第5章--三相异步电动机的基本原理

1、本章主要教学内容： 1. 三相异步电动机的基本原理 2. 交流电机的定子绕组 3. 交流电机绕组的磁动势 4. 交流电机绕组的电动势 5. 三相异步电动机的电磁关系 6. 三相异步电动机的功率和转矩 7. 三相异步电动机的工作特性 8. 三相异步电动机的参数测定,5.1 三相异步电动机的基本原理 5.1.1 基本结构,1转子绕组； 2端盖； 3轴承盖； 4轴； 5轴承； 6定子绕组； 7吊环； 8转子； 9机座； 10定子铁芯； 11风扇； 12风罩； 13集电环； 14出线盒,绕线型三相异步电动机剖面图,基本结构：定子、转子（定转子之间是空气隙） （1） 定子： 构成：铁芯、绕组、机座 作用

2、：构成磁路一部分； 按功能要求放置定子绕组,定子铁芯,定子绕组线圈,三相异步电动机的引出线,（2） 转子： 构成：转子铁芯、转子绕组、转轴 分类：笼型、绕线型 （3） 气隙： 定子与转子之间很小的空气隙，电机磁路的一部分,铜条笼型转子,铸铝笼型转子,绕线型转子接线图,三相异步电动机外形实物图,鼠笼式异步电动机外形,绕线式异步电动机外形,绕线式三相异步电动机剖面图,1 转子绕组；2 端盖；3 轴承盖；4 轴；5 轴承； 6 定子绕组； 7 吊环； 8 转子； 9 机座； 10 定子铁芯； 11 风扇12 风罩；13 集电环,定子实物图,异步电动机定子1,异步电动机定子,转子实物图,鼠笼式转子,绕

3、线式转子,绕线式定子与转子,鼠笼式转子,绕线式转子,异步电动机定子上有 三相对称的交流绕组,鼠笼绕组,（1） 异步电动机的铭牌数据 额定电压 (V )，额定电流 (A)，额定功率 (W )， 额定频率 (Hz)，额定转速 (r/min) （2）异步电动机的型号,5.1.2 铭牌数据和型号,式中， ， 分别为额定效率和功率因数。,5.1.3 工作原理旋转磁场的形成原理,合成磁场相当于一对机械旋转磁极的旋转磁场，由电流超前相转向滞后相，电流变化一周，旋转磁场空间上旋转一周。,一对极旋转磁场示意图,两对极旋转磁场示意图,若有p对磁极，电流变化一周，旋转磁场转过1/p周。 旋转磁场的转速为:,.swf

4、,旋转磁场,.swf,旋转磁场,异步电动机基本工作原理：,异步电动机工作原理,转子的机械转速与旋转磁场的转速之间存在差异是电磁作用产生的基础，转差率s：,感应电势 转子导体切割磁力线产生感应电动势，方向由右手定则确定。 感应电流 转子导体本身形成闭合回路，绕组中会产生与电动势方向一致的感应电流。 电磁力 有电流流过的转子导体在磁场中受到电磁力的作用，方向按左手定则确定。 电磁力矩 转子导体受到的力形成一个顺时针（或逆时针）方向的电磁转矩，使转子随着旋转磁场顺时针方向转动。,例5-1 某三相六极异步电动机： ， ， ， ， ， ， 定子为连接，求此电动机的额定转差率和额定电流。,解,电动机的同步

5、转速为,额定电流为,额定转差率为,5.2 交流电机的定子绕组 5.2.1 交流绕组的基本知识,电角度与机械角度： 极距与节距： 槽距角： 每极每相槽数：,，节距 y1 应接近极距，一般,电角度 p 机械角度,极距，槽距角，每极每相槽数示意图,5.2.2 三相单层绕组,定子绕组三相分布图,每个槽内只有一个线圈边，绕组的线圈数等于总槽数的一半。,单层绕组展开图,以 ， 为例， 有 ， ， 本例中，支路数,.swf,三相绕组展开图,5.2.3 三相双层绕组,一个槽内有两个线圈边，绕组的线圈数等于总槽数。 以 ， 为例， ，,双层绕组展开图（串联） 支路数,每相的4个线圈组可进行串联或并联连接。,单层

