電機拖動與電氣控制 第2版 教案 3.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理 課程教案

電機拖動與電氣控制課程教案章節(jié)名稱第3章交流電動機3.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理授課時數(shù)2授課形式教學(xué)目標(biāo)①掌握三相異步電動機的工作原理，了解三相異步電動機的結(jié)構(gòu)與銘牌。②能正確識別異步電動機銘牌數(shù)據(jù)，并選型；能夠按照操作規(guī)范正確拆裝三相異步電機。③科學(xué)思考，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，創(chuàng)新意識。教學(xué)重點難點旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生、三相異步電動機的工作原理。教學(xué)內(nèi)容一、三相異步電動機的結(jié)構(gòu)三相交流異步電動機屬于旋轉(zhuǎn)電機的范疇，因其結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用和維護方便，運行可靠，成本低廉，效率較高，在現(xiàn)實中被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中。在實際應(yīng)用中，三相交流異步電動機根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為兩種類型：三相鼠籠型異步電動機；三相繞線型異步電動機，其外形如下圖所示：左側(cè)為三相鼠籠型異步電動機，右側(cè)為三相繞線型異步電動機。鼠籠型電動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括有：定子鐵芯，定子繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組，前后端蓋等。如圖所示。繞線型電動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括有：定子鐵芯，定子繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組，前后端蓋，集電環(huán)等。如圖所示。不論何種類型的交流電動機，其基本結(jié)構(gòu)大致相同，主要部件包括定子部分，轉(zhuǎn)子部分以及交流電機內(nèi)的氣隙，這些重要部件在交流電機的工作中起到重要作用。1.定子其中定子部分包括有定子鐵芯和定子繞組，定子鐵芯為交流電機主磁路的組成部分，并嵌放定子繞組。由厚度為0.5mm的硅鋼片疊裝而成。為了嵌放定子繞組，在定子沖片內(nèi)圓周上均勻地沖制若干個形狀相同的槽，其外形如圖所示。定子鐵心的槽形主要有三種：半閉口槽適用于小型異步電機，其繞組是用圓導(dǎo)線繞成的。半開口槽適用于低壓中型異步電機，其繞組是成型線圈。開口槽適用于高壓大中型異步電機，其繞組是用絕緣帶包扎并浸漆處理過的成型線圈。定子繞組構(gòu)成電路部分。定子繞組通常采用導(dǎo)電能力較強的銅制材料構(gòu)成，按照電機的結(jié)構(gòu)，排布在定子鐵芯的凹槽內(nèi)，其作用是感應(yīng)電動勢、流過電流、實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子主要包括轉(zhuǎn)子鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)軸。其中轉(zhuǎn)子鐵芯為交流電機主磁路的另一組成部分，并放置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵芯由厚度為0.5mm的硅鋼片疊裝而成，在轉(zhuǎn)子外圓周上沖制均勻分布的形狀相同的槽。轉(zhuǎn)子繞組為轉(zhuǎn)子回路中的電路部分，有兩種形式，一種為轉(zhuǎn)子籠式轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子每個槽內(nèi)各放置一根導(dǎo)體，在鐵心兩端放置兩個端環(huán)，分別把所有的導(dǎo)體伸出槽外部分與端環(huán)聯(lián)接起來。這種籠型繞組一般為鋁澆鑄的，對中大型電機為減小損耗、提高效率，往往采用銅條焊接而成。另一種是繞線式轉(zhuǎn)子繞組。與定子繞組相似、極數(shù)相同的三相對稱繞組。一般接成星形。將三相繞組的三個引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上三個滑環(huán)上，再通過電刷與外電路接通。繞線型轉(zhuǎn)子的特點是可以通過滑環(huán)電刷在轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻，以改善電動機的起動性能、調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。3.氣隙交流電機的另一重要部分為定轉(zhuǎn)子之間的微小氣隙，氣隙，也是電機主磁路的組成部分。氣隙大小對異步電機的性能影響很大。為了減小電機主磁路的磁阻，降低電機的勵磁電流，提高電機的功率因數(shù)，氣隙應(yīng)盡可能小。異步電機氣隙長度應(yīng)為定、轉(zhuǎn)子在運行中不發(fā)生機械摩擦所允許的最小值。中、小型異步電機中，氣隙長度一般為0.2～1.5mm。二、三相異步電動機的基本工作原理交流電機就其本質(zhì)來說依然通過電磁感應(yīng)原理完成能量的轉(zhuǎn)換，那么交流電機中的磁由何而生，其特性如何？1.旋轉(zhuǎn)磁場1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生，交流電機中的旋轉(zhuǎn)磁場是由于定子三相繞組中通入三相正弦交流電能，如圖所示。()電流入(?)電流出()電流入(?)電流出從圖中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)三相對稱電流流入三相對稱繞組后，所建立的合成磁場，并不是靜止不動的，而是旋轉(zhuǎn)的。電流變化一周，合成磁場在空間也旋轉(zhuǎn)一周。