学习情境 2.1

学习情境 2.1

三相交流异步电动机的安装与维修

任务一、三相交流异步电动机的拆卸与安装

任务二、电动机典型故障的检测与维修

一、三相异步电动机概述

异步电机的定义：

转速和所接的交流电源频率之间没有严格不变关系的电机。

一、三相异步电动机概述

异步电动机的用途

异步电机主要作电动机用，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电机，主要拖动各种生产机械。

异步电动机之所以被广泛应用，是由于它结构简单、运行可靠、效率较高、成本较低及维修方便且适用于多种机械负载的工作特性等优点。

三相交流异步电动机的拆卸与安装

• 一三相异步电动机概述• 二三相异步电动机的结构• 三三相异步电动机的铭牌• 四三相异步电动机的绕组

任务一

三相交流异步电动机启动调速技术

一、学习情境一三相交流异步电动机的安装与维修

二、学习情境二给水系统电动机启动方法设计

三、学习情境三空调器电动机调速方法设计

一、三相异步电动机概述异步电动机的分类

异步电机的种类很多，最常用的分类方法是：

一按照定子绕组相数来分，有单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机；

二是按照转子结构来分，有绕线式异步电动机和鼠笼式异步电动机。

二、三相异步电动机的结构

三相异步电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，定子与转子之间存在气隙，此外，还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。


一、定子异步电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。定子铁心是电机磁路的一部分，为了减小交变磁场在铁心中引起的铁耗，定子铁心采用导磁性能好、铁耗小、厚度为 0.5mm 的硅钢片叠压而成，叠片间需经绝缘处理。为了嵌放定子绕组，每个硅钢片上都冲制出一些沿圆周均匀分布、尺寸相同的槽。

二、三相异步电动机的结构定子绕组是定子的电路部分，由若干线圈按照一定规律嵌放在定子铁心槽中并联接起来构成。大中型三相异步电机定子绕组为三相双层绕组，小型电机为单层绕组。小型异步电动机定子绕组用高强度漆包圆铜线或铝线绕制而成；大型异步电动机的导线截面较大，采用矩形截面的铜线或铝线制成线圈，再放置再定子槽内。高压大功率三相异步电动机定子绕组采用星形联结，只有三根线引出；中、小功率低压三相异步电动机在运行时，定子绕组通常采用三角形联结，但是一般把三相绕组的 6 个端子都引出，这样便于使用者根据实际需要将三相绕组接成星形或三角形联结。

二、转子异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转轴用于固定和支撑转子铁心。转轴一般用中碳钢做材料，起支撑和固定转子铁心及传递转矩的作用。


二、三相异步电动机的结构二、转子

转子绕组是转子的电路部分，在交变的磁场中感应电动势，流过电流并产生电磁转矩，转子绕组分为笼型绕组和绕线型绕组两种，所以按转子结构分类，异步电机可分为笼型电机和绕线式电机。

图9– 7 笼型转子a）铜条绕组 b）铸铝绕组

a) b)

鼠笼式绕组，是自行短路的对称绕组，在转子铁心的每个槽中放置一根导体，称为导条，每根导条的轴向长度都比铁心略长。在导条的两端用短路环（也称为端环）把所有导条伸出铁心的部分联结起来，形成一个闭合回路，整个绕组的外形象一个鼠笼，因此得名。绕线式转子上放置三相交流绕组，其极数与定子相同，一般用双层绕组，连接成 Y 形，三相出线端子引到三个滑环上，再利用三个固定在定子上的电刷将电动势引出到外电路，这样可利用外电路串附加电阻以改善电动机的起动性能或调节转速，这是绕线式异步电动机的特点。



三、气隙异步电机定子与转子之间有一小的间隙，称为电机气隙。气隙的大小对异步电机运行性能有重要影响。异步电机的气隙磁场是由励磁电流产生，为了减小励磁电流，提高功率因数，气隙应尽可能小。但气隙过小不仅使装配困难，而且电机运行时定、转子之间可能发生摩擦。异步电机的气隙较同容量的同步电机要小得多，中小型异步电机的气隙一般为 0.2mm～ 2mm ；功率越大，转速越高，气隙长度越大。

三、三相异步电动机的铭牌

三相异步电动机性能参数使用连接等的说明书

铭牌的意义

三、三相异步电动机的铭牌铭牌标明的参数

额定功率 PN ：指电机在铭牌规定的额定条下，转轴上输出的机械功率，单位为 W 或 kW 。额定电压 UN ：电机在额定工况下运行时，加在定子绕组出线端的线电压，单位为 V 。额定电流 IN ：指电机定子绕组上所加电额定电压，转轴上输出功率为额定功率时定子绕组的线电流，单位为安（ A）。


