异步电机原理PPT幻灯片

1、1,第七章 三相异步电动机的基本原理,7.1 结构、铭牌数据及工作原理,7.2 定子绕组及感应电动势,7.3 电磁过程,7.4 等效电路,7.5 功率和转矩,7.7 机械特性,7.6 工作特性,2,交流电机的分类,交流电机可分为异步电机和同步电机两大类。,按定子绕组供电电源相数,按转子绕组的结构,三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。,3,一.三相异步电机的结构,1.定子部分（电枢）,定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。,定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强

2、度和刚度。,2.转子部分,转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。, 转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根 导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转 子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。,3.气隙,7.1结构、额定数据及工作原理,4,7.1结构、额定数据及工作原理,5,1、定子,异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。,7.1结构、额定数据及工作原理,6,机座 机座是电动机的外壳，支撑电机各部件，并通过机座的底脚将电机安装固定。全封闭式电机的定子铁心紧贴机座内壁，故机座外壳上的散热是

3、电机的主要散热面。中小型电机采用铸铁机座。大型电机一般采用钢板焊接机座。,7.1结构、额定数据及工作原理,机 座,7,7.1结构、额定数据及工作原理,定子铁心导磁部分 定子铁心是电机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。为了增强导磁能力和减小铁耗，定子铁心常选用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。定子铁心内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。,8,7.1结构、额定数据及工作原理,定子冲片照片,9,定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。 定子绕组是异步电动机的电路部分，其材料主要采用紫铜。小型异步电动机常采用三相单层绕组，大中型异步电动机常采用三相双层短矩

4、叠绕组形式，三相绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上，可根据需要将三相绕组接成Y形或形。,7.1结构、额定数据及工作原理,10,7.1结构、额定数据及工作原理,11,定子线圈照片,7.1结构、额定数据及工作原理,12,转 子,2、转子,异步电机的转子主要部分： 转子铁心 转子绕组 转轴,7.1 结构、额定数据及工作原理,13,7.1 结构、额定数据及工作原理,转子铁心,14,7.1 结构、额定数据及工作原理,鼠笼式绕组,特点：结构简单，自己短路。,15,7.1 结构、额定数据及工作原理,16,三相绕线式转子,7.1 结构、额定数据及工作原理,特点：把静止的外电路串联到转子绕组回路中，改善

5、电动机的特性。,17,绕线式转子照片,7.1 结构、额定数据及工作原理,18,铭牌：型号，额定值，绕组联结方式，生产厂家等,型号：Y132S1-2,Y-异步电动机；132-机座中心高度132mm，S1-短机座1号铁心；2-极数。 额定值:正常运行时的主要数据指标。 绕组联结方式：接法或者Y接法。,7.1 结构、额定数据及工作原理,二. 铭牌数据,19,额定值,额定电压UN： (V)，额定运行时，规定加在定子绕组上的 线电压； 额定电流IN： (A),额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流； 额定功率PN： (kW),额定运行时，电动机的输出功率； 额定转速n： (r/min),额定运行时，电动

6、机的转子转速； 额定频率fN： (Hz)，规定的电源频率(50Hz)； 额定效率、额定功率因数等,7.1 结构、额定数据及工作原理,20,7.1结构、额定数据及工作原理,三.三相异步电动机的工作原理,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。,当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。,21,B相从A相后移120 C相从B相后移120 A相从C相后移120,N,S,N,S,N,S,N,S,7.1结构、额定数据及工作原理,22,N1,S1,S2,N2,p为

7、极对数； f1为交流电源的频率。,ns同步转速，旋转磁场的转速。单位r/min；,N1,N1,S1,N2,N2,N2,S2,S2,S2,N1,S1,S1,7.1结构、额定数据及工作原理,23,2. 转动原理,(1)电生磁：定子的三相对称绕组通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。,(2)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。,7.1结构、额定数据及工作原理,24,3. 三相异步电动机的转速,转差率: 同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：,作为电动机:,负载越大，

