三相异步电动机的基本工作原理和结构

1、第4章 三相异步电动机4.1 三相异步电动机的基本工作原理和结构4.2 交流电机的绕组4.3 交流电机绕组的感应电动势4.4 交流电机绕组的磁动势4.5 三相异步电动机的空载运行4.6 三相异步电动机的负载运行4.7三相异步电动机的等效电路和相量图.4.8三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡 三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。第4章 三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.1三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

2、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）笼型转子：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）绕线转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。三、气隙：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。第4章 三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.2三相异步电动机的基本工作原理一、基本工作原理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

3、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。U2U1W2V1W1V21nn第4章 三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.2三相异步电动机的基本工作原理二、转差率:)(111snnnnn为转差率的比值称和同步转速之差转子转速同步电机的转速11nnns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.转子未转动时，; 1,0sn电机理想空载时，.0,1snn作为电动机，转速在10n范围内变化，转差率在01范围内变。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映电机的转速大小或负载大

4、小。电机的转速为：1)1 (nsn正常运行时，转差率一般在0.010.06之间，即电机转速接近同步速。第4章 三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.2三相异步电动机的基本工作原理三、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机械能转变为电能电能和机械能变成内能电能转变为机械能能量关系制动制动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速旋转外力使电机沿磁场反方向旋转定子绕组接对称电源实现发电机电磁制动电动机状态10nn0n1nn 10 s1s0s第4章 三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.3 型号和额定值一、型号例:第4章 三相

5、异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.3 型号和额定值额定值关系有：NNNNNIUPcos3)(VkVUN或额定电压额定运行状态时加在定子绕组上的线电压.)(kWPN额定功率额定条件下转轴上输出的机械功率。)(AIN额定电流在额定运行状态下流入定子绕组的线电流.min)/(rnN额定转速额定运行时电动机的转速.NNf额定效率额定频率额定功率因数Ncos二、额定值第4章 三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.1 交流绕组的基本知识一、基本要求和分类从设计制造和运行性能方面对交流绕组的要求:1）三相绕组对称；2）力求获得最大的电动势和磁动势；3）绕组的电动势和磁动势的波形力

6、求接近正弦；4）节省用铜量；5）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；6）工艺简单、便于制造、安装和检修。第4章 三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.1 交流绕组的基本知识二、交流绕组的基本概念1、极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的槽数为Z，磁极对数为p，则极距：pZ22、线圈节距y一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。.的绕组为整距绕组y.的绕组为整距绕组y3、电角度机械角度电角度 p第4章 三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.1 交流绕组的基本知识二、交流绕组的基本概念4、槽距角 相邻两个槽之间的电角度。Zp03606、相带 每个极面下的导体

7、平均分给各相，则每一相绕组在每个极面下所占的范围，用电角度表示称为相带。 每一个极面下每相所占的槽数为5、每极每相槽数qpmZq2第4章 三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.2 三相单层绕组 单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。一、单层链式绕组 单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。 链式绕组的每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于q=2的4、6、8极小型三相异步电动机。第4章 三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.2 三相单层绕组二、单层交叉式绕组 单层交

8、叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互相交叉。 交叉式绕组由两大一小线圈交叉布置。线圈端部连线较短，有利于节省材料，并且省铜。广泛用于q1的且为奇数的小型三相异步电动机。第4章 三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.2 三相单层绕组三、单层同心式绕组 同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。 同心式绕组端部连线较长，适用于q=4、6、8等偶数的2极小型三相异步电动机。第4章 三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.2 三相单层绕组综上分析：1）单层绕组为整距绕组；电动势波形不够理想。2）单层绕组不适

9、宜于大、中型电机；3）单层绕组不存在线圈层间绝缘问题，不会在槽内发生层间或相间绝缘击穿故障；4）单层绕组线圈数等于槽数的一半，绕线和嵌线所费工时少、工艺简单，广泛应用于10kW以下的异步电动机。第4章 三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.3 三相双层绕组 双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为y 的另一槽的下层。双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）。第4章 三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.3 三相双层绕组 双层绕组的特点：1）线圈数等于槽数；2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数；3）每相

