电机拖动基础第4章 异步机原理.ppt

1、第4章三相异步电机的基本原理,4.1 三相异步电动机的基本结构,4.2 三相交流电机的工作原理,4.3 三相交流电机的定子绕组,4.4 三相异步电动机的定子磁场,4.5 三相异步电机的定子感应电动势,4.6 三相异步电动机的运行原理,4.8 三相异步电动机的工作特性,4.7 三相异步电动机的功率和转矩,主要是由定子部分（静止的）和转子部分（转动的）两大部分组成，定、转之间是空气隙。另外还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。,4.1.1异步电动机的定子结构,由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。,1. 机座 异步电动机的机座主要是固定和支撑定子铁 心和绕组。,2. 定子铁心 定子铁心是电动机磁路

2、的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心的铁损耗，定子铁心用0.5mm厚的硅钢冲片叠成，硅钢片两面还应涂上绝缘漆，用以降低交变磁通在铁心中产生的涡流损耗。在定子铁心内圆上开有槽，槽内放置定子绕组(也叫电枢绕组)。,3. 定子绕组 异步电机的定子绕组是电动机电路部分。每相绕组按一定规律连接，三相构成对称绕组。定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌放在定子铁心的槽中。绕组与槽壁间用绝缘隔开。三相绕组的6个出线，引到机座上接线盒内的接线板上，可按要求接成Y或接法,定子绕组接线盒,星形(Y)联结,三角形()联结,4.1.2异步电动机的转子结构,由转子铁心、转子绕组和转轴组成。,1转子铁心 转子铁心也是磁

3、路的一部分，与定子铁心一样，也由厚度为 0.5 mm 的硅钢片叠压而成，整个铁心固定在转轴上。转子铁心外圆上冲有均匀分布的槽，用以安放转子绕组。,2. 转子绕组 三相异步电动机的转子绕组用来感应电动势及产生电流，同时与旋转磁场作用产生转矩，是电机的重要部件之一。异步电动机的转子绕组按结构分笼型绕组和绕线型绕组两种。,(1)笼型绕组:笼型绕组分铜条绕组和铸铝绕组两种。铜条转子是在转子铁心槽内插入铜条（又称导条），铁心两端槽口外用铜环将全部导条焊接，全部导条自行闭合，其形状为圆柱形“笼子”。 铸铝绕组是将熔化的铝注入转子槽内，同时注上端环和风扇，使导条与端环构成闭合绕组，其形状也是圆柱形“笼子”。

4、,(2) 绕线型转子绕组。绕线型转子的铁心槽内嵌放三相对称绕组，与定子绕组相似。转子绕组采用Y接线，三相绕组的首端接到转轴上的三个集电环，再通过电刷、滑环间的滑动与外电路连接。 绕线型转子回路中串接外接电阻或其他电气设备，以改善电动机的启动性能和调速性能，因此获得广泛应用。但是结构比笼型电机复杂，而且电刷、滑环还增加了维修工作量。,4.1.3 定子与转子间的气隙,在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.21.5mm左右。气隙大时，磁路磁组增加，要求的励磁电流也增加，从而影响电动机的功率因数。为了提高功率因数，尽量让气隙小些，但也不应太小，否则，不但给制造带来困难，也可能使定、转子摩擦或碰撞。,回

5、忆,电机旋转的基本条件。,磁场B,电流i,4.2.1 旋转磁场,1. 旋转磁场的产生,三相对称绕组,U、V、W每相绕组匝数相等，绕组轴线在空间互差120,三相对称电流,iU = Imsin t iV = Imsin( t120O) iW = Imsin( t120O),iU iV iW,W2 W1,V2 V1,U1 U2,横截面,流出,流入,设定1：每相绕组由一个 线圈组成； 设定2：电流正方向如图,iU = Imsin t iV = Imsin( t120O) iW = Imsin( t120O),iU iV iW, t = 0o 时 iU = 0，iV 0， iW 0,N S,t = 0o

