电机学课件 第五章 异步电机1

第五章异步电机异步电机主要作电动机使用。主要优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用，有较高的效率和相当好的工作特性。缺点：目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速，以及必须从电网吸收滞后的无功功率。分类：一、基本类型5.1异步电机的基本类型和基本结构二、基本结构1.定子定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。定子铁心的槽形主要有三种：半闭口槽适用于小型异步电机，其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适用于低压中型异步电机，其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电机，其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。机座：固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。三相对称的单层或双层绕组。2、转子鼠笼式转子转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼型绕组和绕线型绕组。笼型绕组：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。这种笼型绕组一般为铝浇铸的，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。绕线型绕组：与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速。转轴：支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。3、气隙定、转子之间的间隙，也是电机主磁路的组成部分。气隙大小对异步电机的性能影响很大。为了减小电机主磁路的磁阻，降低电机的励磁电流，提高电机的功率因数，气隙应尽可能小。异步电机气隙长度应为定、转子在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值。中、小型异步电机中，气隙长度一般为0.2～1.5mm。5.2异步电机的基本工作原理一、异步电机的基本工作原理异步电机定子三相对称绕组接在三相对称交流电网上，转子绕组对称短路。定子绕组中流过三相对称电流，在气隙中产生基波旋转磁场。定子磁动势的同步转速为pfn601定子磁场在转子绕组感应的电动势和电流的方向如图所示。由左手定律可判定转子所受电磁转矩与定子磁场的旋转方向相同。在此电磁转矩作用转子与定子磁场同方向旋转。三、转差率与异步电机运行状态之间的关系二、转差率：转子转速与同步转速之差与同步转速的比值11nnns01snn，2、时，电机为发电机运行状态；10sn，时，电机为电磁制动状态。3、1、,10nn01s时，电机为电动机运行状态；5.3异步电动机的额定值一、额定功率NP（W，kW）二、额定电压NU（V）三相电机为定子绕组上的额定线电压三、额定电流NI（A）三相电机为定子绕组上的额定线电流四、额定频率f我国电网频率为50HzNnNNNNNIUPcos3五、额定转速额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为：（r/min）5.4转子静止时的异步电机一、转子开路时1、电磁物理过程mFIU.00.1.10.RI1.1.E1.E2.E2、感应电动势1.1111..2212..1111.44.444.444.4NmNmNkNfjEkNfjEkNfjE6011pnf10.1.10.1.1.1.ZIERIEEU111jXRZ定子绕组的漏阻抗。与变压器类似，感应电动势可以用阻抗压降来代替：10.1.0.0.1.)(XIjEZIjXRIEmmmmmmjXRZ为异步电机的激磁阻抗mR为模拟铁芯铁耗的激磁电阻mX为激磁电抗1X为定子绕组的漏抗3、电动势比221121NNekNkNEEkpfn1160由于转子静止不动，定子磁动势切割转子的转速与切割定子的转速相同，因此转子电动势以及电流的频率也为1f转子磁动势的转速为：pfn1160转向与定子相同，因此定、转子磁动势相对静止二、转子短路时1、定、转子磁动势相对静止如异步电机的极对数为p，电源频率为，定子磁动势的转速为：1f2、转子磁动势与定、转子绕组轴线间的夹角无关12设转子a相绕组中的电动势和电流分别为：tIitUumamacos)cos(22为转子相绕组的功率因数角则：)cos()0(2122tFf2）012设转子a相轴线顺旋转磁动势的方向转过角度12，如图所示0121）'为转子的空间坐标，为定子的空间坐标，两者的关系为：12'两者时间坐标之间的关系为：12'tta相绕组中的电动势和电流分别为：转子绕组转过12角度后，'cos)'cos(2tIitUumama在新的坐标系中转子磁动势为：)''cos()0('2122tFf代入定、转子坐标系之间的关系可得：)0()cos()]()cos[()''cos()0('1222121222122ftFtFtFf　　　　　　　　　　　　　　　即转子磁动势与定、转子绕组之间的相对位置无关3、转子不动时电磁物理过程系列1.I系列2.I1F2FmFm.1.E2.E1.1.E11jXR1.U2.2.E22jXR4、电动势平衡方程式22.222.2.11.1.11.1.1.1.)