三相異步電動機工作原理103的知識

1、電機的概述電機的定義 電機是一種能實現(xiàn)電能和機械能相互轉換的電氣裝置，是電動機和發(fā)電機等的統(tǒng)稱。做為電源，將機械能轉換為電能的電機稱為發(fā)電機；將電能轉換為另一種形式電能的電機，包括變壓器、變流機變頻機、移相器等；控制電機。電機的重要性拖動生產機械，將電能轉換為機械能的電機稱為電動機； 電機是與電能的生產、傳輸、分配、使用有著密切關系的電磁機械。應用非常廣泛 學習電機的相關基本理論和分析方法具有重要意義。交流電動機感性認識下面是它主要部件的拆分圖。 一、三相異步電動機基本結構 右圖是一臺三相籠型感應電動機的外形圖。圖6.1.7 銅條籠型繞組 圖6.1.8 鑄鋁籠型轉子第二章 三相異步電動機 第二

2、節(jié) 三相異步電動機的原理一、旋轉磁場 1.演示實驗 旋轉磁場 感應電動勢電流 電磁轉矩 轉子轉動的方向與磁極旋轉方向是相同。 2.旋轉磁場 一種極性和大小不變，且以一定轉速旋轉的磁場。二、 三相異步電動機的工作原理異步電動機原理模型ei磁鐵閉合線圈人為轉動感應電流受力而旋轉感生電流旋轉磁場產生的條件 從理論分析和實踐證明，在對稱三相繞組中流過對稱三相交流電時會產生這種旋轉磁場。對稱三相繞組三相對稱繞組就是三個外形、尺寸、匝數(shù)都完全相同、首端彼此互隔120、對稱地放置到定子槽內的三個獨立的繞組，如圖所示。AYCBZ()電流出()電流入XAXBYCZiAiBiC 二、三相異步電動機的旋轉磁場的產生

3、 二、三相異步電動機的旋轉磁場的產生 1. 對稱三相繞組 3個外型、尺寸、匝數(shù)都完全相同、首端彼此互隔120、對稱地放置到定子槽內的3個獨立的繞組。由電網(wǎng)提供的三相電壓是對稱三相電壓，由于對稱三相繞組組成的三相負載是對稱三相負載，每相負載的復阻抗都相等，所以，流過三相繞組的電流也必定是對稱三相電流。 2 . 對稱三相電流旋轉磁場的產生 選定t=0 、120 、240、 360四個特定瞬間考察三相電流產生的合成磁效應，說明旋轉磁場的產生并規(guī)定：電流為正值時，從每相線圈的首端入、末端出；電流為負值時，從末端入、首端出。用符號表示電流流出，用表示電流流入。U V WU1U2V1V2W2W1i1 =

4、Imsin ti2 = Imsin( t120O) i3 = Imsin( t120O)i1 i2 i3 t = 0O 時i1 = 0，i2 0， i3 0NSIm tOi1t = 0O 時i1 = 0，i2 0， i30U1U2V1V2W2W1NSt = 120O 時i10，i2 = 0，i3 0 三相異步電動機的工作原理U1U2V1V2W2W1NSU1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NSt = 240O 時i1 0，i20，i3 = 0t = 360O 時i1= 0，i2 0，i30 三相異步電動機的工作原理NS2. 旋轉磁場的方向旋轉磁場的旋轉方向決定于通入定子繞組中的三相交

5、流電源的相序，且與三相交流電源的相序，的方向一致只要任意調換電動機兩相繞組所接交流電源的相序，旋轉磁場即反轉因此要改變電動機的轉向，只要改變旋轉磁場的轉向即可 旋轉磁場的轉向 U (i1) V(i2) W(i3) 由超前相轉向滯后相。 由通入繞組中的電流的相序決定的。 怎樣改變 n0 的方向 ? V(i1) U(i2) W(i3)i 變化一周i 每秒鐘變化 50 周i 每分鐘變化 (5060) 周 旋轉磁場轉一圈旋轉磁場轉 50 圈旋轉磁場轉 3000 圈 . 旋轉磁場的轉速同步轉速 n1 的大小怎樣改變？ 三相異步電動機的工作原理n1= 3000 = 60 f1 (r / min)旋轉磁場的

