《异步电动机》PPT课件.ppt

第三章异步电动机AsynchronousMotor 3 1三相异步电动机结构与铭牌数据3 2异步电动机的工作原理3 3异步电动机的运行特性3 4单相异步电动机 第三章小结 学习第三章应该注意的点 第三章学习应注意的几个问题 1 三相异步电动机是怎么转动的 2 分析三相异步电动机的方法是什么 3 三相异步电动机的性能如何 4 单相异步机怎么工作 本章主要计算任务 利用异步电动机电磁关系 功率平衡关系和有关特性进行电路 能量 机械量计算 比较难理解的点 1 磁场分解与合成 2 异步电动机结构 不作为重点 但要求知道基本结构及其特点 船舶交流电机 3 1三相异步电动机结构与铭牌数据 基本结构 主要了解点 结构组成作用 冷却方式 名词解释 铭牌数据 应掌握额定数据 功率 电压 电流 转速 功率因数 绝缘等级 温升 工作制 接法 铭牌 3 1 1三相异步电动机基本结构 异步电动机的种类 1 按定子相数分 单相异步电动机 两相异步电动机 三相异步电动机 2 按转子结构分 绕线式异步电动机 鼠笼式异步电动机 异步电动机组成 定子 转子 气隙 由机座 定子铁心和定子绕组三个部分组成的 1 定子 2 转子 有鼠笼式和绕线式两种 由转子铁心 转子绕组和转轴组成 定子与转子之间气隙小 在中 小型异步电动机中 气隙一般为0 2 2 0mm左右 3 气隙 机座与端盖 材料 铸铁 铸钢 作用 固定与支撑定子铁心 防护防护形式 开启式 防护式 防溅 滴 和封闭式 防护等级 IPXX 定子铁心 材料 0 5mm厚的硅钢片 目的是降低定子铁心里的铁损耗 电动机磁路的一部分 装在机座里 定子绕组 材料 定子绕组用绝缘的铜 或铝 导线绕成 按照一定的规律嵌放在铁心槽中 独立三相绕组引出六根出线头 接成Y形或 形 电机解剖图 电机的接线 Y形连接 形连接 转子铁心 材料 0 5mm厚的硅钢片 目的是降低定子铁心里的铁损耗 固定在转轴或转子支架上 是电动机磁路的一部分 转子绕组 鼠笼绕组 是一个自己短路的绕组 材料有 导条的有用铜的 也有用铝的 裸铜条插入转子铁心上的槽里 再用铜端环 短路环 套在伸了两端的铜条上 最后焊在一起 如图a所示 铸铝 就连同端环 风扇一次铸成 如图b所示 绕线式绕组 铁心槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组 转子绕组与定子绕组相似 一般都联接成Y形 用滑环 电刷装置引出来 如图所示 3 1 2额定数据 1 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速额定频率 额定功率因数2 防护等级 绝缘等级 工作方式 连续 短时 重复短时 断续 接法Y 对应电压380 220V 名词解释 极距 异步机气隙存在磁场 磁场中相邻两个磁极之间的距离 槽数 节距y 一个线圈两个边之间距离 槽数 每极每相槽数p 在一个磁极距离的范围内 分配给每相的槽数 单 双层绕组 每槽内只有一个线圈边为单层绕组 有两个线圈边为双层绕组 电角度 电量所对应的角度 电角度 e p m m机械角度 3 2 异步电动机的转动原理 本节的主要内容有三部分转动原理 交流三相异步电动机是任何转动的 旋转磁场 交流三相异步电动机旋转磁场的产生 转动方向 转速大小 转差率 转差率是异步电动机的重要参数之一 应该知道如何计算 不单单是查表 一 转动原理 三相对称绕组通入三相对称交流电 产生圆形旋转磁场 切割转子绕组 使之感应电势并感生电流 电流与旋转磁场相互作用 产生电磁转矩 使转子转动 