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前沿拓展：
一、三相异步电动机及其控制线路
1、三相异步电动机
实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。
在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。
对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：
（1）基本构造；
（2）工作原理；
（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；
（4）起动、调速及制动的基本原理和基本方法；
（5）应用场合和如何正确使用。
2、三相异步电动机的结构与工作原理
（1）、三相异步电动机的构造
三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。
a）、定子
三相异步电动机的定子由三部分组成：
b）、转子
三相异步电动机的转子由三部分组成：
鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。
为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。
二、三相异步电动机的转动原理
1、基本原理
为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。
(1)、演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。
(2)、现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。 转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。
(3)、结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。
2、旋转磁场
（1）、产生
图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图5-4)。
可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场
（2）、旋转磁场的方向
旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。
三、三相异步电动机的铭牌参数及选择
1、三相异步电动机技术数据
每台电动机的机座上都装有一块铭牌。铭牌上标注有该电动机的主要性能和技术数据。
1）、型号 为不同用途和不同工作环境的需要，电机制造厂把电动机制成各种系列，每个系列的不同电动机用不同的型号表示。如
2）、接法 接法指电动机三相定子绕组的联接方式。
一般鼠笼式电动机的接线盒中有六根引出线，标有U1、V1、W1、U2、V2、W2，其中：
U1、V1、 W1是每一相绕组的始端
U2、V2、 W2是每一相绕组的末端
三相异步电动机的联接方法有两种：
星形（Y）联接和三角形（△）联接。通常三相异步电动机功率在4kW以下者接成星形；在4kW（不含）以上者，接成三角形。
3）、电压
铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%。
必须注意：在低于额定电压下运行时，最大转矩Tmax和启动转矩Tst会显著地降低，这对电动机的运行是不利的。
三相异步电动机的额定电压有380V、3000V及6000V等多种。
4）、电流
铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的最大线电流允许值。 当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之间相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流都随着相应增大。
5）、功率与效率
铭牌上所标的功率值是指电动机在规定的环境温度下，在额定运行时电极轴上输出的机械功率值。输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗等。
所谓效率η就是输出功率与输入功率的比值。一般鼠笼式电动机在额定运行时的效率约为72%—93%。
6）、功率因数
因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个φ角，cosφ就是电动机的功率因数。 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7~0.9，而在轻载和空载时更低，空载时只有0.2~0.3。 选择电动机时应注意其容量，防止“大马拉小车”，并力求缩短空载时间。
7）、转速
电动机额定运行时的转子转速，单位为转/分。
不同的磁极数对应有不同的转速等级。最常用的是四个级的（n0=1500r/min）。
8）、绝缘等级
绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。 所谓极限温度是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度
2、三相异步电动机的选择
正确选择电动机的功率、种类、型式是极为重要的。
1）、功率的选择
电动机的功率根据负载的情况选择合适的功率，选大了虽然能保证正常运行，但是不经济，电动机的效率和功率因数都不高；选小了就不能保证电动机和生产机械的正常运行，不能充分发挥生产机械的效能，并使电动机由于过载而过早地损坏
（1）、连续运行电动机功率的选择
对连续运行的电动机，先算出生产机械的功率，所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械的功率即可。
（2）、短时运行电动机功率的选择
如果没有合适的专为短时运行设计的电动机，可选用连续运行的电动机。由于发热惯性，在短时运行时可以容许过载。工作时间愈短，则过载可以愈大。但电动机的过载是受到限制的。通常是根据过载系数λ来选择短时运行电动机的功率。电动机的额定功率可以是生产机械所要求的功率的1/λ。
2）、种类和型式的选择
（1）、种类的选择 选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等方面来考虑的。
① 交、直流电动机的选择
如没有特殊要求，一般都应采用交流电动机。
② 鼠笼式与绕线式的选择
三相鼠笼式异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便，但调速困难，功率因数较低，起动性能较差。因此在要求机械特性较硬而无特殊调速要求的一般生产机械的拖动应尽可能采用鼠笼式电动机。
因此只有在不方便采用鼠笼式异步电动机时才采用绕线式电动机。
（2）、结构型式的选择 电动机常制成以下几种结构型式：
① 开启式 在构造上无特殊防护装置，用于干燥无灰尘的场所。通风非常良好。
② 防护式 在机壳或端盖下面有通风罩，以防止铁屑等杂物掉入。也有将外壳做成挡板状，以防止在一定角度内有雨水滴溅入其中。
③ 封闭式 它的外壳严密封闭，靠自身风扇或外部风扇冷却，并在外壳带有散热片。在灰尘多、潮湿或含有酸性气体的场所，可采用它。
④ 防爆式 整个电机严密封闭，用于有爆炸性气体的场所。
（3）、安装结构型式的选择
① 机座带底脚，端盖无凸缘（B3）
② 机座不带底脚，端盖有凸缘（B5）
③ 机座带底脚，端盖有凸缘（B35）
（4）、电压和转速的选择
① 电压的选择
电动机电压等级的选择，要根据电动机类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。Y系列鼠笼式电动机的额定电压只有380V一个等级。只有大功率异步电动机才采用3000V和6000V。
