异步电动机

异步电动机的概念

异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。

异步电动机的分类及用途

按供电电源的分类 异步电动机可分为三相异步电动机和单相异步电动机两大类。

• 三相异步电动机由三相交流电源供电,由于其结构简单、价格低廉、坚固耐用、使用维护方便,因此在工农业及其他各个领域中都获得了广泛的应用。
• 单相异步电动机采用单相交流电源,电动机功率一般都比较小。

三相异步电机主要用作拖动各种生产机械,例如:

风机、泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械等等。

类别	特性	用途及说明
鼠笼型	普通笼型：机械特性硬，启动转矩不大，调速时需要调速设备	适用于调速性能要求不高的各种机床、水泵、通风机
	高启动转矩：适用于带冲击性负载的机械	适用于静止负载或惯性负载较大的机械
	多速：有几档转速（2-4档）	适用于要求有级调速的机床、电梯、冷却塔等
绕线式	机械特性硬，启动转矩大，调速方法多，调速性能及启动性较好	适用于要求有一定调速范围、调速性能较好的生产机械，启动、制动频繁且对启动、制动转矩要求高的生产机械

三相异步电动机的结构

三相异步电动机的基本结构是由定子和转子两大部分组成,在定子和转子之间存在 0.25~2m 的气腺,此外,还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。

三相笼形异步电动机的结构组成

定子

定子是三相异步电动机的静止部分,有机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成。

机座:固定和支撑定子铁心,要求它有足够的机械强度。中、小型电机一般采用铸铁机座，而大容量电机采用钢板焊接机座。

定子铁心:利用硅钢片内圆冲有均匀分布的槽嵌放定子绕组。 是安放定子绕组并作为异步电动机主磁通磁路的一部分。为了减少旋转磁场在铁心中引起的涡流损耗和磁滞损耗，定子铁心用导磁性较好、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，并用压圈与扣片紧固。

定子绕组:是三相异步电动机的电路部分,通入三相对称交流电流后产生旋转磁场，是一个三相对称绕组，它由 3 个完全相同的绕组所组成，每个绕组即一相，3 个绕组在空间相差 120° 电角度。

转子

三相异步电动机的转子是将旋转磁能转化为转子导体上电势能而最终转化为机械能的环节。

转子是电动机的转动部分，由转子铁心、转子绕组和转轴 3 部分组成。

转子铁心: 是组成电机主磁路的一部分和安放转子绕组。它由外圆冲有均匀槽口、互相绝缘的硅钢片叠压而成。

转子绕组: 根据绕组形式不同，可分为笼型转子和绕线式转子两种。

• 绕线式绕组
• 笼式绕组 常用裸铜条插入转子槽中，铜条两端用短路环焊接起来，如果把铁心去掉，绕组就像一个鼠笼，所以称为笼型转子

转轴

转轴的作用是支撑转子铁心，输出转矩，所以它必须有足够的机械强度和刚度，以防断裂并保证气隙均匀。 转轴一般用中碳钢制成，轴伸端有键槽，用来固定皮带轮或联轴器。

三相异步电动机的运行状态

状态	转速变化范围	转差率变化范围
电动机状态	0 < n < n1	0 < s < 1
发电机状态	n > n1	-∞ < s < 0
电磁制动状态	n < 0	1 < s < ∞

三相异步电动机的运行方式

在生产实践中,各种生产机械的工作性质和加工工艺的不同,这使得它们对电动机运行方式的要求不同,有的比较简单,有 的则相当复杂。 电动机常见的运行方式有:直接启动、降压启动运行、制动运行和调速运行等。

三相异步电动机的启动性能

三相异步电动机接入电源电压时,称为启动过程。

各种生产、运输机械及电气设备对异步电动机的启动性能要求有:

• 电动机应有足够大的启动转矩。
• 在保证一定大小的启动转矩前提下,电动机的启动电流应尽量小。
• 启动所需的控制设备应尽量简单,价格力求低廉,操作及维护方便。
• 启动过程中的能量损耗应尽量小。

。

普通三相异步电动机不采取措施而直接投人电网启动时,其启动电流很大,而启动转矩较小。

启动电流较大的原因

• 电动机从静止状态开始启动时，电机绕组的阻抗较低，电流急剧增大，因此启动电流较大。
• 电动机在启动过程中没有采取任何措施，因此启动时的电流为最大值，通常是额定电流的5至7倍。

