异步电机的工作原理.ppt

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1、第四章 异步电机的基本理论一,4.1 三相异步电动机的工作原理 4.2 三相异步电动机的基本结构 4.3 三相绕组的电动势和磁通势 4.4 三相异步电动机的电动势和磁通势平衡方程,4.1 三相异步电动机的工作原理,一、旋转磁场 1. 旋转磁场的产生 三相 (多相) 电流 三相 (多相) 绕组 旋转磁场。 三相绕组：,W2 W1,V2 V1,U1 U2,横截面,U V W,i1 = Imsint i2 = Imsin(t120O) i3 = Imsin(t +120O),i1 i2 i3,t = 0O 时 i1 = 0，i2 0， i3 0,N S,t = 0时 i1 = 0，i2 0， i30

2、,N S,N S,t = 120o 时 i10，i2 = 0，i3 0,N S,N S,t = 240o 时 i1 0，i20，i3 = 0,t = 360o 时 i1= 0，i2 0，i30,i 变化一周,旋转磁场转一圈,i 每秒钟变化 50 周,旋转磁场转 50 圈,旋转磁场转 3000 圈,i 每分钟变化 (5060) 周,n0 = 3000 = 60 f1 (r / min),2. 旋转磁场的转速 n0, 同步转速,每相绕组由一个线圈组成,每相绕组由两个线圈串联组成,t = 0o 时 i1 = 0，i2 0， i3 0,N,S,N,S, 磁极对数 p p = 2 电流变化一周 旋转磁场

3、转半圈 n0 = 1500, 当磁极对数 p = 3 时 n0 = 1000,f = 50 Hz 时： 1 2 3 4 5 6 3000 1500 1000 750 600 500,3. 旋转磁场的转向 ( n0 的转向) U (i1) V(i2) W(i3) 怎样改变 n0 的方向 ? V(i1) U(i2) W(i3) 机械角度和电角度,电角度= 机械角度极对数,二、 工作原理,对称三相绕组 通入对称三相电流,旋转磁场 (磁场能量),磁场线切割 转子绕组,转子绕组中 产生 e 和 i,转子绕组在磁场中 受到电磁力的作用,转子旋转起来,机械负载 旋转起来,三相交流电能,感应,电磁 转矩,输出

4、机械能量,n0,定子：,n,1. 电磁转矩的产生,U1,I1,Fm1,E2,I2,Fm2,T,n,转子：,2. 转子旋转的方向,与旋转磁场的转向相同。,正转,反转,怎样改变转子的转向?,n,n,起动时：n = 0, n = n0,转差率 :, 起动时:, 额定运行时:,3. 转子转速 n, 转子电磁感应最强,nn,转子电磁感应消失,转子电磁感应减弱,nn = n0,电磁转矩 T = 0,n n0, n,n = 0，s = 1,sN = 0.01 0.09, 理想空载时:,n = n0，s = 0, 正常运行时:,0nn0， 1s0,异步！, 起动时： n = 0，n = n0 ， f2 = f

5、1 。 起动过程中: n n f2 稳定运行时：n = n0n很小。,4. 转子电路电量的变化,f2 = s f1,5. 电磁转矩 T 的大小,T ，I2cos2,6. 三相异步电机的四象限运行,T = CTm I2cos2,电动机状态： n 与T 同方向 0nn0 1s0,发电机状态： n 与T 反方向 nn0 s0,制动状态： n 与T 反方向 n0 s1,反向电动机状态,4.2 三相异步电机的基本结构,一、主要部件,1. 定子 (1) 定子铁心 (2) 定子绕组 (3) 机座和端盖,2. 转子 (1) 转子铁心 (2) 转子绕组 (3) 转轴 (4) 风扇,异步电动机内部结构图,定子铁心

6、、转子铁心：,由硅钢片叠成。,定子铁心,转子铁心,定子绕组,对称三相绕组。,定子接线盒,星形(Y)联结,三角形()联结,U1 V1 W1,U2 V2 W2,绕线式：对称三相绕组。 鼠笼式：对称多相绕组。,转子绕组,鼠笼式异步电动机的转子,绕线式异步电动机的转子,1. 名词和符号 (1) 机械角度和电角度,转子转一圈，U 相绕组中 的感应电动势变化一周。,转子转一圈，U 相绕组中 的感应电动势变化两周。,二、三相绕组,电角度= 机械角度极对数,三相电机: m = 3 (3) 极对数 p (4) 槽数 z (5) 槽距角：,(6) 极距：,相邻两个槽中心线之间的距离。,相邻两磁极中心线间的距离。,