10、绕组的电动势等于每条支路的电动势。4）双层绕组的节距可以改变，可以选择合适的节距来改善电动势或磁动势的波形，技术性能优于单层绕组。一般稍大容量的电机均采用双层绕组。第4章 三相异步电动机4.3交流电机绕组的感应电动势4.3.1 线圈的感应电动势及短距系数一、一根导体的电动势电动势频率:60pnf 电动势大小:1122. 2fEc二、整距绕组的电动势每个整距线匝的电动势:1144. 4fEt每个整距线圈的电动势:1)( 144. 4cyyfNE三、短距线圈的电动势每个短距线匝的电动势:11)( 144. 4ycyykfNE基波短距系数:)90sin(0)( 1)( 11yEEkyyyyy第4章

11、三相异步电动机4.3交流电机绕组的感应电动势4.3.2 线圈组的感应电动势及分布系数一组线圈由q个线圈组成,若q个线圈为集中绕组时,各线圈电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为:11) 1( 144. 4ycqqkfqNE若q个线圈为分布绕组,放在q个槽内,各线圈电动势大小相同,相位相差电角度,电动势为:11111) 1( 144. 444. 4wcqycqqkfqNkkfqNE2sin2sin) 1( 1) 1( 11qqEEkqqqqq基波分布系数基波绕组系数：111qywkkk第4章 三相异步电动机4.3交流电机绕组的感应电动势4.3.3 一相绕组的基波感应电动势一绕组有2a条支路，一

12、条支路由若干个线圈组路串联组成。一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势11144. 4wpfNkE一、一相绕组的基波电动势对单层绕组：apqNNc2对双层绕组：apqNNc22第4章 三相异步电动机4.3交流电机绕组的感应电动势4.3.3 一相绕组的基波感应电动势二、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响001pyE,k ,y时采用qypqykfNk、Eqq、kyk44. 42sin2sin)90sin(0.ky或尽可能小让0对V次谐波：1.采用短距绕组例如改善电动势波形的方法:2.采用分布绕组.kq尽可能小让第4章 三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1 单相绕组的磁动势一、整

13、距集中绕组的磁动势一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如图,由全电流定律得:iNiHdlc忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙上.每个气隙的磁动势为:tFtINiNfcmccccsinsin2121空间分布为矩形波如图,随时间按正弦规律变化.变化频率为电流频率。空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁动势脉动磁动势。第4章 三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1 单相绕组的磁动势一、整距集中绕组的磁动势矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:.cossin.3cossincossin),(31xtFxtFxtFtxfccc

14、c基波磁动势为:cccccININF9 . 02241xtFtxfcccossin),(11基波磁动势最大值为:整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化仍然为脉动磁动势脉动磁动势。第4章 三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1 单相绕组的磁动势二、单相脉动磁动势1、整距分布绕组的磁动势cqycyqpIkkqNkFF11111)2(9 . 02每个绕组由q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和：111qcqkqFF 2、一组双层短距分布绕组的基波磁动势双层短距分布绕组的基波磁动

15、势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：第4章 三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1 单相绕组的磁动势二、单相脉动磁动势3、相绕组的磁动势 每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p对磁极，就有p条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若每相电流为Ip:xtIpNkxtFtxfpwppcossin9 . 0cossin),(111 单相绕组的磁动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小随时间按正弦规律变化的脉动磁动势脉动磁动势。第4章 三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1 单相绕组的磁动

16、势三、单相脉动磁动势的分解即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。),(),()sin(21)sin(21cossin),(111111txftxfxtFxtFxtFtxfpppppp先分析)sin(21),(11xtFtxfpp取幅值点分析2xt;22,0 xt时; 0,2xt时;22,xt时x),(1txfp22第4章 三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1 单相绕组的磁动势三、单相脉动磁动势的分解综上分析:。txfxtxfpp磁动势称为正向旋转故轴正方向移动朝随着时间推移),(,),() 1 (11。txfp势幅值的一半的幅值为单相基波磁动),()2(1min)/

