起重电机:三相异步电动机的结构与工作原理-起重电机,YZR起重电机,YZB起重电机-起重变频电机

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起重电机:三相异步电动机的结构与工作原理

发布时间:2017-04-13 00:17:00 点击:    

 
 
起重电机把电能转换为机械能的电气设备,有鼠笼式和绕线式两种。异步电动机结构简单,维护轻易,运行可靠,价钱廉价,具有较好的稳态和动态特性,因此,它是启闭机中广泛应用的动力设备。

一、三相异步电动机的结构与工作原理

(一)结构

三相异步电动机重要由定子和转子形成,定子是静止不动的部门,转子是旋转局部,在定子与转子之间有一定的气隙,图2-12所示为其构造图。

图2-12 三相异步电动机的结构

1.定子部分

定子部分主要由定于铁心、定于绕组和机座三部分组成。

定子铁心是电机磁路的一部分,为减少铁心损耗,一般由0.5mm厚的导磁性能较好的硅钢片叠成,安置在机座内。定子铁心叠片冲有嵌放绕组的槽,故又称为冲片。中、小型电机的定子铁心和转子铁心都采用整圆冲片,如图2-13所示。大、中型电机常采用扇形冲片拼成一个圆。为了冷却铁心,在大容量电机中,定子铁心分成良多段,每两段之间留有径向通作风,作为冷却空气的通道。

定子绕组是电机的电路部分,它嵌放在定于铁心的内圆槽内。定子绕组分单层和双层两种。一般小型异步电动机采用单层绕组,大、中型异步电动机采用双层绕组。 机座的作用是固定和支撑定子铁心及端盖,因此,机座应有较好的机械强度和刚度。中、小型电动机一般用铸铁机座,大型电动机则用钢板焊接而成。

2.转子部分

转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。全部转子靠端盖和轴承支持着。转子的主要作用是产生感应电流,构成电磁转矩,以实现机电能量的转换。

转子铁心是电机磁路的一部分,一般也用0.5mm厚的硅钢片叠成,转子铁心叠片冲有嵌放绕组的槽。转于铁心固定在转轴或转子支架上。

根据转子绕组的结构型式,异步电动机分为笼型转子和绕线转子两种。

(1)笼型转子:在转子铁心的每一个槽中,插入一根裸导条、在铁心两端分别用两个短路环把导条衔接成一个整体,形成一个自身闭合的多相短路绕组。如去掉转子铁心,整个绕组尤如一个“松鼠笼子”,由此得名笼型转子、如图2-14所示。中、小型电动机的笼型转子一般都采用铸铝的,如图2-14(b)所示。大型电动机则采用铜导条,如图2-14(a)所示。 (2)绕线转子:绕线转子绕组与定子绕组相似,它是在绕线转子铁心的槽内嵌有绝缘导线组成的三相绕组,一般作星形联结,三个端头分别接在与转轴绝缘的三个滑环上,再经一套电刷引出来与外电路相连,如图2-15所示。

一般绕线转子电动机在转子回路中串电阻,若仅用于起动.则为减少电刷的摩擦损耗,还装有提刷装置。

转轴用强度和刚度较高的低碳钢制成。整个转于靠轴承和端盖支撑着,端盖一般用铸铁或钢板制成,它是电机外壳机座的一部分。中、小型电机一般采用带轴承的端盖。

图2-15 绕线式转子

(二)工作原理

1.基本工作原理

在异步电动机的定子铁心里,嵌放着对称的三相绕组U1-U2、v1-v2、w1-w2。转子是一个闭合的多相绕组笼型电机。图2-16为异步电动机的工作原理图,图中定、转子上的小圆圈表示定子绕组和转子导体。

由旋转磁场实践分析可知,当异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相电流时,就会产生一个圆形旋转磁场,这个磁场的转速n1称为同步转速,它与电网的频率f1及电机的磁极对数p的关系为: 转向与三相绕组的排列以及三相电流的相序有关,图中u、v、w相以顺时针方向排列,当定子绕组中通入u、v、w相序的三相电流时,定子旋转磁场为顺时针转向。由于转子是静止的,转子与旋转磁场之间有相对活动,转子导体因切割定子磁场而产生感应电动势,因转子绕组本身闭合,转子绕组内便有电流流畅。转子有功电流与转子感应电动势同相位,其方向可由“右手发电机定则”确定。载有有功分量电流的转子绕组在定子旋转磁场作用下,将产生电磁力F,其方向由“左手电动机定则”肯定。电磁力对转轴形成一个电磁转矩,其作用方向与旋转磁场方向―致,拖着转子顺着旋转磁场的旋转方向旋转,将输入的电能变成旋转的机械能。如果电动机轴上带有机械负载,则机械负载随着电动机的旋转而旋转,电动机对机械负载做了功。

综上分析可知.三相异步电动机动弹的基本工作原理是:(1)三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场;(2)转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流;(3)转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用,从而造成电磁转矩,驱使电动机转子转动。

2.转差率

同步转速n1与转子转速n之差(n1-n)和同步转速n1的比值称为转差率,用字母S表示,即:

转差率s是异步电机的一个基础物理量,它反映异步电机的各种运行情况。对异步电动机而言,当转子尚未滚动(如起动瞬间)时,n=0,此时转差率s=1;当转子转速濒临同步转速(空载运行)时,n≈n1,此时转差率s≈0,由此可见,作为异步电动机,转速在0~n1规模内变化,其转差率s在0~1范围内变化。

异步电动机负载越大,转速就越慢,其转差率就越大;反之,负载越小,转速就越快,其转差率就越小。故转差率直接反映了转子转速的快慢或电动机负载的大小。在正常运行范围内,转差率的数值很小,一般在0。01~0。06之间,即异步电动机的转速很靠近同步转速。

(三)异步电动机的铭牌

每台电机的铭牌上都标注了电机的型号、额定值和额定运行情况下的有关技术数据。按铭牌上所规定的额定值和工作条件下运行,称为额定运行。铭牌上的额定值及有关技术数据是准确设计、选择、使用和检验电机的依据。图2-17是三相异步电动机铭牌的一个例子。

