电机及拖动基础_曾晓泉欧阳慧平主编.pdf

书书书二十一世纪高校规划教材电机及拖动基础曾晓泉欧阳慧平主编江西高校出版社书书书图书在版编目(C I P)数据电机及拖动基础/曾晓泉，欧阳慧平主编 南昌:江西高校出版社，2011 6二十一世纪高校规划教材ISBN 978 7 5493 0290 1.电 .曾 欧 .电机高等学校教材电力传动高等学校教材.TM3TM921中国版本图书馆 CIP 数据核字(2011)第 123285 号出 版 发 行社址邮 政 编 码总编室电话销 售 电 话网址印刷照排经销开本印张字数版次印数书号定价江西高校出版社江西省南昌市洪都北大道 96 号330046(0791)8504319(0791)8511423www juacp com北京市德美印刷厂江西太元科技有限公司照排部各地新华书店787mm 1092mm1/1610 75260 千字2011 年 6 月第 1 版第 1 次印刷1 3000 册ISBN 978 7 5493 0290 120 00 元赣版权登字 07 2011 130版权所有侵权必究书书书前言根据高等职业教育要“淡化理论，够用为度，培养技能，重在应用”的原则，以及高职高专培养生产一线高技能人才及职业培训的要求，我们组织几位长期工作在职业教育一线的教师，按照项目式教学的要求编写了这本书。全书按照“学中做”、“做中学”的教学理念组织教学内容，通过实践加深学生对理论知识的理解与掌握。全书共分 6 个项目 18 个任务，内容包括异步电动机、控制电机、变压器、常用低压电器、电气控制线路基础、传感器技术及应用等。每个项目包括若干个任务，每个任务包含任务目标、任务描述、任务步骤、任务拓展等部分，并附有思考与练习。本书由江西机电职业技术学院的曾晓泉、江西工业工程职业技术学院欧阳慧平担任主编;江西机电职业技术学院的邓云霄、九江职业技术学院陈静、山西工业职业技术学院的张磊任副主编;参加编写的人员还包括:江西机电职业技术学院的陈国璋、六盘水职业技术学院的李月忠、新疆工学院的满苏尔江。全书由江西机电职业技术学院曾晓泉统稿、李旺达教授审读。在编写本书的过程中，得到了江西机电职业技术学院电气工程系同仁的大力支持与帮助，在此表示真诚感谢。在编写本书的过程中，作者参考了多位同行的编著和文献，在此表示由衷感谢。由于编者水平有限，时间仓促，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。编者书书书目录项目一异步电动机1任务一三相异步电动机基本特性的测试与应用1任务二三相异步电动机启动的测试与应用12任务三三相异电动机制动方式的测试与应用20任务四三相异步电动机调速的测试与应用27任务五单相异步电动机的测试与应用33项目二控制电机43任务控制电机的控制和应用43项目三变压器59任务变压器的测试与应用59项目四常用低压电器76任务一接触器的测试与应用76任务二继电器的测试与应用83任务三开关电器的测试与应用92任务四熔断器的测试与应用97任务五主令电器的测试与应用100项目五电气控制线路基础104任务一三相异步电动机启动控制线路的设计与应用104任务二三相异步电动机制动控制线路的设计与应用110任务三三相异步电动机调速控制线路的设计与应用116任务四典型机电设备控制线路的设计与应用125项目六传感器技术及应用139任务一常用传感器技术的测试与应用139任务二传感器技术的综合应用160参考文献168书书书项目一异步电动机任务一三相异步电动机基本特性的测试与应用一、任务目标掌握三相异步电动机的基本工作原理、电磁关系、基本方程式、工作特性，了解三相异步电动机的基本结构、三相交流绕组的旋转磁场和旋转磁动势、三相异步电动机绝缘电阻和定子绕组的直流电阻的测量、定子绕组首尾端的判别及三相异步电动机常见故障的排除。二、任务描述异步电动机的优点在于结构简单，制造方便，运行可靠，价格低廉，运行效率高，工作特性好，拖动的负载从空载到满载运行时速度变化较小。但它的启动性能和调速性能不如直流电动机。另外，异步电动机工作时是吸取电网能量建立旋转磁场的，这种能是感性无功功率，因此使电网的功率因数减低。