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1、1,重庆大学自动化学院,电机学及拖动基础,2,第四章 异步电机(一),三相异步电动机的基本原理,3,主要内容,第一节 三相异步电动机的工作原理及结构 第二节 三相异步电动机的铭牌数据 第三节 三相异步电动机的定子绕组 第四节 三相异步电动机的定子磁动势及磁场 第五节 三相异步电动机定子绕组的电动势,4,第一节 三相异步电动机的工作原理及结构,交流电机有异步电机和同步电机两大类 同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系 异步电机则不然。异步电机定子接上电源以后,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。 异步电机一般都作电动机使用,应用最广泛,
2、5,一 三相异步电动机的工作原理与运行状态,直流电动机 静止磁场+导入电枢绕组的电源电流电磁转矩 三相异步电动机 旋转磁场+感应出转子绕组的感生电流电磁转矩 三相异步电动机中实现机电能量转换的前提是产生一种旋转磁场,6,旋转磁场一种极性和大小不变,且以一定转速旋转的磁场。,1.旋转磁场的产生,A-X、B-Y、C-Z三个线圈分布在定子铁心内圆圆周上,从空间上,B相从A相、C相从B相、A相从C相均后移120 构成对称三相绕组; 该绕组接上对称的三相电源 通过对称三相电流:,首端,考察每相仅一个线圈的情况:,7,三相电流合成磁场的分布情况:,结论:当对称三相电流通入对称三相绕组时,产生一个大小不变、
3、转速一定的旋转磁场。,电流方向:“+”首端流出、末端流入; “-”末端流出、首端流入。,8,三相电流: 任意调换两根电源进线(B相和C相互换),2.旋转磁场的旋转方向,首端,结论:任意调换两根电源进线则旋转磁场反转,即旋转磁场的旋转方向取决于三相电流的相位。,9,每相一个线圈: 绕组的始端之间互差180o,3.旋转磁场的磁极对数,极对数:,10,每相两个线圈串联: 绕组的始端之间互差90o,极对数:,结论:旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列规则有关。,11,p=1: 三相电流经过一个周期T,旋转磁场在空间上转过360o,即电流变化一次,旋转磁场转过一转,因此转速ns与交流电流频率f1的关系:,
4、4.旋转磁场的转速,N,N,N,N,12,p=2: 三相电流经过一个周期T,即电流变化一次,旋转磁场在空间上仅转过1/2转,因此转速ns与交流电流频率f1的关系: 类推,对于p对磁极的旋转磁场,电流变化一次,磁场转过1/p转。,N,N,N,N,结论:旋转磁场的转速ns(同步转速)与电源频率f1、极对数p有关。,13,定子铁心上嵌有对称三相绕组,接到对称三相电源后,在定子和转子间的气隙中建立以同步转速ns旋转的旋转磁场; 转子铁心上嵌有均匀分布的导条,导条两端用铜环连接成一个整体,构成闭合回路; 导条被旋转磁场切割感应电动势; 导条构成闭合回路有感生电流流过; 导条在旋转磁场中、并流过感生电流,
5、必受到电磁力; 所有导条的电磁力合成为电磁转矩; 转子跟随旋转磁场旋转,转速为n,实现机电能量转换。,5.三相异步电动机的工作原理,旋转磁场以ns逆时针转动 感应电动势和电流方向:N极下流入、S极下流出 电磁力和电磁转矩方向:逆时针 转子旋转方向:逆时针,14,异步电动机转动的关键,在于导条与旋转磁场之间存在相对运动,从而发生电磁感应作用、产生感应电动势和感生电流、产生电磁力和电磁转矩 结论:异步电动机的转子转速n总是略小于旋转磁场的同步转速ns,即与旋转磁场“异步”地转动“异步”电动机 转速ns与n之差称为转差 结论:转差的存在是异步电动机运行的必要条件 转差ns-n与同步转速ns之比的百分
6、值转差率 转子转速n亦可由转差率求得:,问题:转子转速n多少?能否与ns相同?能否超过?,6.三相异步电动机的转速,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地位,15,根据转速或转差率的不同,异步电机分别对应于三种不同的运行状态:,7.三相异步电动机的运行状态,(1)电动机状态00,发出机械功率 定子侧:吸收电功率 吸收电功率发出机械功率电动机,(2)发电机状态nns或s0 转子侧:Te与n反向,Te为制动转矩,Te0,吸收机械功率 定子侧:发出电功率 吸收机械功率发出电功率发电机,16,(3)电磁制动状态n1 转子侧:Te与n反向,Te为制动转矩,Te0,吸收机械功率 定子侧