(1)型号

异步电动机的型号主要包括产品代号、设计序号、规格代号和特殊环境代号等,产品代导表示电机的类型,用大写印刷体的汉语拼音字母表示。如Y表示异步电动机,YR表示绕线转子异步电动机等。设计序号系指电动机产品设计的次序,用阿拉伯数字表示。规格代号是用核心高、铁心外径、机座号、机座长度、铁心长度、功率、转速或极数表示。主要系列产品的规格代号如表2-2所示。此外,还有特殊环境代号等,请详见有关电机手册。

图2-17 三相异步电动机的铭牌

表2-2 异步电动机系列产品的规格代号

比方,Y 630-10/1180表示功率为630kw、10极、定子铁心外径1180mm的大型异步电动机。

(2)额定值

额定值是制造厂对电机在额定工作条件下所规定的一个量值。其中,额定电压UN是指在额定运行状态下运行时,规定加在电动机定子绕组上的线电压值,单位为V或KV。额定电流IN指在额定运行状态下运行时,流入电动机定子绕组中的电流值,单位为A或KA。额定功率PN是指电动机在额定状态下运行时,转子轴上输出的机械功率,单位为W或KW。对于三相异步电动机,其额定功率为 ;电动机在额定状态下运行时,电机定子侧电压的频率称为额定频率fN,单位为Hz,我国电网的频率为50Hz。额定转速nN是指额定运行时电动机的转速,单位为r/min。

(3)接线

接线是指在额定电压下运行时,电动机定子三相绕组有星形联结和三角形联结两种。详细采用哪种接线取决于相绕组能承受的电压设计值。例如一台相绕组能承受220V电压的三相异步电动机,铭牌上额定电压标有220/380V、D,y联结,这时需采用什么接线视电源电压而定。若电源电压为220V时用三角形联结,380V时用星形联结。这两种情况下,每相绕组实际上都只承受220V电压。

国产Y系列电动机接线端标记,如表2-3所示。首端用U1、V1、Wl表示,末端用U2、V2、W2表示,星、角联结如图2-18所示。

表2-3 Y系列三相异步电动机接线端标志 (4)电机的防护等级

电动机外壳防护等级的标定方法,是以字母“IP”和其后面的两位数字表示的。“IP”为国际防护的缩写。后面第一位数字代表第一种防护情势(防尘)的等级,共分0~6七个等级。第二个数字代表第二种防护形式(防水)的等级,共分0~8九个等级,数字越大,表示防护的能力越强。例如标志电动性能防护大于1mm固体物入内,同时能防溅水入内。

(四)异步电动机的主要系列简介

我国生产的异步电动机种类许多,现有老系列和新系列之分。老系列电机已不再生产,现有的将逐渐被新系列电机所代替。新系列电机契合国际电工协会(IEC)标准,拥有国际通用性,技巧、经济指标更高。

我国生产的异步电动机主要产品系列有: Y系列:是一般用途的小型笼型全关闭自冷式三相异步电动机。额定电压为380V,额定频率为50 Hz,功率范围为0.55―315 kw,同步转速为600~3000 r/min,外壳防护型式有IP44和IP23两种。该系列主要用于机床、通用机械、矿山机械和农业机械等。也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械,如小型起重机、运输机械等。

YR系列:为三相绕线转子异步电动机。用在电源容量小,不能用同容量笼型异步电动机起动的生产机械上。

YD系列:为变极多速三相异步电动机。

YQ系列:为高起动转矩异步电动机,用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。

YZ和YZR系列:为起重和冶金用三相异步电动机,YZ是笼型异步电动机,YZR是绕线转子异步电动机。

YB系列:为防爆式笼型异步电动机。

YCT系列:为电磁调速异步电动机,主要用于要求变速的机械上。

二、三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系,即n=f(Tem)。因为异步电动机的转速n与转差率s之间存在着一定的关系,所以异步电动机的机械特性通常也用Tem=f(s)的形式表示。

三相异步电动机机械特性的物理表白式,即电磁转矩的一般公式为

式中,CT为异步电动机的转矩常数;Φm为异步电动机的每极磁通;I2’为折算到定子侧的转子电流;cosφ2为转子电路的功率因数。该公式反映了Tem产生的物理实质,即电磁转矩由主磁通和转子电流的有功分量互相作用而产生。还可以写成参数抒发的形式上式表明,电磁转

矩与电源参数(U、f)、结构 参数(r、x、m、p)和运行参数(s)有关。在上式中,定子相数m1、磁极对数p、定子相电压U1、电源频率f1、定子每相绕组电阻r1和漏抗x1、折算到定子侧的转子电阻r2’和漏抗x2’等都是不随转差率S变化的常量。当电动机的转差率S(或转速n)变化时,可由该公式算出相应的电磁转矩Tem,因而可以作出图2-19所示的机械特性曲线。

当同步转速n1为正时,机械特性曲线跨第一、二、四象限。在第一象限时,0<n<nl,O<S<1,nl、Tem均为正值,电机处于电动机运行状态;在第二象限时,n>n1,S<0,n为正值,Tem为负值,电机处于发电机运行状态;在第四象限时,n<0,s>l,n为负值,Tem为正值,电机处于电磁制动运行状态。

(一)固有机械特性

三相异步电动机的固有机械持性是指电动机在额定电压和额定频率下,按划定的接线方法接线,定子和转子电路不过接电阻或电抗时的机械特性。当电机处于电动机运行状态时,其固有机械特性如图2-20所示。下面对固有机械特性上的几个特别点进行阐明。

1.起动点A

电动机接通电源开始起动瞬间,其工作点位于A点,此时,n=0,同时也需要具备洞察他人心理,s=1,Tem=Tst,定子电流I1=Ist=(4-7)IN(IN为额定电流)。此处电动机的转矩称为起动转矩Tst,在额定电压下,Tst是一个恒定值,Tst与TN之比称为起动转矩倍数,用Kst表示,即 Kst是表征笼型电动机性能的另一个重要参数,它反映了电动机起动能力的大小。显然,只有当起动转矩大于负载转矩,即Tst>TL时,电动机能力起动起来。一般笼型电动机的Kst=1.0~2.0,起重和冶金专用的笼型电动机Kst=2.8~4.0。

