电机及拖动第四版第4章异步电机课件

1、高等教育出版社高等教育电子音像出版社电机及拖动（第4版）电子教案主要用作电动机。异步电机是一种交流电机，转速与f有关，还与负载的大小有关。 结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低廉，效率较高。（1）功率因数较差。运行时从电网吸取感性无功电流来建立磁场，降低了电网功率因数，增加线路损耗，限制电网的功率传送。（2）起动和调速性能相对较差。 交流电机：（1）同步电机；（2）异步电机(CH4. Three-phase asynchronous motor)概述：缺点：优点：异步电动机的应用情况1.在电力系统（发电厂）中的应用（1）电机在火力发电厂中的应用照片1000MW锅炉给水泵前置泵电机.

2、jpg（2）电机在火力发电厂中的应用照片1000MW锅炉磨煤机.jpg（3）电机在火力发电厂中的应用照片1000MW锅炉送风机.jpg（4）电机在火力发电厂中的应用照片1000MW锅炉引风机.jpg（5）电机在火力发电厂中的应用照片1000MW汽轮机闭式冷却水泵电机.jpg（6）电机在火力发电厂中的应用照片1000MW汽轮机循环水泵.jpg（7）电机在火力发电厂中的应用照片1000MW汽轮机凝结水泵电机.jpg（8）电机在火力发电厂中的应用照片800MW发电机氢冷泵电机.jpg（9）800MW发电机氢冷泵.mpg2.在工业生产中的应用 机床厂、轧钢厂、纺织厂、造纸厂、化工厂、油田、矿山、汽车制

3、造、航空航天以及军工企业等。机床轧钢机纺织机造纸机化工厂矿山机械抽油机3.在农业生产中的应用 水泵、脱粒机、粉碎机、磨米磨面加工等。水泵脱粒机粉碎机面粉机5.在医疗器械中的应用 电风扇、电冰箱、洗衣机、空调器、电吹风、吸尘器、抽油烟机、洗碗机、电动缝纫机、食品加工机械等。4.在日常生活中的应用电风扇空调器电动缝纫机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 和工作特性 主要

4、教学内容4.9三相异步电动机的参数测定教学内容：4.1.1 三相异步电动机的基本结构4.1.2 三相异步电动机的基本工作原理4.1.3 异步电动机的铭牌和主要系列教学目的与要求：1 了解三相异步电动机的基本结构2 熟练掌握三相异步电动机的基本工作原理3 熟练掌握三相异步电机转差率的概念及异步电机的三种运行状态4 掌握三相异步电动机的额定值4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构 (Basic operating principle and structure of three-phase asynchronous motor)4.1.1三相异步电动机的基本结构一、定子部分 (stator)1.

5、定子铁心 定子部分包括：定子铁心、定子绕组、机座、端盖等。减少铁心损耗作用：作为电机磁路的一部分。组成：由0.5mm厚的高导磁性能的硅钢片叠成。2、定子绕组用于小型电机用于大、中型电机作用：作为电路，嵌放在定子铁心的内圆槽内。组成：由铜线绕制。分单层绕组和双层绕组两种。作用：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。3、机座组成：铸铁或钢板焊接而成。用于中、小型电机用于大型电机作用：支撑转子、保护电机。4、端盖组成：铸铁或钢板焊接而成。二、转子部分 (rotor)1.转子铁心2、转子绕组主要作用：产生感应电流，形成电磁转矩，以实现机电能量转换。 构 成：转子铁心、转子绕组、转轴等。作用：作

6、为电机磁路的一部分。组成：由0.5mm厚的高导磁性能的硅钢片叠成。转子铁心固 定在转轴或转子支架上。作用：作为电路，感应电动势、通过电流、产生电磁转矩 嵌放在转子铁心槽内。组成：根据结构型式不同，分为笼型转子和绕线转子两种。 有铜条和铸铝转子（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。大型电机用于中、小型电机 (a)铜条转子 (b)铸铝转子 笼型转子铁心和绕组结构示意图 笼型转子实物图（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。三相绕线型转子结构图 气隙的大小影响异步电动机的运行性能和参数，气隙越大，励磁电流就越大，导致电网的功率因数降低。参数也

