华中科技大学 电机学 第五章 异步电机 ppt

电机学ElectricMachinery（第5章异步电机）异步电机的基本工作原理异步电机的三种运行状态异步电机的基本结构异步电动机的额定值5.1概述电气工程与自动化学院3三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，例如：风机、泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械、农业生产中的脱粒机和粉碎机、农副产品中的加工机械等等。在民用生活中，电扇、洗衣机、电冰箱和空调器等一般由单相异步电动机来拖动。电气工程与自动化学院4优点：结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高并具有适用的工作特性。缺点：功率因数较差，电机在运行过程中必须从电网吸收感性无功功率，因此它的功率因数总小于1；目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速。异步电机优缺点电气工程与自动化学院5异步电机分类定子相数单相异步电动机两相异步电动机三相异步电动机绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机转子结构电气工程与自动化学院6一、异步电机的基本结构异步电机外形图异步电机结构图电气工程与自动化学院71.定子①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。电气工程与自动化学院8②定子槽形：半闭口槽适用于小型异步电机，其绕组是用圆导线绕成。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。电气工程与自动化学院9③定子绕组：构成电路部分，用来感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。通常采用双层短距绕组，小型电机可采用单层绕组；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，可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D联结Y联结电气工程与自动化学院10④机座：固定和支撑定子铁心。要求有足够的机械强度。电气工程与自动化学院112.转子①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。电气工程与自动化学院12②转子槽形槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。常见转子槽型电气工程与自动化学院13鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图笼型绕组：在转子铁心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。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。③转子绕组：构成电路部分，有笼型和绕线型两种绕组型式。斜槽形式电气工程与自动化学院14绕线型绕组：与定子绕组具有相同相数、极数的三相对称绕组，一般采用双层波绕组或叠绕组。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。电气工程与自动化学院15支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。④转轴电气工程与自动化学院16定义：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。3、气隙气隙大：磁阻大，励磁电流（空载电流）大，功率因数低；气隙磁场谐波含量（漏磁引起附加损耗）减少，改善起动性能。气隙小：受加工可能及机械安全所限制。电气工程与自动化学院17二、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。气隙旋转磁场在短路的转子绕组中感应电动势并产生电流。该感应电流与气隙中的旋转磁场相互作用产生电磁转矩，驱动转子旋转，实现异步电机的运行。两极异步电动机示意图1nn1nSN电气工程与自动化学院18三、异步电机的三种运行状态1、异步电机的转差率同步转速n1定子绕组中流过频率为f1的三相对称电流，在气隙中产生的基波旋转磁场相对于定子绕组的转速为同步转速，记为n1。同步转速大小取决于电流频率f1和绕组极对数p，转向为从超前电流相绕组转向滞后电流相绕组。转子转速n转子的机械转速为转子转速，记为n。pfn116011nnns转差率s：同步转速n1与转子转速n之差对同步转速n1之比值，记为s。电气工程与自动化学院19异步电机的转子可以是带负载机，也可以是由原动机驱动，在不同的转子外部条件下，异步电机将运行于不同的转速和不同的转差率，对应不同的运行状态。根据转差率的正负、大小，异步电机分别对应于电动机、发电机、电磁制动等三种不同运行状态。2、异步电机的三种运行状态①0nn11s0：电动机状态右手定则-e2产生-i2与e2同方向左手定则-Tem产生-Tem与n同转向，Tem为驱动转矩旋转磁场拖动转子：电动机电气工程与自动化学院20②nn1s0：发电机状态右手定则-e2产生-i2与e2同方向左手定则-Tem产生-Tem与n反转向，Tem为制动转矩转子拖动旋转磁场：发电机③n0s1：电磁制动状态右手定则-e2产生-i2与e2同方向左手定则-Tem产生-Tem与n反转向，Tem为制动转矩旋转磁场阻碍转子运动：电磁制动状态电气工程与自动化学院21状态电动机发电机电磁制动n与s关系nn10s1nn1s0n0，n与n1反向s1Tem的性质电磁驱动力矩电磁阻力矩电磁阻力矩能量转换电能→机械能机械能→电能电能+机械能→内部损耗（短路）异步电机只有在定子侧外加电源的情况下，转子侧电动势和电流由气隙旋转磁场感应产生，因此也称为“感应电机”；而此感应作用，只有在转子与气隙旋转磁场不同步，即“异步”（s不等于0），才可以产生，因此“感应电机”又称“异步电机”。