2.较大转矩B

B点是机械特性曲线中线性段(D-B)与非线性段(B-A)的分界点,此时,S=Sm,Tem=Tm。通常情形下,电动机在线性段上工作是稳定的,而在非线性段上工作是不稳定的,所以B点也是电动机稳定运行的临界点,临界转差率Sm也是由此而得名,堕胎。

较大电磁转矩对电动机来说具有重要意思。电动机运行时,若负载转矩短时突然增大,且大于较大电磁转矩,则电动机将因为承载不了而停转。为了保证电动机不会因短时过载而停转,一般电动机都具有一定的过载能力。显然,较大电磁转矩愈大,电动机短时过载能力愈强.因此把较大电磁转矩与额定转矩之比称为电动机的过载能力,用λT表示,即。 一般电动机的过载能力λT=1.6~2.2,起重、冶金机械专用电动机λT=2.2~2.8。

3.额定运行点C

电动机额定运行时,工作点位于C点,此时:n=nN,S=SN,Tem=TN,I1=IN。额定运行时转差率很小,一般SN=0。01~0。06,所以电动机的额定转速nN略小于同步转速n1,这也说明了固有特性的线性段为硬特性。

4.同步转速点D

D点是电动机的理想空载点,即转子转速达到了同步转速。此时,n=nl,s=0,Tem=0,转子电流I2=0,显然,如果没有外界转矩的作用,异步电动机本身不可能达到同步转速点。

(二)人为机械特性

三相异步电动机的人为机械特性是指人为地改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性,可以改变的电源参数有:电压U1和频率f1;可以改变的电动机参数有:极对数p、定子电路参数rl和x1、转子电路参数r2’和x2’等。

1.降低定子电压时的人为特性

由前面的剖析可知,当定子电压U1降低时,Tem(包含Tst和Tmax)与U12成正比减小,Sm和n1与U1无关而坚持不变,所以可得U1降落后的人为机械特性如图2-21所示。电压降低过多,可能呈现较大转矩小于负载转矩,这时电动机将停转。长期欠压过载运行,必然使电动机过热,电动机的使用寿命缩短。 由图2-21可见,降低电压后的人为机械特性,其线性段的斜率变大,即特性变软。Tst和Tm均按U12关联减小,即电动机的起动转矩倍数和过载才能均明显下降。如果电动机在额外负载下运行,U1降低后将导致n下降,s增大,转子电流将因转子电动势E2s=sE2的增大而增大,从而引起定子电流增大,导致电动机过载。长期欠压过载运行,必定使电动机过热,电动机的使用寿命缩短。另外电压下降过多,可能涌现较大转矩小于负载转矩,这时电动机将停转,堕胎。

2.转子电路串接对称电阻时的人为机械特性

在绕线转子异步电动机的转子三相电路中,可以串接三相对称电阻Rs,如图2-22所示。由前面的分析可知,此时n1、Tm不变,而Sm则随外接电阻Rs的增大而增大。其人为机械特性如图2-22(b)所示。

由图2-22(b)可见,在必定范畴内增添转子电阻,可以增大电动机的起动转矩。当所串接的电阻(如图中的Rs)使其Sm=1时,对应的起动转矩将达到较大转矩,如假如再增大转子电阻,起动转矩反而会减小。另外,转子串接对称电阻后,其机械特性曲线线性段的斜率增大,特性变软。转子电路串接对称电阻实用于绕线转子异步电动机的起动、制动跟调速。

3.定子电路串接对称电抗或电阻时的人为机械特性

在笼型异步电动机的定子三相电路内串接三相对称电抗Xst,如图2-23(a)所示,由前面的分析可知,此时n1不变,Tm、Tst和Sm均随Xst的增大而减小,其人为机械特性如图2-23(b)所示。定子电路串接对称电抗普通用于笼型异步电动机的降压起动,以限制电动机的起动电流。

定子电路串接三绝对称电阻时的电路图和人为特性与上述串接电抗时类似。串接电阻的目标同样是为了限度起动电流,但因为电阻上要发生能量损耗,个别不宜采取。

图2-22 绕线转子异步电动机转子电路串接对称电阻

图2-23 异步电动机定子串接对称电抗器

三、三相异步电动机的起动

电动机的起动是指电动机接通电源后,由静止状态加速到稳定运行状态的过程。对异步电动机起动性能的要求,主要有以下两点。

(1)起动电流要小,以减小对电网的冲击;

(2)起动转矩要大,以加速起动过程,缩短起动时间。

(一)三相笼型异步电动机的起动

笼型异步电功机的起动方法有两种:直接起动和降压起动 下面分辨进行先容。

1.直接起动

直接起动也称全压起动,起动时,电动机定子绕组直接接人额定电压的电网上。这是一种较简单的起能源法,不须要庞杂的起动设备,然而,笼型异步电动机直接起动时,起动电流大,而起动转矩不大,这样的起动机能是不幻想的。过大的起动电流对电网电压的波动及电动机本身均会带来不利影响,因此,直接起动正常只在小容量电动机中使用,如7.5kW以下的电动机可采用直接起动。如果电网容量很大,就可容许容量较大的电动机直接起动。若电动机的起动电流倍数ki、容量与电网容量满意教训公式 ,则电动机便可直接起动,否则应采用下面介绍的降压起动方法。

2.降压起动

降压起动的目的是限制起动电流。起动时,通过起动设备使加到电动机上的电压小于额定电压,待电动机转速上升到一定数值时,再使电动机蒙受额定电压,保证电动机在额定电压下稳定工作。下面介绍几种常见的降压起动方法。

