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三相异步电动机工作原理

 吉喜鸟 2012-08-12

电动机的三角形接法与星形接法

一、三角形接法很多三相平衡负载,如三相异步电动机等,常接成三角形,如图(1a)所示。所谓三角形接法,就是把各相负载的首尾端分别接在三根相线的每两根相线之间,接入顺序是:A′相负载的末端X′接B′相负载的始端B′;B′相末端Y′接C′相负载的始端C′;C′相负载的末端Z′接A′相负载的始端A′,然后把三个连接点分别接到电源的三根相线上。图(1a)中的!"是一台接成三角形的电动机在电源线上的接法。可以看出,负载作三角形连接时,线电压等于相电压,但相电流并不等于线电流。从图1(a)$#中可以看出,线电流IA等于相电流IAB与(-ICA)的矢量和。线电流与相电流的关系可以绘成矢量图,如图1(b)所示。不难证明:IA="3IAB写成一般公式:I线="3I相综上所述,三相对称负载作三角形连接时,线电流的有效值等于相电流有效值的"3倍,线电流在相位上较它对应的相电流滞后30°。二、星形接法在三相四线制供电线路中,可以取得两种电压。三相异步电动机需接380V的电压,而照明则需接220V的电压。电网是怎么提供两种电压的呢?这两种电压之间又有什么关系呢?这里,我们首先引出三相......

三相电在电源端(或称变压器)和负载端均有星形和三角形两种接法。

三相电的星形接法是将各相电源或负载的一端都接在一点上,而它们的另一端作为引出线,分别为三相电的三个相线。对于星形接法,可以将中点(称为中性点)引出作为中性线,形成三相四线制。也可不引出,形成三相三线制。当然,无论是否有中性线,都可以添加地线,分别成为三相五线制或三相四线制。

三相电的三角形接法是将各相电源或负载依次首尾相连,并将每个相连的点引出,作为三相电的三个相线。三角形接法没有中性点,也不可引出中性线,因此只有三相三线制。添加地线后,成为三相四线制。

星形接法的三相电,线电压是相电压的倍,而线电流等于相电流。当三相负载平衡时,即使连接中性线,其上也没有电流流过。三相负载不平衡时,应当连接中性线,否则各相负载将分压不等。

三角形接法的三相电,线电压等于相电压,而线电流等于相电流的倍。

中国民用供电使用三相电作为楼层或小区进线,多用星形接法,其相电压]为220V,而线电压为380V,需要中性线,一般也都有地线,即为三相五线制。而进户线为单相线,即三相中的一相,对地或对中性线电压均为220V。一些大功率空调等家用电器也使用三相四线制接法,此时进户线必须是三相线。

