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文档简介
1、第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理) 第第 五五 章章 交交 流流 电电 动动 机机(原理原理)第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)本章教学基本要求本章教学基本要求1.1.了解三相交流电动机主要结构,注意三相交流电了解三相交流电动机主要结构,注意三相交流电动机的定子结构;动机的定子结构;2.2.熟悉三相交流电动机基本工作原理,理解感应电熟悉三相交流电动机基本工作原理,理解感应电动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义,掌握求解他们的计算方法;义,掌握求解他们的计算方法;3.3.掌握三相交流电动机的运行原理,电动势、转矩掌握三相交
2、流电动机的运行原理,电动势、转矩平衡方程式,以及三相交流电动机的工作特性;平衡方程式,以及三相交流电动机的工作特性;4.4.了解同步电动机的主要结构和工作原理。了解同步电动机的主要结构和工作原理。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)重点重点重点:重点: 三相交流电动机的基本平衡方程式和工作特性。三相交流电动机的基本平衡方程式和工作特性。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.1 5.1 交流电机电枢绕组交流电机电枢绕组(1 1)线圈)线圈 定子绕组是由线圈按一定的规律嵌入定子槽中,定子绕组是由线圈按一定的规律嵌入定子槽中,并按一定的方式联接起来的。并按一定的方式联接起来的。(2
3、 2)极距)极距 极距是指沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围,极距是指沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围,如用长度表示。如用长度表示。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.1 5.1 交流电机电枢绕组交流电机电枢绕组(3 3)电角度)电角度 一台电机转子铁心的端面是个圆,从几何的角度一台电机转子铁心的端面是个圆,从几何的角度来说可以分为,这样划分的角度为机械角度,即电机来说可以分为,这样划分的角度为机械角度,即电机铁心圆周为机械角度。铁心圆周为机械角度。 (4 4)线圈节距)线圈节距 一个线圈的两根有效边之间所跨的槽数之间的距一个线圈的两根有效边之间所跨的槽数之间的距离为节距。线圈的节距
4、一般总是等于或稍小于极距,离为节距。线圈的节距一般总是等于或稍小于极距,如果节距与极距相等,称为整距线圈,如果节距小于如果节距与极距相等,称为整距线圈,如果节距小于极距,则称为短距线圈。极距,则称为短距线圈。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.1 5.1 交流电机电枢绕组交流电机电枢绕组(5 5)单层及双层绕组)单层及双层绕组 根据定子绕组在槽中的分布情况,可分为单层及根据定子绕组在槽中的分布情况,可分为单层及双层绕组。容量较大的异步电动机都采用双层绕组。双层绕组。容量较大的异步电动机都采用双层绕组。双层绕组在每个槽内的导线分为上下两层,上层和下双层绕组在每个槽内的导线分为上下两层
5、,上层和下层线圈之间需要用层间绝缘隔开。对于小容量异步电层线圈之间需要用层间绝缘隔开。对于小容量异步电动机常采用单层绕组,这时每槽中只有一层导线。本动机常采用单层绕组,这时每槽中只有一层导线。本节介绍几种单层绕组,根据每极每相槽数的大小,单节介绍几种单层绕组,根据每极每相槽数的大小,单层绕组分成链式、交叉式和同心式三种。层绕组分成链式、交叉式和同心式三种。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.1 5.1 交流电机电枢绕组交流电机电枢绕组【例例5-15-1】 绘制,并联支路数的三相单层链式绕组展绘制,并联支路数的三相单层链式绕组展开图开图 图图5-1 Z=24,2P=4槽电动势星形图槽
6、电动势星形图图图5-2 单层链式单层链式A相绕组展开图相绕组展开图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.1 5.1 交流电机电枢绕组交流电机电枢绕组【例例5-2】 绘制绘制Z=36,2p=4,a=1的单层交叉式的单层交叉式绕组展开图。绕组展开图。1, 42 ,36apZ图图5-3 Z=36,2P=4槽电动势星形图槽电动势星形图图图5-4 单层交叉式单层交叉式A相绕组展开图相绕组展开图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.1 5.1 交流电机电枢绕组交流电机电枢绕组【例例5-3】绘制绘制Z=24,2p=2,a=1的三相单层同心式绕的三相单层同心式绕组展开图组展开图 图图5-6
7、 单层同心式单层同心式A相绕组展开图相绕组展开图图图5-5 Z=36,2P=2槽电动势星形图槽电动势星形图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势5.2.1单相脉振磁场单相脉振磁场1 1整距线圈的磁动势整距线圈的磁动势 如图是一台两极电机的示意图。定子及转子铁心如图是一台两极电机的示意图。定子及转子铁心是同心的圆柱体,所以定、转子间的气隙是均匀的。是同心的圆柱体,所以定、转子间的气隙是均匀的。当线圈通入电流时,便产生一个两极磁场。按照右手当线圈通入电流时,便产生一个两极磁场。按照右手螺旋定则,磁场方向如图中箭头所示。螺旋定则,磁场方向如图中箭头所示。图图
