华中科技大学_电机学_第五章_异步电机(完美解析)

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1、电机学 Electric Machinery 第5章 异步电机 异步电机的基本工作原理 异步电机的三种运行状态 异步电机的基本结构 异步电动机的额定值 5 1 概述 3 三相异步电机主要用作电动机 拖动各种生产机械 例三相异步电机主要用作电动机 拖动各种生产机械 例 如 风机 泵 压缩机 机床 轻工及矿山机械 农业生产如 风机 泵 压缩机 机床 轻工及矿山机械 农业生产 中的脱粒机和粉碎机 农副产品中的加工机械等等 中的脱粒机和粉碎机 农副产品中的加工机械等等 在民用生活中 电扇 洗衣机 电冰箱和空调器等一般在民用生活中 电扇 洗衣机 电冰箱和空调器等一般 由单相异步电动机来拖动 由单相异步电

2、动机来拖动 4 优点 优点 结构简单 制造容易 价格低廉 运行可靠 坚固耐结构简单 制造容易 价格低廉 运行可靠 坚固耐 用 运行效率较高并具有适用的工作特性 用 运行效率较高并具有适用的工作特性 缺点 缺点 功率因数较差 电机在运行过程中必须从电网吸收感性功率因数较差 电机在运行过程中必须从电网吸收感性 无功功率 因此它的功率因数总小于无功功率 因此它的功率因数总小于1 1 目前尚不能经济地 在较大范围内平滑调速 异步电机优缺点异步电机优缺点 5 异步电机分类异步电机分类 定子相数定子相数 单相异步电动机单相异步电动机 两相异步电动机两相异步电动机 三相异步电动机三相异步电动机 绕线型异步电

3、动机绕线型异步电动机 鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机 转子结构转子结构 6 一 异步电机的基本结构 异步电机外形图 异步电机结构图 7 1 定子 定子铁心 电机主磁路的组成部分 并嵌放定子绕组 由厚度为0 5mm的硅钢片叠装而成 为了嵌放定子绕组 在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个 形状相同的槽 8 定子槽形 半闭口槽适用于小型异步电机 其绕组是用圆导线绕成 半开口槽适用于低压中型异步电机 其绕组是成型线圈 开口槽适用于高压大中型异步电机 其绕组是用绝缘带包扎并 浸漆处理过的成型线圈 9 定子绕组 构成电路部分 用来感应电动势 流过电流 实 现机电能量转换 通常采用双层短距绕组 小型电机可采

4、用单层绕组 对中 小容量的低压异步电动机 通常定子三相绕组的六个 出线头都引出 可根据需要灵活地接成 Y 形或 D 形 U1 V1 W1U1 V1 W1 W2 U 2 V2W2 U2 V2 D D联结联结 Y Y联结联结 10 机座 固定和支撑定子铁心 要求有足够的机械强度 11 2 转子 转子铁心 电机主磁路的组成部分 并放置转子绕组 由厚度为0 5mm的硅钢片叠装而成 在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽 12 转子槽形 槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求 常见转子槽型 13 鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图 笼型绕组 在转子铁心每个槽内各放置一

5、根导体 在铁心两 端放置两个端环 分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联 接起来 笼型绕组一般为铝浇铸的 对中大型电机为减小损耗 提高 效率 往往采用铜条焊接而成 转子绕组 构成电路部分 有笼型和绕线型两种绕组型式 斜槽形式 14 绕线型绕组 与定子绕组具有相同相数 极数的三相对称绕 组 一般采用双层波绕组或叠绕组 一般接成星形 将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三 个滑环上 再通过电刷与外电路接通 绕线型转子特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加 电阻 以改善电动机的起动性能 调节其转速 15 支撑转子铁心和输出 输入机械转矩 转轴 16 定义 定 转子之间的间隙 也 是电机主磁路的组成

6、部分 气隙大小对异步电机的性能影响 很大 为了减小电机主磁路的磁阻 降 低电机的励磁电流 提高电机的 功率因数 气隙应尽可能小 异步电机气隙长度应为定 转子 在运行中不发生机械摩擦所允许 的最小值 中 小型异步电机中 气隙长度 一般为0 2 1 5mm 3 气隙 气隙大 磁阻大 励磁电流 空载电流 大 功率因数低 气隙磁场谐波含量 漏磁引 起附加损耗 减少 改善起动 性能 气隙小 受加工可能及机械 安全所限制 17 二 异步电机的基本工作原理 异步电机定子三相对称绕组接在三 相对称交流电网上 转子绕组对称 短路 定子绕组中流过三相对称电流 在 气隙中产生基波旋转磁场 气隙旋转磁场在短路的转子绕

