圖10-12(a)所示的方法接線。接線時(shí)，用短路線把接線盒中的W2、U2、V2接線柱短接起來，這樣就將電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的繞組接成了星形，如圖10-12(b)所示。圖10-12定子繞組按星形接法接線

3.三角形接線

要將電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的三相繞組接成三角形，可用短路線將接線盒中的U1和W2、V1和U2、W1和V2接線柱按圖10-13所示連接起來，然后從U1、V1、W1接線柱分別引出導(dǎo)線，與三相交流電源的3根相線連接。圖10-13定子繞組按三角形接法接線

10.5三相異步電動(dòng)機(jī)銘牌識(shí)讀

三相異步電動(dòng)機(jī)一般會(huì)在外殼上安裝一個(gè)銘牌，銘牌就相當(dāng)于簡單的說明書，它標(biāo)注了電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、主要技術(shù)參數(shù)等信息。電動(dòng)機(jī)銘牌對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)的控制非常重要，尤其是電動(dòng)機(jī)額定電壓、額定頻率。下面以圖10-14所示的銘牌為例來說明銘牌上各項(xiàng)內(nèi)容的含義。圖10-14三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌

(1)型號(hào)(Y112M-4)。型號(hào)通常由字母和數(shù)字組成，其含義說明如圖10-15所示。圖10-15型號(hào)含義

(2)額定功率(功率4.0kW)。額定功率是在額定狀態(tài)工作時(shí)電動(dòng)機(jī)所輸出的機(jī)械功率。

(3)額定電流(電流8.8A)。額定電流是在額定狀態(tài)工作時(shí)流入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流。

(4)額定電壓(電壓380V)。額定電壓是在額定狀態(tài)工作時(shí)加到定子繞組的線電壓。

(5)額定轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速1440r/min)。額定轉(zhuǎn)速是在額定工作狀態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。

(6)噪聲等級(jí)(LW82dB)。噪聲等級(jí)通常用LW值表示，LW值的單位是dB(分貝)。LW值越小，表示電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲越小。

(7)連接方式(△連接)。連接方式是指在額定電壓下定子繞組采用的連接方式，連接方式有三角形(△形)連接方式和星形(Y形)連接方式兩種。

(8)防護(hù)等級(jí)(IP44)。防護(hù)等級(jí)表示電動(dòng)機(jī)外殼采用的防護(hù)方式。IP11是開啟式，IP22、IP33是防護(hù)式，而IP44是封閉式。

(9)工作頻率(50Hz)。工作頻率表示電動(dòng)機(jī)所接交流電源的頻率。

(10)工作制(S1)。工作制是指電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式，一般有3種：S1(連續(xù)運(yùn)行)、S2(短時(shí)運(yùn)行)和S3(斷續(xù)運(yùn)行)。連續(xù)運(yùn)行是指電動(dòng)機(jī)在額定條件下(即銘牌要求的條件下)可長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行；短時(shí)運(yùn)行是指在額定條件下只能在規(guī)定的短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間通常有10