三相交流异步电机原理.ppt

2020/5/4,1,第5章三相交流异步电机原理,2020/5/4,2,5.1三相异步电动机的基本结构与工作原理,5.2三相交流电机的绕组,5.4三相交流绕组的感应电动势,5.5三相异步电动机的等效电路,5.6三相异步电动机的功率和转矩,5.7三相异步电动机的工作特性和参数测定,5.3三相交流绕组的磁动势,2020/5/4,3,5.1三相异步电动机的基本结构和工作原理,1轴承，2轴伸侧端盖，3转轴，4转子铁心，5吊环，6定子铁心，7出线盒，8机座，9定子绕组，l0非轴伸侧端盖，11风罩，12风扇,5.1.1三相异步电动机的基本结构,2020/5/4,4,1.定子部分,定子铁心的硅钢片,(1)定子铁心(2)定子绕组(3)机座和端盖,2020/5/4,5,定子绕组接线盒,星形(Y)联结,三角形()联结,2020/5/4,6,(1)转子铁心(2)转子绕组(3)转轴,转子铁心的硅钢片,2.转子部分,(1)转子铁心也是电动机主磁通磁路的一部分，一般由厚度为0.5mm的硅钢片冲片叠成。,2020/5/4,7,(2)转子绕组,绕线型转子绕组：对称三相绕组。笼型转子绕组：对称多相绕组。,绕线型三相异步电动机结构示意图,2020/5/4,8,三相绕线型异步电动机示意图,2020/5/4,9,绕线型三相异步电动机的转子,2020/5/4,10,笼型异步电动机的转子,铜条转子,铸铝转子,2020/5/4,11,5.1.2三相异步电动机的基本工作原理,对称三相绕组通入对称三相电流,旋转磁场（磁场能量）,磁感线切割转子绕组,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,三相交流电能,电磁转矩,2020/5/4,12,1.旋转磁场的产生,W2W1,V2V1,U1U2,三相(多相)电流三相(多相)绕组旋转磁场。三相绕组,2020/5/4,13,横截面,流出,流入,2020/5/4,14,iU=ImsintiV=Imsin(t120O)iW=Imsin(t120O),iUiViW,t=0o时iU=0，iV0，iW0,NS,2020/5/4,15,t=0o时iU=0，iV0，iW0,NS,t=120o时iU0，iV=0，iW0,2020/5/4,16,NS,t=240o时iU0，iV0，iW=0,t=360o时iU=0，iV0，iW0,NS,2020/5/4,17,旋转磁场的转速n1,2020/5/4,18,i变化一周i每秒钟变化50周i每分钟变化(5060)周,旋转磁场转一圈旋转磁场转50圈旋转磁场转3000圈,同步转速,n1=3000=60f1(r/min)同步转速n1的大小怎样改变？,旋转磁场的转速n1,2020/5/4,19,每相绕组由一个线圈组成,每相绕组由两个线圈串联组成,2020/5/4,20,t=0o时iU=0，iV0，iW0,N,S,N,S,N,S,N,S,t=120o时iU0，iV=0，iW0,2020/5/4,21,N,S,N,S,N,S,N,S,t=240o时iU0，iV0，iW=0,t=360o时iU=0，iV0，iW0,2020/5/4,22,当磁极对数p=2时电流变化一周旋转磁场转半圈,当磁极对数p=3时电流变化一周旋转磁场转三分之一圈,磁极对数为p时,2020/5/4,23,f=50Hz时：123456300015001000750600500,U(i)V(i)W(i)由电流领先相转向电流滞后相。由通入绕组中的电流的相序决定的。,旋转磁场的转向n1(n1的方向),怎样改变n1的方向?交换两相绕组中电流的相序。,2020/5/4,24,2.异步电动机的基本工作原理,用右手定则判断转子绕组中感应电动势和感应电流的方向。,用左手定则判断转子绕组受到的电磁力的方向。,电磁力电磁转矩Tem与n1同方向。,Tem驱动转子以n速旋转。,n与n1同方向。,Tem、n,2020/5/4,25,顺时针方向旋转,怎样改变转子的转向?,3,M3,3,M3,逆时针方向旋转,旋转方向？,2020/5/4,26,起动时：n=0,n=n1,转差率:,转子转速n与转差率s,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=n1,电磁转矩Tem=0,nn1,n,异步,2020/5/4,27,3.