電機與拖動課件-第3章交流異步電動機

第3章交流異步電動機

3.1三相異步電動機的工作原理與結(jié)構(gòu)3.2三相異步電動機的定子繞組3.3三相異步電動機定子繞組的感應(yīng)電動勢3.4三相異步電動機的定子磁動勢3.5三相異步電動機的等值電路和相量圖3.6三相異步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩3.7三相異步電動機的工作特性3.8三相異步電動機的機械特性3.9單相異步電動機

三相異步電動機是應(yīng)用通電導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生電磁力的原理而工作的,如圖所示,外圓圈是可以轉(zhuǎn)動的圓柱形鐵心,安放了一對磁極。在磁極中間裝有一個也能夠轉(zhuǎn)動的圓柱形鐵心,簡稱轉(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子外圓的兩個槽內(nèi)嵌放著一個閉合線圈。若將外圓圈上的一對磁極以速度逆時針旋轉(zhuǎn),成為旋轉(zhuǎn)磁場,切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。用右手定則可知:N極下導(dǎo)條感應(yīng)電動勢方向是向內(nèi)的,S極下是向外的。第3章交流異步電動機

3.1三相異步電動機的工作原理與結(jié)構(gòu)

3.1.1三相異步電動機的工作原理(1)

3.1.1三相異步電動機的工作原理(2)閉合線圈導(dǎo)條中的電流與感應(yīng)電動勢同方向,由左手定則可知,N極下導(dǎo)條電磁力方向向左,S極下的向右,這一對力偶產(chǎn)生了轉(zhuǎn)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩T,其轉(zhuǎn)向為逆時針方向,轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩T的作用下,就會以n的速度沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來,成為電動機。同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差稱為轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速之比,稱為轉(zhuǎn)差率,用s表示,即s也能表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,即異步電動機正常運行時轉(zhuǎn)差率s很小,一般在0.015～0.05之間。3.1.2組成異步電動機的主要部件(1)

圖3.2三相籠型異步電動機的結(jié)構(gòu)圖圖3.3定子鐵心與沖片1.軸2.彈簧片3.軸承4.端蓋5.定子繞組6.機座7.定子鐵心8.轉(zhuǎn)子鐵心9.吊環(huán)10.出線盒11.風(fēng)罩12.風(fēng)扇13.軸承端蓋圖3.2是一臺三相籠型異步電動機的結(jié)構(gòu)圖。主要部件是定子和轉(zhuǎn)子。定子有定子鐵心、定子繞組和機座;轉(zhuǎn)子有轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸。定子鐵心是電動機主磁通所經(jīng)磁路的一部分,用硅鋼片疊壓而成,如圖3.3。3.1.2組成異步電動機的主要部件(2)定子鐵心內(nèi)圓上開有槽,槽內(nèi)放置定子繞組,槽型如右上圖。定子繞組是三相繞組,六個出線頭都引到接線盒上,若銘牌標(biāo)明為Y聯(lián)結(jié),應(yīng)將三個末端的出線頭、、連接在一起,三個首端出線頭、、接三相電源,如圖(a);若為D()聯(lián)結(jié),應(yīng)將與、與、與分別連在一起,三個首端、、接三相電源,如圖(b)。

（a）（b）（c）（a）（b）3.1.2組成異步電動機的主要部件(3)轉(zhuǎn)子鐵心用硅鋼片沖壓疊裝而成,轉(zhuǎn)子槽形如左上圖,槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組有籠型轉(zhuǎn)子繞組和繞線轉(zhuǎn)子繞組?；\型轉(zhuǎn)子繞組如左下圖;繞線轉(zhuǎn)子繞組是對稱的三相繞組,接成星形,三根引出線分別接到三個與轉(zhuǎn)軸絕緣的銅環(huán)上,稱為集電環(huán),通過電刷裝置與外電路相接,如上右圖。

（a）（b）（c）（a）（b）3.1.3三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)1.額定功率,指電動機在額定運行時轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率,kW;2.額定電壓,指額定運行時電網(wǎng)加在定子繞組上的線電壓,V或kV;3.額定電流,指電動機在額定電壓下,輸出額定功率時,定子繞組中的線電流,A;與及之間的關(guān)系是4.額定轉(zhuǎn)速,指額定運行時電動機的轉(zhuǎn)速,單位是轉(zhuǎn)/分(r/min);5.接法用Y或D(Δ)表示,表明定子繞組應(yīng)采用的連接方式,Y表示星形聯(lián)結(jié),D(Δ)表示三角形聯(lián)結(jié)。3.2三相異步電動機的定子繞組定子繞組是由許多線圈按一定規(guī)律連接而成,線圈在槽內(nèi)部分是有效邊,槽外部分是端接,如右上圖。1.如果定子圓周上有p對磁極,則空間電角度=p×機械角度。2.若定子內(nèi)圓周有個槽,則槽距角為3.每相繞組在每個磁極下占據(jù)的槽數(shù)稱為每極每相槽數(shù)q,定子繞組相數(shù)為時,4.線圈兩個有效邊在定子圓周上的距離,用槽數(shù)來表示,稱為線圈節(jié)距,右下圖中（a）（b）3.2.1三相單層繞組(1)

