异步电机和同步电机课件

1、第五章三相异步电动机的基本原理一、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作原理及结构交流电机有两大类：异步电机和同步电机。同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系。异步电机则不然。异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。（）基本工作原理 三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用而运行的。当三相定子绕组接至三相电源后，三相绕组内将流过对称的三相电流，并在电动机内产生一个旋转磁场，该磁场沿定子内圆周方向旋转。在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用2

2、表示。如图所示为异步电动机的工作原理示意图，假设定子只有一对磁极，阴影部分分别表示N极和S极。 3 在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e2和感应电流i2。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决定），电磁力F在转子的轴上形成电磁转矩Te，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此电磁转矩Te的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。 由图可见，转子旋转的方向与旋转磁场的方向相同。但电动机转子的转速n必须低于旋转磁场转速n0.因为，如果转子转速达到n

3、0,转子与旋转磁场之间就没有相对运动，转子导体将不切割磁通，于是转子导体中不会产生感应电动势和转子电流，也不可能产生电磁转矩，所以电动机只有在转子转速低于同步转速时，才能产生电磁转矩并驱动负载稳定运行。因此这种电动机称为异步电动机。4异步电动机转子转速不能等于同步转速，转子和旋转磁场之间的转速差是保证转子旋转的主要因素。通常把转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率S,用表示，即(二）旋转磁场的产生 三相异步电动机转子之所以会旋转，实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。下面来讨论旋转磁场的产生。 5当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。A、B、C和X、Y、

4、Z分别代表各相绕组的首端与末端，流过电流的正方向规定为由末端到首端6四极旋转磁场示意图式中，n0为同步转速，单位r/min；p为极对数；f1为交流电源的频率。7（三）三相异步电动机的工作原理三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环将它们连接成一个整体。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。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。（四）三相异步电动机的转速与运行状态 异步电动机的工作原理决定了它的转速一般低于同步转速。如果

5、异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。8转差n0-n的存在是异步电动机运行的必要条件。我们将转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用s表示。例5-1 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。解 9异步电动机的三种运行状态10二、三相异步电机的结构 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1112131、定子异步动机的定子由定子铁心、定子绕

6、组和基座三部分组成。14定子冲片定子线圈15铁心和机座2、转子异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。1）笼型绕组铜条笼型转子铸铝笼型转子16笼型转子17绕线转子照片18第二节 三相异步电动机的铭牌数据额定功率 电动机在额定运行时输出的机械功率,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， 单位 V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，单位 A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

7、线转子异步电动机，还标明转子的额定电动势及额定电流。19第三节 三相异步电动机的定子绕组一、交流绕组的一些基本知识和基本量1、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 。电角度= p机械角度2、线圈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。3、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y表示

8、，一般用槽数计算。节距应该接近极距。整距绕组，短距绕组，长距绕组204、槽距角 相邻槽之间的电角度称为槽距角若Q为定子槽数，p为极对数，则槽距角5、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）二、交流绕组的排列和联接为了便于说明问题，以下假设给定电机极数2p=4，槽数Q1=241、极距的计算， 若2p=4，Q=24，则 =6212、线圈中的电流方向两极磁动势图四极磁动势图3、确定相带 每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为“相 带”，q=Q/(2mp)；每个相带为60电角度。224、画定子槽展开图确定相带和应有的电流相对方向单层相绕组的一种联接方法三相绕组排列和联接的一般方

9、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。23三、三相单层绕组 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。 以下用定子槽数为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2、计算每极每相槽数3、划分相带 相带 槽号AZBXCY第一对极23,24,1,23,4,5,67,8,9,1011,12,13,1415,16,17,1819,20,21,22244、组成线圈组相绕组的构成同心式绕组三相单层同心式绕组展开图25四、三相双层绕组 双层绕组的每个槽内都有上下两个线圈边，每个线圈的一个边放在某一个槽的上

10、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2、选择节距选择短节距3、计算每极每相槽数并且计算槽距角264、画展开图画出槽内线圈边（上层边用实线，下层边用虚线表示），并且编号27 相带槽号AZBXCY第一对极1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二对极19,20,2122,23,2425,26,2728,29,3031,32,3334,35,36按每极每相槽数划分相带5、波组成线圈组28第四节 三相异步电动机的定子磁动势及磁场一、单相绕组的磁动势

11、 脉振磁动势（一）整距线圈的磁动势29t=0,i=Imt=90,i=0t=180, i=-Im 整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，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。脉振的频率就是交流电流的频率。30四极整距线圈的磁动势磁场分布磁动势分布把以2 为周期的矩形磁动势波用傅氏级数分解 应用傅氏级数对矩形波进行分解。矩形波中含有1，3，5，奇次谐波，又对称于纵轴。31各线圈磁动势波（二）线圈组的磁动势合成磁动势的基波基波磁动势矢量相加整距线圈的线圈组的磁动势 线圈组的合成基波磁动势为为基波磁动势的分布因数1、整距线圈的 线圈

12、组磁动势32例5-2 一台四极三相异步电动机，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和值基波分布因数五次谐波分布因数七次谐波分布因数332、短距线圈的线圈组磁动势q=2,=6,y1=5的双层短距叠绕组短距线圈节距缩短的角度式中称为基波磁动势的节距因数34同理，对于v 次谐波式中称为谐波磁动势的节距因数（三）相绕组的磁动势 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

13、数kw1=kq1ky1，称为基波绕组因数。对于v 次谐波 kwv=kqvkyv35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。3）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。二、三相绕组的磁动势 旋转磁动势取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间为时间的起始点，则三相的基波磁动势为：36利用三角公式将三相基波磁势相加，得出三相绕组的基波合成磁动势式中（m1为相数

14、） 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，cos(t-x/)=1,即 t-x/=0， t=x/， =x/，37三相绕组基波磁势合成圆形旋转磁动势旋转磁场转速 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。38 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。从而可得出39从上式可以看出，

15、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。2）幅值F1不变，为各相脉振磁动势幅值的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。40t=0 ,iA=Imt=120, iB=Imt=240, iC=Imt=360, iA=Im41 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

16、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。42例如，三次谐波表达式为：43第五节 三相异步电动机定子绕组的电动势一、线圈的感应电动势气隙磁密分布 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。44瞬时值的表达式有效值的表达式1、整距Nc匝线圈的电动势有效值的表达式2、短距线圈的电动势瞬时值的表达式45二、q个线圈组的感应电动势一个线圈组电动势的有效值为46三、相绕组的感应电动势相电势对单层绕组而言，每个相绕组有p个线圈组，并联支路数为a，每个线圈的匝数为Ny，则每个相绕组串联匝数为所以单层