7、用尺寸表示：,槽数表示：,用电角度表示：,=,(2) 相数 m,线圈两线圈边的距离。 其表示方法与极距的表示 方法一样也有三种。 (8) 每极每相槽数 q,(7) 线圈节距 y,2. 交流绕组的种类 (1) 按相数分类: 单相绕组、三相绕组、两相绕组。,整距绕组: y = 短距绕组: y 长距绕组: y ,(3) 按每极每相槽数分类 集中绕组：q = 1 分布绕组： q1,(2) 按线圈节距分类,(4) 按每个槽内线圈的层数分类 单层绕组 双层绕组,双层绕组:,双层集中绕组 外层(上层): U1、U3 内层(下层): U2、U4,双层分布绕组 外层(上层): U1、U3 内层(下层): U2、

8、U4,(5) 按线圈之间的联结方式分类: 叠绕组、波绕组、同心绕组等。,例：求作叠绕组。z = 24，p = 2，m = 3，y =。 解： 绕组接线步骤如下。 (1) 求出 q、y 每极每相槽数：,= 2,3. 三相单层绕组,槽距角：,= 30,线圈节距：,= 6,(2) 画出各槽线圈边电动势的相量图（星形图）。,(3) 在相量图上表出槽号。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,(13),(14),(15),(16),(17),(18),(19),(20),(21),(22),(23),(24),S,N,(4) 在相量图上按 q、m 分相： m = 3 2p = 4 q =

9、 2 = 30 y = 6,(5) 画出槽线并标出槽号。,(6) 按和槽号划分 N 极和 S 极的区域。,N,S,N,S,N,(7) 画出各线圈边电动势的参考方向: 设 N 极下电动势的参考方向向上， 则 S 极下电动势的参考方向向下。,(8) 画出 U 相叠绕组。,U1(1-7)(2-8), 线圈串联：,(13-19) (14-20) U2, 线圈并联：, 每相支路数: 串联: a = 1 ,并联: a = 2 = p 设每个线圈的匝数为: Nc 每相绕组的总匝数 N 为:,(9) 画出三相叠绕组。,4. 同心绕组,例：z = 24，p = 1，q = 4, = 15。,优点：下线方便、端部

10、重叠层数少、散热好。,两极小型感应电机。,例：z = 24，p = 2，m = 3，y = 5/6。 解：绕组接线步骤如下。 (1) 求出 q、y 每极每相槽数：,= 2,5. 三相双层叠绕组,槽距角：,= 30,线圈节距：,= 5,(2) 画出各槽线圈边电动势的相量图（星形图）,(3) 在相量图上表出槽号,(4) 在相量图上按 q、m 分相：,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,(13),(14),(15),(16),(17),(18),(19),(20),(21),(22),(23),(24),因为是双层绕 组，所以图中标注 的是每相绕组的上 层边。,(5) 画出槽线并标

11、出槽号:,(6) 按和槽号划分 N 极和 S 极的区域:,N,S,N,S,N,(7) 画出各线圈边电动势的参考方向 设 N 极下电动势的参考方向向上, 则 S 极下电动势的参考方向向下。,用实线表示外层边，虚线表示内层边。,(8) 联结 U 相绕组：,(8) 联结 U 相绕组：,线圈串联：,(7- 12)(8-13),( 1-6)( 2- 7 ),(13-18)(14-19),(19-24)(20-1),U1 ,U2 ,U1,U2,(8) 联结 U 相绕组：,线圈并联： a = 2,(7- 12)(8-13),( 1-6)( 2- 7 ),(13-18)(14-19),(19-24)(30-1

12、),U1,U2,总匝数：,(9) 联结 V 相绕组：,(10) 联结 W 相绕组：,(11) 三相绕组总联结图：,U1 W1 V1 U2 W2 V2,例： z = 24， p = 2，q = 2，= 30，y = 5,6. 三相双层波绕组,U11 U12,z = 24， p = 2，q = 2，= 30，y = 5,U21,U22,z = 24， p = 2，q = 2，= 30，y = 5,串联:,U11 U12,U21 U22,U1,U2,并联:,U11 U12,U22 U21,U1,U2,1. 极数: 转子极数 = 定子极数 因为：转子中的电动势和电流是感应出来的。,三、笼型绕组,S N

