电机与拖动__第五章.

1、第五章三相异步电动机的基本原理第五章三相异步电动机的基本原理一、一、三相异步电动机的三相异步电动机的工作原理与运行状态工作原理与运行状态第一节第一节 三相异步电动机的工作原理及结构三相异步电动机的工作原理及结构交流电机有两大类：交流电机有两大类：异步电机和同步电机。同步电机的转速与交流异步电机和同步电机。同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系。异步电机则不然。异步电动机电源频率之间存在严格的对应关系。异步电机则不然。异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转

2、换。绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。（）基本工作原理（）基本工作原理 三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用而运行的。当三相定子绕组接至三相电源后，三的相互作用而运行的。当三相定子绕组接至三相电源后，三相绕组内将流过对称的三相电流，并在电动机内产生一个旋相绕组内将流过对称的三相电流，并在电动机内产生一个旋转磁场，该磁场沿定子内圆周方向旋转。在交流电动机中，转磁场，该磁场沿定子内圆周方向旋转。在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用0n2( (

3、二）旋转磁场的产生二）旋转磁场的产生旋转磁场旋转磁场 一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场。一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场。A-X、B-Y、C-Z三个线圈在空间上彼此互隔三个线圈在空间上彼此互隔120120分布在定子分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。 表示。如图所示为异步电动机的工作原理示意图，表示。如图所示为异步电动机的工作原理示意图，假设定子只有一对磁极，阴影部分分别表示假设定子只有一对磁极，阴影部分分别表示N N极和极和S S极。极。 3B相从相从A相后移相后移120C相从相从B相后移相后移120A相从相从C相后移

4、相后移120当三相对称绕组接上三相对当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场称电源，就产生旋转磁场。tIicosmA)120cos(mBtIi)240cos(mCtIi4四极旋转磁四极旋转磁场示意图场示意图160sfnp式中，式中，n0为同步转为同步转速，单位速，单位r/min；p为极对数；为极对数；f1为交流电源的为交流电源的频率。频率。5（三）（三）三相异步电动机的三相异步电动机的工作原理工作原理三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，嵌有均匀分布的导条，导条两端分别嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环将它们连接成一个整体。用铜环将它们连接成一个整体。三

5、相异步电动机的定子铁心上嵌有三三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。同步转速旋转的旋转磁场。转子导条被这种旋转磁场切割，在导转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感生电流，磁场又对导条产条内产生感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转。旋转。（四）（四）三相异步电动机的转速与运行状态三相异步电动机的转速与运行状态 异步电动机的异步电动机的工作原理决定了它的转速一般工作原理决定了它的转速一般低于同步

6、转速。如低于同步转速。如果异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与转子导条之果异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。产生电磁转矩来拖动机械负载。6转差转差n0-n的存在是异步电动机运行的必要条件。我们将的存在是异步电动机运行的必要条件。我们将转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用s表示。表示。例例5-15-1 有一台有一台50Hz的三相的三相异步电动机运行，异步电动机运行，空载转差率

7、为空载转差率为0.267%0.267%，额定转速为额定转速为 求该电动机的极对数、同步转求该电动机的极对数、同步转速、空载转速以及额定负载时的转差率。速、空载转速以及额定负载时的转差率。min/ r730Nn解解 00nnSn7异步电动异步电动机的三种机的三种运行状态运行状态8二、二、三相异步电机的结构三相异步电机的结构 绕线转子异步电机剖面图绕线转子异步电机剖面图 1 1转子绕组转子绕组 2 2段盖段盖 3 3轴承轴承 4 4定子绕组定子绕组 5 5转子转子 6 6定子定子 7 7集电环集电环 8 8出线盒出线盒910111 1、定子、定子异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。