7、发生变化。 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。三、气隙中小型电机，一般为0.11.5mm。绕线型异步电动机笼型异步电动机下面是一台笼型异步电动机主要部件的拆分图。异步电动机结构(1).avi4.1.2 三相异步电动机的基本工作原理一、三相旋转磁场的形成三相电流表达式：图1 三相对称交流电流波形用图解法分析旋转磁场的步骤是：1.绘出对称三相交流电流波形；2.选出几个瞬时，并将各瞬时电流实际方向表示在三相绕组中；3.根据右手螺旋定则，确定个瞬间合成磁动势的方向；4.观察各瞬时合成磁动势的方向，能形象地看到磁场在旋转。图4.1.7 三相对称交流电流波形图1 三相对称交流电

8、流波形 （a） （b） （c） （d）图2 用图解法分析旋转磁场旋转磁场分析： 三相对称绕组通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。 （b） ； （a） ； （c） ； （d） ；U2U1W2V1W1V2n（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）导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。如何改变转向？（1）电生磁：三相对称绕组通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。（选 瞬时来分析）二、基本工作原理1.转动原理2.转向3.异步电机和感应电机的含义转子电流是感应产生的，故又称感应电动机 。三、转差率 同步转速与转子转速之

9、差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即： 转子转向与旋转磁场方向一致，而旋转磁场方向又取决于三相电流相序，要改变相序，只要任意对调电动机的两根电源线即可。n ，n ，故称异步电动机 。起动：n=0，s=1同步速：n ， s 00n ， 0 s1 转差率是异步电机的一个基本物理量，它的大小反映电机的各种运行情况。 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小。电机的转速为： 额定运行时，转差率一般在0.010.06之间，即电机转速接近同步速。四、异步电机的三种运行状态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

10、能量关系制动转矩制动转矩驱动转矩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4.1.3 异步电动机铭牌和主要系列 一、铭牌 铭牌标注了电机的型号、额定值和额定运行时的有关技术数据。1.型号设计序号指产品设计顺序 表示电机类型，用大写汉语拼音字母表示包括：产品代号、设计序号、规格代号和特殊环境代号等 用中心高、铁心外径、机座号、机座长度代号、功率、转速或极数表示例:额定值关系有：额定运行状态下，规定加在定子绕组上的线电压。额定运行状态下，转轴上输出的机械功率。额定运行状态下，流入定子绕组中的线电流。额定运行时电动机的转速。2、额定值

11、 接线是指三相异步电动机定子三相绕组的连接方式。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“”形。U1 V1 W1U1 V1 W1 W2 U 2 V2W2 U2 V2联结Y联结3、接线4、防护等级IP国际防护 IP后面第一位数字代表第一种防护形式（防尘）的等级，共分06七个等级。 IP后面第二位数字代表第二种防护形式（防水）的等级，共分08九个等级。数字越大，防护能力越强。例如：IP44标志电动机能防护1mm固体物入内，同时能防止溅水入内。二、主要系列Y系列：一般用途小型笼型三相异步电动机Y2、Y3系列：在Y系列基础上改进而成。YR系

12、列：三相绕线转子异步电动机YD系列：变极多速三相异步电动机YQ系列：高起动转矩异步电动机YZ和YZR系列：起重和冶金用三相异步电动机YB系列：防爆式笼型异步电动机YCT系列：电磁调速异步电动机【例题4.1.1】 试求（1）同步转速 ； （2）极对数p ； （3）额定电流 ； （4）额定负载时的转差率 ；教学重点：1 三相异步电动机的主要结构2 三相异步电动机的基本工作原理教学难点：三相异步电机的三种运行状态作业：P151：4.1； 4.5； P153：自测题五.1题 小结3 三相异步电动机的额定值教学内容：4.2.1 交流绕组的基本知识4.2.2 三相单层绕组4.2.3 三相双层绕组教学目的与