工业用电多使用6kV以上高压三相电进入厂区,经总降压变电所、总配电所或车间变电所变压成为较低电压后以三相或单相的形式深入各个车间供电。

三相异步电动机


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。

目录

1 三相异步电动机原理  
2 三相异步电动机的结构

三相异步电动机 - 三相异步电动机原理  

(图)三相异步电动机三相异步电动机

当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时,就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转,转子导体开始时是静止的,故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势(感应电动势的方向用右手定则判定)。由于导子导体两端被短路环短接,在感应电动势的作用下,转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用(力的方向用左手定则判定)。电磁力对转子轴产生电磁转矩,驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。
  通过上述分析可以总结出电动机工作原理为:当电动机的三相定子绕组(各相差120度电角度),通入三相对称交流电后,将产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路),载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力,从而在电机转轴上形成电磁转矩,驱动电动机旋转,并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。
  三相异步电动机的故障分析和处理方法
  三相异步电动机的故障分析和处理方法
  绕组是电动机的组成部分,老化,受潮、受热、受侵蚀、异物侵入、外力的冲击都会造成对绕组的伤害,电机过载、欠电压、过电压,缺相运行也能引起绕组故障。绕组故障一般分为绕组接地、短路、开路、接线错误。现在分别说明故障现象、产生的原因及检查方法。
  一、绕组接地
  指绕组与贴心或与机壳绝缘破坏而造成的接地。
  1、故障现象
  机壳带电、控制线路失控、绕组短路发热,致使电动机无法正常运行。
  2、产生原因
  绕组受潮使绝缘电阻下降;电动机长期过载运行;有害气体腐蚀;金属异物侵入绕组内部损坏绝缘;重绕定子绕组时绝缘损坏碰铁心;绕组端部碰端盖机座;定、转子磨擦引起绝缘灼伤;引出线绝缘损坏与壳体相碰;过电压(如雷击)使绝缘击穿。
  3.检查方法
  (1)观察法。通过目测绕组端部及线槽内绝缘物观察有无损伤和焦黑的痕迹,如有就是接地点。
  (2)万用表检查法。用万用表低阻档检查,读数很小,则为接地。
  (3)兆欧表法。根据不同的等级选用不同的兆欧表测量每组电阻的绝缘电阻,若读数为零,则表示该项绕组接地,但对电机绝缘受潮或因事故而击穿,需依据经验判定,一般说来指针在“0”处摇摆不定时,可认为其具有一定的电阻值。
  (4)试灯法。如果试灯亮,说明绕组接地,若发现某处伴有火花或冒烟,则该处为绕组接地故障点。若灯微亮则绝缘有接地击穿。若灯不亮,但测试棒接地时也出现火花,说明绕组尚未击穿,只是严重受潮。也可用硬木在外壳的止口边缘轻敲,敲到某一处等一灭一亮时,说明电流时通时断,则该处就是接地点。
  (5)电流穿烧法。用一台调压变压器,接上电源后,接地点很快发热,绝缘物冒烟处即为接地点。应特别注意小型电机不得超过额定电流的两倍,时间不超过半分钟;大电机为额定电流的20%-50%或逐步增大电流,到接地点刚冒烟时立即断电。
  (6)分组淘汰法。对于接地点在铁芯心里面且烧灼比较厉害,烧损的铜线与铁芯熔在一起。采用的方法是把接地的一相绕组分成两半,依此类推,最后找出接地点。
  此外,还有高压试验法、磁针探索法、工频振动法等,此处不一一介绍。
  4.处理方法
  (1)绕组受潮引起接地的应先进行烘干,当冷却到60——70℃左右时,浇上绝缘漆后再烘干。
  (2)绕组端部绝缘损坏时,在接地处重新进行绝缘处理,涂漆,再烘干。
  (3)绕组接地点在槽内时,应重绕绕组或更换部分绕组元件。
  最后应用不同的兆欧表进行测量,满足技术要求即可。
  二、绕组短路
  由于电动机电流过大、电源电压变动过大、单相运行、机械碰伤、制造不良等造成绝缘损坏所至,分绕组匝间短路、绕组间短路、绕组极间短路和绕组相间短路。
  1.故障现象
  离子的磁场分布不均,三相电流不平衡而使电动机运行时振动和噪声加剧,严重时电动机不能启动,而在短路线圈中产生很大的短路电流,导致线圈迅速发热而烧毁。
  2.产生原因
  电动机长期过载,使绝缘老化失去绝缘作用;嵌线时造成绝缘损坏;绕组受潮使绝缘电阻下降造成绝缘击穿;端部和层间绝缘材料没垫好或整形时损坏;端部连接线绝缘损坏;过电压或遭雷击使绝缘击穿;转子与定子绕组端部相互摩擦造成绝缘损坏;金属异物落入电动机内部和油污过多。
  3.检查方法
  (1)外部观察法。观察接线盒、绕组端部有无烧焦,绕组过热后留下深褐色,并有臭味。
