[工学]第4章 国家规划课程-电机与拖动-三相异步电动机的基本原理.ppt

山东工商学院信电学院 1 第四章异步电机 一 三相异步电动机原理 交流电机有两大类 异步电机和同步电机 同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系 异步电机则不然 异步电动机定子接上交流电源后 形成旋转磁场 依靠电磁感应作用 使转子绕组感生电流 产生电磁转矩 实现机电能量转换 山东工商学院信电学院 2 异步电动机主要用作电动机 拖动各种生产机械 异步电动机的优点 结构简单 容易制造 价格低廉 运行可靠 坚固耐用 运行效率较高和具有适用的工作特征 异步电动机的缺点 功率因数较差 异步电动机运行时 必须从电网里吸收落后性的无功功率 它的功率因数总是小于 山东工商学院信电学院 3 一 三相异步电动机的工作原理与运行状态 第一节三相异步电动机的工作原理及结构 直流电机的工作原理 通过静止的磁场与以传导方式通入电枢绕组中的电流互相作用而产生一种恒定方向的电磁力 山东工商学院信电学院 4 1 旋转磁场的产生 旋转磁场 一种极性和大小不变 并且以一定转速旋转的磁场 A X B Y C Z三个线圈在空间上彼此互隔120 分布在定子铁心内圆的圆周上 构成了对称三相绕组 B相从A相后移120 C相从B相后移120 A相从C相后移120 山东工商学院信电学院 5 当三相对称绕组接上三相对称电源 就产生旋转磁场 山东工商学院信电学院 6 式中 n0为同步转速 单位r min p为极对数 f1为交流电源的频率 山东工商学院信电学院 7 二 异步电动机基本工作原理 e方向用右手定则确定 f方向用左手定则确定 磁场旋转 山东工商学院信电学院 8 三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组 接通三相对称电源后 在定子 转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场 异步电动机运行的三要素 转子导条被这种旋转磁场切割 在导条内产生感生电流 磁场又对导条产生电磁力 于是转子就跟着旋转磁场旋转 1 旋转磁场 3 转差率 2 转子闭合 山东工商学院信电学院 9 1 线圈跟着磁铁转 两者转动方向一致 2 线圈比磁场转得慢 3 三相异步电动机的转速与运行状态 山东工商学院信电学院 10 设电源频率为f1 电机极对数为p 旋转磁场的转速称为同步转速为n0 转子转速为n n n0 n称为转差 转差表示为同步转速的百分值 称为转差率 用s表示 同步转速 转子异步转速 山东工商学院信电学院 11 例4 1 有一台50Hz的三相异步电动机运行 空载转差率为0 267 额定转速为求该电动机的极对数 同步转速 空载转速以及额定负载时的转差率 解 额定转差率 同步转速 考虑本题的额定转速 极对数 空载转速 山东工商学院信电学院 12 山东工商学院信电学院 13 山东工商学院信电学院 14 二 三相异步电机的结构 绕线转子异步电机剖面图1 转子绕组2 段盖3 轴承4 定子绕组5 转子6 定子7 集电环8 出线盒 山东工商学院信电学院 15 山东工商学院信电学院 16 1 定子 异步动机的定子由定子铁心 定子绕组和基座三部分组成 山东工商学院信电学院 17 定子冲片和定子线圈 山东工商学院信电学院 18 机座 山东工商学院信电学院 19 2 转子 异步动机的转子由转子铁心 转子绕组和转轴组成 山东工商学院信电学院 20 笼型转子 山东工商学院信电学院 21 2 绕线型绕组 山东工商学院信电学院 22 3 气隙 定子与转子之间的间隙 0 2 2 5mm气隙越大 功率因数越低 气隙过小 装配困难 山东工商学院信电学院 23 第二节异步电动机的铭牌数据 1异步电动机的型号电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成 其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字 再用该汉字的第一个拼音字母组成 例如Y 异 yi 系列三相异步电动机表示如下 山东工商学院信电学院 24 Y100L1 2 异步电动机极数 铁心长度代号 机座中心高机座长度代号 山东工商学院信电学院 25 2 异步电动机的额定值 额定功率 电动机在额定运行时输出的机械功率 单位kW 额定电压 在额定运行状态下 电网加在定子绕组的线电压 额定电流 电动机在额定电压下使用 输出额定功率时 定子绕组中的线电流 额定频率 我国的电网 标准频率为50Hz 额定转速 电动机在额定电压 额定频率及额定功率下的转速 单位r min 此外 铭牌上还标明绕组的相数与接法 星形还是三角形 绝缘等级及允许温升等 对绕线转子异步电动机 还标明转子的额定电动势及额定电流 山东工商学院信电学院 26 第三节三相异步电动机的定子绕组 按定子相数分有 单相 两相 