额定频率 FN ：指加在定子边的电源频率，我国规定标准工频为 50Hz 。额定转速 nN ：指电机在定子绕组加额定电压，转轴输出额定功率时的转速，单位 r/min 。额定功率因数：是电机在额定运行条件下定子侧的功率因数。额定效率：是电机在额定运行条件下，转轴输出的机械功率（即额定功率）与定子侧输入的电功率（即额定输入功率）的比值。

铭牌标明的参数

N

cos N


铭牌说明的其他意义

除了以上各额定值外三相异步电机在铭牌上还标出了相数、绕组联结方式、绝缘等级、额定温升等。对三相绕线式异步电机，还标有转子绕组的联结方式及转子的额定电压和电流。

四、三相异步电动机的绕组

交流绕组的用途

交流电机的三相定子绕组是电机实现机电能量转换的主要部件，通过它电机产生一个极数、大小、波形均满足要求的磁场，同时在定子绕组中感应出频率、大小和波形及其对称性均满足要求的电动势。

交流绕组的构成原则


1.合成电动势和磁动势的波形接近正弦波，即要求电动势和磁动势中的谐波分量尽可小；

2. 在一定的导体数下，能得到较大的基波电动势和磁动势；

3. 三相绕组中，电动势和磁动势的基波对称，即三相大小相等，相位互差，且三相阻抗相等；

4. 绕组铜耗小，用铜量少；5. 绝缘可靠，机械强度高，散热条件好，制造工艺简单，维护检修方便。

120

交流绕组分类方法


按照其相数、绕组层数、每极下每相槽数和绕法进行分类，分别可分为：（ 1）单相、两相、三相和多相绕组；（ 2）单层绕组和双层绕组，单层绕组又分为等元件式、交叉式和同心式绕组，双层绕组又分为迭绕组和波绕组；（ 3）整数槽绕组和分数槽绕组。

四、三相异步电动机的绕组三相双层绕组

现代 10kW 以上的三相交流电机，其定子绕组一般都采用双层绕组，双层绕组的每个槽内有上、下两个线圈边。同一个线圈的一条边在某一槽的上层，另一条边则在相距为 y 的另一槽的下层。整个绕组的线圈数与槽数相等。双层绕组的主要优点为：在采用分布绕组的同时，选择最合适的节距，可改善电动势和磁动势波形；所有线圈尺寸相同，便于制造；端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械度。

四、三相异步电动机的绕组双层绕组图

迭绕组和波绕组线圈


绕组嵌线时，相邻的两个串联线圈中，后一个线圈紧“迭”在前一个线圈上，这种绕组称为迭绕组。

迭绕组

四、三相异步电动机的绕组波绕组

把所有同一极性下属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来，组成一组；再把所有另一极性下属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来，组成另一组；最后把这两大组线圈根据需要串联或并联，构成一相绕组。

波绕组的优点：可减少线圈之间的连接线

电动机典型故障的检测与维修

任务二

•一三相异步电动机的工作原理

•二三相异步电动机的典型故障与维修

一、三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机由定子和转子两大部件组成，定子上有三相交流绕组，转子按一定方式构成闭合回路。当定子绕组通入三相对称交流电后，产生旋转磁场，以的速度旋转，它切割转子绕组并在其中感应出电动势，电动势的方向由右手定则决定。由于转子是闭合回路，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同，而载流导体在磁场中将产生电磁力，方向由左手定则决定。

1 160 /n f P

原理


由电磁力形成的电磁转矩使转子旋转起来，转速为 n 。不过转子转速达不到 n1 ，因为转速如果达到 n1时，转子绕组与定子旋转磁场之间便无相对运动，不能在转子绕组中感应电动势，从而无法产生电流和转矩。

一、三相异步电动机的工作原理转差率 s

1

1

n ns

n

转差率是异步电机运行时的一个重要物理量。转子静止时，，则；转速时，则。所以，异步电动机运行时， s 的取值范围在。异步电动机在额定负载条件下运行时，一般额定转差率。

0n 1s 1n n 0s

0 1s

0.01 ~ 0.06Ns


根据转差率 s 为正（或负）的大小，三相异步电动机可分为电动机、发电机和电磁制动三种运行状态。

一、三相异步电动机的工作原理电动机运行状态 0 1s

电磁转矩 T 是驱动转矩，电机作为电动机运行，将从电源吸收（输入）的电能转变为轴上的机械能（输出）

一、三相异步电动机的工作原理发电机运行状态 0s

如果异步电动机由其它原动机驱动，使转子仍顺着旋转磁场方向旋转，并且使其转速超过旋转磁场同步转速，感应在转子导体中的感应电动势和电流方向与电动机状态时相反，所以产生的电磁转矩方向反向，电磁转矩对电机转轴起制动作用。定子绕组中电流有功分量相对于电动机状态是反向的，即电机向电网输送出有功功率，将原动机的机械能通过电磁耦合磁场转变为电能，这时电机为发电机运行状态，如图（ c）所示。