17、(60)/(22)/(2)3(1rpfsrpfpfnsmfdtdxv旋转速度线速度为。xtxftxfpp的负方向只是旋转方向是性质基本一致的性质与,),(),(11第4章 三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1 单相绕组的磁动势三、单相脉动磁动势的分解可见:(1)单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相等、转速相同而转身相反的两个旋转磁场。(2)反之,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势.。,、FF(3)p1p1形旋转磁动势故称这两个磁动势为圆其大小不变中由于在旋转过程反向旋转的磁动势时正和用空间矢量第4章 三相异步电动机4.4.2 三相绕组基波合成磁动势旋转磁动

18、势三相的合成磁动势：4.4交流电机绕组的磁动势取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为x的参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：)34sin(21)sin(21)32cos()32sin()34sin(21)sin(21)32cos()32sin()sin(21)sin(21cossin111111111111xtFxtFxtFfxtFxtFxtFfxtFxtFxtFfpppWpppVpppU)sin()sin(23),(111xtFxtFtxfp可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势圆形旋转磁动势。 交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相的

19、合成磁动势。第4章 三相异步电动机4.4.2 三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势4.4交流电机绕组的磁动势为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：U2U1W2V1W1V21n第4章 三相异步电动机4.4.2 三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势4.4交流电机绕组的磁动势 总述，三相对称绕组通入三相对称电流产生圆形旋转磁动势，其性质为：1）幅值为单相磁动势幅值的1.5倍。2）转速为同步速：pfn6013）转向：由电流相序决定，或者说由载有超前电流相转向载有滞后相。4）当某相电流达最大值时，旋转磁

20、动势幅值恰好在该相绕组的轴线位置上。 产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。第4章 三相异步电动机4.5.1 空载运行时的电磁关系4.5三相异步电动机的空载运行一、主、漏磁通的分布 为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的磁通分为主磁通和漏磁通。 主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心气隙转子铁心气隙定子铁心。主磁通起传递能量的作用。 除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。第4章 三相异步电动机4.5.1 空载运行时的电磁关系4.5三相异

21、步电动机的空载运行二、空载电流和空载磁动势 异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。.,:,0000arIII损耗的有功分量另一个是用来供给铁心的无功分量主磁通一是用来产生由两部分组成异步电动机空载电流与变压器一样:,00基波幅值为载磁动势产生的旋转磁动势为空三相空载电流FI011109 . 02IpkNmFw.000arIII:即. 000,22F，I，E，、于是乎为零转子之间相对速度几定接近同步速转子转速很高空载运行时.,00000rarIIIII即基本为一无功性质电流所以由于第4章 三相异步电动机4.5.1 空载运行时的电磁关系4.5三相异步电动机的空载运行三、电磁关系10RI)(1

22、三相系统U)(0三相系统I)(0三相合成F1E011E02E4.5.2 空载运行时的电压平衡方程一、感应电动势与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势分别为：0111144. 4wkNfjE101XI jE可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。第4章 三相异步电动机4.5.2 空载运行时的电压平衡方程4.5三相异步电动机的空载运行二、电压平衡方程与等效电路与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：0111010110111IZEXI jRIERIEEU同样也有：mmmZIjXRIE001)(根据上两式，可以作出空载时等效电路。第4章 三相异步电动机

23、4.5.2 空载运行时的电压平衡方程4.5三相异步电动机的空载运行二、电压平衡方程与等效电路 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.; 0, 0, 0, 0)22222IEIE变压器异步电动机空载时%.10%2%,30%20%,)30为而变压器的仅为异步电动机由于存在气隙I5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1.第4章 三相异步电动机4.6.1 负载运行时的电磁关系4.6三相异步电动机的负载运行11IR

24、11E22IR22E)(1三相系统U)(1三相系统I)(2多相系统I1F2F0F01EsE2第4章 三相异步电动机4.6.2 转子绕组各电磁量4.6三相异步电动机的负载运行一、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:111111260)(sfpnnnnnnnpf转子不转时,., 1, 012ffsn理想空载时,. 0, 0,21fsnn二、转子绕组的感应电动势转子旋转时的感应电动势:0222244. 4wskNfE转子不转时的感应电动势:0221244. 4wkNfE二者关系为:22sEEs第4章 三相异步电动机4.6.2 转子绕组各电磁量4.6三