13、,S N N S,p1 = p2 = p, 如果两者不相等， 则转子转不起来。,2. 相数,笼型转子是对称多相绕组。 (1) 转子槽数能被极对数整除时：,每对极下的每一根导条就构成一相； 各对极下占相同位置的导条可看作是属于一相的并联导条，即每相有 p 根导条并联。 m2 = 6,(2) 转子槽数不能被极对数整除时： m2 = z2 即每一根导条就构成一相。,3. 匝数:,四、额定值,（一根导条相当于半匝）,三相异步电动机 型 号 Y132S6功 率 3 kW 频 率 50Hz 电 压 380 V 电 流 7.2 A 联 结 Y 转 速 960r/min 功率因数 0.76 绝缘等级 B,2p

14、 = 6,轴上输出额定机械功率,1. 单相绕组的脉振磁通势 脉振磁场：轴线不变，大小和方向随时间交变 的磁场。 脉振磁通势：产生脉振磁场的磁通势。,x = 0,二、三相绕组的磁通势,U1U2 与 U3U4串联:, 脉振磁通势的幅值: 绕组磁通势的幅值 = kw N Im,气隙矩形波磁通势的幅值,气隙基波磁通势的幅值, 分布绕组的磁通势,知识点：单相合成磁势,U V W,2. 三相绕组的旋转磁通势 (幅值),i1 = Imsint i2 = Imsin(t120o ) i3 = Imsin(t + 120o ),知识点：三相合成磁势,旋转磁通势波,三、基波与高次谐波磁通势和电动势,磁极的磁场 =

15、 基波磁场 + 奇次谐波磁场 v 次谐波的极对数：,pv = v p1,v 次谐波电动势频率：,f v = v f 1,v 次谐波电动势大小：,E v = 4.44 f v kwv Nm,v 次谐波的绕组系数：,kwv = kpv ksv,基波极对数 p,v 次谐波的短距因数：,v 次谐波的分布因数：,(取正值),(1) 在同步电机中，谐波磁通势所产生的磁场 在转子表面产生涡流损耗，使电机发热， 。 (2) 在感应电机中，谐波磁场产生寄生转矩， 影响其起动性能；损耗，cos，温升，。 y = ( 0.8 0.83 ) 谐波电动势的影响： 使发动机电动势波形变坏，供电质量，杂散 损耗， ，温升；

16、输电线中的高次谐波电流所 产生的电磁场干扰邻近通讯线路。 改善气隙磁场分布；采用短距绕组和分布绕组。, 谐波磁通势的影响：,4.4 三相异步电动机的电动势和磁通势平衡方程,一、定子电路的电动势平衡方程 (每相), 定子绕组感应电动势的频率：, 与交流电源同频率。,= s f1, 转子电路的频率：,E2s = 4.44 s f1 kw2N2m,二、转子电路的电动势平衡方程 (每相),= sE2, 变压器：, 异步机：,式中：E2 = 4.44 f1 kw2N2m 转子静止时的电动势。,X2s = 2f2 L2,式中： X2 = 2f1 L2 转子静止时的漏电抗。 转子每相电流：,= 2s f1

17、L2 X2s = s X2,三、磁通势平衡方程,1. 定子旋转磁通势 幅值：,转向：,与三相电流相序一致。,转速：,2. 转子旋转磁通势 幅值：,转向：与转子电流的相序一致，即与 定子旋转磁通势的旋转方向一致。,转速： (1) 转子旋转磁通势相对于转子的转速：,= s n0,(2) 转子旋转磁通势相对于定子的转速： n2 + n,= s n0 + (1s) n0,= n0, 结论： (1) 转子旋转磁通势与定子旋转磁通势在空间 是沿同一方向以同一速度旋转的； (2) 二者组成了统一的合成旋转磁通势， 共同产生旋转磁场。,3. 磁通势平衡方程,(1) 理想空载时： I2s = 0， I1 = I

18、0 旋转磁通势的幅值为：,(2) 负载时：, m1= m2 ?,绕线型异步电动机一定相同。,第五章 异步电机的基本理论二,5.1 三相异步电动机的运行分析(等效电路及相量图） 5.2 三相异步电动机的功率和转矩 5.3 三相异步电动机的运行特性（工作特性、参数测定、转差率与转矩的关系等） 5.4 单相异步电动机,5.1 三相异步电动机的运行分析(等效电路及相量图),一、等效电路,R1 jX1,jX2s R2,f1,f2,m1、 kw1N1 m2、 kw2N2,1. 频率折算, 频率归算的物理含义：,用一个静止的、电阻为 R2 /s 的等效转子去代 替电阻为 R2 的实际旋转的转子，等效转子与实

