第三章 交流电动机

null第四章第四章三相异步电动机nullnull*null*nullnull三相异步电动机的结构null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nullnull三相异步电动机的构造1.定子三相异步电动机的构造上一页下一页返 回2.转子2.转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。 (2) 绕线型转子：转子绕组由线圈绕组构成上一页下一页返 回null按转子结构分：null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null笼式异步电动机上一页下一页返 回null绕线式异步电动机null气隙定子与转子之间的间隙；0.2-2.5mm气隙越大，功率因数越低。气隙过小，装配困难null三相异步电动机 的工作原理null三相异步电动机的基本工作原理转动原理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。null三相异步电动机的转动原理对称三相定子绕组 接入对称三相电压旋转磁场 (磁场能量)磁力线切 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机械负载 旋转起来三相交流电流输出机械能量null旋转磁场的产生 将对称三相电流i1、 i2 、i3通入在空间彼此相差120的作星形连接的三个相同线圈U1U2、V1V2、W1W2。 三相电流异步电动机的基本工作原理异步电动机的基本工作原理null t=60NS60° t=90°NS t=0°NS90° t=180 NS180°0°null 二对磁极 p=2null 空间相差120º 角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场,当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周 (在空间旋转的角度为360º )。综上分析可以得出：null tiiAiBiC0旋转磁场的转向9060°0相序A-C-B-Anull 改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向;改变了旋转磁场的转向, 也就改变了三相异步电动机的旋转方向。综上分析可以得出：null四极旋转磁场60°0° t = 0°U1W2'V1U2'W1'NSU2W1V2U1'W2V1'V2'0°SN0° tiiAiBiC0nulltiiAiBiC090°180° t = 90°NS45°SN t =180°NS90°SN90°null 当定子每相中有两个绕组串联, 且每相绕组在空间相差60º时, 通入对称三相交流电后, 也产生一个旋转磁场, 但它是一个四极旋转磁场。当电流变化一周, 旋转磁场在空间只转了半周(180º 空间角), 旋转速度较两极磁场慢了一半。4 旋转磁场的速度及转差率综上分析可以得出：—电源的频率— 磁极对数P=1 n0 =3000 r/min P=2 n0 =1500 r/min P=3 n0=1000 r/min n = (1–s) n0定义: 转差率0 < s <s N= 0.015 ~ 0.06转子转速null基本工作原理null 转差率 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与 旋转磁场的同步转速之比称为转差率。 由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场 旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。