  (2)探温检查法。空载运行20分钟(发现异常时应马上停止),用手背摸绕组各部分是否超过正常温度。
  (3)通电实验法。用电流表测量,若某相电流过大,说明该相有短路处。
  (4)电桥检查。测量个绕组直流电阻,一般相差不应超过5%以上,如超过,则电阻小的一相有短路故障。
  (5)短路侦察器法。被测绕组有短路,则钢片就会产生振动。
  (6)万用表或兆欧表法。测任意两相绕组相间的绝缘电阻,若读数极小或为零,说明该二相绕组相间有短路。
  (7)电压降法。把三绕组串联后通入低压安全交流电,测得读数小的一组有短路故障。
  (8)电流法。电机空载运行,先测量三相电流,在调换两相测量并对比,若不随电源调换而改变,较大电流的一相绕组有短路。
  4.短路处理方法
  (1)短路点在端部。可用绝缘材料将短路点隔开,也可重包绝缘线,再上漆重烘干。
  (2)短路在线槽内。将其软化后,找出短路点修复,重新放入线槽后,再上漆烘干。
  (3)对短路线匝少于1/12的每相绕组,串联匝数时切断全部短路线,将导通部分连接,形成闭合回路,供应急使用。
  (4)绕组短路点匝数超过1/12时,要全部拆除重绕。
  三、绕组短路
  由于焊接不良或使用腐蚀性焊剂,焊接后又未清除干净,就可能造成壶焊或松脱;受机械应力或碰撞时线圈短路、短路与接地故障也可使导线烧毁,在并烧的几根导线中有一根或几根导线短路时,另几根导线由于电流的增加而温度上升,引起绕组发热而断路。一般分为一相绕组端部断线、匝间短路、并联支路处断路、多根导线并烧中一根断路、转子断笼。
  1.故障现象
  电动机不能启动,三相电流不平衡,有异常噪声或振动大,温升超过允许值或冒烟。
  2.产生原因
  (1)在检修和维护保养时碰断或制造质量问题。
  (2)绕组各元件、极(相)组和绕组与引接线等接线头焊接不良,长期运行过热脱焊。
  (3)受机械力和电磁场力使绕组损伤或拉断。
  (4)匝间或相间短路及接地造成绕组严重烧焦或熔断等。
  3.检查方法
  (1)观察法。断点大多数发生在绕组端部,看有无碰折、接头出有无脱焊。
  (2)万用表法。利用电阻档,对“Y”型接法的将一根表棒接在“Y”形的中心点上,另一根依次接在三相绕组的首端,无穷大的一相为断点;“△”型接法的短开连接后,分别测每组绕组,无穷大的则为断路点。
  (3)试灯法。方法同前,等不亮的一相为断路。
  (4)兆欧表法。阻值趋向无穷大(即不为零值)的一相为断路点。
  (5)电流表法。电机在运行时,用电流表测三相电流,若三相电流不平衡、又无短路现象,则电流较小的一相绕组有部分短断路故障。
  (6)电桥法。当电机某一相电阻比其他两相电阻大时,说明该相绕组有部分断路故障;
  (7)电流平衡法。对于“Y”型接法的,可将三相绕组并联后,通入低电压大电流的交流电,如果三相绕组中的电流相差大于10%时,电流小的一端为断路;对于“△”型接法的,先将定子绕组的一个接点拆开,再逐相通入低压大电流,其中电流小的一相为断路。
  (8)断笼侦察器检查法。检查时,如果转子断笼,则毫伏表的读数应减小。
  4.断路处理方法
  (1)断路在端部时,连接好后焊牢,包上绝缘材料,套上绝缘管,绑扎好,再烘干。
  (2)绕组由于匝间、相间短路和接地等原因而造成绕组严重烧焦的一般应更换新绕组。
  (3)对断路点在槽内的,属少量断点的做应急处理,采用分组淘汰法找出断点,并在绕组断部将其连接好并绝缘合格后使用。
  (4)对笼形转子断笼的可采用焊接法、冷接法或换条法修复。
  四、绕组接错
  绕组接错造成不完整的旋转磁场,致使启动困难、三相电流不平衡、噪声大等症状,严重时若不及时处理会烧坏绕组。主要有下列几种情况:某极相中一只或几只线圈嵌反或头尾接错;极(相)组接反;某相绕组接反; 多路并联绕组支路接错;“△”、“Y”接法错误。
  1、故障现象
  电动机不能启动、空载电流过大或不平衡过大,温升太快或有剧烈振动并有很大的噪声、烧断保险丝等现象。
  2、产生原因
  误将“△”型接成“Y”型;维修保养时三相绕组有一相首尾接反;减压启动是抽头位置选择不合适或内部接线错误;新电机在下线时,绕组连接错误;旧电机出头判断不对。
  3.检修方法
  (1)滚珠法。 如滚珠沿定子内圆周表面旋转滚动,说明正确,否则绕组有接错现象。
  (2)指南针法。如果绕组没有接错,则在一相绕组中,指南针经过相邻的极(相)组时,所指的极性应相反,在三相绕组中相邻的不同相的极(相)组也相反;如极性方向不变时,说明有一极(相)组反接;若指向不定,则相组内有反接的线圈。
  (3)万用表电压法。按接线图,如果两次测量电压表均无指示,或一次有读数、一次没有读数,说明绕组有接反处。
  (4)常见的还有干电池法、毫安表剩磁法、电动机转向法等。
  4.处理方法
  (1)一个线圈或线圈组接反,则空载电流有较大的不平衡,应进厂返修。
  (2)引出线错误的应正确判断首尾后重新连接。
  (3)减压启动接错的应对照接线图或原理图,认真校对重新接线。
  (4)新电机下线或重接新绕组后接线错误的,应送厂返修。
  (5)定子绕组一相接反时,接反的一相电流特别大,可根据这个特点查找故障并进行维修。
  (6)把“Y”型接成“△”型或匝数不够,则空载电流大,应及时更正。  

