电机与拖动课件ppt--第3章 交流异步电动机

1、第3章 交流异步电动机 3 . 1 三相异步电动机的工作原理与结构 3 . 2 三相异步电动机的定子绕组 3 . 3 三相异步电动机定子绕组的感应电动势 3 . 4 三相异步电动机的定子磁动势 3 . 5 三相异步电动机的等值电路和相量图 3 . 6 三相异步电动机的功率和转矩 3 . 7 三相异步电动机的工作特性 3 . 8 三相异步电动机的机械特性 3 . 9 单相异步电动机 三相异步电动机是应用通电导体在磁场中产生电磁力的原理而工作的,如图所示,外圆圈是可以转动的圆柱形铁心, 安放了一对磁极。在磁极中间装有一个也能够转动的圆柱形铁心,简称转子。在转子外 圆的两个槽内嵌放着一个闭合线圈。

2、若将外圆圈上的一对磁极以速度 逆时针旋转,成为旋转磁场, 切割转 子导条。用右手定则可知: N极下导 条感应电动势方向是向内的,S极下是 向外的。第3章 交流异步电动机3.1 三相异步电动机的工作原理与结构3 . 1 . 1 三相异步电动机的工作原理(1) 1n3 . 1 . 1 三相异步电动机的工作原理(2) 闭合线圈导条中的电流与感应电动势同方向,由左手定则可知,N极下导条电磁力方向向左,S极下的向右,这一对力偶产生了转轴上的电磁转矩T,其转向为逆时针方向, 转子在电磁转矩T的作用下,就会以n的速度沿逆时针方向旋转起来,成为电动机。 同步转速 与转子转速 之差 称为转差。转差 与同步转速

3、之比,称为转差率,用s表示,即 s也能表示转子的转速,即 异步电动机正常运行时转差率s很小,一般在0.015 0.05之间。n1n) nn (1)nn(11n11nnns) s1 (nn13 . 1 . 2 组成异步电动机的主要部件(1) 图3 . 2 三相笼型异步电动机的结构图 图3 .3 定子铁心与冲片1 .轴 2 .弹簧片 3 .轴承 4 .端盖 5 .定子绕组 6 .机座 7 .定子铁心8 .转子铁心 9 .吊环 10 .出线盒 11 .风罩 12 .风扇 13 .轴承端盖 图3 .2是一台三相笼型异步电动机的结构图。主要部件是定子和转子。定子有定子铁心、定子绕组和机座;转子有转子铁心

4、、转子绕组和转轴。定子铁心是电动机主磁通所经磁路的一部分,用硅钢片叠压而成 ,如图3.3。3 . 1 . 2 组成异步电动机的主要部件(2)定子铁心内圆上开有槽,槽内放置定子绕组 ,槽型 如右上图。定子绕组是三相绕组,六个出线头都引到接线盒上,若铭牌标明为Y联结, 应将三个末端的出线头 、连接在一起,三个首端出线头 、 、 接三相电源,如图(a);若为D( )联结,应将 与 、 与 、 与 分别连在一起, 三个首端 、 、 接三相电源,如图(b)。 2W2U2V1U1V1W1U2W1V2U1W2V1U1V1W（a）（b）（c）（a）（b）3 . 1 . 2 组成异步电动机的主要部件(3)转子铁

5、心用硅钢片冲压叠装而成,转子槽形如左上图,槽内放置转子绕组。转子绕组有笼型转子绕组和绕线转子绕组。笼型转子绕组如左下图;绕线转子绕组是对称的三相绕组,接成星形,三根引出线分别接到三个与转轴绝缘的铜环上,称为集电环,通过电刷装置与外电路相接,如上右图。 （a）（b）（c）（a）（b）3 . 1 . 3 三相异步电动机的铭牌数据 1 .额定功率 ,指电动机在额定运行时转轴上输出的机械功率, kW; 2 .额定电压 ,指额定运行时电网加在定子绕组上的线电压, V或kV; 3 .额定电流 ,指电动机在额定电压下,输出额定功率时,定子绕组中的线电流, A; 与 及 之间的关系是 4 .额定转速 ,指额定

6、运行时电动机的转速,单位是转/分( r/min); 5.接法用Y或D()表示,表明定子绕组应采用的连接方式,Y表示星形联结,D()表示三角形联结。 NPNUNINPNUNI3NNNNN10cosIU3PKWNn3.2 三相异步电动机的定子绕组 定子绕组是由许多线圈按一定规律连接而成,线圈在槽内部分是有效边,槽外部分是端接,如右上图。 1.如果定子圆周上有p对磁极, 则 空间电角度= p机械角度。 2.若定子内圆周有 个槽,则槽距角为 3.每相绕组在每个磁极下占据的槽数称为每极每相槽数q , 定子绕组相数为 时, 4.线圈两个有效边在定子圆周上的距离,用槽数来表示,称为线圈节距 ,右下图中1Z1