6、绕组元件少，下线容易，没有层间绝缘。 短距双层绕组可以削弱谐波电动势和磁动势，改善波形，提高槽利用率。,5.3 交流电机绕组的磁动势,磁动势分析过程,定子三相交流绕组按照一定规律分布在定子内圆表面， 其中的电流随时间交变，绕组所产生的磁动势既沿空间分布， 又随时间变化，是时间与空间的函数。,5.3.1 单相绕组的磁动势脉振磁动势 （1） 整距线圈的磁动势,整距线圈产生的磁动势,某四极交流电机瞬时磁动势,下图为四极电机绕组在某瞬间流过电流产生的磁动势沿气隙圆周方向上的空间分布情况。,矩形磁动势的分解 基波与谐波量,（2） 线圈组的磁动势,整距线圈的线圈组磁动势,线圈组由q个依次相距槽距角的 线圈

7、串联组成,（3） 短距线圈组的磁动势,短距线圈的 线圈组磁动势,基波磁动势短距系数：,基波绕组系数：,谐波磁动势短距系数：,谐波绕组系数：,（4） 单相绕组的磁动势,相绕组由分布在各极下的同相线圈组联接而成（ ）,谐波磁动势幅值：,基波磁动势幅值：,单相绕组磁动势是脉振磁动势，可分解为沿气隙分布的基波及一系列谐波。幅值在空间位置固定不动，幅值大小随时间按余弦规律变化，其变化频率与电流频率相同。,对于单层绕组：,，,对于双层绕组：,，,5.3.2 三相绕组的磁动势基波旋转磁动势 （1） 三相绕组的基波磁动势,脉振磁动势分解为两个旋转磁动势,脉振磁动势基波相量可以分解为两个旋转磁动势，它们幅值相同

8、，等于脉振磁动势幅值的一半，转速相同，转向相反。,三相绕组的基波磁动势,上式两边相加得：,三相合成旋转磁动势,合成磁动势基波基本结论,对称m相绕组内通以对称m相电流，合成磁动势基波为旋转磁动势波，非对称绕组或非对称电流的合成磁动势基波为椭圆旋转磁动势； 合成磁动势基波的转速，即同步转速为 r/min。电流在时间上经过多少度，基波在空间上转过同一数值的电角度； 某相电流达到幅值时，基波的幅值与该相绕组的轴线重合； 合成磁动势的转向由三相电流的相序和三相绕组空间上的位置决定，由超前相转向滞后相。三相交流电源中任意两根对调即可改变电机的旋转方向。,（2） 三相绕组的谐波磁动势,次谐波的极距为基波的

9、， ；,高次谐波合成磁动势也是余弦分布，幅度不变的旋转磁动势。,次谐波的转速为基波的 ， ；,谐波磁动势的旋转方向取决于谐波的次数， 当 （ ）时，合成磁动势转向与基波相同；当 （ ）时，其转向与基波的相反。,5.4 三相交流电机绕组的电动势,电机导体与基波磁场作相对运动，会产生感应电动势，其幅值为 。若定子内圆周长以 表示，则 ，又有 则单个导体基波电动势有效值为 导体基波电动势有效值为,5.4.1 线圈单个有效边的基波电动势,5.4.2 线圈基波电动势,整距线匝基波电动势为,线匝电动势计算,匝线圈基波电动势有效值为,短距线匝,匝短距线圈波电动势有效值为,线圈的基波短距系数,5.4.3 线圈

10、组基波电动势,分布线圈组基波电动势,线圈组由空间互差一个槽距角 的 个线圈串联组成,基波电动势,绕组的基波分布系数,基波绕组系数,5.4.4 基波相电动势,绕组基波相电动势的有效值为,N 每相在一条支路的串联匝数。 单层绕组有 p 个线圈组，双层绕组有 2p 个线圈组， 对单层绕组 ， 对双层绕组,基波绕组系数,5.4.5 感应电动势与交链磁通的关系,根据电磁感应定律 ，交流电机绕组感应电动势与变压器绕组感应电动势均滞后磁通 。 二者的区别在于： 变压器中，与绕组交链的磁通变化是因为主磁通随时间变化（脉振）所引起的；交流电机中，气隙磁通密度本身大小不变，但相对于绕组旋转，使得与绕组交链的磁通随