8、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：n=ns(1-s),额定运行时，转差率一般在0.01 0.06之间，即电机转速 接近同步转速。,转速在0ns范围内变化，转差率在01范围内变化。,7.1结构、额定数据及工作原理,25,例 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：,7.1结构、额定数据及工作原理,26,1）三相绕组对称；,2）力求获得最大的电动势和磁动势；,3）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦；,对绕组的要求：,7.2

9、定子绕组及感应电动势,定子绕组,27,单层绕组一个槽中只放一个元件边； 双层绕组一个槽中放两个元件边。,单层绕组和双层绕组,7.2 定子绕组及感应电动势,28,交流绕组的一些基本知识和基本量, 电角度与机械角度： 转子铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360度，称为机械角度。 从电磁角度看，一对N,S极构成一个磁场周期，即1对极为360电角度；,电机的极对数为p时，气隙圆周的角度数为p 360电角度。,电角度= p机械角度,7.2 定子绕组及感应电动势,29, 极距：沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围； 用长度表示/用槽数表示；,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

10、数，则槽距角,每极每相槽数q ： 每一极每相绕组所占槽数，用符号q表示 （m相数）,交流绕组的一些基本知识和基本量,7.2 定子绕组及感应电动势,30,均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等； 对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开120电角度。 如槽距角为，则相邻两相错开的槽数为120/。 电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。 如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。,交流绕组的构成原则,7.2 定子绕组及感应电动势,31,1. 分极分相： 将总槽数按给定的极数均匀分开（N、S极

11、相邻分布）并标记假设的感应电势方向。 将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。,实例：Q24（槽）、m3（相）、2p4（极）的单层叠绕组,基本步骤：,每极每相槽数,7.2 定子绕组及感应电动势,32,7.2 定子绕组及感应电动势,33,2. 连线圈和线圈组： 将一对极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线圈，共有q个线圈。 将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组； 以上连接应符合电势相加原则。,7.2 定子绕组及感应电动势,34,7.2 定子绕组及感应电动势,35,将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。,7.2 定子绕组及感应电动势,36,将三个构造好

12、的单相绕组连成完整的三相绕组； 接法或Y接法；,连三相绕组,7.2 定子绕组及感应电动势,37,通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活接线。 地接成“Y”形或“D”形。,连三相绕组,7.2 定子绕组及感应电动势,38,旋转磁场是交流电机工作的基础。在交流电机理论中有两种旋转磁场： (1) 机械旋转磁场 通过原动机拖动磁极旋转可以产生机械旋转磁场； (2) 电气旋转磁场 三相对称的交流绕组通入三相对称的交流电流时会在电机的气隙空间产生电气旋转磁场； 交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。,7.2 定子绕组及感应电动势,绕组感应电动势（主磁通）,39,电气旋转磁场,

13、机械旋转磁场,7.2 定子绕组及感应电动势,绕组感应电动势（主磁通）,40,感应电势随时间变化的波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致。 只考虑磁场基波时，感应电势为正弦波。,7.2 定子绕组及感应电动势,绕组感应电动势（主磁通）波形,主磁通：正弦分布，每一点的幅值不变，以同步转速ns旋转的旋转磁场。,41,磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个周期；,磁场旋转一周，转过p（电机的极对数）对磁极；, 磁场相对转速为n/（r/min)的电机，磁场每秒钟转过(pn/60) 对极；, 导体中感应电势的频率：,注意：n为磁场相对绕组的相对旋转速度.,f=(pn/60)Hz,7.2 定子绕组及感应电动

14、势,绕组感应电动势（主磁通）频率,42,n为磁场相对绕组的相对旋转速度.,f=(pn/60)Hz,定子绕组感应电动势的频率：,f1为交流电源的频率。,结论：定子绕组的感应电动势频率等于电源频率。,转子绕组感应电动势的频率：,结论：定子绕组感应电动势频率不等于转子绕组电动势频率。,7.2 定子绕组及感应电动势,43,kw1 定子绕组系数，和绕组的结构有关,定子绕组感应电动势：,kw2 转子绕组系数，和绕组的结构有关,转子绕组感应电动势：,7.2 定子绕组及感应电动势,绕组感应电动势（主磁通）大小,转子旋转时电动势,转子不转时电动势,44,7.3 运行时的电磁过程,主磁通和漏磁通,主磁通,漏磁通,

