第5章 三相异步电动机.ppt

1、1,第五章 三相异步电动机,异步电动机是工农业中用得最多的一种电机，其容量从几十瓦到几千千瓦，在国民经济的各行各业应用极为广泛。例如，在工业方面：中小型轧钢设备、各种金属切削机床、轻工机械、矿山机械等；在农业方面：水泵、脱粒机、粉碎机及其他农副产品加工机械等都是用异步电动机来拖动的。,2,5.1 三相异步电动机的结构，额定数据和主要系列,目 录,5.2 三相异步电动机的工作原理及转差率,5.3 三相异步电动机的主磁通和漏磁通,5.4 三相异步电动机转子静止时的电磁关系,5.5 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系,5.6 三相异步电动机的功率和转矩,5.7 三相异步电动机工作特性和参数测定,3,

2、5.1 基本结构，额定数据和主要系列,5.1.1 三相异步电动机的基本结构,一、定子部分,1.定子铁心：由导磁性能很好的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，具有较强的机械强度和刚度。,二、转子部分,1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,2、转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的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。,异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。,三、气隙,4,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

3、续,5,下面是它主要部件的拆分图。,右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。,6,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,7,8,额定值关系有：,5.1.2 三相异步电动机的额定数据,9,5.1.3 三相异步电动机的主要系列,10,型号：,11,12,13,三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活 地接成“Y”形或“D”形。,补充：接线,14,5.2 三相异步电动机的基本工作原理及转差率,一、工作原理,1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生三相合成磁通势，此磁

4、通势在气隙中以同步转速n1旋转，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。,15,一般情况下，异步电动机的转速n不可能达到同步转速n1,总是低于同步转速，如果n上升到n1，转子导体与旋转磁场就没有相对运动，转子导体就不再产生感应电动势和电流，也就不能拖动转子旋转。因此n1与n总是有差异，异步电机由此得名。,16,二、转差率,转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反

5、映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：,同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：,额定运行时，转差率一般在0.010.06之间，即电机转速接近同步速。,17,三、异步电机的三种运行状态,根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态,18,5.3 三相异步电动机的主磁通和漏磁通,当三相异步电动机的定子三相绕组接通三相对称电源时，定子绕组中流过三相对称电流，产生磁通势，在气隙中建立磁场，产生磁通。为便于分析，根据磁通经过的路径和性质的不同，将磁通分为主磁通和漏磁通两大类，如图5.8所示。,19,5.3.1 主磁通 主磁通是指通过气隙并同时与定、转子匝链的基波磁 通。转

6、子没有电流时，由定子电流单独产生；转子有电流时，由定、转子电流共同产生。,图5.8 主磁通与漏磁通(a)转子无电流时;(b)转子有电流时,20,5.3.2 漏磁通 1)槽漏磁通 横穿定子(或转子)槽而闭合的磁通，如图5.9(a)中虚线所示。 2)端部漏磁通：铁芯外线圈端接部分的磁通，距转子铁芯较远，所以为 3)谐波漏磁通：定子绕组磁通势除了产生基波磁通以外，还产生一系列谐波磁通。它不能产生有用的转矩，所以称为漏磁通。,图5.9 定子漏磁通(a)槽漏磁通；(b)端部漏磁通,21,图5.9 定子漏磁通(a)槽漏磁通；(b)端部漏磁通,22,5.4 三相异步电动机转子静止时的电磁关系,三相异步电动机

7、正常运行时，转子一般总是旋转的，但是为了便于理解，先分析转子静止时的电磁关系，然后在此基础上进而分析转子旋转时的情况。 分析时以绕线式异步电动机为列，转子静止的运行情况有两种：一是转子绕组开路，电磁转矩为0；另一种是转子绕组短路，有电磁转矩；但转子被堵住不转。,23,5.4.1 转子绕组开路时的情况 （1）电磁过程 定子三相对称绕组接通三相对称电源时，流过三相对称空载电流I0，产生基波旋转磁通势，在气隙中建立旋转磁场，这个磁场以同步转速n1同时切割定转子绕组，分别感应出,24,补充：,可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。,25,（2）电压平衡方程式 电动机定子每相绕组外加电压为U