(1)电阻(或电抗)降压起动 电阻(或电抗)降压起动,就是起动时在笼型电动机定子三相绕组上串接对称电阻(或电抗),如图2-24所示。起动时,先将转换开关S2投向“起动”侧,而后合上主开关S1进行起动,此时较大的起动电流在起动电阻(或电抗)上产生了较大的电压降,从而降低了加到定子绕组上的电压,起到了制约起动电流的作用。当转速升高到―定数值时,把S2切换到“运行”侧,切除起动电阻(或电抗),电动机在全压下进入稳定运行。

电阻降压起动时耗能较大,一般只在较小容量电动机上采用,容量较大的电动机多采用电抗降压起动。另外,采用电阻(或电抗)降压起动时,若电压下降到额定电压的1/a倍,则起动电流也下降到直接起动电流的1/a倍,但起动转矩却下降到直接起动转矩的1/a2倍。这表明,降压起动固然减小了起动电流,但同时起动转矩也大为减小。因此电阻(或电抗)降压起动方法只适用电动机轻载起动。

(2)Y-△降压起动 Y-△降压起动,即星形-三角形降压起动,只适用于正常运行时定子绕组为三角形联结的电动机。起动接线原理图如图2-25所示。起动时先将开关S2投向“起动”侧,将定子绕组接成星形(Y接),然后合上开关S1进行起动。此时,定子每相绕组电压为额定电压的1/ ,从而实现了降压起动。待转速上升至一定数值时,将S2投向“运行”侧,恢复定子绕组为三角形(△)联结,使电动机在全压下运行。

Y-△降压起动操作方便,起动设备简单,应用较为广泛,但它仅适用于正常运行时定子绕组作三角形联结的电动机,因此一般用处的小型异步电动机,当容量大于4kW时,定子绕组都采用三角形联结。由于起动转矩为直接起动时的1/3,这种起动方法多用于空载或轻载起动。

(3)自耦变压器降压起动

这种起动方法是通过自耦变压器把电压降低后再加到电动机定子绕组上,以达到减小起动电流的目的,其接线原理图如图2-26所示。起动时.把开关S2投向“起动”侧,并合上开关S1,这时自耦变压器一次绕组加全电压.而电动机定子电压为自耦变压器二次抽头部分的电压,电动机在低压下起动。待转速上升至一定数值时,再把开关路切换到“运行”侧,切除自耦变压器,电动机在全压下运行。 自耦变压器降压起动适用于容量较大的低压电动机,这种方法可获得较大的起动转矩,而且自耦变压器二次侧一般有二个抽头,可以根据需要选用,故这种起动方法在10 kW以上的三相异步电动机中得到了广泛应用。起动用自耦变压器有QJ2和QJ3两个系列。QJ2型的二个抽头比(即1/k)分别为55%、64%和73%;QJ3型为40%、60%和80%。

(二)三相绕线转子异步电动机的起动

三相笼型异步电动机直接起动时,起动电流大,起动转矩个人;降压起动时,虽然减小了起动电流,但起动转矩也随电压的平方关系减小,因此笼型异步电动机只能用于空载或轻载起动。

绕线转子异步电动机,若转子回路串入适当的电阻,既能限制起动电流,又能增大起动转短,同时克服了笼型异步电动机起动电流大、起动转矩不大的缺点,这种起动方法适用于大中容量异步电动机重载起动。绕线转子异步电动机的起动分为转子串电阻及转子串频敏变阻器两种起动方法。

1.转子串电阻起动

为了在整个起动过程中得到较大的加速转矩,并使起动过程比较平滑,应在转子回路中串入多级对称电阻。起动时,随着转速的升高,逐段切除起动电阻,这与直流电动机电枢串电阻起动相似,称为电阻分级起动。图2-27为三相绕线转子异步电动机转子串接对称电阻分级起动的接线图和对应的二级起动时的机械特性。

图2-27 三相绕线式异步电动机转子串电阻分级起动

2.转子串接频敏变阻器起动

绕线转子异步电动机采用转子串接电阻起动时,若想在起动过程中保持有较大的起动转矩且起动平稳,则必须采用较多的起动级数,这必然导致起动设备复杂化。为了克服这个问题,可以采用频敏变阻器起动。频敏变阻器是一个铁损耗很大的三相电抗器,从结构上看,它似乎一个没有二次绕组的三相心式变压器,它的铁心是用较厚的钢板叠成。三个绕组分别绕在三个铁心柱上并作星形联结,然后接到转子滑环上,如图2-27(a)所示。图2-27(b)为频敏变阻器每相的等效电路,其中r1为频敏电阻器绕组的电阻,xm为带铁心绕组的电抗,rm为反映铁损耗的等效电阻。因为频敏变阻器的铁心用厚钢板制成,所以铁损耗较大,对应的rm也较大。

用频敏变阻器起动的进程如下:起动时[见图2-28(a)]触点S2断开,转子串入频敏变阻器,当触点S1闭合时,电动机接通电源开端起动。起动霎时,n=O,s=1,转子电流频率f2=sf1=f1(较大),频敏变阻器的铁心中与频率平方成正比的涡流损耗较大,即铁损耗大,反应铁损耗大小的等效电阻rm大,此时相称于转子回路中串入一个较大的电阻。起动过程中,跟着n回升,s减小,f2=sf1逐渐减小,频敏变阻器的铁损耗逐步减小,rm也随之减小,这相称于在起动过程中逐渐切除转子回路串入的电阻。起动停止后,触点S2闭合,切除频敏变阻器,转子电路直接短路。

图2-28 三相绕线式异步电动机转子串频敏变阻器起动

由于频敏变阻器的等效电阻rm是随频率f的变化而自动变化的,因此称为“频敏”变阻器,它相当于一种无触点的变阻器。在起动过程中,它能主动、无级地减小电阻,可以对中置、后置作进一步的效果设置,如果参数选择恰当,可以在起动过程中保持转矩近似不变,使起动过程平稳、疾速。这时电动机的机械特性如图2-28(c)曲线2所示。曲线1是电动机的固有机械特性。