單層繞組的每個槽里只放一個線圈邊,繞組的線圈數(shù)等于定子槽數(shù)的一半。已知極距,單層繞組為整距繞組,將定子內(nèi)圓周畫成平面展開圖,標(biāo)明槽號1～24,如圖。,可將1號與7號槽中元件邊連接成一個線圈,同樣將2號與8號的連成另一個線圈,將這兩個線圈首尾串聯(lián)組成一個線圈組。同理,將13與19及14與20串聯(lián)組成另一個線圈組。再將這兩個線圈組串聯(lián)為一相繞組。3.2.1三相單層繞組(2)

圖3.14單層鏈?zhǔn)嚼@組U相的展開圖已知,將2、7;8、13;14、19;20、1各自連接起來,構(gòu)成了4個線圈。再按電流方向,把各個線圈的端部按頭頭、尾尾的規(guī)律串聯(lián)起來,就構(gòu)成了U相繞組。從圖3.14所示展開圖上看,這4個線圈形同鏈條,故而稱為鏈?zhǔn)嚼@組。同樣可將V、W相線圈連成鏈?zhǔn)健?.2.2三相雙層繞組

圖3.15U相繞組展開圖已知則,取畫出24個槽,槽中的實線和虛線分別表示上層邊及下層邊;把1號的上層邊與6號的下層邊連成1號線圈,同樣把2號與7號的對應(yīng)邊連成2號線圈,再把1號和2號線圈串聯(lián)成一個線圈組。同理將7、8,13、14及19、20號線圈分別連接成線圈組,最后將4個線圈組連接成一相繞組。3.3三相異步電動機定子繞組的感應(yīng)電動勢

3.3.1導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢(1)

圖3.16交流發(fā)電機模型橫截面示意圖圖3.17導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢圖3.16a是發(fā)電機模型橫截面示意圖,圖b是展開圖。設(shè)基波磁通密度為,導(dǎo)體A以速度切割磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為時,機械角速度為,若有P對極,則電角速度為將代換,則有波形如圖3.17。

（a）（b）3.3.1導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢(2)如果電機有p對磁極,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為,則感應(yīng)電動勢變化的頻率為即(3.12)感應(yīng)電動勢的幅值為

式中是基波磁通密度的平均值;是氣隙基波每極磁通量;是導(dǎo)體切割磁場的線速度;τ是定子內(nèi)表面的極距。導(dǎo)體切割基波磁場所產(chǎn)生的基波電動勢的有效值為3.3.2線圈的感應(yīng)電動勢1.整距線匝電動勢的有效值是一根導(dǎo)體的有效值的兩倍,即2.由匝串聯(lián)而成的整距線圈電動勢的有效值為3.短距線圈的節(jié)距,線匝的兩根導(dǎo)體相隔的(電)角度為其感應(yīng)電動勢的相量可用右圖中的和表示,則線匝的電動勢有效值為有匝的短距線圈基波電動勢大小為稱為基波短距系數(shù)。

3.3.3線圈組的感應(yīng)電動勢

圖3.19分布線圈組空間位置及其連接圖圖3.20分布線圈組基波電動勢相量圖由3個線圈組成的分布線圈組如圖3.19,對q個線圈組成的線圈組,有,q個大小相等的相量相加就組成一個正多邊形,如圖3.20b,,稱為基波分布系數(shù),對短距分布線圈組有是繞組系數(shù)。（a）（b）（a）（b）3.3.4一相繞組的感應(yīng)電動勢一相繞組的感應(yīng)電動勢就是繞組中一條并聯(lián)支路的電動勢。對于雙層繞組,一相繞組在每一個極下有一個線圈組,如果電機有P對極,則共有2P個線圈組,若組成b條并聯(lián)支路,則每條支路由2p/b個線圈組串聯(lián)而成。所以每相繞組電動勢為(3.22)式中是一條支路的串聯(lián)總匝數(shù)。單層繞組的線圈組數(shù)是雙層繞組的一半,則3.3.5定子繞組的諧波電動勢

