工学国家规划课程电机与拖动三相异步电动机的基本原理PPT课件

1、1 异步电动机主要用作电动机，拖动各种生产机械。异步电动机主要用作电动机，拖动各种生产机械。 异步电动机的优点异步电动机的优点: :结构简单、容易制造、价格低结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特征。用的工作特征。 异步电动机的缺点异步电动机的缺点: :功率因数较差。异步电动机运功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于。功率因数总是小于。 第1页/共73页2一、三相异步电动机的工作原理与运行状态第一节 三相异步电动机的工

2、作原理及结构直流电机的工作原理：通过静止的磁场与以传导方式通入电枢绕组中的电流互相作用而产生一种恒定方向的电磁力第2页/共73页31、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。B相从A相后移120、C相从B相后移120、A相从C相后移120AiBiCimItAYCBZX240sin120sinsintIitIitIimCmBmA第3页/共73页4tIimAcos)120cos(tIimB)240cos(tIimC当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。01nf

3、第4页/共73页511060ffnpp式中，n0为同步转速，单位r/min；p为极对数；f1为交流电源的频率。第5页/共73页6n1neiNSf磁铁闭合线圈e方向用右手定则确定f方向用左手定则确定磁场旋转第6页/共73页7三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。 异步电动机运行的三要素：转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转。(1)旋转磁场；(3)转差率(2)转子闭合；第7页/共73页81. 线圈跟着磁铁转两者转动方向一致2. 线圈比磁场转得慢1nn异步

4、第8页/共73页9pfn1060设电源频率为f1，电机极对数为p，旋转磁场的转速称为同步转速为n0转子转速为n，n=n0-n称为转差，转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用s表示。同步转速%10000nnns0nn 转子异步转速第9页/共73页10例4-1 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。min/730rnN解 额定转差率同步转速pppfn300050606010考虑本题的额定转速min/7500rn 4p极对数空载转速min/748min/%)267. 01 (750)1 (000rr

5、snn%67. 2%100750730750%1000NNNnnns第10页/共73页11第11页/共73页12状 态电动机发电机电磁制动n与s关系nns0snss0n与ns反向，n1E1的性质反电动势电源电动势反电动势T的性质电磁驱动力矩电磁阻力矩电磁阻力矩能量转换电能机械能原动机机械能电能电能+机械能内部损耗（短路）第12页/共73页13 绕线转子异步电机剖面图 1转子绕组 2段盖 3轴承 4定子绕组 5转子 6定子 7集电环 8出线盒第13页/共73页14第14页/共73页15异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。第15页/共73页16第16页/共73页17第17页/共73

6、页18异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。第18页/共73页19第19页/共73页20第20页/共73页21定子与转子之间的间隙；0.2-2.5mm气隙越大，功率因数越低。气隙过小，装配困难第21页/共73页221 异步电动机的型号电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成。例如Y(异,yi)系列三相异步电动机表示如下： 第22页/共73页23 Y 100 L 1 2异步电动机 极数 铁心长度代号 机座中心高 机座长度代号第23页/共73页24额定功率 电动机在额定运行时输出的

7、机械功率,单位 kW额定电压 在额定运行状态下，电网加在定子绕组的线电压。额定电流 电动机在额定电压下使用，输出额定功率时， 定子绕组中的线电流。额定频率 我国的电网，标准频率为 50Hz。额定转速 电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的 转速，单位 r/min。 此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（星形还是三角形）、绝缘等级及允许温升等。对绕线转子异步电动机，还标明转子的额定电动势及额定电流。第24页/共73页25p 按定子相数分有 ：单相、两相、三相绕组p 按槽内层数分有 ：单层、双层、单双混合绕组p 按绕组端接部分形状：同心式、交叉式、链式p 双层绕组又分为：单波和单叠绕组p 按每极每

8、相占的槽数：整数槽和分数槽第25页/共73页261、电角度与机械角度 电机圆周在几何上分成360，这个角度称为机械角度。若磁场在空间按正弦波分布，则经过N、S 一对磁极恰好相当于正弦曲线的一个周期。因此，一对磁极所占有的空间是360电角度。可见，一个具有 p 对磁极电机，电机圆周按电角度计算就为 p360，而机械角度总是360 。（感应电势电流变化一周，相应的角度为电角度）第26页/共73页27组成交流绕组的单元是线圈。线圈是由一匝或多匝串联而成，它有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用y1表示，一般用槽数计算。节距应该接近极距。1y整距

9、绕组，1y短距绕组，1y长距绕组y1第27页/共73页28 相邻槽之间的电角度称为槽距角若Q1为定子槽数，p为极对数，则槽距角1360pQ 每一极每相绕组所占槽数，用符号q表示12qQpm第28页/共73页29假设给定电机极数2p=4，槽数Q1=24（三相单层叠绕组）1、极距的计算， 若2p=4，Q1=24，则 =66222421pQ2、节距， 单层绕组采用整矩6y3、相带 每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为“相带”，q=Q1/(2mp)；每个相带为60电角度。、槽距角，.130360Qp第29页/共73页30计算完极距后，再要弄清线圈绕组中的电流方向，进而弄清由此电流所产生的磁动势。第3