频敏变阻器的结构简单,运行牢靠,使用保护便利,因此使用广泛。

四、三相异步电动机的制动

异步电动机堵截电源后,由于惯性,不能立即停机。如果生产机械设备要求精确迅速停机,需要对电动机进行逼迫制动。制动方法有电磁抱闸和利用电动机本身反向电磁转矩来制动两种,下面只介绍利用电动机本身电磁转矩制动方法。

异步电动机制动的目的是使电力拖动系统快捷停车或者使拖动系统尽快减速,对于位能性负载,制动运行可获得稳定的下降速度。

异步电动机制动的方法有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。

(一)能耗制动

异步电动机的能耗制动接线图如图2-29(a)所示。制动时,接触器触点S1断开,电动机脱离电网,同时触点S2闭合,在定子绕组中通入直流电流(称为直流励磁电流),于是定子绕组便产生一个恒定的磁场。转子因惯性而持续旋转并切割该恒定磁场,转子导体中便产生感应电动势及感应电流。由图2-29(b)可以断定,转子感应电流与恒定磁场作用产生的电磁转矩为制动转矩,因此转速迅速下降,当转速下降至零时,转子感应电动势和感应电流均为零,制动过程结束。制动期间,转子的动能改变为电能消费在转子回路的电阻上,故称为能耗制动。

能耗制动普遍利用于要求安稳正确泊车的场合,也可运用于起重机一类带位能性负载的机械上,用来限制重物下降的速度,使重物保持匀速下降。

图2-29 三相异步电动机的能耗制动

(二)反接制动

当异步电动机转子的旋转方向与定子磁场的旋转方向相反时,电动机便处于反接制动状态。它有两种情况,一是在电动状态下忽然将电源两相反接,使定子旋转磁场的方向由原来的顺转子转向改为逆转子转向,这种情况下的制动称为定子两相反接的反接制动;二是保持定子磁场的转向不变,而转子在位能负载作用下进入倒拉反转,这种情况下的制动称为倒拉反转的反接制动。

1.电源两相反接的反接制动

设电动机处于电动状态运行,其工作点为固有特性曲线上的A点,如图2-29(b)所示。当把定子两相绕组出线端对调时[图2-30(a)],由于改变了定子电压的相序,所以定子旋转磁场方向改变了,由原来的逆时针方向变为顺时针方向,电磁转矩方向也随之改变,变为制动性质,其机械特性曲线变为图2-30(b)中曲线2。

图2-30 异步电动机定子两相反接的反接制动

在定子两相反接瞬间,转速来不及变化,工作点由A点平移到B点,这时系统在制动的电磁转矩和负载转矩独特作用下敏捷减速,工作点沿曲线2移动,当到达C点时,转速为零,制动结束。

2.倒拉反转的反接制动

这种反接制动适用于绕线转子异步电动机拖动位能性负载的情况,它可以使重物获得稳定的下放速度。现以起重机为例来说明。

图2-30是绕线转子异步电动机倒拉反转反接制动时的原理图及其机械特性。设电动机本来工作在固有特性曲线上的A点晋升重物,当在转子回路串入电阻Rb时,其机械特性变为曲线2。串入Rb瞬间,转速来不迭变化,工作点由A平移到B点,此时电动机的提升转矩Tb小于位能负载转矩TL,所以提升速度减小,工作点沿曲线2由B点向C点挪动。在减速过程中,电机仍运行在电动状态。当工作台达到C点时,转速降至零,对应的电磁转矩Tc仍小于负载转矩TL,重物将倒拉电动机的转子反向旋转,并加速到D点,这时TD=TL,拖动系统将以转速nv稳定下放重物。在D点,Tem=TD>0,n=-nD<0,负载转矩成为拖动转矩,拉着电动机反转,而电磁转矩起制动作用。如图2-31(a)所示,故把这种制动称为倒拉反转的反接制动。

由图2-31(b)可见,要实现倒拉反转反接制动,转子回路必须串接足够大的电阻,使工作点位于第四象限。这种制动方式的目的主要是限制重物的下放速度。

图2-31 异步电动机倒拉反转的反接制动

(三)回馈制动

若异步电动机在电动状况运行时,因为某种起因,使电动机的转速超过了同步转速(转向变),这时电动机便处于回馈制动状态。

在生产实际中,异步电动机的回馈制动有以下两种情况:一种是出当初位能负载下放时;另一种是出现在电动机变极调速或变频调速过程中。 五、三相异步电动机的调速

在电力拖动调速系统中,特别是在宽调速和倏地可逆拖动系统中,多采用直流电动机拖动,其原因是直流电动机具有良好的调速性能。但是,直流电动机存在价格高、维护艰苦、需要专门的直流电源等一系列缺点。比拟之下,交流电动机具有价格低、远行可靠、维护方便等一系列优点,因此在各个应用范畴都盼望尽可能采用交流电动机拖动,堕胎。近年来,由于电力电子技术和计算机技术的发展,使得交流调速技术日益成熟,交流调速装置的容量不断扩展,性能不断进步,使得交流调速已显示出逐步取代直流调速的趋势。

根据异步电动机的转速公式

可知,异步电动机有下列三种根本调速方法:

(1)改变定子极对数p调速;

(2)改变电源频率f1调速;

(3)改变转差率s调速。

其中改变转差率s调速,包括绕线转子电动机的转子串接电阻调速、变级调速及定子调压调速。

(一)变极调速

在电源频率不变的前提下,改变电动机的极对数p,电动机的同步转速n1就会变化,极对数增加一倍,同步转速就降低一半,电动机的转速也简直下降一半,从而实现转速的调节。

要改变电动机的极数,当然可以在定子铁心槽内嵌放两套不同极数的三相绕组,从制造的角度看,这种方法很不经济。通常是利用改变定子绕组接法来改变极数,这种电机称为多速电机。由电机学原理可知,只有定子和转子具有雷同的极数时,电动机才具有恒定的电磁转矩,才能实现机电能量的转换。因此,在改变定子极数的同时,必须改变转子的极数,因笼型电动机的转子极数能自动地追随定子极数的变化,所以变极调速只用于笼型电动机。