8、5-7 整距单线圈产生的矩形磁动势整距单线圈产生的矩形磁动势第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势 在一个整距集中的线圈中通过余弦变化的交在一个整距集中的线圈中通过余弦变化的交流电时,他所产生的矩形波磁动势的幅值将随着流电时,他所产生的矩形波磁动势的幅值将随着时间作余弦变化。当时间作余弦变化。当w wt=0,电流达到最大值时,电流达到最大值时,矩形波的高度也达到最大值矩形波的高度也达到最大值Fcm;当;当w wt=90度,电度,电流为零时,矩形的高度也为零。当电流为负值时,流为零时,矩形的高度也为零。当电流为负值时,磁磁动动势也随着改变方向;矩形磁动势
9、波随时间变势也随着改变方向;矩形磁动势波随时间变化的关系如图所示。由图可以看出:任何瞬间,化的关系如图所示。由图可以看出:任何瞬间,磁动势在空间的分布为一矩形波;在空间的任何磁动势在空间的分布为一矩形波;在空间的任何一点,磁动势的大小随时间按余弦规律脉振。我一点,磁动势的大小随时间按余弦规律脉振。我们称这种在空间位置固定,而大小随时间变化的们称这种在空间位置固定,而大小随时间变化的磁动势为磁动势为脉振磁动势脉振磁动势。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势图图5-8 矩形波磁动势随时间变化矩形波磁动势随时间变化第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理
10、)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势2 2矩形波磁动势的谐波分析法矩形波磁动势的谐波分析法 从上面的分析可知,一个整距线圈产生的是矩形从上面的分析可知,一个整距线圈产生的是矩形波磁动势。如果直接利用矩形波磁动势去分析一台电波磁动势。如果直接利用矩形波磁动势去分析一台电机产生的总磁动势,会遇到很多的不方便。为了简化机产生的总磁动势,会遇到很多的不方便。为了简化分析,一般是采用谐波分析法。所谓谐波分析法就是分析,一般是采用谐波分析法。所谓谐波分析法就是把一个周期变化的非正弦曲线分解成一些列不同周期把一个周期变化的非正弦曲线分解成一些列不同周期的正弦曲线。的正弦曲线。图图5-9 矩形波磁动势的分解
11、矩形波磁动势的分解第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势 在异步电动机中,谐波磁动势对电动机性能在异步电动机中,谐波磁动势对电动机性能有不良影响,例如,会使电动机耗损增大,启动有不良影响,例如,会使电动机耗损增大,启动困难。所以总是设法把谐波磁动势削弱到很小,困难。所以总是设法把谐波磁动势削弱到很小,电机定子采用分布绕组及短距绕组等方法均可削电机定子采用分布绕组及短距绕组等方法均可削弱谐波磁动势,使磁动势的波形非常接近于正弦弱谐波磁动势,使磁动势的波形非常接近于正弦波。波。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势
12、图图5-10 基波脉振磁动势基波脉振磁动势第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势 3 3整距线圈组的磁动势整距线圈组的磁动势 交流电机每相绕组都是由若干个线圈组串联或并交流电机每相绕组都是由若干个线圈组串联或并联组成的,而每个线圈组是由每极下属于同一相的联组成的,而每个线圈组是由每极下属于同一相的q q个等匝、等距线圈串联而成的。因此求出每个线圈组个等匝、等距线圈串联而成的。因此求出每个线圈组的磁动势就不难得到每相绕组的磁动势。由于每个线的磁动势就不难得到每相绕组的磁动势。由于每个线圈组的各线圈磁动势的谐波含量和大小都相同,所不圈组的各线圈磁动势的谐波
13、含量和大小都相同,所不同的是各线圈在空间错开了一个同的是各线圈在空间错开了一个a a角度,所以各线圈角度,所以各线圈磁动势之间在空间上也相隔磁动势之间在空间上也相隔a a度。现在把各矩形波都度。现在把各矩形波都分解成基波和一系列谐波,则各基波之间在空间的位分解成基波和一系列谐波,则各基波之间在空间的位移角度也是移角度也是a a度。把个线圈的的基波磁动势逐点相加,度。把个线圈的的基波磁动势逐点相加,便可求得它们的合成基波磁动势。如下图所示。便可求得它们的合成基波磁动势。如下图所示。 第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势图图5-11 基波磁动势空间相量图
14、基波磁动势空间相量图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势4 4双层短距线圈组的磁动势双层短距线圈组的磁动势 除了分布绕组外,在双层绕组中,还可以采除了分布绕组外,在双层绕组中,还可以采用短距线圈来改善磁动势波形。图表示的是一台三用短距线圈来改善磁动势波形。图表示的是一台三相相2极极18槽电动机的槽电动机的A相绕组的线圈分布。由于每相绕组的线圈分布。由于每极每相槽数极每相槽数q=3,所以每个线圈组由,所以每个线圈组由3个线圈串联组个线圈串联组成,第一个线圈组由线圈成,第一个线圈组由线圈1,2,3组成。现采用短组成。现采用短距绕组,极距距绕组,极距=9槽
15、,槽,y=(8/9) 槽。槽。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势图图5-12 单相双层短距绕组磁动势空间相量图单相双层短距绕组磁动势空间相量图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势5.2.2三相绕组的合成旋转磁场三相绕组的合成旋转磁场 三相绕组是由三个单元绕组所构成。把三相绕组是由三个单元绕组所构成。把A,B,C三个单相绕组产生的磁动势波逐点相加就可以得到三个单相绕组产生的磁动势波逐点相加就可以得到三相绕组的合成磁动势。三相绕组的合成磁动势。 上节所述单相绕组流过单相交流电,产生一个上节所述单相绕组流过单相
