第5章--三相异步电动机的基本原理

第五章三相异步电动机的基本原理本章主要教学内容：1.三相异步电动机的基本原理2.交流电机的定子绕组3.交流电机绕组的磁动势4.交流电机绕组的电动势5.三相异步电动机的电磁关系6.三相异步电动机的功率和转矩7.三相异步电动机的工作特性8.三相异步电动机的参数测定第五章三相异步电动机的基本原理5.1三相异步电动机的基本原理5.1.1基本结构1—转子绕组；2—端盖；3—轴承盖；4—轴；5—轴承；6—定子绕组；7—吊环；8—转子；9—机座；10—定子铁芯；11—风扇；12—风罩；13—集电环；14—出线盒绕线型三相异步电动机剖面图第五章三相异步电动机的基本原理基本结构：定子、转子（定转子之间是空气隙）（1）定子：构成：铁芯、绕组、机座作用：构成磁路一部分；按功能要求放置定子绕组定子铁芯定子绕组线圈三相异步电动机的引出线第五章三相异步电动机的基本原理（2）转子：构成：转子铁芯、转子绕组、转轴分类：笼型、绕线型（3）气隙：定子与转子之间很小的空气隙，电机磁路的一部分铜条笼型转子铸铝笼型转子绕线型转子接线图第五章三相异步电动机的基本原理•三相异步电动机外形实物图鼠笼式异步电动机外形绕线式异步电动机外形第五章三相异步电动机的基本原理•绕线式三相异步电动机剖面图1—转子绕组；2—端盖；3—轴承盖；4—轴；5—轴承；6—定子绕组；7—吊环；8—转子；9—机座；10—定子铁芯；11—风扇12—风罩；13—集电环第五章三相异步电动机的基本原理定子实物图异步电动机定子1异步电动机定子２第五章三相异步电动机的基本原理转子实物图鼠笼式转子绕线式转子第五章三相异步电动机的基本原理绕线式定子与转子第五章三相异步电动机的基本原理鼠笼式转子绕线式转子异步电动机定子上有三相对称的交流绕组鼠笼绕组第五章三相异步电动机的基本原理（1）异步电动机的铭牌数据额定电压(V)，额定电流(A)，额定功率(W)，额定频率(Hz)，额定转速(r/min)（2）异步电动机的型号5.1.2铭牌数据和型号NUNINPNfNnNNNNNIUPcos3式中，，分别为额定效率和功率因数。NNcos第五章三相异步电动机的基本原理5.1.3工作原理——旋转磁场的形成原理合成磁场相当于一对机械旋转磁极的旋转磁场，由电流超前相转向滞后相，电流变化一周，旋转磁场空间上旋转一周。一对极旋转磁场示意图tIimAcos120costIimB240costIimC第五章三相异步电动机的基本原理两对极旋转磁场示意图若有p对磁极，电流变化一周，旋转磁场转过1/p周。旋转磁场的转速为:pfn1160第五章三相异步电动机的基本原理.swf第五章三相异步电动机的基本原理.swf第五章三相异步电动机的基本原理异步电动机基本工作原理：异步电动机工作原理转子的机械转速与旋转磁场的转速之间存在差异是电磁作用产生的基础，转差率s：感应电势——转子导体切割磁力线产生感应电动势，方向由右手定则确定。感应电流——转子导体本身形成闭合回路，绕组中会产生与电动势方向一致的感应电流。电磁力——有电流流过的转子导体在磁场中受到电磁力的作用，方向按左手定则确定。电磁力矩——转子导体受到的力形成一个顺时针（或逆时针）方向的电磁转矩，使转子随着旋转磁场顺时针方向转动。11nnns第五章三相异步电动机的基本原理例5-1某三相六极异步电动机：，，，，，，定子为△连接，求此电动机的额定转差率和额定电流。解电动机的同步转速为kWPN4VUN380HzfN50min/960rnN77.0cosN84.0Nmin)/(100035060601rpfnN04.01000960100011nnnsNN)(4.984.077.038034000cos3AUPINNNNN额定电流为额定转差率为第五章三相异步电动机的基本原理5.2交流电机的定子绕组5.2.1交流绕组的基本知识电角度与机械角度：极距与节距：槽距角：每极每相槽数：pZu2极距，节距y1应接近极距，一般1y电角度＝p×机械角度uZp36012pmZqu极距，槽距角，每极每相槽数示意图24uZ2p第五章三相异步电动机的基本原理5.2.2三相单层绕组定子绕组三相分布图每个槽内只有一个线圈边，绕组的线圈数等于总槽数的一半。24uZ2p62q30单层绕组展开图以，为例，有，，本例中，支路数1a第五章三相异步电动机的基本原理.swf第五章三相异步电动机的基本原理5.2.3三相双层绕组一个槽内有两个线圈边，绕组的线圈数等于总槽数。以，为例，，24uZ2p6双层绕组展开图（串联）支路数51y每相的4个线圈组可进行串联或并联连接。单层绕组元件少，下线容易，没有层间绝缘。短距双层绕组可以削弱谐波电动势和磁动势，改善波形，提高槽利用率。1a第五章三相异步电动机的基本原理5.3交流电机绕组的磁动势磁动势分析过程定子三相交流绕组按照一定规律分布在定子内圆表面，其中的电流随时间交变，绕组所产生的磁动势既沿空间分布，又随时间变化，是时间与空间的函数。第五章三相异步电动机的基本原理5.3.1单相绕组的磁动势——脉振磁动势（1）整距线圈的磁动势整距线圈产生的磁动势tIiyycos2yftNINiyyyycos222122tNINiyyyycos2221232第五章三相异步电动机的基本原理某四极交流电机瞬时磁动势下图为四极电机绕组在某瞬间流过电流产生的磁动势沿气隙圆周方向上的空间分布情况。