《電機與電力拖動》課件-1

一、三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)三相異步電動機的種類很多，按照其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，可分為籠形異步電動機和繞線形異步電動機；按照其外殼防護方式的不同，可分為開啟型、防護型和封閉型三相異步電動機；按照尺寸的不同，可以分為大型、中型、小型三相異步電動機。常見的三相異步電動機的外形如圖所示。（a）三相籠形異步電動機

（b）三相繞線形異步電動機雖然三相異步電動機的種類很多，但基本結(jié)構(gòu)相同，都是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間有空氣隙。此外，三相異步電動機還有端蓋、軸承、機座、風(fēng)扇、風(fēng)罩、接線盒、吊環(huán)等部件，如圖所示。1．定子部分機座鑄鐵鑄鋼主要作用是固定定子鐵芯和定子繞組定子鐵芯裝在機座里，是異步電動機主磁通的一部分。它由0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，有良好的導(dǎo)磁性能，且表面涂有絕緣漆，能夠減少交變磁通通過鐵芯時引起的渦流損耗。定子鐵芯的內(nèi)圓上沖有均勻分布的槽口，槽內(nèi)嵌放定子繞組，如圖所示。常用定子鐵芯的槽型有3種：開口型、半開口型和半閉口型，如圖所示。開口型的槽口寬度與槽寬相等，用以嵌放成型繞組，主要用在高壓電動機中；半開口型的槽口寬度為槽寬的一半或者稍大一點，也可以嵌放成型繞組，一般用在大中型低壓電動機中；半閉口型的槽口寬度小于槽寬的一半，故其繞組嵌線和絕緣處理比較困難，但電動機的效率和功率因數(shù)都很高，一般用在小型低壓電動機中。（a）開口型

（b）半開口型

（c）半閉口型三相異步電動機的3個繞組是相互獨立的，每個繞組為一相，在空間上相差120°，其結(jié)構(gòu)完全對稱，一般有6個出線端，即U1，U2，V1，V2，W1，W2，出線端均接在引線盒內(nèi)，繞組的排列如圖所示，可以接成星形（Y）或三角形（△）。（a）星形聯(lián)結(jié)（b）三角形聯(lián)結(jié)

端蓋由鑄鐵或鑄鋼澆鑄而成，主要起防護作用。2．轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子鐵芯一般由0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，是電動機主磁通磁路的一部分，其外圓上也均勻分布著槽孔，用來安放轉(zhuǎn)子繞組。一般小型異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯直接套壓在轉(zhuǎn)軸上，大中型異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯先套壓在轉(zhuǎn)子支架上，然后再套裝在轉(zhuǎn)軸上。籠形轉(zhuǎn)子籠形轉(zhuǎn)子通常有銅排轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)形式。在轉(zhuǎn)子鐵芯的每個槽中放置沒有絕緣的銅條，在銅條的兩端用端環(huán)把銅條連接起來，形成一個籠子的形狀，稱為銅排轉(zhuǎn)子，如圖所示。將轉(zhuǎn)子的刀條和端環(huán)風(fēng)扇的葉片用鋁液澆鑄在一起可形成鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖所示。鑄鋁轉(zhuǎn)子適用于中小型異步電動機。繞線形轉(zhuǎn)子繞線形轉(zhuǎn)子的繞組同定子繞組類似，也是按一定規(guī)律分布的三相對稱繞組，一般用星形聯(lián)結(jié)。繞組的三相引出線分別接在轉(zhuǎn)軸的3個滑環(huán)上，通過電刷裝置引出，與外部電路的變阻器相連（變阻器也采用星形聯(lián)結(jié)），調(diào)節(jié)變阻器的阻值可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，從而改善電動機的運行性能。繞線形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖所示。3．其他部分氣隙軸承風(fēng)扇和風(fēng)罩接線盒吊環(huán)二、三相異步電動機的銘牌1．型號為了適應(yīng)不同用途和不同工作環(huán)境的需要，將電動機制成不同的系列（如Y系列、Y2系列、YB系列等）。每種系列用各種型號表示。2．額定值0102030405額定電流額定電壓額定功率額定轉(zhuǎn)速額定頻率3．接法接法是指電動機三相定子繞組與交流電源的連接方法，分為星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)，符號分別為Y和△（D）。若銘牌上標(biāo)有兩個電壓值如380/220V，接法為Y/△，則表明當(dāng)電源線電壓為380V時應(yīng)采用星形聯(lián)結(jié)；當(dāng)電源線電壓為220V時應(yīng)采用三角形聯(lián)結(jié)。3周期斷續(xù)工作制4．工作制12

