电气设备第三章异步电动机

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1、第三章 异步电动机,31三相异步电动机的结构 32异步电动机的转动原理 33定子和转子电路 34三相异步电动机的运行特性 35三相异步电动机的起动 36单相异步电动机,学习第三章应该注意的点,第三章学习应注意的几个问题： 1.三相异步电动机是怎么转动的？ 2.分析三相异步电动机的方法是什么？ 3.三相异步电动机的性能如何？ 4.单相异步机怎么工作？ 本章主要计算任务：利用异步电动机电磁关系、功率平衡关系和有关特性进行电路、能量、机械量计算。 比较难理解的点：1.磁场分解与合成；2.异步电动机结构（不作为重点，但要求知道基本结构及其特点）。,31.三相异步电动机的结构,本节的主要内容有两部分：,

2、基本结构： 主要了解点：防护结构；组成作用；冷却方式；名词解释。 铭牌数据： 应掌握额定数据：功率、电压、电流、转速、功率因数、绝缘等级、温升、工作制、接法。,铭牌,一、基本结构,防护结构：,主要指机壳的结构形式，有开启式、防护式（防溅、滴）和封闭式三大类：船用电机主要是封闭式。具体参见P.252. “防护要求”和表16-1-5。,冷却方式：,自冷、自扇冷、他扇冷等方式。,两大部分：定子和转子。 注意： 各部分的组成作用。 定子： 由铁心和绕组组成。 铁心：是由一片片的硅钢片加工成一定的形状，然后叠压成为铁心的。 绕组：有三相，称为三相对称交流绕组。绕组按照一定的尺寸绕制成形，并按照一定的规律

3、嵌放在铁心槽中。,组成(说明),电机解剖图,定子铁心的组成,铁心由硅纲片叠成,铁心中的槽与线圈导体,铁心剖面图,定子绕组的组成,绕组展开图,铁心与展开线,电机的接线,接线盒,Y形连接,形连接,转子的组成,转子：也是由铁心和绕组组成。 铁心：是由一片片的硅钢片加工成一定的形状，然后叠压成为铁心，并套在轴上。 绕组：异步机的转子绕组有绕线式绕组和鼠笼式转子两种。,铁心,绕线式绕组,鼠笼式转子,绕线式转子,转子绕组与定子相似，通常三相绕组接成Y形，有三个输出端。,转子三相绕组展开图,转子展开,鼠笼式转子,鼠笼绕组是特殊形式的多相绕组，每根导条为一相，两个端部都有短路环。 有导条式和铸铝式两种。,鼠笼

4、绕组,转子展开,鼠笼绕组展开图,名词解释,极距：异步机气隙存在磁场，磁场中相邻两个磁极之间的距离（槽数）。 节距y ：一个线圈两个边之间距离（槽数）。 每极每相槽数p ：在一个磁极距离的范围内，分配给每相的槽数。 单、双层绕组：每槽内只有一个线圈边为单层绕组；有两个线圈边为双层绕组。,电角度：电量所对应的角度。电角度e = pm（m机械角度）。,二、铭牌及主要额定数据,铭牌,1.额定功率Pn ：轴上输出机械功率，单位kW； 2.额定电压、电流：线电压、线电流； 3.额定转速： 转/分； 4.额定功率因数； 5.绝缘等级和温升； 6.工作方式：连续、短时、重复短时(断续)； 7.接法：星形、三角

5、形。 注意：两种额定电压与接法分别对应。,第一节要点：基本结构（组成，防护结构，冷却方式）；铭牌数据。,32.异步电动机的转动原理,本节的主要内容有三部分 转动原理： 交流三相异步电动机是任何转动的。 旋转磁场： 交流三相异步电动机旋转磁场的产生、转动方向、转速大小。 转差率： 转差率是异步电动机的重要参数之一，应该知道如何计算（不单单是查表）。,一、转动原理,三相对称绕组通入三相对称交流电，产生圆形旋转磁场，切割转子绕组，使之感应电势并感生电流，电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使转子转动。 转子转速n 小于磁场转速n 0 ，所以“异步”。,二、旋转磁场（图示法）,输入：三相对称交流绕组

