三相异步电动机的基本工作原理和结构教学课件.ppt

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1、第4章 三相异步电动机 4.1 三相异步电动机的基本工作原理和结构 4.2 交流电机的绕组 4.3 交流电机绕组的感应电动势 4.4 交流电机绕组的磁动势 4.5 三相异步电动机的空载运行 4.6 三相异步电动机的负载运行 4.7三相异步电动机的等效电路和相量图. 4.8三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡 三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单 、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛 应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。 第4章 三相异步电动机 4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构 4.1.1三相异步电动机的基本结构 一、定子部分 1.定子铁心：由

2、导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。 2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。 3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。 二、转子部分 1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。 2、转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根 裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕 组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。 异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到 的最小值。 三、气隙 第4章 三相异步电动机 第4章 三相异步电动机 按转子结构分： 绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机 继续 继续 第4章 三相异步电动机 下面是它主要部件的拆分图。 右

3、图是一台三相鼠笼型异步电 动机的外形图。 第4章 三相异步电动机 鼠笼型转子 铁心和绕组 结构示意图 三相绕线型 转子结构图 返回 第4章 三相异步电动机 第4章 三相异步电动机 4.1.2 三相异步电动机的基本工作原理 U2 U1 W2 V1 W1 V2 n 一、转动原理 1、电生磁：三相对称绕组通 往三相对称电流产生圆形旋转 磁场。 2、磁生电：旋转磁场切割转 子导体感应电动势和电流。 3、电磁力：转子载流（有功 分量电流）体在磁场作用下受 电磁力作用，形成电磁转矩， 驱动电动机旋转，将电能转化 为机械能。 第4章 三相异步电动机 二、转差率 转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的

4、各种 运行情况。 转子未转动时，电机理想空载时， 作为电动机，转速在范围内变化，转差率在01范围内变。 负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。 转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转 速为： 额定运行时，转差率一般在0.010.06之间，即电机转速接 近同步速。 同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用 s表示，即： 第4章 三相异步电动机 三、异步电机的三种运行状态 根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态 机械能转变为电 能 电能和机械能变 成内能 电能转变为机 械能 能量关系 制动制动驱动电磁转矩 转差率 转速 外力使电机快速 旋转 外力使电

5、机沿磁 场反方向旋转 定子绕组接对 称电源 实现 发电机电磁制动电动机状态 第4章 三相异步电动机 4.1.3 型号和额定值 一、型号 例: 第4章 三相异步电动机 第4章 三相异步电动机 额定值关系有： 额定运行状态时加在 定子绕组上的线电压. 额定条件下转轴上 输出的机械功率。 在额定运行状态下流 入定子绕组的线电流. 额定运行时电 动机的转速. 二、额定值 第4章 三相异步电动机 三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机 的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕 组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活 地接成“Y”形或“D”形。 U1 V1 W1U1 V1

6、 W1 W2 U 2 V2W2 U2 V2 D联结 Y联结 三、接线 第4章 三相异步电动机 4.2交流电机的绕组 4.2.1 交流绕组的基本知识 一、基本要求和分类 1）三相绕组对称； 2）力求获得最大的电动势和磁动势； 3）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦； 4）节省用铜量； 5）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好； 6）工艺简单、便于制造、安装和检修。 第4章 三相异步电动机 二、交流绕组的基本概念 1、极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的 槽数为Z，磁极对数为p，则极距： 2、线圈节距 一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。 3、电角度 第4章

7、 三相异步电动机 4、槽距角 相邻两个槽之间的电角度： 6、相带 每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极 面下所占的范围，用电角度表示称为相带。 每一个极面下每相所占的槽数为 5、每极每相槽数 第4章 三相异步电动机 4.2.2 三相单层绕组 单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于 定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。 一、单层链式绕组 单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而 成，整个外形如长链。 链式绕组的每个线 圈节距相等并且制造方 便；线圈端部连线较短 并且省铜。主要用于 q=2的4、6、8极小型三 相异步电动机。 第4章 三相异步

8、电动机 二、单层交叉式绕组 单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成， 同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互 相交叉。 交叉式绕组由 两大一小线圈交叉 布置。线圈端部连 线较短，有利于节 省材料，并且省铜 。广泛用于q1的且 为奇数的小型三相 异步电动机。 第4章 三相异步电动机 三、单层同心式绕组 同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心 形状的线圈组构成。 同心式绕组端 部连线较长，适用 于q=4、6、8等偶 数的2极小型三相 异步电动机。 第4章 三相异步电动机 优点 不适宜于大 中型电机 元件少，结构简 单，嵌线方便， 槽内无层间绝缘 广泛应用于1