6、 时 iU = 0，iV 0， iW0,N S,t = 120o 时 iU0，iV = 0，iW 0,N S,t = 240o 时 iU 0，iV0，iW = 0,t = 360o 时 iU= 0，iV 0，iW0,N S,旋转磁场的转速 n1,i 变化一周 i 每秒钟变化 50 周 i 每分钟变化 (5060) 周,旋转磁场转一圈 旋转磁场转 50 圈 旋转磁场转 3000 圈, 同步转速,n1 = 3000 = 60 f1 (r / min) 同步转速 n1 的大小怎样改变？,旋转磁场的转速 n1,每相绕组由 一个线圈组成,每相绕组由两个 线圈串联组成,t = 0o 时 iU = 0，iV

7、 0， iW 0,N,S,N,S,N,S,N,S,t = 120o 时 iU0，iV = 0，iW 0,N,S,N,S,N,S,N,S,t = 240o 时 iU 0，iV0，iW = 0,t = 360o 时 iU= 0，iV 0，iW0,当磁极对数 p = 2 时 电流变化一周 旋转磁场转半圈,磁极对数为 p 时,f = 50 Hz 时： 1 2 3 4 5 6 3 000 1 500 1 000 750 600 500,U (i) V(i) W(i) 由超前相转向滞后相。 由通入绕组中的电流的相序决定的。,旋转磁场的转向 n1 ( n1 的方向),怎样改变 n1 的方向 ? 交换两相绕组

8、中电流的相序。,顺时针方向旋转,2. 怎样改变转子的转向?,3 ,M 3,3 ,M 3,逆时针方向旋转,旋转方向？,4.2.2 转子中电流的产生,4.2.3 异步电动机的工作原理,1. 转子旋转的方向及速度,异步电动机转子的转速n低于定子旋转磁场的转速n1，所以叫异步电动机，又叫感应电动机。,对称三相绕组 通入对称三相电流,旋转磁场 （磁场能量）,磁感线切割 转子绕组,转子绕组中 产生 e 和 i,转子绕组在磁场中 受到电磁力的作用,转子旋转起来,三相 交流 电能,电磁 转矩,2. 转差率的概念,转子转速n与定子旋转磁场转速n1之差称为转速差n,一般空载时s0.005；负载时s=0.0150.

9、06。,转差与同步转速n1之比称为转差率s.,三相异步电动机 型 号 Y132S6 功 率 3 kW 频 率 50Hz 电 压 380 V 电 流 7.2 A 联 结 Y 转 速 960r/min 功率因数 0.76 绝缘等级 B,4.2.4 铭牌数据及主要系列,1. 额定值 (1) 额定功率 PN (2) 额定电压 UN (3) 额定电流 IN (4) 额定频率 fN (5) 额定转速 nN (6) 额定功率因数 cosN (7) 绝缘等级与温升,【例4-1】 已知一台三相异步电机的额定转速为 1437r/min，试求这台电动机的极对数和额定转差率。,解：因为,则 p = 1时，n1 = 3

10、000 r/min； p = 2时，n1 = 1500 r/min； p = 3时，n1 = 1000 r/min； p = 4时，n1 = 750 r/min； p = 5时，n1 = 600 r/min； 当 n = 1437 r/min 时：,2. 异步电动机的主要系列,Y2132S22,(1) 型号,(2) 主要系列 我国生产的异步电动机有一百多个系列， 五百多个品种。,部分异步电动机系列产品及用途,【例4-2】 已知 Y100L-2 型异步电动机的额定功率 PN = 3.0 kW，额定电压 UN = 380V，额定功率因数cosN = 0.87，额定效率N = 82%，额定转速 nN

11、 = 2870 r/min， 求电动机的额定电流和额定转矩。,解：额定电流为,额定转矩为,4.3.1 交流绕组的基本概念,4.3 三相交流电机的定子绕组,1. 槽距角 为相邻两槽中心线之间的电角度。 如定子槽数为 Z1，则,2. 每极每相槽数,绕组相数,3. 极距 ,为旋转磁场每一磁极在定子内圆 所占的距离（槽数） 。,4. 线圈 线圈是构成绕组的元件。 放在槽中的部分称为线圈边。 5. 节距 y1 线圈两线圈边之间的距离（槽数） 。 当 y1= 时，为整距线圈； 当 y 时，为短距线圈；当 y1 时，为长距线圈。,6. 相带,每相绕组在一个极下连续占有的宽度。 相带用电角度表示。 三相对称绕