6、通入三相对称交流电。,结论：三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙将产生圆形旋转磁场，转向从超前相转至滞后相(AB C A)，转速n 0= 60 f / p，n 0 叫同步转速。,旋转,二、旋转磁场（图示法）,输入：三相对称交流绕组通入三相对称交流电。,结论：三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙将产生圆形旋转磁场，转向从超前相转至滞后相(AB C A)，转速n 0= 60 f / p，n 0 叫同步转速。,完成,二、旋转磁场（图示法）,输入：三相对称交流绕组通入三相对称交流电。,结论：三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙将产生圆形旋转磁场，转向从超前相转至滞后相(AB C A)

7、，转速n 0= 60 f / p，n 0 叫同步转速。,返回,二、旋转磁场（解析法）,注：解析法不要求掌握，只提供给大家参考。,三相电流瞬时值如书上P.27式（3-2-1），产生三相磁势： fA= Fcos（x/） sint ； fB= Fcos（x/ 120 ） sin（t 120）； fC= Fcos（x/ 120 ） sin（t 120）。 利用三角函数公式，可以分别分解为： fA=0.5Fsin（t x/）sin（t x/）； fB=0.5Fsin（t x/）sin（t x/120 ） ； fC=0.5Fsin（t x/）sin（t x/120 ） 。 异步电动机气隙磁势F1为三相磁势

8、的合成（矢量和）： F1= fA fB fC =1.5Fsin（t x/） = Fm sin（t x/） 这是一个旋转磁势（在物理学中称为行波），是时空函数，随着时间t 的变化，总可以在空间上找到一点，使sin（t x/）=1。,三、转差率,定义式： 书P.29，式（3-2-3）。 s = (n0 - n) / n0 异步电动机工作在电动状态时，1s0 (nn0)。否则就不是电动状态。 额定负载时的转差率sn ： sn = (n0 - nn) / n0 普通异步电动机额定负载时的转差率很小，一般不超过0.1，即：sn=0.010.09。只有特殊用途的异步电动机（如，起重等用的电动机）sn才比较

9、大。,n0=nn(1-sn)，将sn=0.010.09代入p=60f/nn(1-sn)，计算出两个最接近整数的p 值（注意必须取两个值），然后将这两个p 值代入n0=60f/p和sn=(n0-nn)/n0进行验证，取满足sn=0.010.09的值，即可求得n0和p 的确切数值。,普通异步机极对数求解,已知：nn ，求p。利用sn=0.010.09 求解,第二节要点：转动原理（磁场、转）；旋转磁场(转向、大小)；转差率。,例如： 频率为50Hz，p= 的三相异步电动机，nn=275转/分。 A.8 B.9 C.10 D.11 (若p=3000/275=10.911，错！) 解：p=60f(1-s

10、n)/nn=3000(0.990.91)/275=10.89.9，极对数p可能取值为10 或11。验证：p=11时，n0=272.72，sn=-0.0010，不符合要求，p=10时，n0=300，sn=0.08330.09，符合要求。答案：C 。,33.定子和转子电路,本节的主要内容有三部分： 定、转子电路： 主要掌握：电压平衡方程式、等效电路。 定、转子电流关系： 主要掌握：磁势平衡方程式。,一、定子电路,三相异步电动机定子是由三相对称交流绕组组成。三相绕组对称，只需分析一相。 异步电动机工作时，一相定子绕组与单相变压器原边绕组相似。定子绕组通入交流电流后，将在铁心产生磁通(三相合成为旋转磁

11、通，但对定子的一相绕组而言，也是变化磁通)，同时与定子和转子绕组交链的磁通称为主磁通，只与定子交链的磁通称为漏磁通。主、漏磁通在定子上分别感应电动势的情况与变压器相似：E1=4.44k1f1N1，其中： k1=W1kW1，kW1是定子的绕组系数，定子绕组结构形式与变压器不同（短距、分布），是一个小于1 的系数。,电压平衡方程式与变压器完全相同： U1=（R1+jX1）I1E1=I1Z1 E1 但是，必须注意：由于异步电动机存在气隙，所以其励磁电流大于变压器励磁电流。P.35.+3行：I0=20%50% In。因此，异步电动机的漏磁通较大，漏抗及漏阻抗都比变压器大。 三相定子产生的主磁通是旋转的