16、交流电,产生一个基波脉振磁动势,下面将证明三相对称绕组流过三基波脉振磁动势,下面将证明三相对称绕组流过三相对称电流,将产生一个圆形旋转磁动势。相对称电流,将产生一个圆形旋转磁动势。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势1、三相绕组中的单相磁动势、三相绕组中的单相磁动势 三相绕组是由三相绕组是由3个单相绕组所组成,这三个单相个单相绕组所组成,这三个单相绕组分别产生脉振磁动势,要了解他们的合成磁动绕组分别产生脉振磁动势,要了解他们的合成磁动势,首先必先分析这势,首先必先分析这3个单相脉振磁动势的性质。个单相脉振磁动势的性质。(1)三相对称电流的幅值相等,而
17、相位相差)三相对称电流的幅值相等,而相位相差120度度。(2)3个单相绕组的轴线在空间依次相隔个单相绕组的轴线在空间依次相隔120度,所度,所以他们各自产生的基波磁动势在空间的分布也依次以他们各自产生的基波磁动势在空间的分布也依次相隔相隔120度。度。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势2 2、合成磁动势的推导、合成磁动势的推导 用数学的分析方法可以得出三相基波合成磁动用数学的分析方法可以得出三相基波合成磁动势的表达式。根据教材势的表达式。根据教材128页公式(页公式(5-18)可以画出)可以画出任意时刻的三相合成磁动势的分布波形及位置任意时刻的三相
18、合成磁动势的分布波形及位置 。图图5-13 三相合成磁动势的分布波形及位置三相合成磁动势的分布波形及位置第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势 3、三相基波合成磁动势的结论、三相基波合成磁动势的结论 三相对称绕组通过三相对称电流产生的三相三相对称绕组通过三相对称电流产生的三相基波合成磁动势是一圆形旋转磁动势,当时间变基波合成磁动势是一圆形旋转磁动势,当时间变化时,他的波形不变,他是单相脉振磁动势振幅化时,他的波形不变,他是单相脉振磁动势振幅的的3/2倍。倍。 图图5-14 旋转合成磁动势旋转合成磁动势第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2
19、5.2 旋转磁动势旋转磁动势5.2.3两相绕组产生的旋转磁动势两相绕组产生的旋转磁动势 交流电机的电枢绕组有时为两组绕组,当两交流电机的电枢绕组有时为两组绕组,当两相绕组通入两相电流时,也会产生磁动势。下面相绕组通入两相电流时,也会产生磁动势。下面就以两相绕组的两种不同状况来分析其所产生的就以两相绕组的两种不同状况来分析其所产生的磁动势情况。磁动势情况。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.2 5.2 旋转磁动势旋转磁动势1 1、圆形磁动势、圆形磁动势 空间相距(空间相距(p p /2)电角度的两相对称绕组,当)电角度的两相对称绕组,当通入两相对称电流,即时间相差(通入两相对称电流,
20、即时间相差(p p /2)电角度、)电角度、幅值相同的正弦交流电流时,产生的合成基波磁动幅值相同的正弦交流电流时,产生的合成基波磁动势为圆形旋转磁动势。该旋转磁动势的幅值等于原势为圆形旋转磁动势。该旋转磁动势的幅值等于原每相绕组产生的基波脉振磁动势的最大幅值。每相绕组产生的基波脉振磁动势的最大幅值。2、椭圆形磁动势、椭圆形磁动势 如果两相绕组是对称的,而通入的电流不对称如果两相绕组是对称的,而通入的电流不对称,同样可以可以分析出两相绕组产生的合成基波总,同样可以可以分析出两相绕组产生的合成基波总磁动势也是椭圆形磁动势。磁动势也是椭圆形磁动势。 第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.3
21、5.3交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势5.3.1整距线圈感应电动势整距线圈感应电动势 整距线圈的两根导体整距线圈的两根导体在空间相隔一个极距,也在空间相隔一个极距,也就是相隔就是相隔p p电角度。当一根电角度。当一根导体处在导体处在N极最大磁密处极最大磁密处时,另一根导体刚好处在时,另一根导体刚好处在S极的最大磁密处,如图所极的最大磁密处,如图所示。所以这两根导体的电示。所以这两根导体的电动势总是大小相等而方向动势总是大小相等而方向相反。相反。图图5-16 整距线圈感应电动势整距线圈感应电动势第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.35.3交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动
22、势 5.3.2整距分布线圈感应电动势整距分布线圈感应电动势 在实际电机中,为了充分利用电机定子内圆空间在实际电机中,为了充分利用电机定子内圆空间,定子上不止放置一个线圈,而是放置许多线圈,并,定子上不止放置一个线圈,而是放置许多线圈,并均匀分布在定子内表面的槽中。图表示在电机的定子均匀分布在定子内表面的槽中。图表示在电机的定子槽里放有三个均匀分布的整距线圈,记作槽里放有三个均匀分布的整距线圈,记作1-1 、2-2 、3-3,这三个线圈的匝数彼此相等,依头、尾端的顺,这三个线圈的匝数彼此相等,依头、尾端的顺序联接而串联起来,叫分布线圈组。序联接而串联起来,叫分布线圈组。图图5-17 分布线圈组空