13、要求：1.掌握交流绕组的基本概念2.掌握交流绕组的构成原则及绕组的结构4.2 交流电机的绕组和感应电动势(Winding of Alternating-Current Machine)4.2.4 交流绕组的感应电动势3.熟练掌握交流绕组感应电动势的大小和频率4.2.0 概述 交流电机的绕组是实现机电能量转换的重要部件。 同步发电机： 定子绕组的作用是产生感应电动势和输出电功率。 异步电动机： 定子绕组的作用是通电后，建立旋转磁场，该旋转磁场切割转子导体，感应电流，产生电磁转矩，使电机旋转，输出机械能。4.2.1 交流绕组的基本知识一、基本要求和分类（1）三相绕组对称,以保证三相电动势和磁动势对

14、称；（2）在导体数一定的情况下，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求接近正弦波；（4）端部连线应尽可能短，以节省用铜量；（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。1.基本要求（1）根据绕法分叠绕组和波绕组；2.分类（2）按槽内导体层数分为单层绕组和双层绕组。二、交流绕组的几个基本概念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：2、线圈节距一个线圈的两个有效边之间所跨过的距离称为线圈的节距。3、电角度4、槽距角相邻两个槽之间的电角度： 每一个极面下每相所占的槽数为5、每极每相槽

15、数6、相带 每个极面下的导体平均分给各相，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，常见： 相带。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。单层绕组分为单层整距叠绕组、链式绕组、交叉式绕组和同心式绕组。一、单层整距叠绕组 例：Z=24，2p=4，m=3，绕成单层整距叠绕组。【解】：1.计算绕组数据 2.划分相带 3.组成线圈和线圈组 4.构成一相绕组19三相单层整距叠绕组展开图.swf弄清并联支路数的概念 a 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。 链式绕组的特点：二、单层链式绕组（1）“头接头

16、，尾接尾” 反串规律连接；（2）各相首端依次相 差120空间电角度；（3）节距小，y=5，端部连线短， 省材料。各线圈大小一样，制作方便；20三相单层链式绕组展开图.swf（4）一环套一环，形如长链，故称链式绕组；（5）主要用于q=2的4、6、8极小型三相异步电动机。三、单层交叉式绕组21三相单层交叉式绕组展开图（U相）.swf 单层交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。 例：Z=36，2p=4，m

17、=3，绕成单层整距叠绕组。四、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。 例：Z=24，2p=2，m=3，绕成单层同心式绕组。优点不适合于大中型电机元件少，结构简单，嵌线方便，槽内无层间绝缘广泛应用于10kW以下的异步电动机定子绕组单层绕组为整距绕组缺点电动势和磁动势波形较差铁损和噪声较大起动性能较差三相单层绕组的优缺点4.2.3 三相双层绕组 （1） 双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈 的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

18、层绕组分双层叠绕组和双层波绕组。一、概述1.特点 （2） 各线圈尺寸一样。（1） 各线圈尺寸相同，绕制方便。2.优点（2） 选定合理节距，消除谐波，改善电动势（磁动势）波形。3.分类二、三相双层叠绕组 例：Z=36，2p=4，m=3，y=8,试绕成双层短距叠绕组。【解】：1.计算绕组数据 2.划分相带 根据q=3，按60 相带次序U1、W2、V1、U2、W1、V2进行分相。3.组成线圈和线圈组 4.构成一相绕组 22三相双层短距叠绕组.swf 并联支路数的概念a 双层绕组的特点：1）线圈数等于槽数；2）线圈组数等于极数，也等于最大并联支路数；3）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。优点可以选