启动转矩过小的原因

• 电动机在启动时，转速为零，而转矩与电流成正比，因此起始转矩较小。
• 没有采取软启动或降压启动等措施，因此电动机无法提供较大的启动转矩。

三相异步电动机的直接启动

直接启动:启动时加在电动机定子绕组上的电压为电动机的额定电压。

电动机的直接启动条件:

三相异步电动机的正转启动

• 手动正转控制线路 负荷开关正转控制电路组成分析
• 负荷开关正转控制

起动:
合上开关QF
电动机接通电源正转运行

• 组合开关正转控制电路组成分析

起动：
转动手柄,合上开关QF
电动机接通电源正转运行
停止：
转动手柄,断开开关QF电动机停转

• 点动正转控制线路

刀架的快速移动采用的是一种点动控制线路,它是通过按钮和接触器来实现线路自动控制。

按下按钮电动机就得电运转,松开按钮电动机就失电停转的控制方法,称为点动控制。

点动正转控制线路线路组成分析

点动正转控制线路KM主触头闭合电动机起动

• 点动正转控制线路

停止:
松开SB,
KM线圈失电
KM主触头断开,
电动机停转

• 接触器自锁正转控制线路

当启动按钮松开后,接触器通过自身的辅助常开触头使其线圈保持得电的作用称为自锁。与启动按钮并联起自锁作用的辅助常开触头称为自锁触头。

。

• 具有过载保护的接触器自锁正转控制线路

在前面学习的接触器自锁正转控制线路中,增加了一只热继电器KH,构成了具有过载保护的接触器自锁正转控制线路。

过载保护是指当电动机出现过载时,能自动切断电动机的电源,使电动机停转的一种保护。

电动机控制线路中,最常用的过载保护电器是热继电器,它的热元件串接在三相主电路中,常闭触头串接在控制电路中。

在。

但对三相异步电动机控制线路来说,熔断器只能用作短路保护。 热继电器在三相异步电动机控制线路中也只能作过载保护,不能用作短路保护。

总之,。

三相异步电动机的正反转

要使生产机械运动部件能向正反两个方向运动,就要求电动机能实现正反转控制。

从当改变通入电动机定子绕组的三相电源相序,即把时,电动机就可以反转。

• 倒顺开关正反转控制线路

倒顺开关,又叫可逆转换开关,利用改变电源相序来实现电动机手动正反转控制。

三相异步电动机的制动

为满足生产机械的这种要求就需要对电动机进行制动。

制动就是给电动机一个与转动方向相反的转矩使它迅速停转。

制动的方法一般有两类:机械制动和电力制动。

机械制动

利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的方法称为机械制动。

机械制动常用的方法有电磁抱闸制动器制动和电磁离合器制动两种。

1.电磁抱闸制动器

• MZD1系列交流单相制动电磁铁 MZD1系列交流单相制动电磁铁适用于交流50Hz、电压为380V的电路中,主要作为匹配TJ2系列闸瓦制动器的操作装置。

资料拓展：MZD1系列交流单相制动电磁铁资料

• TJ2系列闸瓦制动器 TJ2系列制动器是一种由交流电磁铁操纵的常闭式抱闸制动器，能广泛应用在起重运输机械中，制止物件升降速度以及吸收运动或回转机构运动质量的惯性。 制动器主要由立板架、闸瓦、调整杆、弹簧及底座部分组成。闸瓦与立板架，立板架与底座均由轴销连接，立板架的一边可以按装电磁铁，主弹簧安装在立板架的上方，调整杆的顶端与电磁铁停档相近，为了增加闸瓦与制动轮表面的摩擦系数，在闸瓦上装有可更换的石棉刹车带。 当被操纵的电磁铁断电时，由制动器压缩弹簧，保持制动状态，当电磁铁通电吸合时，产生松闸，使机构可以运转。

