三相异步电动机工作原理

电机的概述,电机的定义电机是一种能实现电能和机械能相互转换的电气装置，是电动机和发电机等的统称。做为电源，将机械能转换为电能的电机称为发电机；将电能转换为另一种形式电能的电机，包括变压器、变流机变频机、移相器等；在电气机械系统中起调节、放大和控制作用的称为控制电机。电机的重要性拖动生产机械，将电能转换为机械能的电机称为电动机；电机是与电能的生产、传输、分配、使用有着密切关系的电磁机械。应用非常广泛学习电机的相关基本理论和分析方法具有重要意义。,交流电动机感性认识,下面是它主要部件的拆分图。,一、三相异步电动机基本结构右图是一台三相笼型感应电动机的外形图。,第二章三相异步电动机第二节三相异步电动机的原理一、旋转磁场1.演示实验旋转磁场感应电动势电流电磁转矩转子转动的方向与磁极旋转方向是相同。2.旋转磁场一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。,二、三相异步电动机的工作原理异步电动机原理模型,e,i,磁铁,闭合线圈,人为转动,感应电流受力而旋转,感生电流,旋转磁场产生的条件,从理论分析和实践证明，在对称三相绕组中流过对称三相交流电时会产生这种旋转磁场。,对称三相绕组,三相对称绕组就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此互隔120、对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组，如图所示。,iA,iB,iC,二、三相异步电动机的旋转磁场的产生,二、三相异步电动机的旋转磁场的产生1.对称三相绕组3个外型、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此互隔120、对称地放置到定子槽内的3个独立的绕组。,由电网提供的三相电压是对称三相电压，由于对称三相绕组组成的三相负载是对称三相负载，每相负载的复阻抗都相等，所以，流过三相绕组的电流也必定是对称三相电流。,2。对称三相电流,旋转磁场的产生,选定t=0、120、240、360四个特定瞬间考察三相电流产生的合成磁效应，说明旋转磁场的产生,并规定：电流为正值时，从每相线圈的首端入、末端出；电流为负值时，从末端入、首端出。用符号表示电流流出，用表示电流流入。,UVW,i1=Imsinti2=Imsin(t120O)i3=Imsin(t120O),i1i2i3,t=0O时i1=0，i20，i30,NS,t=0O时i1=0，i20，i30,NS,t=120O时i10，i2=0，i30,三相异步电动机的工作原理,NS,t=240O时i10，i20，i3=0,t=360O时i1=0，i20，i30,三相异步电动机的工作原理,NS,2.旋转磁场的方向,旋转磁场的旋转方向决定于通入定子绕组中的三相交流电源的相序，且与三相交流电源的相序，的方向一致只要任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序，旋转磁场即反转因此要改变电动机的转向，只要改变旋转磁场的转向即可,旋转磁场的转向U(i1)V(i2)W(i3)由超前相转向滞后相。由通入绕组中的电流的相序决定的。怎样改变n0的方向?V(i1)U(i2)W(i3),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,.旋转磁场的转速,同步转速n1的大小怎样改变？,三相异步电动机的工作原理,n1=3000=60f1(r/min),旋转磁场的旋转速度称为同步转速,每相绕组由一个线圈组成,每相绕组由两个线圈串联组成,三相异步电动机的工作原理,当三相对称电流通入三相对称绕组，必然会产生一个大小不变，且在空间以一定的转速不断旋转的旋转磁场。,绕组按一定规律绕制，产生的旋转磁场可相应达到1对、2对、3对等多对磁极。,t=0O时i1=0，i20，i30,N,S,N,S,磁极对数pp=2电流变化一周旋转磁场转半圈n1=1500,当磁极对数p=3时n1=1000,三相异步电动机的工作原理,结论旋转磁场的转速n1取决于电流频率f和磁极对数p。