11、时间变化。 虽然二者引起绕组交链磁通随时间变化的原因不同，但从“交链磁通发生变化而感应电动势”的原理来看是一样的。,5.4.6 谐波电动势及其削弱方法,绕组谐波电动势有效值为,次谐波电动势的频率,次谐波交链磁通,次谐波绕组系数,，,削弱高次谐波电动势方法： 三相绕组Y形或形接法可消除三次谐波； 采用短距或分布绕组； 改善磁极的极靴外形或励磁绕组的分布范围。,谐波电动势的危害： 发电机输出电压波形畸变，附加损耗增加，效率下降； 异步电动机产生有害的附加转矩，引起振动与噪声，运行性能变坏； 高次谐波电流在输电线引起谐振，产生过电压，并对邻近通讯线路产生干扰。,例5-2 一台三相四极异步电动机，定子

12、槽数 ，采用短距双层叠绕组， ，线圈匝数 ，并联支路数 ，频率 ，气隙磁场基波每极磁通 ，五次谐波每极磁通 ，七次谐波每极磁通 ， 求相绕组基波、五次谐波及七次谐波电动势有效值。,解,极距 （槽）,节距 （槽）,每极每相槽数 （槽）,槽距角,每相绕组串联匝数,基波短距系数,基波分布系数,基波绕组系数,五次谐波短距系数,五次谐波分布系数,五次谐波绕组系数,七次谐波短距系数,七次谐波分布系数,七次谐波绕组系数,5.5.1 磁路分析,气隙中以同步转速旋转的基波磁通,同时与定、转子绕组交链，是定、转子之间的能量传递的媒介。,（1）主磁通,（2）漏磁通,主磁通和漏磁通,有定子漏磁通、转子漏磁通,5.5

13、三相异步电动机的电磁关系,四极电机主磁通分布,5.5.2 转子绕组开路时的电磁关系,图中，定、转子都是Y接，定子绕组接在三相对称电源上， 转子绕组开路。,转子绕组开路时的绕线型异步电动机,电磁过程,基波旋转磁场以同步转速同时切割定、转子绕组， 产生感应电动势有效值为 ；,转子绕组开路时的电磁关系,相位滞后主磁通 ，二者的比值 称为电动势变比,等效电路与相量图,定子绕组电压平衡方程式为,定子电动势可表示,励磁阻抗；,定子一相绕组漏阻抗，,励磁电阻； 反映铁芯损耗,励磁电抗， 对应气隙主磁通的励磁参数,5.5.3 转子绕组短路且转子堵转时的电磁关系,转子绕组短接，施加制动力使转子静止不动，转子绕组

14、中有感应电流 ，定子、转子电流所建立的基波旋转磁动势保持相对静止，有,其中， 用来产生主磁通的励磁磁动势， 用来抵消转子磁动势 对主磁通的影响。 认为励磁磁动势由励磁电流 （ ）建立，有,转子电流的出现，增加了转子漏磁通在转子绕组内感应的漏电动势 ，有效值为,转子绕组中也有电阻，产生电阻压降,可以写为,转子堵转时的电磁关系示意图,转子绕组的折算原则： 保证转子旋转磁动势 、转子输出功率 以及 转子的功率损耗 保持不变。,阻抗的折算： 折算前后铜损耗不变,电流的折算：,电动势的折算：,折算前后转子漏磁场储能不变,折算前后转子功率因数角不变,折算后的基本方程式，等效电路与相量图,基本方程式,等效电

