感应电机的结构和运行状态

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1、感应电机的结构和运行状态一、感应电机的结构感应电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子铁心是主磁路的一部分。为了减少激磁电流和旋转磁场在铁心中产生的涡流和磁滞损耗，铁心由厚0.5mm、的硅钢片叠成。容量较大的电动机，硅钢片两面涂以绝缘漆作为片间绝缘。小型定子铁心用硅钢片叠装、压紧成为一个整体后固定在机座内；中型和大型定子铁心由扇形冲片拼成.在定子铁心内圆，均匀地冲有许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。小型感应电机通常采用半闭口槽和由高强度漆包线绕成的单层(散下式)绕组，线圈与铁心之间垫有槽绝缘。半闭口槽可以减少主磁路的磁阻，使激磁电流减少，但嵌线较不方便。中型感应电机通常采用半开口

2、槽。大型高压感应电机都用开口槽以便于嵌线。为了得到较好的电磁性能，中、大型感应电机都采用双层短距绕组。转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是主磁路的一部分，一般由厚0.5mm的硅钢片叠成，铁心固定在转轴或转子支架上。整个转子的外表呈圆柱形。转子绕组分为笼型和绕线型两类。笼型转子 笼型绕组是一个自行闭合的绕组，它由插人每个转子槽中的导条和两端的环形端环构成，如果去掉铁心，整个绕组形如一个“圆笼”，因此称为笼型绕组(图51)。为节约用铜和提高生产率，小型笼型电机一般都用铸铝转子；对中、大型电机由于铸铝质量不易保证，故采用铜条插入转子槽内、再在两端焊上端环的结构。笼型感应电机结构简单、制造

3、方便，是一种经济、耐用的电机。所以应用极广。图52表示一台小型笼型感应电动机的结构图。绕线型转子 绕线型转子的槽内嵌有用绝缘导线组成的三相绕组，绕组的三个出线端接到设置在转轴上的三个集电环上，再通过电刷引出如图5-3所示。这种转子的特点是，可以在转子绕组中接人外加电阻，以改善电动机的起动和调速性能。与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小、起动转矩大，或需要调遣的场合下使用。图54表示一台绕线型感应电动机的结构。为减少激磁电流、提高电机的功率因数，感应电动机的气隙选得较小，中、小型电机一般为0.22mm。二、感应电机的运行状态感应电机是利用电磁感应原理，通过定子

4、的三相电流产生旋转磁场，并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。正常情况下，感应电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场的转速(同步转速)，因此感应电机又称为“异步电机”。旋转磁场的转速ns与转子转速n之差称为转差转差n与同步转速ns的比值称为转差率，用s表示，即： (51)转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。当感应电机的负载发生变化时，转子的转速和转差率将随之而变化，使转子 导体中的电动势、电流和电磁转矩发生相应的变化，以适应负载的需要。按照转 差率的正负和大小，感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态，如图 5-5所示。当转子转速低于旋转磁场的转速时(ns

5、n0)，转差率0s ns)，则转差率s0。此时转子导体中的感应电动势以及电流的有功分量将与电动机状态时相反，因此电磁转矩的方向将与旋转磁场和转子转向两者相反，如图55b所示，即电磁转矩为制动性质的转矩。为使转子持续地以高于旋转磁场的转速旋转原动机的驱动转矩必须克服制动的电磁转矩；此时转子从原动机输入机械功率，通过电磁感应由定于输出电功率，电机处于发电机状态。若由机械或其他外因使转子逆着旋转磁场方向旋转(n1。此时转子导体“切割”气隙磁场的相对速度方向与电动机状态时相同，故转子导体中的感应电动势和电流的有功分量与电动机状态时同方向，如图55c所示，电磁转矩方向亦与图55a中相同。但由于转子转向改

6、变，故对转子而言，此电磁转矩表现为制动转矩。此时电机处于电磁制动状态，它一方面从外界输入机械功率，同时又从电网吸取电功率，两者都变成电机内部的损耗。例51 有一台50Hz的感应电动机，其额定转速nN730rmin，试求该机的额定转差率。解 已知额定转速为730rmin，因额定转速略低于同步转速，故知该机的同步转速为750rmin，极数2p=8。于是，额定转差率sN为三、额定值感应电动机的额定值有：(1)额定功率PN：指电动机在额定状态下运行时，轴端愉出的机械功率单位为千瓦(kw)。(2)定子额定电压UN：指电机在额定状态下运行时，定子绕组应加的线电压。单位为伏(v)。(3)定子额定电流IN”

7、指电机在额定电压下运行，输出功率达到额定功率时，流入定子绕组的线电流，单位为安(A)。(4)额定频率fN 指加于定子边的电源频率，我国工频规定为50赫(Hz)。 (5)额定转速nN 电机在额定状态下运行时转子的转速，单位为转分(rmin) 。除上述数据外，铭牌上有时还标明额定运行时电机的功率因数、效率、温升、定额等。对绕线型电机，还常标出转子电压和转子额定电流等数据。52 三相感应电动机的磁动势和磁场为便于说明，先分析空载时的磁动势和聪场。一、空载运行时的磁动势和磁场空载运行时的磁动势 当三相感应电动机的定子接到正序对称三相电压时，定子绕组中就将流过一组对称的三相电流I1A、I1B和I1C (

8、下标1代表定子)，于是定于绕组将产生个正向同步旋转的基波合成旋转磁动势F1。在F1的作用下，将产生通过气隙的主磁场Bm。Bm以同步转速旋转，并“切割”转子绕组，使转于绕组内产生三相感应电动势E2A、E12和E2C、。(下标2表示转子)和三相电流I2a、I2b和I2c。气隙磁场和转子电流相互作用产生电磁转矩，使转子顺旋转磁场方向转动起来。空载运行时，转子转速非常接近于同步转速，此时旋转磁场“切割”转子导体的相对速度接近于零，所以转子电流很小，可近似认为零。因此空载运行时。定子磁动势基本上就是产生气隙主磁场的激磁磁动势，空载时的定子电流就近似等于激磁电流。计及铁心损耗时，Bm在空间滞后于Fm以铁心

