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1、,第5章 交流电动机,5.1 三相异步电动机的结构与工作原理 5.2 三相异步电动机的机械特性 5.3 三相异步电动机的使用,5.1 三相异步电动机的结构与工作原理,e方向用 右手定则 确定,f方向用 左手定则 确定,磁场旋转,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,导线长,切割速度,（右手定则）,2. 线圈比磁场转得慢,三相异步机的结构,转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或 电流。,三相定子绕组：产生旋转 磁场。,旋转磁场的产生,A,Y,C,B,Z,异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极,()电流出,()电流入,X,合成磁场方向： 向下,同理分析，可得 其它电流角度下 的磁场方向：,旋转方向
2、：取决于三相电流的相序。,改变电机的旋转方向：换接其中两相。,旋转磁场的旋转方向,旋转磁场的转速大小,一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,电流频率为 f Hz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋转f圈。每分钟旋转：,n1称为同步转速,极对数（P）的概念,极对数（P）的改变,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形 成的磁场则是两对磁极。,极对数,极对数和转速的关系,三相异步电动机的同步转速,极对数,每个电流周期 磁场转过的空间角度,同步转速,电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速（额定转速）:,提示：如果,转差率 的概念：,异步电机运行中:,转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之
3、差。即：,转子感生电流的频率：,例1：三相异步电动机 p=3，电源f1=50Hz，电机额定 转速n=960r/min。 求：转差率s，转子电动势的频率f2,同步转速：,转差率：,二、异步电机的结构 1.定子 (1)定子铁心（1，2，3） 叠片结构，定子冲片（圆形冲片，扇形冲片），径向通风沟（风道），槽，槽型。 (2)定子绕组： 成型线圈（2），散嵌线圈，单层，双层，绕组联结方法。 (3)其他部件：机座，端盖，风罩，铭牌等。,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,2.转子 (1)转子铁心（1，2）：转子冲
4、片。 (2)转子绕组： a.鼠笼式绕组 b.绕线式绕组 (3)其他部件：轴，轴承，风扇等 3.气隙：定转子之间的间隙，很小，0.2-1mm.对电机的性能影响很大。 3.按结构分类： (1)鼠笼式异步电动机：结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式。 (2)绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,第二节 交流绕组,一、绕组相关概念 1.线圈（绕组元件）： 是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈按一定规律的排列和联结。线圈可以区分为多匝线圈和单匝线圈。与线圈相关的概念包括：有效边；
5、端部；线圈节距等（看图） 2.极距：沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围 (1)用长度表示： （看图） (2)用槽数表示： （36槽4极电机的极距为多少槽？） 3.电角度： 转子铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360度。从电磁角度看，一对N,S极构成一个磁场周期，即1对极为360电角度电机的机对数为p时，气隙圆周的角度数为p*360电角度。（看图）,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,4.节距:一个线圈两个有效边之间所跨过的槽数称为线圈的节距。用y表示。（看图） (1)y时，线圈称为长距线圈。 5.单层绕组和双层绕组 (1)单层绕组一个槽中只放一个元件边（看图） (2)双层绕组一个
6、槽中放两个元件边。（看图） 6.槽距角，相数，每极每相槽数 (1)一个槽所占的电角度数称为槽距角，用表示； （看图） (2)相数用m表示 ，表示有三相。 (3)每极每相槽数即每个极域内每相所占的槽数，用q表示 。 （看图）,BACK,BACK,BACK,BACK,二、交流绕组的构成原则 1.均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等每极槽数用极距表示 每极每相槽数 2.对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开120电角度。 如槽距角为，则相邻两相错开的槽数为120/。 3.电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连
7、接也应符合这一原则。 如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。,三、三相单层绕组构造方法和步骤 1.分极分相: （看图）将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。 2.连线圈和线圈组：（看图）将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈;将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组;以上连接应符合电势相加原则 3.连相绕组：（看图）将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。串联与并联，电势相加原则。按照同样的方法构造其他两相。 4.连三相绕组 （看图）将三个构造好的单相绕组连成完整的三相
8、绕组接法或者Y接法。 5. 单层绕组分类 等元件式整距叠绕组（看图）同心式绕组（看图）链式绕组（看图）交叉链式绕组（看图）单层绕组主要用于小型异步电动机。,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,第三节 交流电机定子绕组的感 应电势和磁势,一、交流同步电机的模型结构 同步电机的模型结构如图所示：转子上有成对磁极，定子上有三相对称交流绕组。 原动机带动转子旋转，形成旋转磁场，该磁场在气隙空间可以取基波（正弦）进行研究。 四极同步电机的原理演示 基波磁场示意图 定子绕组的有效边被旋转磁场切割，并在其中产生感应点势。,BACK,BACK,BACK,二、交流绕组