转子转速n小于磁场转速n0 所以 异步 二 旋转磁场 图示法 输入 三相对称交流绕组通入三相对称交流电 结论 三相对称交流绕组通入三相对称交流电 在气隙将产生圆形旋转磁场 转向从超前相转至滞后相 A B C A 转速n0 60f p n0叫同步转速 旋转 二 旋转磁场 图示法 输入 三相对称交流绕组通入三相对称交流电 结论 三相对称交流绕组通入三相对称交流电 在气隙将产生圆形旋转磁场 转向从超前相转至滞后相 A B C A 转速n0 60f p n0叫同步转速 完成 二 旋转磁场 图示法 输入 三相对称交流绕组通入三相对称交流电 结论 三相对称交流绕组通入三相对称交流电 在气隙将产生圆形旋转磁场 转向从超前相转至滞后相 A B C A 转速n0 60f p n0叫同步转速 返回 二 旋转磁场 解析法 注 解析法不要求掌握 只提供给大家参考 三相电流瞬时值如书上P 27式 3 2 1 产生三相磁势 fA F cos x sin t fB F cos x 120 sin t 120 fC F cos x 120 sin t 120 利用三角函数公式 可以分别分解为 fA 0 5 F sin t x sin t x fB 0 5 F sin t x sin t x 120 fC 0 5 F sin t x sin t x 120 异步电动机气隙磁势F1为三相磁势的合成 矢量和 F1 fA fB fC 1 5 F sin t x Fmsin t x 这是一个旋转磁势 在物理学中称为行波 是时空函数 随着时间t的变化 总可以在空间上找到一点 使sin t x 1 三 转差率 定义式 书P 29 式 3 2 3 s n0 n n0异步电动机工作在电动状态时 1 s 0 n n0 否则就不是电动状态 额定负载时的转差率sn sn n0 nn n0普通异步电动机额定负载时的转差率很小 一般不超过0 1 即 sn 0 01 0 09 只有特殊用途的异步电动机 如 起重等用的电动机 sn才比较大 n0 nn 1 sn 将sn 0 01 0 09代入p 60f nn 1 sn 计算出两个最接近整数的p值 注意必须取两个值 然后将这两个p值代入n0 60f p和sn n0 nn n0进行验证 取满足sn 0 01 0 09的值 即可求得n0和p的确切数值 普通异步机极对数求解 已知 nn 求p 利用sn 0 01 0 09求解 第二节要点 转动原理 磁场 转 旋转磁场 转向 大小 转差率 例如 频率为50Hz p 的三相异步电动机 nn 275转 分 A 8B 9C 10D 11 若p 3000 275 10 9 11 错 解 p 60f 1 sn nn 3000 0 99 0 91 275 10 8 9 9 极对数p可能取值为10或11 验证 p 11时 n0 272 72 sn 0 001 0 不符合要求 p 10时 n0 300 sn 0 0833 0 09 符合要求 答案 C 3 3 定子和转子电路 本节的主要内容有三部分 定 转子电路 主要掌握 电压平衡方程式 等效电路 定 转子电流关系 主要掌握 磁势平衡方程式 一 定子电路 三相异步电动机定子是由三相对称交流绕组组成 三相绕组对称 只需分析一相 异步电动机工作时 一相定子绕组与单相变压器原边绕组相似 定子绕组通入交流电流后 将在铁心产生磁通 三相合成为旋转磁通 但对定子的一相绕组而言 也是变化磁通 同时与定子和转子绕组交链的磁通称为主磁通 只与定子交链的磁通称为漏磁通 主 漏磁通在定子上分别感应电动势的情况与变压器相似 E1 4 44k1f1N1 其中 k1 W1kW1 