资料拓展：TJ2系列闸瓦制动器资料

2.电磁抱闸制动器的结构

3.电磁抱闸制动器的工作原理

制动电磁铁由铁心、衔铁和线圈三部分组成。

闸瓦制动器包括闸轮、闸瓦、杠杆和弹簧等部分。

电磁抱闸制动器分为断电制动型和通电制动型两种。

电力制动

使电动机在切断电源停转的过程中,的方法称为电力制动。

电力制动常用的方法有反接制动、能耗制动、电容制动和再生发电制动等。

• 反接制动

反接制动:在停车时,把电动机反接,则其定子旋转磁场便反向旋转,在转子上产生的电磁转矩亦随之变为反向,成为制动转矩。

• 优点是制动力强,制动迅速;
• 缺点是制动准确性差,制动过程中冲击强烈,易损坏传动零件,制动能量消耗大,不宜经常制动。

。

• 能耗制动

电动机切断交流电源后,立即在定子线组的任意两相中通入直流电,利用转子感应电流受静止磁场的作用以达到制动目的,称为能耗制动,也称为动能制动。

• 优点是制动准确、平稳,且能量消耗较小;
• 缺点是需要附加直流电源装置,设备费用较高,制动力较弱,在低速时制动力矩小。

• 电容制动

电路组成分析

当电动机切断交流电源后,立即在电动机定子绕组的出线端接入电容器来追使电动机迅速停转的方法叫电容制动。

• 再生发电制动 再生发电制动主要用于多速电动机和起重机械上。

再生发电制动是一种比较经济的制动方法,制动时不需要改变线路即可从电动运行状态自动地转入发电制动状态,把机械能转换成电能,再回馈到电网,节能效果显著。

三相异步电动机的正确使用

调速

在电动机的机械负载不改变的条件下改变电动机的转速叫调速。 三相异步电动机的转速公式

• ( n )：电动机的实际转速（单位：RPM）
• ( s )：转差率
• ( f_1 )：电网频率（单位：Hz）
• ( p )：电动机极对数

可知,改变异步电动机转速可通过三种方法来实现:

• (1) 是改变磁极对数( p );
• (2) 是改变转差率( s );
• (3) 是改变电源频率( f_1 )。

变极调速

改变异步电动机的磁极对数调速称为变极调速。

变极调速是通过改变定子绕组的连接方式来实现的,它是有级调速,且只适用于笼型异步电动机。

磁极对数可以改变的电动机称为多速电动机,常见的多速电动机有双速、三速、四速等几种类型。

变频调速

变频调速是通过改变交流异步电动机的供电频率进行调速的。

• 变频器及其分类

变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用,将工频交流电源变换成频率、电压连续可调的电能控制装置。

• 通用变频器的基本结构

变频器是一种用于控制交流电机转速和方向的设备，基本结构由整流电路、逆变电路、控制电路、散热装置和人机接口组成。

整流电路： 实现直流电压的稳定输出；

逆变电路： 将直流电压转换为可控的交流电压；

控制电路： 对逆变电路的输出进行控制，从而实现对电机的调速和转向控制；

散热装置： 负责将变频器内部产生的热量散发出来；

人机接口： 则提供了变频器的操作和参数调节接口。

目前,通用变频器的变换环节大多采用交 → 直 → 交变频变压方式。 交 → 直 → 交变频器是先把工频交流电通过整流器变成直流电,然后再把直流电逆变成频率、电压连续可调的交流电。

运行检查

启动前

电动机在启动前必须做下列检查

1.检查电动机的铭牌数据是否符合实际线路的要求;
2.检查电动机外部是否清洁,电动机所有接线良好、完整;包括外接电源线,接地线等;
3.电动机的安装所带动的机械应完好,电动机上及附近无杂物,设备上无人工作;
4.停用两周以上的电动机或新安装的电动机应测量绝缘是否合格;
5.检查电源开关、隔离开关、测量仪表、保护装置等,是否处于正常状态;
6.检查电机的冷却系统是否达到了说明书的要求;
7.检查确认电机的旋转方向。

启动后

电动机在启动后的检查

1.检查电动机的旋转方向;
2.检查电动机在起动和加速时有无异常声音和振动;
3.检查起动电流是否正常,电源的电压降是否过大;
4.检查起动时间是否正常;
5.起动后的负载电流是否正常(应低于铭牌上标记的額定电流),
6.三相电压电流是否平衡;
7.检查起动装置在起动过程中是否正常。

运行中

电动机在运行中的检查

1.电动机的外部紧固件是否有松动,电气联结处是否因接触不良而发热变色;
2.详细观察和记录各指示仪表的读数,从中发现是否有异常现象;
3.运行时详细观察电机噪声是否过大,是否有异常噪声存在,电机是否振动,是否有焦味或绝缘漆的臭味等异味,电机温度是否过高;
4.在正常情况下,电动机允许在冷态下启动 2 次,在热态时启动一次,只有在事故处理时,可以再多启动一次;
5.电动机电源电压允许在额定电压的 95%-110% 范围内变化,但三相不平衡电压差不得超过额定电压的 5%;
6.电动机三相不平衡电流差不得超过額定电流的 10% ,并且任一相电流不得超过其额定值;

