课题三三相感应电动机的基本原理

课题三三相感应电动机的基本原理教学目的及要求：通过教学使学生掌握三相异步电动机的工作原理；明确交流绕组基本量的概念和计算方法；会绘制单层交流绕组（单层链式、单层交叉式、单层同心式）；了解单相绕组的脉振磁势的概念。教学方式：理论讲述实物演示实验操作教具演示设备展示：三相交流电动机单相交流电动机三相旋转磁场产生教具演示操作：电机系统实验装置电机维修实训重点难点：三相异步电动机工作原理交流电机绕组的排列原则交流电动机按照转子转速与旋转磁场速度(同步速度)的异同，可分为交流同步电动机与交流异步电动机。同步电动机转子的速度与旋转磁场的速度相同，所以，称为同步电动机，一般应用于恒速负载与发电场合；异步电动机转子的速度与旋转磁场的速度不同，所以，称为异步电动机，其应用相对同步电动机要广泛的多。同步电动机的定子结构与异步电动机的结构基本相同，所以，本章主要探讨交流异动步电动机。7.1三相异步电动机的工作原理与结构异步电动机按电源相数分类可分为三相异步电动机与单相异步电动机。三相异步电动机使用三相交流电源，它具有结构简单、使用和维修方便、坚固耐用等优点，在工农业生产中应用极为广泛。一、三相异步电动机的工作原理在图3.1中，假设磁场的旋转是逆时针的，这相当于金属框相对于永久磁铁，以顺时针方向切割磁力线，金属框中感生电流的方向，如图中小圆圈里所标的方向。此时的金属框已成为通电导体，于是它又会受到磁场作用的磁场力，力的方向可由左手定则判断，如图7.2中小箭头所指示的方向。金属框的两边受到两个反方向的力f，它们相对转轴产生电磁转矩(磁力矩)，使图3.1闭合金属框中受力示意图金属框发生转动，转动方向与磁场旋转方向一致，但永久磁铁旋转的速度n1要比金属框旋转的速度n大。从上述实验中可以看到，在旋转的磁场里，闭合导体会因发生电磁感应而成为通电导体，进而又受到电磁转矩作用而顺着磁场旋转的方向转动；实际的电动机中不可能用手去摇动永久磁铁产生旋转的磁场，而是通过其他方式产生旋转磁场，如在交流电动机的定子绕组(按一定排列规律排列的绕组)通入对称的交流电，便产生旋转磁场；这个磁场虽然看不到，但是人们可以感受到它所产生的效果，与有形体旋转磁场的效果一样。通过这个实验，可以清楚地看到，交流电动机的工作原理主要是产生旋转磁场。为了更好的说明三相异步电动机的工作原理，用图3.2进一步进行说明，从中可以很清楚地看到三相交流电产生旋转磁场的现像。图中所示的3个绕组在空间上相互间隔机械角度120°(实际的电动机中一般都是相差电角度120°)，3个绕组的尾端(标有U2、V2、W2)连接在一起(3个绕组的这种连接称为星形(Y)接法。常用接法还有三角形(△)接法，就是将3个绕组首尾相连，在3个接点上分别引出3根引线的接法。)，将对称的三相交流电iU=Imsint、iV=Imsin(t-120°)、iW=Imsin(t-240°)从3个绕组的首端(标有U1、V1、W1)通入，放在绕组中心处的小磁针便图3.2三相交流电动机定子迅速转动起来，由此可知旋转磁场的存在。三相绕组排列示意图三相交流电是怎样产生旋转磁场的呢？用图3.3进行分析。当3个绕组跟三相电源接通后，绕组中便通过三相对称的交流电流iU、iV、iW，其波形如图3.3图所示。现在选择几个特殊的运行时刻，看看三相电流所产生的合成磁场是怎样的。这里规定：电流取正值时，是由绕组始端流进(符号)，由尾端流出(符号⊙)；电流取负值时，绕组中电流方向与此相反。图3.3三相交流电产生旋转磁场示意图当t=t1=0，U相电流iU=0，V相电流取为负值，即电流由V2端流进，由V1端流出；W相电流iW为正，即电流从W1端流进，从W2端流出。在图3.3的定子绕组图中，根据电生磁右手螺旋定则，可以判定出此时电流产生的合成磁场如图3.3(a)所示，此时好像有一个有形体的永久磁铁的N极放在导体U1的位置上，S极放在导体U2的位置上。