7、0Z/360p1m)2/(11pmZq 1y81y（a）（b）3 . 2 . 1 三相单层绕组(1) 单层绕组的每个槽里只放一个线圈边, 绕组的线圈数等于定子槽数的一半。已知 极距 ,单层绕组为整距绕组, 将定子内圆周画成平面展开图,标明槽号1 24,如 图 。 ,可将1号与7号槽中元件 边连接成一个线圈,同样将2号 与8号的连成另一个线圈, 将这两个线圈首尾串联组成一 个线圈组。同理,将13与19及 14与20串联组成另一个线圈 组。再将这两个线圈组串联为一相绕组。24Z142p3m164/242p/Z16y12) 34/(242pm/Zq1100103024/3602Z/360p6y12q

8、3 . 2 . 1 三相单层绕组(2) 图3 . 14 单层链式绕组U相的展开图 已知 ,将2 、 7 ; 8 、 13 ; 14 、 19 ; 20 、 1各自连接起来,构成了4个线圈。 再按电流方向,把各个线圈的端部按头头、尾尾的规律串联起来,就构成了U相绕组。从图3 .14所示展开图上看,这4个线圈形同链条,故而称为链式绕组。同样可将V、 W相线圈连成链式。 24Z142p3m13 . 2 . 2 三相双层绕组 图3 .15 U相绕组展开图 已知 则 ,取 画出24个槽, 槽中的实线和虚线分别表示上层边及下层边;把1号的上层边与6号的下层边连成1号线圈,同样把2号与7号的对应边连成2号线

9、圈,再把1号和2号线圈串联成一个线圈组。同理将7、 8, 13、14及19、20号线圈分别连接成线圈组, 最后将4个线圈组连接成一相绕组。24Z142p65y13.3 三相异步电动机定子绕组的感应电动势3 . 3 . 1 导体的感应电动势(1) 图3 . 16 交流发电机模型横截面示意图 图3 . 17 导体的感应电动势 图3 .16 a是发电机模型横截面示意图,图b是展开图。设基波磁通密度为 ,导体A以速度 切割磁场产生的感应电动势为 ,转子的转速为 时,机械角速度为 ,若有P对极,则电角速度为 将 代换, 则有 波形如图3.17 。 sinBBm1lBe111n60/n21160/pn2p

10、111t1tsinBB1m1tsinE2tsinEtsinlBe111m1m1（a）（b）3 . 3 . 1 导体的感应电动势(2) 如果电机有p对磁极,转子的转速为 , 则感应电动势变化的频率为 即 (3.12) 感应电动势的幅值为 式中 是基波磁通密度 的平均值; 是气隙基波每极磁通量 ; 是导体切割磁场的线速度; 是定子内表面的极距。 导体切割基波磁场所产生的基波电动势的有效值为 1n60/pnf11p/60fn11111av1mm1mf60pn2lB2)60np2( l )B2(2lBEmavB)/2(B1BlBav160/pn2111111m122f. 22/f2/EE3 . 3 .

11、 2 线圈的感应电动势 1.整距线匝电动势的有效值是一根导体的有效值 的两倍,即 2.由 匝串联而成的整距线圈电动势的有效值为 3.短距线圈的节距 ,线匝的两根导体相隔的(电)角度为 其感应电动势的相量可用右图中的 和 表示,则线匝的 电动势有效值为 有 匝的短距线圈基波电动势大小为 称为基波短距系数。 11111T44f. 422f. 222EEyN1y1yN44f. 4E1yy)/y (1/yy1U1EU2E) 2/(sin2E2/ )180(cos2EEU10U1T1y11U1k44f. 4)2/y(sin2E1y1y11ykN44f. 4)y(EyNy1k3 . 3 . 3 线圈组的感

12、应电动势 图3 .19 分布线圈组空间位置及其连接图 图3 . 20 分布线圈组基波电动势相量图 由3个线圈组成的分布线圈组如图3.19, 对q个线圈组成的线圈组, 有 , q个大小相等的相量相加就组成一个正多边形,如图3.20b, , 称为基波分布系数,对短距分布线圈组有 是绕组系数。yqy2y1q1EEEE)2/(2RsinEy1)2/q(2RsinEq1) 2/(sin/ ) 2/q(sinEy1q1y1y1kqE) 2/(qsin/ ) 2/q(sinqE) 2/(qsin/ ) 2/q(sinkq11N1y1N1y1q1y1y1q1kqN44f. 4kqEkkqEEN1k（a）（b）

