三相异步电机

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所属分类:电动机
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三相异步电机

三相异步电机

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  三相异步电机(Triple-phase asynchronous motor)是靠同时接入380V三相交流电源(相位差120度)供电的一类电动机,由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转,存在转差率,所以叫三相异步电机。

  当电动机的三相定子绕组 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

  当导体在磁场内切割磁力线时,在导体内产生感应电流,“感应电机”的名称由此而来。感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。

  我们让闭合线圈ABCD在磁场B内围绕轴xy旋转。如果沿顺时针方向转动磁场,闭合线圈经受可变磁通量,产生感应电动势,该电动势会产生感应电流(法拉第定律)。根据楞次定律,电流的方向为:感应电流产生的效果总是要阻碍引起感应电流的原因。因此,每个导体承受相对于感应磁场的运动方向相反的洛仑兹力F。

  确定每个导体力F方向的一个简单的方法是采用右手三手指定则(磁场对电流作用将拇指置于感应磁场的方向,食指为力的方向。将中指置于感应电流的方向。这样一来,闭合线圈承受一定的转矩,从而沿与感应子磁场相同方向旋转,该磁场称为旋转磁场。闭合线圈旋转所产生的电动转矩平衡了负载转矩。

  绕组与具有相同电相位移的交流电流相互交叉,每组产生一个交流正弦波磁场。此磁场总是沿相同的轴,当绕组的电流位于峰值时,磁场也位于峰值。每组绕组产生的磁场是两个磁场以相反方向旋转的结果,这两个磁场值都是恒定的,相当于峰值磁场的一半。此磁场.在供电期内完成旋转。其速度取决于电源频率(f)和磁极对数(P)。这称作“同步转速”

  只有当闭合线圈有感应电流时,才存在驱动转矩。转矩由闭合线圈的电流确定,且只有当环内的磁通量发生变化时才存在。因此,闭合线圈和旋转磁场之间必须有速度差。因而,遵照上述原理工作的电机被称作“异步电机”。同步转速(ns)和闭合线圈速度(n)之间的差值称作“转差”,用同步转速的百分比表示。s=[(ns-n)/ ns] x 100% (s为下标)运行过程中,转子电流频率为电源频率乘以转差率。当电动机起动时,转子电流频率处于最大值,等于定子电流频率。

  转子电流频率随着电机转速的增加而逐步降低。处于恒稳态的转差率与电机负载有关系。它受电源电压的影响,如果负载较低,则转差率较小,如果电机供电电压低于额定值,则转差率增大。

  同步转速 三相异步电动机的同步转速与电源频率成正比,与定子的对数成反比。

  例如:ns=60 f/p式中ns—同步转速,单位为r/lmin f-频率,单位为Hz, P磁极对数给出了在50Hz, 60Hz以及100Hz工业频率下,对应于不同磁极数的旋转磁场转速或同步转速。

  实际上,即使电压.正确无误,如果供电频率高于异步电机的额定频率,一也未必能够提高电机转速。必须首先确定其机械和电气容量。由于存在转差率,带负载的异步电机的转速稍稍低于表格中给出的同步转速。改变电动机的旋转方向,改变电源的相序即可实现,即交换通入到电机的三相电压接到电机端子中任意两相就行。

  因为三相异步电机转子线圈中的感应电流是由于转子导体与磁场有相对运动而产生的。三相异步电机的转子转速不会与旋转磁场同步,更不会超过旋转磁场的速度。如果三相异步电机转子的转速与旋转磁场的转速成大小相等,那么,磁场与转子之间就没有相对运动,导体不能切割磁力线,因此转子线圈中也就不会产生感应电势和电流,三相异步电机转子导体在磁场中也就不会受到电磁力的作用而使转子转动。因而三相异步电机的转子旋转速度不可能与旋转磁场相同,总是小于旋转磁场的同步转速。但在特殊运行方式下(如发电制动),三相异步电机转子转速可以大于同步转速。

  (1)当三相异步电机接入三相交流电源(各相差120度电角度)时,三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势(定子旋转磁动势)并产生旋转磁场,该磁场以同步转速n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。

  (2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体(转子绕组是闭合通路)产生感应电动势并产生感应电流(感应电动势的方向用右手定则判定)。

  (3)根据电磁力定律,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。载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用(力的方向用左手定则判定),电磁力对电机转子轴形成电磁转矩,驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转,当电动机轴上带机械负载时,便向外输出机械能。由于没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先,电机转动方向与旋转磁场方向相同