6、旋轉速度稱為同步轉速U1U2V1V2W2W1每相繞組由一個線圈組成U1 V1 W1U2 V2 W2U3 V3 W3U4 V4 W4U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相繞組由兩個線圈串聯(lián)組成 三相異步電動機的工作原理當三相對稱電流通入三相對稱繞組，必然會產生一個大小不變，且在空間以一定的轉速不斷旋轉的旋轉磁場。繞組按一定規(guī)律繞制，產生的旋轉磁場可相應達到1對、2對 、3對等多對磁極。U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3t = 0O 時 i1 = 0，i2 0， i3 0 NSNS 磁極對數(shù) p p = 2 電流變化一周 旋轉磁場轉半圈 n1 = 1 500 當磁極對數(shù)

7、 p = 3 時 n1 = 1 000 60 f1 2= 60 f1 3= 三相異步電動機的工作原理 結 論 旋轉磁場的轉速 n1 取決于電流頻率 f 和磁極對數(shù) p。p 磁極對數(shù) f 電流頻率 f = 50 Hz 時： 1 2 3 4 5 6 3 000 1 500 1 000 750 600 500 pn0/(r/min)二、三相異步電動機的工作原理當定子接通三相電源后，即在定、轉子之間的氣隙內建立了一同步速為n1的旋轉磁場。磁場旋轉時將切割轉子導體，根據(jù)電磁感應定律可知，在轉子導體中將產生感應電勢，其方向可由右手定則確定。磁場逆時針方向旋轉，導體相對磁極為順時針方向切斷磁力線。轉子上半邊

8、導體感應電勢的方向為流進，用表示；下半邊導體感應電勢的方向為流出，用表示。 因轉子繞組是閉合的，導體中有電流，電流方向與電勢相同。載流導體在磁場中要受到電磁力，其方向由左手定則確定。這樣，在轉子導條上形成一個逆時針方向的電磁轉矩。于是轉子就跟著旋轉磁場逆時針方向轉動。 5、轉差率（異步原理） 旋轉磁場的轉速與轉子（電動機）的轉速之差稱為轉差，轉差與旋轉磁場的轉速之比稱為轉差率，用s表示，即 AYCBZXn1n旋轉磁場轉速電動機轉速 轉差率 轉差率是異步電機的一個基本物理量，它反映電機的各種運行情況。轉子未轉動時，電機理想空載時，作為電動機，轉速在范圍內變化，轉差率在01范圍內變。 負載越大，轉

9、速越低，轉差率越大；反之，轉差率越小。轉差率的大小能夠反映電機的轉速大小或負載大小。電機的轉速為： 額定運行時，轉差率一般在0.020.06之間，即電機轉速接近同步轉速。轉差率 :s = n1n n1轉子轉速 : n=(1 s) n1=(1-s)60f/p 起動時 n = 0，s = 1 理想空載時 n = n1，s = 0 正常運行時 0nn1， 1s0 額定運行時 sN = 0.01 0.09 三相異步電動機的工作原理異步電機的各種運行狀態(tài) 狀態(tài) 制動狀態(tài) 堵轉狀態(tài) 電動機狀態(tài) 理想空載狀態(tài) 發(fā)電機狀態(tài)轉子轉速轉差率n0 s1n = 0s = 10nn1 1s0n = n1s = 0nn1

10、s0工作原理三相交流電源接通三相定子繞組定子繞組產生三相對稱電流三相對稱電流在電機內部建立旋轉磁場旋轉磁場與轉子繞組產生相對運動 ( 切割 )轉子繞組中產生感應電流感應電流轉子繞組(感應電流)在磁場中受到電磁力的作用在電磁力作用下，轉子逆時針方向開始旋轉，轉速為n 。iAACBXZYiBiC三相異步電動機原理簡圖三相對稱電流旋轉磁場感應電流由此可知，異步電動機是通過載流的轉子繞組在磁場中受力而使電動機旋轉的，而轉子繞組中的電流由電磁感應產生，并非外部輸入，故異步電動機又稱感應電動機。例題：某三相異步電動機的額定轉速為720r/min，試求該電動機的額定轉差率及磁極對數(shù)。解：因為 n1=60f1

11、/p ， 所以：當p=1時， n1=3000 r/min； 當p=2時， n1=1500 r/min； 當p=3時， n1=1000 r/min； 當p=4時， n1=750 r/min； 當p=5時， n1=600 r/min。 又因為nN略低于 n1，所以n1=750 r/min。 所以 p=60f1/ n1 =60 50/750=4 SN= （n1nN）/n1=（750720）/750=0.04【例題】 異步電動機滿載時，s0.06故異步電動機的額定轉速略小于磁場同步轉速，由此可知同步轉速 n1 = 750 r/min , p = 4 ，2p = 8 。 空載轉速 n0 = ( 1s0

