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电机与拖动基础
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交流电动机: 异步电动机 同步电动机 重点：三相异步电动机的工作原理 三相圆形旋转磁场 三相异步电动机的平衡方程、 等效电路、基本方程式 第一节 三相异步电动机 的基本原理 Tem 电磁场 永久磁场 磁场 电源电流 感应电流 电流 一、基本工作原理 N S n1 n fem Tem fem 异步电动机的工作原理 对称电源三相对称绕组加入三相nTFemem转差率%10011nnns1nn旋转磁场211EEn转子短接2I)(1nn021Enn若02 I0emTn%6%2Ns一般切记 二、三相异步电动机的结构二、三相异步电动机的结构 静止的定子和旋转的转子 （一）定子 定子铁心、定子绕组和机座 1 .定子铁心： 主磁路的一部分由0.5mm厚的硅钢片冲叠而成，每片之间互相绝缘减少涡损定子铁心内圆开有许多小槽嵌放定子绕组。 2 .定子绕组： 三相定子绕组在空间互差1200电角度。 绕组分类：单层：同心式，链式或交叉式 10kW以下。 双层: 大容量电机。 例:2p=4 Z1=24 极距 =Z1/(2p)=24/4=6 每极每相槽数q q=Z1/(2pm1)=24/(43) 一般q=2采用链式，q=3采用交叉式。 划分相带 相带：一相绕组在一个磁极下连续占有的范围，可用电角度表示。 一对磁极在空间占有的距离为3600 电角度。 电角度=机械角度p 相带=1800/3=600电角度 角位移（电角度）的推导 ttftpntnp1112602602画绕组展开图 三相绕组有六个引出线，接到接线盒中 A1 A1 B1 B1 C1 C1 A2 A2 B2 B2 C2 C2 C1 A1 A1 B1 B1 C1 A2 A2 B2 B2 C2 C2 3.机座： 固定定子铁心， 包括前后端盖， 由铸铁或钢板焊成 。 （二）转子 由转子铁心，转子绕组和转轴等组成。 1.转子铁心 磁路的一部分。 由0.5mm厚的硅钢片叠成。 铁心外圆冲有许多均匀的槽，嵌放转子绕组。 2.转子绕组 笼笼型型和绕线型绕线型两种 (1)笼型转子绕组 由铜条或铸铝构成。 去掉转子铁心，外形象笼子。 小型异步电机多采用铸铝转子绕组。 （2） 绕线式转子绕组 与定子绕组相似，也是一个对称的三 相绕组转子通过电刷装置接成Y。 3.气隙： 一般0.22mm 气隙大I0大cos 三、三相异步电机的铭牌数据及主要系列 （一）铭牌数据 （1）型号 Y90L-4 Y：Y系列异步电机 90：机座中心高90mm L：长铁心（L.M.S） 4：四极 （2）额定功率 PN： 额定运行状态电动机的输出功率输出功率。 NNNNNIUPcos311 额定工作状态的转子转速。 （3）额定电压 UN： 电动机在额定工作状态定子绕组的线电压线电压。 （4）额定电流 IN： U1=UN，P2=PN时，定子绕组的线电流线电流。 （5）额定转速nN： （6）额定频率 fN： fN=50Hz (7) 额定功率因数 cosN： 定子侧的功率因数。 绝缘等级，温升，工作方工式。 绕线式：转子绕组接法，E2N.I2N （二）主要系列： 1. Y系列：代替JO2系列 PN从0.5590kW 2. YR系列： 大型三相绕线式，用于冶金和矿山机械。 第二节 三相异步电动机的定子磁场及感应电动势 重点： 旋转磁场的大小 旋转方向 旋转速度 分布波形 定子绕组感应电动势的大小 难点：旋转磁场在空间的分布波形 一、三相异步电动机定子绕组磁通势 （一）单相交流绕组产生的磁通势脉振磁通势 1. 线圈通以直流电时 由全电流定律 INIHdlcINFcY2/12. 线圈通以交流电时 tIiccos22/cos22/tINiNfcccY将fY按傅氏级数展开 )sin()cos()3cos()cos()(31rxrFxFxFxFYYYYm基波磁通势 tNItxfccYcoscos9 . 