10、0页/共73页31三相绕组排列和联接的一般方法为:计算极距；计算每极每相槽数；划分相带；组成线圈组；按极性对电流方向的要求分别构成各相绕组。ABC第31页/共73页32单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边，整个绕组的线圈数等于总槽数的一半。用定子槽数为24，两极电机的定子绕组为例，说明单层绕组构成。1、计算极距12122421pQ2、计算每极每相槽数41322421mpQq3、划分相带19,20,21,2215,16,17,1811,12,13,147,8,9,103,4,5,623,24,1,2第一对极YCXBZA 相带 槽号第32页/共73页33第33页/共73页34双层绕组的每个槽内都有上

11、下两个线圈边，每个线圈的一个边放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距y1的另一个槽的下层。整个绕组的线圈数等于槽数。以下用3相4极36槽的双层叠绕组为例，说明3相双层绕组的排列和联接。1、计算极距943621pQ2、选择节距81y3、计算每极每相槽数32323621mpQq、计算槽距角20362360第34页/共73页3534,35,3631,32,3328,29,3025,26,2722,23,2419,20,21第二对极16,17,1813,14,1510,11,127,8,94,5,61,2,3第一对极YCXBZA 相带槽号第35页/共73页36第36页/共73页3734,35,3631

12、,32,3328,29,3025,26,2722,23,2419,20,21第二对极16,17,1813,14,1510,11,127,8,94,5,61,2,3第一对极YCXBZA 相带槽号第37页/共73页38第38页/共73页39一、单相绕组的磁动势脉振磁动势（一）、整距线圈的磁动势第39页/共73页40I2i0t2时，当，周期为tINiNtxfyyycos2221),(2( )222ymyFxN Ix23( )222ymyFxN Ix 由于电流时交变的，所以线圈中通以交流电流tIicos2第40页/共73页41tINiNtxfyyycos2221),(整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，

13、空间的分布总是一个矩形波。这种从空间上看位置固定，从时间上看大小在正负最大值之间变化的磁动势，称为脉振磁动势。第41页/共73页42四极整距线圈的磁动势同理，对于4极电机，其磁势如下图，脉振频率同电源频率，但是矩形增多了一倍。第42页/共73页43应用傅氏级数对矩形波进行分解。矩形波中含有1，3，5，等奇次谐波，又对称于纵轴。.5cos3coscos)(531xFxFxFxFyyyymINFyy22411 42(sin)22yyFN I 第43页/共73页44txxxINtxFtxfyymycos5cos513cos31cos9 . 0cos)(),(xINxFyycos9 . 0)(1txI

14、Ntxfyycoscos9 . 0),(1第44页/共73页451、整距线圈的线圈组磁动势A1A3A2X3X1X2F1F3F2F1F2FO整矩线圈组的磁动势分布第45页/共73页46线圈组的合成基波磁动势为12 sin2qqFR1sin2sin2qqkq基波磁动势的) 1(.01111qFFFFyyyq2sin21RFy1112242sin2sinqyyqIkNqqqFF第46页/共73页47qyyqIkNqqFF22412sin2sin1qqqqkq矢量的代数和个分布线圈基波磁动势矢量的几何和个分布线圈基波磁动势2sin2sinqqkq第47页/共73页48例4-2 一台四极三相异步电动机，

15、定子槽数为36，计算其基波和5次、7次谐波磁动势的分布因数。解 计算每相每极槽数q和值32323621mpQq2036060q基波分布因数13 20sin20.960203sin2qk五次谐波分布因数217. 02205sin32)205(3sin5qk七次谐波分布因数177. 02207sin32)207(3sin7qk第48页/共73页49短距线圈节距缩短的角度111yy第49页/共73页50同理，对于v 次谐波yvqvpvkFF2)1(式中2cos90sin1vvykyv称为谐波磁动势的节距因数111)1(122cos2yqqpkFFF90sin)180180(21cos2cos111y

16、yky式中2cos1磁动势矢量的代数和各整矩线圈线圈组基波磁动势矢量的几何和各整矩线圈线圈组基波yk称为基波磁动势的111WqyKKK第50页/共73页51绕组由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该打一个折扣kq1； 线圈由整距改为短距的基波合成磁动势幅值应该打一个折扣ky1；因此，由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数kw1=kq1ky1，称为。对于v 次谐波 kwv=kqvkyvIpNkkIkqNkkFFWyqyyqy11111119 . 0)2(2242IpNkFw19 . 0极数为p，每极每相槽数为q，如果每个线圈匝数

17、为Ny，则一相匝数为2qNy N= 2qNy第51页/共73页523）、单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为 ； 而v 次谐波磁动势幅值为： ； 谐波次数越高，幅值越小。110.9WNkFIp10.9WvvNkFIvptxkxkxkPINtxfWWWcos5cos513cos31cos9 . 0),(5311对于单相绕组磁动势，可以归纳以下几点：1）、单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值随时间变化的脉振磁动势。2）、单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合。第52页/共73页53取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为x的正方向，同时选择A相电流达到最大值的瞬

