电机与拖动课件 第四章异步机(一)第五章异步机(二)电机上册

1、 第四章第四章 异步机异步机(一一)第一节第一节 三相异步电动机的工作原理和结构三相异步电动机的工作原理和结构 * * 旋转磁场的产生旋转磁场的产生 * * 三相异步电动机的工作三相异步电动机的工作原理原理 * * 三相异步电动机的转速与运行状态三相异步电动机的转速与运行状态 一.三相异步电动机工作原理与运行状态三相异步电动机工作原理与运行状态 三相异步电动机工作原理 通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作用 在转子绕组内所感生电流间相互作用，以产生电磁转矩，实现拖动作用(一)旋转磁场的产生 旋转磁场是一种极性和大小不变并以一定转速旋转的磁场 旋转磁场可由电机三相对称绕组中通以三相对称电

2、流后形成 所谓三相对称绕组：所谓三相对称绕组： 三个彼此互隔三个彼此互隔120120分布在定子铁心内圆分布在定子铁心内圆的线圈，称为对称三的线圈，称为对称三相绕组。相绕组。 所谓对称三相电流，所谓对称三相电流，可表示为：可表示为： 选择几个特定瞬间，选择几个特定瞬间，如：如：规定：规定： 电流为正值时，由每电流为正值时，由每相线圈的首端相线圈的首端( (A A、B B、C)C)流出，由线圈末端流出，由线圈末端( (X X、Y Y、Z)Z)流入流入 画出画出tt=0=0、120120、240240、360360这四个特定这四个特定瞬间的电流方向与磁瞬间的电流方向与磁力线分布情况力线分布情况 因此

3、可知：对称因此可知：对称三相电流通入对称三三相电流通入对称三相绕组后建立的合成相绕组后建立的合成磁场，犹如一对磁极磁场，犹如一对磁极旋转产生的磁场，其旋转产生的磁场，其大小不变。大小不变。 当时间分别经过当时间分别经过 T/3, 2T/3, T 周期时周期时,合成磁场在空间相应合成磁场在空间相应地转过地转过 120、240、360 度度1.1.旋转磁场的方向旋转磁场的方向 按按 A B C A B C 顺序旋转顺序旋转2.2.旋转磁场的转速旋转磁场的转速. .(1)(1)对于一台两极电机对于一台两极电机 当三相电流随时间变化经过一个周期当三相电流随时间变化经过一个周期T T，旋转旋转磁场在空间

4、转过磁场在空间转过 360 360，即对应电流变化一周。，即对应电流变化一周。 因此，如果电流每秒钟变化因此，如果电流每秒钟变化 f f1 1 次，旋转磁场次，旋转磁场每秒钟将转过每秒钟将转过 f f1 1 转，即转，即 转速转速 = = f f1 1 ( (r/sr/s)= 60f)= 60f1 1 ( (r/mr/m) )(2)(2)对于一台四极电机对于一台四极电机 绕组分布如下图所示：绕组分布如下图所示： 从瞬间从瞬间 tt =0 =0 到到 tt =120 =120、240240、360360，合成合成磁场在空间相应转过磁场在空间相应转过 6060、120120、 180 180。 即

5、旋转磁场仅转过即旋转磁场仅转过 1/2 1/2 转转 旋转磁场每秒钟旋转磁场每秒钟将转过将转过 f f1 1/2 /2 转，即转，即转速转速 = = f f1 1/2 (/2 (r/sr/s) ) = 60f = 60f1 1/2 (/2 (r/mr/m) )(3)(3)当电机为当电机为 p p 对极电机时电流变化一周，对极电机时电流变化一周，旋转磁场转过旋转磁场转过 1/ 1/p p 转极对数为转极对数为 p p 的旋的旋转磁场的转速为转磁场的转速为 f f1 1/p (/p (r/sr/s)= 60f)= 60f1 1/p (/p (r/mr/m) ) 旋转磁场的这一转速用旋转磁场的这一转

6、速用 n n0 0 表示，称为同表示，称为同步转速步转速 ( (二二) )三相异步电动机的三相异步电动机的工作原理工作原理 对称三相绕组接到对对称三相绕组接到对称三相电源称三相电源 1.1.产生旋转磁场产生旋转磁场 在定子、转子之间的在定子、转子之间的气隙建立了以同步转气隙建立了以同步转速速 n n0 0 旋转的旋转磁旋转的旋转磁场场2.2.产生感应电动势产生感应电动势 根据电磁感应定律，根据电磁感应定律，转子导条内会感应产转子导条内会感应产生感应电动势生感应电动势感应电动势产生感应电动势产生 3.3.产生电磁转矩产生电磁转矩 当导条端接部分短接时，（如不考虑导条中电当导条端接部分短接时，（如