kW1是定子的绕组系数 定子绕组结构形式与变压器不同 短距 分布 是一个小于1的系数 电压平衡方程式与变压器完全相同 U1 R1 jX1 I1 E1 I1Z1 E1但是 必须注意 由于异步电动机存在气隙 所以其励磁电流大于变压器励磁电流 P 35 3行 I0 20 50 In 因此 异步电动机的漏磁通较大 漏抗及漏阻抗都比变压器大 三相定子产生的主磁通是旋转的磁通 以同步转速n0 60f1 p旋转的 平衡方程 二 转子电路 转子电量与频率 主磁通以相对转速 n n0 n sn0切割转子绕组 转子电量的频率f2 p n 60 spn0 60 sf1 转子频率f2是随转差率 或转速 变化的量 当电动机起动瞬时 n 0 f2 f1 因此转子感应的电动势及转子电路的漏抗分别为 E2 4 44k2f2N2 和X2 2 f2L2若用n 0时的转子电势E20和转子电路漏抗X20表示 则一般情况下 异步电动机转子电势和转子电路漏抗为 E2 4 44k2f2N2 sE20和X2 2 f2L2 sX20 注意 书P 43习题 作业 3 4 转子磁场相对定子的转速 应该先求其对转子的相对转速 然后求n21 n2 n 转子电流 I2 E2 R22 X22 1 2 sE20 R22 s2X202 1 2 E20 R2 s 2 X202 1 2 此式中电量的频率都是f1 转子功率因数 cos 2 R2 R22 X22 1 2 R2 R22 s2X202 1 2 转子电流和功率因数 等效电路 异步电动机的等效电路不做要求 电阻 R2 s R2 R2 s R2 R2 1 s R2 s由转子电流表达式I2 E20 R2 s 2 X202 1 2可知 异步电动机转动后 转子电路比静止时多了电阻 1 s R2 s 当s 1 这个电阻 0 相当于转子电路处于短路状态 当s 0 这个电阻 相当于转子电路处于开路状态 异步电动机转动后 转子电路比静止时多了这个电阻 其实这是电动机机械负载在转子一相电路中的等效 这个电阻消耗的功率等于异步机通过轴上输出的机械功率 这就是异步电动机的等效电路 三 定子电流与转子电流的关系 异步电动机转动后 转子电路的等效电阻 1 s R2 s增加 I2减小 当s 1 1 s R2 s 0 异步电动机起动 转子电路相当于处于短路状态 此时电流很大 随着n的增加 I2不断减小 当s sn 0 01 0 09时 转子电阻相当大 I2减小到额定值 和变压器相似 异步电动机的转子电流产生的磁势也具有去磁性质 磁势的平衡方程式如书P 31式 3 2 11 和式 3 2 12 当机械负载增加 转速降低 电阻R2 s减小 I2增大 去磁作用增强 I1也随之增大 由式 cos 2 R2 R22 s2X202 1 2可知 当s 1 n 0 即起动 时 异步电动机的功率因数最低 额定运行时 sn 0 01 0 09 异步机功率因数相当高 当s 0时 虽然cos 2 1 但 I2 0 I1 I0 cos 1很低 第三节要点 电压平衡方程 电路 磁势平衡方程 磁场转速 转子电流与功率因数 3 4 三相异步电动机的运行特性 本节的主要内容有三部分 电磁转矩 主要掌握 电磁转矩各种表达式和异步电动机能量关系 机械特性 机械特性是分析异步电动机工作的重要特性 应该能够根据特性等对异步电动机进行计算和定性分析 是本节的重点 工作特性 主要了解工作特性的种类 条数 及大致形状 一 电磁转矩 转矩等于功率除角速度 T P 功率流图 功率流图又叫能流图 或能量流程图 功率流程图 说明的是功率或能量的传递过程 电磁转矩物理表达式 设 异步电动机转子有m2相绕组 