18、间为时间的起始点，则三相的基波磁动势为：txFfAcoscos11120cos120cos11txFfB240cos240cos11txFfC第53页/共73页54利用三角公式1coscoscos()cos()2)cos(21)cos(21coscos1111xtFxtFtxFfA)240cos(21)cos(21)120cos()120cos(1111xtFxtFtxFfB)120cos(21)cos(21)240cos()240cos(1111xtFxtFtxFfC将三相基波磁势相加，得出三相绕组的基波合成磁动势)cos()cos(23),(111111xtFxtFffftxfCBA式中I

19、pNkmFFW111129 . 023第54页/共73页55三相绕组合成磁动势是一个大小不变、旋转的行波，可以按以下方法确定其转速。 对于波幅这一点，其幅值恒为F1，由公式11( , )cosf x tFtx可知，当cos1tx时，有：11( , )f x tF说明，在与时间起始点相隔t1时，可以在与空间坐标原点相距x1的地方找到F1这个幅值。第55页/共73页56当时间t增大以后，要使cos()1txx必须增大，即波幅这一点必须离开原点。离开的距离假设为x，则有：tx把空间角度x对时间t求导，可得波幅这一点的旋转角速度。sddxdtdt 从角速度可得转速ns(r/min)，因为12f，则11

20、6060 26022ssffnppp第56页/共73页5701106060 26022ffnppp可以得出结论，当某相电流达到最大值，旋转磁动势的幅值就将转到该相绕组的轴线处。11( , )cos()f x tFtx第57页/共73页58如果电流是正序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向B相，再转向C相。如果电流是负序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向C相，再转向B相。因此，如果要改变三相异步电动机磁场的旋转方向，只要改变定子电流的相序，把定子绕组三个出线端的任意两个（例如B端和C端）对调即可。)cos(21)cos(21coscos1111xtFxtFtxFfA)120cos(21)cos(2

21、1)240cos()120cos(1111xtFxtFtxFfB)120cos(21)cos(21)120cos()240cos(1111xtFxtFtxFfC从而可得出11111( , )cos()ABCf x tfffFtx1060 fnp 第58页/共73页5911111cos(1cos()c scos)22oAfFFtxtFtxx从上式可以看出，一个正弦分布的幅值为F1,的脉振磁势波可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势波，其幅值均为F1/2，转速均为同步转速。三相基波合成磁动势具有以下特性：1）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速 ，旋转方向决定于电流的相序。pfn/6

22、0102）幅值F1不变，为各相脉振磁势幅值的1.5倍，旋转幅值轨迹是一个圆。3）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合成磁动势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。第59页/共73页第60页/共73页61需要指出, m相对称绕组中通以m相对称电流时，所形成的m相合成磁动势也是圆形旋转磁动势，其幅值为各相脉振磁动势幅值的m/2，其转速仍为同步转速。用同样方法可以分析各次谐波磁动势。当v=6K-1, (K=1、2、3、)（即：v=5、11、），谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相反； 当v=6K+1,(K=1、2、3、)（即：v=7、13、），谐波合成磁动势的旋转方向与基波合

23、成磁动势的方向相同；谐波合成磁动势的转速为n0v=n0/v ；当v=6K-3,(K=1、2、3、)（即：v=3、9、），谐波合成磁动势等于零。第61页/共73页62三次谐波表达式为：txFfAcos3cos33)120cos(3cos)120cos()120(3cos333txFtxFfB)240cos(3cos)240cos()240(3cos333txFtxFfC0)120cos()240cos(cos3cos33333tttxFffffCBA三、三相异步电动机的定子磁场 当对称三相绕组接通对称三相电源后，在气隙内建立一种以同步转速旋转的磁场。它是异步电动机的主磁场。异步电动机中的谐波磁场

24、作为漏磁场来处理。第62页/共73页63一、线圈的感应电动势气隙磁密分布xBBmxsin1讨论定子绕组内感应电动势时，气隙磁场切割定子绕组可以看成下图中所示的转子旋转，在定子绕组中所感应产生的电动势。第63页/共73页64 若转子转速用电角度若转子转速用电角度来表示，则时间为来表示，则时间为t t时，时，有有旋转磁场的同步转速xt160sfnp所以用电角度表示的同步转速12260sn pf因此气隙磁密的分布也可以写为：1sinxmBBt第64页/共73页651. 整距线圈的电动势：整距线圈的电动势： 电角度为电角度为 内通过的磁通内通过的磁通11sin()ymdN B Lrtdt一个极距内的磁通111sin()2costymymtN B LrtdtN B Lrt每极磁通1111222cpmmmB LB LB LB Lr 所以有：11cosyNt()dt第65页/共73页66得整距线圈的瞬时电动势为：11()1sinc yydeNtdt 整距线圈的电动势有效值为：1()11114.442c yyyeNf N 第6