電動機可以在額定狀態(tài)下長期連續(xù)運行，不受時間限制。連續(xù)工作制

指電動機按銘牌值工作時只能在規(guī)定的時間內(nèi)短時運行。短時工作制指電動機按銘牌值工作時，每運行一段時間就要停止一段時間，如此按一定周期重復(fù)運行。5．絕緣等級絕緣等級是指電動機各繞組及其他絕緣部件所采用絕緣材料的耐熱能力，即三相異步電動機允許的極限溫度。絕緣材料按耐熱能力可分為7個等級，見表。絕緣等級與極限工作溫度6．防護等級防護等級是指電動機外殼的防護等級，IP是防護等級標(biāo)志符號，它后面的兩位數(shù)字分別表示電動機的防固體和防水的能力。數(shù)字越大，防護能力越強。如IP11是開啟型，IP22，IP23是防護型，IP44是封閉型。一、基本工作原理1．旋轉(zhuǎn)磁場將三相異步電動機的定子繞組接成星形聯(lián)結(jié)，繞組U1U2，V1V2，W1W2之間在空間上的位置差為120°，如圖所示。將定子繞組首端U1，V1和W1中對應(yīng)通入三相交流電iU，iV和iW，波形如圖所示，相序為U—V—W。三相電流各自在繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，該磁場按一定規(guī)律分布在定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯和氣隙之間，并隨著三相交流電流的變化繞著中心軸在空間不停地旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程如圖所示。旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)的速度稱為轉(zhuǎn)速，也叫同步轉(zhuǎn)速，符號為n1，單位為r/min。上述討論中定子繞組產(chǎn)生的磁場為兩極磁場，即磁極對數(shù)

，三相交流電變化一個周期時，磁場也轉(zhuǎn)動一周。當(dāng)定子繞組連接形成的是兩對磁極時，可以分析出當(dāng)三相交流電變化一個周期時，磁場轉(zhuǎn)動半圈。經(jīng)實踐證明，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速是由交流電頻率f1和磁極對數(shù)p共同決定的，其數(shù)學(xué)表達式為：2．轉(zhuǎn)動原理將定子三相繞組U1U2，V1V2，W1W2中通入三相交流電后，將產(chǎn)生沿順時針方向旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速為n1的磁場，如圖所示。三相異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動過程如下。01轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流02轉(zhuǎn)子導(dǎo)體轉(zhuǎn)動二、轉(zhuǎn)差率1．轉(zhuǎn)差率的定義由上述分析可以看出，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差對于三相異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動起決定性作用。為此，引入轉(zhuǎn)差率的概念來衡量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。將旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)速差，用

表示，即

，轉(zhuǎn)速差與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1之比稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即：2．轉(zhuǎn)差率對三相異步電動機狀態(tài)的影響三相異步電動機的三種運行狀態(tài)一、三相異步電動機定子繞組概述1．定子繞組的要求和分類電磁方面在繞組中通過三相對稱電流時，氣隙中有旋轉(zhuǎn)磁場。氣隙中有旋轉(zhuǎn)磁場時，繞組中產(chǎn)生對稱的三相感應(yīng)電動勢。三相繞組通過電流所建立的磁場在空間的分布應(yīng)盡量為正弦分布，而且旋轉(zhuǎn)磁場在三相繞組中的感應(yīng)電動勢必須隨時間按正弦規(guī)律變化。結(jié)構(gòu)方面要求三相交流繞組必須對稱分布，各相繞組的導(dǎo)體數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)、導(dǎo)體的規(guī)格必須相同。每相繞組在空間位置上應(yīng)均勻分布，三相繞組在空間位置上分別相差120°電角度。每相繞組在空間上的分布規(guī)律相同。010203按相數(shù)的不同分為單相、兩相和三相繞組。按槽中繞組的數(shù)量不同