当t=t2=2时，电流已变化了1/3周期。此时刻i为正，电流由U1端流入，从U2端流出，iV为零；iW为负，电流从W2端流入，从W1端流出。这一时刻的磁场如图3.3(b)所示。磁场方向较t=t1时沿顺时针方向在空间转过了120°。用同样的方法，继续分析电流在t=t3、t=t4时的瞬时情况，便可得这两个时刻的磁场，如图3.3(c)、3.3(d)所示。在t=t3=4/3时刻，合成磁场方向较t2时刻又顺时针转过120°。在t=t4=2时刻，磁场较t3时再转过120°，即自t1时刻起至t4时刻，电流变化了一个周期，磁场在空间也旋转了一周。电流继续变化，磁场也不断地旋转。从上述分析可知，三相对称的交变电流通过对称分布的3组绕组产生的合成磁场，是在空间旋转的磁场，而且是一种磁场幅值不变的圆形旋转磁场。三相异步电动机的基本原理是：把对称的三相交流电通入彼此间隔120°电角度的三相定子绕组，可建立起一个旋转磁场。根据电磁感应定律可知，转子导体中必然会产生感生电流，该电流在磁场的作用下产生与旋转磁场同方向的电磁转矩，并随磁场同方向转动二、交流电动机中旋转速度的问题1.旋转磁场的旋转速度旋转磁场的速度也称为“同步转速”，用n1表示，其单位是“r/min”。它的大小由交流电源的频率及磁场的磁极对数决定。图3.3所举的例子是只能产生一对磁极的电动机，电流变化一个周期，旋转磁场转一圈；若电源电流的频率为f(Hz)，则一对磁极的旋转速度应为n1=60f(r/min)；我国电网供电电流的频率(即工频)为f=50Hz(即每秒完成50个周期的变化)，则一对旋转磁场的转速就是50r/min×60r/min=3000r/min。若定子绕组采用的排列方式不同，那么产生的磁极对数也不同，依照前面分析产生一对磁极的方法，仍然选取几个特殊的时刻，根据图3.3上图各相电流的正、负时刻，画出各个绕组中电流的流向，即可判定出各时刻产生的磁场情况，如图3.4所示。t=t1=0时，iU=0，U相绕组内没有电流；iV为负值，电流由端流进，由端流出，再由V2端流进，由V1端流出；iW为正值，电流由W1端流进，由W2端流出再由W1’端流进。由W2’端流出。此时三相电流产生的合成磁场如图3.4所示。前面讲过，每当交流电变化一个周期，两极旋转磁场就在空间转过360°(即1转)机械角度。从图3.4中可以看出，四极的旋转磁场在电流变化一周中，在空间只转过180°(即1/2转)机械角度。由此类推，当旋转磁场具有P对磁极时，交流电每变化一周，磁场就在空间转过1/p转。故旋转磁场的转速(同步转速)n为n1=60f/P(r/min)式中f——电流的频率；P——定子绕组产生的磁极对数。2.旋转磁场的旋转方向交流电动机旋转磁场的旋转方向，一般与接入定子绕组的电流相序有关。如前面举的两个例子(图3.3和图3.4)，磁场都是按顺时针方向旋转的，这与三相电源通入三相绕组的电流相序IU－IV－IW(正序电流)是一致的。若要使磁场按逆图3.4三相交流异步电动机产生4个磁极旋转磁场时针方间旋转，只需改变通入三相绕组中的电流相序，也就是说通入三相绕组的电流相序为IU－IV－IW是反(负)序的，即只要把三相绕组的3根引出线头任意调换两根后再接电源就可实现，如图3.5所示。在图3.4中，使iV流入W1W2绕组，iW流入V1V2绕组，iU仍流图3.5三相绕组通入反(负)序电流时的旋转磁场入U1U2绕组。三相绕组通入反(负)序电流后，所产生的旋转磁场分析如图3.5所示。从图中可以明确看到，旋转磁场的旋转方向是逆时针的，与图3.3所示的旋转磁场的顺时针方向相反。3.转子的旋转速度转子的旋转速度一般称为电动机的转速，用n表示。根据前面的工作原理可知，转子是被旋转磁场拖动而运行的，在异步电动机处于电动状态时，它的转速恒小于同步转速n1，这是因为转子转动与磁场旋转是同方向的，转子比磁场转得慢，转子绕组才可能切割磁力线，产生感生电流，转子也才能受到磁力矩的作用。