  根据电动机工作电源的不同,可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

  根据电动机按结构及工作原理的不同,可分为直流电动机,异步电动机和同步电动机。

  异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

  直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

  根据电动机按起动与运行方式不同,可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

  驱动用电动机又分为电动工具(包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具)用电动机、家电(包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等)用电动机及其它通用小型机械设备(包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等)用电动机。

  根据电动机按转子的结构不同,可分为鼠笼型感应电动机(旧标准称为鼠笼型异步电动机)和绕线转子感应电动机(旧标准称为绕线型异步电动机)。

  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。

  根据电动机按运转速度不同,可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

  低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

  调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外,还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。

  对称3相绕组通入对称3相电流,产生旋转磁场,磁场线切割转子绕组,根据电磁感应原理,转子绕组中产生e和i,转子绕组在磁场中受到电磁力的作用,即产生电磁转矩,使转子旋转起来,转子输出机械能量,带动机械负载旋转起来。

  在交流电机中,当定子绕组通过交流电流时,建立了电枢磁动势,它对电机能量转换和运行性能都有很大影响。所以三相交流绕组通入三相交流产生脉振磁动势,该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁动势和,从而在气隙中建立正转和反转磁场和。这两个旋转磁场切割转子导体,并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。

  该电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩。正向电磁转矩企图使转子正转;反向电磁转矩企图使转子反转。这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩。

  在电机定子中通入3相交流电,使其产生旋转磁场,转速为n0。不同的磁极对数p,在相同频率f=50Hz的交流电作用下,会产生不同的同步转速n0,n0=60f/p。

  电机转子的转速小于旋转磁场的转速,它和感应电机基本上是相同的。s=(ns-n)/ns。s为转差率,

  2010年6月2日,财政部、国家发展改革委联合出台《关于印发节能产品惠民工程高效电机推广实施细则的通知》,将高效电机纳入节能产品惠民工程实施范围,采取财政补贴方式进行推广。

  研制高效电机的同时,采用变频调速技术是另一项行之有效的节能措施。高效电机和变频电机试验对测试设备的功能及性能指标提出了较高的要求,为了准确获取电机的效率,宜采用带微处理器的变频功率分析仪和准确级较高的变频功率传感器。

  与单相异步电动机相比,三相异步电机结构简单,制造方便,运行性能好,并可节省各种材料,价格便宜。

  三相异步电机功率大,主要制成大型电机。它一般用于有三相电源(Triple-phase power)的大型工业设备中。首先说明一点的是,三相异步电机只用于电动机,极少用作发电机,都是同步电机用来发电。

  对于1kW以下的小功率三相异步电机,不仅可以作三相运行,而且也可以作单相运行

  从上式可见,改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看,不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。

  在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机,改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。

  从调速时的能耗观点来看,有高效调速方法与低效调速方法两种:高效调速指时转差率不变,因此无转差损耗,如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。有转差损耗的调速方法属低效调速,如转子串电阻调速方法,能量就损耗在转子回路中;电磁离合器的调速方法,能量损耗在离合器线圈中;液力偶合器调速,能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加,假如调速范围不大,能量损耗是很小的。

  这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的,特点如下:

  5.可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用,获得较高效率的平滑调速特性。

  本方法适用于不需要无级调速的生产机械,如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

  变频调速是改变电动机定子电源的频率,从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器,变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类,国内大都使用交-直-交变频器。其特点:

  串级调速是指绕线式电动机转子回路中串进可调节的附加电势来改变电动机的转差,达到调速的目的。大部分转差功率被串进的附加电势所吸收,再利用产生附加的装置,把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式,串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式,多采用晶闸管串级调速,其特点为:

  2.装置容量与调速范围成正比,投资省,适用于调速范围在额定转速70%-90%的生产机械上;

  绕线式异步电动机转子串进附加电阻,使电动机的转差率加大,电动机在较低的转速下运行。串进的电阻越大,电动机的转速越低。此方法设备简单,控制方便,但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速,机械特性较软。

  当改变电动机的定子电压时,可以得到一组不同的机械特性曲线,从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比,因此最大转矩下降很多,其调速范围较小,使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围,调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机,如专供调压调速用的力矩电动机,或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围,当调速在2:1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。

  调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源,常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点:

  电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源(控制器)三部分组成。直流励磁电源功率较小,通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成,改变晶闸管的导通角,可以改变励磁电流的大小。