分為單層、雙層和單雙層繞組。按繞組端接部分形狀的不同單層繞組包括同心式繞組、交叉式繞組和鏈?zhǔn)嚼@組，雙層繞組包括疊繞組和波繞組。04按每極每相所占槽數(shù)是整數(shù)還是分數(shù)分為整數(shù)槽和分數(shù)槽。2．定子繞組的基本概念線圈是構(gòu)成繞組的基本部件，也稱為繞組元件，它是用一匝或多匝相互絕緣的導(dǎo)線繞制而成的。為了作圖方便，常把線圈畫成近似菱形，如圖所示。線圈的直線部分安裝在鐵芯槽內(nèi)，稱為有效邊；其他部分伸出了鐵芯槽，僅起連接作用，稱為端部。每個線圈有兩個引出線，一個稱為首端，另一個稱為尾端。線圈組

多個線圈連接成一組稱為線圈組。繞組

將若干個線圈或線圈組按一定規(guī)律連接在一起，就構(gòu)成了一相繞組。磁極對數(shù)電動機的每相繞組在交流電的作用下會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的磁極N，S在某一時刻交替分布，磁場中磁極的個數(shù)稱為極數(shù)，記作2p。由于磁極是成對出現(xiàn)的，磁場中N，S極的對數(shù)稱為磁極對數(shù)，記作p。節(jié)距極距每極每相槽數(shù)電角度槽距角相帶和極相組

q個槽所占的區(qū)域稱為一個相帶。把一個相帶中的線圈（即一個磁極下屬于同一組的q個線圈）按一定方式串聯(lián)起來形成的線圈組稱為極相組。同一個極相組中所有線圈的電流方向相同。定子繞組的結(jié)構(gòu)通常用展開圖來表示。展開圖是指將定子鐵芯沿軸向切開，展開成平面，將這種定子鐵芯及繞組畫成平面的圖形。如圖所示為三相36槽4極單層交叉式繞組展開圖。分極、分相圖與U相繞組三相繞組二、三相單層繞組和三相雙層繞組1．三相單層繞組單層同心式繞組

單層同心式繞組是由幾個幾何尺寸和節(jié)距不等的線圈連成同心形狀的線圈組構(gòu)成。單層交叉式繞組

單層交叉式繞組的特點是：線圈個數(shù)和節(jié)距都不相等，但同一組線圈的形狀、幾何尺寸和節(jié)距都相同，各線圈組的端部互相交叉。單層鏈?zhǔn)嚼@組

單層鏈?zhǔn)嚼@組是由幾個幾何尺寸和節(jié)距都相同的線圈連接而成，就整個外形來說，形如長鏈，故稱為鏈?zhǔn)嚼@組。2．三相雙層繞組雙層繞組是鐵芯的每個線槽中分上、下兩層嵌放兩條線圈邊的繞組。為了使各線圈分布對稱，安排嵌線時一般某個線圈的一條邊如在上層，另一條邊則一定在下層。

一般三相繞組的排列和連接的方法為：計算極距→計算每極每相槽數(shù)→劃分相帶→組成線圈組→按極性對電流方向的要求分別構(gòu)成相繞組。1．空載電流和空載磁動勢當(dāng)電動機空載，定子三相繞組接到對稱的三相電源時，在定子繞組中流過的（相）電流稱為空載電流

。三相空載電流將在氣隙內(nèi)形成按正弦規(guī)律分布，并以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的定子空載磁動勢F0。由于電動機空載，電動機軸上沒有任何機械負荷，所以電動機的空載轉(zhuǎn)速將非常接近于同步轉(zhuǎn)速。在理想空載的情況下，可以認為