7、不考虑导条中电流与电动势的电位差），电动势的瞬时方向就流与电动势的电位差），电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向是电流的瞬时方向, ,根据电磁力定律，因导条根据电磁力定律，因导条载有感应电流，必然会受到电磁力作用载有感应电流，必然会受到电磁力作用 电磁力的方向用左手定则决定电磁力的方向用左手定则决定 所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的电磁转矩电磁转矩 转子跟着旋转磁场方向旋转转子跟着旋转磁场方向旋转( (三三) ) 三相异步电动机的转速与运行状态三相异步电动机的转速与运行状态1.1.异步电动机名称的由来异步电动机名称的由来 一般情况下，异步电动机的转

8、速不能达到旋转磁场的一般情况下，异步电动机的转速不能达到旋转磁场的同步转速同步转速 n n0 0, ,因为若旋转磁场与转子导条之间没有相因为若旋转磁场与转子导条之间没有相对运动，就不可能有感应电动势，因此就不会产生电对运动，就不可能有感应电动势，因此就不会产生电磁转矩磁转矩 所以转子转速所以转子转速 n n 与旋转磁场必定与旋转磁场必定“异步异步” 异步电动机由此而命名异步电动机由此而命名 2.2.转差率转差率 定义转差率：定义转差率： 一般情况下，异步电动机运行时转差率变化不大一般情况下，异步电动机运行时转差率变化不大，空空载转差率在载转差率在 0.5 % 0.5 % 以下以下，满载转差率在

9、满载转差率在 5 % 5 % 以下。以下。3.3.异步电动机三种运转状态异步电动机三种运转状态: :1).1).发电机状态发电机状态 即即 n nn n0 0 ，s 0s 0 电磁转矩方向和旋转磁场及转子的旋转方向相反电磁转矩方向和旋转磁场及转子的旋转方向相反 异步电机通过电磁感应由定子向电网输送电功率，异步电机通过电磁感应由定子向电网输送电功率， 电机处在发电机状态电机处在发电机状态2).2).电动机状态电动机状态3).3).电磁制动状态电磁制动状态 即即 n 0n 1s 1 电磁转矩方向与旋转磁场方向一致电磁转矩方向与旋转磁场方向一致, ,但与外转矩方但与外转矩方向相反向相反 异步电机同时

10、从转子输入机械功率、从定子输入电异步电机同时从转子输入机械功率、从定子输入电功率功率 两部分功率一起变为电机内部的损耗两部分功率一起变为电机内部的损耗第二节第二节 异步电动机铭牌异步电动机铭牌1.1.额定功率：额定功率： 额定运行时的输出的机械功率额定运行时的输出的机械功率, ,单位为单位为kwkw2.2.额定电压：额定电压： 额定运行状态下，加在定子绕组的线电压，单额定运行状态下，加在定子绕组的线电压，单位为位为 V V3.3.额定电流：额定电流： 额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为中的线电流，单位为A A4.4.额定频率：额定

11、频率： 我国标准工业用电频率为我国标准工业用电频率为5050HZHZ5.5.额定转速：额定转速： 额定电压、额定功率及额定频率下的转速，单额定电压、额定功率及额定频率下的转速，单位为位为r/minr/min第三节第三节 三相异步电动机的定三相异步电动机的定子绕组子绕组 旋转磁场由旋转磁通势来建立，所以对磁场的要求，也就是对磁通势的要求 本章以三相单层和双层绕组为例说明绕组的排列和联接 一一. .交流绕组的一些基本知识与交流绕组的一些基本知识与基本量基本量( (一一) )电角度与机械角度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 若电机磁场在空间按正弦规律分布当有导体经过

12、 N、S 一对磁极时导体中所感应（正弦）电动势的变化为一个周期，即经过 360 电角度 这样，电机若有 p 对磁极 电机圆周按电角度计算就为p*360，而机械角度仍为 360故： 电角度 = p * 机械角度 (二)线圈（图3-11a）线圈由一匝或多匝串联而成，两个引出线分别叫首端和末端( (三三) )节距节距 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 线圈可范围分为：整距绕组: y1 = t，短距绕组: y1 t( (四四) )槽距角槽距角a a 相邻槽之间的电角度叫槽距角 a如Q1为定子槽数( (五五) )每极每相槽数每极每相槽数 q q每一个极下每相绕