19、择最有利的节距，使电动势和磁动势波形更接近正弦波所有线圈的形状和尺寸相同，便于实现机械化端部排列整齐机械强度高可组成较多的并联支路缺点嵌线困难用铜量大4.2.4交流电机绕组的感应电动势( emf of Alternating-Current Machine Winding ) 分析方法：单根导体感应电动势单匝线圈感应电动势线圈感应电动势线圈组感应电动势相绕组感应电动势 一根导体的感应电动势频率和相绕组的感应电动势频率相同。P=1，转一周，电动势变化1周；P=2，转一周，电动势变化2周；P对极，转一周，电动势变化p周；每分钟转n圈，电动势每分钟变化pn个周期。每秒钟转 圈，电动势每秒钟变化 个周

20、期。电动势频率:一、感应电动势的频率1、一根导体电动势的大小每极基波磁通量 平均磁感应强度正弦分布的气隙磁通密度的幅值一根导体的感应电动势（有效值）电动势波形:随时间变化的波形取决于气隙磁密在空间的分布波形二、感应电动势的大小2、相绕组基波电动势的大小每相串联总匝数对单层绕组：对双层绕组：称为基波绕组因数。称为基波分布因数，绕组分布放置时线圈组电动势等于集中绕组线圈组电动势应打的一个折扣。称为基波短距因数，线圈短距时电动势比整距时打的一个折扣。 讨论：（1）f、N、kw1一定，相电动势大小与每相磁通 成正比；（2）线电动势转子相绕组的基波电动势：教学重点：1.交流绕组的基本概念；2.交流绕组的

21、构成原则和方式；教学难点：1.交流绕组的构成原则作业：P151：4.7 小结3.基波绕组感应电动势计算公式。2 短距因数、分布因数的物理意义；4.11 4.134.3 三相异步电动机的空载运行教学内容：4.3.1 空载运行时的电磁关系教学目的与要求：1、熟练掌握空载运行时的电磁关系；4.3.2 空载运行时的电压平衡方程式与等效电路2、掌握空载运行时的电压平衡方程式与等效电路(No-load operation of three-phase asynchronous motor) 4.3.1 空载运行时的电磁关系一、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

22、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。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。三、电磁关系4.3.2 空载运行时的电压平衡方程与等效电路一、主、漏磁通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可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。二、空载时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：同样也有： 根据上两式，可以作出空载时等效

23、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。5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组因数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组因数为1。教学重点：教学难点：作 业： 小结 1） 异步电动机空载时的电磁关系； 2） 空载运行时的电压平衡方程与等效电路； 3） 异步电动机与变压器的异同点。 空载等效电路及励磁阻抗的物理意义4.4 三相异步电动机的负载运行教学内容：4.4.1 负载运行时的电磁关系教学目的与要求：1.熟练掌握负载运行时的电磁关系；4.4.2

24、转子绕组各电磁量3.掌握异步电动机的电动势和磁动势平衡方程(Load operation of three-phase asynchronous motor) 4.4.3 磁动势平衡方程4.4.4 电动势平衡方程2.掌握转子绕组各电磁量；4.4.1 负载运行时的电磁关系4.4 三相异步电动机的负载运行4.4.2 转子绕组各电磁量一、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:转子不转时,理想空载时,二、转子绕组的感应电动势转子旋转时的感应电动势:转子不转时的感应电动势:二者关系为:三、转子绕组的漏阻抗电抗与频率成正比,转子旋转时转子漏电抗:二者关系:

25、转子绕组的漏阻抗:四、转子绕组的电流转子绕组为闭合绕组,转子电流为转子不转时转子漏电抗:当转速降低时,转差率增大,转子电流也增大.五、转子绕组的功率因数 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多相对称电流时产生圆形旋转磁动势.1)幅值2)转向转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致,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。4.6.3 磁动势平衡方程磁动势的平衡方程为：可以改写为：写成磁动势幅值公式：电流变比

26、4.4.4 电动势平衡方程根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：电动势变比教学重点：教学难点：作 业： P152：4.10; 4.14小结 1）异步电动机负载时的电磁关系； 2） 转子各物理量与转差率的关系。 转子各物理量与转差率的关系4.5 三相异步电动机的折算、等效电路和相量图教学内容：4.5.1 折算教学目的与要求：1.能熟练应用基本方程、等效电路和相量图来分析异步电动机的运行情况；4.5.2 等效电路(Equivalent Circuit and phase diagram of three-phase asynchronous motor) 4.5.3 相量图4.5.4

