三相异步电动机的基本工作原理和结构教学课件市公开课获奖课件省名师优质课赛课一等奖课件

4.1三相异步电动机基本工作原理和结构4.2交流电机绕组4.3交流电机绕组感应电动势4.4交流电机绕组磁动势4.5三相异步电动机空载运行4.6三相异步电动机负载运行4.7三相异步电动机等效电路和相量图.4.8三相异步电动机功率平衡、转矩平衡

三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。不过，功率因数低、起动和调速性能差。1/624.1三相异步电动机基本工作原理与结构4.1.1三相异步电动机基本结构一、定子部分1.定子铁心：由导磁性能很好硅钢片叠成——导磁部分。2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。3、机座：固定定子铁心及端盖，含有较强机械强度和刚度。二、转子部分1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路一部分。2、转子绕组：1）鼠笼式转子：转子铁心每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。

异步电动机气隙是均匀。大小为机械条件所能允许到达最小值。三、气隙2/623/62按转子结构分：绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机继续继续4/62下面是它主要部件拆分图。

右图是一台三相鼠笼型异步电动机外形图。5/62鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图三相绕线型转子结构图返回6/627/624.1.2三相异步电动机基本工作原理U2U1W2V1W1V2n一、转动原理1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。8/62二、转差率

转差率是异步电机一个基本物理量，它反应电机各种运行情况。转子未转动时，电机理想空载时，作为电动机，转速在范围内改变，转差率在0~1范围内变。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率大小能够反应电机转速大小或负载大小。电机转速为：额定运行时，转差率普通在0.01~0.06之间，即电机转速靠近同时速。

同时转速与转子转速之差与同时转速比值称为转差率，用s表示，即：9/62三、异步电机三种运行状态依据转差率大小和正负,异步电机有三种运行状态机械能转变为电能电能和机械能变成内能电能转变为机械能能量关系制动制动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速旋转外力使电机沿磁场反方向旋转定子绕组接对称电源实现发电机电磁制动电动机状态10/624.1.3型号和额定值一、型号例:11/6212/62额定值关系有：额定运行状态时加在定子绕组上线电压.额定条件下转轴上输出机械功率。在额定运行状态下流入定子绕组线电流.额定运行时电动机转速.二、额定值13/62

三相异步电动机定子部分在结构上和同时电动机定子部分完全相同。对中、小容量低压异步电动机，通常定子三相绕组六个出线头都引出，这么可依据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D联结Y联结三、接线14/624.2交流电机绕组4.2.1交流绕组基本知识一、基本要求和分类1）三相绕组对称；2）力争取得最大电动势和磁动势；3）绕组电动势和磁动势波形力争靠近正弦；4）节约用铜量；5）绕组绝缘和机械强度可靠，散热条件好；6）工艺简单、便于制造、安装和检修。15/62二、交流绕组基本概念1、极距

两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面距离。若定子槽数为Z，磁极对数为p，则极距：2、线圈节距一个线圈两个有效边之间所跨距离称为线圈节距。3、电角度16/624、槽距角相邻两个槽之间电角度：6、相带

每个极面下导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极面下所占范围，用电角度表示称为相带。

每一个极面下每相所占槽数为5、每极每相槽数17/624.2.2三相单层绕组

单层绕组每个槽内只放一个线圈边，电机线圈总数等于定子槽数二分之一。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。一、单层链式绕组

单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同线圈连接而成，整个外形如长链。

链式绕组每个线圈节距相等而且制造方便；线圈端部连线较短而且省铜。主要用于q=24、6、8极小型三相异步电动机。18/62二、单层交叉式绕组

单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同两种线圈组组成，同一组线圈形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组端部相互交叉。

交叉式绕组由两大一小线圈交叉布置。线圈端部连线较短，有利于节约材料，而且省铜。广泛用于q>1且为奇数小型三相异步电动机。19/62三、单层同心式绕组

同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等线圈连成同心形状线圈组组成。

同心式绕组端部连线较长，适合用于q=4、6、8等偶数2极小型三相异步电动机。20/62优点不宜于大中型电机元件少，结构简单，嵌线方便，槽内无层间绝缘广泛应用于10kW以下异步电动机定子绕组单层绕组为整距绕组缺点电动势和磁动势波形较差铁损和噪声较大起动性能较差三相单层绕组优缺点21/624.2.3三相双层绕组

双层绕组每个槽内放上、下两层线圈有效边，线圈每一个有效边放在某一槽上层，另一个有效边则放置在相隔为y另一槽下层。双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）。22/62

双层绕组特点：1）线圈数等于槽数；2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数；3）每相绕组电动势等于每条支路电动势。优点能够选择最有利节距，使电动势和磁动势波形更靠近正弦波全部线圈形状和尺寸相同，便于实现机械化端部排列整齐机械强度高可组成较多并联支路缺点嵌线困难用铜量大23/624.3交流电机绕组感应电动势4.3.1线圈感应电动势及短距系数一、一根导体电动势二、整距绕组电动势