图2-32示出了三种常用的变极接线方式的原理图,其中图(a)表示由单星形联结改接成并联的双星形联结;图(b)表示由单星形联结改接成反向串联的单星形联结;图(c)表示由三角形联结改接成双星形联结。由图可见,这三种接线方式都是使每相的一半绕组内的电流改变了方向,因此定子磁场的极对数减少一半。

图2-32 双速电动机常用的变极接线方式

必须指出,当改变定子绕组接线时,必须同时改变定子绕组的相序(对调任意两相绕组出线端),以保证调速前后电动机的转向不变。这是因为在电机定子圆周上,电角度=p×机械角度,当p=1时,U、V、W三相绕组在空间散布的电角度顺次为0°、120°、240°。而当p=2时,第七章 娃娃 - 博文预览,U、V、W三相绕组在空间分布的电角度变为0°、120°×2=240°、240°×2=480°(即120°)。可见,变极前后三相绕组的相序发生了变化,因此变极后只有对调定子的两相绕组出线端,才能保证电动机的转向不变。

(二)变频调速

1.电压随频率调节的规律

根据转速公式可知,当转差率S变化不大时,异步电动机的转速n基本上与电源频率f1成正比。连续调节电源频率,就可以平滑地改变电动机的转速。但是,单一地调节电源频率,将导致电动机运行性能的恶化,其原因可分析如下:

电动机畸形运行时,定子漏阻抗压降很小,可以以为

若端电压U1不变,则当频率f1减小时,主磁通Φm将增加,这将导致磁路过火饱和,励磁电流增大,功率因数降低,铁心损耗增大;而当f1增大时,Φm将减少,电磁转矩及较大转矩下降,过载能力降低,电动机的容量也得不到充分利用。因此,为了使电动机能保持较好的运行性能,要求在调节f1的同时,改变定子电压U1,以保持Φm不变,或者保持电动机的过载能力不变。U1随f1按什么样规律变化较为合适呢?一般认为,在任何类型负载下变频调速时,若能保持电动机的过载能力不变,则电动机的运行性能较为理想。电动机的过载能力为

为了保持变频前后过载能力不变,要求下式成破:



上式表现变频调速时,Ul随f1的变化规律,此时电动机的过载能力λT将保持不变。式中加的表示变频后的量。变频调速时,U1与f1的调节法则是和负载性质有关的,通常分为恒转矩变频调速和恒功率变濒调速两种情况。

(1)恒转矩变频调速

对恒转矩负载,TN=TN’,于是有U1/f1=U1’/f1’=常数,就是说,在恒转矩负载下,若能保持电压与频率成正比调节,则电动机在调速过程中,既保障了过载能力λT不变,同时又知足主磁通Φm不变的要求,这也解释变频调速特殊适用于恒转矩负载。

(2)恒功率变濒调速

对于恒功率负载,要求在变频调速时电动机的输出功率保持不变,即

所以,

则在恒功率负载下,如能保持 的调节,则电动机的过载能力λT不变,但主磁通Φm将产生变化。

2.变频调速时电动机的机械特性

变频调速时电动机的机械特性可用以下公式来分析。

较大转矩

起动转矩

临界点转速降

以电动机的额定频率f1为基准频率,简称基频,在生产实践中,变频调速时电压随频率的调节规律是以基频为分界限的,于是分以下两种情况: (1)在基频以下调速时,保持Ul/f1=常数调节,即恒转矩调速。由公式可知,当f1减小时,较大转矩Tm不变,起动转矩Tst增大,临界点转速降△nm不变。因此,机械特性随频率的降低而向下平移,如图2-32中虚线所示。实际上,由于定子电阻r1的存在,随着f1的降低,Tm将减小,当f1很低时,Tm减小很多,如图2-33中实线所示。为保证电动机在低速时有足够大的Tm值,Ul应比f1降低的比例小一些,使U1/f1的值随f1的降低而增加,如图2-34中直线2,这样才能获得图2-34中虚线所示的机械特性。

(2)在基频以上调速时,频率从f1N往上增高,但电压Ul却不能增加得比额定电压U1N还大,较多只能保持U1=U1N。由公式可知,这将迫使磁通与频率成反比降低,Tm和Tst均随频率f1的增高而减小,△nm保持不变,其机械特性如图2-33所示,这近似为恒功率调速,相当于直流电动机弱磁调速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况合起来,可以得到图2-34所示的异步电动机变频调速节制特性,图中曲线1为不带定子电压补偿时的掌握特性,曲线2为带电压补偿时的控制特性。如果电动机在不同转速下都具有额定电流,则电动机都能在温升许可条件下长期运行,这时转矩基本上随磁通变化,即在基频以下属于恒转矩调速,而在基频以上属于恒功率调速。

1――不带定子电压补偿

2――带定子电压弥补

3.变频装置简介

要实现异步电动机的变频调速,必须有可能同时改变电压和频率的供电电源。现有的交换供电电源都是恒压恒频的,所以必需通过变频装置才干失掉变压变频电源。变频装置可分为间接变频和直接变频两类。间接变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流,然后再经由逆变器将直流变成为可控频率的交流,通常称为交―直一交变频装置。直接变频装置则将工频交流一次变换成可控频率的交流,不旁边直流环节,也称为交―交变频装置。目前应用较多的仍是间接变频装置。

(1)间接变频装置(交―直―交变频装置)

图2-35绘出了间接变频装置的主要构成环节。依照不同的把持方式,它又可分为图2-36中的(a)、(b)、(c)三种。 图2-36 间接变频装置

图2-36(a)是用可控整流器变压,用逆变器变频的交―直―交变频装置。调压和调频分离在两个环节长进行,两者要在控制电路上和谐配合。这种装置结构简单、控制方便,但是,由于输入环节采用可控整流器,当电压和频率调得较低时,电网真个功率因数较低;输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器(每周换流六次),输出的谐波较大。这是此类变频装置的主要缺点。

