第13章异步电机的基本理论

第13章异步电动机的基本理论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。异步电动机的用途和分类在民用生活中，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。第13章异步电动机的基本理论第13章异步电动机的基本理论优点：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。第13章异步电动机的基本理论异步电动机的种类很多，从不同的角度看，有不同的分类法，常见的有：按定子相数分单相异步电动机两相异步电动机三相异步电动机第13章异步电动机的基本理论绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机第13章异步电动机的基本理论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13章异步电动机的基本理论13.1异步电动机的结构及额定值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）鼠笼式转子：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）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。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、气隙第13章异步电动机的基本理论第13章异步电动机的基本理论按转子结构分：绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机第13章异步电动机的基本理论三相笼型异步电动机结构图转子风扇冷空气流罩壳（非驱动端）端盖（驱动端）第13章异步电动机的基本理论三相笼型异步电动机的部件图第13章异步电动机的基本理论下面是它主要部件的拆分图。右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。第13章异步电动机的基本理论鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图三相绕线型转子结构图第13章异步电动机的基本理论三相绕线型异步电动机的结构第13章异步电动机的基本理论三相绕线型异步电动机示意图第13章异步电动机的基本理论第13章异步电动机的基本理论定子铁心第13章异步电动机的基本理论定子槽形散嵌绕组成型绕组效率和功率因数较高绕组嵌线工艺复杂小容量及中型低压电机可嵌放成型线圈大型低压电动机绝缘放置可靠、绕组下线方便高压电动机第13章异步电动机的基本理论定子绕组•定子绕组通常应用双层短距绕组，小型电机可应用单层绕组。第13章异步电动机的基本理论转子铁心第13章异步电动机的基本理论转子槽•槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。第13章异步电动机的基本理论转子绕组•鼠笼式转子squirrel-cagerotor：焊接，铸铝。斜槽形式第13章异步电动机的基本理论第13章异步电动机的基本理论线绕转子（woundrotor）：铁芯上绕有一对称绕组，和定子绕组有相同的极数，且制成相同的相数。•通常采用对称的三相绕组，连接成星形。•转子的一端装有三个集电环，各与转子绕组的三个起始端相连接。每个集电环上各有一电刷，通过电刷把转子绕组与外接变阻器相接。•安装变阻器的目的是改善起动特性(增加起动转短，减小起动电流)或用以调节电动机的转速。第13章异步电动机的基本理论转轴shaft第13章异步电动机的基本理论异步电机的气隙airgap•特点——气隙很小，在中、小型电机中，气隙一般为0.2-1.5毫米。•气隙大小对电机性能有很大的影响气隙大：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，改善启动性能。气隙小：按加工可能及机械安全所限制。第13章异步电动机的基本理论13.1.4型号和额定值一、型号例:第13章异步电动机的基本理论第13章异步电动机的基本理论额定值关系有：3NNNNNPUIcosη)VkV(UN或额定电压额定运行状态时加在定子绕组上的线电压.)kW(PN额定功率额定条件下转轴上输出的机械功率。)A(IN额定电流在额定运行状态下流入定子绕组的线电流.min)/r(nN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13章异步电动机的基本理论三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。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“D”形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D联结Y联结三、接线第13章异步电动机的基本理论异步电机的铭牌(Nameplate)及额定值(Rating)•铭牌：型号、额定值、绕组联结方式及生产厂家等。型号举例：Y132S-4,Y--异步电动机；132--机座中心高度为132mm；S--短铁心；4-极数。额定值:正常运行时的主要数据指标。第13章异步电动机的基本理论•绕组联结方式：△接法或者Y接法。主要额定值如下（三相时）：额定电压:UN(V)，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；额定电流：IN(A),额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流；额定功率:PN(W；kW),额定运行时，电动机的输出功率；额定转速:nN(r/min),额定运行时，电动机的转子转速；额定频率:fN(Hz)，规定的电源频率(我国用工频50Hz)；额定效率ηN，额定功率因数:cosφN等。