三相异步电动机的基本原理.doc

第四章 三相异步电动机的基本原理异步电机是交流电机，主要做电动机用。异步电动机的优缺点及用途。4-1 三相异步电动机的工作原理及结构一旋转磁场的产生旋转磁场：极性和大小不变且以一定转速旋转的磁场。旋转磁场的产生：对称三相绕组流过对称三相电流，产生圆形旋转磁通势和旋转磁场。三相对称绕组：三套数据相同，空间（沿定子内圆）互差电角度的绕组组成三相对称绕组，图4-1为最简单的三相对称绕组。三相对称电流：（1）瞬时表达式： （2）电流变化曲线 （图4-2）旋转磁场：规定电流为正时，从首端出，分析几个特定瞬间：由图4-1分析可知：（1）对称三相电流通过对称三相绕组时，必然会产生一个大小不变，转速一定的磁场。（2）由于电流变化一个周期，磁场转过一对磁极，所以旋转磁场的转速： （）称为同步转速。（一）工作原理定子三相对称绕组，接通三相对称电源，流过三相对称电流，产生旋转磁场（电生磁），切割转子导体，感应电势和电流（磁变生电），载流导体在磁场中受到电磁力的作用，形成电磁转矩（电磁生力），使转子朝着旋转磁场旋转的方向旋转。（二）转差率与运动状态一般情况下，转子的转速总是略低于同步转速“异步”之名由此而来，转差是异步电机运行的必要条件，将转差与同步转速之比的百分值称为转差率S：转差率是异步电机的一个基本参量，不同的数值范围反映不同的运行状态。 电动机的运行状态 发电机运行状态 电磁制动状态三相异步电机的结构：图4-3表示绕线转子三相异步电动机的结构，由定子和转子组成。（一）定子定子铁芯：导磁和嵌放定子三相绕组；0.5mm硅钢片冲制涂漆叠压而成；内圆均匀开槽；槽形有半闭口 ；半开口和开口槽三种； 适用于不同的电机定子绕组： 电路 ；绝缘导线绕制线圈；由若干线圈按一定规律连接成三相对称绕组； 交流电机的定子绕组称为电枢绕组机座： 支撑和固定作用； 铸铁或钢板焊接（二）转子转子铁芯： 导磁和嵌放转子绕组； 0.5mm硅钢片； 外圆开槽转子绕组： 分为笼型和绕线型两种笼型绕组： 电路 ；铸铝或铜条（图44或图45）； 优缺点 绕线型绕组： 对称三相绕组； 星接； 集电环 （图46）；优缺点气隙： 气隙大小的影响； 中小型电机的气隙为0.22mm4-2三相异步电动机的铭牌数据一型号二铭牌数据（额定数据）1. 1. 额定功率 。 额定运行时输出的机械功率2. 2. 额定电压3. 3. 额定电流4. 4. 额定频率5. 5. 额定转速铭牌上还应标示定子绕组接法、绝缘等级（允许温升）、绕线型异步电动机还应标示转子额定电动势及额定电流。4-3三相异步电动机的定子绕组三相定子绕组的作用和要求。一交流绕组的基本知识和基本量（一）电角度与机械角度电角度=P机械角度（二）线圈 一匝或多匝，首端和末端（三）节距 一个线圈两边所跨定子圆周上的距离，用y1表示 一般以槽数计，节距应近似等于极距，时为整距，时为短距，其中。（四）槽距角 相邻两槽之间的电角度（一个槽所在距离相应的电角度）（五）每级每相槽数q 每一个极下每相绕组所占的槽数 二、单层绕组单层绕组：每个槽内只放一个线圈边。线圈数目等于槽数的一半，的实例说明单层绕组的构成。（一）计算极距和节距 （整距）（二）计算每极每相槽数 （三）绘制绕组展开图（图47）1画24根并行短线，代表24个槽，编上槽号（图47a）2按进行分相。相带：每个极下属于同一相的槽所占的区域称为相带。相带：每个极距内有3个相带。本例共有34=12个相带。每个相带有个槽。相带分配：A,z,B,x,C,y 。3按6组成一个线圈，而后以同样方法组成属于A相的所有线圈。