24第7章 三相异步电动机工作原理

2008-1-11南京航空航天大学自动化学院1第三篇第三篇异步电动机异步电动机交流电机可分为异步（感应）电机和同步电机两大类。异步电机（也叫感应电机）是一种交流旋转电机。异步电机运行时，在气隙中的旋转磁场与转子绕组之间存在相对运动，依靠电磁感应作用使转子绕组中产生感应电流，从而产生感应电磁转矩，实现机电能量的转换。由于转子的转速与旋转磁场的转速之间总是存在差异，所以称为异步电机。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院2第七章三相异步电动机工作原理第一节异步电机基本知识一、异步电动机基本原理•1.三相异步电动机的工作原理•当定子三相对称绕组加上对称的三相交流电压后，定子三相绕组中便有对称的三相电流流过，它们共同形成定子旋转磁场。•磁力线将切割转子导体而感应出电动势。在该电动势作用下，转子导体内便有电流通过，转子导体内电流与旋转磁场相互作用，使转子导体受到电磁力的作用。在该电磁力作用下，电动机转子就转动起来，其转向与旋转磁场的方向相同。这时，如果在电机轴上加载机械负载，电动机便拖动负载运转，输出机械功率。这就是异步电动机工作原理。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院32.异步电机的转差率•切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。•转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁力线。•旋转磁场的转速用n1表示，称为同步转速；转子的实际转速用n表示，转差Δn=n1-n。•转差率是异步电动机的一个基本变量，在分析异步电动机运行时有着重要的地位，表达式如下：11100%nnsn−=×转差率：转子与旋转磁场之间必须要有相对运动才可以产生上述电磁感应过程，若两者转速相同，转子与旋转磁场保持相对静止，没有电磁感应，转子电流及电磁转矩均为零，转子失去旋转动力。因此，这类电动机的转子转速必定低于旋转磁场的转速（同步转速），所以被称为异步电动机。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院4二、异步电机的三种运行状态•起动瞬间，n=0,s=1•理想空载运行时：n=n1,s=0•作为电动机运行时，s的范围在0～1之间。•转差率一般很小，如s=0.03。(1)电动机运行状态：0nn1,0s1;(2)发电运行状态：n高于同步转速n1,s0.(3)制动运行状态：若外因迫使转子逆着旋转磁场方向转动，则电磁转矩方向与转速方向相反，即n1与n反向，s1，处于电磁制动状态。例7－1，7－2较简单，不再用占课堂时间。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院5•三相异步电动机主要由定子和转子两部分组成：静止部分称为定子；转动部分称为转子。三相异步电动机的主要部件如图所示。三、异步电动机结构简介2008-1-11南京航空航天大学自动化学院6（一）定子1.定子铁心：定子铁心是磁路的一部分，由薄硅钢片叠成。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院7定子冲片2008-1-11南京航空航天大学自动化学院82.定子绕组：电磁线制而成,构成电路。组成交流绕组的单元是线圈。（1）定子绕组分类：(a)按相数分：单相、两相和三相绕组；(b)按槽中绕组数量分：单层、双层和单双层混和绕组；(c)按绕组端部的形状分：同心式、交叉式和链式等。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院9（2）定子绕组是电动机的电路部分，三相绕组对称。线圈由绝缘铜导线绕制。绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端标为A,B,C，末端标为X,Y,Z。排列如图，可接成三角形或星形。（a）三角形连接（b）星形连接2008-1-11南京航空航天大学自动化学院103.机座：铸铁件，保护和固定定子绕组。外表有散热片起散热作用。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院11（二）转子1.转轴和转子铁心转子铁心：由薄硅钢片叠成，是磁路的一部分，也用来安放转子绕组。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院122.转子绕组：分绕线型与笼型两种。(1)笼型转子绕组：在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，两端用一个端环把导条连接起来，如图(a)所示。也可把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图(b)所示。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。（a）铜条笼型转子（b）铸铝笼型转子2008-1-11南京航空航天大学自动化学院13鼠笼型转子照片2008-1-11南京航空航天大学自动化学院14(2)绕线型转子绕组：是三相绕组，一般接成星形，三相首端引出到集电环上，通过电刷装置与外电路相连，可串入电阻以改善电动机的运行性能。1—集电环；2—电刷；3—变阻器2008-1-11南京航空航天大学自动化学院15四、异步电动机铭牌数据、额定值1．型号：国产中小型三相电动机型号的系列为Y系列，是以电机中心高度为依据编制规格系列，如铭牌：用来表明型号、额定值、绕组联结方式、生产厂家等。Y-200L2-6异步电动机中心高度200mm6极2号铁心长机座（M为中机座）（S为短机座）中心高度是指机轴中心到底脚平面的垂直距离2008-1-11南京航空航天大学自动化学院162.额定值:正常运行时的主要数据指标。•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：(kW),额定运行时，电动机的输出功率；•额定转速n：(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(我国为50Hz)；•额定效率：效率是指电动机在额定状态下运行时输出的功率对定子输入功率的比值。•额定功率因数：功率因数是指电动机在额定运行状态下，定子电路的功率因数。异步电动机空载运行时定子电路的功率因数很低，只有0.2~0.3，随着负载的增加，功率因数也增加，在额定负载时一般为0.7~0.9，因此要避免空载运行。