7.在不同环境温度下,额定电流可增大或降低的百分数:

环境空气温度 (℃)	额定电流增大或降低百分数 (%)
30 以下	+8
30	+5
35	0
40	-5

8.电动机振动不允许超过如下规定值:

额定转速 (r/min)	一般电动机 (%)	防爆电动机 (%)
3000	0.06	0.05
1500	0.10	0.085
1000	0.13	0.10
750 及以下	0.16	0.12

9.监视电动机运行温度;电动机负荷加重,电流将增高,温度将升高,一般启动后两小时,温升即达到稳定值。

绝缘等级	最高允许温度 (℃)	最高允许温升 (℃)
A	100	60
E	110	70
B	120	80

最高允许温度=最高允许温升+环境温度

10.电动机轴承温度不允许超过规定值:

类型	最高允许温度 (℃)	最大允许温升 (℃)
滚动轴承	100	65
滑动轴承	80	45

11.电动机运行时的轴向串动不允许超过规定值:

类型	最大允许偏差 (mm)
滚动轴承	不超过 0.05
滑动轴承	不超过 2-4

三相异步电动机常见故障及原因

机械故障

轴承损坏、转轴严重磨损

• 原因：润滑不足、润滑油老化或不合适、轴承材质劣化、外部污垢进入轴承。
• 后果：轴承温度过高、噪音增大、转轴偏心，严重时可能导致轴承失效，甚至引发电动机停运。
• 解决方案：
  • 定期检查和更换轴承，确保使用合适的润滑油。
  • 使用高质量的轴承材料，确保其长期运行稳定。
  • 定期清理轴承内的杂质，防止污垢进入。
  • 检查转轴的对中性，避免轴承过载。
  • 对磨损严重的转轴进行修复或更换。

定子铁芯碰伤

• 原因：外力冲击、设备振动过大、运输过程中不当操作，导致定子铁芯表面碰伤或剥落。
• 后果：定子铁芯的损伤会导致磁场不均匀，电动机运行不稳定，效率降低，产生较大的电流波动。
• 解决方案：
  • 在运输、安装和维护过程中，要避免对电动机造成冲击，使用适当的包装和固定方式。
  • 定期检查电动机的外部保护，确保设备无外伤。
  • 对受损的定子铁芯进行修复或更换，确保电机性能恢复。

端盖机座损伤

• 原因：安装不当、碰撞、过度振动等因素可能使端盖或机座发生变形或裂损。
• 后果：机座损伤会影响电动机的密封性和稳定性，可能导致冷却不良，进一步影响电动机的工作性能。
• 解决方案：
  • 检查机座和端盖的固定情况，防止因安装不当或外力造成损伤。
  • 定期检查端盖的密封性，防止外部环境影响机内运行。
  • 如发现损伤，及时修复或更换，确保机座强度和稳定性。

电气故障

绕组匝间短路

• 原因：电动机长时间运行超负荷，绕组的绝缘材料老化或破损，导致绕组之间发生电气短路。
• 后果：匝间短路会导致绕组发热，增加电动机的功耗，降低效率，严重时可能造成烧毁或设备损坏。
• 解决方案：
  • 使用高质量的绕组绝缘材料，避免因长期运行或过载导致绝缘破损。
  • 在电动机运行过程中，避免超负荷工作，定期检查电流值，确保电动机工作在合理范围内。
  • 对于已经发生匝间短路的绕组，需进行拆解并重新绕制。

绕组相间短路

• 原因：绝缘老化、绕组表面被污染或湿气渗透，导致不同相之间发生电气短路。
• 后果：相间短路会造成电动机启动困难，电流过大，可能引发过载保护器断开，最终导致电动机故障停运。
• 解决方案：
  • 保持绕组的清洁，避免外部污染物（如湿气、灰尘）导致绝缘故障。
  • 使用高耐久性的绝缘材料和定期检查绕组的绝缘电阻。
  • 若发生相间短路，应立即停机，检查损坏的部分并修复或更换绕组。

绕组接地

• 原因：绕组绝缘材料破损或长时间使用后老化，导致绕组与地面发生接触，形成接地故障。
• 后果：绕组接地会引发电动机运行中的安全问题，可能造成电动机失效，甚至引发电气火灾。
• 解决方案：
  • 检查绕组的绝缘情况，定期进行绝缘电阻测试。
  • 更换或修复受损的绕组绝缘，避免因绝缘损坏导致接地。
  • 配置适当的接地保护措施，确保安全。