0),(ccYININF9 . 0122415 , 3 , 1tFycoscos13.每相绕组产生的每对磁极磁通势 每相绕组的有效匝数： tIpkNtxfwphcoscos9 . 0),(11apqNNc21apqNNc1单层： 双层： F 0 t=0 t=600 t=1200 t=1800 （二）三相交流绕组电流产生的磁通势旋转磁通势 三相交流绕组在空间互差1200电角度 通入三相交流对称交流电流 iB iC i t iA 0 )120cos(0tIimBtIimAcos)0240cos(tIimCC1 A1 B1 iA iC iB t=0 iA=Im iB= iC=-1/2Im 1 .旋转磁场的旋转速度 FB FC FA A1 A2 B1 B2 C1 C2 00 A1 C1 B1 iA iC iB t=1200 iB=Im iA=iC=-1/2Im A1 C1 B1 iA iC iB t=2400 iC=Im iA=iB=-1/2Im 磁极对数为1 C1 A1 B1 iA iC iB t=360 iA=Im iB= iC=-1/2Im FB FC FA A1 A2 B1 B2 C1 C2 00 1160fn C1 A1 B1 iA iC iB t=0 iA=Im iB= iC=-1/2Im A1 B1 C1 A1 B1 C1 A2 B2 C2 A2 B2 C2 磁极对数为2 t=1200 iB=Im iA=iC=-1/2Im A1 B1 C1 A1 B1 C1 A2 B2 C2 A2 B2 C2 A1 C1 B1 iA iC iB A1 B1 C1 A1 B1 C1 A2 B2 C2 A2 B2 C2 t=2400 iC=Im iA=iB=-1/2Im pfn1160A1 C1 B1 iA iC iB 2.磁场的大小 三相交流绕组的合成旋转磁场 mFF23t=0 iA=Im iB= iC=-1/2Im FA FC FB A1 A2 B1 B2 C1 C2 时01tCBAFFFFmFF23时02120tmFF23时03240ttIPkNfwAcoscos9 . 0111即)120cos()120cos(9 . 000111tIPkNfwB)cos(231111tFffffphCBA)240cos()240cos(9 . 000111tIPkNfwC3 .旋转方向 由电源的相序决定 C1 A1 B1 iA iC iB A1 C1 B1 iA iB iC A1 C1 B1 iA iB iC t=0 iA=Im iB= iC=-1/2Im t=1200 iC=Im iA=iB=-1/2Im t=2400 iB=Im iA=iC=-1/2Im A1 A2 C1 C2 B1 B2 A1 A1 C2 C1 B1 B2 A1 A2 C2 C1 B1 B2 4 .分布波形： f 0 fA fB fC f f f 综述： 三相合成磁通势任何时刻幅值不变 IPkNmFw1119 . 02三相合成磁通势的方向随t变化， 即合成磁通势的终点轨迹为圆。 旋转速度 ）分转(6011pfn 合成磁通势的旋转方向由电源相序决定 。 二、三相异步电动机的定子 感应电动势 三相合成磁场 旋转磁场 定子绕组静止不动 定子绕组以n1的速度切割磁力线E1 （一）绕组感应电动势 1.导体感应电动势 lBflvBEmmc1111222lvBEmmc11mmcffE11122. 222ttdBBBmmav0sin12其中：lBlBmavm12mmlB2111260602602fpfpnpv2 .整距线圈的感应电动势 3.短距线圈电动势y mctfEE11144. 422180/180cos20011yEEctc1 c1 t1 Y t1 c1 c1 Y= N S 110144. 490/sin2YmckfYE11tcyENE（二）线圈组感应电动势 3211yyyqEEEE1113qyqkEE2sin21qREq12sin2sin1qqkq2/sin211yER 11qykqE2sin2sin11qEEyq （三）每相绕组的感应电动势 mwphkNfE111144. 