23、分布线圈组空间位置及连接图间位置及连接图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.35.3交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势n 设相邻线圈的槽距角为设相邻线圈的槽距角为a a。对每个整距线圈来。对每个整距线圈来说,他们的基波电动势有效值相同,但是三个整距说,他们的基波电动势有效值相同,但是三个整距线圈由于空间分布不同,他们切割同一磁力线时,线圈由于空间分布不同,他们切割同一磁力线时,就必然有先有后。因此,三个分布线圈的基波感应就必然有先有后。因此,三个分布线圈的基波感应电动势在时间相位上彼此不同。因为三个整距线圈电动势在时间相位上彼此不同。因为三个整距线圈空间上依次相距空间电角度空
24、间上依次相距空间电角度a a ,所以他们的基波感,所以他们的基波感应电动势之间依次相差应电动势之间依次相差a a时间电角度。图时间电角度。图5-18(a)是是三个整距线圈基波电动势相量,图三个整距线圈基波电动势相量,图5-18(b)表示出三表示出三个整距线圈基波电动势相量和这三个分布的整距线个整距线圈基波电动势相量和这三个分布的整距线圈组成的线圈组基波电动势相量之间的关系。圈组成的线圈组基波电动势相量之间的关系。a a a a a第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.35.3交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势a a a a a图图5-18 分布线圈组感应电动势相量图分布线圈组感
25、应电动势相量图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.35.3交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势n5.3.3短距线圈感应电动势短距线圈感应电动势 短距线圈每一匝的两短距线圈每一匝的两根导线在空间的距离比整根导线在空间的距离比整距线圈缩短了距线圈缩短了b b电角度,电角度,即相距即相距(p- bp- b )电角度,电角度,如图如图5-19所示。因此,两所示。因此,两根导线中感应电动势在时根导线中感应电动势在时间相位上也相差间相位上也相差(p- bp- b )电角度,在图电角度,在图5-19中,根中,根据相量图,可求得短距线据相量图,可求得短距线圈的每匝电动势圈的每匝电动势 。图图5
26、-19 短距线圈相量图短距线圈相量图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.35.3交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势n5.3.4 一相绕组感应电动势一相绕组感应电动势n 如果根据每槽内有几个线圈边来划分绕组类如果根据每槽内有几个线圈边来划分绕组类型,那么电动机的定子绕组可以分成单层绕组和双型,那么电动机的定子绕组可以分成单层绕组和双层绕组两种。定子每个槽内只有一个线圈边的绕组层绕组两种。定子每个槽内只有一个线圈边的绕组称为单层绕组,这种绕组适用于功率较小的电动机称为单层绕组,这种绕组适用于功率较小的电动机。定子每个槽内上、下两层都有线圈边的绕组称为。定子每个槽内上、下两层都有线
27、圈边的绕组称为双层绕组。双层绕组。 第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.35.3交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势 在双层绕组中,每一极面下就有一个极相组,在双层绕组中,每一极面下就有一个极相组,因而对于因而对于 2p个磁极的电机就有个磁极的电机就有 2p个极相组。在联个极相组。在联接时可以串联,也可以并联,以组成一定数目的支接时可以串联,也可以并联,以组成一定数目的支路数,而每相绕组的电动势数值决定于一条支路的路数,而每相绕组的电动势数值决定于一条支路的电动势大小。设电动势大小。设代表每相的并联支路数,那么每代表每相的并联支路数,那么每相电动势的基波有效值为:相电动势的基波
28、有效值为:1111111144. 444. 422YqYqYqKNKfKKfapqNEapE第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.35.3交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势n5.3.5绕组的谐波感应电动势绕组的谐波感应电动势 n 前面讨论感应电动势时,是假设气隙中只前面讨论感应电动势时,是假设气隙中只有正弦分布的基波磁动势。但是,在实际电机有正弦分布的基波磁动势。但是,在实际电机气隙中除了基波磁动势外,还存在谐波磁动势气隙中除了基波磁动势外,还存在谐波磁动势,如图,如图5-20所示。所示。图图5-20 谐波磁通密度谐波磁通密度第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45
29、.4三相异步电动机三相异步电动机n5.4.15.4.1基本结构和铭牌数据基本结构和铭牌数据n1. 1. 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构n 三相异步电动机主要由定子和转子两部分组成:三相异步电动机主要由定子和转子两部分组成:静止部分称为定子;转动部分称为转子。三相笼异静止部分称为定子;转动部分称为转子。三相笼异步电动机的主要部件如图步电动机的主要部件如图5-21所示。所示。图图5-21 鼠笼式异鼠笼式异步电动机的构造步电动机的构造第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机n1 1)定子)定子 n 定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成