•上述各额定值间有如下关系：3cos3cosNNphNphNNPUIUIηϕηϕ=⋅⋅⋅=⋅⋅⋅2008-1-11南京航空航天大学自动化学院173.铭牌上其他重要数据①绝缘等级:绝缘等级是指三相电动机所采用的绝缘材料的耐热能力，它表明三相电动机允许的最高工作温度。②定子绕组接法：可接成星形（Y）和三角形（D）两种。定子绕组的连接只能按规定方法连接，不能任意改变接法，否则会损坏三相电动机。③工作方式：允许连续使用的时间，分为连续、短时、周期断续三种。④防护等级：外壳的防护等级，IP是防护等级标志符号，数字分别表示电机防固体和防水能力。如IP44中第一位数字“4”表示电机能防止直径或厚度大于1毫米的固体进入电机内壳。第二位数字“4”表示能承受任何方向的溅水。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院18第二节三相异步电动机磁场及感应电动势本节以绕线型异步电机为例讲解。一.空载运行时的磁动势和磁场空载运行是指转子轴不带负载的运行。定子绕组接通电源，产生以同步转速n1旋转的磁动势F1，建立气隙主磁场。在转子绕组内感应出转子绕组电动势和转子绕组电流。空载时，阻力转矩很小，转速接近同步转速，n≈n1，转子与旋转磁场的相对转速就接近零，即n1-n≈0。则转子感生电动势E2≈0，电流I2≈0。由此可见，空载时合成磁动势F1是定子绕组磁动势F10，产生主磁通Φm和漏磁通Φσ。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院191.主磁通：交链定、转子绕组的磁通为主磁通Φ0，主磁通参与能量转换，产生有用的电磁转矩。主磁通的磁路由定转子铁心和气隙组成，它受饱和的影响，为非线性磁路。(a)主磁通主磁通Φ0①作用：传递能量的媒介作用；②路径：定子铁心—气隙—转子—气隙—定子铁心。2.漏磁通：有一小部分磁通仅与定子绕组相交链，称为定子漏磁通。漏磁通不参与能量转换并且主要通过空气闭合，受磁路饱和的影响较小，在一定条件下漏磁通的磁路可以看做是线性磁路。(b)槽漏磁通(c)端部漏磁通漏磁通Φσ：①不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的作用；②包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次谐波。虽然谐波磁动势建立的谐波磁场也交链定、转子，但是由于其对转子的作用不会产生有效的转矩，因此谐波磁场作为漏磁场处理。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院20二.主电动势E1和激磁阻抗Zm1.主电动势（感应电动势）：定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势e1和e2。假定主磁通按正弦规律变化，即Φ=Φmsinωt，根据电磁感应定律,感应电动势的瞬时值为：0111111coscossin(90)wmmmdeNNKtEtEtdtφωωωω=−=−Φ=−=−111111111124.44222mwmwmwmENKfNKEfNKωπΦΦ====Φ定子绕组感应电势e1的幅值与有效值的关系为：感应电动势正比于产生它的磁通最大值、频率及绕组匝数，其相位滞后于相应的磁通90°。所以：2008-1-11南京航空航天大学自动化学院2111114.44wmEjfNK=−Φ由于感应电动势相位滞后于相应的磁通由于感应电动势相位滞后于相应的磁通9090°°，因此其相量，因此其相量（复数）表达式为（复数）表达式为::把和之间的关系直接用参数形式反映，可把写成流过一个阻抗引起的阻抗压降。1E0I1E10I11010()mmmEIZIrjx−==+∴2.激磁阻抗ZmmmmZrjx∴=+Zm的物理意义与变压器的相同，但由于气隙的存在，比变压器的小。rm表示激磁电阻，是表示电机磁路铁耗特性的参数；xm表示激磁电抗，是表示磁路磁化特性的参数。2008-1-11南京航空航天大学自动化学院22三、漏磁电动势和定子绕组漏磁电抗1Eσ1xσ1101,EjIxσσ=−漏电势可用漏电抗压降表示：1112xfLσσπ=f1为定子的电流频率(电源频率)四.负载运行时转子感应电动势及磁动势1.转子绕组的感应电动势(1)转子绕组切割主磁通的转速•主磁通以同步速度旋转•转子以转速n旋转•转子绕组导体切割主磁通的相对转速为(n1-n)=sn1。(2)转子绕组感应电势的频率：•结论：由于s很小，转子感应电势频率很低,约0.5-3Hz。1111126060)(sfpnnnnnnpf=−=−=222212212224.444.44(4.44)smwmwmwEfNKsfNKsfNKsE=Φ=Φ=Φ=感应电势与转差率正比2008-1-11南京航空航天大学自动化学院232.转子绕组的阻抗•由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。•漏抗公式：•漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。•考虑到转子绕组的相电阻后：22212222sxfLsfLsxσσσσππ===222sZrjsxσσ=+2008-1-11南京航空航天大学自动化学院24222222222222,()ssEsEsEIIZrjsxrsxσσσ===++由于转子绕组短路，转子电压为0，感应电势全部加在转子阻抗上,转子回路方程：•转子电流：ssZIjEσ222=3.转子旋转磁动势F2异步电动机的转子为多相绕组，它通过多相电流，也产生旋转磁动势。(1)幅值：sWIpKNmF222229.02×=(2)转向与转子电流相序一致，与定子旋转磁动势转向一致。(3)转子旋转磁动势相对于转子的转速为：21216060fsfnsnpp===′2008-1-11南京航空航天大学自动化学院2522111(1)nnnsnsnn′=+=+−=定子旋转磁动势的转速为n1，转子旋转磁动势相对于转子的转速为，同时它又随转子旋转，转子转速为n，两者转向一致，转子旋转磁动势相对于定子的转速是：2n可见，无论转子的转速怎么变化，转子旋转磁动势和定子旋转磁动势总是以同速、同向在空间始终保持相对静止。′•理想空载运行时，激磁磁动势全部由定子磁势F1提供，即：Fm＝F1；•负载运行时，转子绕组中有电流I2流过，产生一个同步旋转磁动势F2，为了保持Fm不变，定子磁势F1除了提供激磁磁势Fm外，还必须抵消转子磁势F2的影响，即：12()mFFF=−+2008-1-11南京航空