12、) n1 = ( 10.267 % )750 = 748 r/minr/min額定轉差率 某三相異步電動機，電源頻率為50Hz，空載轉差率s0 = 0.00267，額定轉速nN = 730 r/min。試求：電機的極數(shù)2p 、同步轉速n1 、空載轉速n0 、額定轉差率sN。【解】旋轉磁場的同步轉速為例：已知三相異步電動機極對數(shù)P=2，額定轉速nN=1450r/min,電源頻率f=50Hz,求額定轉差率s。該電動機在進行變頻調速時，頻率突然降為f=45Hz,求此時對應的轉差率s,并問此時電機在何種狀態(tài)下運行？U2U1W2V1W1V2n總結1、電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產生圓形旋轉磁場。

13、2、動磁生電：旋轉磁場切割轉子導體感應電動勢和電流。3、電磁力：轉子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，將電能轉化為機械能。第三節(jié) 三相異步電動機的基本結構一、主要部件1. 定子 定子鐵心、定子繞組、 機座和端蓋等。 定子鐵心的硅鋼片 異步電機的基本理論 定子鐵心 三相異步電動機的基本結構 定子繞組對稱三相繞組。 三相異步電動機的基本結構 定子接線盒U1 V1 W1W2 U2 V2U1 V1 W1U2 V2 W2星形(Y)聯(lián)結U1 V1 W1W2 U2 V 23 三角形()聯(lián)結U1 V1 W1W2 U2 V 23 三相異步電動機的基本結構轉子鐵心、轉子

14、繞組、轉軸、風扇等。轉子鐵心的硅鋼片2. 轉子 轉子繞組 繞線型：對稱三相繞組。 籠 型：對稱多相繞組。 三相異步電動機的基本結構 籠型異步電動機的轉子 三相異步電動機的基本結構 籠型異步電動機的轉子 三相異步電動機的基本結構 籠型異步電動機的轉子 三相異步電動機的基本結構 三相異步電動機的基本結構 繞線型異步電動機的轉子 三相異步電動機的基本結構 繞線型異步電動機的轉子 三相異步電動機的基本結構 三相籠型異步電動機的部件圖 三相異步電動機的基本結構 三相籠型異步電動機的結構轉子 定子 風扇 冷空氣流 罩 殼（非驅動端） 端蓋（驅動端） 三相異步電動機的基本結構 三相繞線型異步電動機的結構三相

15、異步電動機的基本結構 三相繞線型異步電動機示意圖 三相異步電動機的基本結構 三相異步電動機的外形 更多的圖片 三相異步電動機的基本結構 三相異步電動機的外形 更多的圖片 三相異步電動機的外形 三相異步電動機的基本結構 更多的圖片 UN 400 690 V fN 50 / 60 Hz PN 200 2 300 kW 2p 2 8 交流低壓籠型異步電動機 三相異步電動機的基本結構 更多的圖片 UN 690 V，2 11 kVfN 50 / 60 Hz PN 200 3 000 kW 2p 2 12 交流高壓籠型異步電動機 三相異步電動機的基本結構 更多的圖片 第四節(jié)三相異步電動機的定子繞組三相異步

16、電動機的定子繞組和繞線型異步電動機的轉子繞組都是三相對稱繞（統(tǒng)稱為三相交流繞組）定子繞組：通入電流建立旋轉磁場轉子繞組：與磁場有相對運對時將產生感應電動勢它們均是電動機進行能量轉換的關鍵部件。交流繞組的基本知識1線圈、線圈組、繞組組成交流繞組的基本單元叫線圈，它有兩個引出線，一個叫首端，一個叫末端。有效邊端部線線圈可由一匝或多匝組成圈邊 首端 尾端兩匝線圈三相異步電動機定子2.電角度和機械角度機械角度:電動機圓周在幾何上分成3600,稱機械角度.電角度:從電磁觀點來看,經(jīng)過N、S一對磁極恰好相當于一個周期，即經(jīng)過3600電角度，若電動機有P對磁極，電動機圓周按電角度計算電角度=P 機械角度 3

