三相异步电动机基本知识.docx
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三相异步电动机基本知识
第一部分三相异步电动机的基本知识
一、三相异步电动机概述:
作电动机运行的三相异步电机。
三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速,转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流,并与磁场相互作用产生电磁转矩,实现能量变换。
与单相异步电动机相比,三相异步电动机运行性能好,并可节省各种材料。
按转子结构的不同,三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。
笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜,得到了广泛的应用,其主要缺点是调速困难。
绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。
调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。
1、什么叫电动机?
将电能转变为机械能的电机。
通常电动机的作功部分作旋转运动,这种电动机称为旋转电动机;也有作直线运动的,称为直线电动机。
电动机能提供的功率范围很大,从毫瓦级到万千瓦级。
电动机的使用和控制非常方便,具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力,能满足各种运行要求;电动机的工作效率较高,又没有烟尘、气味,不污染环境,噪声也较小。
由于它的一系列优点,所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。
各种电动机中应用最广的是交流异步电动机(又称感应电动机 )。
它使用方便、运行可靠 、价格低廉、结构牢固,但功率因数较低,调速也较困难。
大容量低转速的动力机常用同步电动机(见同步电机)。
同步电动机不但功率因数高,而且其转速与负载大小无关,只决定于电网频率。
工作较稳定。
在要求宽范围调速的场合多用直流电动机。
但它有换向器,结构复杂,价格昂贵,维护困难,不适于恶劣环境。
20世纪70年代以后,随着电力电子技术的发展,交流电动机的调速技术渐趋成熟,设备价格日益降低,已开始得到应用。
电动机在规定工作制式(连续式、短时运行制、断续周期运行制)下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率,使用时需注意铭牌上的规定。
电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配,避免出现飞车或停转。
电动机的调速方法很多,能适应不同生产机械速度变化的要求。
一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。
从能量消耗的角度看,调速大致可分两种:
⑴、保持输入功率不变。
通过改变调速装置的能量消耗,调节输出功率以调节电动机的转速。
⑵、控制电动机输入功率以调节电动机的转速。
2、什么是异步电机?
利用气隙旋转磁场与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现能量转换的交流电机。
主要作电动机用。
异步电机的转子实际转速总是低于(作电动机运行)或高于(作发电机运行)旋转磁场的转速,两者始终存在一定差异,故称异步。
异步是这种电机产生电磁转矩的必要条件。
由于转子绕组电流是感应而生的,所以异步电机也称为感应电机。
如果旋转磁场和转子的转速分别为ns和n,则异步电机的转差率s为
它代表转子导体与旋转磁场之间的相对运动速度。
在电源电压和频率一定的条件下,转子导体中的电动势、电流及异步电机的运行状态都由转差率决定。
当转差率s不同时,异步电机有3种不同的运行状态:
0<s≤1,nS>n≥0 电动机运行
s<0,n>nS发电机运行
s>1,n<0反接制动运行
3、什么是旋转磁场?