每个整距绕组由Nc个相同和线匝组成，每个整距线圈电动势:电动势频率:电动势大小:电动势波形:随时间改变波形取决于气隙磁密在空间分布波形24/62三、短距线圈电动势每个短距线圈电动势:称为短距系数：线圈短距时电动势比整距时打一个折扣．25/624.3.2线圈组感应电动势及分布系数一组线圈由q个线圈组成,若q个线圈为集中绕组时,各线圈电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为:若q个线圈为分布绕组,放在q个槽内,各线圈电动势大小相同,相位相差α电角度,电动势为:称为基波分布系数:线圈组电动势等于集中线圈组电动势打一个折扣.称为基波绕组系数。26/624.3.3一相绕组基波感应电动势一绕组有2a条支路，一条支路由若干个线圈组路串联组成。一相绕组基波电动势为一条支路基波电动势一、一相绕组基波电动势对单层绕组：对双层绕组：27/62二、短距绕组、分布绕组对电动势波形影响对V次谐波：28/62改进电动势波形方法:（１）采取短距绕组来减弱高次谐波（２）采取分布绕组来减弱高次谐波１．改进主磁极磁场分布２．改进交流绕组组成，减弱谐波电动势３．采取Ｙ接线消除线电动势中三及其倍数奇次谐波29/624.4交流电机绕组磁动势4.4.1单相绕组磁动势一、整距集中绕组磁动势一台两极气隙均匀交流电机,一个整距绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间分布如图,由全电流定律得:忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙上.每个气隙磁动势为:空间分布为矩形波,随时间按正弦规律改变.改变频率为电流频率。空间位置不变而幅值和方向随时间改变磁动势称为脉动磁动势。30/62矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:基波磁动势为:基波磁动势最大值为:整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点磁动势大小按正弦规律改变——依然为脉动磁动势。31/62二、单相脉动磁动势1、整距分布绕组磁动势每个绕组由q个线圈串联组成，依次在定子圆周空间错开槽距角α,绕组基波磁动势为q个线圈基波磁动势空间矢量和：2、一组双层短距分布绕组基波磁动势双层短距分布绕组基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势相量和，用短距系数计及绕组短距影响：32/623、相绕组磁动势

每个极下磁动势和磁阻组成一条分支磁路。若电机有p对磁极，就有p条并联对称分支磁路，所以一相绕组基波磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生基波磁动势，若每相电流为Ip:

单相绕组基波磁动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小随时间按正弦规律改变脉动磁动势。33/62三、单相脉动磁动势分解即一个脉动磁动势能够分解成两个幅值大小相等磁动势。先分析取幅值点分析34/62综上分析35/62可见(1)单相绕组基波磁动势为脉动,它能够分解为大小相等、转速相同而转身相反两个旋转磁场。(2)反之,满足上述性质两个旋转磁动势合成即为脉动磁动势。（3）因为正方向或反方向旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢量顶点轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为圆形旋转磁动势。36/624.4.2三相绕组基波合成磁动势——旋转磁动势三相合成磁动势：取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序方向作为x参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。

交流电机三相对称绕组,通入三相对称电流，磁动势是三相合成磁动势。37/62

为了分析旋转磁动势旋转方向，设三相对称电流按余弦规律改变，U相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势位置如图所表示：U2U1W2V1W1V238/62用图解法分析——不一样时刻三相合成磁动势

合成磁动势转向是从载有超前电流相转到载有滞后电流相。39/62

产生圆形旋转磁动势条件：一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。三相对称绕组通入三相对称电流，产生基波合成磁动势是一个幅值恒定不变圆形旋转磁动势，它有以下主要性质(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值3/2倍。(2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电流相.(3)转速决定于电流频率和电机磁极对数(4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势波幅位置刚好转到该相绕组轴线位置上40/624.5.1空载运行时电磁关系4.5三相异步电动机空载运行一、主、漏磁通分布

为了便于分析，依据磁通路径和性质不一样，异步电动机磁通分为主磁通和漏磁通。

主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心→气隙→转子铁心→气隙→定子铁心。主磁通起传递能量作用。

除了主磁通以外磁通称为漏磁通，它包含槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。41/62二、空载电流和空载磁动势异步电动机空载运行时定子电流称为空载电流。42/62三、电磁关系4.5.2空载运行时电压平衡方程一、感应电动势与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应电动势可见，异步电动机空载时电磁关系与变压器非常相同。43/62二、电压平衡方程与等效电路与变压器一样，依据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：一样也有：依据上两式，能够作出空载时等效电路。44/62

尽管异步电动机电磁关系与变压器相同，但它们之间还是有差异：1）主磁场性质不一样：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场.4）因为存在气隙,异步电动机漏抗较变压器大.5)异步电动机通常采取短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1.45/624.6.1负载运行时电磁关系4.6三相异步电动机负载运行46/624.6.2转子绕组各电磁量一、转子电动势频率感应电动势频率正比于导体与磁场相对切割速度,故转子电动势频率为:转子不转时,理想空载时,二、转子绕组感应电动势转子旋转时感应电动势:转子不转时感应电动势:二者关系为:47/62三、转子绕组漏阻抗电抗与频率正比于,转子旋转时转子漏电抗:二者关系:转子绕组漏阻抗:四、转子绕组电流转子绕组为闭合绕组,转子电流为转子不转时转子漏电抗:当转速降低时,转差率增大,转子电流也增大.48/62五、转子绕组功率因数转子功率因数与转差率相关,当转差率增大时,转子功率因数则减小。六、转子旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势.1)幅值2)转向转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同,转子旋转磁动势方向与转子电流相序一致.转子旋转磁动势相对定子速度为

可见,不论转子转速怎样改变,定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，二者在空间上总是保持相对静止。49/624.6.3磁动势平衡方程磁动势平衡方程为：能够改写为：写成磁动势幅值公式：50/624.6.4电动势平衡方程依据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：51/624.7.1折算4.7三相异步电动机等效电路和相量图

频率折算就是用一个等效转子电路代替实际旋转转子系统,而等效转子回路应与定子电路有相同频率。一、频率折算

在折算过程中，电机电磁效应不变，因而有两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路功率不变。转子回路电流52/62实际旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻。依据能量守恒关系，该电阻消耗功率等效机械损耗和机械功率之和——总机械功率。从等效电路角度