(ZIjXRIEZIERIEEU转子不动时的定、转子电路图.1U.1I1R1X.2I.1E.2E1f1f111NkNm222NkNm0n2R2X5、磁动势平衡方程式mFFF21mNkNfjEZIERIEEU.1111.11.1.11.1.1.1.44.4＝　　由定子的电动势平衡方程式可知：当电源电压不变时，气隙中的主磁通也基本不变，因此定、转子的合成磁动势也基本不变，与转子绕组开路时定子绕组的磁动势基本相等。0F各磁动势分别为：111119.02IpkNmFN222229.02IpkNmFN011109.02IpkNmFN由磁动势平衡方程式可得：LFFFFF1020121FFL0F为定子磁动势中的磁励分量LF1为定子磁动势中的负载分量LNIpkNm1.1119.022.2229.02IpkNmNiLkII2.1.222111NNikNmkNmk为异步电机的电流比用电流形式表示的磁动势方程式为LiIIkIII1.0.2.0.1.)(6、转子绕组的折算1）折算的定义将转子绕组用一个与定子绕组具有相同相数、相同的匝数和相同的绕组系数的等效绕组来代替。2）折算原则折算前后磁动势不变，功率、损耗不变。3）方法a）电流的折算折算前后磁动势不变iNNkIIIpkNmIpkNm2..22.2222.111'9.02'9.02经过绕组折算后的磁动势平衡方程式为：0.2.1.'IIIb)电动势的折算mNmNkNfEkNfE1112221244.4'44.4eNNkkNkNEE221122'212'EkEEec)阻抗的折算折算前后功率、损耗不变22222212111222'21222'2'22'212222)()(RkkRkNmmkNmmRImImRRImRImieNN　　同理，漏抗的折算为：22222212111222'21222'2)()(XkkXkNmmkNmmXImImXieNN　　总结：22'EkEeikII2..2''2R2Rkkie'2X2Xkkie7、折算后的基本方程式11.1.11.1.1.1.ZIERIEEUmmmZIjXRIEEEIIIjXRIE0.0.1..'21..'21.0.'2'2.'2.'2)()(绕组折算后的定、转子电路图.1U.1I1R1X.2I.1E.'2E1f1f111NkNm0n'2X'2R111NkNm根据基本方程式可得转子静止时的等效电路为如下：8、转子静止时的T型等效电路5.5转子旋转时的异步电机及其等效电路一、转子绕组的电动势和电流转子以转速n旋转时旋转磁场相对于转子的转速为：nn1，转子绕组中的感应电动势和电流的频率为：1111126060)(sfpnnnnnnpf转子旋转时的感应电动势和漏抗分别为：2222244.4sEkNfEMNs22222sXLfXs二、定、转子磁动势仍然相对静止定子电流的频率为，定子磁动势的转速为1fpfn1160转子的转速为n，转子电流的频率为，则转子磁动势的相对于转子的转速为：2f12260snpfn转子相对于定子的转速为1)1(nsn则转子磁动势相对于定子的转速为：1112)1(nnssnnn因此，当转子旋转时，定、转子磁动势仍然相对静止。三、转子旋转时电磁物理过程系列1.I系列2.I1F2FmFm.1.EsE2.1.1.E11jXR1.U2.sE2.sjXR22四、频率折算用静止的转子代替旋转的转子使定、转子电路的频率相等。222.222.2.jsXREjXREIssss折算原则：折算前后磁动势的大小和相位不变。如果要保持磁动势的大小和相位不变，必须保证折算前后电流的大小和相位不变。折算前转子电流为：等式右边分子、分母同除以s可得222.2.jXsREI22222222222222222222222222222cos)(cos)()(XsRsRXRRIXsREsXRsEXREIsssss　　折算前后转子电流的大小和相位因此转子电流的大小和相位均未改变，磁动势不变。转子回路的电阻由变为2R2221RssRsR21Rss的物理意义：模拟总的机械功率的模拟电阻。五、等效电路转子转动后定、转子的电路图以及经过频率折算以后的定、转子的电路图为：.1U.1I1R1X.2I.1E1f2f111NkNm222NkNm.2sE2RsX20n转子堵转时的定、转子电路图经过频率折算后的的定、转子电路图.1U.1I1R1X.2I.1E1f1f111NkNm222NkNm.2sE2RsX221Rss0nc)经过绕组折算后定、转子电路.1U.1I1R1X.2I.1E.2E1f1f111NkNm0n'2X'2R111NkNm'21Rss经过频率折算、绕组折算后，异步电机的基本方程式为：)()()(0.'21.0..'21.'2'2.'2.'211.11.1mmjXRIEEIIIjXsRIEjXRIEU由此可得异步电机的T型等效电路：'2R'2X　1R1XmRmX'21Rss1.U.'21.EE1.I.'2I0.I六、相量图.1U.1I1.1RI1.1XjI'2.'2XjIsRI'2.'2.'2I.'2I1..'2EE1.E.0Im.12已知、和，作出异步电动机的相量图。.1U.1I1cos)()()(0.'21.0..'21..'2'2.'2.'2111.1.1mmjXRIEEIIIjXsRIEjXRIEU由此可得异步电机的T型等效电路：'2R'2X　1R1XmRmX'21Rss1.U.'21.EE1.I.'2I0.I5.6异步电机等效电路的简化由T型等效电路可得：'2'2'2'2'21jXsRRssZZs定子电流为)()('21.1..'20.1.smZEZEIII定子电压)()1('21.1.'2111.11.1.1.ssmZZEZZZZEZIEU