第五章三相异步电动机的基本原理矩形磁动势的分解——基波与谐波量tINtfycos7cos715cos513cos31cos224,7531yyyyfffftFtfyycoscos,11yyyyyNINIF9.02241tFtfyycoscos,19.02241yyyyyyFNINIF第五章三相异步电动机的基本原理（2）线圈组的磁动势整距线圈的线圈组磁动势线圈组由q个依次相距槽距角的线圈串联组成2sin2sin111qqqFFkyqq＝＝集中线圈的合成磁动势分布线圈的合成磁动势yyqyqqNIqkFqkF11119.0yyqyqqNIqkFqkF9.02sin2sinqqkq第五章三相异步电动机的基本原理（3）短距线圈组的磁动势短距线圈的线圈组磁动势1111111290sin22sin2qyqqqFkyFyFF1119.029.02NyyyqyykNqIkkNqI基波磁动势短距系数：基波绕组系数：90sin11yky111qyNkkk谐波磁动势短距系数：90sin1yky谐波绕组系数：qyNkkkNyyyqyyqkNqIkkNqIF9.029.02第五章三相异步电动机的基本原理（4）单相绕组的磁动势相绕组由分布在各极下的同相线圈组联接而成（）谐波磁动势幅值：基波磁动势幅值：119.0NkpINF单相绕组磁动势是脉振磁动势，可分解为沿气隙分布的基波及一系列谐波。幅值在空间位置固定不动，幅值大小随时间按余弦规律变化，其变化频率与电流频率相同。对于单层绕组：11qNkk，apqNNy/对于双层绕组：，111yqNkkkapqNNy/2NkpINF9.01aIIy/第五章三相异步电动机的基本原理5.3.2三相绕组的磁动势——基波旋转磁动势（1）三相绕组的基波磁动势脉振磁动势分解为两个旋转磁动势脉振磁动势基波相量可以分解为两个旋转磁动势，它们幅值相同，等于脉振磁动势幅值的一半，转速相同，转向相反。tFfAcoscos11tFtFffAAcos21cos211111第五章三相异步电动机的基本原理三相绕组的基波磁动势上式两边相加得：三相合成旋转磁动势tFtFfftFfAAAcos21cos21coscos111111240cos21cos21120cos120cos111111tFtFfftFfBBB120cos21cos21240cos240cos111111tFtFfftFfCCCtFtFtfcoscos23),(111第五章三相异步电动机的基本原理合成磁动势基波——基本结论对称m相绕组内通以对称m相电流，合成磁动势基波为旋转磁动势波，非对称绕组或非对称电流的合成磁动势基波为椭圆旋转磁动势；合成磁动势基波的转速，即同步转速为r/min。电流在时间上经过多少度，基波在空间上转过同一数值的电角度；某相电流达到幅值时，基波的幅值与该相绕组的轴线重合；合成磁动势的转向由三相电流的相序和三相绕组空间上的位置决定，由超前相转向滞后相。三相交流电源中任意两根对调即可改变电机的旋转方向。pfn601第五章三相异步电动机的基本原理（2）三相绕组的谐波磁动势次谐波的极距为基波的，；高次谐波合成磁动势也是余弦分布，幅度不变的旋转磁动势。tFtfcos23,NkpINF9.011次谐波的转速为基波的，；1pfnn6011谐波磁动势的旋转方向取决于谐波的次数，当（）时，合成磁动势转向与基波相同；当（）时，其转向与基波的相反。16K,3,2,1K16K,3,2,1K第五章三相异步电动机的基本原理5.4三相交流电机绕组的电动势电机导体与基波磁场作相对运动，会产生感应电动势，其幅值为。若定子内圆周长以表示，则，又有则单个导体基波电动势有效值为导体基波电动势有效值为lvBEmmp260/2npvlfBnplBlvBEEmmmmc2602222pfn601122.22ffEc5.4.1线圈单个有效边的基波电动势第五章三相异步电动机的基本原理5.4.2线圈基波电动势整距线匝基波电动势为线匝电动势计算11112ccctEEEE11144.42fEEct匝线圈基波电动势有效值为yN11144.4fNENEytyy短距线匝1y90sin22sin22180cos211111yEEEEccct匝短距线圈波电动势有效值为111144.4fkNENEyytyy——线圈的基波短距系数90sin11ykycN第五章三相异步电动机的基本原理5.4.3线圈组基波电动势分布线圈组基波电动势线圈组由空间互差一个槽距角的个线圈串联组成基波电动势——绕组的基波分布系数q2sin2sin111qqqEEkyqq＝＝集中线圈的合成电动势分布线圈的合成电动势11111111144.444.42sin2sinfkqNfkkqNEqkqEENyqyyyqyq111qyNkkk——基波绕组系数第五章三相异步电动机的基本原理5.4.4基波相电动势绕组基波相电动势的有效值为N——每相在一条支路的串联匝数。单层绕组有p个线圈组，双层绕组有2p个线圈组，对单层绕组，对双层绕组11144.4fNkENapqNNy/apqNNy/211Nk111qyNkkk——基波绕组系数,第五章三相异步电动机的基本原理5.4.5感应电动势与交链磁通的关系根据电磁感应定律，交流电机绕组感应电动势与变压器绕组感应电动势均滞后磁通。二者的区别在于：变压器中，与绕组交链的磁通变化是因为主磁通随时间变化（脉振）所引起的；交流电机中，气隙磁通密度本身大小不变，但相对于绕组旋转，使得与绕组交链的磁通随时间变化。虽然二者引起绕组交链