8、异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。12定子冲片定子冲片定子线圈定子线圈13铁心和机座铁心和机座2 2、转子、转子异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。1 1）笼型绕组）笼型绕组铜条笼铜条笼型转子型转子铸铝笼铸铝笼型转子型转子14笼型转子15绕线转子照片16第二节第二节 三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据额定功率额定功率 电动机在额定运行时输出的机械功率电动机在额定运行时输出的机械功率,单位单位 kW额定电压额定电压 在额定运行状态下，电网加在定子绕组的线电压，在额定运行状态下，电网加在定子绕组的线电压， 单位

9、单位 V额定电流额定电流 电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，电动机在额定电压下使用，输出额定功率时， 定子绕组中的线电流，单位定子绕组中的线电流，单位 A额定频率额定频率 我国的电网标准频率为我国的电网标准频率为 50Hz额定转速额定转速 电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的 转速，单位转速，单位 r/min此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（星形还是三角形星形还是三角形）、绝缘）、绝缘等级及允许温升等。对绕线转子异步电动机，还标明转子的额定电等级及允许温升等。对绕线转子异步电动机，还标明转子的额定电动势及额

10、定电流。动势及额定电流。17第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组一、交流绕组的一些基本知识和基本量一、交流绕组的一些基本知识和基本量1 1、电角度与机械角度、电角度与机械角度 电机圆周在几何上分成电机圆周在几何上分成360，这个角度称为机械角度。，这个角度称为机械角度。 若磁场在空间按正弦波分布，则经过若磁场在空间按正弦波分布，则经过N、S 一对磁极恰好相当于一对磁极恰好相当于正弦曲线的一个周期。因此，一对磁极所占有的空间是正弦曲线的一个周期。因此，一对磁极所占有的空间是360电角电角度。可见，一个具有度。可见，一个具有 p 对磁极电机，电机圆周按电角度计算就为对磁极

11、电机，电机圆周按电角度计算就为 p360，而机械角度总是而机械角度总是360 。电角度电角度= p机械角度机械角度2、线圈、线圈组成交流绕组的单元是线圈。线圈是由一匝或多匝串组成交流绕组的单元是线圈。线圈是由一匝或多匝串联而成，它有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。联而成，它有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。3、节距、节距 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用用y表示，一般用槽数计算。节距应该接近极距表示，一般用槽数计算。节距应该接近极距。yy整距绕组整距绕组，y短距绕组短距绕组，长距绕组长距绕组184、槽距角、槽距角

12、 相邻槽之间的电角度称为槽距角相邻槽之间的电角度称为槽距角若若Q为定子槽数，为定子槽数，p为极对数，则槽距角为极对数，则槽距角Qp3605、每极每相槽数、每极每相槽数q 每一极每相绕组所占槽数，用符号每一极每相绕组所占槽数，用符号q表示表示 （m相数）相数）pmQq2二、交流绕组的排列和联接二、交流绕组的排列和联接为了便于说明问题，以下假设给定电机极数为了便于说明问题，以下假设给定电机极数2p=4，槽数，槽数Q1=241 1、极距的计算，、极距的计算， 若若2p=4，Q=24，则则 =6pQ2192、线圈中的电流方向、线圈中的电流方向两极磁动势图四极磁动势图3 3、确定相带、确定相带 每个极距

13、内属于同相的槽所占有的区域称为每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为“相相 带带”，q=Q/(2mp)；每个相带为每个相带为60电角度。电角度。204、画定子槽展开图、画定子槽展开图确定相带和应有确定相带和应有的电流相对方向的电流相对方向单层相绕组的单层相绕组的一种联接方法一种联接方法三相绕组排列和联接的一三相绕组排列和联接的一般方法为般方法为: :计算极距；计算极距；计算每极每相槽数；计算每极每相槽数；划划分相带；分相带；组成线圈组；组成线圈组；按极性对电流方向的要按极性对电流方向的要求分别构成各相绕组求分别构成各相绕组。21三、三相单层绕组三、三相单层绕组 单层绕组的每一个槽内只有一个线圈

