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1、1,第四章 异步电机（一） 三相异步电动机的基本原理,交流电机有两大类：异步电机和同步电机。同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的关系。异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。,优点：结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，效率 较高、价格较低。 缺点：1.调速性能不佳; 2.功率因数总是滞后，增加了电力系统的无功负担。 应用：主要作为电动机使用，是当今应用最广、需要量最大 的一种电机。,2,第一节 三相异步电动机的工作原理及结构,一、三相异步电动机的工作原理与运行状态,1、旋转磁场的产生,旋转磁场一种极性和大小不
2、变且以一定转速旋转的磁场。,A-X、B-Y、C-Z三个线圈在空间上彼此互隔120分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。,3,B相从A相后移120，C相从B相后移120，A相从C相后移120,当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。,4,ns同步转速，r/min； p为极对数； f1为交流电源频率,5,ns同步转速，r/min； p为极对数； f1为交流电源频率,6,2、三相异步电动机的工作原理,三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环将它们连接成一个整体。 三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内
3、产生了以同步转速旋转的旋转磁场。 转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感应电动势，并感生电流，磁场又对导条产生电磁力，于是转子就跟着旋转磁场旋转。,7,3、三相异步电动机的转速与运行状态,异步电动机的工作原理决定了它的转速不能达到旋转磁场的同步转速。如果异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。,转差ns-n的存在是异步电动机运行的必要条件，将转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用s表示。,8,例4-1有一台50Hz的三相异步电动机运行，空载转差率为0.267%，额定转速为 。求该电动机
4、的极对数、同步转速、空载转速以及额定负载时的转差率。,解：,9,10,二、三相异步电机的结构,绕线转子异步电动机剖面图 1转子绕组 2端盖 3轴承 4定子绕组 5转子铁心 6定子铁心 7集电环 8出线盒,11,12,13,1、定子,异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。,14,定子冲片,异步电动机定子铁心是主磁路的一部分，由0.35mm0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成。由于硅钢片较薄而且片与片之间绝缘，所以减少了铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。,15,定子线圈,定子绕组是异步电动机定子的电路部分，是由许多线圈按一定规律连接而成的。,定子铁心
5、槽形有开口槽、半开口槽、半闭口槽等。,16,17,18,铁心和机座,是由0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电机主磁路的一部分，另一方面用来安放转子绕组。,转子铁心,异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。,2、转子,19,异步电动机的转子绕组分为绕线型与笼型两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼型异步电动机。,在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，如图。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。,20,笼型转子,21,绕
6、线转子,22,2）绕线型绕组,3、气隙,异步电动机气隙一般为0.2mm2mm。气隙太大，电动机运行时功率因数降低；气隙太小，装配困难，运行不安全。,与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，可在转子电路中串接电阻以改善电动机的运行性能。,23,第二节 三相异步电动机的铭牌数据,额定功率 电动机额定运行时输出的机械功率,单位kW 额定电压 额定运行状态下，加在定子绕组的线电压， 单位 V 额定电流 电动机在额定电压下，输出额定功率时， 定子绕组中的线电流，单位 A 额定频率 我国的电网标准频率为 50Hz 额定转速
7、 额定电压、额定频率及额定功率下的转速， 单位 r/min,24,对三相异步电动机，额定功率：,此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（星形还是三角形）、绝缘等级及允许温升等。对绕线转子异步电动机，还标明转子的额定电动势及额定电流。,25,第三节 三相异步电动机的定子绕组,交流绕组的分类 1、按相数可分为单相、双相、三相和多相绕组。 2、按糟内层数分为单层和双层绕组，单层绕组又分为同心式、交叉式和链式绕组；双层绕组又分为叠绕组和波绕组。 3、按每极每相槽数是整数还是分数，分为整数槽和分数槽绕组。,26,一、交流绕组的一些基本知识和基本量,1、电角度与机械角度 电机圆周在几何上分成360，这个角度称
8、为机械角度。若磁场在空间按正弦波分布，则经过N、S 一对磁极恰好相当于正弦曲线的一个周期。因此，一对磁极所占有的空间是360电角度。可见，一个具有p对磁极电机，电机圆周按电角度计算就为 p360，而电机圆周机械角度总是360。,电角度= p机械角度,2、线圈组成交流绕组的单元是线圈。线圈是由一匝或多匝串联而成，有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。,27,4、槽距角 相邻槽之间的电角度称为槽距角 若Q1为定子槽数，p为极对数，则槽距角,5、每极每相槽数q 每一极每相绕组所占槽数,二、交流绕组的排列和连接,假设给定电机极数2p=4，槽数Q1=24,若2p=4，Q1=24，则=6,1、极距的