25、相异步电动机的负载运行三、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:2222LfXs二者关系:.22sXXs转子绕组的漏阻抗:.22222jsXRjXRZss四、转子绕组的电流转子绕组为闭合绕组,则转子电流为:222222222jsXREsjXREZEIssss转子不转时转子漏电抗:2222LfX当转速降低时,转差率增大,转子电流也增大.第4章 三相异步电动机4.6.2 转子绕组各电磁量4.6三相异步电动机的负载运行五、转子绕组的功率因数22222222222)(cossXRRXRR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绕组流过三相或

26、多相对称电流时产生圆形旋转磁动势.222229 .02IpkNmFw1)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.112)(nnnnnn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。第4章 三相异步电动机4.6.3 磁动势平衡方程4.6三相异步电动机的负载运行021FFF磁动势的平衡方程为：可以改写为：LFFFFF10201)(.,;,:2100主磁通的影响用来抵消转子磁动势对即它用平衡转子磁动势另一个是负载分量产生气隙磁通它用来一个是励磁磁动势个分量定子旋转磁

27、动势包括两表明FFFL写成磁动势幅值公式：0111222211119 . 029 . 029 . 02IpkNmIpkNmIpkNmwww:222111有两边除以电流变比wwikNmkNmk 021IkIIi第4章 三相异步电动机4.6.4 电动势平衡方程4.6三相异步电动机的负载运行电动势的平衡方程为：根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：111111111ZIEXI jRIEUssssZIEXI jRIE222222220:21ekEE之比称为电动势比与转子不转时电动势其中221121wwekNkNEEk第4章 三相异步电动机4.7.1 折算4.7三相异步电动机的等效电路和相

28、量图 频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。一、频率折算 在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。转子回路电流22222222222221RssjXREjsXREsjXREZEIssss.,1,22不变同时保持转子磁动势为定子频率就可以将转子频率折算电阻在转子回路中串联一个用一个不转的转子并且可见FRss第4章 三相异步电动机4.7.1 折算4.7三相异步电动机的等效电路和相量图一、频率折算。Rss，。阻总的机械功率的等效电即附加电阻是模拟总的机械功率和机械损耗与机械功率之

29、该电阻消耗的功率等效变原则根据能量守恒和功率不电阻附加但电路中多了一个电阻率输出没有机械损耗和机械功子静止转频率折算后出机械损耗和机械功率输实际的旋转转子轴上有,1,2:, 1,2路的端电压上的压降看成是转子回其电阻负载看成是异步电动机的可以把从等效电路角度Rss22222)(IjXREUs第4章 三相异步电动机4.7.1 折算4.7三相异步电动机的等效电路和相量图二、绕组折算。k、Nmk、Nmww同本相折算的方法与变压器基组的实际转子绕及取代等效转子及绕组相同的定子绕组折算就是用一个和222111122EEkEeikII222222XkkXRkkReiei4.7.2 等效电路一、绕组后的基本

30、方程111111XI jRIEU222222XI jRIEU021III12EE01)(IjXREmm2221RssIU第4章 三相异步电动机4.7.2 等效电路4.7三相异步电动机的等效电路和相量图二、T型等效电路和简化等效电路由基本方程可以作出等效电路:T型等效电路简化等效电路第4章 三相异步电动机从等效电路分析可知:;, 0,1, 0,)2220电机相当于开路总机械功率近似为零理想空载时IRsssnn;, 01, 1, 0,) 12短路状态电机处于总机械功率为零电机不转时Rsssn4.7.2 等效电路4.7三相异步电动机的等效电路和相量图二、T型等效电路和简化等效电路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来体现的第4章 三相异步电动机4.7.3 相量图4.7三相异步电动机的等效电路和相量图 按照基本方程和等效电路可以作出异步电动机的相量图。，、。UI后的因数总是滞所以异步电动机的功率率定的感性无功功电机需要从电源吸收一转子的漏磁通气隙