次諧波磁通的極對數(shù)是基波磁通極對數(shù)的倍,在定子繞組中感應(yīng)諧波電動勢的頻率若次諧波每極磁通量為,則每相繞組中次諧波電動勢有效值為式中是次諧波的繞組系數(shù),等于次諧波的短距系數(shù)和分布系數(shù)的乘積。3.4三相異步電動機的定子磁動勢

3.4.1單相繞組產(chǎn)生的脈動磁動勢(1)

上圖是兩極異步電動機磁場分布示意圖及展開圖。任選一條圍繞線圈導(dǎo)體的磁路,該磁路兩次穿過氣隙。若匝的線圈電流為,則閉合磁路的磁動勢為,若忽略定轉(zhuǎn)子鐵心的磁壓降,則一個氣隙的磁動勢是,氣隙磁動勢空間分布波形為矩形波,如圖b,其最大高度為,矩形波磁動勢瞬時值隨時間的變化而作余弦變化,稱為脈動磁動勢。

3.4.1單相繞組產(chǎn)生的脈動磁動勢(2)在空間按矩形波規(guī)律分布的磁動勢,可以用傅里葉級數(shù)分解為基波和奇次余弦波,如下圖,基波幅值是矩形波幅值的4/π,而次諧波幅值是基波幅值的,即式中基波磁動勢是一個在空間按余弦規(guī)律分布,其幅值隨時間作余弦變化的磁動勢。

3.4.1單相繞組產(chǎn)生的脈動磁動勢(3)q=3的整距線圈組空間分布及磁動勢相量如右圖,即其幅值為式中基波分布系數(shù)是短距線圈組的磁動勢等于整距的磁動勢乘以短距系數(shù),磁動勢幅值為3.4.1單相繞組產(chǎn)生的脈動磁動勢(4)單相繞組產(chǎn)生的磁動勢是指單相繞組中的線圈組在每對磁極下產(chǎn)生的氣隙磁動勢。雙層繞組在每一對磁極下有兩個線圈組(匝數(shù)為),一相繞組產(chǎn)生的基波磁動勢幅值為(3.29)如果電動機有P對極,一相繞組就有2P個線圈組,假定組成b條并聯(lián)支路,每一條并聯(lián)支路串聯(lián)總匝數(shù)就是一相繞組串聯(lián)總匝數(shù),即則線圈組的電流I與繞組相電流的關(guān)系是代入式(3.29),得到一相繞組基波磁動勢幅值為是基波繞組系數(shù)?；ù艅觿菟矔r值為3.4.2三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢(1)

定子三相繞組的軸線相差120°(空間)電角度,繞組中三相對稱電流相位互差120°(時間)電角度。以U相為基準(zhǔn),其基波磁動勢的表達式為對V相有對W相有利用三角函數(shù)積化和差公式,將以上三式分別變換為將上三式相加,后三項之和為零,三相合成基波磁動勢為(3.34)幅值(3.35)當(dāng)t=0時,其波形如圖中實線所示;當(dāng),即時,波形如圖中虛線所示。從圖中看出虛線波形是實線波形沿x軸移動了,這表明,三相合成基波磁動勢公式表示的是一個在空間按余弦規(guī)律分布、幅值恒定不變、隨時間而正向旋轉(zhuǎn)的磁動勢波。可由磁動勢波幅值點的移動速度來確定磁動勢波的旋轉(zhuǎn)速度,即令則或由x對t的導(dǎo)數(shù)求得磁動勢波的的旋轉(zhuǎn)速度即同步轉(zhuǎn)速為

3.4.2三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢(2)3.5三相異步電動機的等值電路和相量圖

3.5.1轉(zhuǎn)子繞組開路時的等值電路和相量圖(1)

轉(zhuǎn)子繞組開路時,轉(zhuǎn)子電流為零,只有定子空載電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢,如右上圖;產(chǎn)生空載基波主磁通和漏磁通,如右下圖。主磁通在定、轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢有效值為漏磁通在定子繞組中產(chǎn)生的為定子電壓方程是3.5.1轉(zhuǎn)子繞組開路時的等值電路和相量圖(2)定子電動勢與轉(zhuǎn)子電動勢之比稱為電動勢變比,也稱電壓變比,類似于變壓器,有定子電壓方程是其等值電路如右上圖所示。轉(zhuǎn)子電壓方程是是轉(zhuǎn)子繞組在開路時的相電動勢;對應(yīng)的相量圖如右下圖所示。3.5.2轉(zhuǎn)子繞組閉合時的等值電路和相量圖（1）

