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第五章 三相异步电动机原理 本章基本教学要求 n1.了解异步电动机的结构。 n2.理解旋转磁场的概念、圆形旋转磁势的特性和 产生条件，了解分布和短距绕组对消除高次谐波 电势的作用。 n3.深入理解并掌握综合表达三相异步电动机电磁 关系的基本方程式、等值电路和相量图，转子转 动时异步电动机的运行原理，转子绕组折算和频 率折算； n4.掌握异步电动机中的功率和转矩平衡方程式， 各功率之间的相互关系，电磁转矩物理表达式； n5.掌握异步电动机的工作特性。 重点和难点 n重点： n1.三相异步电动机空载和负载运行时的基本电磁 关系，掌握基本方程式、等值电路和相量图三种 分析方法，并注意与变压器的对比，着重分析转 子转动后的情况，转子绕组折算和频率折算； n2.掌握异步电动机功率与转矩的平衡关系、电磁 转矩的表达式。 n3.掌握异步电动机机械特性 n难点： n转子转动时的基本电磁关系。 本次课程教学要求： n1.熟悉异步电动机的结构和主要技术 数据； n2.重点掌握电机堵转时的电磁关系、 基本方程式、等值电路和相量图； n3.掌握绕组折算方法。 5.1三相异步电动机 5.1.1基本结构和铭牌数据 三相鼠笼异步电动机结构图 1.交流电机定子结构 n定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯 内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。 n机座:是用作固定与支撑定子铁芯。 n定子绕组:是电机电路部分，它由三个在空 间相差120电角度、结构相同的绕组连接 而成，按一定规律嵌放在定子槽中。 n绕组分类：单层绕组和双层绕组。 n绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下的 电机，双层短距绕组用在较大容量的电机 中。 转子铁芯： 一般用0.5mm的硅钢片叠压而成，它是 磁路的一部分。 转子绕组： 是用作产生感应电势、并产生电磁转矩 它分鼠笼式和绕线式两种。 气隙： 中、小容量的电动机气隙一般在0.21.5 mm范围。 2.转子结构 转子 鼠笼转子 鼠笼转子 绕线转子 提刷装置 3.铭牌数据 主要铭牌数据1 (1)额定功率PN：指电动机在额定运行 时，轴上输出的机械功率，单位：W 或kW； (2)额定电压U1N：指电动机额定运行时 ，加在定子绕组上的线电压，单位： V； (3)额定电流I1N：指电动机在定子绕组 上加额定电压、轴上输出额定功率时 定子绕组中的线电流，单位：A； 主要铭牌数据2 (4)额定频率f1N：我国规定电网工频为 50Hz； (5)额定转速nN：指电动机在定子额定 电压、额定频率下，轴上输出额定功 率时的转子转速，单位：r/min； (6)额定功率因数cosN：指电动机在额 定运行时定子侧的功率因数。 铭牌上还标有绝缘等级、温升、工作 方式、连接方法等，对绕线式异步电动机 还标有转子绕组的额定电压和额定电流。 n(7)转子绕组额定电压U2N：指定子绕组加 额定电压、转子绕组开路时，滑环间的线 电压，单位：V； n(8)转子额定电流I2N：指电动机额定运行 、转子短路状态下，滑环之间流过的线电 流，单位：A。 主要铭牌数据3 转差率 定义： (5-2) 举例 有一台50Hz的感应电机，其额定 转速为730r/min，空载转差率为 0.003 ，试求该机的空载转速和额定负载时 的转差率。 解 1、空载转速： 2、额定转差率： n设N为异步电动机的效率，额定功率： n电动机的输入功率为： n n接线： n高压异步电动机定子绕组采用Y接，只有三根 引出线。