15、45,漏电抗：漏磁通在定子绕组中会感应漏磁电势，该电势用漏抗压降表示:,称为定子漏电抗。,转子绕组通过电流时，也会有漏磁通。对应的漏抗 电势,漏电抗,7.3 运行时的电磁过程,转子旋转时漏电抗,46,感应电动势,与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势,可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。,7.3 运行时的电磁过程,空载运行,空载的情况下：nns, I20,47,电压平衡方程与等效电路,与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：,同样也有：,根据上两式，可以作出空载时等效电路。,7.3 运行时的电磁过程,48,尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似

16、，但它们之间还是有差别的：,1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场.,4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大.,5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1.,7.3 运行时的电磁过程,49,负载运行,负载运行时的电磁关系：,7.3 运行时的电磁过程,50,根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：,7.3 运行时的电磁过程,Zm为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻抗；Xm称为励磁电抗；Rm为反映铁耗的励磁电阻。,因此,51,异步电动机负载时的基本方程式列出如下:,7.3 运行时的电磁过

17、程,52,7.4 等效电路,等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在异步电动机中，作等效电路遇到的两大障碍是： (1)定转子电路的频率不相同； (2)定转子边的相数，匝数，绕组系数等不相等。,53,一. 频率折算,频率归算 保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在这里，就是用一个具有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路。 所谓“等效”是指： 1）进行代换后，转子电路对定子电路的电磁效应不变。 2）等效的转子电路的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等）必须和实际转子电路一样。,7.4 等效电路,54,转差率为s的异步电动机转子电路频率：,

18、转子静止时s=1；则转子频率等于定子频率。,频率折算就是用静止的转子代替旋转的转子。,频率折算后，希望磁势平衡不变，即转子电流不变。,7.4 等效电路,55,转子不动，转子电阻为 的异步电动机的转子电流，和转子以转差率s旋转的，转子电阻为R2的异步电动机转子电流相等。,结论： 频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻， 即可以把原来旋转的转子看成静止的转子。,7.4 等效电路,56,7.4 等效电路,57,7.4 等效电路,58,用绕组（m1、N1、kw1）等效替代绕组（ m2、N2、kw2 ）代替的原则是： 磁势平衡不变 功率平衡不变,二. 绕组折算,电流折算：根据磁势不变：,7.

19、4 等效电路,59,电势折算：磁通应不变。,阻抗折算：功率不变。,电抗和漏阻抗可同样折算。,7.4 等效电路,60,7.4 等效电路,61,7.4 等效电路,62,7.4 等效电路,63,经过归算后，定子、转子的电动势方程式,7.4 等效电路,64,7.4 等效电路,65,7.5 三相异步电动机的功率和转矩,一.功率平衡方程式,功率变换和传递是电动机的主要功能,结合等效电路分析异步电动机功率流向。,异步电动机从电源获取电功率，即输入功率：,此一功率首先通过定子绕组，产生定子铜耗：,66,7.5 三相异步电动机的功率和转矩,此功率产生的旋转磁场掠过定转子铁心，产生铁耗。,定子铁心与旋转磁场相对转

20、速为ns较大，转子铁心与旋转磁场相对转速为sns较小，故铁耗主要为定子铁耗：,剩余功率将通过气隙磁场感应到转子绕组，此一功率称为电磁功率:,67,7.5 三相异步电动机的功率和转矩,电磁功率首先提供转子铜耗:,剩余的电磁功率全部转化为机械功率:,机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗:,其余功率为输出的机械功率:,异步电动机的功率平衡方程式：,68,7.5 三相异步电动机的功率和转矩,69,7.5 三相异步电动机的功率和转矩,几个重要的关系式:,pcu1,Pe,pFe,Pmech,pcu2,转差功率,70,7.5 三相异步电动机的功率和转矩,二.转矩平衡方程式,机械功率=转矩机械角速度,转矩由机