② 转速的选择
电动机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的。但通常转速不低于500r/min。因为当功率一定时，电动机的转速愈低，则其尺寸愈大，价格愈贵，且效率也较低。因此就不如购买一台高速电动机再另配减速器来得合算。 异步电动机通常采用4个极的，即同步转速n0=1500r/min。
例：有一Y225M-4型三相鼠笼式异步电动机，额定数据如下：
试求
（1）额定电流；
（2）额定转差率SN；
（3）额定转矩TN、最大转矩Tmax 、起动转矩Tst
总结：
1、控制电器是指在电路中起通断、保护、控制或调节作用的器件。继电器—接触器控制系统通常使用500V以下的低压控制电器。
2、电动机的铭牌数据用来标明电动机的额定值和主要技术规范，在使用中应遵守铭牌的规定。
3、选择电动机时，应根据负载和使用环境的实际情况进行选择，选择时应注意电动机的功率应尽可能与负载相匹配，既不宜“大”，更不宜“小马拉大车”。
四、三相异步电机的调整方法
三相异步电动机转速公式为： n=60f/p(1-s) 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均可太到改变转速的目的。以后是三相异步电动机的七种调速方式及其特点，指明其适用的场合、情况。
分类：
1、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。不改变同步转速的调速方法有：
1)、绕线式电动机的转子串电阻调速
2)、斩波调速
3)、串级调速以及应用电磁转差离合器
4)、液力偶合器
5)、油膜离合器等调速
不改变同步转速的调速方法在生产机械中广泛使用。
2、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。
3、从调速时的能耗观点来看，有1)高效调速方法与2)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，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。
变极对数调速方法一：
这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。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。
特点如下：
1、具有较硬的机械特性，稳定性良好;
2、无转差损耗，效率高;
3、接线简单、控制方便、价格低;
4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速;
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。
变频调速方法二：
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，目前国内大都使用交-直-交变频器。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。
其特点：
1、效率高，调速过程中没有附加损耗;
2、应用范围广，可用于笼型异步电动机;
3、 调速范围大，特性硬，精度高;
4、 技术复杂，造价高，维护检修困难。
串级调速方法三 ：
串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入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入的附加电势所吸收，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。
本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。其特点为：
1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高
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
3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产
4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大
绕线式电动机转子串电阻调速方法四：
绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，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。
定子调压调速方法五 ：
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，目前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。
调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。调压调速的特点：
1、调压调速线路简单，易实现自动控制
2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。
五、三相异步电动机的故障处理
（1）电动机不起动
1、电源未接通：检查开关、溶丝，各对触点及电动机引出线头。
2、绕组断路：将断路部位加热到绝缘等级所允许的温度。使漆软化，然后将断线挑起，用同规格线将断掉部分补焊后，包好绝缘，再经涂漆，烘干处理。
3、绕组接线错误：核对接线图，将端部加热后重新按正确接法接好（包括绑扎、绝缘处理及涂漆）
4、熔体烧断：查出原因，排除故障、按电动机规格配新熔体。
5、过电流继电器整定值太小：适当调高。
6、控制设备接线错误：校正接线。
（2）电动机接入电源后溶丝被烧断
1、单相启动：检查电源线，电动机引出线，熔断器，开关触点，找出断线或假接故障后进行修复。
2、定、转子绕组接地或短路：纠正错误。
3、电机负载过大或被卡住：将负载调至额定值，并排除被拖动机构故障。
4、溶体截面积过小：熔体对电动机过载不起保护作用，一般应按下式选择熔体，熔体额定电流＝堵转电流/2～3即可。
5、绕线转子电动机所接的起动电阻太小或被短路：消除短路故障或增大起动电阻。
6、电源到电机之间的连接线短路：检查短路点后进行修复。
（3）电动机通电后，电机不起动，嗡嗡响
1、定、转子绕组断路：查明断路点进行修复；检查绕线转子电刷与集电环接触状态，检查启动电阻是否断路或电阻过大。
2、绕组引出线始末短接错或绕组内部接反：在定子绕组中通入直流，检查绕组极性判定绕组首末端是否正确。
3、电动机负载过大或被卡住：检查设备，排除故障。
4、电源未能全部接通：更换熔断的熔体；紧固接线柱松动的螺钉；用万用表检查电源线断线或假接故障，然后修复。
5、电压过低：如果△联接电动机误接成Y连接，应改回△连接；电源电压太低时应与供。
（4）、电动机运行时有杂音不正常
1、改极重绕时，槽配合不当：要校验定、转子槽配合。
2、轴承磨损、有故障：检修或更换新轴承 。
3、定、转子铁心松动：检查振动原因，重新压铁心进行处理。
4、电压太高或三相电压不平衡：测量电源电压，检查电压过高和不平衡原因进行处理。
5、轴承缺少润滑脂：清洗轴承，填加润滑脂，使其充满轴承室净容积的1/2～1/3。
6、风扇碰风罩或风道堵塞：修理风扇和风罩，使其几何尺寸正确，清理通风道。
（5）电动机空载运行时空载电流不平衡，且相差很大
1、重绕时，三相绕组匝数不均：绕组重绕改正。
2、绕组首尾端接错：查明首尾端，改正后再起动电机试验。
3、电源电压不平衡：测量电源电压，找出原因，予以消除。
4、绕组有故障，如匝间短路，某组线圈接反等等：拆开电机检查绕组极性和故障，然后改正或消除故障。
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