交流电机气隙中的磁场。
因其沿定子、转子铁心圆柱面不断旋转而得名。
旋转磁场是电能和机械能之间互相转换的基本条件。
通常三相交流电机的定子都有对称的三相绕组。
任意一相绕组通以交流电流时产生的是脉振磁场。
但若以平衡的三相电流通入三相对称绕组,就会产生一个在空间旋转的磁场。
磁场的对称轴线随时间而转动,其转速(n)由电流频率(f)和磁极对数(p)决定:
n=60f/p。
一般说来,旋转磁场的转向总是从电流超前的相移向滞后的相。
如果通入三相绕组的电流相序相反,旋转磁场的转向也相反。
4、什么是交流电机
实现机械能与交流电能相互转换的机械。
交流电机是最常用的电机。
由于电机工作状态的可递性,同一台电机既可作发电机又可作电动机。
交流电机按品种可分为同步电机与异步电机两大类。
同步电机转子的转速ns与旋转磁场转速相同,称为同步转速。
ns与所接交流电的频率f及电机的磁极对数p之间的关系为 ns=f/p。
在中国,电源频率为50赫 ,因此二极电机同步转速为3000 转/分,四极电机同步转速为1500转/分,余类推。
异步电机转子的转速则总是低于或高于旋转磁场的转速,两者之差(称为转差)通常在10%以内。
交流电机(不管是同步还是异步)的转速受电源频率的制约,因而调速较为困难。
交流电机一般采用三相制,因为三相交流电机与单相电机相比,无论在性能指标、原材料利用和价格等方面均有明显的优越性。
5、电动机的主要类型及功能
电机的类型繁多,用途迥异,分类方法也很多,
按其功能来看,可分:
(1)发电机:
将机械能转换成电能;
(2)电动机:
将电能转换成机械能;
(3)变压器:
将一种电压的交流电能变换成频率相同的另一种电压的交流电能。
应当指出,从基本原理上看,发电机和电动机只不过是电机的两种运行方式,它们本身是可逆的。
上述各种电机中,除变压器是静止的电气设备外,其余均为旋转电机。
旋转电机通常分为直流电机和交流电机,后者又分为异步电机和同步电机。
这种分类法可以归纳如下:
变压器
电机直流电机:
他励、异励、串励、复励;
旋转电机同步电机
交流电机
异步电机鼠笼式:
Y、Y2、Y3、YB2、YA等
绕线式:
YR(IP2344)YR(中型高压)
另外,电动机还可以按中心高大小分:
大(>630mm)、中(355~630)、小型(63~315)电动机;
电动机按用途分:
一般用途电动机;派生系列电动机;专用电动机。
电动机按电压分为:
低压电动机;高压电动机;
……
二、三相异步电动机的工作原理:
1、三相异步电动机的工作原理
三相异步电动机的工作原理,是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。
定子的旋转磁场的转速
由下式决定:
式中:
f—电源的频率;p—旋转磁场的磁极对数。
当磁场旋转时,转子绕组的导体切割磁通将产生感应电势,在转子绕组中产生转子电流。
转子的旋转速度(即电动机的转速)总是比旋转磁场的旋转速度(称为同步转速)小,转子和旋转磁场之间的转速差
与同步转速
的比值称为异步电动机的转差率,用S表示,即:
转差率S是分析异步电动机运行情况的主要参数。
由此可得到三相异步电动机的转速表达式为:
因此三相异步电动机的调速方法有:
(1)改变极对数p;
(2)调节电源频率f;(3)使电动机的转差率发生变化
2、异步电动机的转动条件:
1、异步电动机定子上有三相对称的交流绕组;
2、三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时,将在电机气隙空间产生旋转磁场;
3、转子绕组的导体处于旋转磁场中;
4、转子导体切割磁力线,并产生感应电势,判断感应电势方向。
5、转子导体通过端环自成闭路,并通过感应电流。
6、感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力,判断电磁力的方向。
7、电磁力作用在转子上将产生电磁转矩,并驱动转子旋转。
8、根据以上电磁感应原理,异步电动机也叫感应电动机。
三、三相异步电动机的结构:
1、电动机构造的一般原则:
电机的型式很多,但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律,因此,其构造的一般原则是:
用适当的有效材料(导磁和导电材料)构成能互相进行电磁感应的磁路和电路,以产生电磁功率和电磁转矩,达到转换能量形态的目的。
2、三相异步电动机基本构造
异步电动机是由定子(固定部分)和转子(转动部分)两个基本部分组成,它们之间由气隙分开。
异步电动机分为鼠笼式电动机和绕线式电动机两种。
㈠定子结构
⑴、机座:
用铸铁或铸钢制成的,起支撑作用。
⑵、定子铁芯:
是由内圆周表面均匀冲有槽孔的圆环形硅钢片叠压而成的圆筒,因而,在铁芯内圆周上形成了均匀分布的轴向线槽,用来放置定子绕组。
⑶、定子绕组:
用带有绝缘包皮的导线(如漆包铜线等)绕成匝数相同的线圈,再分三组按一定的规律将线圈对称放置在定子铁芯的轴向线槽内,其中每一组称为一相绕组,这就成为三相对称绕组U1U2,V1V2,W1W2。
根据电源的线电压和每相绕组的额定电压,定子绕组可接成Y形或△形。
定子的作用:
产生旋转磁场,并从电网吸收电能。
㈡转子结构
⑴、转轴
⑵、转子铁芯:
是由外圆周表面冲有槽的硅钢片叠成的圆柱体,装在转轴上
⑶、转子绕组:
放置在转子铁芯槽内,有两种形式:
鼠笼式,绕线式
①鼠笼式转子
在转子铁芯的每个槽中放一根铜条,在铁芯两端槽口处,用两个导电的铜环分别把所有槽里的铜条短接成一个回路,抽掉铁芯,形状像“鼠笼”。
这种转子绕组回路不能外接电阻,起动及调速性能较差。
②绕线式转子
与定子绕组相似,是对称的星形(Y)连接的三相绕组,三根端线接到装在转轴上的三个彼此绝缘的滑环上,通过一组电刷与外电阻相连接。
这种转子绕组中可以串联外接起动电阻或调速电阻,从而改善起动及调速性能,所以绕线式异步电动机适用于要求具有较大启动转矩的有一定调速范围的场合。
转子的作用:
产生电磁转矩,并输出机械能。
㈢整机结构:
定子冲片
定子端板
定子铁芯压圈
扣片
有绕组定子铁芯定子线圈
定子端盖槽绝缘
机座定子绕组相间绝缘
吊环槽楔
引接线
转子铸铝转子铁芯转子冲片
转子轴铸铝(导条、端环、风叶、平衡柱)
平衡垫
轴承装置轴承、轴承内外盖。
其他接线盒装置接线板、接线盒座盖。
风扇、风罩。
四、异步电动机的安装形式:
1、常用安装型式:
GB997-81
B3
B35
B5
V1
安装结构
卧式安装
卧式安装
卧式安装
立式安装
型式说明
机座带底脚,
端盖无凸缘。
机座带底脚,
端盖带凸缘。
机座不带底脚,
端盖带凸缘。
机座不带底脚,
端盖带凸缘,轴伸向下。
三相异步电动机的四种结构型式:
2、有五种基本结构型式:
B3:
机座带底脚,端盖上无凸缘的机构型式
B5:
机座不带底脚,端盖上有凸缘(带通孔)的结构型式
B35:
机座带底脚,端盖上有凸缘(带通孔)的机构型式
B34:
机座带底脚,端盖上有凸缘(带螺孔)的机构型式
B14:
机座不带底脚,端盖上有凸缘(带螺孔)的机构型式
五、三相异步电动机的应用:
1、优点:
结构简单、坚固,工作可靠,维修方便,价格低廉,运行平稳,因此得到了广泛的应用[机床、水泵占全国电动机容量的85%以上。
2、三相异步电动机的应用:
三相异步电动机广泛的应用于风机、泵类、压缩机、破碎机、纺织机、轧钢机、空调机、城市交通、人民生活及工矿电动车辆等需要电动机作为动力源的装置中。
3、中小型电动机行业的现状:
中小型电动机行业主要企业单位有300余家,从业人员30万人以上,如果把大大小小电机厂计算在内,全国近2000家。
目前生产的电机产品有300多个系列,约1500个品种。
上世纪80年代,我国中小型交流电机的产量一般在4000万kW左右,最近几年,随着国民经济的快速发展,电机产量也在快速增加,2005年中小型交流电机的产量近10000万kW。
……
六、三相异步电动机的名牌及额定值
1、三相异步电动机名牌:
要正确使用电动机,必须要看懂铭牌。
今以Y132M-4型电动机为例,来说明铭牌上各个数据的意义。
1、产品型号:
我国电机的型号一般由两部分组成,
第一部分为电机代号,它表明所属的系列及类型,一般采用电机所属系列和类型名称汉字文字中有代表性的一个或几个字的汉语拼音字头来组成。
电机代号最后一个字母有数字时,该数字为本系列电机的设计(或改型)序号,无数字下角标者为第一次设计。
个别情况时,也用英文字头代号,如“YC系列单相电容电机”中的“C”即是英文电容器的代号。