14、边，整个绕组的线圈数等单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边，整个绕组的线圈数等于总槽数的一半。于总槽数的一半。 以下用定子槽数为以下用定子槽数为2424，两极电机的定子绕组为例，说明单层绕，两极电机的定子绕组为例，说明单层绕组构成。组构成。1、计算极距、计算极距1212242pQ2、计算每极每相槽数、计算每极每相槽数4132242mpQq3、划分相带、划分相带 相带 槽号AZBXCY第一对极23,24,1,23,4,5,67,8,9,1011,12,13,1415,16,17,1819,20,21,22224、组成线圈组、组成线圈组相绕组相绕组的构成的构成同心式同心式绕组绕组三相单层同心三相单层

15、同心式绕组展开图式绕组展开图23四、三相双层绕组四、三相双层绕组 双层绕组的每个槽内都有上下两个双层绕组的每个槽内都有上下两个线圈边，每个线圈的一个边线圈边，每个线圈的一个边放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距y1的另一个槽的下层。的另一个槽的下层。整个绕组的线圈数等于槽数。整个绕组的线圈数等于槽数。 以下用以下用3 3相相4 4极极3636槽的双层叠绕组为例，说明槽的双层叠绕组为例，说明3 3相双层绕组的排相双层绕组的排列和联接。列和联接。1、计算极距、计算极距94362pQ2 2、选择节距、选择节距选择短节选择短节距距8y3、计算每极每相槽数、计算每

16、极每相槽数3232362mpQq并且计算槽并且计算槽距角距角2060q244 4、画展开图、画展开图画出槽内线圈边（上层画出槽内线圈边（上层边用实线，下层边用虚边用实线，下层边用虚线表示），并且编号线表示），并且编号25 相带槽号AZBXCY第一对极1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二对极19,20,2122,23,2425,26,2728,29,3031,32,3334,35,36按每极每相槽数划分相带按每极每相槽数划分相带5 5、组成线圈组、组成线圈组26第四节第四节 三相异步电动机的定子磁动势及磁场三相异步电动机的定子磁动势及磁场一、单相绕组

17、的磁动势一、单相绕组的磁动势 脉振磁动势脉振磁动势（一）整距线圈的磁动势（一）整距线圈的磁动势27t=0,i=Imt=90,i=0t=180, i=-ImtINiNtxfccccycos2221),( 整距线圈所形成的整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，空磁动势在任何瞬时，空间的分布总是一个矩形间的分布总是一个矩形波。波。 这种从空间上看位这种从空间上看位置固定，从时间上看大置固定，从时间上看大小在正负最大值之间变小在正负最大值之间变化的磁动势，称为脉振化的磁动势，称为脉振磁动势。脉振的频率就磁动势。脉振的频率就是交流电流的频率。是交流电流的频率。28四极整距线圈的磁动势四极整距线圈的磁动势磁场

18、分布磁场分布磁动势分布磁动势分布把以把以2 2 为周期的为周期的矩形矩形磁动势波用磁动势波用傅氏级数分解傅氏级数分解 应用傅氏级数对矩形波应用傅氏级数对矩形波进行分解。矩形波中含有进行分解。矩形波中含有1，3，5，奇次谐波，又对称奇次谐波，又对称于纵轴。于纵轴。txxxINtxFtxfccymycos5cos513cos31cos224cos)(),(29各线圈磁各线圈磁动势波动势波（二）线圈组的磁动势（二）线圈组的磁动势合成磁动合成磁动势的基波势的基波基波磁动势基波磁动势矢量相加矢量相加整距线圈的线圈组的磁动势整距线圈的线圈组的磁动势 线圈组的合成线圈组的合成基波磁动势为基波磁动势为1122

19、4qyqIkNqF2sin2sin1qqkq为基波磁动势为基波磁动势的分布因数的分布因数1、整距线圈的、整距线圈的 线圈组磁动势线圈组磁动势30例例5-25-2 一台四极三相异步电动机，定子槽数为一台四极三相异步电动机，定子槽数为36，计算其基波和计算其基波和5次、次、7次谐波磁动势的分布因数。次谐波磁动势的分布因数。解解 计算每相每极槽数计算每相每极槽数q和和值值32323621mpQq2036060q基波分布因数基波分布因数960. 0220sin32203sin1qk五次谐波分布因数五次谐波分布因数217. 02205sin32)205(3sin5qk七次谐波分布因数七次谐波分布因数17