三相异步电动机 - 三相异步电动机的结构

  (一)定子(静止部分)
  1、定子铁心
  作用:电机磁路的一部分,并在其上放置定子绕组。
  构造:定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成,在铁心的内圆冲有均匀分布的槽,用以嵌放定子绕组。
  定子铁心槽型有以下几种:
  半闭口型槽:电动机的效率和功率因数较高,但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。
  半开口型槽:可嵌放成型绕组,一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。
  开口型槽:用以嵌放成型绕组,绝缘方法方便,主要用在高压电机中。
  2、定子绕组
  作用:是电动机的电路部分,通入三相交流电,产生旋转磁场。
  构造:由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成,这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。
  定子绕组的主要绝缘项目有以下三种:(保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘)。
  (1)对地绝缘:定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。
  (2)相间绝缘:各相定子绕组间的绝缘。
  (3)匝间绝缘:每相定子绕组各线匝间的绝缘。
  电动机接线盒内的接线:
  电动机接线盒内都有一块接线板,三相绕组的六个线头排成上下两排,并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1(U1)、2(V1)、3(W1),下排三个接线桩自左至右排列的编号为6(W2)、4(U2)、5(V2),.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。
  3、机座
  作用:固定定子铁心与前后端盖以支撑转子,并起防护、散热等作用。
  构造:机座通常为铸铁件,大型异步电动机机座一般用钢板焊成,微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积,防护式电机的机座两端端盖开有通风孔,使电动机内外的空气可直接对流,以利于散热。
  (二)转子(旋转部分)
  1、三相异步电动机的转子铁心:
  作用:作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。
  构造:所用材料与定子一样,由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成,硅钢片外圆冲有均匀分布的孔,用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上,大、中型异步电动机(转子直径在300~400毫米以上)的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。
  2、三相异步电动机的转子绕组
  作用:切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流,并形成电磁转矩而使电动机旋转。
  构造:分为鼠笼式转子和绕线式转子。
  (1)鼠笼式转子:转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心,整个绕组的外形像一个鼠笼,故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组,对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。
  (2)绕线式转子:绕线转子绕组与定子绕组相似,也是一个对称的三相绕组,一般接成星形,三个出线头接到转轴的三个集流环上,再通过电刷与外电路联接。
  特点:结构较复杂,故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件,用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能,故在要求一定范围内进行平滑调速的设备,如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。
  (三)三相异步电动机的其它附件
  1、端盖:支撑作用。
  2、轴承:连接转动部分与不动部分。
  3、轴承端盖:保护轴承。
  4、风扇:冷却电动机。

谐振电路
交流电动机
电磁铁
伺服电机
电容器
晃电
戴维宁定理
并联
串联
受控电源
安全用电
可编程控制器
诺顿定理
测速发电机
单相异步电动机
三相异步电动机
等效电路
弱电
电流
水电站 
电线
直流电
电压
步进电机
滤波电路
交流电
电感
电位
基尔霍夫定律
欧姆定律

三项异步电动机的工作原理应该是:

一、旋转磁场

(一)定子旋转磁场产生的原理

旋转磁场:指磁场的轴线位置随时间而旋转的磁场。

在三相异步电动机的定子铁心中放置三组结构完全相同的绕组U1U2V1V2W1W2,各相绕组在空间互差120°电角度,向这三相绕组中通入对称的三相交流电,则在定子与转子的空气隙中产生一个旋转磁场。