假如有n=n1情况，则意味着转子与磁场之间无相对运动，转子不切割磁力线，转子中就不会产生感生电流，它也就受不到磁力矩的作用了。如果真的出现了这样的情况，转子会在阻力矩(来自摩擦或负载)作用下逐渐减速，使得nn1。当转子受到的电磁力矩和阻力矩(摩擦力矩与负载力矩之和)平衡时，转子保持匀速转动。所以，异步电动机正常运行时，总是nn1，这也正是此类电动机被称作“异步”电动机的由来。又因为转子中的电流不是由电源供给的，而是由电磁感应产生的，所以这类电动机也称为感应电动机。4.转差率旋转磁场的同步转速与转子转速之差与同步转速的比值，称为异步电动机的转差率，即s=(n1-n)/n1式中s为转差率。当异步电动机刚要起动时，n=0，s=1；当n=n1时，s=0。异步电动机正常使用时，电动机转速略小于但接近同步转速，额定转差率一般小于5%。5.三相异步电动机的转速与运行状态如果作用在异步电动机转子的外转矩使转子逆着旋转磁场的方向旋转，即n＜0，s＞1，图3.6异步电动机的3种运行状态如图3.6(a)中所示，此时转子导条中的电动势与电流方向仍和电动机时一样，电磁转矩方向仍与旋转磁场方向一致，但与外转矩方向相反。即电磁转矩是制动性质，在这种情况下，一方面电动机吸取机械功率，另一方面因转子导条中电流方向并未改变，对定子来说，电磁关系和电动机状态一样，定子绕组中电流方向仍和电动机状态相同，也就是说，电网还对电动机输送电功率，因此异步电动机在这种情况下，同时从转子输入机械功率、从定子输入电功率，两部分功率一起变为电动机内部的损耗。异步电动机的这种运行状态称为“电磁制动”状态，又称“反接制动”状态。如果用一原动机，或者由其他转矩(如惯性转矩、重力所形成的转矩)去拖动异步电动机，使它的转速超过同步转速，这时在异步电动机中的电磁情况有所改变，因n＞n1，s＜0，旋转磁场切割转子导条的方向相反，导条中的电动势与电流方向都反向。根据左手定则所决定的电磁力及电磁转矩方向都是与旋转磁场及转子的旋转方向相反。这种电磁转矩是一种制动性质的转矩，如图3.6(c)所示，这时原动机就对异步电动机输入机械功率。以后会讲述，在这种情况下，异步电动机通过电磁感应由定子向电网输送电功率，电动机就处在发电动机状态。三、三相异步电动机的结构异步电动机的结构也可分为定子、转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。另外，定、转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙)，以保证转子的自由转动。异步图3.7封闭式三相异步电动机的结构1—端盖2—轴承3—机座4—定子绕组5—转子6—轴承7—端盖8—风扇9—风罩10—接线盒电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为0.2mm～2mm。三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式、潜水泵式等。不管外形如何电动机结构基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图3.7所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。1.定子部分定子部分由机座、定子铁心、定子绕组及端盖、轴承等部件组成。(1)机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。(2)定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。(3)定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。槽内绕组匝间、绕组与