13、组所占的槽数,用符号 q 表示 m - 相数 二二. .交流绕组的排列和连接交流绕组的排列和连接举例：给定电机的极数 2p =4,槽数 Q1 = 24( (一一) )极距的计算极距的计算异步电动机形成磁极效应要在对称三相绕组中通入对称三相电流后才显示出来因此必须根据给定的定子槽数 Q1 和极数 2p 来确定极距( (二二) )线圈中的电流方向线圈中的电流方向在相邻极距内属于一个相绕组，而相隔一个极距的线圈边，有相反方向电流时，才能建立极数符合给定要求的磁通势和磁场 磁极的形成取决于流过线圈边的电流磁极的形成取决于流过线圈边的电流 ( (三三) )确定相带确定相带 每个极距内属于每相的槽所占有的

14、区域称为“相带” 每个相绕组所有相带均需相隔一个极距 因为一个极距为180电角度， 三相电机一个极距内有三个相带（ A B C 或 X Y Z ) 所以三相绕组每个相带为 60 一般三相异步电动机都采用 60 度相带的三相绕组 ( (四四) )画定子槽的展开图画定子槽的展开图 将槽编号，分相带，并确定各相的相带 下面将用实例进行说明三三. .三相单层绕组三相单层绕组分析一台槽数 24 的四极三相电动机绕组构成 ( (一一) )计算极距计算极距 ( (二二) )计算每极每相槽数计算每极每相槽数 ( (三三) )划分相带划分相带相带 A Z B X C Y 第一对极 1,2 3,4 5,6 7,8

15、 9,10 11,12 第一对极 13,14 15,16 17,18 19,20 21,22 23,24 （四）组成线圈组（四）组成线圈组 A相的线圈组应由线圈边 1、7，2、8、13、19 和 14、20分别组成的四个线圈 ，并分两组串联而构成 相绕组的构成（图相绕组的构成（图3-12） 四四.三相双层绕组三相双层绕组 双层绕组每个槽内有上下两个线圈边 双层绕组的嵌放（图双层绕组的嵌放（图3-15） 整个绕组的线圈数等于槽数 这种线圈形式便于绕制，端接部分形状排列整齐， 有利于散热和增强机械强度， 可以选择最有利的节距 y1，以改善磁通势和电动势波形 以一台三相四极 36 槽的双层叠绕组为例

16、，说明三相双层绕组的排列和联接 (一一) 计算极距计算极距(二二) 选择节距选择节距采用短节距 y1=8 槽(三三) 计算每极每相槽数计算每极每相槽数(四四) 划分相带，画展开图划分相带，画展开图相带AZBXCY第一对极1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第一对极19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36三相双层叠绕组展开图三相双层叠绕组展开图 ( (五五) ) 组成线圈组成线圈作出电机的圆形接线图如下： 正相带 A、B、C 和负相带 X、Y、Z， 各线圈组间的联接均为反向联接，方能产生要求的磁极对

17、数。 圆形接线图圆形接线图第四节第四节 三相异步电动机的定子磁通势及磁场三相异步电动机的定子磁通势及磁场* *整距线圈的磁通势整距线圈的磁通势 * *线圈组的磁通势线圈组的磁通势 * *相绕组的磁通势相绕组的磁通势 分析方法： 1.一个线圈的磁通势 2.一个线圈组以及一个相绕组的磁通势 3.三个相绕组的磁通势叠加得出合成磁通势一一. .单相绕组的磁通势单相绕组的磁通势 - - 脉振磁通势脉振磁通势 （一）整距线圈的磁（一）整距线圈的磁通势通势 对一台两极电机进行分析 这种整距线圈所产生的磁通势在空间分布波形是一个矩形波， 其周期为两个极距，其幅值等于磁力线所包围的全电流的一半整距线圈的磁通势图

18、整距线圈的磁通势图 wt = 0, i=2 I 时，整距线圈磁通势用方程式表示为 磁通分布一般表达式为： 应用傅氏级数，把上图上图中 wt = 0时的矩形波进行分解对矩形波进行傅氏展开图对矩形波进行傅氏展开图这样，整距线圈所产生的脉振磁通势表达式为：（二）线圈组的磁通势（二）线圈组的磁通势组成线圈组的线圈（或者是等效的线圈组的线圈），相互隔一个槽距角 a，且串联 下面按整距线圈和短距线圈两种情况，分析线圈磁通势。1 、整距线圈的线圈组磁通势 以一个 q = 3 的整距线圈组为例， 这三个矩形磁通势波形的幅值都相同，在空间彼此相隔 a 电角度，将矩形磁通势分解成基波及一系列谐波，对三个幅值相等在

