《電機與電力拖動》課件-1

一、三相異步電動機的基本結構三相異步電動機的種類很多，按照其轉子結構的不同，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，但基本結構相同，都是由定子和轉子兩大部分組成，定子和轉子之間有空氣隙。此外，三相異步電動機還有端蓋、軸承、機座、風扇、風罩、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。定子鐵芯的內圓上沖有均勻分布的槽口，槽內嵌放定子繞組，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°，其結構完全對稱，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，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（b）三角形聯(lián)結

端蓋由鑄鐵或鑄鋼澆鑄而成，主要起防護作用。2．轉子部分轉子鐵芯一般由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，用來安放轉子繞組。一般小型異步電動機的轉子鐵芯直接套壓在轉軸上，大中型異步電動機的轉子鐵芯先套壓在轉子支架上，然后再套裝在轉軸上。籠形轉子籠形轉子通常有銅排轉子和鑄鋁轉子兩種結構形式。在轉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，稱為銅排轉子，如圖所示。將轉子的刀條和端環(huán)風扇的葉片用鋁液澆鑄在一起可形成鑄鋁轉子，如圖所示。鑄鋁轉子適用于中小型異步電動機。繞線形轉子繞線形轉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。繞組的三相引出線分別接在轉軸的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），調節(jié)變阻器的阻值可以改變電動機的轉速，從而改善電動機的運行性能。繞線形轉子的結構如圖所示。3．其他部分氣隙軸承風扇和風罩接線盒吊環(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)結和三角形聯(lián)結，符號分別為Y和△（D）。若銘牌上標有兩個電壓值如380/220V，接法為Y/△，則表明當電源線電壓為380V時應采用星形聯(lián)結；當電源線電壓為220V時應采用三角形聯(lián)結。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．旋轉磁場將三相異步電動機的定子繞組接成星形聯(lián)結，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生相應的磁場，該磁場按一定規(guī)律分布在定子鐵芯、轉子鐵芯和氣隙之間，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，旋轉過程如圖所示。旋轉磁場旋轉的速度稱為轉速，也叫同步轉速，符號為n1，單位為r/min。上述討論中定子繞組產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，磁場也轉動一周。當定子繞組連接形成的是兩對磁極時，可以分析出當三相交流電變化一個周期時，磁場轉動半圈。經(jīng)實踐證明，旋轉磁場的轉速是由交流電頻率f1和磁極對數(shù)p共同決定的，其數(shù)學表達式為：2．轉動原理將定子三相繞組U1U2，V1V2，W1W2中通入三相交流電后，將產生沿順時針方向旋轉、轉速為n1的磁場，如圖所示。三相異步電動機轉子的轉動過程如下。01轉子導體中產生感應電流02轉子導體轉動二、轉差率1．轉差率的定義由上述分析可以看出，旋轉磁場的轉速與轉子轉速之差對于三相異步電動機轉子的轉動起決定性作用。為此，引入轉差率的概念來衡量轉子轉速與旋轉磁場轉速之間的關系。將旋轉磁場的同步轉速n1與轉子轉速n之差稱為轉速差，用

表示，即

，轉速差與旋轉磁場的轉速n1之比稱為轉差率，用s表示，即：2．轉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，氣隙中有旋轉磁場。氣隙中有旋轉磁場時，繞組中產生對稱的三相感應電動勢。三相繞組通過電流所建立的磁場在空間的分布應盡量為正弦分布，而且旋轉磁場在三相繞組中的感應電動勢必須隨時間按正弦規(guī)律變化。結構方面要求三相交流繞組必須對稱分布，各相繞組的導體數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)、導體的規(guī)格必須相同。每相繞組在空間位置上應均勻分布，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、交叉式繞組和鏈式繞組，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，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生旋轉磁場，旋轉磁場的磁極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。定子繞組的結構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。單層鏈式繞組

單層鏈式繞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，故稱為鏈式繞組。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成相繞組。1．空載電流和空載磁動勢當電動機空載，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形成按正弦規(guī)律分布，并以同步轉速n1旋轉的定子空載磁動勢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速將非常接近于同步轉速。在理想空載的情況下，可以認為

，即轉差率

，因而轉子導體中的電動勢

E2=

0，轉子導體中的電流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系

顯然，對于一定的電動機，當頻率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系負載運行時，電動機將以低于同步轉速n1的速度n旋轉，其轉向仍與氣隙旋轉磁場的轉向相同。因此氣隙磁場與轉子的相對轉速為

，

也就是氣隙旋轉磁場切割轉子繞組的速度，于是在轉子繞組中就感應出電動勢，產生電流，其頻率為：二、負載運行2．轉子繞組各電磁量的特點感應電動勢及電流的頻率轉子電抗X2s電動勢E2s轉子電流I2s轉子電路的功率因數(shù)3．磁動勢平衡方程式當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生的；當異步電動機負載運行時，氣隙中的合成旋轉磁場的主磁通，是由定子繞組磁動勢和轉子繞組磁動勢共同產生的，這一點和變壓器相似。由電磁關系可知，定、轉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，用來產生主磁通；另一個是負載分量

，用來抵消轉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系，使電路上無直接聯(lián)系的定、轉子電流有了關聯(lián)，定子電流隨轉子負載轉矩的變化而變化。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、轉子電路與變壓器一、二次繞組不同的是：轉子電路的頻率為f2，且轉子電路自成閉路，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的旋轉轉子電路折算為與定子頻率f1相同的等效靜止轉子電路的過程稱為頻率的折算。轉子靜止不動時，s=1

，f2=f1。因此，只要將實際上轉動的轉子電路折算為靜止不動的等效轉子電路，便可達到頻率折算的目的。實際運行的轉子電流為：轉子繞組頻率折算后的異步電動機的定、轉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，