30、。定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。n 定子铁心是异步电动机磁路的一部分。他是用定子铁心是异步电动机磁路的一部分。他是用厚的硅钢片冲制、叠压而成的,紧紧地装在机座的厚的硅钢片冲制、叠压而成的,紧紧地装在机座的内部。在定子铁心的内圆上开有均匀的槽,用以放内部。在定子铁心的内圆上开有均匀的槽,用以放置定子绕组。置定子绕组。n 定子绕组是电动机的电路部分。定子绕组是由定子绕组是电动机的电路部分。定子绕组是由许多线圈按规律联接而成的。小型三相异步电动机许多线圈按规律联接而成的。小型三相异步电动机定子绕组通常用高强度漆包线绕制而成。定子绕组通常用高强度漆包线绕制而成。第第5章章 交流电动机交流电
31、动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机2 2)转子)转子 n 转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。n 转子铁心是异步电动机磁路的一部分。他是用厚转子铁心是异步电动机磁路的一部分。他是用厚的硅钢片冲制、叠压而成的,转子铁心与定子铁心的硅钢片冲制、叠压而成的,转子铁心与定子铁心之间有一个很小的气隙。转子铁心的外圆上冲有均之间有一个很小的气隙。转子铁心的外圆上冲有均匀分布的槽,用来放置转子绕组。匀分布的槽,用来放置转子绕组。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机n2. 2. 三相异步电动机的工作原理三
32、相异步电动机的工作原理n 当定子三相对称绕组加上对称的三相交流电压当定子三相对称绕组加上对称的三相交流电压后,定子三相绕组中便有对称的三相电流流过,它后,定子三相绕组中便有对称的三相电流流过,它们共同形成定子旋转磁场。假定定子旋转磁场以们共同形成定子旋转磁场。假定定子旋转磁场以n n转速沿逆时针方向旋转,则磁力线将切割转子导体转速沿逆时针方向旋转,则磁力线将切割转子导体而感应出电动势。在该电动势作用下,转子导体内而感应出电动势。在该电动势作用下,转子导体内便有电流通过,电流的有功分量与电动势同相位。便有电流通过,电流的有功分量与电动势同相位。转子导体内电流的有功分量与旋转磁场相互作用,转子导体
33、内电流的有功分量与旋转磁场相互作用,使转子导体受到电磁力的作用。在该电磁力作用下使转子导体受到电磁力的作用。在该电磁力作用下,电动机转子就转动起来,其转向与旋转磁场的方,电动机转子就转动起来,其转向与旋转磁场的方向相同。这时,如果在电机轴上加载机械负载,电向相同。这时,如果在电机轴上加载机械负载,电动机便拖动负载运转,输出机械功率。动机便拖动负载运转,输出机械功率。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机n3. 3. 三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据n 每台异步电动机的机座上都有一块铭牌,上面标每台异步电动机的机座上都有一块铭牌,上面
34、标有该电动机的主要数据。为了能正确使用电动机,有该电动机的主要数据。为了能正确使用电动机,必然要了解铭牌。下面以必然要了解铭牌。下面以Y90S-4B型电动机的铭牌型电动机的铭牌为例说明。为例说明。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机n1 1)型号)型号n电机型号是电机类型、规格等等代号。例如电机型号是电机类型、规格等等代号。例如Y90S-4B三相异步电动机机座中心高磁极数机座长度代号S短机座M中机座L长机座第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机n2 2)额定功率)额定功率 n 额定功率是电动机在额定运
35、行情况下,其轴上输额定功率是电动机在额定运行情况下,其轴上输出的机械功率。又称额定容量。出的机械功率。又称额定容量。n3 3)额定电压)额定电压 n 额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组的线额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组的线电压,他同定子绕组的接法相对应。电压,他同定子绕组的接法相对应。n4 4)额定电流)额定电流 n 额定电流是电动机在额定运行时定子绕组的线电额定电流是电动机在额定运行时定子绕组的线电流。流。 第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机 5 5)额定转速)额定转速 在额定电压下,输出额定功率时的转速称为额定在额定电压下,输出
36、额定功率时的转速称为额定转速转速 6 6)绝缘等级)绝缘等级 绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时允许的极限温度来划分的。时允许的极限温度来划分的。 7 7)工作方式)工作方式 工作方式是对电动机按铭牌上等额定功率持续工作方式是对电动机按铭牌上等额定功率持续运行时间的限制,分为运行时间的限制,分为“连续连续”、“短时短时”和和“断断续续”等。等。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机8 8)功率因数)功率因数技术手册中会给出功率因数参数,是指电动技术手册中会给出功率因数参数,是指电动机在额定运行状态
