第七章 异步电动机原理 -.ppt

1、第七章 异步电动机原理,一、异步电动机的主要结构,异步电动机在结构上也是由定子、转子、气隙组成。,7.1 异步电动机结构、额定数据与工作原理,1、异步电动机的定子： 异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。,P209,定子绕组： 高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，如图(a)所示。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形或形，如图(a)(b)所示。,2、气隙： 异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.21.5mm左右。,1）笼型转子：笼型绕组是一个自己短路

2、的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个松鼠笼子，如图所示，因此又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也有用铝的。,3、异步电动机的转子： 异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的。,转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。 转子绕组：分为笼型和绕线型两类。,如果用的是铜料，就需要把事先做好的裸铜条插入转子铁心上的槽里，再用铜端环套在伸出两端的铜条上，最后焊在一起，如图(a)所示。如果用的是铸铝，就连同端环、风扇一次

3、铸成，如图(b)所示 。笼型转子结构简单、制造方便、是一种经济、耐用的电机，所以应用极广。,2）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如图所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。,与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小，起动转距大，或需平滑调速的场合使用。,二、异步电动机的主要用途 异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。 优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高等。 缺点:功率因

4、数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，功率因数总是小于。,异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。所以，异步电机又叫感应电机。,（1）按定子相数分有 单相异步电动机； 两相异步电动机； 三相异步电动机。 （2）按转子结构分有 绕线式异步电动机； 鼠笼式异步电动机。 后者又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机和深槽式 异步电动机。,三、异步电动机的种类很多，有不同的分类法：,此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩异步

5、电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。,四、 异步电动机的铭牌数据 P212213,（1）额定功率 PN 指电动机在额定运行时轴上输出的 机械功率，单位是kw。 （2）额定电压 UN 指额定运行状态下加在定子绕组 上的线电压，单位为V。 （3）额定电流IN 指电动机在定子绕组上加额定电压、 轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单 位为A。 （4）额定频率f 指我国规定工业用电的频率是50Hz。 （5）额定转速n 指电动机定子加额定频率的额定电 压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为 r/min 。 （6）额定功率因数 指电动机带额定负载时，定 子边的功率因数。,如何根据电机的铭牌

6、进行定子的接线？,（3）对有些高压电动机，往往定子绕组有三根引出线，只在电源电压符合电动机铭牌电压值，便可使用。,（2）当电动机铭牌上标明“电压380V，接法时” 时，则只有这一种接法。但是在电动机起动过程中，可以接成Y接，接在380V电源上，起动完毕，恢复接法。,（1）当电动机铭牌上标明“电压380/220V，接法“Y/” 时，这种情况下，究竟是接成Y或，要看电源电压（线电压）的大小。如果电源电压为380V，则接成Y接；电源电压为220V时，则接成接。,五、异步电动机的工作原理,三相异步电动机定子接三相电源后，电机内便形成圆形旋转磁通势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针转。若转子不转，转子鼠笼

7、导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力f，用左手定则确定受力方向。,在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的转速（同步转速）。转差率是一个表征异步电动机运行状态的一个基本参数。异步电动机的转速随负载的变化而变化。,转子受力，产生转矩T，为电磁转矩，方向与旋转磁通势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转后，转速为n。,只要nn1（n1为旋转磁通势同步转速），转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力

8、，电磁转矩T仍旧为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行在T=TL情况下。,异步电动机转差率：,7.2 三相异步电动机的电磁关系,电磁过程 基本方程,转子静止时的异步电动机 转子转动的异步电动机,一、YD运行时的电磁过程,(一)转子静止时的YD(n=0) 以绕线式YD为例,4）瞬间位置,3）转速：角频率 旋转。,由定子电流产生的旋转磁场的磁通势的特点：,1）幅值：,2）转向：逆时针转向。A1B1C1,a.转子开路时的工作情况,定子回路电压方程式：,电压变比,转子回路电压方程式：,转子绕组开路时的等效电路：,b.转子堵转时的电磁关系,1.物理过程:,4）瞬间位置,3）转速：角频率 旋转。,由赌转转子

9、电流产生的旋转磁场的磁通势的特点：,1）幅值：,2）转向：逆时针转向。A2B2C2,2. 磁势平衡,3. 基本方程式,4.等效电路,(二) 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系,转差率：当转子以转速 开始旋转时，此时显然，气隙磁场不再以同步转速 切割转子绕组，同步转速和转子转速之间有一个同方向的相对运动，即此时的气隙磁场是以 在切割转子绕组：,转子旋转磁通势,相对于定子的转速为:,结论:不论转子转与不转,定转子磁势在空间总是静止的,仍可合成.,7.3 异步电机的等值电路,从前面分析可知,YD与B极其相似。,YD也可采用等值电路来简化分析计算.,折算步骤: 用转子不动的等效电机取代转子旋转的电机（

10、频率折算），将转子边各量折算到定子边（B折算）。,一、 转子绕组频率的折算: 只要保持转子旋转磁通势的大小不变,从定子边看即认为转子没有变化.根据这个概念,对下式进行变换:,同时，在频率变换的过程中，除了电流有效值保持不变外，转子电路的功率因数角 也没有发生任何变化。即 在上式的推导过程中，并没做任何的假设，结果证明了两个电流 和 的有效值以及初相角完全相等,但此时的频率已从 变成 。,由此可见,频率折算是用一个静止的电阻为 的等效转子去代替电阻为R2的实际旋转的转子,等效转子将与实际转子具有相同的转子磁通势.,此时，转子电路虽然经过这种变换，但是从定子边看转子旋转磁通势并没有发现任何不同，两