绕组断线

• 原因：电动机运行过程中可能因过载、电流冲击或过高的机械振动导致绕组断开。
• 后果：绕组断线会导致电动机不能正常运行，电流无法通过断开部分，电动机输出功率大幅度下降，直至完全失效。
• 解决方案：
  • 避免长时间过载运行，控制电动机的负载，避免振动过大。
  • 定期检查电动机的接线端子和接线方式，确保接线正确。
  • 对于断线的绕组，需更换损坏部分，或者重新接线。

绕组接错

• 原因：绕组接线错误、接线图与实际接线不符，或维修时接错连接点。
• 后果：接错绕组会导致电动机无法正常启动，可能造成电动机反转或工作不稳定，严重时可能引发绕组烧毁。
• 解决方案：
  • 严格按照电动机接线图进行安装和维修。
  • 使用标识清晰的接线端子，防止接错。
  • 在维修时，确认接线正确，避免错误接线导致电动机无法正常启动或运行。

绕组烧毁

• 原因：电动机长时间过载运行，导致电流过大、温度过高；或由于绕组绝缘损坏，形成短路。
• 后果：绕组烧毁会导致电动机失去正常工作能力，修复成本高，严重时可能需要更换电动机的全部绕组或整个电动机。
• 解决方案：
  • 避免电动机长时间过载运行，确保电动机运行时温度不会超过设计值。
  • 配置过载保护装置，防止电动机因过载而烧毁。
  • 在绕组烧毁的情况下，需检查电动机的负载状况，修复或更换烧毁的绕组。

三相异步电动机的故障检查及维护

电动机小修

1. 清擦电动机，清除机壳外部尘垢，测量绝缘电阻。
2. 检查和清擦电动机接线端子。
3. 检查各固定部分螺栓（母）和接地线。
4. 检查轴承。
5. 检查传动装置。
6. 检查鼠笼转子在槽口外的导体是否有裂纹及端环焊接状况。
7. 检查所有密封垫条等。

电动机大修

1. 电动机大修内容包括了小修内容。

2. 电动机外部检查。

3. 电动机内部清理和检查：

   • 检查定子绕组污染和损伤情况。
   • 检查转子是否断裂、开焊。
   • 检查定、转子铁心是否磨损变形。

4. 绕组检查：

   • 检查定、转子绕组是否有相间短路、匝间短路、断路、脱焊、烧坏等现象。
   • 测量所有带电部位的绝缘电阻。

5. 清洗轴承并检查轴承磨损情况：

   • 用汽油或煤油对轴承进行清洗。
   • 检查轴承。
   • 如有条件，需对轴承内径、外径、宽度尺寸进行测量。

6. 修理后试车。

注意事项

1. 拆装电动机时，注意保护隔爆面，装配时隔爆加工配合面须涂防锈油，所有隔爆面不得有锈蚀和损伤，否则将失去隔爆性能；

2. 在抽出或插入转子时，应防止损坏定子绕组和绝缘，避免过度拉扯或使用过大力量，以确保绕组和绝缘不受损害；

3. 更换绕组时，电动机的绕组数据和绝缘结构不宜改变，随意改变电动机绕组，往往使电动机的某些性能恶化，以致不能使用。确保替换绕组与原绕组的电气和机械特性相同，以维持电动机的设计性能；

4. 拆卸时，注意标记接线端子和电缆位置，避免在重新组装时接错连接。最好在拆卸前拍照或做记录，以确保正确恢复；

5. 电动机维修时，始终保证电源已切断，并在所有接线作业前进行电气隔离，确保维修人员的安全；

6. 检查电动机密封性能，在拆卸和重新装配过程中，确保所有密封件完好无损，以避免空气、油或水等进入电动机内部，影响其正常运行；

7. 安装新电动机时，检查安装位置是否符合要求，确保电动机安装稳固、对中无误，以防出现振动或过度磨损；

8. 使用合适的工具进行拆装，避免对电动机外部产生划痕或碰伤，确保所有拆卸操作都在规范范围内进行；

9. 定期进行电动机的维护和清洁，避免灰尘和污物积累，这些物质可能会导致电动机过热或降低运行效率；

10. 操作人员需经过专业培训，确保对电动机的工作原理和维护要求有充分的理解，避免由于操作不当造成设备损坏。