三相交流异步电动机的结构控制原理及应用.docx

课 程 设 计 报 告课题名称 三相异步电动机的结构，控制原理及应用姓 名 学 号 所在系 电气工程系专业年级 09电气一班指导教师 李贤温 职 称_ 年 月 日目 录摘 要3第1章 三相交流异步电动机的结构4 第1节 定子部分4 第2节 转子部分5 第3节 气隙6 第4节 三相异步电动机的铭牌数据6第2章三相异步电动机的工作原理6 第1节 定子旋转磁场6 第2节 旋转磁场的旋转方向和速度9 第3节 异步电动机的三种运行状态10第3章 三相异步电动机的常见制动方法及应用10 第1节 机械制动10 第2节 电力制动13参考文献16致谢17摘要 电动机电动机在现在的工农业中广泛应用，为了每一台电动机都能得到合理的应用；所以我们必须清楚三相异步电动机的分类、结构、应用环境、工作原理等基本知识 关键词：原理，结构，磁场第一章 三相交流异步电动机的结构 图1 封闭式三相异步电动机的结构 1端盖 2轴承 3机座 4定子绕组 5转子 6轴承 7端盖 8风扇 9风罩 10接线盒异步电动机的结构也可分为定子、转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。另外，定、转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙)，以保证转子的自由转动。异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为0.2 mm2mm。 三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式、潜水泵式等。不管外形如何电动机结构基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图7所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。第一节 定子部分 定子部分由机座、定子铁心、定子绕组及端盖、轴承等部件组成。 1 机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。 2 定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。 3 定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。槽内绕组匝间、绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组(就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边)，还要加放层间绝缘。 4 轴承。轴承是电动机定、转子衔接的部位，轴承有滚动轴承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承)，目前多数电动机都采用滚动轴承。这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。 第二节 转子部分 转子是电动机中的旋转部分，如图1中的部件5一般由转轴、转子铁心、转子绕组、 风扇等组成。转轴用碳纲制成，两端轴颈与轴承相配合。出轴端铣有键槽，用以固定皮带轮或联轴器。转轴是输出转矩、带动负载的部件。转子铁心也是电动机磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片叠压成圆柱体，并紧固在转子轴上。转子铁心的外表面有均匀分布的线槽，用以嵌放转子绕组。三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。 1 笼型转子线槽一般都是斜槽(线槽与轴线不平行)，目的是改善起动与调速性能。其外形如图7中的第5部分；笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接)，即构成了转子绕组；小型笼型电动机一般用铸铝转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以得名笼型绕组，如图2所示。 图2(a)为笼型直条形式，图2(b)为笼型斜条形式。(a) 直条形式 (b) 斜条形式图2 笼型异步电动机的转子绕组形式2 绕线型转子绕组与定子绕组类似，由镶嵌在转子铁心槽中的三相绕组组成。绕组一般采用星形连接，三相绕组绕组的尾端接在一起，首瑞分别接到转轴上的3个铜滑环上，通 图3 绕线式异步电动机的转子过电刷把3根旋转的线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便于控制，如图3所示。有的电动机还装有提刷短路装置，当电动机起动后又不需要调速时，可提起电刷，同时使用3个滑环短路，以减少电刷摩损。 两种转子相比较，笼型转子结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用十分广泛。绕线型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能较好，并能利用变阻器阻值的变化，使电动机能在一定范围内调速；在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械(如起重机)中常常被采用。一般电动机转子上还装有风扇或风翼(如图1中部件8)，便于电动机运转时通风散热。铸铝转子一般是将风翼和绕组(导条)一起浇铸出来，如图2(b)所示。 第三节 气隙所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。中小型异步电动机的气隙一般为0.2mm1.5mm。气隙的大小对电动机性能影响较大，气隙大。磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流Im也越大，电动机的功率因数也就越低。但气隙过小，将给装配造成困难，运行时定、转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。第四节 三相异步电动机的铭牌数据 三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额定数据。主要的额定数据为：1 额定功率PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。 