异步电机的运行状态,(1)电动机运行状态Tem与n同方向，为驱动性质。0nn1，1s0，sN=0.020.05。(2)发电机运行状态nn1，s0。Tem与n反方向，为制动性质。(3)电磁制动运行状态n0，s1。Tem与n反方向，为制动性质。,2020/5/4,28,3.异步电机的运行状态,0s10nn1,s0nn1,s1n0,发电机状态电动机状态电磁制动状态,2020/5/4,29,三相异步电机的四象限运行,正向电动机状态：n与Tem同方向0nn11s0,发电机状态：n与Tem反方向nn1s0,电磁制动状态：n与Tem反方向n0s1,反向电动机状态,n0s1,n=0s=1,0nn11s0,n=n1s=0,nn1s0,2020/5/4,30,5.1.3三相异步电动机的额定值和主要系列,1.额定值(1)额定功率PN(2)额定电压UN(3)额定电流IN(4)额定频率fN(5)额定转速nN(6)额定功率因数cosN(7)绝缘等级与温升,2020/5/4,31,三相异步电动机的铭牌,三相异步电动机型号Y132S6功率3kW频率50Hz电压380V电流7.2A联结Y转速960r/min功率因数0.76绝缘等级B,2020/5/4,32,【例5-1】已知一台三相异步电机的额定转速为1437r/min，试求这台电动机的极对数和额定转差率。,解：因为,则p=1时，n1=3000r/min；p=2时，n1=1500r/min；p=3时，n1=1000r/min；p=4时，n1=750r/min；p=5时，n1=600r/min；当n=1437r/min时：,2020/5/4,33,2.异步电动机的主要系列,Y2132S22,(1)型号,(2)主要系列我国生产的异步电动机有一百多个系列，五百多个品种。,2020/5/4,34,部分异步电动机系列产品及用途,2020/5/4,35,【例5-2】已知Y100L-2型异步电动机的额定功率PN=3.0kW，额定电压UN=380V，额定功率因数cosN=0.87，额定效率N=82%，额定转速nN=2870r/min，求电动机的额定电流和额定转矩。,解：额定电流为,额定转矩为,2020/5/4,36,5.2.1交流绕组的基本概念,5.2三相交流电机的绕组,1.空间电角度和机械角度空间电角度=p机械角度2.槽距角为相邻两槽中心线之间的电角度。如定子槽数为Z1，则,3.每极每相槽数,极对数,绕组相数,2020/5/4,37,4.极距,为旋转磁场每一磁极在定子内圆所占的距离。或为相邻两磁极中心线间的距离（槽数）。,5.线圈线圈是构成绕组的元件。放在槽中的部分称为线圈边。6.节距y1线圈两圈边之间的距离（槽数）。当y1=时，为整距线圈；当y时，为短距线圈；当y1时，为长距线圈。,2020/5/4,38,7.相带,每相绕组在一个极下连续占有的宽度。相带用电角度表示。三相对称绕组在槽中的安放次序为U1W2V1U2W1V2彼此互差60电角度，这就是60相带。,2020/5/4,39,5.2.2三相单层绕组,例如：Z1=12，p=1，m=3，y=。,1.极距和节距单层绕组为整距绕组，故y1=6。2.每极每相槽数q,3.槽距角,2020/5/4,40,首端尾端,两匝线圈,一相绕组接线图（单层）,4.划分相带,5.组成线圈和线圈组,2020/5/4,41,U1,简化的一相绕组接线图（单层）,U2,2020/5/4,42,2020/5/4,43,单层绕组的线圈数等于定子槽数的一半。当q1为分布绕组；当q=1为集中绕组。,三相单层整距分布绕组接线图,2020/5/4,44,例如：Z1=12，p=1，m=3，y1=5。由计算得：q=2，=30，=6，y。,5.2.3三相双层绕组,1,串联,U1U2,双层绕组的线圈数等于定子槽数。,优点：线圈能够任意短距，如果短距设计得当，可改善电动势和磁动势波形。,2020/5/4,45,5.3三相交流绕组的磁动势,5.3.1单相绕组的磁动势脉振磁动势1.整距线圈的磁动势,x=0,设线圈匝数为Ny，线圈磁动势为Nyi。,2020/5/4,46,一对极下的磁动势沿定子内圆的分布为,2020/5/4,47,矩形波的分解,基波磁动势基波磁动势的幅值,=fy1fy3fy5,2020/5/4,48,2.