19、空间互差 a 电角度的整距线圈，基波磁通势 Fy1、Fy2、Fy3 相加 ，可得出线圈组的基波合成磁通势 Fq1 (4-12)由（图4-25） (4-13) (4-14) 由式（4-13）和式（4-14）可得： (4-15)其中基波磁通势的分布系数： (4-16) 同理得线圈高次谐波磁通势的幅值 Fqv 为 (4-17)其中，v 次谐波磁通势的分布系数： (4-18) 2、短距线圈的线圈组磁通势以 q=2，t =6，y1=5 的双层短距叠绕组为例其一对极下属同一相的两个线圈组可等效为相差一个 a 角的上层和下层整距线圈组双层短距叠绕组合成磁通势双层短距叠绕组合成磁通势( (图图4-27)4-2

20、7)其中上层和下层整距线圈组的合成磁通势中，基波磁通势的幅值均为 Fq1，两个线圈组的基波合成磁通势的幅值F1(p=1)其中 称为基波磁通势的短距系数基波磁通势的短距系数同理，v 次谐波合成磁通势的幅值 Fv(p=1) 为其中，谐波磁通势的短距系数谐波磁通势的短距系数 (4-19) (4-20) (4-21) (4-22) (4-23) （三）相绕组的磁通势（三）相绕组的磁通势 综合关于整距线圈和线圈组磁通势的分析，得出结论 1.1.绕组由集中的改为分：绕组由集中的改为分：基波合成磁通势幅值打一个折扣 kq1; 2.2.线圈由整距改为短距线圈由整距改为短距：基波合成磁通势幅值打一个折扣 ky1

21、, 3.3.绕组由集中、整距改为分布、短距的实际绕组以后绕组由集中、整距改为分布、短距的实际绕组以后：基波合成磁通势幅值打一个折扣 kq1ky1 4.4.基波绕组系数基波绕组系数：kw1= kq1ky1 类似地，绕组由集中、整距改为分布、短距的实际绕组以后，对其谐波合成磁通势也要打一个折扣 kwv = kqvkyv 一个相绕组的磁通势，是指每对极下这个相绕组的合成磁通势 每一对极的磁通势和磁阻组成一个对称的分支磁路 所以单相绕组基波合成磁通势的幅值：是指相绕组在一对极下线圈中电流所形成磁通势的基波的幅值 极对数为，每极每相槽数为的双层短距绕组，每个线圈组由个线圈组成，如每个线圈的匝数为 ，则一

22、个相绕组每对极下线圈匝数是如相绕组的串联总匝数为，有下列关系：那么基波合成磁通势幅值 F1为v 次谐波磁通势的幅值 Fv为：单相绕组的磁通势方程式为 (4-26) (4-27) (4-28)单相绕组的磁通势的性质可归纳几点：1.单相绕组的磁通势是一种在空间位置固定、幅值随时间变化的脉振磁通势2.单相绕组基波磁通势幅值的位置与绕组的轴线相重合，其幅值为 （4-27） 3.单相绕组脉振磁通势中v次波磁通势的幅值为 （4-28） 可见谐波次数愈高，幅值愈小4.单相绕组的磁势方程式 （4-29）二二. .三相绕组的磁通势三相绕组的磁通势 - - 旋转磁通势旋转磁通势 从数学推导方面进行，首先考虑三相基

23、波合成磁通势， 取相绕组的轴线处作为空间坐标的原点， 空间坐标的选取（图空间坐标的选取（图4-304-30） 并以正相序方向作为的正方向； 同时选择相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点， 则、三个相的基波磁通势表达式为 同时选择相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点，则、三个相的基波磁通势表达式为2.2.三相合成基波磁通势的性质三相合成基波磁通势的性质(1)三相绕组的基波合成磁通势的幅值 (4-33)三相绕组的基波合成磁通势可表示为 (4-34)(2)三相绕组合成磁通势的转速可以通过对磁通势波上特殊点（例如波幅这一点）的转速来确定对于波幅这一点，其幅值始终为 F1,因此只要满足 cos（vpt）

24、，则（，）而波幅这点始终满足所以当时间增大以后，要使 cos（vpt），波幅所在点随时间而变的空间位移必须增大。 这个距离如以长度计算为，以空间位移角度计算即为 pt所以 ,将磁通势波任意点的空间位移角 = pt 对时间 t 求导数可求出波幅旋转的角速度(3-36)(3-36)可得转速 n0(r/min)(3-37)(3-37)当某相电流达到最大值，旋转磁通势的幅值就将转到该相绕组的轴线处 例如:当 t=0 时,A 相电流达到最大值,A 相的磁通势为 而旋转磁通势为可见f1与fA1在空间同一位置上，即位于A相绕组的轴线上.几点结论 对称三相绕组中通以对称三相电流时，三相基波合成磁通势具有下列特