8、I时，等于定子绕组中各部分压降之和，当正方向参考变压器原绕组的情况时，可得定子绕组的电压方程式为：,26,5.4.2 转子绕组短路、转子堵住不转的情况 （1）电磁过程 当转子绕组短路时，绕组中便有三相对称电流流过，产生转子基波旋转磁通式F2,分析F2与F1之间的关系 定子F1的旋转方向为逆时钟方向，转子F2的转向也是按逆时钟方向旋转，与F1的转向同。 转子F2相对于转子的转速为 ,F1 ,F2在空间同转向同转速转动，在空间是相对静止的，因此：,27,（2）电压平衡方程式 主磁通由励磁通势产生，它在定子和转子中分别感应出电动势E1，E2，他们在时间相位上均滞后主磁通90度。,28,29,30,3

9、1,32,仿照变压器，即定子绕组各量按负载惯例规定正方向，转子绕组各量按电源惯例规定正方向，所以得到,33,折算是将转子绕组向定子绕组折算， 折算的原则是用一个相数，每相串联匝数和绕组系数均和定子绕组相等的假想绕组替代实际的转子绕组，保持转子的磁通式F2不变。,（3）绕组折算,34,下式就是电流形式表示的磁通式平衡方程式,35,36,（4）等效电路和向量图,异步电动机的定，转子的漏阻抗是比较小的，定转子电阻更小，如果转子绕组短路，并将转子堵住不转，在它的定子边加额定电压，则定，转子电流将很大，这种情况称为堵转状态，异步电动机启动开始时相当于工作在堵转状态，一般堵转时间不能太长，否则会烧坏电机。

10、,37,图5.12 转子堵转时异步电机的相量图,38,尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：,1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场.,4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大.,39,5.5 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系,异步电动机的定子绕组接上电源，产生旋转磁场，切割转子绕组，感应产生电动势和电流，转子绕组的载流导体在磁场中受到电磁力的作用产生电磁转矩。只要作用在转子上的电磁转矩大于负载转矩(含静摩擦转矩)，转子就将顺旋转磁场转向加速，直到接近同步转速时，电磁转矩与负载转矩达到平衡，转速不再上升，稳定在一固定的转速下运行。,40,5.5

11、.1 基本方程式,41,（1） 转子绕组各电磁量,一、转子电动势的频率,感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度,故转子电动势的频率为:,转子不转时,理想空载时,二、转子绕组的感应电动势,转子旋转时的感应电动势:,转子不转时的感应电动势:,二者关系为:,42,三、转子绕组的漏阻抗,电抗与频率正比于,转子旋转时转子漏电抗:,二者关系:,转子绕组的漏阻抗:,四、转子绕组的电流,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.,43,五、转子绕组的功率因数,转子功率因数与转差率有关,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

12、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,转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致.,转子旋转磁动势相对定子的速度为,可见,无论转子转速怎样变化,定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。,44,七 基本方程式,45,5.5.2 频率折算,转子旋转时，定，转子电动势和电流的频率不同，这给计算带来了不便，为了获得等效电路以简化分析计算，所以需要对转子绕组进行频率折算。 f2只影响F2相对于转子本身的转速；F2相对于定子的转速为n1,与f2无关，不动的转子频率为f1,旋转的转子频率为f2,转子回路电流,4

13、6,变换后，转子电路的功率因数角与原来的一样,用一个静止的转子去代替一个实际旋转的转子，只要把电阻R2改为R2/S,这样用一个静止不动的转子代替实际旋转的转子，从而使转子回路的频率f2变为f1的方法，叫做异步电动机的频率折算,47,5.5.3 等效电路和向量图,一、等效电路,48,从等效电路分析可知:,3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；,4)附加电阻不能用电感或电容来代替。,5)在等效电路中负载的变化是用转差率s来体现的,49,5.6 三相异步电动机的功率和转矩,如前几节所述，异步电动机是通过电磁感应作用把电能传送到转子再转化为轴上输出的机械能的，在能量变换的过程中电磁转矩起了关键性的作用

14、。下面就根据异步电机的T形等效电路来分析其功率关系和转矩关系，然后推导出异步电动机的电磁转矩公式。,50,5.6.1 功率平衡方程式 定子绕组从电源输入的电功率为,P1的一小部分消耗在定子绕组的铜损,另有一小部分消耗在定子铁芯的铁损,余下的大部分功率是通过气隙旋转磁场产生,51,等于等效电路中转子回路全部电阻上的损耗,转子绕组产生转子铜损耗,52,转子铁损忽略不计 转子总的机械功率 轴上输出的机械功率 异步电动机总的功率平衡方程式为,53,在等效电路上表示功率和损耗：,54,两个重要关系式,可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时