不过随着电子技术及交流变频调速系统的发展，调速性能、启动性能等均已得到了较大的提高。1.三相异步电动机的基本结构图 1 1三相异步电动机的分解图三相异步电动机的种类很多，若按转子绕组结构分类有:笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两类。笼型转子结构简单、制造方便、成本低、运行可靠;绕线转子可通过外串电阻来改善启动性能并能进行调速。若按机壳的防护形式分类有:防护式、开启式、封闭式等。各类三相异步电动机的基本结构是相同的。它们都是由定子和转子两大基本部分组成，转子装在定子腔内，定子和转子之间有一缝隙，称为气隙。三相异步电动机的分解图如图 1 1所示。(1)定子(静止部分)三相异步电动机的定子主要由定子铁芯、定子绕组和机座等组成。定子铁芯的作用是作为电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。为了导磁性能良好和减少交变磁场在铁芯损耗，故采用片间绝缘的 0.5mm 厚的硅钢片叠压而成。1项目一异步电动机定子绕组是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场，并感应电动势以实现机电能量转换。三相定子绕组的每相由许多线圈按一定的规律嵌放在铁芯槽内，它可以是单层的，也可以是双层绕组。三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别为 U1、V1、W1，尾端分别为 U2、V2、W2。为了接线方便，这六个出线端在接线板上的排列如图 1 2 所示，根据需要可联成星形或三角形。图 1 2定子绕组的联结机座是电动机机械结构的组成部分，主要作用是固定和支撑定子铁芯，同时还要固定端盖。在中小型电动机中，端盖兼有轴承座的作用，机座还要支撑电动机的转子部分，故机座要有足够的机械强度和刚度。中小型电动机一般采用铸铁机座，而大容量的异步电动机采用钢板焊接机座。对于封闭式中小型异步电动机其机座表面有散热筋片以增加散热面积，使紧贴在机座内壁上的定子铁芯中的定子铁耗和铜耗产生的热量，通过机座表面迅速散发到周围空气中，而不致使电动机过热。对于大型的异步电动机，机座内壁与定子铁芯之间隔开一定距离而作为冷却空气的通道，因而不需散热筋。(2)转子(旋转部分)转子是电动机的旋转部分，包括转子铁芯、转子绕组和转轴等部件。转子铁芯的作用:电机磁路的一部分，并放置转子绕组。一般用 0.5mm 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。转子绕组的作用是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。根据构造的不同分为鼠笼式转子和绕线式转子。鼠笼式转子:若去掉转子铁芯，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。如图 13 所示。图 1 3笼型转子绕线式转子: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电环(滑环)上，再通过电刷与外电路联接，如图 1 4 所示。2电机及拖动基础图 1 4绕线式转子异步电动机的转子接线示意图转轴的作用以传递转矩及支撑转子的重量，一般由中碳钢或合金钢制成。(3)气隙三相异步电动机的定子与转子之间的气隙，比同容量直流电动机的气隙要小得多，一般仅为 0.2 1.5mm。气隙的大小对三相异步电动机的性能影响极大。气隙大，则磁阻大，由电网提供的励磁电流(滞后的无功电流)大，使电动机运行时的功率因数降低。但是气隙过小时，将使装配困难，运行不可靠;高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使启动性能变差。2.三相异步电动机的铭牌每一台三相异步电动机，在其机座上都有一块铭牌，铭牌上标注有型号、额定值等。如图 1 5 所示。