9、计算,28,2、线圈中的电流方向,3、确定相带 每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为 “相带”，q=Q1/(2mp)；每个相带为60电角度。,29,4、画定子槽的展开图,三相绕组排列和连接的一般方法为:计算极距；计算每极每相槽数；划分相带；组成线圈组；按极性对电流方向的要求分别构成各相绕组。,30,三、三相单层绕组,单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边，整个绕组的线圈数等于总槽数的一半。无需层间绝缘，结构和嵌线较简单。 以定子槽数为24，两极电机定子绕组为例，说明单层绕组构成。,1、计算极距,2、计算每极每相槽数,3、划分相带,31,4、组成线圈组,32,四、三相双层绕组,双层绕组的每个槽内都
10、有上下两个线圈边，每个线圈的一个边放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距y1的另一个槽的下层。整个绕组的线圈数等于槽数。 以下用3相4极36槽的双层叠绕组为例，说明3相双层绕组的排列和连接。,1、计算极距,选择节距,选择短节距,2、计算每极每相槽数,并且计算槽距角,集中绕组；,分布绕组；,33,3、划分相带 画展开图,34,按每极每相槽数划分相带,4、组成线圈组,35,第四节 三相异步电动机的定子磁动势及磁场,一、单相绕组的磁动势 脉振磁动势,（一）整距线圈的磁动势,36,整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，空间的分布总是一个矩形波。 这种从空间上看位置固定，从时间上看大小在正负最大值之间变化的
11、磁动势，称为脉振磁动势。脉振的频率就是交流电流的频率。,37,四极整距线圈的磁动势,应用傅氏级数对矩形波进行分解。矩形波中含有1，3，5，奇次谐波，又对称于纵轴。,四极电机 整距线圈,38,（二）线圈组的磁动势,整距线圈的线圈组磁动势,1、整距线圈的 线圈组磁动势,线圈组的合成基波 磁动势为,39,为 次谐波磁动势的分布因数。,为基波磁动势的分布因数。,40,例4-2一台四极三相异步电动机，定子槽数为36， 计算其基波和5次、7次谐波磁动势的分布因数。,解 计算每极每相槽数q和值,基波分布因数,5次谐波分布因数,7次谐波分布因数,41,2、短距线圈的线圈组磁动势,短距线圈节距缩短的角度,式中,
12、称为基波磁动势的节距因数,整距,短距,42,同理，对于v 次谐波,式中,称为谐波磁动势的节距因数,（三）相绕组的磁动势,绕组由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该打一个折扣kq1；线圈由整距改为短距的，基波合成磁动势幅值也应该打一个折扣ky1；因此，由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数kw1=kq1ky1，称为基波绕组因数。,对于v 次谐波 kwv =kqv kyv,43,对于单相绕组磁动势，可以归纳以下几点： 1）单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值 随时间变化的脉振磁动势。 2）单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组
13、的轴线相重合。 3）单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为 ； 而v 次谐波磁动势幅值为 ； 谐波次数越高，幅值越小。,二、三相绕组的磁动势 旋转磁动势,取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为x的正方向，同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点，则三相的基波磁动势为：,44,利用三角公式,三相绕组合成磁动势是一个大小不变、旋转的行波，可以按以下方法确定其转速。对于波幅这一点，其幅值恒为F1，cos(t-x/)=1,即 t-x/=0， t=x/， =x/，,45,旋转磁场转速,可以得出结论，当某相电流达到最大值，旋转磁动势的幅值就将转到该相绕组的轴线处。,46,如果电流
14、是正序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向B相，再转向C相。如果电流是负序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向C相，再转向B相。因此，如果要改变三相异步电动机磁场的旋转方向，只要改变定子电流的相序，把定子绕组三个出线端的任意两个（例如B端和C端）对调即可。,从而可得出,47,从上式可以看出，一个正弦分布的幅值为F1,的脉振磁势波可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势波，其幅值均为F1/2，转速均为同步转速。,以上是数学方法推导，也可用图解法说明，如下图。,48,49,1）三相基波合成磁动势是一个旋转磁动势，转速为同步转速 ，旋转方向决定于电流的相序。 2）三相基波合成磁动势幅值F1
15、不变，为各相脉振磁动势幅值的1.5倍，旋转幅值轨迹是一个圆。 3）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合成磁动势的幅值，恰好在这一相绕组的轴线上。,三相基波合成磁动势具有以下特性：,50,m相对称绕组中通以m相对称电流时，所形成的m相合成磁动势也是圆形旋转磁动势，其幅值为各相脉振磁动势幅值的m/2，其转速仍为同步转速。,用同样方法可以分析各次谐波磁动势。 当v=6K-1, (K=1,2,3,)（即v=5,11,17,），谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相反； 当v=6K+1,(K=1,2,3,)（即v=7,13,19,），谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方
16、向相同； 谐波合成磁动势的转速为nsv=ns/v ； 当v=6K-3,(K=1,2,3,)（即v=3,9,15,），谐波合成磁动势等于零。,51,例如，三次谐波表达式为：,52,当对称三相绕组接通对称三相电源后，在气隙内建立一种以同步转速旋转的磁场。它是异步电动机的主磁场。异步电动机中的谐波磁场作为漏磁场来处理。,三、三相异步电动机的定子磁场,谐波磁场在定子绕组中的感应电动势的频率为,为v次谐波磁动势的极对数，,为v次谐波磁动势的转速，,式中,53,第五节 三相异步电动机定子绕组的电动势,一、线圈的感应电动势,气隙磁密分布,讨论定子绕组内感应电动势时，气隙磁场切割定子绕组可以看成下图中所示的转子旋转，在定子绕组中所感应产生的电动势。,54,瞬时值的表达式,有效值的表达式,1、整距线圈的电动势,55,二、线圈组的感应电动势,一个线圈组