9、的感应电势 交流绕组的构成：导体-线圈-线圈组-一相绕组-三相绕组 交流绕组示意图 1.导体中的感应电势（看图） 感应电势的波形 感应电势随时间变化的波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致。 只考虑磁场基波时，感应电势为正弦波。 感应电势的频率 磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个周期； 磁场旋转一周，转过p（电机的极对数）对磁极； 转速为n（r/min)的电机，每秒钟转过(pn/60)对极； 导体中感应电势的频率f=(pn/60)Hz. 问题：四极电机，要使得导体中的感应电势为50Hz,转速应为多少？,BACK,BACK,感应电势的大小 看图 感应电势的最大值： 导体与磁场的相对速度：
10、磁感应强度峰值和平均值之间的关系： 感应电势最大值： 感应电势的有效值： 2.线圈中的感应电势 整距线圈中的感应电势 看图 线圈的两个有效边处于磁场中相反的位置，其感应电势相差180电角度。 整距线圈的感应电势： 考虑到线圈的匝数后：,BACK,BACK,短距线圈中的感应电势看图 线圈的两个有效边在磁场中相距为y,其感应电势相位差不是180-电角度。 短距角： 短距线圈的感应电势： 短距系数： 3.线圈组的感应电势看图 每对极下属于同一相的q个线圈，构成一个线圈组。图中q=3 每个线圈的感应电势由两个圈边的感应电势矢量相加而成。 整个线圈组的感应电势由所有属于该组的导体电势矢量相加。 在该例中
11、，该组的感应电势为三个线圈的感应电势矢量相加。 矢量式 对应于图 分布系数： 线圈组的电势： 可以证明，分布系数小于1。,BACK,BACK,BACK,4.一相绕组的电势 单层绕组的相电势： 单层绕组每对极每相q个线圈，组成一个线圈组，共p个线圈组。 若p个线圈组全部并联则相电势=线圈组的电势 若p个线圈组全部串联则相电势=p 倍 线圈组电势 实际线圈组可并可串，总串联匝数 相电势： 双层绕组的电势 双层绕组每对极每相有2q个线圈，构成两个线圈组，共2p个线圈组 这2p个线圈组可并可串，总串联匝数 双层绕组要考虑到短距系数 绕组系数：,BACK,BACK,5.三相绕组的电势 三相绕组由在空间错
12、开120电角度对称分布的三个单相绕组构成，三相相电势在时间上相差120度。 三相线电势与相电势的关系：三角形接法，线电势=相电势；星形接法，,第四节 异步电动机运行分析,一、异步电动机是如何转动起来的 异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；（示意图，模型图） 三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；（图） 转子绕组的导体处于旋转磁场中；（照片，鼠笼转子照片，示意图） 转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向。 转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。（鼠笼转子照片） 感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。 电磁力作用在转子上将产生电
13、磁转矩，并驱动转子旋转。 根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。,BACK,BACK,BACK,BACK,BACK,二、转差，转差率（为什么叫异步电动机？） 切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。 转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁力线。 旋转磁场的转速用n1表示，称为同步转速；转子的实际转速用n表示，转差n=n1-n。 转差率： 转差率是异步电动机的一个基本变量，在分析异步电动机运行时有着重要的地位。 起动瞬间，n = 0,s=1 理想空载运行时：n=n1,s=0 作为电动机运行时，s的范围在0-1之间。 转差率一般很小，如s = 0.03。 制动运行时，
14、电磁转矩方向与转速方向相反，即n1与n反向，s1 发电运行时，n高于同步转速n1,s0.,根据转差率可以区分异步电动机运行状态：（看图） 三、电势平衡方程式 1.定子绕组电势平衡方程式 定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压降）包括： 主电势（感应电势）： 定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。 定子绕组感应电势的有效值： 漏磁电势（漏抗压降） 定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。 漏抗压将： 电阻压降： 定子电势平衡方程式：,BACK,2.转子绕组的电势及电流 转子绕组的感应电势 转子绕组切割主磁通的转速 主磁通以同
15、步速度旋转 转子以转速n旋转 转子绕组导体切割主磁通的相对转速为(n1-n)=sn1 转子绕组中感应电势的频率： 公式： 结论：由于s很小，转子感应电势频率很低。0.5-3Hz,转子感应电势的有效值 公式： 感应电势与转差率正比。 对绕线式异步电机，转子绕组每相串联匝数，相数计算方法同定子绕组的计算。 对笼型转子来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，每个导条即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串联匝数为半匝即1/2。 注意转子不动时（s=1)时的感应电势与转子旋转是感应电势的关系。,转子绕组的阻抗 由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。 漏抗公式： 漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。 考虑到转子绕组的相电阻后： 转子绕组中的电流 转子绕组短路，转子电压为0，感应电势全部加在转子阻抗上 转子回路方程： 转子电流： ， 讨论：转子电流随s的变化。(看图),四、异步电动机的磁势平衡 1.定子绕组的磁势 大小（有效值） 转速： 2.转子绕组磁势 大小： 转速： 转子电流的频率 转子电流产生的旋转磁势的转速： 转子磁势的绝对转速（相对于不动的定子） 结论：转子绕组的磁势与定子绕组的磁势转速相同，在空间相对静止。,3.磁势平衡方程式 激磁电流 和激磁磁势 产生主磁通 所需要的电流称为激磁电流 ； 对应的磁