轉(zhuǎn)子繞組閉合,如右圖,而且用外力將轉(zhuǎn)子堵住,使之不能轉(zhuǎn)動,稱之為堵轉(zhuǎn)。這時就有轉(zhuǎn)子電流和定子電流,分別產(chǎn)生磁動勢和,它們之和等于轉(zhuǎn)子開路時的磁動勢,即代換后,有是電流變比,定子電壓方程是轉(zhuǎn)子短路閉合,,可將轉(zhuǎn)子不動時的電動勢表示為3.5.2轉(zhuǎn)子繞組閉合時的等值電路和相量圖（2）把轉(zhuǎn)子繞組向定子繞組折算遵循的原則是:折算前后轉(zhuǎn)子磁動勢的大小和相位不變。方法是:把原來的轉(zhuǎn)子繞組看成和定子繞組有相同的相數(shù),相同的匝數(shù),相同的繞組系數(shù)。折算后的基本方程是其等值電路如圖a所示,相量圖如圖b所示。（a）（b）3.5.2轉(zhuǎn)子繞組閉合時的等值電路和相量圖（2）轉(zhuǎn)子繞組短接且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,與轉(zhuǎn)子不動時相比,電磁量會發(fā)生變化:1)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的頻率為2)轉(zhuǎn)子電動勢3)轉(zhuǎn)子繞組的漏電抗轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁動勢平衡方程式為也就有定子電動勢平衡方程式是轉(zhuǎn)子電動勢平衡方程式為或(3.60)3.5.2轉(zhuǎn)子繞組閉合時的等值電路和相量圖（3）旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)子電流為(3.61)把上式的分子、分母都除以s,可化為(3.62)上式表示靜止轉(zhuǎn)子電流。比較上兩式可知,將轉(zhuǎn)子電阻從增加到的靜止轉(zhuǎn)子,可以代替在轉(zhuǎn)差率s下的實際旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子,這就是頻率折算。折算后的基本方程式是等值電路如圖a,相量圖如圖b。

（a）（b）3.6三相異步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩

3.6.1三相異步電動機的功率關(guān)系

電動機從電源吸收電功率為減去定子銅損耗和定子鐵損耗之后,就是通過氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的耦合傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率。忽略轉(zhuǎn)子鐵損耗,從電磁功率中減去轉(zhuǎn)子銅損耗后,就是轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的全部機械功率,中減去機械損耗和附加損耗就是電機軸上輸出的機械功率功率流程圖如右圖。3.6.2三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩等于電磁功率除以同步角速度,即(3.72)式中,上式表明,電磁轉(zhuǎn)矩與主磁通及轉(zhuǎn)子電流的有功分量的乘積成正比。將兩邊除以機械角速度,即得到電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式即在額定運行狀態(tài),即及,忽略,則電磁轉(zhuǎn)矩為3.7三相異步電動機的工作特性

工作特性是指電源電壓和頻率為額定值的情況下,定子電流、轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)差率)、功率因數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩、效率與輸出功率的關(guān)系。1.定子電流特性,隨著增大而增大,如圖;2.轉(zhuǎn)速特性,如圖,是一條稍微下降的曲線;3.轉(zhuǎn)矩特性,如圖,近似為直線;4.功率因數(shù)特性,如圖所示;5.效率特性,如圖,滿載時效率較高。

3.8三相異步電動機的機械特性

3.8.1機械特性的表達式(1)

在電源電壓、電源頻率及電機參數(shù)固定不變的條件下,三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n或與轉(zhuǎn)差率s之間的關(guān)系,稱為異步電動機的機械特性。用勵磁支路開路時的等值電路估算將代入上式得到(3.77)機械特性如右圖所示。3.8.1機械特性的表達式(2)機械特性在第Ⅰ象限,T及n均為正,電動機處于正向電動運行狀態(tài):同步轉(zhuǎn)速點A,T=0,,也稱為理想空載點;最大轉(zhuǎn)矩點B,,,稱為臨界轉(zhuǎn)差率;起動點C,s=1,n=0,電磁轉(zhuǎn)矩為起動轉(zhuǎn)矩。將T對s求導(dǎo),并令導(dǎo)數(shù)為0,可求得臨界轉(zhuǎn)差率為(3.78)“+”號適用于電動運行狀態(tài);“-”號適用于制動運行狀態(tài)。將代入式(3.77)中,得到最大轉(zhuǎn)矩為(3.79)忽略則上式簡化為(3.80)式(3.78)可簡化為(3.81)3.8.1機械特性的表達式(3)把s=1代入式(3.77)得到在式(3.77)和式(3.79)中將忽略不計,得到將上兩式相除得到(3.85)上式是T的實用表達式。將其有條件地簡化,就得到簡化實用表達式(3.88)上式表明T與s成正比例關(guān)系,是機械特性的直線表達式。3.8.2三相異步電動機的固有機械特性和人為機械特性(1)

三相異步電動