20、7. 02207sin32)207(3sin7qk312、短距线圈的线圈组磁动势、短距线圈的线圈组磁动势q q=2,=2, = =6,6,y y1 1=5=5的的双层短距叠绕组双层短距叠绕组短距线圈节距缩短的角度短距线圈节距缩短的角度111yy111)1(122cos2yqqpkFFF式中式中90sin)180180(21cos2cos111yyky称为基波磁动势的节距因数称为基波磁动势的节距因数32同理，对于同理，对于v 次谐波次谐波yvqvpvkFF2)1(式中式中2cos90sin1vvykyv称为谐波磁动势的节距因数称为谐波磁动势的节距因数（三）相绕组的磁动势（三）相绕组的磁动势 绕组

21、由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该打一个绕组由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该打一个折扣折扣kq1； 线圈由整距改为短距的线圈由整距改为短距的基波合成磁动势幅值应该打一基波合成磁动势幅值应该打一个折扣个折扣ky1；因此，由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势；因此，由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数以系数kw1=kq1ky1，称为基波绕组因数。，称为基波绕组因数。对于对于v 次谐波次谐波 kwv=kqvkyv33IpNkFW119 . 0对于单相绕组磁动

22、势，可以归纳以下几点：对于单相绕组磁动势，可以归纳以下几点：1）单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值）单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值随时间变化的脉振磁动势。随时间变化的脉振磁动势。2）单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合。）单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合。3）单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为）单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为 ； 而而v 次谐波磁动势幅值为：次谐波磁动势幅值为： ； 谐波次数谐波次数越高，幅值越小。越高，幅值越小。IpNkvFWvv9 . 01二、三相绕组的磁动势二、三相绕组的磁动势 旋转磁动势旋转磁动势取取A相绕组的

23、轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为x的正方向，同时选择的正方向，同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点，相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点，则三相的基波磁动势为：则三相的基波磁动势为：txFfAcoscos11120cos120cos11txFfB240cos240cos11txFfC34利用三角公式利用三角公式)cos()cos(21coscos)cos(21)cos(21coscos1111xtFxtFtxFfA)240cos(21)cos(21)120cos()120cos(1111xtFxtFtxFfB)120

24、cos(21)cos(21)240cos()240cos(1111xtFxtFtxFfC将三相基波磁势相加，得出三相绕组的基波合成磁动势将三相基波磁势相加，得出三相绕组的基波合成磁动势)cos()cos(23),(111111xtFxtFffftxfCBA式式中中IpNkmFFW111129 . 023（m1为相数）为相数） 三相绕组合成磁动势是一个大小不变、旋转的行波，可以按以三相绕组合成磁动势是一个大小不变、旋转的行波，可以按以下方法确定其转速。下方法确定其转速。 对于波幅这一点，其幅值恒为对于波幅这一点，其幅值恒为F1，cos(t-x/)=1, ,即即 t-x/=0， t=x/， =x/

25、，d dddsxtt 350t0t三相绕组基波磁势合三相绕组基波磁势合成圆形旋转磁动势成圆形旋转磁动势116060 26022ssffnppp旋转磁场转速旋转磁场转速 可以得出结论，当某相电流达到最大值，旋转磁动势的幅值就可以得出结论，当某相电流达到最大值，旋转磁动势的幅值就将转到该相绕组的轴线处。将转到该相绕组的轴线处。36 如果电流是正序的，则磁动势波旋转方向是从如果电流是正序的，则磁动势波旋转方向是从A相转相转向向B相，再转向相，再转向C相。如果电流是负序的，则磁动势波旋相。如果电流是负序的，则磁动势波旋转方向是从转方向是从A相转向相转向C相，再转向相，再转向B相。因此，如果要改相。因此