7、组中 感应电动势并产生电流 该感应电流与气隙中的旋转磁场相 互作用产生电磁转矩 驱动转子旋 转 实现异步电机的运行 两极异步电动机示意图两极异步电动机示意图 1 n n 18 三 异步电机的三种运行状态 1 异步电机的转差率 同步转速n1 定子绕组中流过频率为f1的三相对称电流 在气 隙中产生的基波旋转磁场相对于定子绕组的转速 为同步转速 记为n1 同步转速大小取决于电流频率f1和绕组极对数p 转向为从超前电流相绕组转向滞后电流相绕组 转子转速n 转子的机械转速为转子转速 记为n 转差率s 同步转速n1与转子转速n之差对 同步转速n1之比值 记为s 19 异步电机的转子可以是带负载机 也可以是

8、由原动机驱动 在不同的转子外部条件下 异步电机将运行于不同的转速和 不同的转差率 对应不同的运行状态 根据转差率的正负 大 小 异步电机分别对应于电动机 发电机 电磁制动等三种不 同运行状态 2 异步电机的三种运行状态 0 ns 0 电动机状态 右手定则 e2产生 i2与e2同方向 左手定则 Tem产生 Tem与n同转向 Tem为 驱动转矩 旋转磁场拖动转子 电动机 20 n n1 s e2产生 i2与e2同方向 左手定则 Tem产生 Tem与n反转向 Tem 为制动转矩 转子拖动旋转磁场 发电机 n1 电磁制动状态 右手定则 e2产生 i2与e2同方向 左手定则 Tem产生 Tem与n反转向

9、 Tem为 制动转矩 旋转磁场阻碍转子运动 电磁制动状态 21 状 态电动机发电机电磁制动 n与s关系 n n1 0 sn1 s 0 n1 Tem的性质电磁驱动力矩电磁阻力矩电磁阻力矩 能量转换电能 机械能机械能 电能 电能 机械能 内部损耗 短路 异步电机只有在定子侧外加电源的情况下 转子侧电动势和 电流由气隙旋转磁场感应产生 因此也称为 感应电机 而此感 应作用 只有在转子与气隙旋转磁场不同步 即 异步 s不等于 0 才可以产生 因此 感应电机 又称 异步电机 总结 22 四 异步电动机的额定值 23 额定功率PN 是转轴上输出的机械功率 单位为W或kW 额定电压UN 施加在定子绕组上的线

10、电压 单位为V 额定电流IN 电动机在额定电压 额定频率下 轴端输出额 定功率时 定子绕组的线电流 单位为A 额定频率fN 我国电网频率fN 50Hz 额定转速nN 电动机在额定电压 额定频率 轴端输出额定 功率时 转子的转速 单位为r min 额定效率 N 额定功率因数cos N 三相异步电动机额定值之间的关系 24 2 2 如铭牌上标有 如铭牌上标有 380V380V D D联结联结 时 表示电机正常运行时只能时 表示电机正常运行时只能 采用采用 D D 联结 但是在电动机起动过程中可接联结 但是在电动机起动过程中可接380V380V电源 绕组采电源 绕组采 用用 Y Y 联结 起动完毕

11、恢复联结 起动完毕 恢复 D D 联结 联结 2 对于中低压电动机 1 1 如铭牌上标有 如铭牌上标有 380 220V380 220V Y DY D联结联结 时 表示电源电压为时 表示电源电压为 380V380V时 电机绕组采用时 电机绕组采用 Y Y 联结 电源电压为联结 电源电压为220V220V时 采用时 采用 D D 联结 联结 提示 提示 1 1 对于高压电动机对于高压电动机 定子绕组只有三根出线 只要电源电压符合电动机铭牌电压值便定子绕组只有三根出线 只要电源电压符合电动机铭牌电压值便 可使用 可使用 定 转子基波磁动势空间相对静止 5 2 三相异步电动机运行原理 转子静止时的异