由主磁通通过气隙传递给转子的电磁功率为 Pe m2sE20I2cos 2 m2s 4 44k2f1N2 I2cos 2 T s 0T 电磁转矩物理表达式 T KTI2 cos 2 注意 电磁功率还可以表示为 Pe m2I22R2 s 所以 Pcu2 sPe 说明 铁损在功率流图中只有PFe1一项 并不说明转子没有铁损 功率流图说明 异步电动机的转子铁心也有铁损产生 但是这个损耗是由定子励磁电流提供的 能量还没有传递到转子 就已经扣除这部分损耗了 因此在转子的能量中就不应该再扣除转子铁损 功率流图 二 机械特性 机械特性是指转矩T和转速n之间的关系 异步电动机的机械特性用T s关系曲线表示 也就是说 异步电动机的机械特性是T和s之间的关系 机械特性上的关键点 机械特性上的关键点主要有 起动点 临界点 额定工作点和理想空载转速点 4点 注意 机械特性 有固有特性和人工特性 这部分要求 记住书上各公式 能够求T Tst和Tmax及转矩实用公式等 影响机械特性的因素 影响机械特性因素主要有 电压 和转子电阻 电压 最大转矩大小变化 但临界转差率不变 转子电阻 最大转矩不变 但临界转差率变化 机械特性变化 起动转矩同时发生变化 三 工作特性 定义 工作特性是指在电压和频率都为额定时 转速 转差率 定子电流 定子功率因数 电磁转矩 效率等6个量随负载功率变化的特性 只有工作时负载功率才变化 称为工作特性 工作特性主要了解各条曲线形状及变化原因 尤其是效率 定子电流和定子功率因数3条 要求知道 为什么效率在0 75Pn时最高 定子电流和功率因数在起动 空载 半载 额定负载等情况下的大小 异步电动机工作特性主要有 转速 转差率 定子电流 定子功率因数 电磁转矩和效率特性等6条 随P2变化而变化 条件是 电源电压U1 频率f1保持恒定 第四节要点 机械特性 曲线 点 影响 直线段 电磁转矩 影响因素 典型转矩 公式 工作特性曲线 10KW电机的特性 3 5 三相异步电动机的起动 本节的主要内容有三部分 起动性能 主要掌握 对电动机的起动要求和异步电动机的起动性能 起动方法 主要掌握 异步电动机起动方法及其特点 是本节重点 高起动转矩鼠笼式电动机 主要掌握 高起动转矩鼠笼式异步电动机改善起动性能的原理 一 起动性能 对电动机的起动要求 生产设备对电动机起动的要求主要有3点 1 起动电流小 2 起动转矩大 3 起动时间短 异步电动机的起动性能 1 起动电流大 是额定电流的4 7倍 原因起动时 n n0 n n 0 很大 I2 e2 Blv 很大 I1 类似变压器 Ist很大 2 起动转矩不大 仅为额定转矩的1 0 2 2倍 T KT I2cos 2I2大 公式8 3 14 cos 2小 公式8 3 15 起动电流大容易造成对电网的冲击 影响其它设备的正常运行 起动转矩不大 起动时不仅使起动时间增加 生产效率降低 而且可能克服不了电动机的阻转矩 至少应为额定转矩的1 1倍才能顺利起动 结论 异步电动机起动性能有时不能满足生产设备要求 二 起动方法 异步机起动方法有 1 全压 直接 起动 2 降压起动 为了提高异步机的起动转矩 在电源容量允许时鼠笼式通常采用全压起动 绕线式则不允许全压起动 注意其原因 降压起动 是在起动时降低异步电动机电源电压 等到电动机转速升高到一定值 或接近额定转速 此时电动机起动电流已大大减小 后 再将电源电压增加到额定电压 鼠笼式异步电动机降压起动方法主要有 1 定子绕组串电阻或电抗器降压起动 2 Y 降压起动 3 自耦变压器降压起动 绕线式异步电动机起动方法主要有 1 转子回路串电阻起动 2 