21、械功率产生：,转矩平衡方程为：,式中: Te电动机电磁转矩，为驱动性质转矩； T2电动机轴上输出的机械负载转矩，为制动性质； T0对应机械损耗和附加损耗的转矩，称为空载转矩，为 制动性质；,71,7.5 三相异步电动机的功率和转矩,三.电磁转矩,72,电磁转矩物理表达式：,反映了感应电动机的电磁转矩与气隙每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比的物理本质。,7.5 三相异步电动机的功率和转矩,73,7.7 三相异步电动机的工作特性,异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量（转速、定子电流、电磁转矩、功率因数及效率等）随输出功率变化的关系曲线。,一. 工作特性的分析,1、

22、转速特性,转差率s,P2,转速n,负载增大,阻转矩增大,电磁（驱动）转矩增大,转子电流增大,转子电势增大,转子相对磁场的磁场速度增大,ns-n增大,n减小,74,7.7 三相异步电动机的工作特性,2. 定子电流特性 I1f（P2）,随着负载增大，转子电流增大，电机的输入电流（定子电流）增大。,P2,定子电流I1,Im,75,7.7 三相异步电动机的工作特性,3. 定子功率因数特性,cos1 f（P2）,空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低； 随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；,在额定功率附近，功率因数达到最大值。 如果负载继续增大，则

23、导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。,76,7.7 三相异步电动机的工作特性,4. 电磁转矩特性 Tf（P2）,5. 效率特性,不变损耗=可变损耗时， 效率最高。,77,7.6 三相异步电动机的机械特性,三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用 表示。,78,一、机械特性的参数表达式,根据简化电路得到的转子电流：,电磁转矩的参数表达式：,7.6 三相异步电动机的机械特性,79,电磁转矩的参数表达式：,表明：电磁转矩与电源参数（1、f1）、结构参数（R、X、m、p）和运行参数（

24、s）有关。,7.6 三相异步电动机的机械特性,制动运行,发电运行,电动运行,80,二、固有机械特性,当定子的对称三相绕组： 按规定的接线方式； 定子不经任何阻抗直接加额定电压、额定频率的三相电压； 转子回路不串任何阻抗，直接短路。,这种情况下得到的nf（T）， 称为固有机械特性。,7.6 三相异步电动机的机械特性,81,固有机械特性的特殊点： 起动点：该点s1； 临界点：该点ssm； 额定点：该点ssn； 同步点：该点s0， 又称理想空载点；,7.6 三相异步电动机的机械特性,82,异步电动机的T-s曲线上有一个最高点； 最大转矩可以根据高等数学中求极值的方法求得。,代入转矩公式，得,过载能力

25、：最大转矩与额定转矩之比：,（1.63.0),最大转矩，过载能力,7.6 三相异步电动机的机械特性,83,最大转矩与电网电压的平方成正比； 最大转矩近似与漏电抗成反比； 最大转矩的值与转子电阻值没有关系； 最大转矩的位置可以由转子电阻的大小来调整； 异步电动机调节转子电阻时机械特性的变化。,关于最大转矩的几个重要结论：,7.6 三相异步电动机的机械特性,84,起动电流指起动瞬间电机从电网吸收的电流；从等效电路求出起动电流：,起动转矩，即起动瞬间电动机的电磁转矩,若令Sm = 1,起动转矩等于最大转矩。,对于绕线式转子可通过外串电阻达到。,起动电流、起动转矩(堵转转矩）,7.6 三相异步电动机的机械特性,85,异步电动机的起动转矩与电压的平方成正比； 总漏抗越大，起动转矩越小； 绕线式异步电动机可以在转子回路串入适当的电阻可以增大起动转矩；,起动转矩的几个重要结论:,当 时， 起动转矩