26、，如果要改变三相异步电动机磁场的旋转方向，只要改变定子电流变三相异步电动机磁场的旋转方向，只要改变定子电流的相序，把定子绕组三个出线端的任意两个（例如的相序，把定子绕组三个出线端的任意两个（例如B端端和和C端）对调即可。端）对调即可。)cos(21)cos(21coscos1111xtFxtFtxFfA)120cos(21)cos(21)240cos()120cos(1111xtFxtFtxFfB)120cos(21)cos(21)120cos()240cos(1111xtFxtFtxFfC从而可得出从而可得出)cos(),(11111xtFffftxfCBA160sfnp 37)cos(21

27、)cos(21coscos1111xtFxtFtxFfA从上式可以看出，一个正弦分布的幅值为从上式可以看出，一个正弦分布的幅值为F1, ,的脉振磁势波可以分的脉振磁势波可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势波，其幅值解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势波，其幅值均为均为F1/2，转速均为同步转速。转速均为同步转速。三相基波合成磁动势具有以下特性：三相基波合成磁动势具有以下特性：1）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速 ，旋转方向决定，旋转方向决定于电流的相序。于电流的相序。2）幅值）幅值F1不变，为各相脉振磁动势幅值的不变，为各相脉

28、振磁动势幅值的1.5倍，旋转幅值轨迹是倍，旋转幅值轨迹是一个圆。一个圆。3）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合成）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合成磁动势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。磁动势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。160/snfp38t=0 ,iA=Imt=120, iB=Imt=240, iC=Imt=360, iA=Im39 需要指出需要指出, m相对称绕组中通以相对称绕组中通以m相对称电流时，所形相对称电流时，所形成的成的m相合成磁动势也是圆形旋转磁动势，其幅值为各相相合成磁动势也是圆形旋转磁动势，其幅值为各相脉振磁动势幅值的脉振磁动势

29、幅值的m/2，其转速仍为同步转速。，其转速仍为同步转速。 用同样方法可以分析各次谐波磁动势。用同样方法可以分析各次谐波磁动势。当当v=6K-1, (K=1、2、3、)（即即：v=5、11、），谐波合成磁动谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相反；势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相反； 当当v=6K+1,(K=1、2、3、)（即：即：v=7、13、），谐波合成磁动势谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相同；的旋转方向与基波合成磁动势的方向相同；谐波合成磁动势的转速为谐波合成磁动势的转速为n0v=n0/v ；当当v=6K-3,(K=1、2、3、)（即：即：v=3、9、），谐波

30、合成磁动势等谐波合成磁动势等于零。于零。40例如，三次谐波表达式为：例如，三次谐波表达式为：txFfAcos3cos33)120cos(3cos)120cos()120(3cos333txFtxFfB)240cos(3cos)240cos()240(3cos333txFtxFfC0)120cos()240cos(cos3cos33333tttxFffffCBA41第五节第五节 三相异步电动机定子绕组的电动势三相异步电动机定子绕组的电动势一、线圈的感应电动势一、线圈的感应电动势气隙磁密分布气隙磁密分布xBBmxsin1 讨论定子绕组内感应电动势时，气隙磁场切割定子绕组可以看讨论定子绕组内感应电动势时，气隙磁场切割定子绕组可以看成下图中所示的转子旋转，在定子绕组中所感应产生的电动势。成下图中所示的转子旋转，在定子绕组中所感应产生的电动势。42瞬时值的表达式瞬时值的表达式有效值的表达式有效值的表达式tNeccsin11144. 4ccNfE1、整距、整距Nc匝线圈的电动势匝线圈的电动势有效值的表达式有效值的表达式2、短距线圈的电动势、短距线圈的电动势瞬时值的表达式瞬时值的表达式2sin2cos11tNecy111144. 4ycykNfE43二、二、q个线圈组的感应电动势个线圈组的感应电动势) 1(01111