转子回路串频敏电阻起动 不能全压起动的原因是转子为线绕式 抗击起动电流的冲击能力小 鼠笼式异步机串电阻或电抗降压起动 方法 起动时将起动电阻或电抗串接在定子电路中 起动结束后将起动电阻或电抗切除 串电阻 起动时功率因数较大 但耗能也较大 串电抗 不耗能 但起动时功率因数低 起动电流和转矩都降低 鼠笼式异步电动机Y 降压起动 方法 起动时将定子绕组接成Y形 转速升高后再接成 形 起动电流和转矩都降低为 形时的1 3 适用场合 1 正常工作时定子为 形连接鼠笼式异步电动机 2 空载或轻载起动 Y 连接 起动线路 鼠笼式异步电动机自耦变压器降压起动 方法 起动时将定子绕组通过自耦变压器降压 转速升高后再直接接电源 特点 起动电流和转矩都降低为全压起动时的1 k2 可选用不同变比适合不同场合 适用 重载起动 比半载略重 比额定负载轻 绕线式异步电动机的起动 方法 转子绕组通过滑环和电刷引出电机 并与三相变阻器连接 起动时 变阻器的电阻最大 接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零 起动结束 适用 带额定负载起动 开始起动 绕线式异步电动机的起动 方法 转子绕组通过滑环和电刷引出电机 并与三相变阻器连接 起动时 变阻器的电阻最大 接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零 起动结束 适用 带额定负载起动 起动完成 绕线式异步电动机的起动 方法 转子绕组通过滑环和电刷引出电机 并与三相变阻器连接 起动时 变阻器的电阻最大 接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零 起动结束 适用 带额定负载起动 返回 三 高起动转矩鼠笼式异步电动机 高转差率鼠笼式异步机 由于转子电阻增大 起动转矩增大 因此 如果鼠笼式异步电动机的鼠笼导体采用电阻率高的材料制造 将可以增大起动转矩 由绕线式异步机机械特性可知 转子电阻增大 额定运行时的转差率增大 因此这种电机称为高转差率异步电动机 高转差率异步机转子电阻大 额定运行时转子的铜损增加 效率降低 适用于起重机械 集肤效应又叫趋肤 集表 趋表效应 它是高转差率鼠笼式异步电动机工作的主要依据 集肤效应 是指交流电流在导体中流动时 由于电抗的作用使电流往导体表面集中的现象 此时相当于导体有效截面积减小 电阻增大 集 趋 肤 表 效应 深槽式鼠笼异步电动机 工作原理 如果将鼠笼转子制造成深槽式 在电动机起动时 由于转子频率高集肤效应明显 转子实际电阻较大 可得到较大的起动转矩 当起动结束后 由于转子频率很低集肤效应不明显 转子实际电阻小 从而降低正常运行时的转子铜损 机械特性如图所示 机械特性 高转差率 结构 双鼠笼异步机转子有两套鼠笼绕组 内笼电阻小 外笼电阻大 原理 起动时 由于集肤效应明显 外笼起主要作用使起动转矩大 正常工作时 集肤效应不明显 内笼起主要作用 可在一定程度上减少铜损 双鼠笼异步电动机 双笼结构 机械特性 高起动转矩异步电动机特点与用途 主要特点 1 起动转矩大 2 额定转差率大 铜损大 不论是深槽式鼠笼异步机或是双鼠笼异步机 正常运行时转子的漏抗都比普通鼠笼式异步机转子漏抗大 因此 它们的临界转差率和额定转差率都比普通机大 额定运行时的铜损也相对较大 效率相对较低 主要用途 起重设备 要求起动转矩大的其它设备 船上 空压机 分油机 容积泵等电机 例 某船有一台分油机用异步电动机烧毁 因铭牌烧坏 后用一台功率相同的鼠笼异步电动机更换 通电起动时发现熔断器不到1分钟就熔断 