，即轉(zhuǎn)差率

，因而轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電動勢

E2=

0，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流I2=0

。所以空載時電動機氣隙磁場完全由定子空載磁動勢F0產(chǎn)生?？蛰d時的定子磁動勢F0即為勵磁磁動勢，空載時的定子電流

即為勵磁電流。一、空載運行空載電流

的有功分量

用來供給空載損耗，包括空載時的定子銅損耗、定子鐵芯損耗和機械損耗。無功分量

用來產(chǎn)生氣隙磁場，也稱為磁化電流，它是空載電流中的主要部分，這樣空載電流

可寫成：2．空載時的定子電壓平衡關(guān)系

顯然，對于一定的電動機，當(dāng)頻率f1一定時，

。由此可見，在異步電動機中，若外施電壓一定，則主磁通F

大體上也為一定值。這和變壓器的情況相同。1．負載運行時的電磁關(guān)系二、負載運行定子電壓平衡方程式1．負載運行時的電磁關(guān)系負載運行時，電動機將以低于同步轉(zhuǎn)速n1的速度n旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)向仍與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同。因此氣隙磁場與轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速為

，

也就是氣隙旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組的速度，于是在轉(zhuǎn)子繞組中就感應(yīng)出電動勢，產(chǎn)生電流，其頻率為：二、負載運行2．轉(zhuǎn)子繞組各電磁量的特點感應(yīng)電動勢及電流的頻率轉(zhuǎn)子電抗X2s電動勢E2s轉(zhuǎn)子電流I2s轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)3．磁動勢平衡方程式當(dāng)異步電動機空載運行時，主磁通是由定子繞組的空載磁動勢單獨產(chǎn)生的；當(dāng)異步電動機負載運行時，氣隙中的合成旋轉(zhuǎn)磁場的主磁通，是由定子繞組磁動勢和轉(zhuǎn)子繞組磁動勢共同產(chǎn)生的，這一點和變壓器相似。由電磁關(guān)系可知，定、轉(zhuǎn)子磁動勢在空間相對靜止，因此可以合并為一個合成磁動勢，即：可以認為定子電流建立的磁動勢有兩個分量：一個是勵磁分量F0，用來產(chǎn)生主磁通；另一個是負載分量

，用來抵消轉(zhuǎn)子磁動勢的去磁作用，以保證主磁通基本不變。這就是異步電動機的磁動勢平衡關(guān)系，使電路上無直接聯(lián)系的定、轉(zhuǎn)子電流有了關(guān)聯(lián)，定子電流隨轉(zhuǎn)子負載轉(zhuǎn)矩的變化而變化。4．電壓平衡方程式根據(jù)前面的分析，異步電動機負載時的定、轉(zhuǎn)子電路與變壓器一、二次繞組不同的是：轉(zhuǎn)子電路的頻率為f2，且轉(zhuǎn)子電路自成閉路，對外輸出電壓為0，如圖所示。1．折算三、等效電路將頻率為f2的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電路折算為與定子頻率f1相同的等效靜止轉(zhuǎn)子電路的過程稱為頻率的折算。轉(zhuǎn)子靜止不動時，s=1

，f2=f1。因此，只要將實際上轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子電路折算為靜止不動的等效轉(zhuǎn)子電路，便可達到頻率折算的目的。實際運行的轉(zhuǎn)子電流為：轉(zhuǎn)子繞組頻率折算后的異步電動機的定、轉(zhuǎn)子電路等效負載電阻上消耗的電功率為

，這部分損耗在實際電路中并不存在，它實質(zhì)上是等效了異步電動機輸出的機械功率，頻率折算后的定、轉(zhuǎn)子電路如圖4-22所示。2．等效電路根據(jù)折算前后各物理量的關(guān)系，可以做出折算后的“T”形等效電路，如圖所示。由“T”形等效電路可得異步電動機負載時的基本方程式為：一、空載試驗1．空載試驗的目的和方法空載試驗接線如圖所示。試驗時，定子接至U1=UN

，f1=fN

的對稱三相電源上，且電動機軸上不帶任何負載，讓電動機在額定電壓下空載運行一段時間（約30min），使其機械損耗達到穩(wěn)定值。然后調(diào)節(jié)電壓從(1.1~1.2)

UN降到0.3UN左右，做7～9組試驗，記錄U1，