总结电气工程与自动化学院22四、异步电动机的额定值电气工程与自动化学院23额定功率PN：是转轴上输出的机械功率，单位为W或kW。额定电压UN：施加在定子绕组上的线电压，单位为V。额定电流IN：电动机在额定电压、额定频率下，轴端输出额定功率时，定子绕组的线电流，单位为A。额定频率fN：我国电网频率fN=50Hz。额定转速nN：电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定功率时，转子的转速，单位为r/min。额定效率ηN。额定功率因数cosφN。三相异步电动机额定值之间的关系NNNNNcos3IUP电气工程与自动化学院242）如铭牌上标有“380V、D联结”时，表示电机正常运行时只能采用“D”联结，但是在电动机起动过程中可接380V电源，绕组采用“Y”联结，起动完毕，恢复“D”联结。2、对于中低压电动机1）如铭牌上标有“380/220V、Y/D联结”时，表示电源电压为380V时，电机绕组采用“Y”联结；电源电压为220V时，采用“D”联结。提示：1、对于高压电动机定子绕组只有三根出线，只要电源电压符合电动机铭牌电压值便可使用。定、转子基波磁动势空间相对静止5.2三相异步电动机运行原理转子静止时的异步电机转子旋转时的异步电机异步电机参数测定内部电磁关系电压平衡方程式磁动势平衡方程式绕组折算与等效电路电气工程与自动化学院26一、转子静止时的异步电动机转子静止时的异步电机：将异步电动机转轴卡住；转子绕组短路；定子绕组施加三相对称电压。假设：气隙中只有基波磁通，定、转子绕组上只感应有基波电势电气工程与自动化学院271．定、转子基波磁动势空间相对静止①定子侧：定子绕组施加三相对称电压定子三相对称绕组中，流过频率为f1的三相对称电流I1；定子绕组在气隙空间中产生圆形旋转基波磁动势F1，相对于定子绕组的转速为同步转速n1，n1＝60f1/p；圆形旋转基波磁动势F1转向为从超前电流相绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线（A-B-C）。电气工程与自动化学院28②转子侧：转子绕组短路，转轴固定圆形旋转磁场→切割转子绕组，产生频率为f2的三相对称感应电动势（f2＝pn1/60，f2=f1）；三相对称感应电动势在闭合的转子绕组中产生三相对称电流I2；转子绕组在气隙空间中产生圆形旋转基波磁动势F2，相对于转子绕组的转速为n2，n2＝60f2/p＝n1；圆形旋转基波磁动势F2转向为从超前电流相绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线（A-B-C），即与定子旋转磁动势F1同转向。F2与F1同转速、同转向（n2＝n1），故定、转子基波磁动势空间保持相对静止电气工程与自动化学院292．内部电磁关系U1.I1.F1I2.F2FmBm.mE1.E2.N1N2.1E.1.2E.2+I1R1.+I2R2.气隙中的旋转磁场由F2与F1共同建立，即F2与F1空间矢量可以合成为一个等效励磁磁动势Fm：12mFFF电气工程与自动化学院303．电压平衡方程式正方向规定：电流流入为正，且电势方向与电流方向相同。R1、R2和X1σ、X2σ分别为定、转子绕组的电阻和漏电抗。电气工程与自动化学院31定、转子绕组感应电动势电动势变比ke：定、转子绕组电动势之比定、转子侧电动势平衡方程m111144.4ΦkNfjENm221244.4ΦkNfjEN..11112222NeeNNkEkEkEENk，)(11111jXRIEU2σ222jXRIE从电路分析角度来看，转子静止时的异步电机电压方程与二次级侧短路时的变压器电压方程相似电气工程与自动化学院32由于定、转子磁动势F1与F2空间保持相对静止，故可以合成为一等效的励磁磁动势：12mFFF3.磁动势平衡方程式121L()mmFFFFF类似于变压器磁动势，将上式改写为：异步电机气隙中，全部磁动势由定子产生；Fm为励磁分量，用以产生气隙旋转基波磁场；F1L为负载分量，用以平衡转子磁动势的作用，它与转子磁动势大小相等方向相反。电气工程与自动化学院33选择F1与I1同相位、F2与I2同相位，Fm与Im同相位，用电流在时间上的相位关系表示磁动势在空间上的相位关系，则磁动势平衡方程可改写为：12()mFFF1N11N12N211212222()mNkNkNkmmmIIIppp21mm1i()LIIIIIk111222NiNmNkkmNk定义电流比则磁动势平衡方程式可表示为：异步电动机定子电流I1分成Im和I1L两个分量；Im是励磁分量，用于建立电机铁心中的主磁通Φm；I1L是负载分量，用于建立磁动势F1L去平衡转子磁势F2。电气工程与自动化学院34①转子静止时的基本方程定子侧：转子侧：定、转子关联方程：感应电动势方程：Zm=Rm+jXm为励磁阻抗；Rm为励磁电阻，代表铁耗的等效电阻；Xm为励磁电抗，反映主磁通在电路中的作用。4.绕组折算与等效电路电气工程与自动化学院35②绕组折算转子绕组折算——把实际相数为m2、绕组匝数为N2、绕组系数为kN2的转子绕组，折算成与定子绕组有相同相数m1、相同匝数N1和相同绕组系数kN1转子绕组。折算原则：气隙主磁通不变；定子各种物理量均不变，对电网等效；转子磁动势不变，各种功率均不变（功率因数不变）。绕组折算主要有电流折算、电动势折算和阻抗折算。电气工程与自动化学院36电流折算根据折算前后转子磁动势应保持不变原则电动势折算根据折算前后转子磁动势不变原则2222211122IpkNmIpkNmNN2221122122111112)44.4(44.4EkNkNkNfjkNkNkNfjENNmNNNmN21122122IkNkNmmINN221IkIi22EkEe电气工程与自动化学院37阻抗折算