4111qywkkkmwcphkqNfEap111244. 4mwcphkqNfEap11144. 4双层绕组 单层绕组 第三节 三相异步电动机的 运行原理 重点：异步电动机运行分析 平衡方程式 频率折算 等效电路 难点：转子磁场的分析 励磁阻抗的测定 一、 三相异步电机的空载运行 三相对称定子绕组加入三相对称电流 旋转磁场，以n1速度旋转E1 E2SI2STem 转子旋转nn1(nn1) （一一）三相异步电动机的空载电流和空载磁通势三相异步电动机的空载电流和空载磁通势 （1）空载n0n1E2S0I2S0 （2）空载电流 i0 İ0=İ0a+İ0r I0r 空载电流无功分量，产生三相旋转磁通势 I0a空载电流有功分量，产生有功损耗（铜损耗、铁心损耗、转子摩擦损耗） （3）空载磁通势 空载电流I2s0，转子磁通势F20 F01.35I0N1kw1/p （4）磁通 主磁通同时交链定子绕组和转子绕组，参与能量传递和转换 漏磁通只交链定子绕组 （二）空载定子电压平衡方程式和等效电路 mwkNfE111144. 410111RIEEU10111XI jEE)(001mmmjXRIZIE1112LfX101ZIE)(1101jXRIE励磁电阻201/ImpRFem1.电压平衡方程式 空载时： mwkNfEU1111144. 42.空载时的等效电路 与变压器类似，只是异步电机有气隙，I0=60%IN 1 İ0 R1 X1 Xm Xm 当 U1一定时 m 基本不变 110EZI11EU二、三相异步电机的负载运行 （一）负载时气隙磁通势 负载时气隙磁通势由I1和I2共同产生 气隙磁场切割转子的速度 n1-n 60601111pnfpfn112111226060)(Sfnpnnnnnpf10nnTL转子磁极对数p2恒等于p自动 跟随定子磁极对数变化 （二）转子磁通势 2.转子磁极的旋转方向 F2的旋转方向始终与F1一致 3.转子磁极的旋转速度 11122606060SnpfSpSfpfnF2 2相对定子绕组的转速：n+n2=n+sn1=n1 N S 即 定子磁场与转子磁场相对静止！ 的幅值2. 1 F2222229 . 0IpkNmFw（三）磁通势平衡方程式 021FFFFm011109 . 02IpkNmFwmFFF21ccUm1当111119 . 02IpkNmFw222229 . 02IpkNmFw（四）电动势平衡方程式 1.电磁关系分析： 当TL变化n变s变E2s.I2s.X2s均发生变化 2.电动势平衡方程式： )(222ssjXRI1 İ1 R1 X1 1 2s İ2s R2 X2s f2 f1 11111RIEEU2222RIEEsss111ZIE三、三相异步电动机的 等效电路 用纯电路代替电磁耦合的定、转子电路 （一）频率折算： 将f2f1即用静止的转子代替旋转的转子。 原则：F2=c 若转子静止，s=1，f2=sf1=f1 转子旋转s1 22222221244. 444. 4EskNfjEkNfjEmwsmw折算后 折算前 222222222222)/()(IXsREsXREIss即221222212222sXLsfLfXLfXs22222222/jXsREIjsXREIss22222222222)/(/cosXsRsRXRRs 折算前的电路 折算后的电路 折算前后转子电流及功率因数的大小不变，性质变化。频率由f2f1 2 İ2 R2 X2 21Rssf1 并且此电阻消耗的功率Pm 21Rss22221RssImPmR2 X2s 2s İ2s f2 转子电路串入一个附加电阻： （二）绕组折算 将m2、N2、kw2m1、N1、kw1 方法与压器相同。 1.电流折算：原则 F2 不变 222221119 . 029 . 02IpkNmIpkNmww2211122221IkIkNmkNmIiww电流比222111wwikNmkNmk折算后的磁通势平衡方程为 021III2.