图2-36(b)是用不控整流器整流,斩波器变压、逆变器变频的交―直―交变频装置。整流器采用二极管不控整流器,增设斩波器进行脉宽调压。这样虽然多了一个环节,但输入功率因数高,克服了图2-36(a)的第一个缺点。输出逆变环节不变,仍有谐波较大的问题。

图2-36(c)是用不控整流器整流、脉宽调制(PWM)逆变器同时变压变频的交―直―交变频装置。用不控整流,则输入端功率因数高;用PWM逆变,则谐波可以减少。这样可以克服图2-37(a)装置的两个缺点。

2.直接变频装置(交―交变频装置)

直接变频装置的结构示于图2-38,它只用一个变换环节就可以把恒压恒频的交流电源变换成变压变频电源。这种变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路(图2-39)。正、反两组按一定周期彼此切换,在负载上就获得交变的输出电压u。。u。的幅值决定于各组整流装置的控制角,u。的频率决定于两组整流装置的切换频率。当整流器的控制角和这两组整流装置的切换频率不断变化时,即可得到变压变频的交流电源。

图2-37 间接变频装置的各种结构形式

图2-38 直接变频装置 图2-39 交-交变频装置一相电路

(三)变转差率调速

异步电动机的变转差率调速包括绕线转子异步电动机的转子串接电阻调速、串级调速及异步电动机的定子调压调速等。

1.绕线转子电动机的转子串接电阻调速

绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性如图2-40所示。

从机械特性上看,转子串入附加电阻时,n1、Tm不变,但Sm增大,特性斜率增大。当负载转矩一定时,工作点的转差率随转子串联电阻的增大而增大,电动机的转速随转子串联电阻的增大而减小。

这种调速方式的长处是:装备简略、易于实现。毛病是:调速是有级的,不平滑;低速时转差率较大,造成转子铜损耗增大,运行效力下降,机械特征变软,当负载转矩稳定时将引起较大的转速变更,所以低速时静差率较大。

这种调速方法多应用在起重机一类对调速性能要求不高的恒转矩负载上。

2.绕线转子电动机的串级调速 在负载转矩不变的条件下,异步电动机的电磁功率Pem=TemΩ1=常数,转子铜损耗尸Pcu2=sPem与转差率成正比,所以转子铜损耗又称为转差功率。转子串接电阻调速时,转速调得越低,转差功率越大、输出功率越小、效率就越低,所以转子串接电阻调速很不经济。

如果在转子回路中不串接电阻,而是串接一个与转子电动势E2s同频率的附加电动势Ead(图2-41),通过转变Ead幅值大小和相位,同样也可实现调速。这样,电动机在低速运行时,转子中的转差率只有小部分被转子绕组自身电阻所耗费,而其余大部分被附加电动势Ead所接收,应用产生Ead的安装可以把这部分转差功率回馈到电网,使电动机在低速运行时仍具备较高的效率。这种在绕线转子异步电动机转子回路串接附加电动势的调速办法称为串级调速。 串级调速完整战胜了转子串电组调速的缺陷,它存在高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点。

串级调速的调速性能比拟好,但取得附加电动势Ead的装置比较复杂,本钱较高,且在低速时电动机的过载能力较低,因此串级调速较适用于调速范围不太大(―般为2~4)的场所。

3.调压调速

改变异步电动机定子电压时的机械特性如图2-41。当定子电压降低时,电动机的同步转速nl和临界转差率Sm均不变,但电动机的较大电磁转矩和起动转矩均随着电压平方关系减小。对于通风机负载(图2-41中特性1),电动机在全段机械特性上都能稳定运行,在不同电压下的稳定工作点分别为al,bl、cl,所以,改变定子电压可以获得较低的稳定运行速度。对于恒转矩负载(图2-42中特性2),电动机只能在机械特性的线性段(0<S<Sm)稳定运行,在不同电压时的稳定工作点分别为a2、b2、c2,显然电动机的调速范围很窄。 异步电动机的调压调速通常应用在专门设计的具有较大转子电阻的高转差率异步电动机上,这种电动机的机械特性如图2-43所示。由图可见,即便恒转矩负载,改变电压也能获得较宽的调速范围。但是,这种电动机在低速时的机械特性太软,其静差率和运行稳定性往往不能满足生产工艺的要求。因此,古代的调压调速系统通常采用速度反馈的闭环控制,以提高低速机会械特性的硬度,从而在满足一定的静差率条件下,获得较宽的调速范围,同时保证电动机具有一定的过载能力。

调压调速既非恒转矩调速,也非恒功率调速,它较适用于转矩随转速降低而减小的负载(如透风机负载),也可用于恒转矩负载,较不适用于恒功率负载。

六、三相异步电动机的选择及使用

在设计启闭机电力拖动体系时,电动机的挑选是一项主要的内容。电动机的抉择主要是指电动机的额定功率、额定电压、额定转速、品种及型式等名目的取舍。

选择电动机的准则,一是要满意生产机械负载的要求,二是从经济上看应当是较公道的,因此,电动机额定功率的选择是十分重要的。如果功率选得过大.电动机的容量得不到充足利用,电动机常常处于轻载运行,效率过低,运行用度就高;反之,如果功率选得过小,电动机将过载运行.长期过载运行,电动机的寿命将缩短,因此,电动机功率选格过大或过小都是不经济的。

额定功率的选择,要依据电动机的发热、过载能力和起动能力三方面来斟酌,其中以发烧问题较为重要。

(一)电动机的发热和冷却

电动机负载运行时,因产生损耗而发热。由于电动机内部热量的一直产生,电动机本身的温度就要升高,终极将超过周围环境的温度,电动机温度比环境温度高出的数值,称为电动机的温升。一旦有了温升,电动机就要向四周散热,温升越高,散热越快,当电动机在单位时间内产生的热量即是散出去的热量时,电动机的温度将不再增长,而保持着一个稳定不变的温升值,称为稳定温升,此时电动机处于发热与散热的动均衡状态。