27、 笼型转子的极数、相数、匝数和绕组因数2.掌握频率折算的物理本质及附加电阻的物理意义4.5.1 折算 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，电机的电磁效应保持不变，因而必须满足两个条件：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 实际电机旋转时，转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻 。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功率等效机械损耗和机械功率之和称为总机械功率。 从等效电路角度，可以把 看成是异步电动机的“电阻负载”

28、，其上的压降可以看成是转子回路的端电压:二、绕组折算1、电流的折算转子磁动势不变，即转子对定子的影响不变。所以：电流变比折算前后传递到转子侧的视在功率不变。2、电动势的折算电动势变比3、阻抗的折算（1）电阻的折算：折算前后转子铜损耗不变。（2）电抗的折算：阻抗变比（3）阻抗的折算：结论：转子侧各电磁量折算到定子侧时：（1）电动势、电压乘以电动势变比（3）转子电阻、电抗及阻抗乘以阻抗变比（2）转子电流除以电流变比4.5.2 等效电路一、折算后的基本方程二、T型等效电路由基本方程可以作出等效电路:T型等效电路分析：三、简化等效电路简化等效电路励磁支路移到首端时产生误差较大，需修正，引入修正系数从等

29、效电路分析可知:（1）运行时的异步电动机与副边接有纯电阻负载的变压器相似。 当S=1时，相当于副边短路的变压器。 当S=0时，相当于副边开路时的变压器。（2）异步电动机可看作是一台广义的变压器，不仅可以变换电压、电流和相位，而且可以变换频率和相数，更重要的是可以进行机电能量转换。 等值电路中， 是模拟总机械功率的等值电阻不能用电感和电容来代替转子堵转时，此时无机械功率输出。转子旋转且轴上带有机械负载时，此时有机械功率输出。（3）机械负载变化在等效电路中是由S来体现的。当转轴上的机械负载增大时， 据磁动势平衡关系（4）异和变具有相同的等效电路形式，但参数相差较大。变 ： 1-5 10-50 0.

30、014-0.08异 ： 0.08-0.35 2-5 0.07-0.15（5）异步电动机的定子电流总是滞后于定子电压，即 总是滞后的，因异步电动机从电网吸取大量感性无功功率来激励主、漏磁场。4.5.3 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。 笼型转子绕组为对称的多相绕组，电机的相数是由电流的相位决定的。 同一相绕组中电流相位应一致。 当 能被P整除时，则一、极数二、相数4.5.4 笼型转子的极数、相数、匝数和绕组因数 转子电动势和电流是感应产生，所以，定子有几个磁极，转子导条中电动势和电流的方向就有几个区域。三、匝数 由于每相只有一根导体，相当于半匝，则 如果 不能被P整除，

31、则四、 转子绕组因数一根导体不存在短距和分布的问题。教学重点：教学难点：作 业： P152：4.15小结 异步电动机基本方程、等效电路和相量图 折算的概念及方法4.6 三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡和工作特性教学内容：4.6.1 功率平衡和转矩平衡4.6.2 三相异步电动机的工作特性教学目的与要求：1.熟练掌握功率平衡关系和转矩能平衡关系2.熟练掌握转子铜损耗、总的机械功率和电磁功率之间的关系3.了解三相异步电动机的工作特性(Power balance and torque balance and operation characteristics of three-phase asynchronous motor) 4.6.1 功率平衡和转矩平衡异步电动机的功率和损耗有：一、功率平衡输入功率定子铁损电磁功率总机械功率输出功率定子铜损转子铜损在等效电路上表示功率和损耗：功率流程图28异步电动机功率流程图.swf两个重要关系式 可见，从气隙传递到转子的电磁功率分