12、组在槽中的安放次序为 U1W2V1U2 W1 V2 彼此互差 60 电角度，这就是 60 相带。,7.集中绕组和分布绕组、单层绕组和双层绕组,每极每相槽数等于1的绕组称为集中绕组。大于1的绕组称为 分布绕组。,在一个槽内只有一个线圈边的绕组称为单层绕组。,在槽内的上层与下层各有一个线圈边的绕组称为双层绕组。 功率达到10千瓦以上的电机，多采用双层绕组。,集中绕组,集中绕组,分布绕组,分布绕组,4.3.2 三相单层整距绕组,例如：Z1 = 12，p = 1，m = 3，y = 。,1. 极距和节距 单层绕组为整距绕组，故 y1= = 6。 2. 每极每相槽数 q,3. 槽距角,4.4 三相异步电

13、动机的定子磁场,4.4.1 单相绕组的磁通势 脉振磁通势 1. 整距线圈的磁通势,x = 0,设线圈匝数为 Ny，线圈磁动势为 Nyi 。,某一时刻,动画,磁通势任何瞬时在空间的分布是矩形波,矩形 波的周期为2 。 ,矩形波的高度是时间的函数，随时间按正弦规律 变化。,矩形波磁通势幅值的位置在空间固定, 在正、负 最大值之间脉振，这样的磁动势称为脉振磁动势。,结论,矩形波的分解,基波磁通势 基波磁通势的幅值,= fy1 fy3 fy5 ,基波在空间按正弦分布，在时间上，任何一个位置的磁势都按正弦变化。所以基波是一个正弦分布的正弦脉振磁势。,基波磁通势,动画,单层绕组的整距线圈构成的线圈组，是由

14、 q个依次相距 槽距角的整距线圈串连而成。,q=3的线圈组,2. 单层整距线圈组的磁通势,1 2 3,由于线圈组中的各线圈匝数相等，通过电流相同，每个线圈产生的矩形波磁势高度相同，而且空间依次相差 电角度。,交流绕组的分布系数,q个线圈都集中在一个槽中，每个线圈组的磁动势,称为交流绕组的分布系数。它表示同样匝数的分布放置绕组，其基波磁动势比同样匝数的集中绕组（q 个线圈集中放置在同一槽内的绕组）的基波磁动势减小的系数。或者可以理解为，把绕组中的各线圈依次排列成分布线圈后，所引起的基波磁动势减小的折扣系数。,q个线圈都集中在一个槽中，每个线圈组的磁动势,结论：采用整距分布绕组后，线圈组基波、谐波

15、磁势幅值均下降，谐波磁势下降比例远大于基波。合成磁势较接近正弦波。所以采用分布绕组是改善磁动势波形的有效措施之一。,3. 双层短距线圈组的磁通势, 等效为q3 的两组单 层整距分布绕组。,短距线圈组的合成基波磁动势幅值 F1 为,基波绕组系数 kW1,F1(p=1) = 2Fq1ky1 = 2q Fy1 kq1ky1 = 2q Fy1 kW1 kW1 = kq1ky1,短距系数,短距系数的意义是由于线圈短距，线圈组磁动势幅值将较整距时减少的折扣系数。,一个整距线圈得到的磁动势在空间的分布是矩形波，一个整距线圈组得到的磁动势空间分布是阶梯波，更接近与正弦波。那么双层短距线圈组的线圈数是单层的两倍

16、，同时由于短距的存在，磁动势矩形波相互错开后得到阶梯数更多，双层短距线圈组磁动势的基波成分比例更大，改善了磁动势的波形。这就是一般电机都采用双层短距分布绕组的原因。,结论,4. 单相绕组在每对极下的基波磁动势, 对于极对数为 p，每极每相槽数为 q 的双层短距绕组， 每对极下有两个线圈组，每个线圈组有q 个 Ny 匝线圈， 则相绕组每对极下的线圈匝数为 2qNy， 而相绕组的串联匝数为 N = 2pqNy，则,1) 单相绕组磁动势是空间呈阶梯波分布、随时间按电流的变化规律交变的脉振磁动势，是时间和空间的函数。 2) 此脉振磁动势包含着基波和一系列谐波，基波和各次谐波空间均呈余弦分布，均按通入电