19、 际转子具有同样的转子磁通势 F2 。,n0,n0,取决于电流的相位。,i2s 与 i2 的相位相同。, 频率归算后，定子的所有物理量不变， 定子传送到转子的功率也不变。,转子所产生的机械功率相对应的等效电阻,总机械功率：,jX2 R2,f1,m1、 kw1N1 m2、 kw2N2,2. 绕组折算,用一个相数和有效匝数与定子绕组相同的转 子绕组去等效代替实际的转子绕组。 等效代替：保证电磁效应和所有物理量保持 不变。 (1) 电动势的折算： 折算前：,E2 = 4.44 f1 kw2N2m,折算后：,E2 = E1 = 4.44 f1 kw1N1m,定、转子的电动势之比：,(2) 电流的折算：

20、,折算前：,折算后：,= F2,E2 = E1 = ke E2,电流比：,(3) 阻抗的折算：,折算前：,折算后：,阻抗比：,= ke ki,Z2 = kZ Z2,R2 = kZ R2 X2 = kZ X2,3. 等效电路及其简化,一、功率平衡方程式 1. 输入功率P1 P1 = 3 U1I1cos1,5.2 三相异步电动机的功率和转矩,2. 定子铜损耗 PCu1 PCu1 = m1R1I12 = 3R1I12 3. 铁损耗 PFe（转子铁损耗忽略不计） PFe = m1RmI02 = 3RmI02,4. 电磁功率Pe,Pe = P1PCu1PFe Pe = m2 E2 I2cos2 = m1

21、 E2 I2 cos2,5. 转子铜损耗 PCu2 PCu2 = m2 R2 I22 = m1 R2 I2 2 = s Pe,8. 输出功率 P2 P2 = PmP0 = PePCu2P0 = P1PCu1PFePCu2P0,6. 总机械功率 Pm,Pm = PePCu2,= (1s ) Pe,7. 空载损耗 P0 P0 = Pme + Pad,P1,Pe,P2,Pm,机械损耗,附加损耗,二、转矩平衡方程式,Pm = P2+ P0,T = T2 + T0,1. 电磁转矩 T,2. 空载转矩 T0,3. 输出转矩 T2,例1：,一台三相笼型异步电动机，其技术数据 为： PN = 3 kW，U1N

22、 = 380 V， nN = 957 r/min，定 子 Y 联结，R1 = 2.08 ，X1 = 3.12 ，R2 = 1.525 ，X2 = 4.25 ，Rm = 4.12 ，Xm = 62 ， P0 = 60 W。求 nN 时：(1) I1、I2、cos1； (2) P1、P2、; (3) Pe、T 。 解：,nN = 957 r/min n0 = 1000 r/min,= 0.043,= 35.46+ j4.25,= 4.12 + j62,Zm= Rm + jXm,(1) 定子电流：,转子电流：,则： I1 = 6.81 A，I2 = 5.47 A,励磁电流：,功率因数：,cos1 =

23、 cos(36.4),= 0.805,(2) 输入功率：,P1 = 3 U1 I1 cos1,= 32206.81 0.805,= 3 610 W,定、转子铜损耗：,PCu1 = 3R1 I12,= 289 W,PCu2 = 3R2 I22,= 137 W,铁损耗：,PFe = 3Rm I02,= 125 W,输出功率：,P2 = P1(PCu1+PCu2+PFe+P0),= 3 000 W,效率：,= 83.1%,(3) 电磁功率：,Pe = P1( PCu1 + PFe ),= 3 196 W,电磁转矩：,= 30.52 Nm,一、脉振磁场的分解 定子：单相绕组；转子：鼠笼式。,5.4 单

24、相异步电动机,t4,t8, 设：i1 = Im cost 则磁通势的基波分量为：,= f+ + f,正转磁通势 f+,正转磁场+,正转电磁转矩T+,反转磁通势 f,反转磁场,反转电磁转矩T,二、工作原理,知识点, 对正转磁场而言：,转差率:, 对反转磁场而言：,转差率:,= 2s+,2 1 s+ 0,0 s 1 2,当 n = 0，s = 1 时： Tst = 0 当 n0 时： T 0,知识点,三、单相异步电动机的起动方法,1.分相式电动机 定子绕组：,主绕组 辅助绕组,（工作绕组） （起动绕组）,原理：,旋转磁场,起动转矩,两相电流,(1) 电阻分相式电动机 (2) 电容分相式电动机, 电容分相式电动机的原理图,工作绕组,起动绕组,单相电容起动电动机,转子,2. 罩极起动,短路环,定子,定子 磁极,贝得牌三相异步电动机,绕线型异步机,电机装配图,