37、下,定子电路的功率因数。异步机在额定运行状态下,定子电路的功率因数。异步电动机空载运行时定子电路的功率因数很低,只有电动机空载运行时定子电路的功率因数很低,只有0.20.20.30.3,随着负载的增加,功率因数也增加,在,随着负载的增加,功率因数也增加,在额定负载时一般为额定负载时一般为0.70.70.90.9,因此要避免空载运行,因此要避免空载运行。9 9)效率)效率 效率是指电动机在额定状态下运行时输出的功效率是指电动机在额定状态下运行时输出的功率对定子输入功率的比值。率对定子输入功率的比值。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机5.4.2转子
38、静止时的异步电动机转子静止时的异步电动机 分析异步电动机运行原理,着重在异步电动机内分析异步电动机运行原理,着重在异步电动机内部基本的电磁关系,目的是展示其内在矛盾。在研究部基本的电磁关系,目的是展示其内在矛盾。在研究电磁关系的同时,还应注意解决定量计算问题,异步电磁关系的同时,还应注意解决定量计算问题,异步电动机通常所用的计算方法与变压器类似,即将其化电动机通常所用的计算方法与变压器类似,即将其化成等效电路,以解电路的方式来解决具体计算问题。成等效电路,以解电路的方式来解决具体计算问题。因为异步电机的主要工作方式是作为电动机,故在分因为异步电机的主要工作方式是作为电动机,故在分析时以电动机运
39、行作为主要对象。采用的较为简单的析时以电动机运行作为主要对象。采用的较为简单的分析方法,即等效静转子法。分析方法,即等效静转子法。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机1 1转子绕组开路转子绕组开路假定电机定子接到相电压假定电机定子接到相电压为为1、频率为、频率为f1的三相交流电的三相交流电源,转子电路电流为零。设此源,转子电路电流为零。设此时转子电路开路。这一假设的时转子电路开路。这一假设的目的是为了先排除转子电流对目的是为了先排除转子电流对定子的影响,突出定子电路自定子的影响,突出定子电路自身的内在规律。身的内在规律。 转子开路的三相异步电动转
40、子开路的三相异步电动机相当于副边空载的三相变压机相当于副边空载的三相变压器,定子绕组对应于原边绕组器,定子绕组对应于原边绕组,转子绕组对应于副边绕组,转子绕组对应于副边绕组,所不同的是异步电动机的磁路所不同的是异步电动机的磁路中多了气隙磁路。中多了气隙磁路。图图5-23 异步电动异步电动机电磁模型机电磁模型 第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机1 1)电磁关系)电磁关系 定子电路在定子电路在1作用下引进一电流,因转子无作用下引进一电流,因转子无输出,此电流的主要作用是在电动机内建立磁场输出,此电流的主要作用是在电动机内建立磁场,可称作励磁电流,可
41、称作励磁电流0。由。由0建立的磁力线可分作两建立的磁力线可分作两部分,绝大部分磁力线穿过气隙、交链到转子电部分,绝大部分磁力线穿过气隙、交链到转子电路然后回到定子边自行闭合,这是主磁通路然后回到定子边自行闭合,这是主磁通m0,也,也称为互感磁通。称为互感磁通。 图图5-24主磁通与漏主磁通与漏磁通示意图磁通示意图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机主磁通是一个恒幅、恒速,在空间作正弦分主磁通是一个恒幅、恒速,在空间作正弦分布的基波旋转磁场。另一小部分磁力线则仅与定子布的基波旋转磁场。另一小部分磁力线则仅与定子绕组本身交链,称为漏磁通绕组本身交链,
42、称为漏磁通 s1。漏磁通在电机中漏磁通在电机中远比变压器中复杂。漏磁通包括:槽漏磁通、端部远比变压器中复杂。漏磁通包括:槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通。谐波漏磁通是由定子三相合漏磁通和谐波漏磁通。谐波漏磁通是由定子三相合成磁动势中的高次谐波磁动势产生的,严格说,他成磁动势中的高次谐波磁动势产生的,严格说,他是通过气隙与转子绕组相链绕的磁通,与槽漏磁通是通过气隙与转子绕组相链绕的磁通,与槽漏磁通和端部漏磁通是有差别的,为了表明这种差别,谐和端部漏磁通是有差别的,为了表明这种差别,谐波漏磁通又称差别漏磁通,将谐波磁通归为漏磁通波漏磁通又称差别漏磁通,将谐波磁通归为漏磁通中是为了计算上的方便。中是
43、为了计算上的方便。 转子开路时的电磁关系如教材转子开路时的电磁关系如教材140页图页图525所示所示 第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机n2 2)电压方程式)电压方程式n定子一相电路的电压方程式为:定子一相电路的电压方程式为: 1011010110111ZIEXIXIjErIEEUS-转子电路因转子绕组开路,电压方程式为:转子电路因转子绕组开路,电压方程式为:22 EU第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机3)等效电路)等效电路 根据式(根据式(5-52)和()和(5-53)可以画出转子开路)可以画
44、出转子开路时异步电动机的等效电路如图时异步电动机的等效电路如图5-26所示,由图可见所示,由图可见,这个电路和变压器空载状态完全一致,所以异步,这个电路和变压器空载状态完全一致,所以异步电机在转子方电流为零的工作状态,可称为理想的电机在转子方电流为零的工作状态,可称为理想的空载运行状态。空载运行状态。 图图5-26 转子开路时异步电动机的等效电路转子开路时异步电动机的等效电路第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机4 4)相量图)相量图由上面的论述中可知电流由上面的论述中可知电流0并不是纯粹建立电机磁场所需的并不是纯粹建立电机磁场所需的电流,当磁场旋