9、0kW以下的 异步电动机定子绕组 单层绕组为 整距绕组 缺点 电动势和磁动 势波形较差 铁损和噪 声较大 起动性 能较差 三相 单层 绕组 的优 缺点 第4章 三相异步电动机 4.2.3 三相双层绕组 双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每 一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为 y 的另一槽的下层。 双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）。 第4章 三相异步电动机 双层绕组的特点： 1）线圈数等于槽数； 2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数； 3）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。 优 点 可以选择最有利的节 距，使电动势和磁动 势波形

10、更接近正弦波 所有线圈的形状 和尺寸相同，便 于实现机械化 端部排列整齐 机械强度高 可组成较 多的并联 支路 缺点 嵌线 困难 用铜 量大 第4章 三相异步电动机 4.3交流电机绕组的感应电动势 4.3.1 线圈的感应电动势及短距系数 一、一根导体的电动势 二、整距绕组的电动势 每个整距绕组由Nc个相同和线匝组成，每个整距线圈的 电动势: 电动势频率: 电动势大小: 电动势波形: 随时间变化的波形 取决于气隙磁密在 空间的分布波形 第4章 三相异步电动机 三、短距线圈的电动势 每个短距线圈的电动势: 称为短距系数： 线圈短距时电动势 比整距时打的一个 折扣 第4章 三相异步电动机 4.3.2

11、 线圈组的感应电动势及分布系数 一组线圈由q个线圈组成,若q个线圈为集中绕组时,各线圈 电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为: 若q个线圈为分布绕组,放在q个槽内,各线圈电动势大小相同 ,相位相差电角度,电动势为: 称为基波分布系数: 线圈组电动势等于集 中线圈组电动势打的 一个折扣. 称为基波绕组 系数。 第4章 三相异步电动机 4.3.3 一相绕组的基波感应电动势 一绕组有2a条支路，一条支路由若干个线圈组路串联组成。 一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势 一、一相绕组的基波电动势 对单层绕组： 对双层绕组： 第4章 三相异步电动机 二、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响 对V

12、次谐波： 第4章 三相异步电动机 改善电动势波形的方法: （）采用短距绕组来削弱高次谐波 （）采用分布绕组来削弱高次谐波 改善主磁极磁场的分布 改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势 采用接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波 第4章 三相异步电动机 4.4交流电机绕组的磁动势 4.4.1 单相绕组的磁动势 一、整距集中绕组的磁动势 一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距 绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分 布如图,由全电流定律得: 忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两 个气隙上.每个气隙的磁动势为: 空间分布为矩形波,随时间按正弦规律变 化.变化频率为电流频率。 空间位置不变而幅值和方向随时间

13、变化的磁动势称为脉动磁 动势。 第4章 三相异步电动机 矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波: 基波磁动势为: 基波磁动势最大值为: 整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线 ，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化仍然为脉动磁动 势。 第4章 三相异步电动机 二、单相脉动磁动势 1、整距分布绕组的磁动势 每个绕组由q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开 槽距角,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量 和： 2、一组双层短距分布绕组的基波磁动势 双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动 势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响： 第4章 三相异步电动机 3

14、、相绕组的磁动势 每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p 对磁极，就有p条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波 磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若 每相电流为Ip: 单相绕组的基波磁动势是在空间按余弦规律分布 ，幅值大小随时间按正弦规律变化的脉动磁动势。 第4章 三相异步电动机 三、单相脉动磁动势的分解 即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。 先分析 取幅值点分析 第4章 三相异步电动机 综上分析 第4章 三相异步电动机 可见 (1)单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相等 、转速相同而转身相反的两个旋转磁场。 (2)反之,满足上述性质的

15、两个旋转磁动势的合成即为脉 动磁动势。 （3）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大 小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为 圆形旋转磁动势。 第4章 三相异步电动机 4.4.2 三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势 三相的合成磁动势： 取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为 x的参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动 势为： 可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。 交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相 的合成磁动势。 第4章 三相异步电动机 为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规 律变化，U 相电流最大时为计

16、时点，电流取首进尾出为正，电 流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示： U2 U1 W2 V1 W1 V2 第4章 三相异步电动机 用图解法分析不同时刻三相合成磁动势 合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电 流的相。 第4章 三相异步电动机 产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二 是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形 旋转磁动势。 三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁 动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主 要性质 (1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/2倍。 (2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电 流相.