null转子转速亦可由转差率求得转差率s 例：一台三相异步电动机，其额定转速 n=1430 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转 速的关系可知：n0=1500 r/min , 即p=2额定转差率为null异步电动机的铭牌数据 异步电动机机座上有一块铭牌，标明了电动机的型号、主要额定值、有关技术数据。null 型号 注明了电动机的类型、规格、结构特征和使用范围，例如： Y 100 L 1 2null 额定值1）额定功率 PN ：电动机在额定运行时轴上输出的机械功率。2）额定电压 UN ：额定运行状态下加在定子绕组上的线电压。3）额定电流IN ：电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流。4）额定频率f N ：我国规定工业用电的频率是50Hz。5）额定转速n N ：电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为r/min 。6）绝缘等级：是指电动机所用绝缘材料的等级。7）工作方式：电动机的工作方式分为连续工作制、短时工作制与断续工作制。null三相异步电动机的定子绕组null基本概念 2. 线圈节距 y ：整距 y = τ ； 短距 y < τ。null9. 线圈组数 = 线圈个数/ q5. 电角度= p360°= p机械角度 计量电磁关系的角度称为电角度（电气角度）。电机圆周在几何上占有角度为360°，称为机械角度。而从电磁方面看，一对磁极占有空间电角度为360°。一般而言，对于p对极电机，电角度= p机械角度。6. 并联支路数a7. 相带：60度相带——将一个磁极分成m份，每份所占电角度 120度相带——将一对磁极分成m份，每份所占电角度8. 极相组——将一个磁极下属于同一相（即一个相带）的q个线圈，按照一定方式串联成一组，称为极相组（又称为线圈组）。null一. 特点： 1. 每个槽内只有一个线圈边，其极距 ，一般为整距绕组。 2. 线圈个数＝Q1 /2 3. 线圈组个数= Q1 /2q 4. 每相线圈组的个数= p （60°相带时） 5. 每个线圈匝数NC = 每槽导体数 6. 每个线圈组的匝数q NC 7. 每相串联匝数N=每相总的串联匝数/a = p q NC / a = 定子总导体数/2ma（即每条支路的匝数） 8. 一般用于10KW以下的小型交流电机三相单层绕组二. 优点： 1. 嵌线方便 2. 槽的利用率高 3. 不能做成短距（电气性能）波形差null　 A - 1,10 – 2,11 – 2,12 – 19,28 – 20,29 – 21,30 – X B - 7,16 – 8,17 – 9,18 – 25,34 – 26,35 – 27,36 – Y C - 13,22 – 14,23 – 15,24 – 31,4 – 32,5 – 33,6 – Z三. 分类 1. 同心式绕组——由不同节距的同心线圈组成 2. 链式绕组——由相同节距的同心线圈组成 3. 采用不等距的线圈组成，节省铜线 四. 三相单层等元件绕组展开图 根据绕组展开图，当选定并联支路数a＝1时，A、B、C三相绕组联接顺序如下：null三相双层绕组 一. 特点： 1. 每个槽内放置上下两个线圈边，线圈的一个边放在一个槽 的上层，另一个边则放在相隔y1槽的下层。 2. 线圈个数等于槽数Q1 （定子） 3. 线圈组个数 = Q1 /q 7. 每相串联匝数N（即每极每条支路的匝数）null二. 优点： 1. 可采用短距，改善电动势、磁动势的波形 2. 线圈尺寸相同，便于绕制 3. 端部排列整齐，利于散热机械强度高 三. 分类 1. 叠绕组——相邻两个串联绕组中，后一个绕组叠加在前一 个线圈上 2. 波绕组——两个相连接的线圈成波浪式前进 四. 三相双层叠绕组的A相绕组展开图 根据A相绕组的展开图，可画出相应的A相联接表如下。null1357911131517192123252729313335123101112192021282930三相双层叠绕组的A相绕组的展开图 （Z = 36 , 2P = 4 , a ＝ 1）三相单层绕组 单层绕组在每一个槽内只安放一个线圈边，所以三相绕组的总线圈数等于槽数的一半。