17、流的频率脉振。 单相绕组脉振磁动势中基波磁动势的幅值为 : v次谐波磁动势的幅值为 : 所以谐波次数愈高，幅值愈小。 5) 采用分布绕组、短距绕组可以削弱(或消除)谐波分量。,单相绕组的磁动势的性质,定子单相绕组产生的脉振磁场,4.4.2 三相绕组的合成磁动势旋转磁动势,1. 三相绕组的基波合成磁动势,三相交流绕组是由空间相差120电角度的三个单相绕组对称分布组成，当它们通入时间相差120电角度的三相电流后，各相均能产生上节介绍的单相绕组磁通势。显然这三相绕组产生的基波磁通势的空间分布也相差120电角度，其幅值变化在时间上同样相差120电角度。,f1(x, t) = fU1fV1fW1,基波合

18、成旋转磁动势的幅值,f1(x, t) 是一个在空间按正弦规律分布的恒幅、 正弦行波。,t0 = 0,t1 = 1,结论: 一个幅值恒定、正弦分布的行波。对于电机气隙来说，它是一个沿气隙圆周旋转的旋转磁通势波。,iU = Im iV = Imsin(30o ) iW = Imsin 210o,FU1 = F1 FV1 = FW1,F = FU1FW1 FV1,幅值的位置,iU = Im iV = Imsin(30o ) iW = Imsin 210o,幅值的位置,结论:当三相电流中某相电流瞬时值达最大值时，三相合成磁动势基波正幅值到达该相绕组轴线处。,结论,综上所述，三相合成基波旋转磁动势有如下

19、基本性质： (1)幅值 三相合成基波磁动势幅值保持恒定，并且是单相脉振磁动 势幅值的3/2倍。以空间矢量表示时，相量端点轨迹为圆，故称圆形旋转磁场。,(2) 转向 三相合成基波磁动势的转向决定于三相绕组的电流相序，由超前相绕组轴线转到落后相绕组轴。若要改变三相合成旋转磁动势的转向，只需改变通入三相绕组的电流相序即可。,（3）转速 旋转磁动势的转速相对于定子绕组的转速为同步转速,（4）幅值的瞬时位置 当三相电流中某相电流瞬时值达最大值时，三相合成磁动势基波正幅值到达该相绕组轴线处。,（5）波形： 旋转磁场的波形在气隙中是正弦分布的，每经过一对磁极，波形就周期性的变化一周，是一个沿气隙圆周旋转的旋

20、转磁通势波.,电弧度/秒,B1(x, t),n1,4.5 三相异步电机的定子感应电动势,B1(x, t),4.5.1 集中整距线圈的感应电动势 1. 通过线圈 U1U2 的气隙磁通,= mcost, l 线圈的有效长度； m 每极磁通量。,= Nym sint,2. 线圈感应电动势的有效值为,4.5.2 分布绕组的感应电动势, q 个整距线圈构成一相绕组的一个线圈组； 相邻两个线圈电动势的相位差为 。 设 q = 3，则,= q Ey1 kq1,R,4.5.3 短距绕组的感应电动势,Ey1 = 2Ec1,4.5.4 相电动势,= Ey1(y1= ) ky1, 设电机有 2p 个磁极； 一相绕组

21、每条支路的串联匝数为 N1。则,E1 = 4.44 f1 kW1N1m,有效匝数,= 4.44 f1 kq1 ky1N1m,E1 = 4.44 f1 qNykq1 ky1m,4.6 三相异步电动机的运行原理,4.6.1三相异步电动机的空载运行,三相异步电动机轴上的机械负载(负载转矩)为零，定子三相绕组接对称三相电源时的运行状态。,三相电源,一、空载电流和空载磁通势,1. 三相异步电动机转子回路的空载电流与空载转速,2. 三相异步电动机定子空载电流,三相异步电动机定子空载电流为空载励磁电流。,3. 三相异步电动机的空载磁通势,4. 三相异步电动机的主磁通/漏磁通？,定子加对称三相交流U1,二、空