12、步电机 转子旋转时的异步电机 异步电机参数测定 内部电磁关系 电压平衡方程式 磁动势平衡方程式 绕组折算与等效电路 26 一 转子静止时的异步电动机 转子静止时的异步电机 将异步电动机转轴卡住 转子绕组短路 定子绕组施加三相对称电压 假设 气隙中只有基波磁通 定 转子绕组上只感应有基波电势 27 1 定 转子基波磁动势空间相对静止 定子侧 定子绕组施加三相对称电压 定子三相对称绕组中 流过频率为f1的三相对称电流I1 定子绕组在气隙空间中产生圆形旋转基波磁动势F1 相对 于定子绕组的转速为同步转速n1 n1 60f1 p 圆形旋转基波磁动势F1转向为从超前电流相绕组轴线转向 滞后电流相绕组轴线

13、 A B C 28 转子侧 转子绕组短路 转轴固定 圆形旋转磁场 切割转子绕组 产生频率为f2的三相对称 感应电动势 f2 pn1 60 f2 f1 三相对称感应电动势在闭合的转子绕组中产生三相对称电 流I2 转子绕组在气隙空间中产生圆形旋转基波磁动势F2 相对 于转子绕组的转速为n2 n2 60f2 p n1 圆形旋转基波磁动势F2转向为从超前电流相绕组轴线转向 滞后电流相绕组轴线 A B C 即与定子旋转磁动势F1 同转向 F2与F1同转速 同转向 n2 n1 故定 转子基波磁动 势空间保持相对静止 29 2 内部电磁关系 气隙中的旋转磁场由F2与F1共同建立 即F2与F1空间矢 量可以合

14、成为一个等效励磁磁动势Fm 30 3 电压平衡方程式 正方向规定 电流流入为正 且电势方向与电流方向相同 R1 R2和X1 X2 分别为定 转子绕组的电阻和漏电抗 31 定 转子绕组感应电动势 电动势变比ke 定 转子绕组电动势之比 定 转子侧电动势平衡方程 从电路分析角度来看 转子 静止时的异步电机电压方程 与二次级侧短路时的变压器 电压方程相似 32 由于定 转子磁动势F1与F2空间保持相对静止 故 可以合成为一等效的励磁磁动势 3 磁动势平衡方程式 类似于变压器磁动势 将上式改写为 异步电机气隙中 全部磁动势由定子产生 Fm为励磁分量 用以产生气隙旋转基波磁场 F1L为负载分量 用以平衡

15、转子磁动势的作用 它与转子 磁动势大小相等方向相反 33 选择F1与I1同相位 F2与I2同相位 Fm与Im同相位 用电流在时间上的相位关系表示磁动势在空间上的相位关 系 则磁动势平衡方程 可改写为 定义电流比 则磁动势平衡方程式可表示为 异步电动机定子电流I1分成Im 和I1L两个分量 Im是励磁分量 用于建立电 机铁心中的主磁通 m I1L是负载分量 用于建立磁 动势F1L去平衡转子磁势F2 34 转子静止时的基本方程 定子侧 转子侧 定 转子关联方程 感应电动势方程 Zm Rm jXm为励磁阻抗 Rm为励磁电阻 代表铁耗的等效电阻 Xm为励磁电抗 反映主磁通在电路中的作用 4 绕组折算与

16、等效电路 35 绕组折算 转子绕组折算 把实际相数为m2 绕组匝数为N2 绕组 系数为kN2的转子绕组 折算成与定子绕组有相同相数m1 相同匝数N1和相同绕组系数kN1转子绕组 折算原则 气隙主磁通不变 定子各种物理量均不变 对电网等效 转子磁动势不变 各种功率均不变 功率因数不变 绕组折算主要有电流折算 电动势折算和阻抗折算 36 电流折算 根据折算前后转子磁动势应保持不变原则 电动势折算 根据折算前后转子磁动势不变原则 37 阻抗折算 根据折算前后转子铜耗保持不变原则 根据折算前后转子功率因数保持不变原则 38 折算到定子侧的异步电机基本方程式组为 39 等效电路 经折算后 同变压器类似 可得异步电动机在转子静止时 的T型等效电路 40 参数的物理意义 异步电动机中 磁通由三相绕组联合产生 变压器中 磁通由 一相绕组产生 为定 转子漏抗 由定 转子三相电流联合 产生的漏磁通 在定 转子 每一相上引起的电抗 Rm为励磁电阻 代表铁心损耗的等效电阻 Xm为励磁电抗 反映主磁通在电路中的作用 非线性 R1 R2为定 转子绕组电阻 折算后 转子静止时的异步电机等效电路与二次级侧短路时的 变