45、转时,铁心的每电流,当磁场旋转时,铁心的每一处都处在随时间变化的磁场作一处都处在随时间变化的磁场作用下,铁心中必然出现涡流效应用下,铁心中必然出现涡流效应和磁滞损耗,涡流和磁滞损耗合和磁滞损耗,涡流和磁滞损耗合称为铁损耗,它消耗了一部分有称为铁损耗,它消耗了一部分有功功率使铁心发热。在图功功率使铁心发热。在图5-27的的异步电动机转子转速为零时的相异步电动机转子转速为零时的相量图上,清楚地表示了这些电流量图上,清楚地表示了这些电流间的相位关系。间的相位关系。 图图5-27 转子绕组开路时的相量图转子绕组开路时的相量图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步
46、电动机2转子绕组短路且转子堵转转子绕组短路且转子堵转 设异步电动机的转子绕组闭路,如笼型绕组。设异步电动机的转子绕组闭路,如笼型绕组。在定子绕组接电源的情况下,卡住转子使之转速在定子绕组接电源的情况下,卡住转子使之转速n=0。这是为了暂不计机械功率的变化,而突出定。这是为了暂不计机械功率的变化,而突出定、转子两个电路间的相互联系、相互影响的内在规、转子两个电路间的相互联系、相互影响的内在规律。在转子短路并在律。在转子短路并在n=0条件下,转子电动势条件下,转子电动势2和和1具有相同的频率具有相同的频率1。在。在2作用下转子出现频率为作用下转子出现频率为1的电流的电流2,由,由2产生的磁效应主要
47、用作于电机的公产生的磁效应主要用作于电机的公共磁路,因为转子和定子一样是静止,双方电流频共磁路,因为转子和定子一样是静止,双方电流频率又一样,相序排列也相同,结果是双方的磁动势率又一样,相序排列也相同,结果是双方的磁动势在气隙空间同速同向的旋转,处于相对静止状态。在气隙空间同速同向的旋转,处于相对静止状态。这表明电流这表明电流2的出现首先影响了气隙磁场,然后再的出现首先影响了气隙磁场,然后再影响到定子方电流影响到定子方电流1,使之改变。,使之改变。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机1)磁动势平衡方程式)磁动势平衡方程式 图图5-28所示为异步电
48、动机定子绕组接电源,转所示为异步电动机定子绕组接电源,转子绕组短路且转子堵转的接线。转子短路时,在转子绕组短路且转子堵转的接线。转子短路时,在转子绕组产生的感应电动势会在转子三相绕组中产生子绕组产生的感应电动势会在转子三相绕组中产生对称的转子电流,从而产生合成转子基波旋转磁动对称的转子电流,从而产生合成转子基波旋转磁动势势F2,其幅值为:,其幅值为:222222223IpkNFwp定子基波旋转磁动势定子基波旋转磁动势幅值为:幅值为: 111122223IpkNFwp图图5-28 异步电动机转子短路异步电动机转子短路且堵转时的接线图且堵转时的接线图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.
49、45.4三相异步电动机三相异步电动机2 2)电磁关系)电磁关系 假定各物理量的规定正方向如图假定各物理量的规定正方向如图5-29所示,则所示,则转子短路且堵转时的电磁关系为图转子短路且堵转时的电磁关系为图5-29所示:所示:1u222FNi111FNi1i1S1Se0F2i2S2Sem1e2e图图5-29 电磁关系示意图电磁关系示意图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机3 3)电动势平衡方程式)电动势平衡方程式 异步电动机转子堵转时定、转子绕组的电路图异步电动机转子堵转时定、转子绕组的电路图。如图。如图5-30,从图中可以看出,电动机与变压器的,
50、从图中可以看出,电动机与变压器的电磁状况极为相似,参考对变压器的分析方法,可电磁状况极为相似,参考对变压器的分析方法,可以写出异步电动机转子堵转时电动势或电压方程式以写出异步电动机转子堵转时电动势或电压方程式如下:如下:111111111ZIExI jrIEU-2022220 xIjrIE图图5-30 异步电动机转异步电动机转子静止并短路时的定、子静止并短路时的定、转子电路图转子电路图第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机4 4)转子参数的折算)转子参数的折算 和分析变压器方法相似,为要把定子电压平和分析变压器方法相似,为要把定子电压平衡式、转子电
51、压平衡式和磁动势平衡式组合成一等衡式、转子电压平衡式和磁动势平衡式组合成一等效电路,需要把转子方面的各物理量归算到定子方效电路,需要把转子方面的各物理量归算到定子方面。在进行折算时,需要相应的电压变比、电流变面。在进行折算时,需要相应的电压变比、电流变比和阻抗变比。比和阻抗变比。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机(1)转子电动势的折算)转子电动势的折算 根据折算前后转子功率保持不变为条件,即应根据折算前后转子功率保持不变为条件,即应满足满足 折算前转子电动势为:折算前转子电动势为: 折算后转子电动势为:折算后转子电动势为: mwkNfE2212
52、44. 4mwkNfE111244. 4第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机(2 2)转子电流的折算)转子电流的折算 根据折算前后转子磁动势应保持不变为条件,根据折算前后转子磁动势应保持不变为条件,即应满足即应满足222221119 . 029 . 02IpkNmIpkNmww 由此可求得折算后的转子电流由此可求得折算后的转子电流iwwkIIkNmkNmI221112222第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机(3 3)转子阻抗的折算)转子阻抗的折算 根据折算前后转子上的铜耗保持不变为条件,根据折算前