一、三相异步电动机的工作原理电磁制动状态 1 s

如果作用在电动机转子上的外转矩使转子朝着与旋转磁场方向相反的方向转动，如起重机放下重物的情况，由于转子绕组与旋转磁场相对运动方向仍与电动机状态时一样，所以感应电动势与电流有功分量与电动机状态时相同，电磁转矩方向如图（ a）所示，与电动机运行状态时一样，但外转矩使转子反方向旋转，所以电磁转矩对旋转的转子而言是制动性质。这时，电机一方面从电网吸收电功率，另一方面转子也从外部吸收机械功率，二者都转变为转子内部电阻上的损耗，异步电机运行在电磁制动状态。

二、三相异步电动机的典型故障与维修

若电动机工作在正常负载（接近额定）时，端电压降低对电机运行不利。此时，转子电流较大，端电压降低时，转差率和转子电流增大，定子电流的两个电流分量中，负载分量起主要作用，所以定子电流随转子电流增大而增大。由于转差率增大，转子功率因数和定子功率因数降低。

1 、异步电动机非额定电压故障与维修电源电压 < 额定电压

而负载较大时，虽然由于磁通减小使铁耗有所降低，但铜耗随电流的平方增加，起主要作用，电机的效率也将随铜耗的增加而减低。如果负载转矩为额定值，电压降低的结果将使定、转子电流大于额定值，引起电机绕组发热，效率降低和功率因数变坏。所以，运行规程规定，电动机在额定负载下运行时，电压波动不能超过额定电压。一般电动机都设有低压保护，当电网电压过低时，自动切除电机电源。

1 、异步电动机非额定电压故障与维修

5%

电源电压 > 额定电压

1 、异步电动机非额定电压故障与维修

如果电动机运行在的情况下，由于端电压的升高，电机主磁通增大，此时磁路饱和程度也增加，电机的励磁电流大大增加，使电机功率因数下降，同时铁耗随主磁通增加也增大，导致电机效率下降，温升提高。所以，当电动机在高于额定电压下运行时，必须减小负载。

1 NU U

2 、异步电动机非额定频率下的故障与维修

当电网频率高于额定频率，主磁通减小，励磁电流随之减小。同时，定子电流也减小，转速上升，对电动机的功率因数、效率和通风冷却等都会有所改善。当电网频率低于额定频率，主磁通将增大，铁心饱和程度增加，励磁电流增大很快，从而定子电流也增大，电动机的铁耗和铜耗均增大，引起电机的功率因数和效率降低。同时，电动机转速下降，使电机通风冷却条件变差，温升提高。此时，电动机必须减小负载，使电机在轻载下运行，防止电机过热。

3 、异步电动机不对称电源下的故障与维修

对称的正序电流产生正序旋转磁势，以同步转速正向旋转，转子绕组切割此磁动势，产生正序感生电流，正序转子电流与正向旋转磁场相互作用，产生正向电磁转矩，此时，正序系统的转差率为：

1

1

n ns s

n

T

3 、异步电动机不对称电源下的故障与维修对称的负序电流产生负序旋转磁动势，以同步转速反向旋转，转子绕组切割此磁动势，产生负序感生电流，负序转子电流与负序的旋转磁场相互作用，产生负序的电磁转矩，其方向与转子的转向相反，为制动转矩。

因为负序磁场反转，转速为，所以负序电流的转差率为：

1n

1 1 1 1

1 1 1 1

22

n n n n n n ns s

n n n n

3 、异步电动机不对称电源下的故障与维修

在负序等效电路中，经折算后转子等效电阻

为。由于负序阻抗较小，将产生较大的负序电流，从而使不对称运行的铜耗增加，效率降低，并可能引起电机过热。另外，负序转矩为制动转矩，将使电机出力减小。可见，电动机在不对称情况下运行时，性能变差，实际运行时，不允许电动机三相电流出现严重的不对称。

2

2

R

s

4 、异步电动机电源缺相时的故障与维修三相异步电动机在运行中三相电源缺一相或定子绕组断相是时有发生的，这会给电机运行带来不利的影响，严重时会烧坏电机。

4 、异步电动机电源缺相时的故障与维修

三相异步电动机正常运行时，由三相交流电源通入三相对称绕组产生三相平衡电流，产生圆形旋转磁场，当三相电源中缺少一相或三相绕组中任何一相断开，称为三相异步电机的断相运行或缺相故障。异步电动机断相运行有几种类型，如图 10－ 1 所示，其中（ a）、（ c）为电源一相断线，（ b）、（ d）为绕组一相断线。

4 、异步电动机电源缺相时的故障与维修

断相运行是不对称运行的极端情况，由于负序分量的存在使电机的运行性能变差。当电机在额定负载下断相时，由于断相后负序转矩的存在，将发生停机事故；如果电机的最大转矩大于负载转矩，电机仍可继续运行，但此时转速降低，同时定子和转子电流增大，电机温升升高，若长时间则可能烧坏电机。若是空载或轻载下断相，转速下降不多，断相稳态电流也不大。

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