13、（a）（b）3 . 3 . 4 一相绕组的感应电动势 一相绕组的感应电动势就是绕组中一条并联支路的电动势。 对于双层绕组,一相绕组在每一个极下有一个线圈组,如果电机有P对极,则共有2P个线圈组,若组成b条并联支路,则每条支路由 2 p/b个线圈组串联而成。所以每相绕组电动势为 (3.22) 式中 是一条支路的串联总匝数。 单层绕组的线圈组数是双层绕组的一半,则 1N1y11k)b/2p(qN44f. 4E1N111kN44f. 4b/2pqNNy1b/pqNNy13 . 3 . 5 定子绕组的谐波电动势 次谐波磁通的极对数是基波磁通极对数的 倍,在定子绕组中感应谐波电动势的频率 若 次谐波每极

14、磁通量为 ,则每相绕组中 次谐波电动势有效值为 式中 是 次谐波的绕组系数,等于次谐波的短距系数 和分布系数 的乘积。 11f60/pnfN1kN44f. 4EqyNkkkykqk)2/sin(yky) 2/sin(/ ) 2/sin(qqkq3.4 三相异步电动机的定子磁动势3 . 4 . 1 单相绕组产生的脉动磁动势(1) 上图是两极异步电动机磁场分布示意图及展开图。任选一条围绕线圈导体的磁路,该磁路两次穿过气隙。若 匝的线圈电流为 ,则闭合磁路的磁动势为 ,若忽略定转子铁心的磁压降,则一个气隙的磁动势是 ,气隙磁动势空间分布波形为矩形波,如图b,其最大高度为 ,矩形波磁动势瞬时值随时间的

15、变化而作余弦变化,称为脉动磁动势。 tIcos2iyNtcosIN2ytcos2)IN/2(yy2)IN/2(3 . 4 . 1 单相绕组产生的脉动磁动势(2) 在空间按矩形波规律分布的磁动势 ,可以用傅里叶级数分解为基波和奇次余弦波,如下图,基波幅值是矩形波幅值的4/,而 次谐波幅值是基波幅值的 ,即 式中基波磁动势是一个在空间按余弦规律 分布,其幅值 随时间作余弦变化的磁动势。 ), x(fyt/ 1) t , x(f) t , x(f) t , x(f) t , x(f) t , x(fyy5y3y1ytcosIcos9N. 0tcosIcosN)2/2)(/4() t ,x(fyyy1

16、)/x(tcosIcos9N. 0y/x)/x(cos) tIcos9N. 0(y3 . 4 . 1 单相绕组产生的脉动磁动势(3) q=3的整距线圈组空间分布及磁动势相量如右图,即 其幅值为 式中基波分布系数是 短距线圈组的磁动势等于整距的磁动势乘以短距系数 , 磁动势幅值为 ) 1q (FF0FFy1y10y1q1q1yq1y1q1qk9IN. 0kqFF)2/(qsin/ )2/q(sinkq1) 2/y(sinky1y1q1yy1q1y11q1kqk9IN. 0kkqF)y(F3 . 4 . 1 单相绕组产生的脉动磁动势(4) 单相绕组产生的磁动势是指单相绕组中的线圈组在每对磁极下产生

17、的气隙磁动势。双层绕组在每一对磁极下有两个线圈组(匝数为 ), 一相绕组产生的基波磁动势幅值为 (3.29) 如果电动机有P对极,一相绕组就有2P个线圈组,假定组成b条并联支路,每一条并联支路串联总匝数 就是一相绕组串联总匝数,即 则 线圈组的电流I与绕组相电流 的关系是 代入式(3.29),得到一相绕组基波磁动势幅值为 是基波绕组系数。基波磁动势瞬时值为 q2Nyy1q1yq1kqk9I2N. 0F 1Nb/2pqNNy1p/bN2qN1y1Ib/II1y1q111y1q1yq11Kk) p/bN)(b/I ( 9 . 0Kqk9I2N. 0FFN111k)p/NI ( 9 . 0q1y1N

18、1kkktcos)/x(cosk)p/NI (9 . 0tcos)/x(cosF) t , x(fN111113 . 4 . 2 三相绕组产生的旋转磁动势(1) 定子三相绕组的轴线相差120 (空间)电角度,绕组中三相对称电流相位互差120 (时间)电角度。以U相为基准,其基波磁动势的表达式为 对V相有 对W相有 利用三角函数积化和差公式, 将以上三式分别变换为 将上三式相加,后三项之和为零, 三相合成基波磁动势为 (3.34) 幅值 (3.35)tcos)/x(cosF) t , x(f1U1)120t(cos)120/x(cosF) t , x(f001W1)/xt(cosF)2/1 ()