电动机运行时,由于损耗产生热量,使电动机的温度升高。电动机允许达到的较高温度是由电动机使用绝缘材料的耐热程度决议的,绝缘材料的耐热水平称为绝缘等级。不同的绝缘资料,其较高容许温度是不同的,电动机中常用的绝缘材料分为五个等级,如表2-4所示,其中的较高答应温升值是按环境温度为40℃计算出来的。

目前我国生产的电机多采用E级和B级绝缘,发展趋势是采用F级和H级绝缘,这样可以在一定的输出功率下,减轻电机的分量、缩小电机的体积。

表2-4 绝缘材料

电机的使用寿命主要是由它的绝缘材料决定的,当电机的工作温度不超过其绝缘材料的较高允许温度时,绝缘材料的使用寿命可达20年左右,若超过较高允许温度,则绝缘材料的使用寿命将大大缩短,―般是每超过摄氏8℃,寿命减少一半。

(二)电动机的工作制分类

电动机工作时,其温升的高下不仅与负载的大小有关,而且还与负载的持续时间有关。统一台电动机,如果工作时间的是非不同,则它的温升也不同,或名说,它能够承当负载功率的大小也不同。为了适应不同负载的需要.按负载持续时间的不同,国度标准把电动机分成了三种工作方式或三种工作制,细分为八类,用S1、S2、……S8来表示。

持续工作制的电念头,其工作时光可达几小时或多少十小时,其温升能够到达稳固值,所以也称为长期工作制。

短时工作制的电动机,其工作时间很短,在工作时间内,温升达不到稳定值。但它的停机时间却很长,停机时电动机的温度足以降至周围环境的温度,即温升降至零。我国短时工作制电动机的标准工作时间有15、30、60、90 min四种。

电动机按一系列相同的工作周期运行,在一个周期内,有工作时间,也有停歇时间,工作时温升达不到稳定值,停歇时温升也降不到零。按国家标准规定,每个工作周期少于10分钟,所以这种工作制也称为反复短时工作制。

根据―个周期内电动机运行状态的不同,断续周期工作制可分为六类(详见国家标准GB755―81):

(1)断续周期工作制(S3);

(2)包括起动的断续周期工作制(S4);

(3)包括电制动的断续周期工作制(S5);

(4)连续周期工作制(S6);

(5)包括电制动的连续周期工作制(S7);

(6)包括负载与转速相应变化的连续周期工作制(S8)。

断续周期工作制的电动机,其温升经过若干个周期后,将在某一范围内高低波动。属于此类工作制的生产机械有起重机、电梯和某些自动机床的工作机构等。

在断续周期工作制中,工作时间与周期之比称为负载持续率,也称暂载率,用FC%表示。

我国规定的标准负载持续率有15%、25%、40%、60%等四种。断续周期工作制电动机因起动频繁,要求过载能力强、飞轮矩小、机械强度好,所以需要专门没计。

(三)电动机容量的选择方法

只介绍短时工作制电动机容量的选择。

1.直接选用短时工作制的电动机

我国电机制作行业专门设计制造一种专供短时工作制应用的电动机,其工作时间分为15、30、60、90min四种,每一种又有不同的功率和转速。因而可以按出产机械的功率、工作时间及转速的请求,由产品目录中直接选用不同规格的电动机。

如果短时负载是变动的,也可采用等效法选择电动机,此时等效电流为

式中,I1和t1为起动电流和起动时间;In、tn为制动电流和制动时间;t0为停转时间;α、β为考虑对白扇冷电动机在起动、制动和停转期间因散热条件变坏而采用的系数,对于直流电动机,α=0.75,β=0.5;对于异步电动机,α=0.5,β=0.25。

采用等效法时,也必须留神对选用的电动机进行过载能力的校核。

2.选用断续周期工作制的电动机

在没有合适的短时工作制的电动机时,也可采用断续周期工作制的电动机来取代。短时工作制电动机的工作时间tw与断续周期工作制电动机的负载持续率FC%之间的对应关系,如表2-5所示。

表2-5 tw与FC%的对应关系

3.断续周期工作制电动机容量的选择

可以根据生产机械的负载持续率、功率及转速,从产品目录中直接选择合适的断续周期工作制的电动机。但是,国家标准规定该种电动机的负载持续率FC%只有四种,因此经常会出现生产机械的负载持续率FCx%与标准负载持续串FC%相差较大的情况,在这种情况下,应该把实际负载功率Px按下式换算成与相邻的标淮负载持续率FC%下的功率P

根据上式中的尺度负载连续率FC%和功率P即可选择适合的电动机,当FCx%<10%时,可按短时工作制选择电动机,当FCx%>70%时,可按连续工作制选择电动机。

4.统计法和类比法

前面介绍了选择电动机功率的基本原理和方法,它对各种生产机械广泛适用。但是这种方法在实用中会碰到一些难题,一是它的计算比较复杂;二是电动机和生产机械的负载图难以准确地绘制。为此,人们在工程实践中总结出了一些常见生产机械选择电动机容量的适用法,即统计法和类比法。

统计法就是对各种生产机械的拖动电动机进行统计分析,找出电动机容量与生产机械主要参数之间的关系,用经验公式作为选择电动机容量的主要根据。

所谓的类比法,就是通过对长期运行考验的同类生产机械所采用的电动机容量进行考察,然后对生产机械的主要参数和工作条件进行类比,从而可断定新的生产机械拖动电动机的容量。

(四)电动机种类、型式、电压、转速的选择

卷扬式、螺杆式、链式、门式、桥式、台车式启闭机等一般采用起重冶金用异步电动机YZ型起重电机YZR型起重电机,也可采用起重冶金用直流电动机以及合乎启闭机要求的其余类型电动机。液压启闭机一般采用不要求调速的异步电动机。

起重电机的额定功率应按机构盘算的静功率和起重电机的工作方式、负载持续率或负载持续时间进行选择。在设计极限要求的情况下,电动机的较鼎力矩或堵转力矩应保证机构启动的需要在设计额定工况下电动机各部件的温升不超过规定温升。
 
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