以两极电机即2p=2为例说明,对称的三相绕组U1U2V1V2W1W2假定为集中绕组,三相绕组接成星形,并通以三相对称电流iAiBiC。如动画演示所示。假定电流的瞬时值为正时是从各绕组的首端流入,末端流出。电流流入端用“×”表示,电流流出端用“﹒”表示。

wt=0时,iA=0                                        

iB为负值,即iB由末端V2流入,首端V1流出;

iC为正值,即iC由首端W1流入,末端W2流出。

电流流入端用“×”表示,电流流出端用“﹒” 表示。

利用右手螺旋定则可确定在wt=0瞬间由三相电流所产生的合成磁场方向,如动画演示所示。

可见合成磁场是一对磁极,磁场方向与纵轴线方向一致,上方是北极,下方是南极。

wt= π/2时,iA为正最大值,即iA由首端U1流入,末端U2流出;

         iB为负值,即iB由末端V2流入,首端V1流出;

iC为负值,即iCW2流入,W1流出。

可见合成磁场方向以较wt=0时按时针方向转过90o  

   同理可画出wt= π wt=3π/2wt= 2π时的合成磁场,可看出磁场的方向逐步按顺时针方向旋转,共转过360o,即旋转一周。

综上所述,在三相交流电动机定子上布置有结构完全相同在空间位置各相差120o电角度的三相绕组,分别通入三相交流电,则在定子与转子的空气隙间所产生的合成磁场是沿定子内圆旋转的,故称旋转磁场。

(二)旋转磁场的旋转方向

U相、V相、W相绕组的电流分别为iAiBiC

    三相交流电的相序A —— B ——C

    旋转磁场的旋转方向为U相—— V相—— W相(顺时针旋转)

U相、V相、W相绕组的电流分别为iAiCiB(即任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序)

旋转磁场的旋转方向为逆时针旋转。

综上所述,旋转磁场的旋转方向决定于通入定子绕组中的三相交流电源的相序。只要任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序,旋转磁场即反转。

(三)旋转磁场的旋转速度

两极三相异步电动机(即2P=2)定子绕组产生的旋转磁场,当三相交流电变化一周后,其所产生的旋转磁场也正好旋转一周。

故在两极电动机中旋转磁场的转速等于三相交流电的变化速度,即n1=60f1=3000\分。

四极三相异步电动机(即2P=4)定子绕组产生的旋转磁场,当三相交流电变化一周后,其所产生的旋转磁场只旋转了半圈。

故在四极电动机中旋转磁场的转速等于三相交流电的变化速度的一半,即n1= 60 f1/2 =1500/分。

综上所述,当三相异步电动机定子绕组为p 对磁极时,旋转磁场的转速为     n1 = 60f1/p

式中  n1:旋转磁场转速(又称同步转速),转/

f1:三相交流电源的频率,赫; p:磁极对数。

二、三相异步电动机的转动原理

问题:为什么称“异步”电动机?

正常情况下,转子转速n总是略低于旋转磁场转速即同步转速n1,若n= n1 ,则旋转磁场和转子导体间将不存在相对运动,因而转子导体电动势为零 nn1总存在差异,异步电动机的名称由此而来。异步电动机的转子绕组并不直接与电源相接,而是依靠电磁感应的原理产生感应电动势和电流,故又可称为感应电动机。

三、异步电动机的转差率

分析nn1间的关系:

1、当n=0,转子切割旋转磁场的相对转速n1n= n1为最大,故转子中的感应电动势和电流最大。

2、当转子转速n增加时,则n1n开始下降,故转子中的感应电动势和电流下降。

3、当n= n1,则n1n=0,转子导体不切割定子旋转磁场,故转子中

没有感应电动势。

转差率:同步转速n1与转子转速 n之差对同步转速之比值,用S表示。   

S是恒量异步电动机性能的一个重要参数,分析几个特定工作状态下的S值。

1、电动机静止或在启动的瞬间,n=0S=1

2、电动机空载时,需克服的阻力很小,故转速很高,S很小。

3、电动机额定负载时的转差率S约为0.01~0.07

4、电机处于电动机状态运行时0S1

三项异步电动机的工作原理简单说应该是:
当向三项定子绕组中通过入对称的三项交流电时,就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转,转子导体开始时是静止的,故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势(感应电动势的方向用右手定则判定)。由于导子导体两端被短路环短接,在感应电动势的作用下,转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用(力的方向用左手定则判定)。电磁力对转子轴产生电磁转矩,驱动转子 沿着旋转磁场方向旋转。
通过上述分析可以总结出电动机工作原理为:当电动机的三项定子绕组(各相差120度电角度),通入三项交流电后,将产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路),载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力,从而在电机转轴上形成电磁转矩,驱动电动机旋转,并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。


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