  电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系,都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分,由电动机带动;磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时,如励磁绕组通以直流,则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极,其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时,由于电枢与磁极间相对运动,因而使电枢感应产生涡流,此涡流与磁通相互作用产生转矩,带动有磁极的转子按同一方向旋转,但其转速恒低于电枢的转速N1,这是一种转差调速方式,变动转差离合器的直流励磁电流,便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点:

  液力耦合器是一种液力传动装置,一般由泵轮和涡轮组成,它们统称工作轮,放在密封壳体中。壳中充进一定量的工作液体,当泵轮在原动机带动下旋转时,处于其中的液体受叶片推动而旋转,在离心力作用下沿着泵轮外环进进涡轮时,就在同一转向上给涡轮叶片以推力,使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中,改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速,作到无级调速,其特点为:

  一种是机械故障,如负载过大,轴承损坏,转子扫镗(转子外圆与定子内壁摩擦)等;另一种是电气故障,如绕组断路或短路等。三相异步电动机的故障现象比较复杂,同一故障可能出现不同的现象,而同一现象又可能由不同的原因引起。电动机发生故障时,如果原因不明,可按如下方法进行检查。

  1)一般的检查顺序是先外部后内部、先机械后电气、先控制部分后机组部分,采用“问、看、听、闻、摸”的方法。

  3)检查电源开关、控制电路是否有故障,如接线、熔断器是否完好等,可用电笔检查或万用表测量,确定电源三相是否对称,是否缺相或虚接,是否欠压等。

  4)检查电动机负载是否正常,有无机械卡死、负载过大、电网容量不够等问题。在三相电源正常情况下,确定负载是否有问题的最简单的方法是:卸下电动机负载,让电动机空载运行,听其声,闻其味,用手触摸电动机外壳,测试其发热情况。若电动机一切正常,则基本可确定为电动机的负载有问题。若电动机通电时,发热很快,甚至冒烟,或发出不正常声音,应立即停电检查。

  5)检查电动机本身故障时,先打开接线盒检查是否有接线错误、断线、掉头或烧焦等现象。

  6)观察电动机外表有无异常情况,端盖、机壳有无裂痕。用手摆动转轴,观察有无轴窜现象;用手转动转轴,观察转动是否灵活,有无扫镗和轴承问题。若声音异常,可检查润滑油是否干涸、轴承是否损坏或缺损等。

  7)如果表面观察难以确定故障原因,可以使用仪表测量。拆卸电动机,用兆欧表分别测量绕组相间绝缘电阻、对地绝缘电阻,检查定子绕组是否存在断线、绕组烧毁、相间短路或对外壳短接。一般电动机故障发热后,拆卸电动机时能闻到焦糊味,绕组绝缘层可能变色甚至有明显的焦痕,一般小型电动机要进行绕组的重绕,中型电动机视损坏程度,部分更换或全部重绕。如果绝缘电阻符合要求,用电桥分别测量三相绕组的直流电阻是否平衡。

  ①电源未通(至少两相未通);②熔丝熔断(至少两相熔断);③过流继电器调得过小;④控制设备接线.故障排除

  ①检查电源回路开关,熔丝、接线盒处是否有断点,修复;②检查熔丝型号、熔断原因,换新熔丝;③调节继电器整定值与电动机配合;④改正接线。

  ①缺一相电源,或定干线圈一相反接;②定子绕组相间短路;③定子绕组接地;④定子绕组接线错误;⑤熔丝截面过小;⑤电源线.故障排除

  ①检查刀闸是否有一相未合好,可电源回路有一相断线;消除反接故障;②查出短路点,予以修复;③消除接地;④查出误接,予以更正;⑤更换熔丝;③消除接地点。

  ①定、转子绕组有断路(一相断线)或电源一相失电;②绕组引出线始末端接错或绕组内部接反;③电源回路接点松动,接触电阻大;④电动机负载过大或转子卡住;⑤电源电压过低;⑥小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬;⑦轴承卡住。

  ①查明断点予以修复;②检查绕组极性;判断绕组末端是否正确;③紧固松动的接线螺丝,用万用表判断各接头是否假接,予以修复;④减载或查出并消除机械故障,⑤检查是还把规定的面接法误接为Y;是否由于电源导线过细使压降过大,予以纠正,⑥重新装配使之灵活;更换合格油脂;⑦修复轴承。