11、个情况下产生的磁通势的幅值大小是完全一样的，这就是转子电路的频率折算，即：把转子旋转时实际频率为f2的电路，变成了转子不转，频率为f1的电路。,二、YD转子绕组的各量折算到定子边(B折算),三、等值电路 （“T”型等值电路）,基本方程:,这样就可以画出相应的等值电路(一相):,:转子轴上产生的机械功率的等值电阻,结论:一台旋转的YD可用一台转子不动,转子每相绕组串入一个等值电阻的YD等效取代.,异步电动机空载时，转子的转速接近同步转速，转差率 很小， 趋于 ， 电流可认为等于零,定子电流就是励磁电流,电动机的功率因数很低。 当电动机运行于额定负载时，转差率 约为 的20倍左右，等值电路里转子边

12、呈电阻性，功率因数COS 较高。这时定子边的功率因数COS 也比较高，可达0.80.85.,YD定子漏阻抗不大,从空载到额定负载运行时，由于定于电压不变，主磁通1基本上也是固定的数值。因此励磁电流也差不多是个常数。但是，当异步电动机刚起动时，转速n0（s=1），这时定子电压全部降落在定、转子的漏阻抗上，这样，定、转子漏阻抗上的电压降近似为定子电压一半左右。气隙主磁通1也将变为空载时的一半左右。,四、YD的相量图:,7.5 三相异步电动机的功率与转矩,功率平衡方程式（即能量传递关系）及效率 转矩平衡方程 YD电磁转矩的表达式,一、功率平衡方程式及效率,等值电路为一相的等值电路,每一电阻都对应一定

13、的损耗,当三相异步电动机以转速n稳定运行时，从电源输入的功率为:,定子铜损耗为:,定子铁损耗为:,电磁功率也可表示为 ：,从等值电路看出，传输给转子回路的电磁功率等于转子回路全部电阻上的损耗。,转子绕组中的铜损耗为：,这样电磁功率减去转子铜耗，剩下的就是等效电阻上的损耗，而此损耗实际上是电机转轴上总的机械功率，用 表示。,电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，把这部分功率叫做机械损耗，用 表示。,还有一些附加损耗 ，这样，输出功率为：,功率关系：,另外：,二、转矩平衡方程：,式中1为同步角速度,三、电磁转矩的表达式：,1.物理表达式,是一常数，叫转矩系数。,T的

14、表达式 与直流电机类似，但与转子电流的有功分量成正比。,.参数表达式,机械特性的参数表达式,7.6 三相异步电动机的机械特性,三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速 （或转率 ）之间的函数关系。,一、机械特性,有了机械特性的表达式,就可以作出相应的特性曲线.根据条件 的不同,特性曲线又可以分为固有机械特性曲线和人为特性曲线:,1）在0S1，即0 nn1的范围内，特性在第象限，电磁转矩T和转速n都为正，从正方向规定判断，T与n同方向。电动机工作在这范围内是电动状态。这也是我们分析的重点.,2）在S 0范围内， n n1 ，特性在第象限，电磁转矩为负值，是

15、制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态，如图左上部所示,机械特性在 S0和s0两个范围内近似对称。,3）在s1范围内，nO，特性在第象限，T0，也是一种制动状态，,a. 机械特性的特点：,D点:n=0，转矩为Ts，是起动点。,b. 特殊点,A点:T=0,为理想空载运行点,C点:电磁转矩最大点,起动转矩倍数:起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数，用 表示， 电动机起动时，只有TS大于(1.11.2)倍的负载转矩才可顺利起动。,令 : 得到最大电磁转矩:,最大转矩对应的转差率称为临界转差率,一般情况下， 值不超过 的5%，可以忽略。,过载倍数:最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最 大转矩倍数

16、，又称过载能力，用表示为：,一般三相异步电动机=1.62.2,起重、冶金用的异步电动机=2.22.8。,不能让电动机长期工作在最大转矩处。,当 s1，机械特性上翘，拖动恒转矩负载不能稳定运行。拖动泵类负载时，满足 处 的条件，即可以稳定运行。,因此三相异步电动机稳定运行在0s1 范围内，长期稳定运行在0s 范围内。,但是由于这时候转速低，转差率大，转子电动势 比正常运行时大很多，造成转子电流、定子电流均很大，不能长期运行。,从三相异步电动机机械特性上看，当0s ，机械特性下斜，拖动恒转矩负载和泵类负载运行时均能稳定运行。,c. 稳定运行问题:,二、人为机械特性:,从机械特性表达式上看,通过改变

17、一些参数使得特性曲线更满足用户的需要,这样就得到了人为机械特性曲线.,获得人为机械特性的方法:,研究三个特殊点(A,C,D),D点:n=0，,A点:T=0,C点:,1) 降低定子端电压的人为机械特性:,只改变定子电压的大小，研究这种情况下的机械特性。由于异步电机的磁路在额定电压下已临界饱和，故不宜再升高电压。下面只讨论降低定子端电压时的人为机械特性。,重载时拖动恒转矩负载的情况：如果电压降低过多，拖动额定负载的电动机长期处于低电压下运行，有可能烧坏电机。,2) 转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性:,绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把 三相对称电阻串入转子回路而后三相再短路。,从图看出，转子回路稍串入一