维修人员检查不出故障 试问其原因可能是 A 电机绝缘低B 机械故障C 电机质量差D 采用普通鼠笼电机 第五节要点 起动性能 要求 方法 直接 条件 降压 方法 目的 特殊鼠笼式 高转差率 深槽 双鼠笼 原理 实例分析 答案是 D 3 6 单相异步电动机 本节的主要内容有三部分 单相脉振磁场 主要知道单相脉振磁场的特点 机械特性 分析单相磁场作用下异步电动机的机械特性 起动方法 掌握单相异步电动机的起动原理和方法 单相异步电动机的用途很广 主要用在小功率电气设备的动力拖动和家用电器等 一 单相异步电动机的起动 单相异步电动机只有一个工作绕组 通入单相电源后 在单相绕组中只流过单相正弦电流 它所产生的磁场不是旋转磁场 而是在空间不旋转的正弦脉动磁场 下面说明 由于没有旋转磁场 所以 单相异步电动机没有自起动能力 但借助于外力 比如用手将转子向某一个方向拔动一下 则电动机就在该方向上自行加速并达到稳定转速 与此相似 如果三相异步电动机断相 也称缺相 电源断或绕组断 同样也不能自行起动 而若是在运行过程中发生断相 虽能继续转动 但如处于重载时发生断相 则将迫使s变大 n 造成大电流运行 以保持转矩的平衡 I1 I1N 若无过载保护 就会烧毁电机的绕组 关于磁场的分析 三相对称交流绕组通入三相对称交流电 在气隙中将产生圆形旋转磁场 旋转磁场转向为从超前相到滞后相 转速n0 60f1 p 转 分 或 f1 p 转 秒 只有三相对称才能产生圆形旋转磁场 若三相不对称 则产生椭圆形旋转磁场 若是单相电流 产生的是脉振磁场 脉振磁场的分析 可以采用 双旋转理论 分解为正 反两个旋转磁场 脉振磁场就是这两个旋转磁场共同作用的结果 双旋转理论 根据第二节的分析 单相脉振磁势可以利用三角函数的公式分解为 fA 0 5F sin t x sin t x 其中 0 5F sin t x 和0 5F sin t x 分别为正 反两个旋转磁场 其幅值一样 转速相同 转向相反 这就是双旋转理论 脉振磁场与正反向旋转磁场的关系如下图所示 单相脉振磁场 fA F sin tcos x fA fA 0 5F sin t x 0 5F sin t x fA是一个脉振磁场 两个分量幅值相同 转向相反 合成后空间位置x不变 但大小和方向随时间不断变化 式中 x是空间 位置 坐标 原点在A X的轴线上 开始脉振 单相脉振磁场 fA F sin tcos x fA fA 0 5F sin t x 0 5F sin t x fA是一个脉振磁场 两个分量幅值相同 转向相反 合成后空间位置x不变 但大小和方向随时间不断变化 式中 x是空间 位置 坐标 原点在A X的轴线上 停止脉振 返回初态 单相脉振磁场 fA F sin tcos x fA fA 0 5F sin t x 0 5F sin t x fA是一个脉振磁场 两个分量幅值相同 转向相反 合成后空间位置x不变 但大小和方向随时间不断变化 式中 x是空间 位置 坐标 原点在A X的轴线上 单相脉振磁场的特点 1 转子静止时 单相脉振磁场无驱动力矩 2 转子转动时 单相脉振磁场可产生一定的驱动力矩 保持转子继续旋转运行 关于单相异步电动机的结论 1 单相异步电动机不能自行起动 应采取其它方法才能起动 2 单相异步机转动时产生的电磁转矩比较小 转差率较大 电机电流较大 单相脉振磁场与单相异步电动机特点 单相异步电动机的机械特性是其正 反两个旋转磁场单独的机械特性的合成特性 由于两个旋转磁场幅值一样 转速相同 转向相反 所以两条机械特性以原点对称 合成的单相异步电动机的机械特性是一条过原点的特性 所以 单相异步电