电动势折算： 原则：转子视在功率不变 221222IEmIEm221222EImImE 电压比2211wwukNkNk222211EkEkNkNuww222211112EkNmkNmmmww3.阻抗折算： 原则：有功损耗及无功损耗不变 22222122)(RkkRIImmRiu的折算关系得，根据22XR22222122)(XkkXIImmXiu222222 21RImRIm222222 21XImXIm22ZkkZiu(三) 三相异电动机的等效电路 折算以后的电压平衡方程式 )(012mmjXRIEE)(2222jXsRIE)(11111jXRIEU021III1.T型等效电路 根据平衡方程式，按照变压器的等效电路 的画法，可得T型等效电路。 İ1 1 1 =2 İ2 İ0 R1 X1 R2 21RssX2 从等效电路，分析电机的运行状态： （1）空载运行： 很低212111)()(cosmmmXXRRRR00221IsRsnn01II 即转子开路(2)额定负载运行： sN=0.020.06 9 . 08 . 0cos)(1201III转子基本阻性22)5016(/RsR1)/(/cos2 22222XsRsR（3）起动： 2 .等效电路的简化： İ1Z11， 可将励磁电路移到输入端 很低很低很大，12222coscos1IRsRsİ2 1 İ0 İ1 R1 R2 X2 X1 21Rss四、三相异步电动机的参数测定 异步电机的参数可用空载试验和短路试验测定 （一）空载试验与励磁参数的测定 1.空载实验 测定：U0、p0、I0、n 计算：Rm、Xm、pFe、pm 2.试验方法：TL=0，调节U1从(1.11.3)UN 0.45UN左右，测79组， 记录对应的 U0、p0、I0及n， 绘制I0=f(U0)，p0=f(U0) 3.励磁参数与pFe、pm的确定 （1）机械损耗与铁损耗的分离 mFeppRImpp120100 p0=f(U1) p0 P0 0 U12 pFe pm U1N2 无关与而121UpUpmFemFepppU000，U1 UN1 I p0 I0=f(U1) 0 I0 mFeppRImp12010)(210Ufp 作（2）励磁参数的计算： 空载：s0转子开路： 0110IUZZZm X1：由短路参数确定 20200RZX201ImpRFem201010ImppRRRmm10XXXm（二）堵转试验 1.试验目的： 测定Ush、psh、Ish。 确定Rsh、Xsh 2.试验方法： 将转子堵住不动，从U1=0.4UN 开始减小U，使I1=IN1。 测量：Ush、Ish、psh(57)组数据。 作Ish=f(Ush) psh=f(Ush) 堵转 短路0112RsssUsh 0 Ish Ish=f(Ush) psh=f(Ush) psh 3.参数计算： 堵转：U1UN1 Z2Zm, 励磁回路近似开路 22shshshRZXsh İsh R1 R2 X2 X1 12RRRsh1/NshshshshIUIUZ21233NshshshshIpIpR21XX设shXXX2/121第四节 三相异步电动机的功率和电磁转矩 重点：三相异步电动机功率转换过程 功率平衡方程式 转矩平衡方程式 电磁转矩公式 1.输入功率 P1=3U1I1cos1 2.定子铜损耗 pcu1=3I12R1 İ1 1 1 =2 İ2 İ0 R1 X1 R2 X2 21Rss一、功率和损耗 3.铁心损耗 4.电磁功率 Pem P1-pcu1-pFe mFeRImp201sRImIEmPem/cos22 2122215.转子铜损耗 emcusPRImp22 2126.总机械功率 emcuemmPspPP)1 (2输出功率 )(2admmppPPP1 Pem Pm P2 pcu1 pFe pcu2 pm+pad pad=0.5%PN铜条转子 admcuFecupppppp21pPP12pad=(13)%PN铸铝转子 效率: %10
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