中小容量的异步电动机通常将定子三 相绕组的六个端点引出到接线板上，用户根据 铭牌数据和使用电源情况，接成Y接或接。 小型鼠笼异步电动机 三相异步电动机的引出线 4.接线图 n国产电机型号由汉语拼音字母和阿拉伯数 字组成，大写汉语拼音字母表示电机的类 型、结构特征和使用范围，数字表示设计 序号和规格，例如：Y2 160 L 1-2 5.1.2主要系列 Y和YR系列 n一般用途三相异步电动机应用最广的 产品是Y系列和YR系列，其中Y系列为 鼠笼式转子三相异步电动机，YR系列 为绕线式转子三相异步电动机。 5.2交流电机的绕组和感应电动势 5.2.1绕组 n极距是指每一磁极所占定子内圆周的 距离，即有 n节距y是指线圈两有效边之间的距离。 单层绕组是整距绕组，即有y= n每极每相槽数q是指一个磁极下一相绕 组所占有的槽数，即有： 交流绕组 n相带：是指一相绕组在一个磁极下连 续所占的范围。 n机械角：电机圆周空间角度为360或 为2弧度，称这种角度为机械角。对 于一对磁极由NSN变化一周相当 于360电角度或为2电弧度。当电机 有p对磁极时，电角度=p机械角。 n分析：每一磁极占180电角度，三相 绕组的每相绕组在一个极下只占三分 之一，即60相带。 单层绕组 双层绕组 5.2.2 交流绕组的感应电势 1.一根导体感应电势 设定子内表面槽中嵌放导体A，有效长 度为l(m)，转子只有一对磁极，它由原动机 拖动以恒定转速n1(r/min)逆时针旋转，沿气 隙圆周方向分布的基波磁密波形，大小为： 式中B1m为基波气隙磁密幅值。 感应电动势 导体A切割磁力线产生感应电动势大小为： 导体的基波感应电动势 最大值为： 波形 感应电动势频率 在一对磁极情况下，导体A每经过一对主磁 极，其中的感应电势经历一个周期。当电机转子上 有p对主磁极，电机每旋转一圈，导体A中的基波感 应电势变化p周，则导体A中基波感应电势频率为： n (5-3) 当电机的极对数p和转速n1一定时，f1频率便为 固定的数值。 2.整距线匝感应电势 两导体A、X就构成了整距线匝。 它们中的感应电势总是大小相等，方向 相反。整距线匝基波感应电势为： 用相量表示时： 整距线匝基波感应电动势 整距线匝基波感应电势瞬时表达式为： 整距线匝基波感应电势有效值为： (5- 6) 3.整距线圈感应电动势 线圈是由Ny匝线匝串联而成，即匝 数Ny整距线圈的基波感应电势瞬时 值为： (5-7) 4.整距分布线圈感应电动势 如果在定子内圆表面槽中均匀嵌放三个匝 数为Ny的整距线圈头尾连接，相互串联形成线 圈组，称为整距分布线圈，相邻线圈的槽距角 是。 整距分布线圈的基波感应电动势 整距分布线圈的基波感应电势为： 绕组的基波分布系数： 基波分布系数含义 基波分布系数是一个小于1的 数，其含义是：分布放置的线圈要 比将各线圈集中放置在一个槽中的 基波感应电势小。可以这样认为： 把实际q个分布放置的整距线圈，看 成是集中放置的，但它们的总等效 匝数为qNykq1，而不是qNy。 5.2.3短距线圈感应电动势 如果线圈的节距y1PN继续增大转差率s增大转子感 应电势与电流的相位角2增大定子功率因数 cos1开始减小。定子功率因数特性cos1=(P2) 如图曲线3所示的曲线。 4.输出转矩特性T2=(P2) 定性分析： 异步电动机空载时，输出转矩 T2=0，当负载P2增大，由于转速变化 不大，P2T2输出转矩随着P2增大 而增大，输出转矩特性T2=(P2)如图 曲线4所示为一条过原点的近似直线 的曲线。 5.效率特性=(P2) 定性分析： 异步电动机从空载到负载运行时，主磁 通m和转速n变化较小，所以铁损pFe和机械 损耗pm变化很小，这两种损耗之和是异步电 动机的不变损耗，而定、转子铜损pCu与负载 电流平方成正比，它随负载变化而变化，是 异步电动机的可变损耗。