,p磁极对数f电流频率,二、三相异步电动机的工作原理,当定子接通三相电源后，即在定、转子之间的气隙内建立了一同步速为n1的旋转磁场。磁场旋转时将切割转子导体，根据电磁感应定律可知，在转子导体中将产生感应电势，其方向可由右手定则确定。磁场逆时针方向旋转，导体相对磁极为顺时针方向切断磁力线。转子上半边导体感应电势的方向为流进，用表示；下半边导体感应电势的方向为流出，用表示。,因转子绕组是闭合的，导体中有电流，电流方向与电势相同。载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则确定。这样，在转子导条上形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向转动。,5、转差率（异步原理）,旋转磁场的转速与转子（电动机）的转速之差称为转差，转差与旋转磁场的转速之比称为转差率，用s表示，即,A,Y,C,B,Z,X,n1,n,旋转磁场转速,电动机转速,转差率,转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：,额定运行时，转差率一般在0.020.06之间，即电机转速接近同步转速。,转差率:,转子转速:n=(1s)n1=(1-s)60f/p,起动时n=0，s=1理想空载时n=n1，s=0正常运行时0nn1，1s0额定运行时sN=0.010.09,三相异步电动机的工作原理,n0s1,n=0s=1,0nn11s0,n=n1s=0,nn1s0,工作原理,三相交流电源接通三相定子绕组,定子绕组产生三相对称电流,三相对称电流在电机内部建立旋转磁场,旋转磁场与转子绕组产生相对运动(切割),转子绕组中产生感应电流,感应电流转子绕组(感应电流)在磁场中受到电磁力的作用,在电磁力作用下，转子逆时针方向开始旋转，转速为n。,三相对称电流,旋转磁场,感应电流,由此可知，异步电动机是通过载流的转子绕组在磁场中受力而使电动机旋转的，而转子绕组中的电流由电磁感应产生，并非外部输入，故异步电动机又称感应电动机。,例题：某三相异步电动机的额定转速为720r/min，试求该电动机的额定转差率及磁极对数。,解：因为n1=60f1/p，所以：当p=1时，n1=3000r/min；当p=2时，n1=1500r/min；当p=3时，n1=1000r/min；当p=4时，n1=750r/min；当p=5时，n1=600r/min。,又因为nN略低于n1，所以n1=750r/min。所以p=60f1/n1=6050/750=4SN=（n1nN）/n1=（750720）/750=0.04,【例题】,异步电动机满载时，s0.06故异步电动机的额定转速略小于磁场同步转速，由此可知同步转速n1=750r/min,p=4，2p=8。,空载转速n0=(1s0)n1=(10.267%)750=748r/min,r/min,额定转差率,某三相异步电动机，电源频率为50Hz，空载转差率s0=0.00267，额定转速nN=730r/min。试求：电机的极数2p、同步转速n1、空载转速n0、额定转差率sN。【解】旋转磁场的同步转速为,例：已知三相异步电动机极对数P=2，额定转速nN=1450r/min,电源频率f=50Hz,求额定转差率s。该电动机在进行变频调速时，频率突然降为f=45Hz,求此时对应的转差率s,并问此时电机在何种状态下运行？,总结,1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,2、动磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。,3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,第三节三相异步电动机的基本结构,一、主要部件1.定子定子铁心、定子绕组、机座和端盖等。,定子铁心的硅钢片,异步电机的基本理论,定子铁心,三相异步电动机的基本结构,定子绕组,对称三相绕组。,三相异步电动机的基本结构,定子接线盒,星形(Y)联结,三角形()联结,三相异步电动机的基本结构,转子铁心、转子绕组、转轴、风扇等。