三相绕组按槽内层数分有 单层 双层 单双混合绕组按绕组端接部分形状 同心式 交叉式 链式双层绕组又分为 单波和单叠绕组按每极每相占的槽数 整数槽和分数槽 山东工商学院信电学院 27 一 交流绕组的一些基本知识和基本量 1 电角度与机械角度电机圆周在几何上分成360 这个角度称为机械角度 若磁场在空间按正弦波分布 则经过N S一对磁极恰好相当于正弦曲线的一个周期 因此 一对磁极所占有的空间是360 电角度 可见 一个具有p对磁极电机 电机圆周按电角度计算就为p 360 而机械角度总是360 感应电势 电流变化一周 相应的角度为电角度 电角度 p 机械角度 山东工商学院信电学院 28 2 线圈 组成交流绕组的单元是线圈 线圈是由一匝或多匝串联而成 它有两个引出线 一个称为首端 另一个称为末端 3 节距 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距 用y1表示 一般用槽数计算 节距应该接近极距 整距绕组 短距绕组 长距绕组 山东工商学院信电学院 29 4 槽距角 相邻槽之间的电角度称为槽距角若Q1为定子槽数 p为极对数 则槽距角 5 每极每相槽数q 每一极每相绕组所占槽数 用符号q表示 山东工商学院信电学院 30 二 交流绕组的排列和联接 假设给定电机极数2p 4 槽数Q1 24 三相单层叠绕组 1 极距的计算 若2p 4 Q1 24 则 6 2 节距 单层绕组采用整矩 3 相带 每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为 相带 q Q1 2mp 每个相带为60 电角度 槽距角 山东工商学院信电学院 31 2 线圈中的电流方向 计算完极距后 再要弄清线圈绕组中的电流方向 进而弄清由此电流所产生的磁动势 山东工商学院信电学院 32 三相绕组排列和联接的一般方法为 计算极距 计算每极每相槽数 划分相带 组成线圈组 按极性对电流方向的要求分别构成各相绕组 3 确定相带和画定子槽的展开图 A B C 山东工商学院信电学院 33 三 三相单层绕组 单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边 整个绕组的线圈数等于总槽数的一半 用定子槽数为24 两极电机的定子绕组为例 说明单层绕组构成 1 计算极距 2 计算每极每相槽数 3 划分相带 山东工商学院信电学院 34 4 组成线圈组 山东工商学院信电学院 35 四 三相双层绕组 双层绕组的每个槽内都有上下两个线圈边 每个线圈的一个边放在某一个槽的上层 另一边放在相隔节距y1的另一个槽的下层 整个绕组的线圈数等于槽数 以下用3相4极36槽的双层叠绕组为例 说明3相双层绕组的排列和联接 1 计算极距 2 选择节距 3 计算每极每相槽数 计算槽距角 山东工商学院信电学院 36 按每极每相槽数划分相带 山东工商学院信电学院 37 画展开图 山东工商学院信电学院 38 按每极每相槽数划分相带 山东工商学院信电学院 39 组成线圈组 山东工商学院信电学院 40 第四节三相异步电动机的定子磁动势及磁场 一 单相绕组的磁动势 脉振磁动势 一 整距线圈的磁动势 山东工商学院信电学院 41 由于电流时交变的 所以 线圈中通以交流电流 山东工商学院信电学院 42 整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时 空间的分布总是一个矩形波 这种从空间上看位置固定 从时间上看大小在正负最大值之间变化的磁动势 称为脉振磁动势 山东工商学院信电学院 43 四极整距线圈的磁动势 同理 对于4极电机 其磁势如下图 脉振频率同电源频率 但是矩形增多了一倍 山东工商学院信电学院 44 应用傅氏级数对矩形波进行分解 矩形波中含有1 3 5 等奇次谐波 又对称于纵轴 山东工商学院信电学院 45 山东工商学院信电学院 46 二 线圈组的磁动势 1 整距线圈的线圈组磁动势 A 1 A 3 A 2 X 3 X 1 X 2 F 1 F 3 F 2 F 1 F 2 F 整矩线圈组的磁动势分布 山东工商学院信电学院 47 线圈组的合成基波磁动势为 基波磁动势的分布因数 山东工商学院信电学院 48 山东工商学院信电学院 49 例4 2 一台四极三相异步电动机 定子槽数为36 计算其基波和5次 7次谐波磁动势的分布因数 解计算每相每极槽数q和 值 基波分布因数 五次谐波分布因数 七次谐波分布因数 山东工商学院信电学院 50 2 短距线圈的线圈组磁动势 山东工商学院信电学院 51 同理 对于v次谐波 式中 称为基波磁动势的节距因数 基波绕组因素 山东工商学院信电学院 52 三 相绕组的磁动势 绕组由集中的改为分布的 基波合成磁动势幅值应该打一个折扣kq1 线圈由整距改为短距的基波合成磁动势幅值应该打一个折扣ky1 因此 由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数kw1 