17、 (3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数 (4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该 相绕组的轴线位置上 第4章 三相异步电动机 4.5.1 空载运行时的电磁关系 4.5三相异步电动机的空载运行 一、主、漏磁通的分布 为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的 磁通分为主磁通和漏磁通。 主磁通同时交链定、转子绕组 ，其路径为：定子铁心气隙转 子铁心气隙定子铁心。主磁通 起传递能量的作用。 除了主磁通以外的磁通称为漏 磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通 和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗 压降作用。 第4章 三相异步电动机 二、空载电流和空载磁动势 异步电动机空载运行时的定子

18、电流称为空载电流。 第4章 三相异步电动机 三、电磁关系 4.5.2 空载运行时的电压平衡方程 一、感应电动势 与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势 可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。 第4章 三相异步电动机 二、电压平衡方程与等效电路 与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时 定子每相电压方程式： 同样也有： 根据上两式，可以作出空载时 等效电路。 第4章 三相异步电动机 尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是 有差别的： 1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动 磁场. 4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大. 5)异步

19、电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组 系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1. 第4章 三相异步电动机 4.6.1 负载运行时的电磁关系 4.6三相异步电动机的负载运行 第4章 三相异步电动机 4.6.2 转子绕组各电磁量 一、转子电动势的频率 感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度,故 转子电动势的频率为: 转子不转时,理想空载时, 二、转子绕组的感应电动势 转子旋转时的感应电动势: 转子不转时的感应电动势: 二者关系为: 第4章 三相异步电动机 三、转子绕组的漏阻抗 电抗与频率正比于,转子旋转时转子漏电抗: 二者关系: 转子绕组的漏阻抗: 四、转子绕组的电流 转

20、子绕组为闭合绕组,转子电流为 转子不转时转子漏电抗: 当转速降低时,转差率增大,转子电流也增大. 第4章 三相异步电动机 五、转子绕组的功率因数 转子功率因数与转差率有关,当转差率增大时,转子功率因 数则减小。 六、转子旋转磁动势 转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势. 1)幅值 2)转向 转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同,转子旋转磁 动势的方向与转子电流相序一致. 转子旋转磁动势相对定子的速度为 可见,无论转子转速怎样变化,定、转子磁动势总是以同速、 同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。 第4章 三相异步电动机 4.6.3 磁动势平衡方程 磁动势的平衡方程为： 可

21、以改写为： 写成磁动势幅值公式： 第4章 三相异步电动机 4.6.4 电动势平衡方程 根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程： 第4章 三相异步电动机 4.7.1 折算 4.7三相异步电动机的等效电路和相量图 频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系 统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。 一、频率折算 在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件： 一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。 转子回路电流 第4章 三相异步电动机 实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折 算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多 了一个附加

22、电阻 。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功 率等效机械损耗和机械功率之和总的机械功率。 从等效电路角度，可以把 看成是异步电动机的”电 阻负载”，其上的压降可以看成是转子回路的端电压: 第4章 三相异步电动机 二、绕组折算 4.7.2 等效电路 一、绕组后的基本方程 第4章 三相异步电动机 二、T型等效电路和简化等效电路 由基本方程可以作出等效电路: T型等效电路简化等效电路 第4章 三相异步电动机 从等效电路分析可知: 3)三相异步电动机的功率因数永远滞后； 4)附加电阻不能用电感或电容来代替。 5)在等效电路中负载的变化是用转差率s来体现的 第4章 三相异步电动机 4.7.3 相量图 按照基

23、本方程和等效电路可以 作出异步电动机的相量图。 第4章 三相异步电动机 4.8.1 功率平衡和转矩平衡 4.8三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡 异步电动机的功率和损耗有： 一、功率平衡 输入功率 定子铁损 电磁功率 机械功率 输出功率 定子铜损 转子铜损 第4章 三相异步电动机 在等效电路上表示功率和损耗： 第4章 三相异步电动机 两个重要关系式 可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小 部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率 越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时 电机的转差率均很小。 第4章 三相异步电动机 二、转矩平衡 即 或 电磁转矩 在式 的两边同时除以机械角速度 得 电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机 械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械 角速度。 第4章 三相异步电动机 4.8.2 三相异步电动机的工作特性 一、转速特性 二、转矩特性 三、定子电流特性 四、定子功率因数特性 五、效率特性 工作特性的曲线如 图所示：