与变压器相似，当 不变损耗与可变损耗相等时，效率为最高。 效率特性 空载时，输出功率P2=0，所以效 率=0，当随着负载P2增大效率增 大，普通异步电动机在P2=0.75时效率 最大=max；当负载P2继续增大效 率反而下降，效率特性=(P2)如图 曲线5所示的曲线。 说明： 对中、小型异步电动机，工作特性可用 直接负载法测出，对大容量异步电动机由于 受设备等因数的限制，工作特性的取得可通 过空载、短路实验测出电动机参数，再利用 等值电路计算求得。 5.7异步电动机参数测定 1.空载试验 通过空载试验可测得励 磁参数（rm、xm、zm）、铁 损pFe、机械损耗pm。 空载实验 试验时，异步电动机定子通过调压器接三相交 流电源，转子轴上不带负载，加额定电压使电动机 运行在空载状态，稳定运行一段时间后，电动机的 机械损耗达到稳定值，然后调节调压器使定子电压 从(1.11.3)UN开始，逐渐下调直至电动机转速有明 显变化为止，同时测取电动机的相电压U1、空载电 流I0、空载功率P0和电动机转速n，接线图是用二功 率法测取功率所以两功率表P1、P2的读数之和为空 载功率，即有P0= P1+ P2。注意试验时一定要含U1N 这一点。根据试验数据作出P0=(U1)和I0=(U1)曲线 三相异步电动机试验接线图 三相异步电动机空载特性 说明1 n由于电动机空载时，转速nn1，转子电流I20， 转子铜损pCu0，可忽略转子铜损，这时电动机的 空载损耗为： n在输入功率P0中扣除定子铜损后，剩下的功率为 P0，则有： n式中有三部分：铁损、机械损耗和附加损耗，其 中机械损耗pm只与转速大小有关，而与电压U1大 小无关。 说明2 n铁损pFe和空载附加损耗pad则与磁通的平方成正 比，即与U12成正比。为了从P0中分离机械损耗 pm，作P0=(U12)曲线，将图中的曲线延长与纵 坐标轴相交与0点，再通过0点作与横坐标轴的 水平虚线，将与电压无关的机械损耗pm从P0中 分离，虚线之上是pFe+pad，虚线之下是pm。若 想精确测得励磁参数，还需将铁损和空载附加损 耗分离。一般可近似认为： 说明3 n根据电压U1=U1N时，测得的空载试验数据P0和I0 可计算参数： n式中U1N、I0分别为额定相电压和相电流；P0为 测得的三相功率；P0、I0应取额定电压所对应的 数据。 n电动机空载时，转速nn1，转差率s0， “T”形等值电路中的附加电阻 ，转 子可认为开路，这样就有： n式中r1为定子电阻，可用电桥测得；x1为定 子漏电抗，可从堵转试验测得。 三相异步电动机的P0=f(U12)曲线三相异步电动机短路特性 n（2）短路试验 n短路试验是在电动机转子堵住不转动的条件下进 行的，故又称堵转试验。试验接线与空载实验相 同，只是电流表和功率表的电流线圈量程要变大 ，对于绕线式转子，应将转子绕组短路。堵转实 验可测得短路参数（rk、xk、zk）、定转子铜损。 试验时，由于转子堵转，加在定子绕组上的电压 要降低，与变压器短路试验相似，所加电压应使 电动机的短路电流为额定电流，因此一般应从 U1=(0.30.4)UN开始，监视电流表读数，逐渐加 压，使电流为额定值为止，然后在逐渐降低电压 ，同时记录定子相电压Uk、定子相电流Ik和输入的 三相功率Pk。根据试验数据作出短路特性Ik=(Uk) 、Pk=(Uk) 。 n根据堵转时的等值电路，机械损耗pm=0， 铁损pFe和附加损耗pad都很小，可忽略，则 输入功率Pk都消耗在定、转子的电阻上， 即： n式中rk=r1+r2为短路电阻，从而有： n对于大、中型异步电动机，一般可近似认 为： 本章小结1 异步电动机运