现以z1=24，要求绕成2p=4，m1=3的单层绕组为例，说明三相单层绕组的排列和连接的规律。 1．计算绕组数据 三相单层绕组 null 2．划分相带 在平面上画24根垂直线表示定子z1=24个槽和槽中的线圈边，并且按1, 2, …顺序编号。据q=2，即相邻2个槽组成一个相带（每个极距内属于同相的槽所占有的区域），两对磁极共有12个相带。每对磁极按U1, W2, V1（N极）U2, W1, V2（S极）顺序给相带命名，划分相带实际上是给定子上每个槽划分相属，如属于U相绕组的槽号有1, 2, 7, 8, 13, 14, 19, 20这8个槽。 null 3．画绕组展开图 （1）链式绕组 先画U相绕组。如图3.10所示，从同属于U相槽的2号槽开始，根据y=-1=5，把2号槽的线圈边和7号槽的线圈边组成一个线圈，8号和13号，14号和19号，20号和1号，共组成4个线圈，把这些同一极相的2p=4个线圈串联成一个U1U2线圈组，构成U相绕组。各线圈之间的连线按同一相的相邻的线圈边电流应反相的原则，连成一路串联，其规律是线圈的“尾连尾，头连头”。我们称一相绕组为链式绕组。链式绕组为等距元件，而且每个线圈跨距小，端部短，可以省铜，还有q=2的两个线圈各朝两边翻，散热好。 对于三相绕组，仿上可以画出分别与U相相差120°的V相（从6号槽开始）相差240°的W相（从10号槽开始）的绕组展开图，从而得到三相对称绕组U1U2, V1V2, W1W2。然后根据铭牌要求，将线引至接线盒上连接成Y或D。 三相单层链式（2p=4 q=2）U相绕组展开图 null（2）交叉式绕组 设q=3（如z1=36，2p=4，m1=3），其连接规律是把q=3的三个线圈分成y=-1的两个大线圈和y=-2的一个小线圈各朝两面翻，因此一相绕组就按“两大一小”顺序交错排列，故称之为交叉式绕组。端部连线较短，散热好，因此，p≥2，q=3的单层绕组常用交叉式绕组，如图所示。 三相单层交叉式绕组U相绕组展开图 null（3）同心式绕组 设q=4（如z1=24，2p=2，m1=3），在p=1时，同心式绕组嵌线较方便，因此，p=1的单层绕组常采用同心式绕组，如图3.12所示。 三相单层同心式绕组U相绕组展开图 null 单层绕组的优点是每槽只有一个线圈边，嵌线方便，槽利用率高，而且链式或交叉式绕组的线圈端部也较短，可以省铜。但是从电磁观点来看，其等效节距仍然是整距的，不可能用绕组的短距来改善感应电动势及磁场的波形。因而其电磁性能较差，一般只能适用于中心高160mm以下的小型异步电动机。 三相双层绕组 三相双层绕组 双层绕组是铁心的每个线槽中分上、下两层嵌放两条线圈边的绕组。为了使各线圈分布对称，安排嵌线时一般某个线圈的一条边如在上层，另一条则一定在下层。以叠绕组为例，这种绕组的线圈用一绕线模绕制，线圈端部逐个相叠，均匀分布，故称“叠绕组”。为使绕组产生的磁场分布尽量接近正弦分布，一般取线圈节距等于极距 的 左右，即 ，这种y＜ 的绕组叫短距绕组。这种绕组可使电动机工作性能得到改善，线圈绕制也方便，目前10kW以上的电动机，几乎都采用双层短距叠绕组。现以4极限24槽三相电动机为例，讨论三相双层叠绕组的排列和连接的规律。 null 1．计算绕组数据 ，即为短距绕组。若y不为 整数，则应当取整数，但y小于。 2．划分相带 画24对虚实线代表24对有效边（实线代表上层边，虚线代表下层边）并按顺序编号；根据每个相带有q=2个槽来划分，两对极共得到12个相带，如表4.4所示。 null 需要指出的是，对于双层绕组，每槽的上下层线圈边可能属于同一相的两个不同线圈，也可能属于不同相的，相带划分并非表示每个槽的相属，而是每个槽的上层边相属关系，即划分的相带是对上层边而言。例如，13号槽是属于U1相带的，仅表示13号槽上层边，对应的下层边放在哪一个槽的下层，则由节距y来决定，相带划分无关。属于U相绕组的上层边槽号是1, 2, 7, 8, 13, 14, 19, 20。 3．画绕组展开图 先画U相绕组。