19、/xt(cosF)2/1 () t , x(f11U1)240/xt(cosF)2/1 ()/xt(cosF)2/1 () t , x(f011V1)120/xt(cosF)2/1 ()/xt(cosF)2/1 () t , x(f011W1)/xt(cosF)/xt(cosF)2/3() t , x(f111N111N11111K)p/NI (35. 1K)p/NI ( 9 . 0) 2/3(F) 2/3(F)120cos()120/cos(),(0011txFtxfv 当t=0时, 其波形如图中实线所示;当 ,即 时, 波形如图中虚线所示。从图中看出虚线波形是实线波形沿x轴移动了 ,这表明

20、,三相合成基波磁动势公式表示的是一个在空间按余弦规律分布、幅值恒定不变、随时间而正向旋转的磁动势波。可由磁动势波幅值点的移动速度来确定磁动势波的旋转速度,即令 则 或 由x对t的导数求得磁动势波的的旋转速度即同步转速 为 3 . 4 . 2 三相绕组产生的旋转磁动势(2)/x(cosF) t , x(f111tt01t)/x(cosF) t ,x(f01101)/xt(cos0/xt/ tx f2f/2/dt/dx)min/ r ( p/60f) s / r ( p/ f)2p/(f2n13 .5 三相异步电动机的等值电路和相量图3 . 5 . 1 转子绕组开路时的等值电路和相量图(1) 转子

21、绕组开路时,转子电流为零,只有定子空载电流 产生旋转磁动势 ,如右上图; 产生空载基波主磁通 和漏磁通 , 如右下图。主磁通在定、转子绕组中产生的感应电动势有效值为 漏磁通在定子绕组中产生的 为 定子电压方程是10I10F10F111N1111N44f. 4Ek1221244. 4NkNfE1E1101XI jE10111IZEU3 . 5 . 1 转子绕组开路时的等值电路和相量图(2) 定子电动势与转子电动势之比称为电动势变比, 也称电压变比, 类似于变压器,有 定子电压方程是 其等值电路 如右上图所示。 转子电压方程是 是转子绕组在开路时的相电动势; 对应的相量图如右下图所示。21eE/E

22、k 1N2211N111KN44f. 4/kN44f. 4N22N11kN/kN10m10mm1IZI )jXR(E10110m10111IZIZIZEU20220EEU20E3 . 5 . 2 转子绕组闭合时的等值电路和相量图（1） 转子绕组闭合,如右图,而且用外力将转子堵住,使之不能转动,称之为堵转。这时就有转子电流 和定子电流 ,分别产生磁动势 和 ,它们之和等于转子开路时的磁动势 ,即 代换后,有 是电流变比, 定子电压方程是转子短路闭合, ,可将转子 不动时的电动势表示为2I1I2F1F10F1021FFF1021IIIi22k/IIN222N111ikNm/kNmk ik1111I

23、ZEU0U222220220IZI )jXR(E3 . 5 . 2 转子绕组闭合时的等值电路和相量图（2） 把转子绕组向定子绕组折算遵循的原则是:折算前后转子磁动势的大小和相位不变。方法是:把原来的转子绕组看成和定子绕组有相同的相数,相同的匝数 ,相同的绕组系数。折算后的基本方程是 其等值电路如图a所示, 相量图如图b所示。 1111IZEU10m10mm1IZI )jXR(E1021III120EE220220I )XjR(E（a）（b）3 . 5 . 2 转子绕组闭合时的等值电路和相量图（2） 转子绕组短接且转子转动时,与转子不动时相比,电磁量会发生变化:1 )转子感应电动势的频率为 2

24、)转子电动势 3 )转子绕组的漏电抗 转子旋转时磁动势平衡方程式为 也就有 定子电动势平衡方程式是 转子电动势平衡方程式为 或 (3.60)111112sfn/ )nn(60)/pn(60/ )nn(pf201N2211N2222ssEkN44sf. 4kN44f. 4E2021222ssXLsf2Lf2X1021FFF1021III1111IZEU10m10mm1IZI )jXR(E22s22sI )jXR(E220220I )jsXR(Es3 . 5 . 2 转子绕组闭合时的等值电路和相量图（3） 旋转时的转子电流为 (3.61) 把上式的分子、分母都除以s,可化为 (3.62) 上式表示