17、.極距定子繞組一個磁極所占有定子圓周的距離。（一般用定子槽數(shù)來表示） =Z/2P Z定子鐵心總槽數(shù)4.節(jié)距Y一個線圈的有兩個有效邊所跨定子圓周的距離,一般也用定子槽數(shù)來表示.5.每極每相槽數(shù)第一個磁極下每相繞組所占有的槽數(shù)Z/2Pm極相組 一個磁極下屬于同一相的線圈按一定方式串聯(lián)成的線圈組稱為極相組.按節(jié)距Y與極距 的關系：整距繞組 Y= 短距繞組 Y 按相數(shù)：單相、兩相、三相繞組按槽內層數(shù)：單層繞組雙層繞組單雙層混和繞組按每極每相所占槽數(shù)：整數(shù)槽繞組分數(shù)槽繞組繞組的分類：按繞組端接部分的形狀：單層繞組分為：同芯式繞組鏈式繞組交叉式繞組雙層繞組分為：疊繞組波繞組二、三相繞組圈邊 首端 尾端1.

18、 三相單層繞組例如：z = 12，p = 1，m = 3，y = 。兩匝線圈 每極每相槽數(shù) q z 2 p m q = =12 213 = 2 123456789101112定子槽 SNU1U2一相繞組接線圖（單層）3.2 三相異步電動機的基本結構SN123456789101112U1簡化的一相 繞組接線圖（單層）U2 槽距角 相鄰兩槽中心 線間的電角度。 = p 360o z= 1 360o12= 30 極距 相鄰兩磁極中心 線間的距離（槽數(shù)）。 z 2 p = =12 21 = 6 3.2 三相異步電動機的基本結構 線圈節(jié)距 y 線圈兩圈邊之間的距離（槽數(shù)） 。當 y = 時，稱為整距繞組

19、；當 y 時，稱為短距繞組。 z2 py = = =12 21= 6 SN123456789101112U1U2yV1 V23.2 三相異步電動機的基本結構當 q1 分布繞組。當 q = 1 集中繞組。SN123456789101112U1U2V1V2W1W2三相單層整距分布繞組接線圖3.2 三相異步電動機的基本結構例如：z = 12，p = 1，m = 3，y = 5。 由計算得： q = 2，= 30，y 。2. 三相雙層繞組NS123456789101112串聯(lián)U1 U2 實線為外層線圈邊，虛線為內層線圈邊。3.2 三相異步電動機的基本結構 雙層繞組3.2 三相異步電動機的基本結構100

20、L-2型三相異步電動機,定子繞組為單層同心式繞組，定子槽數(shù)為=24,極數(shù)2P=2,相數(shù)M=3,大線圈節(jié)距為11(1-12)槽,小線圈節(jié)距為9(2-11)槽,試繪出其繞組展開圖.3.2 三相異步電動機的基本結構3. 三相繞組的種類(1)單層繞組和雙層繞組(2)整距繞組和 短距繞組 整距繞組 y= 短距繞組 y1 【例3.2.1】 Y180M2 型三相異步電動機， PN = 22 kW，UN = 380 V，三角形聯(lián)結，IN = 42.2 A， N = 0.89，fN = 50 Hz，nN = 2 940 r/min。求額定運行時的：(1) 轉差率；(2) 定子繞組的相電流； (3) 輸入有功功率

21、； (4) 效率。 解：(1) 由型號知 2p = 2，即 p = 1，因此 n0 = 3 000 r/min，故sN = n0nN n0= 3 0002 940 3 000= 0.02 (2) 由于定子三相繞組為三角形聯(lián)結，故相電流為 I1P =IN 33.2 三相異步電動機的基本結構42.2 3= A = 24.4 A氣隙基波磁通勢的幅值2 kw N I2p=4Fpm = 0.9 kw N I p三、旋轉磁通勢三相電流通過三相繞組時，三相繞組的三個基波脈振磁通勢為FpU = Fpm sin tFpV = Fpm sin( t 120o )FpW = Fpm sin( t120o )3.4

22、三相異步電動機的磁通勢平衡方程式 【例3.4.1】 有一三相雙層繞組， z = 36 ， p = 2，y = 8 /9， N = 96。(1) 分析該繞組的類型； (2) 若旋轉磁場磁通最大值 m = 0.011 Wb，轉速 n0 = 1 500 r/min，則每相繞組中產生的電動勢的有效值是多少？ (3) 若通過每相繞組的電流有效值為 I = 2.04 A，該三相繞組產生的旋轉磁通勢的幅值是多少？ 解：(1) 由于 y = 8 /9 ，故為短距繞組。由于q =z2pm=36223= 31(2) 電動勢 分布繞組 kp = sin 90 y= sin ( 90) 89= 0.9853.4 三相