  ①电源电压过低;②面接法电机误接为Y;③笼型转子开焊或断裂;④定转子局部线圈错接、接反;③修复电机绕组时增加匝数过多;⑤电机过载。

  ①测量电源电压,设法改善;②纠正接法;③检查开焊和断点并修复;④查出误接处,予以改正;⑤恢复正确匝数;⑥减载。

  ①重绕时,定子三相绕组匝数不相等;②绕组首尾端接错;③电源电压不平衡;④绕组存在匝间短路、线.故障排除

  ①重新绕制定子绕组;②检查并纠正;③测量电源电压,设法消除不平衡;④峭除绕组故障。

  ①笼型转子导条开焊或断条;②绕线型转子故障(一相断路)或电刷、集电环短路装置接触不良。

  ①修复时,定子绕组匝数减少过多;②电源电压过高;③Y接电动机误接为Δ;④电机装配中,转子装反,使定子铁芯未对齐,有效长度减短;⑤气隙过大或不均匀;⑥大修拆除旧绕组时,使用热拆法不当,使铁芯烧损。

  ①重绕定子绕组,恢复正确匝数;②设法恢复额定电压;③改接为Y;④重新装配;③更换新转子或调整气隙;⑤检修铁芯或重新计算绕组,适当增加匝数。

  ①转子与定子绝缘纸或槽楔相擦;②轴承磨损或油内有砂粒等异物;③定转子铁芯松动;④轴承缺油;⑤风道填塞或风扇擦风罩,⑥定转子铁芯相擦;⑦电源电压过高或不平衡;⑧定子绕组错接或短路。

  ①修剪绝缘,削低槽楔;②更换轴承或清洗轴承;③检修定、转子铁芯;④加油;⑤清理风道;重新安装置;⑥消除擦痕,必要时车内小转子;⑦检查并调整电源电压;⑧消除定子绕组故障

  ①由于磨损轴承间隙过大;②气隙不均匀;③转子不平衡;④转轴弯曲;⑤铁芯变形或松动;⑥联轴器(皮带轮)中心未校正;⑦风扇不平衡;⑧机壳或基础强度不够;⑨电动机地脚螺丝松动;⑩笼型转子开焊断路;绕线转子断路;加定子绕组故障。

  ①检修轴承,必要时更换;②调整气隙,使之均匀;③校正转子动平衡;④校直转轴;⑤校正重叠铁芯,⑥重新校正,使之符合规定;⑦检修风扇,校正平衡,纠正其几何形状;⑧进行加固;⑨紧固地脚螺丝;⑩修复转子绕组;修复定子绕组。

  ①滑脂过多或过少;②油质不好含有杂质;③轴承与轴颈或端盖配合不当(过松或过紧);④轴承内孔偏心,与轴相擦;⑤电动机端盖或轴承盖未装平;⑥电动机与负载间联轴器未校正,或皮带过紧;⑦轴承间隙过大或过小;⑧电动机轴弯曲。

  ①按规定加润滑脂(容积的1/3-2/3);②更换清洁的润滑滑脂;③过松可用粘结剂修复,过紧应车,磨轴颈或端盖内孔,使之适合;④修理轴承盖,消除擦点;⑤重新装配;⑥重新校正,调整皮带张力;⑦更换新轴承;⑧校正电机轴或更换转子。

  ①电源电压过高,使铁芯发热大大增加;②电源电压过低,电动机又带额定负载运行,电流过大使绕组发热;③修理拆除绕组时,采用热拆法不当,烧伤铁芯;④定转子铁芯相擦;⑤电动机过载或频繁起动;⑥笼型转子断条;⑦电动机缺相,两相运行;⑧重绕后定于绕组浸漆不充分;⑨环境温度高电动机表面污垢多,或通风道堵塞;⑩电动机风扇故障,通风不良;定子绕组故障(相间、匝间短路;定子绕组内部连接错误)。

  ①降低电源电压(如调整供电变压器分接头),若是电机Y、Δ接法错误引起,则应改正接法;②提高电源电压或换粗供电导线;③检修铁芯,排除故障;④消除擦点(调整气隙或挫、车转子);⑤减载;按规定次数控制起动;⑥检查并消除转子绕组故障;⑦恢复三相运行;⑧采用二次浸漆及真空浸漆工艺;⑨清洗电动机,改善环境温度,采用降温措施;⑩检查并修复风扇,必要时更换;检修定子绕组,消除故障

  刘玉宾, 范文军. 基于BP神经网络的三相异步电动机故障诊断技术研究[J]. 煤矿机械, 2007, 28(2):188-190.

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