三相异步电动机型号Y90L 4电压380V接法Y容量1 5kW电流3 7A工作方式连续转速1400r/min功率因数0 79温升90频率50Hz绝缘等级B出厂年月 年 月 电机厂产品编号重量kg图 1 5三相异步电动机铭牌(1)型号异步电动机型号的表示方法，与其他电动机一样:一般采用汉语拼音的大写字母和阿拉伯数字组成，可以表示电动机的种类、规格和用途等。其中汉语拼音字母是根据电动机的相关名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母表示，如异步电动机用“Y”表示;当然型号中也有用英文字母表示的，如 S、M、L 分别表示短、中、长机座。如图 1 6所示。3项目一异步电动机图 1 6(2)额定值额定功率 PN:指电动机在额定状态下运行时电动机轴上输出的机械功率，单位为千瓦(kW)。PN槡=3UNINNcosN(1 1)上式中:UN、IN、N、cosN分别为电动机额定的线电压、线电流、效率、功率因数。根据电动机的额定功率 PN，可求出电动机的额定转矩 TNTN=9.55PNnN(1 2)Tmax=mTN=9.55mPN/nN(1 3)电磁转矩实用表达式T=2Tmaxsms+ssm(1 4)上式中:Sm为临界转差率;m为最大转矩倍数，一般 Y 系列的三相异步电动机的 m=(2.0 2.2)。额定电压 UN1:指电动机在额定运行状态下运行时定子绕组所加的线电压，单位为 V或 kV。额定电流 IN1:指电动机加额定电压、输出额定功率时，流入定子绕组中的线电流，单位为 A。额定转速 nN:指电动机在额定运行状态下运行时转子的转速，单位为 r/min。额定频率 fN:表示电动机所接的交流电源的频率，我国电力网的频率(即工频)规定为50Hz。额定功率因数 cosN:指电动机在额定运行状态下运行时定子边的功率因数。例 1 1一台 Y 型三相异步电动机，它的额定功率 PN=7.5kW，额定效率 =87%，功率因数 cosN=0.85，接在线电压为 380V 的三相电路中，定子绕组三角形联结，求电动机的额定电流 IN和相电流 IN。解:电动机的额定电流IN=PN槡3UNcosNN=7.5 1000槡3 380 0.85 0.87=15.4AIN=IN槡3=15.4槡3=8.89A3.旋转磁场三相交流异步电动机是利用旋转磁场来工作的，旋转磁场的产生必须具备以下三个条件:4电机及拖动基础(1)三相交流异步电动机具有匝数相同、材料相同、连接规律相同的三组绕组。(2)三组绕组必须在空间布置上各相轴线互差 120电角。(3)三组绕组中通有三相对称的交流电。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。通过分析可知，每当交变电流变化一周，两极旋转磁场就在空间转过360(即一转)，而四极旋转磁场只转过 180(1/2 转)。由此类推，当旋转磁场具有 p 对磁极时，交变电流每变化一周，其旋转磁场就在空间转过 1/p 转。因此，旋转磁场每分钟的转速n1同定子绕组的电流频率 f1及磁极对数 p 之间的关系为n1=60f1p(1 5)上式中:n1为旋转磁场转速(又称同步转速)，转/分;f1为三相交流电源的频率，赫;p 为磁极对数。国产的异步电动机，其定子绕组的电流频率规定为 50Hz。因此，两极旋转磁场的转速是 3000r/min，四极旋转磁场的转速是 1500r/min 等等。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。4.三相异步电动机的工作过程和转差率图 1 7 所示用一个简单的试验观察三相异步电动机的工作原理:当摇动磁铁时，笼型转子跟随转动;如果摇把方向发生改变，笼型转子方向也会发生变化。故可得出如下结论:旋转磁场可拖动笼型转子转动。图 1 7鼠笼型转子随旋转磁极而转动的实验(1)当转子转速 n=0 时，转子切割旋转磁场的相对转速 n1 n=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 n1 n 开始下降，故转子中的感应电动势和电流下降。(3)当 n=n1，则 n1 n=0，此时转子导体不切割定子旋转磁场，转子中就没有感应电动势及电流，