15、路与相量图,5.5.4 转子旋转时的电磁关系 （1）转差率与转子频率,转子频率,转子电流,转子绕组感应电动势有效值,转差率,转子功率因数角,转子旋转时，旋转磁场以转速差 切割转子绕组,例5-3 一台三相异步电动机，定子绕组接到 的三相对称电源上，运行于额定转速 。 求该电动机的极对数 ，转差率 ，额定运行时 转子的电动势频率 。,解,异步电动机额定转差率较小，根据额定转速 ，可以判断出,转子频率,转差率,极对数,（2）定、转子磁动势平衡关系,或,、 同速同向旋转，在空间上相对静止，因此 异步电动机的合成磁动势是稳定的，有,由于电路约束条件 ，主磁通 和励磁磁动势 保持不变。实际运行过程中，定子

16、电流会随转子电流的变化而变化，以满足负载的需要。,转子旋转磁动势 相对于转子的速度为 相对于定子的速度为,（3）转子绕组的折算,经折算后的静止转子电路中除了实际的电阻 ， 还有一个与转速有关的附加虚拟电阻 。,损耗 实质上代表了异步电动机的机械功率。,先进行频率折算，再进行大小折算,用假想不转的转子来代替实际转动的转子。,（4）基本方程式，等效电路与相量图,基本方程式,转子旋转时的等效电路与相量图,电动机运行于额定负载时，转差率 ， 定子边功率因数 较高。可达0.80.85。,从空载到额定负载运行时，主磁通 和励磁电流 基本上是常数, 。可以简化等效电路。 当电动机起动或运行于低速时，转差率等

17、于或接近1， ，主磁通为额定负载运行时的一半左右。 由于励磁的需要，定子 电流滞后于电源电压， 即异步电动机对电源 来说是感性负载。,转子旋转时的简化等效电路,例5-4 一台三相四极笼型异步电动机，有关数据为： ， ， ， ，连接， ， ， ， ， ， ，计算额定负载时的 定子电流、转子电流、励磁电流、功率因数、输入功率和效率。,解,(1) 应用T型等效电路,取 为参考相量，则定子额定相电流为,定子线电流有效值为,转子电流,由并联支路关系可知,定子输入功率,定子额定功率因数 （滞后）,励磁电流,效率,例5-4,(2) 应用简化等效电路,定子输入功率,定子额定功率因数 （滞后）,效率,定子额定相

18、电流,励磁电流,转子电流,定子线电流有效值,例5-4,绕组系数 ：若每相有 1 根导体， ； 其余情况与定子绕组计算方法相同。,相数 ：若转子槽数 能被 整除， ， ； 若不能被整除， ， 。,绕组匝数 ：若 ，每相有 根导体， ； 若 ，每相有1根导体， 。,5.5.5 笼型转子绕组参数,极数 ：转子电流产生的磁场极数与定子极数相等，,5.6 三相异步电动机的功率和转矩 5.6.1 功率平衡关系,电源输入功率,图29 异步电动机的功率流程图,定子铜损耗,定子铁损耗,可表示为,电磁功率,转子铜损耗,总机械功率,输出功率,5.6.2 转矩平衡关系,由 可得,电磁转矩既可以表示为总机械功率除以转子

19、机械角速度， 也可以表示为电磁功率除以同步角速度。 前者 以转子本身产生的机械功率表示； 后者 从旋转磁场对转子做功角度表示。,电磁转矩 与空载转矩 及电动机轴上输出的机械 转矩 相平衡。,例5-5 一台三相六极笼型异步电动机，有 ， ， ， ，定子 连接，额定运行时， ， ， ， 。 求额定运行时的转差率,总机械功率,转子铜损耗,输入功率,效率, 定子电流,输出转矩,空载转矩及电磁转矩。,解,转子铜耗,总机械功率,输入功率,空载转矩,定子额定电流,输出转矩,额定效率,电磁转矩,例5-5,（5）效率特性 与直流电机类似，可变损耗等于不变损耗时，效率最高。,5.7 三相异步电动机的工作特性 5.7.1 工作特性分析,（1）转速特性,异步电动机的工作特性,是一条向下稍微倾斜的曲线，空载时接近同步转速，随着负载增加转速下降。,（2）定子电流特性,随负载增大，转子电流增大，定子电流也随之增大，变化与