如图所示，从1、2号槽的上层边（用实线表示）开始，根据y=5槽，可知组成对应线圈的另一边分别6, 7号槽的下层（用虚线表示），将此属于同一个U相的相邻的q=2个线圈串联起来组成一个线圈组U11U12。null 由图3.13可见，7, 8号槽的上层边与对应的12, 13号槽的下层边也串联成属于U相的另一个线圈组为U12U22。同理，由13, 14槽的上层边与对应的18, 19槽的下层边。19, 20槽的上层边与对应的24, 1号槽的下层边可得U相的另两个线圈组为U13U23和U14U24，此例两对磁极电机的每相共有4=2p个线圈组。由此可知，双层叠绕组每相共有2p个线圈组。 三相双层短距叠绕组U相绕组展示图 null 此例的四个线圈组完全对称，可并可串。串并联的原则仍然是：同一相的相邻极下的线圈边电流应反相，以形成规定的磁场极数。这四个线圈组可并可串，得到的并联支路数可以为a=1, a=2, amax=2p=4。 同理可画出V，W相绕组展开图，然后再连接成Y或△而得到三相对称的双层叠绕组。 null单层绕组的优点：绕组元件少，下线容易，没有层间绝绕，槽利用串高，只适用于小容量异步电动机。单层与双层绕组比较：双层绕组的优点：可以做成短节距绕组，可以削弱谐波电动势和磁动势，改善波形，且线圈端部不会发生平面交叉，容易整形，适用于大容量异步电动机。null定子绕组的磁势和电势异步电动机的电磁关系异步电动机的电磁关系1 三相电枢绕组产生的磁通势 分析三个相绕组的磁通势叠加，得出三相绕组的 合成磁通势。 分析一个线圈的磁通势； 分析一个线圈组的磁通势 分析一个相绕组的磁通势；分析思路：null1） 单相绕组的磁通势－脉冲磁通势（1） 整距绕组的磁通势定子气隙转子气隙磁通势：null如果施加电流： ，则null 应用傅氏级数，对上矩形波进行分解，由于磁通势分布对纵轴和横轴对称，分解后仅有奇次的余弦项，即：v次谐波磁通势：null（2） 线圈组的磁通势A、整距线圈的线圈组磁通势null 令 基波磁通势的分布系数，则整距线圈组基波的合成磁通势： 同理可求得整距线圈组谐波的合成磁通势及分布系数：nullB、短距线圈组的磁通势短距线圈等效整距线圈以 为例。 基波磁通势的幅值：null 同理可得谐波磁通势的幅值及短距系数：null（3） 单相绕组的磁通势 相绕组是由分布在各个极下的线圈组联接而成的，单相绕组磁通势：每对极下这个相绕组的合成磁通势。对双层短距绕组，相绕组串联的总匝数：一个相绕组每对极下线圈匝数故其基波合成磁通势幅值：null故其谐波合成磁通势幅值：单相绕组磁通势的表达式为：结论：单相绕组的磁通势是一种在空间位置固定、幅值随时间变化的脉振磁通势，磁通势的幅值在时间上都是以绕组中电流变化的频率脉振。null（4） 三相绕组的磁通势－旋转磁通势 施加如图所示的三相交流电，则三相基波磁通势： 利用三角将上式分解并整理得：null将上式相加，得三相绕组得基波合成磁通势：三相绕组得基波合成磁通势的幅值：null 旋转磁场的解释：A相磁通势：三相合成磁通势：null小结：（1）三相基波合成磁通势是一个旋转磁通势，转速为同步转速，旋转方向决定于电流的相序，即从超前电流相转到滞后电流相。（3）三相电流中任一相电流的瞬时值到达最大值时，一相基波合成磁通势的幅值，恰好在这一相绕组的轴线上。null2 空载运行的电磁关系1） 空载运行时的物理情况 当三相异步电动机空载时，定子绕组内流过三相对称空载电流I0，在气隙中建立基波旋转磁场，以同步转速并切割定、转子绕组，从而在定、转子绕组中感应电动势 、 。null异步电动机空载运行时的电磁关系励磁电流励磁磁通势定子漏磁通势null2） 电压平衡方程式和等效电路 由电磁关系，根据基尔霍夫定律，加在定子绕组每相的电压等于定子绕组中各部分压降之和，即：null 等效电路 相量图null3 负载运行的电磁关系1） 负载运行时的物理情况（1）转子频率转子绕组感应电动势null（2）转子磁通势 的幅值 的转速和旋转方向转子磁通势F2的方向与定子磁通势F1的方向相同。null 磁势平衡方程 异步电动机负载时在气隙内产生的旋转磁场是定子、转子的合成磁通势。