2 额定电压UN(v)：指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。 3 额定电流IN(A)：指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。4 额定转速门nN(r/min)：指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速。 5 额定频率fN(Hz)：指电动机所接交流电源的频率。 6 额定工作制：指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。 此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形)、绝缘等级及温升等。对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。 第二章 三相交流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。假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。第一节 定子旋转磁场 假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹槽之中。现将三相绕组的末端U2、V2、W2相连，首端U1、V1、W1接三相交流电源。且三相绕组分别叫做U、V、W相绕组。如下图所示。假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相绕组的电流作为参考正弦量，即 iU的初相位为零，则三相绕组U、V、W的电流（相序为UVW）的瞬时值为：如下图所示是这些电流随时间变化的曲线。（1)t=0时iU=0，iV为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从V2端流到V1端；iW为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从W1端流到W2端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场如图。（a）箭头所示。（2)t=/2ia为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从U1端流到U2端。Iv、iw为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从V2、W2端流到V1、W1端；此时的合成磁场如图（b）所示，合成磁场已从t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了 p/2。（3)t=piu=0，iv为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从v1端流到v2端。Iw为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从W2端流到W1端；此时的合成磁场 如图（c）所示，合成磁场已从t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了p。（4)t=3p/2IU为负, 电流实际方向与正方向相反， IviW为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从V1、W1端流到V2、W2端。此时的合成磁场如图（d）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了3p/2 。按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。第二节、旋转磁场的旋转方向和速度 1 U相绕组内的电流超前V相绕组内的电流2 p /3，而V相绕组内的电流又超前W相绕组内的电流2 p /3，当三相交流电的UVW，旋转磁场的旋转方向为从UVW，即向顺时针方向旋转。2 在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用n0表示。 以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用p表示）即p=1。从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化360电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f 转，即：如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如图所示的三相绕组。其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。如图所示。对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了 p /2，即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。下图为24槽4极三相异步电动机旋转磁场。3 转差率 S转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度n0（同步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。定义：转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用表示S，即转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数第三节 异步电动机的三种运行状态根据转差率的大小和正负，异步电动几有三种运行状态。1 电动机运行状态所对应的转差率区间为：（)。特点是n与同方向，且，电磁转矩是驱动性质的，将电能变为机械能。2 发电机运行状态所对应的转差率区间为：（)。特点是n与同方向且，电磁转矩是制动性质的，将机械能变为电能。3 电磁制动运行状态所对应的转差率区间为：（）。特点是n与反方向；转子导体以高于同步的速度切割旋转磁场，电磁转矩是制动的，定子从电网吸收的电能和转子的机械能都变成电机内部的损耗而转换为热能(电源反接制动就是一个例子)。