23、異步電動機的磁通勢平衡方程式 = p 360 zks =2qsin2q sin= 2360 36= 20=20 2sin(3 ) 3sin20 2= 0.96f =p n060= 50 Hz = Hz 21 500 60E = 4.44 f kw Nm = 4.44500.9850.96960.011 V = 220 V3.4 三相異步電動機的磁通勢平衡方程式R2 s= m1 I22 4. 電磁功率 PePe = P1PCu1PFePe = m2 E2 I2cos2 = m1 E2 I2 cos25. 轉子銅損耗 PCu2 PCu2 = m2 R2 I22 = m1 R2 I2 2 = s P

24、e3.6 三相異步電動機的功率和轉矩= m1 R2I2 2 + m1 R2I2 2 1s s8. 輸出功率 P2 P2 = PmP0 = PePCu2P0 = P1PCu1PFePCu2P06. 機械功率 PmPm = PePCu21ss Pm = m1 R2I22 = (1s ) Pe7. 空載損耗 P0 P0 = PmePad機械損耗附加損耗3.6 三相異步電動機的功率和轉矩P1PCu1+PFePePCu2P0P2Pm 總損耗 Pal Pal = PFePCuPmePad = PFe(PCu1PCu2) PmePad 功率平衡方程式 P2 = P1Pal 效率 = 100% P2 P1 3

25、.6 三相異步電動機的功率和轉矩 【例3.6.1】 某三相異步電動機，UN = 380 V，形聯(lián)結, f1=50Hz, R1=1.5, R2=1.2。在拖動某負載運行時，相電流 I1 = 11.5A， I2 = 10A, =0.86, =82% , n = 1446 r/min。求：該電機的 P1、Pe、Pm 和P2 。解： 同步轉速 T2 = TL = 140 Nm3.6 三相異步電動機的功率和轉矩n0 =60f1p = 60 50 2r/min=1500 r/min轉差率 s = n0n n0= 1 5001 446 1 500= 0.036 輸入功率 P1 =3 U1 I1 = 3 38

26、0 11.50.86W=11.27kW P2 = P1= 0.8211.27 kW = 9.24 kW Pm = (1s ) Pe= (10.036 )10 kW = 9.64 kW3.6 三相異步電動機的功率和轉矩輸出功率 電磁功率 機械功率 Pe = m1 I2 2R2 s= 3 10 2 W = 10 kW 1.20.036二、三相異步電動機的轉矩Pm = P2P0 T = T2T0 1. 電磁轉矩 TT = PmPmn = 9.55 = 60 Pm2 nT = Pe0 = 60 Pe2 n0Pen0 = 9.55 2. 空載轉矩 T0T0 = P0 = 60 P0 2 nP0n = 9

27、.55 3. 輸出轉矩 T2T2 = P2 = 60 P2 2 nP2n = 9.55 3.6 三相異步電動機的功率和轉矩 電動機的負載轉矩為 TL，穩(wěn)定運行時 T2 = TL若 TL T2TL n s E2s I2s (I1) T T2 = TL 重新穩(wěn)定運行( n 較高, I1 較小)。 一般 T0 很小 ，在滿載或接近滿載時， 3.6 三相異步電動機的功率和轉矩 T0 T 因此 T = T2 = TL 大連理工大學電氣工程系 【例3.6.2】求例3.6.1中的電動機的轉矩T2 、 T0 和T 。解: 輸出轉矩 電磁轉矩 空載轉矩 T2 = 60 P2 2 n 60 9.24 103 2

28、3.14 1446=N m=61.05N m T0 = 60 P0 2 n 60 0.4 103 2 3.14 1446=N m=2.64N m P0 = Pm P2 =(9.64 9.24) kW=0.4kW 空載損耗 T = T0+ T2 =(2.64+61.05) N m=63.69N m 3.6 三相異步電動機的功率和轉矩大連理工大學電氣工程系T = 60 Pe 2 n0 60 10 103 2 3.14 1500=N m=63.69N m T = 60 Pm 2 n 60 9.64 103 2 3.14 1446=N m=63.69N m 或者3.6 三相異步電動機的功率和轉矩3.7 三相異步電動機的運行特性 當 U1= U1N， f1 = f1N 時， n = f (P2) I1 = f (P2) T = f (P2) = f (P2) = f (P2)運行特性 nI1T P2 n I1(I2) T (P1) 在額定功率附近， 和 最高。第3章 異步電機的基本理論O P2n, , , I1 , T 3.8 單相異步電動機Oft一、脈振磁場 定子：