产生抵消F2对主磁通的影响null 基波励磁磁通势：null（3）电磁关系异步电动机负载运行时的电磁关系null2） 定子、转子回路电压方程null 同理，转子漏电动势和漏电抗也有这种关系，即：null旋转时异步电动机的电路 异步电动机得电动势方程式，可写为：null3） 转子绕组得折算 频率折算 电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗）不变； 转子磁通势F2的转速、转向、幅值、空间相位都不变。null 转子磁通势F2的幅值与转子电流I2成正比，空间相位与转子阻抗角有关，所以只要静止转子电路的I2和转子阻抗角与实际转子电路保持一致即可。 F2转速与转向 F2幅值与阻抗角 转子转与不转，转子磁通势F2的转速与转向总是与Fl相同，因此用静止转子代替实际转子，转速和转向不会改变。nullnull 绕组折算 为了建立定、转子之间电的联系，人为地用一个相数、每相串联匝数及绕组系数均和定子绕组一样的新绕组去代替实际转子绕组，并且保持转子磁通势、功率、损耗等。 根据折算前后转子磁通势应保持不变的条件，可得： 电流的折算null 根据折算前后转子总视在功率保持不变，可得： 电动势的折算null 根据折算前后转子铜耗保持不变，可得： 阻抗的折算由转子漏磁场储能保持不变，可得：null转子绕组折算后的异步电动机电路示意图null4） 基本方程式和等效电路 基本方程式null 等效电路（T型等效电路） 简化等效电路由于Z1不大，U1=E1null 相量图三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的功率与转矩1 功率关系null2 转矩关系电磁转矩空载转矩两边除以 ，得：三相异步电动机的工作特性三相异步电动机的工作特性 异步电动机的工作特性：电动机在额定电压和额定额率运行的情况下，null1 工作特性分析 一般额定负载时，异步电功机的转差率为1.5％~6％，相应的转速n＝(1—sN)n1变化很小，因此，转速特性n1＝f(P2)是一条向下微倾的曲线。 电动机空载时，输出功率P2为零， 转子转速n接近同步转速nl。 随着负载的增加，转速n略有下降。1）转速特性n1＝f(P2)null1 工作特性分析2）定子电流特性I1＝f(P2) 随着负载的增加，转子转速下降，转子电流增大，定子电流也增大，其变化几乎与P2成正比例。 电动机空载时，转子电流I2几乎为零，此时定子电流基本上等于励磁电流Im。null1 工作特性分析3）定子功率因素特性 ＝f(P2) 当负载增加时，定子电流的有功分量增加，使功率因数增加。在接近额定负载时，功率因数达到最大。 空载时，定子电流基本上是励磁电流，主要用于无功励磁，所以功率因数很低，约为0.2。null1 工作特性分析4）电磁转矩特性T＝f(P2)5）效率特性 ＝f(P2)null2 测试方法 异步电动机的工作特性通过负载试验、等效电路计算得到。 通过空载试验测出电动机的铁耗和机械损耗，并算出定子电阻。负载试验求取工作特性null1 空载试验目的：测定电动机的励磁参数 ， 、机械损耗 和铁损耗 。null 空载状态下，转子电流很小，转子的铜耗可忽略不计，故： 机械损耗的大小与U1无关，与转速有关，而电机空载时转速几乎不变，可以认为机械损耗为恒值。 铁耗与磁密平方成正比，即与端电压U12成正比。可求得：null 定子加额定电压时，根据空载试验测得I0、P0，可算出：null2 短路试验（堵转试验）目的：测出短路阻抗 、短路电阻 和短路电抗 。方法：将转子堵住，定子外施电压从0.4UN开始逐渐降低，几组定子相电压U1s、定子电流Ils和定子输入功率P1s，画出Ils、 P1s＝f（U1）的曲线。null 异步电动机堵转时，s＝1，由于Zm>>Z2’，Im=0，故可认为励磁支路开路，此时全部输入功率都变成定子铜耗和转子铜耗。 由试验数据，可得：null谢谢nullnullnull异步电动机 Y Y21.2 电机的命名1.2 .1 电机的一般命名类别