电机及拖动基础 第四章 异步电机(1)

1第四章异步电机（一）——三相异步电动机的基本原理•①种类：异步电机、同步电机•②区别：•③适用范围：•④优缺点：发电机电动机2第一节三相异步电动机的工作原理及结构•一、三相异步电动机的工作原理与运行状态•三相异步电动机实现机电能量转换的前提是有旋转磁场•1、旋转磁场的产生•①定义：一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场•②产生条件：多相对称绕组通入对称电流3•③以三相绕组通入三相对称电流为例•A.对称三相绕组：A-X、B-Y、C-Z三个线圈在空间上彼此互隔120°分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。•B相从A相后移120°•C相从B相后移120°•A相从C相后移120°ABCXYZ定子转子4•B.对称三相电源tIicosmA)120cos(mBtIi)240cos(mCtIi5•③旋转磁场产生两极旋转磁场示意图注：特定瞬间正电流规定NNSS6四极旋转磁场示意图SS7•④旋转磁场转速•式中，ns为同步转速，单位r/min；•p为极对数；f1为交流电源的频率。•2、三相异步电动机的工作原理•①定转子结构简介：三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环将它们连接成一个整体。•三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。160sfnp8•②电磁感应作用：转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转。•3、三相异步电动机的转速与运行状态•①转速：一般来说，nns。•②原因：若n=ns，则无相右手定则决定电流方向左手定则决定导条受力方向对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。9•③转差及转差率：Δn=ns-n称为转差•转差的存在是异步电动机运行的必要条件。•我们将转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用s表示，即：•ns——同步转速•n——转子转速•[习题4-1]有一台三相异步电动机铭牌上标明f=50Hz，额定转速为nN=960r/min，求该电动机的极对数、同步转速、空载转速以及额定负载时的转差率。%100ssnnns10•解：同步转速•本题的额定转速nN=960r/min，故•p=3，ns=1000r/min•额定转差率ppfns5060601nnfps5060601%4%10010009601000100sNsNnnns11•③运行状态：三种异步电动机的三种运行状态12•二、三相异步电机的结构双速异步电动机131415•基本部分：定子+转子+气隙绕线转子异步电机剖面图1—转子绕组2—段盖3—轴承4—定子绕组5—转子6—定子7—集电环8—出线盒16•1、定子•异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成17•①铁芯：磁路•A.构成：0.5mm的硅钢片叠压而成，每个称作冲片•B.槽型：三种，开口槽、半闭口槽、半开口槽定子冲片好中小型大型低压大型高压18•②定子绕组：电路•A.构成：由多线圈按规律连接而成•B.材料：铜导线或铝导线•C.槽内导体分布：单层双层定子线圈中大型小型19•③机座：支撑和固定铁芯•A.构成：中小型采用铸铁，大型采用钢板焊接•B.类型：封闭式带有散热筋型20•2、转子•异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。•①转子铁心：0.5mm的硅钢片叠压而成•②转子绕组•A.笼型绕组：单根导条一相铸铝铜条21铜条笼型转子铸铝笼型转子笼型转子2223•B.绕线型绕组：三相Y型集电环电刷•用于调速24绕线转子照片2526•3、气隙•①大小：0.2~2mm•②影响：•大：Ìm，cosφ↓，谐波↓，附加损耗↓，起动性能↑•小：装配和运转困难27第二节三相异步电动机的铭牌数据•①额定功率：电动机在额定运行时输出的机械功率，单位kW•②额定电压：在额定运行状态下，电网加在定子绕组的线电压，单位V•③额定电流：电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位A•④额定频率：我国的电网标准频率为50Hz•⑤额定转速：电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的转速，单位r/min2829额定值：正常运行时的主要数据指标。绕组联结方式：△接法或者Y接法。•此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（Y形还是Δ）、绝缘等级及允许温升等。•对绕线转子异步电动机，还标明转子的额定电动势及额定电流。Y90S-4B三相异步电动机机座中心高磁极数S—短机座M—中机座L—长机座机座长度代号S—短机座M—中机座L—长机座30第三节三相异步电动机的定子绕组•有不同分类方法•①按相数分：单相、两相和三相•②按层数分：单层、双层和单双层混合绕组•③按端接形状分：单层绕组有同心式、交叉式和链式之分；双层绕组有叠绕组和波绕组•④按槽数分：整数槽和分数槽31•一、交流绕组一些基本知识和基本量•1、电角度与机械角度•①机械角度：电机圆周在几何上分成360º，这个角度称为机械角度。•②电角度：若磁场在空间按正弦波分布，则经过N、S一对磁极恰好相当于正弦曲线的一个周期。因此，一对磁极所占有的空间是360º电角度。•③两者关系：一个具有p对磁极电机，电机圆周按电角度计算就为p×360º，而机械角度总是360º。电角度=p×机械角度32•2、线圈•组成交流绕组的单元是线圈。•线圈是由一匝或多匝串联而成，它有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。•3、节距•一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用y1表示，一般用槽数计算。