12、磁通，以同步转速n0= 60 f1 / p旋转的。,平衡方程,二、转子电路,转子电量与频率： 主磁通以相对转速n = n 0 n = sn 0 切割转子绕组，转子电量的频率f2=pn/60=spn0 /60=sf1。转子频率f2是随转差率（或转速）变化的量。当电动机起动瞬时（n=0），f2=f1。因此转子感应的电动势及转子电路的漏抗分别为： E2=4.44k2f2N2 和 X2=2f2L2 若用n=0时的转子电势E20和转子电路漏抗X20表示，则一般情况下，异步电动机转子电势和转子电路漏抗为： E2=4.44k2f2N2= sE20 和 X2=2f2L2 = sX20,注意：书P. 43 习题

13、（作业）3 4。 转子磁场相对定子的转速，应该先求其对转子的相对转速，然后求n21=n2+n。,转子电流： I2= E2/（R22X22）1/2 = sE20 /（R22s2X202）1/2 = E20 / （R2 / s）2X202 1/2 此式中电量的频率都是f 1 。 转子功率因数 ： cos2=R2/（R22X22）1/2= R2 /（R22s2X202）1/2 。,转子电流和功率因数,等效电路,异步电动机的等效电路不做要求,电阻：R2 / s = R2 （R2 / s） R2 = R2 （1 s）R2 / s 由转子电流表达式I2 = E20 / （R2 / s）2X202 1/2可

14、知：异步电动机转动后，转子电路比静止时多了电阻（1 s）R2 / s 。当s = 1，这个电阻 = 0 ，相当于转子电路处于短路状态；当s = 0，这个电阻 ，相当于转子电路处于开路状态。,异步电动机转动后，转子电路比静止时多了这个电阻，其实这是电动机机械负载在转子一相电路中的等效。这个电阻消耗的功率等于异步机通过轴上输出的机械功率。 这就是异步电动机的等效电路。,三、定子电流与转子电流的关系,异步电动机转动后，转子电路的等效电阻(1-s)R2/s 增加， I2减小。当s =1，(1-s)R2/s = 0 ，异步电动机起动，转子电路相当于处于短路状态，此时电流很大；随着n 的增加，I2不断减小

15、，当s =sn=0.010.09 时，转子电阻相当大，I2减小到额定值。 和变压器相似，异步电动机的转子电流产生的磁势也具有去磁性质。磁势的平衡方程式如书P. 31 式（3-2-11）和式（3-2-12）。 当机械负载增加，转速降低，电阻R2/s 减小， I2增大，去磁作用增强， I1也随之增大。,由式：cos2=R2/(R22s2X202)1/2可知： 当s = 1 (n=0，即起动) 时，异步电动机的功率因数最低；额定运行时， sn=0.010.09，异步机功率因数相当高。当s = 0 时，虽然cos2 =1，但I 2 = 0，I1 =I0 ， cos1很低。,第三节要点：电压平衡方程（电路）；磁势平衡方程；磁场转速 。,转子电流与功率因数,34.三相异步电动机的运行特性,本节的主要内容有三部分： 电磁转矩： 主要掌握：电磁转矩各种表达式和异步电动机能量关系。 机械特性： 机械特性是分析异步电动机工作的重要特性，应该能够根据特性等对异步电动机进行计算和定性分析。是本节的重点。 工作特性： 主要了解工作特性的种类（条数）及大致形状。,一、电磁转矩,转矩等于功率除角速度：T=P/,功率流图：功率流图又叫能流图（或能量流程图、功率流程图），说明的是功率或能量的传递过程。 电磁转矩物理表达式：设，异步电动机转子有m2相绕组，由主磁通