第二部分为电机规格代号,它包括:
电机的结构参数,如中心高、机座长度、铁芯长度等;电机性能参数、容量、额定电压等。
有些电机型号还有第三部分,内容是电机的安装方式及工作环境等。
在第二和第三部分中,能用具体数值表示的项目则用阿拉伯数字表示,如中心高(一律用mm做单位)、容量及电压等;不能用具体数值表示的,则用字母或数字代号表示,如机座的长短代号L、M、S分别代表长、中、短;电机使用环境代号则一般用字母表示。
字母代号有的是汉语拼音字头,也有的是英文字头。
例如:
YDl60M2-4W。
其中:
YD表示该电机为变极多速三相异步电动机,160表示中心高为160mm,M表示中机座,2表示中机座中的铁芯长为2号,4表示四极,W表示该电机可在户(屋)外使用。
虽然有上述规定,但由于我国电机产品种类繁多和多次换代等原因,电机型号的内容还不太统一。
详细情况请查阅有关电机手册。
①、异步电动机产品名称代号
YB2—160M—4WF
□□□□□特殊环境代号
电动机极数(2、4、6、8、10……)
机座代号(L、M、S)
电动机中心高160mm
电动机产品代号
★特殊环境代号分类:
名称
高原电机
船用电机
热带电机
湿热带电机
户外防腐电机
防腐电机
代号
G
H
T
TH
WF
F
★产品代号分类:
序号
产品名称
产品代号
中心高
备注
1
Y系列(IP23)三相异步电动机
Y
250-355
2
Y系列三相异步电动机
Y
80-355
3
Y2系列三相异步电动机
Y2
63-400
4
Y2E系列高效三相异步电动机
Y2E
80-355
5
YB2系列三相异步电动机
YB2
63-355
6
QL系列三相异步电动机
QL
63-132
7
YD变极多速三相异步电动机
YD
8
YVF变频调速三相异步电动机
YVF
80-400
9
Y系列高压三相异步电动机
Y
355-630
10
Y2系列高压三相异步电动机
Y2
355-560
11
YKK系列高压三相异步电动机
YKK
2、功率:
额定功率:
电机在额定条件下,转轴上所能输出的机械功率W。
也就是铭牌上所标的功率值是指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率值。
所谓效率就是输出功率与输入功率的比值。
3、功率因数:
因为电动机是电感性负载,定子相电流比相电压滞后一个角。
cos就是功率因数。
功率因数——交流电路吸收的有功功率(P)与视在功率(S)之比,通常用λ表示,即
因交流电路中P=UIcos,S=UI,所以
4、电压_——指定子绕组规定使用的线电压V或KV。
也就是铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压。
5、电流:
铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流。
6、接法:
3kW及以下,Y接法;4kW以上,△接法;
①、异步电动机的引接线的标志方法:
异步电动机出线端标志方法表
绕组名称
旧国家标准
GB775-87国家标准
始端
末端
始端
末端
定子绕组第一相
(各相不相连)第二相
第三相
D1
D2
D3
D4
D5
D6
U1
V1
W1
U2
V2
W2
定子绕组第一相
(各相相连)第二相
第三相
中性点
D1
D2
D3
0
U
V
W
N
转子绕组第一相
第二相
第三相
中性点
Z1
Z2
Z3
—
K
L
M
Q
在新标准中,还对出线标志与电动机的旋转方向之间的关系做了如下的规定:
当出线端字母顺序与线端电压的相序同方向时,从轴伸端看,电动机应按顺时针方向旋转。
7、防护等级:
①、含义:
IP□□□□
附加字母
第二位表征数字——防液体进入
第一位表征数字——防固体进入
附加字母
外客防护标志
②、分类:
防护式电机:
IP23;封闭式电机:
IP44、IP45;防爆式电机:
IP54、IP55。
③、防护等级的标准:
GB4942如下表
第l位表
征数字
简述
含义
0
无防护电机
无专门防护
1
防护大于50mm固体的电机
能防止直径大于50mm的固体进入壳内;
能防止人体的某一大面积部分(如手)偶然或意外的触及壳内;
带电或运动部分(不能防止故意触电)