若電源的頻率為f?，則2極磁場每分鐘旋轉(zhuǎn)60f周，旋轉(zhuǎn)的方向從U相繞組軸線轉(zhuǎn)向V相繞組軸線再轉(zhuǎn)向W相繞組軸線。當(dāng)空間互差120°的線圈通入對稱的三相對稱交流電流時，在空間就產(chǎn)生了一個隨時間而旋轉(zhuǎn)的磁場。2）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速如果U、V、W三相繞組分別由兩個線圈串聯(lián)組成，產(chǎn)生的合成磁場為4極旋轉(zhuǎn)磁場。電流變化一周，磁場僅轉(zhuǎn)過1/2周，它的轉(zhuǎn)速為2極旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的1/2。依次類推，當(dāng)電機的極數(shù)為2時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為2極磁場轉(zhuǎn)速的1/，即每分鐘轉(zhuǎn)60f/周。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，以n1表示。即：r/min3）旋轉(zhuǎn)磁場的方向：旋轉(zhuǎn)的方向為從U→V→W,正好和電流出現(xiàn)正的最大值的順序相同。如果三相繞組通入負(fù)序電流,則電流出現(xiàn)正的最大值的順序是U→W→V。通過圖解法分析可知旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向也為U→W→V。由此可以得出結(jié)論:旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向決定于通入定子繞組中的三相交流電源的相序。只要任意調(diào)換電動機兩相繞組所接交流電源的相序,旋轉(zhuǎn)磁場即反轉(zhuǎn)。二、三相異步電動機的基本工作原理1）三相定子繞組通入三相對稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場2）轉(zhuǎn)子繞組切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流3）轉(zhuǎn)子電流在磁場中受電磁力，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)磁場的方向是一致的，如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n等于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速即同步轉(zhuǎn)速n1，它們之間將不再有相對運動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體就不能切割磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩。所以異步電動機的轉(zhuǎn)速n總是略小于同步轉(zhuǎn)速n1，即與旋轉(zhuǎn)磁場“異步地”轉(zhuǎn)動，故稱為異步電動機。轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度即同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差△n?！鱪與n1之比稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即：。所以三相異步電動機的轉(zhuǎn)速為：r/min轉(zhuǎn)差率是表征電動機不同工作狀態(tài)的重要物理量，當(dāng)交流電機工作在電動機狀態(tài)時，其轉(zhuǎn)差率0<s<1,；當(dāng)交流電機工作在發(fā)電機狀態(tài)時，其轉(zhuǎn)差率s<0,當(dāng)交流電機工作在電磁制動狀態(tài)時，其轉(zhuǎn)差率s>1.三、銘牌交流電機作為工業(yè)應(yīng)用中最重要的電氣設(shè)備，其外部裝有表示電機型號與參數(shù)的名牌等信息，如圖所示：1.型號異步電動機的型號主要包括產(chǎn)品代號、設(shè)計序號、規(guī)格代號和特殊環(huán)境代號等，產(chǎn)品代號表示電機的類型，用大寫印刷體的漢語拼音字母表示。如Y表示異步電動機，YR表示繞線轉(zhuǎn)子異步電動機等。設(shè)計序號是指電動機產(chǎn)品設(shè)計的順序，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。規(guī)格代號是用中心高、鐵心外徑、機座號、機座長度、鐵心長度、功率、轉(zhuǎn)速或極數(shù)表示。如Y180M-4中：Y表示三相籠型異步電動機；180表示機座中心高180mm；M為機座長度代號(S—短機座，M—中機座，L—長機座)；4為磁極數(shù)(磁極對數(shù)p=2)。2.接線方式表示定子三相繞組的連接方式，一般情況下，當(dāng)電機容量小于3kw時，一般采用Y型連接，當(dāng)電機容量大于4KW時，通常采用△型接線。3.額定值額定電壓：電動機在額定運行時定子繞組上應(yīng)加的線電壓值。三相異步電動機的額定電壓有380V，3000V,及6000V等多種。額定電流：電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。功率與效率：額定功率是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率P2，它不等于從電源吸取的電功率P1。一般情況下，日常所用鼠籠型異步電動機的效率為72-93%.功率因素：三相異步電動機的功率因數(shù)較低，在額定負(fù)載時約為0.7~0.9?？蛰d時功率因數(shù)更低，只有0.2~0.3。額定負(fù)載時，功率因數(shù)最高。因此，在交流電機的使用過程中注意：應(yīng)選擇容量合適的電機，防止出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速至交流電機在額定工作時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。絕緣等級指電機絕緣材料能夠承受的極限溫度等級，分為