4按q=2连出A相绕组的p个线圈组。5按所需并联支路数a，将p个线圈组串联、并联或串并联，连成一相（A相）绕组。6按同样方法连出B相和C相绕组。单层绕组还可联成链式、交叉式、同心式等单层绕组的优点是线圈数少，嵌线方便，无层间绝缘，槽的利用率高。缺点是磁通势和电动势的波形较差，影响电动机的性能，一般用于功率在10KW以下的小型电机。三、双层绕组双层绕组：每个槽内放两个线圈边，一个边放在上层，一个放下层。线圈数等于槽数。例： 双层叠绕组1、计算极距 2、绕组节距 选3、每极每相槽数 槽距角：4、画展开图。如图4-8a)所示，图中并联支路数a=1，最少a=4。圆形接线图，如图4-8b)所示，也可用连接顺序表。如图4-9，4-10所示。绕线型异步电动机转子绕组不宜采用叠绕组，而采用波绕组。以减小线圈组间连接线，便于平衡。波绕组的相带划分与槽号分配与叠绕组相同。连接规则是把所有同一极性下属于同一相的线圈按照一定次序串联起来组成一组；再把所有另一极下属于同一相的线圈按照一定次序串联起来组成一组，最后将这两组串联或并联联接构成一相绕组。另一相绕组的构成与之相同。如图411所示。4-4 三相异步电动机的定子磁通势及磁场根据绕组的构成原理，先分析一个线圈的磁通势，进而分析一个线圈的磁通势和一相绕组产生的磁通势，再求三相绕组共同产生的合成磁通势。一、 一、 单相绕组的磁通势（一） （一） 整距线圈的磁通势（图4-12）一个整距线圈AX通以电流I时，产生的磁场用磁力线表示时，如图（4-12a）所示。电流为正（A出，X进）时，下半部为N极，上半部为S极，用安培环路定律可的每个极下磁通势为一常数，设磁力线自定子出为正，则气隙中磁通势沿圆周分布展开后如图（412b）所示幅值应为。如果电流为正弦交流，则此矩形波的高度将随时间以电流交变的频率交变。如图（413）所示：时，范围内。矩形波高度为。时，矩形波高度为零。，磁通势变为，改变了方向。所以整距线圈产生的磁通势任何瞬间，空间分布总为矩形波。而空间任何一点的大小随电流的变化而变化。这种空间分布位置固定不变，而大小随时间交变的磁通势称为脉振磁通势，脉振频率即电流变化的频率。其数学表达式： 对于多极电机，每一对极的磁通势，分布情况与上相同，只是空间分布增加了p倍而已，如图414所示。为将线圈的磁通势合成，用矩形波叠加很不方便，一般先用傅氏级数，将矩形分布的磁通势分解成基波和一系列谐波，然后分别合成。矩形波分解如图415所示。对横轴对称，即，只含奇次谐波。又对纵轴对称，即，只含余弦项，故有式中 =（二）线圈组的磁通势1. 整距线圈的线圈组磁通势设q=3，三个线圈各产生一个矩形波磁通势，分别进行分解，则三个基波磁通势大小相等，均为空间互差一个槽距角，如图416所示。由图416 c)可得线圈组基波合成磁通势的幅值为：, 而 ， 所以 式中 称为基波磁通势的分布系数，其物理意义为：由于采用分布绕组，使基波磁通势减小的倍数（1）。 同理，对于高次谐波 式中 称为谐波磁通势的分布系数。例3-1 用以说明采用分布绕组是改善磁通势波形的有效措施之一。 2短距线圈的线圈组磁通势双层线圈一般采用短距线圈，对合成磁通势有影响。以前3双层绕组为例，q=2,一对极下两个短距线圈组如图417所示。根据只要不改变各线圈边中的电流大小和方向，产生的磁通势就不变的规律，可以等效为图418中的两个整距线圈组。这两个整距线圈组在空间位移的角度正好等于线圈节距缩短的角度，为 线圈组基波合成磁通势 式中 称为基波磁通势的短距系数。其物理意义为：由于采用短距线圈，使基波磁通势减小的倍数。 