25、静止转子电流。比较上两式可知,将转子电阻从 增加到 的静止转子,可以代替在转差率s下的实际旋转转子,这就是频率折算。 折算后的基本方程式是 等值电路如图a, 相量图如图b。 )jsXR/(Es)jXR/(EI202202s22s2)jXs /R/(EI2022022Rs /R21111IZEU2222I )Xjs /R(E1021III10m10mm1IZI )jXR(E（a）（b）3.6 三相异步电动机的功率和转矩3 . 6 . 1 三相异步电动机的功率关系 电动机从电源吸收电功率为 减去定子铜损耗 和定子铁损耗 之后,就是通过气隙旋转磁场的耦合传递给转子的电磁功率 。 忽略转子铁损耗, 从

26、电磁功率中减去转子铜损耗 后,就是转子上所产生的全部机械功率 , 中减去机械损耗和附加损耗 就是电机轴上输出的机械功率 功率流程图如右图。 11L1L11P1P1cosIU3cosI3UP211cu1I3RP1Pcu1PFePMP210mFeI3RP s/RI3cosIE3P222222MmPcu2P222cu2IR3PMsPM222cu2MmP) s1 (s /RI ) s1 ( 3PPPmP2P)PPPPP (P)PP (PPsmeccu2Fecu11smecm23 . 6 . 2 三相异步电动机的电磁转矩 电磁转矩等于电磁功率除以同步角速度,即 (3.72) 式中, 上式表明,电磁转矩与

27、主磁通及转子电流的有功分量 的乘积成正比。 将 两边除以机械角速度,即得到电动机的转矩平衡方程式 即 在额定运行状态,即 及 ,忽略 ,则电磁转矩为N11111122211MkN44f. 4)f2/(Pm/cosIEm/PT221cosI221T221N111cosICcosIkN)2/Pm(p/f260/n2111smec2mPPPP/ )PP(/P/Psmec2m02TTTN2PP Nnn0TNNN3N2NnP955060/n210PTT3.7 三相异步电动机的工作特性 工作特性是指电源电压和频率为额定值的情况下,定子电流、转速(或转差率)、功率因数、电磁转矩、效率与输出功率 的关系。 1

28、 .定子电流特性 , 随着 增大而增大,如图; 2 .转速特性 ,如图,是一条稍微下降的曲线; 3 .转矩特性 ,如图,近似为 直线; 4 .功率因数特性 ,如图 所示; 5 .效率特性 , 如图,满载时效 率较高。 2P)(21PfI 1I2P)(2Pfn)(2PfT)(cos21Pf)(2Pf)/(/2212PPPPP3.8 三相异步电动机的机械特性3 . 8 . 1 机械特性的表达式(1) 在电源电压、电源频率及电机参数固定不变的条件下,三相异步电动机的电磁转矩T与转速n或与转差率s之间的关系,称为异步电动机的机械特性。 用励磁支路开路时的等值电路估算 将 代入上式得到 (3.77) 机

29、械特性如右图所示。pfIsRnIsRPTM/2)/( 360/2)/( 312221222122122112)()/(/XXsRRUI2I2212211221)()/(2/3XXsRRfsRpUT3 . 8 . 1 机械特性的表达式(2) 机械特性在第象限,T及n均为正,电动机处于正向电动运行状态:同步转速点A,T=0, ,也称为理想空载点; 最大转矩点B, , ,称 为临界转差率; 起动点C,s=1 ,n=0 ,电磁转矩为起动转矩 。 将T对s求导,并令导数为0,可求得临界转差率为 (3.78) “+”号适用于电动运行状态;“-”号适用于制动运行状态。 将 代入式(3.77)中,得到最大转矩

30、为 (3.79) 忽略 则上式简化为 (3.80) 式(3.78)可简化为 (3.81)mTTmss1nnmsstT221212)(/XXRRsmms221211121)(4/3XXRRfPUTm1R)(4/321121XXfPUTm)/(212XXRsm3 . 8 . 1 机械特性的表达式(3) 把s=1代入式(3.77)得到 在式( 3 .77 )和式( 3 .79 ) 中将 忽略不计,得到 将上两式相除得到 (3.85) 上式是T的实用表达式。将其有条件地简化,就得到简化实用表达式 (3.88) 上式表明T与s成正比例关系,是机械特性的直线表达式。 2212211221)()(23XXRRfRPUTst1R221221221)()/(2/3XXsRfsRPUT)(4/321121XXfPUTmmmmsssssRXXXXsRTT2/221212mmmssssTT2NNssTT/3.8.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性(1)