第三章 三相异步电动机的常见制动方法及应用 三相异步电动机切除电源后依惯性总要转动一段时间才能停下来。而生产中起重机的吊钩或卷扬机的吊蓝要求准确定位；万能铣床的主轴要求能迅速停下来。这些都需要对拖动的电动机进行制动，其方法有两大类：机械制动和电力制动。第一节 机械制动 采用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的制动方法。如电磁抱闸、电磁离合器等电磁铁制动器。1 电磁抱闸断电制动控制电路 电磁抱闸断电制动控制电路如图1所示。合上电源开关QS和开关K，电动机接通电源，同时电磁抱闸线圈YB得电，衔铁吸合，克服弹簧的拉力使制动器的闸瓦与闸轮分开，电动机正常运转。断开开关电动机失电，同时电磁抱闸线圈YB也失电，衔铁在弹簧拉力作用下与铁芯分开，并使制动器的闸瓦紧紧抱住闸轮，电动机被制动而停转。图中开关K可采用倒顺开关、主令控制器、交流接触器等控制电动机的正反转，满足控制要求。倒顺开关接线示意图如图2所示。这种制动方法在起重机械上广泛应用，如行车、卷扬机、电动葫芦(大多采用电磁离合器制动)等。其优点是能准确定位，可防止电动机突然断电时重物自行坠落而造成事故。2 电磁抱闸通电制动控制电路 电磁抱闸断电制动其闸瓦紧紧抱住闸轮，若想手动调整工作是很困难的。因此，对电动机制动后仍想调整工件的相对位置的机床设备就不能采用断电制动，而应采用通电制动控制，其电路如图3所示。当电动机得电运转时，电磁抱闸线圈无法得电，闸瓦与闸轮分开无制动作用；当电动机需停转按下停止按钮SB2时，复合按钮SB2的常闭触头先断开切断KM1线圈，KM1主、辅触头恢复无电状态，结束正常运行并为KM2线圈得电作好准备，经过一定的行程SB2的常开触头接通KM2线圈，其主触头闭合电磁抱闸的线圈得电，使闸瓦紧紧抱住闸轮制动；当电动机处于停转常态时，电磁抱闸线圈也无电，闸瓦与闸轮分开，这样操作人员可扳动主轴调整工件或对刀等。 机械制动主要采用电磁抱闸、电磁离合器制动，两者都是利用电磁线圈通电后产生磁场，使静铁芯产生足够大的吸力吸合衔铁或动铁芯(电磁离合器的动铁芯被吸合，动、静摩擦片分开)，克服弹簧的拉力而满足工作现场的要求。电磁抱闸是靠闸瓦的摩擦片制动闸轮电磁离合器是利用动、静摩擦片之间足够大的摩擦力使电动机断电后立即制动。第二节 电力制动 电动机在切断电源的同时给电动机一个和实际转向相反的电磁力矩(制动力矩)使电动迅速停止的方法。最常用的方法有：反接制动和能耗制动。1 反接制动。在电动机切断正常运转电源的同时改变电动机定子绕组的电源相序，使之有反转趋势而产生较大的制动力矩的方法。反接制动的实质：使电动机欲反转而制动，因此当电动机的转速接近零时，应立即切断反接转制动电源，否则电动机会反转。实际控制中采用速度继电器来自动切除制动电源。 反接制动控制电路如图4所示。其主电路和正反转电路相同。由于反接制动时转子与旋转磁场的相对转速较高，约为启动时的2倍，致使定子、转子中的电流会很大，大约是额定值的10倍。因此反接制动电路增加了限流电阻R。KM1为运转接触器，KM2为反接制动接触器，KV为速度继电器，其与电动机联轴，当电动机的转速上升到约为100转分的动作值时KV常开触头闭合为制动作好准备。 反接制动分析：停车时按下停止按钮SB2，复合按钮SB2的常闭先断开切断KM1线圈，KM1主、辅触头恢复无电状态，结束正常运行并为反接制动作好准备，后接通KM2线圈(KV常开触头在正常运转时已经闭合)，其主触头闭合，电动机改变相序进入反接制动状态，辅助触头闭合自锁持续制动，当电动机的转速下降到设定的释放值时，KV触头释放，切断KM2线圈，反接制动结束。 一般地，速度继电器的释放值调整到90转分左右，如释放值调整得太大，反接制动不充分；调整得太小，又不能及时断开电源而造成短时反转现象。 反接制动制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。因此适用于l0kw以下小容量的电动机制动要求迅速、系统惯性大，不经常启动与制动的设备，如铣床、镗床、中型车床等主轴的制动控制。2 能耗制动。电动机切断交流电源的同时给定子绕组的任意二相加一直流电源，以产生静止磁场，依靠转子的惯性转动切割该静止磁场产生制动力矩的方法。 原理分析：电动机切断电源后，转子仍沿原方向惯性转动，如图5设为顺时针方向，这时给定子绕组通入直流电，产生一恒定的静止磁场，转子切割该磁场产生感生电流，用右手定则判断其方向如图示。该感生电流又受到磁场的作用产生电磁转矩，由左手定则知其方向正好与电动机的转向相反而使电动机受到制动迅速停转。可逆运行能耗制动的控制电路如图6所示。KV1、KV2分别为速度继电器KV的正、反转动作触头，接触器KM1、KM2、KM3之间互锁，防止交流电源、直流制动电源短路。停车时按下停止按钮SB3，复合按钮SB3的常闭先断开切断正常运行接触器KM1或KM2线圈，后接通KM3线圈，KM3主、辅触头闭合，交流电流经变压器T，全波整流器VC通入V、W相绕组直流电，产生恒定磁场进行制动。RP调节直流电流的大小，从而调节制动强度。能耗制动平稳、准确，能量消耗小，但需附加直流电源装置，设备投资较高，制动力较弱，在低速时制动力矩小。主要用于容量较大的电动机制动或制动频繁的场合及制动准确、平稳的设备，如磨床、立式铣床等的控制，但不适合用于紧急制动停车。 能耗制动还可用时间继电器代替速度继电器进行制动控制。 电动机的制动方法较多，还有如电容制动、再生发电制动等，但实际应用主要是上述四种方法，其各有特点和使用场合。参考文献1 王福瑞. 电机系统设计大全. 北京： 北京航空航天大学出版社，19992何立民. 电机拖动与控制. 北京：北京航空航天大学出版社,19993刘守义. 电机应用技术.西安： 西安电子科技大学出版社，20074张洪润. 电机应用技术教程. 北京：清华大学出版社，19975朱宇光. 电机应用新技术教程. 北京：电子工业出版社，20006张迎新. 电动机与变压器维修. 北京：国防工业出版社，19937李光华. 常用低压电器原理及控制技术. 北京：机械工业出版社，20038王奎新. 电机学. 沈阳：东北大学出版社，1997 谢辞本课题的研究工作是在导师李贤温教授的悉心指导下完成的，从课题的选题至最后的定稿都凝聚了导师大量的心血和汗水。导师严谨求实的治学态度、平易近人的风格、勤勤恳恳的工作作风、博大精深的理论造诣和正直为人的高尚品德深深地感染着我，一直是我奋发钻研的源泉。值此课题完成之际，谨向导师致以最崇高的谢意！感谢那些曾经帮助过我的老师、同学和朋友们！正是由于各位的倾心指导、谆谆教诲，鼎力帮助，使我得以顺利完成课程设计。