22、载时的定子电压方程,当电源频率一定时，主磁通与电源电压成正比。,三、 空载时的等效电路,一. 转子磁动势和电动势,= sf1 (转差频率),1. 转子感应电动势和电流的频率 f2,2. 转子磁动势 F2 的转速-旋转磁通势 (1) F2 相对于转子的转速,= sn1 = n,(2) F2 相对于定子的转速 n2n = nn = (n1n ) n = n1,4.6.2三相异步电动机的负载运行,(3) F2 的旋转方向 转子旋转磁动势与定子旋转磁动势在空间是沿同一方向以同一速度旋转的，二者组成了统一的合成旋转磁动势，共同产生气隙旋转磁场。,(4) F2 的幅值,定、转子磁动势在空间保持相对静止，两

23、者之间无相对运动。,E1 = 4.44 f 1kw1 N1m E2s = 4.44 f 2 kw2 N2m = 4.44 sf 1 kw2 N2m,定子绕组感应电动势的频率：,3. 定、转子感应电动势的大小,(与交流电源同频率),当转子静止时：,E2 = 4.44f 1kw2 N2 m ( s = 1，f2 = f1 ),因此 E2s = sE2,二.负载时的磁通势平衡方程式,定子对称电流i1,转子对称电流i2,磁动势平衡关系的电流形式表达形式,令,转子转动时的定、转子一相电路,三.负载时的电动势平衡方程式,4.6.3 三相异步电动机的等效电路(单相),合成一个电路,1.需求分析,需求1：,实

24、际1：,频率不同1：,绕组有效匝数不同2：,相数不同3：,需求2：,实际2：,2.折算方法,用一个相数、匝数、频率均与定子绕组相同的 “静止” 的“等效转子绕组”来代替实际的转子绕组,3.折算原则,(1)折算前后二次绕组对一次绕组的影响不变，即“等效转子绕组”产生的磁动势与实际绕组相同，即保持转子磁动势 不变。,(2)折算前后一次绕组对二次绕组的影响不变，即功率传递关系不变。,4.频率折算,(1) 转子电动势的折算,(2) 转子漏电抗的折算,转子堵转,折算为定子频率的值,折算为定子频率的值,(3) 转子电流及电阻的折算,折算为定子频率时的转子电阻,折算为定子频率时的转子电流,(4) 频率折算后

25、的原则验证,(a).转速,(b).幅值及相角,电阻R2/s包含转子铜耗和机械功率。可以将其分离即：,转子内阻,代表机械功率的等效电阻,(5).电阻损耗与机械功率的等效关系,R1 jX1,jX2s R2,f1,f2,m1、 kw1N1 m2、 kw2N2,f1,f1,m1、 kw1N1 m2、 kw2N2,(6) 频率折算后的等效电路,5.绕组折算,(1) 电流折算,电流比,将m2、N2、kw2m1、N1、kw1,(2) 电动势折算,电动势比,(3) 阻抗折算,折算后功率因数角2不变,(4) 转子电路归算过程,至与定子电路频率相同；其次再进行绕组归算，其过程如图719所示。,1. T 形等效电路

26、,6.等效电路,能否像变压器那样忽略励磁支路？,2. 简化等效电路,7.基本方程,8.相量图,异步电动机基本方程式,变压器基本方程式,4.7 三相异步电动机的功率和转矩,4.7.1 三相异步电动机的功率关系,1. 输入功率 P1,T 形等效电路,pCu1,pFe,pCu2,Pm,Pem,电磁功率是异步电动机的定子通过电磁耦合传输给转子的有功功率。,2. 电磁功率 Pem,pCu2,Pm,Pem,3. 总机械功率 Pm,Pm = PempCu2,= (1s ) Pem,当电磁功率一定时，s越小，铜耗越小，总机械功率越大。电机运行时，若s大，效率一定不高。,4. 输出功率 P2 P2 = Pm(pmpad),机械损耗,附加损耗,P1,Pem,P2,Pm,空载损耗 P0 = pmpad,5. 功率流程图,p = pFepCupmpad = pFe1(pCu1pCu2) pmpad,6.总损耗 p,P2 = P1p,7.效率,8.