2
防护大于12mm固体的电机
能防止直径大于12mm的固体进入壳内;
能防止手指或长度不超过80mm的类似物体触及或接近壳内带电或转动部分;
3
防护大于2.5mm固体的电机
能防止直径大于2.5mm的固体进入壳内;
能防止手指或长度不超过2.5mm的类似物体触及或接近壳内带电或转动部分;
4
防护大于Imm
体的电机
能防止直径大于1mm的固体进入壳内;
能防止直径或厚度大于1mm的导线或片条触及或接近壳内带电或转动部件;
5
防尘电机
能防止触及或接近壳内带电或转动部件而且进尘量不足以影响电机的正常运行
注:
A、当只需用一个表征数字表示某一防护等级时,被省略的数字应以字母“X”代替.例如lPX5。
B、当防护的内容有所增加.可用补充字母表示,补充字母放在数字之后或紧跟“IP”之后。
C、本表中“筒述”一栏不作为防护型式的规定,表2同此。
D、本标准不规定电机防止机械损害或由凝露引起的潮湿.以及腐蚀性气体下的防护等级.也不规定电机在爆炸性气体环境中运行的防护等级。
E、第一位表征数字为1至4的电机所能防止的固体异物.系包括形状规则或不规则的物体.其三个相互垂直的尺寸均超过“含义”栏中相应规定的数值。
F、第五级防尘是一般的防尘.当尘的颗粒大小、纤维状或粒状已作规定时.试验条件应由制造厂和用户协商确定。
第2位表
征数字
简述
含义
0
无防护电机
无专门防护
1
防滴电机
垂直滴水应无有害影响
2
15°防滴电机
当电机从正常位置向任何方向倾斜至15°以内任何一个角度时,垂直滴水应无有害影响
3
防淋水电机
与垂直线成60角度范围内的淋水应无有害影响
4
防溅水电机
承受任何方向的溅水应无有害影响
5
防喷水电机
承受任何方向的喷水应无有害影响
6
防海浪电机
承受猛烈的海浪冲击或强力喷水时,电机的进水量应不达到有害的程度
7
防浸水电机
当电机浸入规定压力的水中经规定时间后,电机的进水量应不达到有害的程度
8
潜水电机
电机在制造厂规定的条件下能长期潜水。
一般的水密型,对某些类型的电机也可允许水进入,但不应达到有害程度。
8、绝缘等级:
绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。
所谓极限温度,是指电动机绝缘结构中最热点的最高容许温度。
在电机中导体与导体之间,导体与铁芯间,都有一层绝缘材料隔开,绝缘材料种类很多,性能差异大,根据温度指数(耐热等级)把绝缘材料划分为:
绝缘等级
A
E
B
F
H
C
温度指数
105℃
115℃
130℃
155℃
180℃
9、工作制:
电机的工作制——是指电机在运行时承受负载的情况,包括起动,电制动、空载、断能停转以及这些阶段的持续时间和先后顺序。
工作制类型——是指在规定持续时间内由一种或多种恒定负载所组成的连续、短时或周期工作制;或者是负载和转速通常在允许运行范围内变化的非周期工作制。
常用的旋转电机分十种工作制类型,分别用S1~S10共十个代号表示:
A、连续工作制——S1工作制。
在恒定负载下的运行时间是以达到热稳定。
B、短时工作制——S2工作制。
在恒定负载下按给定的时间运行,该时间不足以达到热稳定,随之即断能停转足够时间,使电机再度冷却到与冷却介质温度之差在2K以内。
C、断续周期工作制——S3工作制。
按一系列相同的工作周期运行,每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段断能转时间,这种工作制中每一周期的起动电流不致对温升产生显著影响。
D、包括起动的断续周期工作制——S4工作制。
按一系列相同的工作周期运行,每一周期包括一段对温升有显著影响的起动时间,一段恒定负载运行和一段断能停转时间。
E、包括电制动的断续周期工作制——S5工制。
按一系列相同的工作周期运行,每一周期包括一段起动时间,一段恒定负载运行时间,一段电制动时间和一段停机和断能时间。
F、S6工作制——连续周期工作制。
按一系列相同的工作周期运行,每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载运行时间,无停机和断能时间。
S1~S10工作制定义请见GB755-2000。
10、冷却方式及分类:
①什么是电机冷却?