kq1ky1 称为基波绕组因数 对于v次谐波kwv kqvkyv 极数为p 每极每相槽数为q 如果每个线圈匝数为Ny 则一相匝数为2qNyN 2qNy 山东工商学院信电学院 53 3 单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为 而v次谐波磁动势幅值为 谐波次数越高 幅值越小 对于单相绕组磁动势 可以归纳以下几点 1 单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定 幅值随时间变化的脉振磁动势 2 单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合 山东工商学院信电学院 54 二 三相绕组的磁动势 旋转磁动势 取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点 并且以正相序方向作为x的正方向 同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点 则三相的基波磁动势为 基波磁势空间分布规律 基波磁势时间分布规律 山东工商学院信电学院 55 利用三角公式 将三相基波磁势相加 得出三相绕组的基波合成磁动势 式中 山东工商学院信电学院 56 三相绕组合成磁动势是一个大小不变 旋转的行波 可以按以下方法确定其转速 对于波幅这一点 其幅值恒为F1 由公式 说明 在与时间起始点相隔t1时 可以在与空间坐标原点相距x1的地方找到F1这个幅值 山东工商学院信电学院 57 当时间t增大以后 要使 x必须增大 即波幅这一点必须离开原点 离开的距离假设为x 则有 山东工商学院信电学院 58 可以得出结论 当某相电流达到最大值 旋转磁动势的幅值就将转到该相绕组的轴线处 山东工商学院信电学院 59 如果电流是正序的 则磁动势波旋转方向是从A相转向B相 再转向C相 如果电流是负序的 则磁动势波旋转方向是从A相转向C相 再转向B相 因此 如果要改变三相异步电动机磁场的旋转方向 只要改变定子电流的相序 把定子绕组三个出线端的任意两个 例如B端和C端 对调即可 从而可得出 山东工商学院信电学院 60 从上式可以看出 一个正弦分布的幅值为F 1 的脉振磁势波可以分解为两个幅值相等 转速相同 转向相反的旋转磁动势波 其幅值均为F 1 2 转速均为同步转速 三相基波合成磁动势具有以下特性 1 是一个旋转磁动势 转速均为同步转速 旋转方向决定于电流的相序 2 幅值F1不变 为各相脉振磁势幅值的1 5倍 旋转幅值轨迹是一个圆 3 三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时 三相基波合成磁动势的幅值 恰好在这一组绕组的轴线上 山东工商学院信电学院 62 需要指出 m相对称绕组中通以m相对称电流时 所形成的m相合成磁动势也是圆形旋转磁动势 其幅值为各相脉振磁动势幅值的m 2 其转速仍为同步转速 用同样方法可以分析各次谐波磁动势 当v 6K 1 K 1 2 3 即 v 5 11 谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相反 当v 6K 1 K 1 2 3 即 v 7 13 谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相同 谐波合成磁动势的转速为n0v n0 v 当v 6K 3 K 1 2 3 即 v 3 9 谐波合成磁动势等于零 山东工商学院信电学院 63 三次谐波表达式为 山东工商学院信电学院 64 第五节三相异步电动机定子绕组的电动势 一 线圈的感应电动势 气隙磁密分布 讨论定子绕组内感应电动势时 气隙磁场切割定子绕组可以看成下图中所示的转子旋转 在定子绕组中所感应产生的电动势 山东工商学院信电学院 65 若转子转速用电角度 来表示 则时间为t时 有 旋转磁场的同步转速 所以用电角度表示的同步转速 因此气隙磁密的分布也可以写为 1 整距线圈的电动势 山东工商学院信电学院 66 整距线圈的电动势 电角度为内通过的磁通 一个极距内的磁通 每极磁通 所以有 1 整距线圈的电动势 续 山东工商学院信电学院 67 得整距线圈的瞬时电动势为 整距线圈的电动势有效值为 1 整距线圈的电动势 续 山东工商学院信电学院 68 2 短距线圈的电动势 短距线圈缩短的电角度为 因此一个极距内的磁链为 利用和差化积公式有 瞬时值的表达式 山东工商学院信电学院 69 有效值的表达式 节距因素的物理意义与磁动势的雷同 对于短距线圈 电动势的相量为各线圈边相量的矢量和 而对于整距线圈 电动势相量为各线圈边的代数和 2 短距线圈的电动势 续 山东工商学院信电学院 70 二 线圈组的感应电动势 每个相绕组先由均匀分布的相同的线圈去组成线圈组 再由线圈组连接而成 线圈组中每个线圈的匝数相