25、性: 1、 三相基波合成磁通势是一个旋转磁通势, 转速为同步转速 n0 = 60f1/p, 旋转方向决定于电流的相序. 2、 幅值F1不变.为各相脉振磁通势幅值的3/2倍. 3、 三相电流中任一相电流的瞬时值达到最大值时, 三相基波合成磁通势的幅值在这一相绕组的轴线上.第五节第五节 三相异步电动机定子绕组的电势三相异步电动机定子绕组的电势*导条的电势 *线圈电势 分析方法: 1.线圈的感应电动势 2.线圈组的感应电动势 3.相绕组的感应电动势-相电势 * 物理上正弦分布形状磁极以 no 速度旋转产生的磁场 * 基波旋转磁势所产生的磁场 对定子绕组产生的磁效应是相同的，为直观计，下面以前者为例进

26、行分析 一一. .线圈的感应电势线圈的感应电势 ( (一一) ) 导条的电势导条的电势 1.1.感应电势的频率感应电势的频率 一对极时：磁极转一周，感应电势交变一次 P 对极时：磁极转一周，感应电势交变 P 次 所以导体中感应电势频率 2.2.感应电势波形和大小感应电势波形和大小由于 式中 Bd 为气隙磁密，所以 eA 瞬时值取决于导体切割气隙磁密时所在空间 Bd 的大小 若气隙磁密在空间按正弦波规律分布，同时考虑电动机气隙均匀，即电机磁路沿径向各处磁阻相等且为 Rm （磁路经由转子 - 气隙 - 定子 - 气隙 - 转子闭合） 则气隙磁密 Bd 可表述为选适当坐标使导条 A 所在处 x =

27、0，则 BdB1mcoswt所以感应电势波形随时间按正弦规律变化按正弦规律分布磁密波幅与平均值的关系图按正弦规律分布磁密波幅与平均值的关系图考虑到则可以得到:其中m为一个磁极下的磁通量单根导条的感应电势有效值 ( (二二) ) 线圈电势线圈电势 1.1.整距线圈整距线圈 整距线圈的电势的计算整距线圈的电势的计算( (图图4-314-31) ) EAE1mcoswt EX= E1mcos(wt-180) = - E1mcos(wt) 所以AX = = A - - X = 2 = 2A 整距单匝线圈电势有效值： EAX4.44f1m 2.2.短距线圈短距线圈 短距线圈的电势的计算短距线圈的电势的计

28、算( (图图4-324-32) ) 显然有 短距单匝线圈电势有效值 3.3.线圈基波电势线圈基波电势 若线圈匝数为 Ny，则线圈基波电势有效值为 Ey 4.44f1Ny Ky1m 二二. . 线圈组感应电势线圈组感应电势 分布式线圈组分布式线圈组(图图3-tem9) 线圈相隔槽距角a 线圈组电势： 和对磁势分析类似，可得 q 个线圈构成线圈组电势为 Eq1 = qEy1Kq1 = 4.44 f1 q Ny Ky1 Kq1 m = 4.44 f1 q Ny Kw1 m 第五章第五章 三相异步电动机的运行原理三相异步电动机的运行原理 第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程*转子磁通势的分析*磁通势

29、平衡 *相量矢量图 *电磁关系第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程一一. .异步电动机负载时的物理情况异步电动机负载时的物理情况 定子绕组接到对称三相电源时，通过对称三相交流电流 I1A、I1B、I1C， 在气隙内形成按正弦规律分布，并以同步转速 n0 旋转的旋转磁通势 F1， 建立气隙主磁场 Bm。这个旋转磁场切割定、转子绕组，分别在定、转子绕组内感应出： 对称定子电动势 E1A、E1B、E1C 对称转子电动势 E2a、E2b、E2c 若转子回路闭合,转子回路中流过对称三相电流 I2a、I2b、I2c 在气隙磁场和转子电流的相互作用下，产生电磁转矩，使转子顺旋转磁场方向转动。1.1.空载情况下空载情况下 电机转矩很小，转速接近同步转速，即 n n0 E2s 0 I2 0 故异步电动机空载运行时，建立气隙磁场 Bm 的励磁磁通势 Fm0就是定子上的三相基波合成磁通势 F10， 即 Fm0 = F102.2.异步电动机带有机械负载异步电动机带有机械负载 转速就会降低，即n Z2，可以认为