单层整距分布绕组的磁动势,123,2020/5/4,49,整距线圈组的合成基波磁动势幅值Fq1为,Fq1=qFy1kq1,基波磁动势的分布系数,(q个基波磁动势矢量和),2020/5/4,50,3.双层短距分布绕组的磁动势,等效为q3的两组单层整距分布绕组。,2020/5/4,51,短距线圈组的合成基波磁动势幅值F1为,基波磁动势的节距系数,基波绕组系数kW1,F1(p=1)=2Fq1ky1=2qFy1kq1ky1=2qFy1kW1kW1=kq1ky1,2020/5/4,52,4.单相绕组的磁动势,对于极对数为p，每极每相槽数为q的双层短距绕组有每对极下有两个线圈组，每个线圈组有q个Ny匝线圈，则相绕组每对极下的线圈匝数为2qNy，而相绕组的串联匝数为N=2pqNy，则,2020/5/4,53,结论：单相绕组的磁动势是脉振磁动势。F1的位置与该相绕组的轴线重合。分量F1是磁动势的主要成分，谐波次数越高，幅值越小；采取分布和短距绕组利于改善磁动势的波形。单相绕组的脉振磁动势近似按正弦规律分布，实际呈阶梯形分布。,2020/5/4,54,脉振磁场定子：单相绕组；转子：笼型。1.定子单相绕组产生的脉振磁场,SN,NS,2020/5/4,55,5.3.2三相绕组的合成磁动势旋转磁动势,1.三相绕组的基波合成磁动势,2020/5/4,56,f1(x,t)=fU1fV1fW1,基波合成旋转磁动势的幅值,f1(x,t)是一个在空间按正弦规律分布的恒幅、正向行波。,t0=0,t1=1,2020/5/4,57,旋转磁动势的转速：,波幅位置：F1的波幅位于电流达到最大值的那相绕组的轴线上。,2020/5/4,58,U相绕组轴线,iU=0iV=Imsin(120o)iW=Imsin120o,FU1=0FV1=F1sin(120o)FW1=F1sin120oF1=2FV1cos30o,图解法,2020/5/4,59,iU=ImiV=Imsin(30o)iW=Imsin210o,FU1=F1FV1=FW1,F=FU1FW1FV1,2020/5/4,60,结论：一个在空间按正弦规律分布且幅值随时间按正弦规律变化的脉振磁动势，可以分解为两个等速、相反旋转的旋转磁动势；每一个旋转磁动势的幅值为原脉振磁动势幅值的一半。,单相脉振磁动势的分解,2020/5/4,61,5.3.3三相定子绕组建立的磁场,1.主磁场,气隙长度；Bm1气隙磁密的幅值。,2.漏磁场,2020/5/4,62,5.4三相交流绕组的感应电动势,5.4.1集中整距线圈的感应电动势1.通过线圈U1U2的气隙磁通,=mcost,l线圈的有效长度；m每极磁通量。,2020/5/4,63,=Nymsint,2.线圈感应电动势的有效值为,3.分布绕组的感应电动势,2020/5/4,64,q个整距线圈构成一相绕组的一个线圈组；相邻两个线圈电动势的相位差为。设q=3，则,=qEy1kq1,R,2020/5/4,65,5.4.2短距绕组的感应电动势,Ey1=2Ec1,2020/5/4,66,5.4.3相电动势,=Ey1ky1,设电机有2p个磁极；如定子绕组为双层绕组，则共有2p个线圈组；如定子绕组为单层绕组，则共有p个线圈组；一相绕组的总串联匝数为N。则,E1=4.44f1kW1Nm,有效匝数,E1=4.44f1kq1ky1Nm,2020/5/4,67,5.5三相异步电动机的等效电路,5.5.1转子磁动势和电动势,=sf1(转差频率),1.转子感应电动势和电流的频率f2,2.转子磁动势F2的转速(1)F2相对于转子的转速,=sn1=n,(2)F2相对于定子的转速n2n=nn=(n1n)n=n1,2020/5/4,68,结论：转子旋转磁动势与定子旋转磁动势在空间是沿同一方向以同一速度旋转的，二者组成了统一的合成旋转磁动势，共同产生气隙旋转磁场。,2020/5/4,69,E1=4.44f1kw1N1mE2s=4.44f2kw2N2m=4.44sf1kw2N2m,定子绕组感应电动势的频率：,3.定、转子感应电动势的大小,(与交流电源同频率),当转子静止时：,E2=4.44f1kw2N2m(s=1，f2=f1),因此E2s=sE2,2020/5/4,70,5.5.2定、转子绕组的电压方程频率折算,1.