,转子铁心的硅钢片,2.转子,转子绕组绕线型：对称三相绕组。笼型：对称多相绕组。,三相异步电动机的基本结构,笼型异步电动机的转子,三相异步电动机的基本结构,笼型异步电动机的转子,三相异步电动机的基本结构,笼型异步电动机的转子,三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机的基本结构,绕线型异步电动机的转子,三相异步电动机的基本结构,绕线型异步电动机的转子,三相异步电动机的基本结构,三相笼型异步电动机的部件图,三相异步电动机的基本结构,三相笼型异步电动机的结构,转子,定子,风扇,冷空气流,罩壳（非驱动端）,端盖（驱动端）,三相异步电动机的基本结构,三相绕线型异步电动机的结构,三相异步电动机的基本结构,三相绕线型异步电动机示意图,三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机的外形,更多的图片,三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机的外形,更多的图片,三相异步电动机的外形,三相异步电动机的基本结构,更多的图片,UN400690VfN50/60HzPN2002300kW2p28,交流低压笼型异步电动机,三相异步电动机的基本结构,更多的图片,UN690V，211kVfN50/60HzPN2003000kW2p212,交流高压笼型异步电动机,三相异步电动机的基本结构,更多的图片,第四节三相异步电动机的定子绕组,三相异步电动机的定子绕组和绕线型异步电动机的转子绕组都是三相对称绕（统称为三相交流绕组）,定子绕组：通入电流建立旋转磁场转子绕组：与磁场有相对运对时将产生感应电动势它们均是电动机进行能量转换的关键部件。,交流绕组的基本知识,1线圈、线圈组、绕组组成交流绕组的基本单元叫线圈，它有两个引出线，一个叫首端，一个叫末端。有效边端部线线圈可由一匝或多匝组成,首端尾端,两匝线圈,三相异步电动机定子,2.电角度和机械角度机械角度:电动机圆周在几何上分成3600,称机械角度.电角度:从电磁观点来看,经过N、S一对磁极恰好相当于一个周期，即经过3600电角度，若电动机有P对磁极，电动机圆周按电角度计算电角度=P机械角度3.极距定子绕组一个磁极所占有定子圆周的距离。（一般用定子槽数来表示）=Z/2PZ定子铁心总槽数,4.节距Y一个线圈的有两个有效边所跨定子圆周的距离,一般也用定子槽数来表示.,5.每极每相槽数第一个磁极下每相绕组所占有的槽数Z/2Pm,极相组一个磁极下属于同一相的线圈按一定方式串联成的线圈组称为极相组.,按节距Y与极距的关系：整距绕组Y=短距绕组Y按相数：单相、两相、三相绕组按槽内层数：单层绕组双层绕组单双层混和绕组按每极每相所占槽数：整数槽绕组分数槽绕组,绕组的分类：,按绕组端接部分的形状：单层绕组分为：同芯式绕组链式绕组交叉式绕组双层绕组分为：叠绕组波绕组,二、三相绕组,首端尾端,1.三相单层绕组例如：z=12，p=1，m=3，y=。,两匝线圈,每极每相槽数q,一相绕组接线图（单层）,3.2三相异步电动机的基本结构,槽距角相邻两槽中心线间的电角度。,极距相邻两磁极中心线间的距离（槽数）。,3.2三相异步电动机的基本结构,线圈节距y线圈两圈边之间的距离（槽数）。当y=时，称为整距绕组；当y时，称为短距绕组。,3.2三相异步电动机的基本结构,当q1分布绕组。当q=1集中绕组。,3.2三相异步电动机的基本结构,例如：z=12，p=1，m=3，y=5。由计算得：q=2，=30，y。,2.三相双层绕组,串联,U1U2,实线为外层线圈边，虚线为内层线圈边。,3.2三相异步电动机的基本结构,双层绕组,3.2三相异步电动机的基本结构,100L-2型三相异步电动机,定子绕组为单层同心式绕组，定子槽数为=24,极数2P=2,相数M=3,大线圈节距为11(1-12)槽,小线圈节距为9(2-11)槽,试绘出其绕组展开图.,3.2三相异步电动机的基本结构,3.三相绕组的种类(1)单层绕组和双层绕组(2)整距绕组和短距绕组整距绕组y=短距绕组y1,【例3.2.1】Y180M2型三相异步电动机，PN=22kW，UN=380V，三角形联结，IN=42.2A，N=0.89，fN=50Hz，nN=2940r/min。