53、后转子上的铜耗保持不变为条件,即应满足即应满足22222221rImrIm 由此可求得折算后的转子电阻由此可求得折算后的转子电阻2222211212)(rkkrkNkNmmrieww折算后的转子漏抗折算后的转子漏抗22xkkxie第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机(4 4)等效电路)等效电路 折算的好处是很明显的,折算后可以根据式折算的好处是很明显的,折算后可以根据式(5-74)构建一等效电路,它与副边短路时的变压器等构建一等效电路,它与副边短路时的变压器等效电路完全相同,如图效电路完全相同,如图5-31所示。由于对称关系,所示。由于对称关系,
54、电路仅考虑了一相,故各种计算量均取每相值。电路仅考虑了一相,故各种计算量均取每相值。图图5-31 转子堵转、转子绕组短路时的等效电路转子堵转、转子绕组短路时的等效电路第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机1. 1. 转差率转差率 通常把同步转速通常把同步转速n1和电动机转子转速和电动机转子转速n二者之间二者之间的差与同步转速的比值称为转差率(也叫做转差或的差与同步转速的比值称为转差率(也叫做转差或滑差),用滑差),用s表示。表示。 s是一个没有单位的数,它的大小也能反映电动是一个没有单位的数,它的大小也能反映电动机转子的转速。正常运行的异步电动机,
55、转子转速机转子的转速。正常运行的异步电动机,转子转速n接近于同步转速接近于同步转速n1,转差率,转差率s很小,一般很小,一般s=0.010.05。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机2. 2. 转子电动势转子电动势 当异步电动机转子以转速当异步电动机转子以转速n恒速运转时,转子恒速运转时,转子回路的电压方程式为回路的电压方程式为)(2222sssjxrIE 转子旋转时转子绕组中感应电动势为转子旋转时转子绕组中感应电动势为212211222244. 444. 4sEkNsfkNfEWWs第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异
56、步电动机三相异步电动机3. 3. 定、转子磁动势及磁动势关系定、转子磁动势及磁动势关系 下面对转子旋转时,定、转子绕组电流产生的下面对转子旋转时,定、转子绕组电流产生的空间合成磁动势进行分析。空间合成磁动势进行分析。(1 1)定子旋转磁动势)定子旋转磁动势F1 当异步电动机旋转起来后,定子绕组里流过当异步电动机旋转起来后,定子绕组里流过的电流为的电流为I1 ,产生旋转磁动势,产生旋转磁动势F1 ,其特点在前面,其特点在前面已经分析过了。这里仍假设已经分析过了。这里仍假设F1相对于定子绕组以同相对于定子绕组以同步转速步转速n1逆时针方向旋转。逆时针方向旋转。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理
57、原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机(2 2)转子旋转磁动势)转子旋转磁动势F2 幅值幅值 当异步电动机以转速当异步电动机以转速n旋转时,由转子电流旋转时,由转子电流I2s产生的三相合成旋转磁动势的幅值为产生的三相合成旋转磁动势的幅值为sWIpkNF222222423p第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机 转向转向 在前面分析转子绕组短路、转速在前面分析转子绕组短路、转速n=0的情况知的情况知道,气隙旋转磁密道,气隙旋转磁密B逆时针旋转时,在转子绕组里逆时针旋转时,在转子绕组里感应电动势,产生电流相序为感应电动势,产生电流相序为A2B2
58、 C2现在情现在情况是,转子已经旋转起来,有一定的转速况是,转子已经旋转起来,有一定的转速n,由于,由于是电动状态,转子的旋转方向与气隙旋转密度是电动状态,转子的旋转方向与气隙旋转密度B同同方向,仅仅是转子的转速方向,仅仅是转子的转速n小于气隙旋转磁密小于气隙旋转磁密B的的转速转速n1。这时,如果站在转子上看气隙旋转磁密,。这时,如果站在转子上看气隙旋转磁密,它相对于转子的转速为它相对于转子的转速为(n1 - n),转向为逆时针,转向为逆时针方向。这样,由气隙旋转磁密方向。这样,由气隙旋转磁密B在转子每相绕组感在转子每相绕组感应电动势应电动势, ,产生电流的相序仍为产生电流的相序仍为A2B2
59、C2。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机 转速转速 转子电流转子电流I2s的频率为的频率为2,显然有转子电流,显然有转子电流I2s产产生的三相合成旋转磁动势生的三相合成旋转磁动势F2 ,它相对于转子绕组,它相对于转子绕组的转速用的转速用n2表示,为表示,为pfn2260瞬间位置瞬间位置 当转子绕组哪相电流达到正最大值时,当转子绕组哪相电流达到正最大值时, F F2 2正正好位于该相绕组的轴线上。好位于该相绕组的轴线上。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机 (3 3)合成磁动势)合成磁动势 清楚了定
60、、转子三相合成旋转磁动势清楚了定、转子三相合成旋转磁动势F1、F2的的特点后,现在希望站在定子绕组的角度上看定、转特点后,现在希望站在定子绕组的角度上看定、转子旋转磁动势子旋转磁动势F1与与F2。 幅值幅值 关于定、转子磁动势关于定、转子磁动势F1、F2的幅值,不因站在的幅值,不因站在定子上看而有什么变化,仍为前面分析的结果。定子上看而有什么变化,仍为前面分析的结果。 转向转向 F1、F2二者的转向相对于定子都为逆时针方向二者的转向相对于定子都为逆时针方向旋转。旋转。第第5章章 交流电动机交流电动机(原理原理)5.45.4三相异步电动机三相异步电动机转速转速 定子旋转磁动势定子旋转磁动势F1相
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