•节距应该接近极距τ。•整距绕组：y1=τ；•短距绕组：y1τ；•长距绕组：y1τ；常用常用常用常用33•4、槽距角α•相邻槽之间的电角度称为槽距角•若Q1为定子槽数，p为极对数，则槽距角•5、每极每相槽数q•每一极每相绕组所占槽数，用符号q表示•二、交流绕组的排列和联接•弄清一相绕组的排列和链接，那么根据对称性，就可以知道其他两相得排列和连接•以下假设给定电机极数2p=4，槽数Q1=24•1、极距的计算•若2p=4，Q1=24，则τ=Q1/2p=61360QppmQq2134•2、线圈中的电流方向•一个极距内电流方向相同，相邻极距的电流方向不同两极磁动势图四极磁动势图35•q=Q1/(2mp)；每个相带为60º电角度。•4、画定子槽展开图确定相带和应有的电流相对方向单层相绕组的一种联接方法•每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为“相带”。•3、确定相带36•5、三相绕组排列和联接的一般方法总结:•①计算极距；•②计算每极每相槽数；•③划分相带；•④组成线圈组；•⑤按极性对电流方向的要求分别构成各相绕组。•三、三相单层绕组•线圈数=槽数/2，使用于小型电机•以Q1=24为例说明绕组的排列和连接•1、计算极距1222421pQ37•2、计算每极每相槽数•3、划分相带•4、组成线圈组•由3知A相绕组由23,24,1,2，11,12,13,14串联构成，如下图a，但这样的连接法会造成端接重叠过多，故采用了下图b（同心式）。•依据是磁动势仅与电流方向相关，与线圈连接顺序无关相带槽号AZBXCY第一对极23,24,1,23,4,5,67,8,9,1011,12,13,1415,16,17,1819,20,21,2241322421mpQq38相绕组的构成同心式绕组三相单层同心式绕组展开图39•同心式绕组优缺点•四、三相双层绕组•1、什么是双层绕组•见直流电机部分•2、优点•3、种类•叠绕组、波绕组•4、排列和连接方法•m=3，p=2，Q1=36的双层叠绕组为例，说明双层绕组的排列和联接。40•①计算极距：•②选择节距：采用短节距•③计算每极每相槽数和槽距角•④画展开图9223621pQ81y321mpQq2060q按每极每相槽数划分相带相带槽号AZBXCY第一对极1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二对极19,20,2122,23,2425,26,2728,29,3031,32,3334,35,3641画出槽内线圈边（上层边用实线，下层边用虚线表示），并且编号工厂常用的线圈组圆形连接图42•⑤组成线圈组43•⑥确定并联支路•条件：各条支路电动势相量相等•双绕组：最大并联支路对数amax=p44第四节三相异步电动机的定子磁动势及磁场•一、单相绕组的磁动势–脉振磁动势•相绕组单元是线圈，故线圈磁动势是单相绕组磁动势的单元•（一）整距线圈的磁动势•1、双极电机磁动势•①线圈位置：水平轴线上•②磁动势分布：右手螺旋定则，如下图a虚线•③平面曲线：切开A线圈边并展开，如下图b•④方程式表达法：tINiNtxfyyycos2221),(45整距线圈磁动势分布曲线整距线圈所建立的磁场分布•⑤脉振磁动势：整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，空间的分布总是一个矩形波。232,2222,22xINxFxINxFyymyym46ωt=0,i=Imωt=90°,i=0ωt=180°,i=-Im•这种从空间上看位置固定，从时间上看大小在正负最大值之间变化的磁动势，称为脉振磁动势。47•⑥脉振磁动势频率：脉振的频率=交流电流的频率•⑦傅氏级数分解：横轴对称，故傅氏分解后仅有1、3、5……奇次谐波txxxINtxFtxfyymycosπ5cos51π3cos31πcos9.0cos)(),(把以2τ为周期的矩形磁动势波用傅氏级数分解把以2τ为周期的矩形磁动势波用傅氏级数分解把以2τ为周期的矩形磁动势波用傅氏级数分解48•2、多对极电机磁动势•对于多对极电机来说，每对极产生的磁动势与一对极产生的磁动势一致的，因此，p对极磁动势分布波形仅是周期数增加为p倍而已。磁场分布磁动势分布49•（二）线圈组的磁动势•分布绕组：绕组由每一极下若干个不同槽的线圈构成。线圈相互之间间距一个槽距角α•1、整距线圈的线圈组磁动势•①特点：对分布线圈来说，各线圈通电产生的磁动势波形相同→矩形波，只是空间间隔α，如下图a；•利用傅氏展开，那么基波磁动势在空间也互隔α角•②合成方法：•A.逐点相加法：将3个基波磁动势逐点相加，便可得到合成磁动势，如下图b。50各线圈磁动势波合成磁动势的基波基波磁动势矢量相加整距线圈的线圈组的磁动势51•B.常用的方法为矢量相加法•幅值相等，变化相同，空间相差α电角度，故可用空间矢量表示，如图c•根据几何关系，矢量和构成一多边形的一部分101111qFFFFyyyq2sin21RFy2sin21qRFq}11112sin2sinqyyqkqFqqqFFINFyy22π412sin2sin1qqkq•其中，52•C.kq1的含义：表明分布绕组磁动势基波为相同匝数的集中绕组的kq1倍•D.对于高次谐波磁动势来说•幅值•分布因数•[例4-2]一台四极三相异步电动机，定子槽数为36，计算其基波和5次、7次谐波磁动势的分布因数。qyqIkNqF22π412sin2sin1qqkq53解计算每相每极槽数q和α值32323621mpQq2036060q基波分布因数960.0220sin32203sin1qk五次谐波分布因数217.02205sin32)205(3sin5qk七次谐波分布因数177.02207sin32)207(3sin7qk54•2、短距线圈的线圈组磁动势•①短距：y1τ•②磁动势分析：以q=2，τ=6，y1=5双层短距叠绕组为例•A.磁动势与线圈电流方向有关，与线圈边连接次序无关•B.如图，共有y1=5四个线圈q=2,τ=6,y1=5的双层短距叠绕组55•C.从形成磁动势的角度来看，可看成如右图a的两组整距线圈组，他们在空间相互间位移ε电角度=短距线圈节距缩短的角度•D