9、损耗角Fe，如图56所示。主磁通和激磁蛆抗 气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通中m将在定子每相绕组中感生电动势E1 (52)主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通，它经过的磁路(称为主磁路)包括气隙、定子齿、定子轭、转于齿、转子轭等五部分如图5-7所示。若主磁路的磁化曲线用一条线性化的磁化曲线来代替，则主磁通将与激磁电流成正比；于是可认为E1与Im之间具有下列关系： （5-3）式中，Zm称为激磁阻抗，它是表征主磺路的磁化特性和铁耗的一个综合参敷；Xm称为激磁电抗，它是表征主磁路的等效电抗；Rm称为激磁电阻，它是表征铁心损耗的一个等效电阻。和其他电抗相似，激磁电抗式中为主磁路的磁导

10、，所以气隙越小，激磁电抗就越大，在同一定子电压下，激磁电流就越小。定子漏磁通和漏抗 除主磁通中m外，定子电流还同时产生仅与定于绕组交链而 不进入转子的定子漏磁通1.根据所经路径的不同，定子漏磁通又可分为槽漏磁、端部漏磁和谐波漏磁等三部分，图58a和b分别示出了槽漏磁和端部漏磁的示意图。气隙中的高次谐波磁场，虽然它们也通过气隙，但是与主磁场在转子中所感应的电动势和电流的频率互不相同；另一方面，它们将在定于绕组中感应基波频率的电动势，其效果与定子漏磁相类似，因此通常把它作为定子漏磁通的一部分来处理，称为谐波漏磁。定子漏磁通1将在定子绕组中感应漏磁电动势E1。把E1作为负漏抗压降来处理，可得 (54

11、)式中，I1为定子电流；X1为定子一相的漏磁电抗，筒称定子漏抗。和其他电抗相类似，定子漏抗可表示为：式中1为定子的漏磁导，所以定子的槽形越深越窄，槽漏磁的磁导越大，槽漏抗亦越大。在工程分析中，常把电机内的磁通分成主磁通和漏磁通两部分来处理，这是因为；一则它们所起的作用不同，主磁通在电机中产生电磁转矩，直接关系到能量转换，而漏磁通并不直接具有此作用；二则这两种磁通所经磁路不同，主磁路是一个非线性磁路，受磁饱和的影响较大，而漏磁磁路主要通过空气而闭合，受饱和的影响较小。把两者分开处理，对电机的分析常常带来很大的方便二、负载运行肘的转子磁动势和磁动势方程转子磁动势 当电动机带上负载时，电机的转速将从

12、空载转n0速下降到转速n，与此同时，转子电流将增大。若定子旋转磁场为正向旋转(即从ABC相)，则转子感应电动势和电流的相序是正相序，流有三相正序电流的转子绕组将产生正向旋转的转子磁动势F2。 设转子转速为n，则定子旋转磁场将sn2的相对速度“切割”转子绕组(图5-9)，此时转子感应电动势和电流的频率f2应为 (5-5)转子电流产生的旋转磁动势F2相对于转子的转速为n：， (56)而转子本身又以转速n在旋转，因此从定子侧观察时， F2在空间的转速应为 即无论转子的实际转速是多少，转子磁动势F2和定子磁动势F1在空间的转速总是等于同步转速ns，他们在空间始终保持相对静止。定子和转子磁动势之间的速度

13、关系，如图5-9所示例5-2有一台50HZ、三相、四极的感应电动机，若转子的转差率s=5%，试求：（1)转子电流的频率；(2)转子磁动势相对于转子的转速；(3)转子磁动势在空间的转速。解(1)转子电流的频率 (2)转子磁动势相对于转子的转速 (3)由于转子转速nns(1-s)1500(1-0.05)rmin=1425rmin，所以转子磁动势在空间的转速应为(1425+75)rmin1500rmin，即为同步转速下面来看转子磁动势的空间相位。图510表示三相绕线型转子的情况，为简单计，每相用一个技中线圈来表示。气隙磁场Bm以同步转速儿在气隙中推移，并以转差速度n“切割”转子绕组。图510所示瞬间

14、恰好是a相感应电动势达到最大值时的位置。若转子漏抗X2=0，则当a相感应电动势最大时，该相电流亦为最大。这时三相合成磁动势的轴线恰好与a相绕相轴线重合，气隙磁场与转子磁动势波之间的夹角=900，如图510a所示。实际上转子总有漏抗，此时转子电流将滞后于感应电动势一个阻抗角2这样，a相电流将在该相电动势达到最大值以后再经过2电角度的时间，才达到其最大值；亦就是说，气隙磁场波要从图510a再向前移过2角时，转子a相电流才达到最大值；故气隙磁场波和转子磁动势波之间的空间夹角应为900+2，如图5-10b所示。转子反应 负载时转子磁动势的基波对气隙磁场的影响，称为转子反应.转子反应有两个作用：其一是使气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从而引起定子感应电动势和定子电流发生变化。所以和两绕组变压器相类似，感应电机负载以后，定子电流中除激磁分量Im以外，还将出现一个补偿转子磁动势的“负载分量”I1L 即 (57)此I1L所产生的磁动势F1L与转子磁动势F2大小相等、方向相反，以保持气隙内的主磁通基本不变；即 F1L -F2 (58)由于负载分量I1L的出现，感应电动机将从电源吸取一定的电功率。转子磁动势