求额定运行时的：(1)转差率；(2)定子绕组的相电流；(3)输入有功功率；(4)效率。,解：(1)由型号知2p=2，即p=1，因此n0=3000r/min，故,(2)由于定子三相绕组为三角形联结，故相电流为,3.2三相异步电动机的基本结构,气隙基波磁通势的幅值,三、旋转磁通势,三相电流通过三相绕组时，三相绕组的三个基波脉振磁通势为FpU=FpmsintFpV=Fpmsin(t120o)FpW=Fpmsin(t120o),3.4三相异步电动机的磁通势平衡方程式,【例3.4.1】有一三相双层绕组，z=36，p=2，y=8/9，N=96。(1)分析该绕组的类型；(2)若旋转磁场磁通最大值m=0.011Wb，转速n0=1500r/min，则每相绕组中产生的电动势的有效值是多少？(3)若通过每相绕组的电流有效值为I=2.04A，该三相绕组产生的旋转磁通势的幅值是多少？,解：(1)由于y=8/9，故为短距绕组。由于,=31,(2)电动势,分布绕组,=0.985,3.4三相异步电动机的磁通势平衡方程式,=20,=0.96,=50Hz,E=4.44fkwNm=4.44500.9850.96960.011V=220V,3.4三相异步电动机的磁通势平衡方程式,4.电磁功率Pe,Pe=P1PCu1PFePe=m2E2I2cos2=m1E2I2cos2,5.转子铜损耗PCu2PCu2=m2R2I22=m1R2I22=sPe,3.6三相异步电动机的功率和转矩,8.输出功率P2P2=PmP0=PePCu2P0=P1PCu1PFePCu2P0,6.机械功率Pm,Pm=PePCu2,=(1s)Pe,7.空载损耗P0P0=PmePad,机械损耗,附加损耗,3.6三相异步电动机的功率和转矩,P1,Pe,P2,Pm,总损耗PalPal=PFePCuPmePad=PFe(PCu1PCu2)PmePad功率平衡方程式P2=P1Pal效率,3.6三相异步电动机的功率和转矩,【例3.6.1】某三相异步电动机，UN=380V，形联结,f1=50Hz,R1=1.5,R2=1.2。在拖动某负载运行时，相电流I1=11.5A，I2=10A,=0.86,=82%,n=1446r/min。求：该电机的P1、Pe、Pm和P2。,解：同步转速,T2=TL=140Nm,3.6三相异步电动机的功率和转矩,转差率,输入功率,P1=3U1I1=338011.50.86W=11.27kW,P2=P1,=0.8211.27kW=9.24kW,Pm=(1s)Pe=(10.036)10kW=9.64kW,3.6三相异步电动机的功率和转矩,输出功率,电磁功率,机械功率,二、三相异步电动机的转矩,Pm=P2P0,T=T2T0,1.电磁转矩T,2.空载转矩T0,3.输出转矩T2,3.6三相异步电动机的功率和转矩,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),T,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，,3.6三相异步电动机的功率和转矩,T0T,因此T=T2=TL,大连理工大学电气工程系,【例3.6.2】求例3.6.1中的电动机的转矩T2、T0和T。,解:输出转矩,电磁转矩,空载转矩,P0=PmP2=(9.649.24)kW=0.4kW,空载损耗,T=T0+T2=(2.64+61.05)Nm=63.69Nm,3.6三相异步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,或者,3.6三相异步电动机的功率和转矩,3.7三相异步电动机的运行特性,当U1=U1N，f1=f1N时，n=f(P2)I1=f(P2)T=f(P2)=f(P2)=f(P2),运行特性,P2,n,I1(I2),T(P1),在额定功率附近，和最高。,第3章异步电机的基本理论,3.8单相异步电动机,一、脉振磁场定子：单相绕组；转子：笼型。定子单相绕组产生的脉振磁场,第3章异步电机的基本理论,SN,NS,脉振磁通势的分解,