电机课件

第四章异步电机（一）——三相异步电动机的基本原理一、三相异步电动机的工作原理与运行状态第一节三相异步电动机的工作原理及结构1、旋转磁场的产生旋转磁场——一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场。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。交流电机有两大类：异步电机和同步电机。同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系。异步电机则不然。异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。2B相从A相后移120°C相从B相后移120°A相从C相后移120°当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。tIicosmA)120cos(mBtIi)240cos(mCtIi3四极旋转磁场示意图160sfnp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。42、三相异步电动机的工作原理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。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异步电动机的工作原理决定了它的转速一般低于同步转速。如果异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，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。右手定则决定电流方向左手定则决定导条受力方向5转差ns-n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。——同步转速100%ssnnsnsnn——转子异步转速[例4-1]有一台50Hz的三相异步电动机运行，空载转差率为0.267%，额定转速为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。min/r730Nn解额定转差率同步转速16060503000sfnppp考虑本题的额定转速750r/minsn4p极对数空载转速0(1)750(10.267%)r/min748r/minssnnsNNN750730100%100%2.67%750snnsn6异步电动机的三种运行状态7二、三相异步电机的结构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89101、定子异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。11定子冲片定子线圈12铁心和机座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）笼型绕组铜条笼型转子铸铝笼型转子13笼型转子14绕线转子照片152）绕线型绕组3、气隙16第二节三相异步电动机的铭牌数据额定功率——电动机在额定运行时输出的机械功率,单位kW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额定频率——我国的电网标准频率为50Hz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/min此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（星形还是三角形）、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。17第三节三相异步电动机的定子绕组一、交流绕组的一些基本知识和基本量1、电角度与机械角度电机圆周在几何上分成360°，这个角度称为机械角度。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360°电角度。可见，一个具有p对磁极电机，电机圆周按电角度计算就为p×360°，而机械角度总是360°。电角度=p×机械角度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。1y1y——整距绕组，1y——短距绕组，——长距绕组184、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1360Qp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（m——相数）pmQq21二、交流绕组的排列和联接为了便于说明问题，以下假设给定电机极数2p=4，槽数Q1=241、极距的计算，若2p=4，Q1=24，则τ=6pQ21192、线圈中的电流方向两极磁动势图四极磁动势图3、确定相带——每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为“相带”，q=Q1/(2mp)；每个相带为60°电角度。204、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三相绕组排列和联接的一般方法为: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。21三、三相单层绕组单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边，整个绕组的线圈数等于总槽数的一半。以下用定子槽数为24，两极电机的定子绕组为例，说明单层绕组构成。1、计算极距12122421pQ2、计算每极每相槽数41322421mpQq3、划分相带相带槽号AZBXCY第一对极23,24,1,23,4,5,67,8,9,1011,12,13,1415,16,17,1819,20,21,22224、组成线圈组相绕组的构成同心式绕组三相单层同心式绕组展开图23四、三相双层绕组双层绕组的每个槽内都有上下两个线圈边，每个线圈的一个边放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距y1的另一个槽的下层。整个绕组的线圈数等于槽数。以下用3相4极36槽的双层叠绕组为例，说明3相双层绕组的排列和联接。1、计算极距943621pQ2、选择节距选择短节距81y3、计算每极每相槽数32323621mpQq并且计算槽距角2060q244、画展开图画出槽内线圈边（上层边用实线，下层边用虚线表示），并且编号25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19,20,2122,23,2425,26,2728,29,3031,32,3334,35,36按每极每相槽数划分相带5、组成线圈组26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（一）整距线圈的磁动势整距线圈磁动势分布曲线整距线圈所建立的磁场分布27ωt=0,i=Imωt=90°,i=0ωt=180°,i=-ImtINiNtxfyyycos2221),(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。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。脉振的频率就是交流电流的频率。28四极整距线圈的磁动势磁场分布磁动势分布把以2τ为周期的矩形磁动势波用傅氏级数分解应用傅氏级数对矩形波进行分解。矩形波中含有1，3，5，…奇次谐波，又对称于纵轴。txxxINtxFtxfyymycosπ5cos51π3cos31πcos9.0cos)(),(29各线圈磁动势波（二）线圈组的磁动势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线圈组的合成基波磁动势为1122π4qyqIkNqF2sin2sin1qqkq为基波磁动势的分布因数1、整距线圈的线圈组磁动势30[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。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qk312、短距线圈的线圈组磁动势q=2,τ=6,y1=5的双层短距叠绕组短距线圈节距缩短的角度111ππyy111)1(1Φ22cos2yqqpkFFF式中90sin)180180(21cos2cos111yyky称为基波磁动势的节距因数32同理，对于v次谐波yvqvpvkFF2)1(式中2cos90sin1vvykyv称为谐波磁动势的节距因数（三）相绕组的磁动势绕组由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该打一个折扣kq1；线圈由整距改为短距的基波合成磁动势幅值应该打一个折扣ky1；因此，由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数kw1=kq1ky1，称为基波绕组因数。对于v次谐波kwv=kqvkyv33IpNkFW119.0对于单相绕组磁动势，可以归纳以下几点：1）单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值随时间变化的脉振磁动势。2）单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合。3）单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为；而v次谐波磁动势幅值为：；谐波次数越高，幅值越小。IpNkvFWvv9.01二、三相绕组的磁动势–旋转磁动势取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为x的正方向，同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点，则三相的基波磁动势为：txFfAcosπcos11120cos120πcos11txFfB240cos240πcos11txFfC34利用三角公式)cos()cos(21coscos)πcos(21)πcos(21cosπcos1111xtFxtFtxFfA)240πcos(21)πcos(21)120cos()120πcos(1111xtFxtFtxFfB)120πcos(21)πcos(21)240cos()240πcos(1111xtFxtFtxFfC将三相基波磁势相加，得出三相绕组的基波合成磁动势)πcos()πcos(23),(111111xtFxtFffftxfCBA式中IpNkmFFW111129.023（m1为相数）三相绕组合成磁动势是一个大小不变、旋转的行波，可以按以下方法确定其转速。对于波幅这一点，其幅值恒为F1，cos(ωt-πx/τ)=1,即ωt-πx/τ=0，ωt=πx/τ，θ=πx/τ，dπdddsxtt350t0t三相绕组基波磁势合成圆形旋转磁动势1160602π602π2πssffnppp旋转磁场转速可以得出结论，当某相电流达到最大值，旋转磁动势的幅值就将转到该相绕组的轴线处。36如果电流是正序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向B相，再转向C相。如果电流是负序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向C相，再转向B相。因此，如果要改变三相异步电动机磁场的旋转方向，只要改变定子电流的相序，把定子绕组三个出线端的任意两个（例如B端和C端）对调即可。)πcos(21)πcos(21cosπcos1111xtFxtFtxFfA)120πcos(21)πcos(21)240cos()120πcos(1111xtFxtFtxFfB)120πcos(21)πcos(21)120cos()240πcos(1111xtFxtFtxFfC从