将电机内部由于损耗而产生的热量首先传递给初级冷却介质,并提高该冷却介质的温度这一过程称为冷却。
受热的初级冷却介质可用温度较低的新介质取代,或通过冷却器用次级冷却介质加以冷却。
②、旋转电机冷却方法如何表示?
应优先使用简化标记法。
电机不同的部分采用不同的冷却方式时,应分别进行标注(详见GB/T1993《旋转电机冷却方法》)。
③、常见的冷却方法:
常见电机冷却方式及代号见下表。
电机系列名称
冷却方式简述
完整标记
简化标记
Y系列电动机
内外风扇自扇风式
IC4A1A1
IC411
JS2及JR2系列电机
内风扇自扇风式
ICOA1A1
IC01
电机系列名称
冷却方式简述
完整标记
简化标记
Z4系列直流电动机
外吹风强制冷却
ICOA6A6
1036
水内冷发电机
强制水内冷
IC7W7A7
IC7W
电瓶车主电机
运行自然风冷
IC4A8A8
IC488
④冷却方法分类:
Ⅰ、空气冷却:
Ⅱ、液体冷却:
Ⅲ、闭路循环气体冷却:
Ⅳ、表面冷却和内部冷却:
11、转速:
由于生产机械对转速的要求不同,需要生产不同磁极数的异步电动机,因此有不同的转速等级。
最常用的是4极(n0=1500r/min)。
三相异步电动机的同步转速(r/min)
3000
1500
1000
750
12、效率:
电机的效率是指电机的有功输出功率和有功输入功率之比,通常用百分数表示。
也就是电机的有功输人功率和有功输出功率之差,用瓦(W)或千瓦(kW)表示。
2、三相异步电动机的额定值——
额定电压:
(V),额定运行时,规定加在定子绕组上的线电压;
额定电流:
(A),额定运行时,规定加在定子绕组上的线电流;
额定功率:
(kw),额定运行时,电动机的输出功率;
额定转速:
(r/min),额定运行时,电动机的转子转速;
额定频率:
(Hz),规定的电源频率(50Hz);
额定效率:
有功输出功率和有功输入功率之比;
额定功率因数:
cos等。
在异步电动机的各项额定值中,需要特别注意的是以下两点:
(1)额定功率
。
是指在额定条件下运行时,电动机由轴端输出的机械功率,单位为kW。
定子三相绕组从电网吸取的电功率必须乘以效率之后才等于转子输出的机械功率,即
。
(2)定子绕组接法和电源电压的正确配合。
因为每相绕组应该承受的正常工作电压在设计制造时已经确定了,所以在使用时就要根据所提供的电源电压来确定三相绕组的接法。
例如当电源线电压为380V时,三相绕组应接成星形;当线电压为220V时,使应接成三角形。
实际上在这两种情况下,每相绕组都是承受220V电压。
八、三相异步电动机的特性分析:
1、在电力拖动中,能直接地说明异步电动机电磁转矩和转速之间的关系,就是异步电
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