定子电路的电压方程（每相）,R1、X1定子一相绕组的电阻和漏电抗。,Rm、Xm、Zm定子一相绕组的励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。,I0、I1L定子相电流的励磁分量和负载分量。,2020/5/4,71,2.转子电路的电压方程（每相）,X2s=2f2L2=2sf1L2=sX2R2转子绕组的相电阻；L2转子相绕组的漏电感；X2=2f1L2转子静止时的漏电抗。,频率折算：,求转子相电流：,2020/5/4,72,频率折算的含义：用一个电阻为R2/s的静止等效转子代替电阻为R2的实际旋转的转子，而等效转子的F2不变。,频率折算的意义：旋转的转子被等效的静止转子所代替，定、转子绕组即具有相同的频率；定、转子的感应电动势之比等于其有效匝数之比:kw1N1/(kw2N2)；可以把异步电动机看成是一个具有空气隙且二次绕组有可变电阻R2/s的变压器。,2020/5/4,73,频率折算后的等效电路,R1jX1,jX2sR2,f1,f2,m1、kw1N1m2、kw2N2,f1,f1,m1、kw1N1m2、kw2N2,2020/5/4,74,5.5.3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。等效的原则：保证电磁效应和功率关系不变。1.电动势的折算折算前：E2=4.44f1kw2N2m折算后：定、转子的电动势之比：,2020/5/4,75,2.电流的折算,折算前：,折算后：,=F2,电流比：,2020/5/4,76,3.阻抗的折算,折算前：,折算后：,阻抗比：,=keki,Z2=kZZ2,折算前后转子的损耗和漏磁场的磁场储能应保持不变。,2020/5/4,77,4.折算后的基本方程式,2020/5/4,78,5.5.4异步电动机的等效电路,2020/5/4,79,关于附加电阻,总机械功率：,2020/5/4,80,从等值电路分析异步电动机的运行状况,异步电动机空载时,异步电动机额定负载时,异步电动机起动时,属于转子短路并堵转,注意,当定子电压不变时，异步电动机从空载到负载主磁通和励磁电流的变化都不大。,2020/5/4,81,5.5.5异步电动机的简化等效电路,能否像变压器那样忽略励磁支路？,2020/5/4,82,5.6三相异步电动机的功率和转矩,5.6.1三相异步电动机的功率关系,1.输入功率P1,T形等效电路,P1=pCu1pFePem,pCu1,pFe,pCu2,Pm,Pem,2020/5/4,83,(1)定子铜损耗pCu1pCu1=m1R1I12=3R1I12(2)铁损耗pFe（转子铁损耗可忽略不计）pFe=pFe1=m1RmIm2=3RmIm2,P1=3U1I1cos1,P1=PCu1PFePem,2020/5/4,84,2.电磁功率Pem,Pem=P1pCu1pFePem=m2E2I2cos2,转子铜损耗pCu2pCu2=m2R2I22,Pem=pCu2Pm,pCu2=sPem转差功率,2020/5/4,85,3.总机械功率Pm,Pm=PempCu2,=(1s)Pem,4.输出功率P2P2=Pm(pmpad),机械损耗,附加损耗,P1,Pem,P2,Pm,空载损耗P0=pmpad,2020/5/4,86,总损耗pp=pFepCupmpad=pFe1(pCu1pCu2)pmpad功率平衡方程式P2=P1p效率,2020/5/4,87,5.6.2三相异步电动机的转矩关系,Pm=P2p0,Tem=T2T0,1.电磁转矩Tem,2.空载转矩T0,3.输出转矩T2,2020/5/4,88,电动机的负载转矩为TL，稳定运行时,T2=TL若TL,T2TL,n,s,E2s,I2s(I1),T2,T2=TL,重新稳定运行(n较高,I1较小)。,一般T0很小，在满载或接近满载时，,T0T2,因此Tem=T2=TL,2020/5/4,89,【例5-6】一台4极三相异步电动机，PN=90kW，UN=380V，联结，fN=50Hz，pCu1=1450.9W，pFe=1428.8W，pCu2=819.1W，pm=1800W，pad=1000W。试求：(1)总机械功率；(2)电磁功率；(3)额定转速；(4)电磁转矩；(5)空载转矩