额定功率：无论△接法或是Y接法，下式均成立：•PN=3UNpINpcosφNηN=sqrt(3)UNINcosφNηN(W)第13章异步电动机的基本理论异步电动机的特点•异步电机，转子转速n与磁场同步转速n1间存在一定差异。asynchronous•优点：结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，效率较高，价格低廉，坚固耐用。•缺点：①转速不易调节②鼠笼式异步电动机的起动性能较差③功率因数滞后，激磁电流由电网供给第13章异步电动机的基本理论2）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。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。2、对于中低压电动机：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。第13章异步电动机的基本理论13.2、异步电机的三种运行状态U2U1W2V1W1V21nn一、三相异步电动机的基本工作原理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，将电能转化为机械能。第13章异步电动机的基本理论第13章异步电动机的基本理论两极异步电动机示意图160fnp(/min)r定子绕组接三相电源,流过三相对称电流，气隙中产生基波旋转磁场，转速为同步速:电动机运行时的基本电磁过程：同步速的气隙磁场切割转子绕组，产生感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流；转子绕组在磁场中受到电磁力矩作用，这个力矩驱动转子旋转，实现电动机的工作过程。1nn1nSN第13章异步电动机的基本理论两极异步电动机示意图第13章异步电动机的基本理论思考：①能否等于？何谓异步？②电机的转向决定于什么？n1n两极发电机示意图两极电机制动运行图NS1nNS1nNS1n1nnNS1nNS1nNS1n0n第13章异步电动机的基本理论转差率11nnsn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，;s,n10电机理想空载时，.s,nn01作为电动机，转速在1~0n范围内变化，转差率在0～1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小。电机的转速为：11n=(-s)n额定运行时，转差率一般在0.01～0.06之间，即电机转速接近同步速。同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：第13章异步电动机的基本理论二、发电机运行•在转子上施加原动力矩拖动转子以大于同步转速顺着旋转磁场方向旋转，则旋转磁场切割转子的相对速度便倒转方向。和电动机运行情况相比，转子导体中感应电势和电流的方向倒转第13章异步电动机的基本理论•导体上所受到的电磁力的方向与转子旋转方向相反；这时机械功率为输入，电功率为输出，外施力F为原动力，电磁力Fe为阻力——发电机运行。•结论：异步电机作为发电机运行，转速需大于同步转速，即n＞n1，s＜0。第13章异步电动机的基本理论第13章异步电动机的基本理论三、电磁制动•转子在外力拖动下使其旋转方向与旋转磁场的旋转方向相反，则旋转磁场切割转子导体的相对转速大于同步转速。•电磁力的方向与外施力方向相反，所起的作用是制动作用。•定子从电网吸收电功率,外力供给机械功率,都转变为电机内部的损耗——电磁制动状态。第13章异步电动机的基本理论•电机的n应取负值，相对转速大于同步转速，即n＜0，s＞l。•例如，当起重机下放重物时，如不采取任何措施，重物将加速下坠。这时如使电机运行在制动状态，由电磁转矩制止了转子的加速。第13章异步电动机的基本理论第13章异步电动机的基本理论返回第13章异步电动机的基本理论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10nn0n1nn10s1s0sE1的性质反电动势反电动势电源电动势第13章异步电动机的基本理论实际中要解决的问题：主要是已知异步电动机电压与输出功率求解电流、转速的问题；或已知电压和转速求电流和功率等问题。第13章异步电动机的基本理论为解决上述问题仍用等效电路法，要设法找出与变压器相似的等效电路。本章要求掌握等效电路方面的要点：1）如何得到等效电路？掌握绕组归算、转子位置归算与频率归算等；2）等效电路各元件各代表什么？等效哪些实际的物理量？第13章异步电动机的基本理论为了得到等效电路的过程，主要解决以下三个问题：1）设法用静止转子等效旋转的转子，以便借用变压器的分析方法；2）在气隙磁场作用下，定转子绕组的感应电势之间的关系，引入电压变比；3）定转子电流产生的磁势如何合成，引入电流变比。仿照变压器的思路得到等效电路第13章异步电动机的基本理论基本思路首先分析仅仅定子有电流而转子没有电流的情况——转子绕组开路，转子只有感应电动势，但无电流；然后分析，转子绕组短路，但转子堵转的情况；最后分析转子旋转的情况——采用等效静止转子代替实际旋转转子。第13章异步电动机的基本理论规定定、转子各相电气物理量的正方向；规定磁动势、磁通的正方向；确定定转子绕组空间坐标。正方向的规定第13章异步电动机的基本理论1）定、转子绕组电流、电动势及端电压的正方向；3）磁动势、磁通密度从定子内圆出来进入气隙为正（定子铁心内圆表面N极为正）。2）绕组轴线的正方向：与电流、电动势成右手螺旋关系,并假设转子A相绕组轴线在定子A相绕组轴线前方空间电角度；01+A2A正方向的规定（下页图）第13章异步电动机的基本理论第13章异步电动机的基本理论第13章异步电动机的基本理论空载运行时的电磁关系13.3三相异步电动机电势平衡一、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