对于次谐波，短距系数为 如果取， 因为奇数，则，次谐波得以完全消除。（三）一相绕组磁通势一相绕组磁通势不是整个绕组的安匝数，而是每对极下的合成磁通势。为此，基波合成磁通势的幅值式中 称为基波绕组系数。谐波磁通势的幅值（安匝/极）一相绕组磁通势的表达式：一相绕组磁通势的几点结论：（1）是脉振磁通势；（2）基波的磁通势幅值的位置与绕组的柱线重合；（3）基波的磁通势幅值：，谐基波的磁通势幅值：。二三相绕组磁通势旋转磁通势（一） （一） 脉振磁通势的分解根据三角函数公式：可将一绕组的脉振磁通势公式写成：此式表明一个脉振磁通势分解为两个分量，先分析第一个分量：时，磁通势在空间分布如图419，观察此正弦分布曲线上为某一定值的A点，由于常数则有 常数两边对t微分，可得沿气隙周围移动的线速度v 沿气隙周围旋转的速度 由此可见是一个旋转磁通势，其幅值为一相磁通势幅值的1/2，转速。 同理分析可得，亦是一个旋转磁通势，幅值为只是转速，即转向相反。结论：一个脉振磁通势可以分解为两个幅值相等、转速相同，转向相反的旋转磁通势。三三相绕组的基波合成磁通势若取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，则可得A，B，C三相基波磁通势的表达式为： 分别将这3个脉振磁通势分解，则得三相绕组的基波合成磁通势 显然这亦是一个的旋转磁通势，只是幅值为一相磁通势幅值的，用F1表示。以上是数学方法结论。亦可直观图解得到。如图420所示，图中分析了四个特定时间三相基波合成磁通势的情况。综和以上两种方法。可得三相绕组的基波合成磁通势有一下三特征：（1） （1） 是一过旋转磁通势，速度为同步转速 （）。旋转方向决定于电源相序，从超前相转向滞后相。（2） （2） 幅值为一相磁通势幅值的。恒定不变，故为圆形旋转磁通势。（3） （3） 哪一相的电流达正的最大值，三相基波合成磁通势的幅值就在哪一相绕组的轴线上。用同样方法，可以分析各次谐波磁通势。次，谐波合成磁通势为正转(与基波合成磁通势转向相同)旋转磁通势，次谐波合成磁通势等于零。三三相异步电动机的定子磁场4-5 三相异步电动机定子绕组的电动势三相异步电动机运行时，气隙中总存在旋转磁通势建立的旋转磁场，同时切割定、转子绕组，分别在定、转子绕组中感应电动势。基波旋转磁场感应产生基波电动势，谐波旋转磁场感应产生谐波电动势。一绕组的基波电动势设 ， 如图4-21 b）所示式中为离开坐标原点的电角度，应等于t，所以Bx=B1mSint（一）导体的感应电动势e=Bxlv=B1mlvSint=Ec1Sint此电动势的频率 f1=此电动势的有效值 Ec1=B1ml v由于一个极距内磁通密度的平均值 Bav=B1m， B1m=Bav=又 v=2f1故 （二）整距线圈的电动势整距线匝的电动势 整距线圈的电动势 (三)短距线圈的电动势（图4-22）一个线匝的两根导体的电动势，和的相位差比1800小一个角（个槽相应的电角度），故匝电动势： 式中 称为基波电动势的短距系数。计算方法与基波磁通势的短距系数相同，大小相等。以后统称为基波短距系数。 （四）线圈组的感应电动势单层绕组，每相绕组线圈组的数目等于p，双层绕组，每相线圈组数目等于，线圈组中每个线圈的电动势大小相等，只是时间相位上互差一个槽距角。线圈组的电动势应是q个线圈电动势的相量和，设q=3，则相量图为图4-23所示。可见 式中 ，称为基波电动势的分布系数线圈组的基波电动势式中 ，称为基波绕组系数。（五）一相绕组的基波电动势对于单层绕组，a条并联支路，共有p个线圈组，故有式中，为每相串联匝数，即