7、:吸收电功率 吸收电功率+吸收机械功率转子电阻热损耗电磁制动状态,异步电机三种运行状态对比:,17,二 三相异步电动机的结构,绕线转子异步电机剖面图 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,18,19,20,异步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:是异步电机主磁通磁路的一部分。,1、定子,21,定子绕组:是异步电机定子部分的电路。 由许多线圈按一定规律连接而成,单层或双层形式,定子冲片减少旋转磁场的涡流损耗和磁滞损耗,22,机座:固定和支撑定子铁心。,2、转子,异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 转子铁心:也是异步
8、电机主磁通磁路的一部分。,23,转子绕组:分为鼠笼型和绕线型两种结构。,1)鼠笼型绕组 由于异步电机不需外电源对转子绕组供电,故绕组可自行闭合,绕组的相数亦不必限定为三相。因此,笼型绕组的各相均由单根导条组成。 由于异步电机转差率在5%以下,故导条中的感应电动势不大,无需对导条和铁心绝缘。因此,笼型绕组可由插入每个转子槽中的导条和两端的环形端环组成。 特点:笼型转子既无集电环,又无绝缘。,24,鼠笼型转子,25,2)绕线型绕组 与定子绕组一样,绕线型绕组也是一个对称三相绕组,这个对称三相绕组接成星形,并接到转轴上的三个集电环上,再通过电刷使转子绕组与外电路接通。 特点:绕线型转子通过集电环和电
9、刷,可以在转子回路中接入附加电阻或其他控制装置,从而改善电机的起动性能或调速特性。,26,绕线型转子,27,气隙大小与异步电动机的性能关系很大: 一方面:气隙大磁阻大励磁电流大电机的功率因数变坏; 另一方面:气隙大磁阻大减少气隙磁场谐波含量减少附加损耗,且改善起动性能。 应综合考虑,一般异步电动机的气隙以较小为宜,3、气隙,28,第二节 三相异步电动机的铭牌数据,额定功率:电动机在额定运行状态时输出的机械功率,kW 额定电压:额定运行时,电网加在定子绕组的线电压,V 额定电流:电动机在额定电压下使用,输出额定功率时,定子绕组中的线电流,A 额定频率:我国规定标准工业用电频率50Hz 额定转速:
10、电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的转子转速,r/min 此外,还标明有相数与接法、绝缘等级、运行温升、额定效率、额定功率因数等;对绕线转子异步电动机,还标明有额定电动势、额定电流等。,29,第三节 三相异步电动机的定子绕组,三相交流绕组的绕组结构 三相交流绕组产生的磁势分析 三相交流绕组产生的感应电势分析 是交流电机的共同理论问题,30,一 交流绕组的一些基本知识和基本量,1、电角度与机械角度,电角度= p机械角度,电机圆周在几何上为360o,该角度称为机械角度,从电磁角度看,一对N、S极构成一个磁场周期,即一对磁极占有的空间为360o电角度 电机的极对数为p时,电机圆周按电角度计算就为
11、p360o,而机械角度总是360o,即:,31,2、线圈(绕组元件),组成交流绕组的基本单元是线圈 线圈可以分为单匝线圈和多匝线圈 线圈有两个引出线,一个叫首端,另一个叫末端,32,3、节距y1,一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距,用y1表示,一般用槽数计算。 节距应接近极距 y1=整距绕组 y1长距绕组 常用的是整距和短距绕组,33,4、槽距角,相邻槽之间的电角度称为槽距角,用表示 若Q1为定子槽数、p为极对数,则槽距角:,图例中,Q1=36 机械角: 槽距角:,34,5、每极每相槽数q,每一个极下每相绕组所占的槽数,称为每极每相槽数,用q表示 若Q1为定子槽数、p为极对数、m为相
12、数,则: 进一步,可得三相绕组中与q之间的关系:,35,6、相带,每个极距内属于同一相的槽所占有的连续区域称为相带,用电角度表示 一般的三相异步电动机中都采用60o相带绕组,三相绕组每个极距内共有三个相带; 每个极距为180o电角度; 则每个相带为60o电角度; 每相绕组的所有相带均相隔一个极距。 这样排列的对称绕组称为60o相带绕组,36,二 交流绕组的基本要求和构成原则,1、基本要求:,必须形成规定的磁场极数; 多相绕组必须对称,不仅要求m相绕组的匝数、跨距、以及在圆周上的分布情况相同,而且m相绕组的轴线在空间上互差360o/m电角度; 力求绕组磁场和感应电动势接近正弦波,因此采用分布绕组
13、和短距绕组; 力求绕组磁场和感应电动势最大,因此线圈跨距应尽可能接近极距、且对于三相绕组尽可能采用60o相带; 用铜省;下线方便;强度好。,37,2、构成原则:,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q 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120o电角度。 如槽距角为,则相邻两相错开的槽数为120o/ 电势相加原则:线圈两个边的感应电动势应该相加,线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。 如线圈的一个边在N极下,则另一个边应在S极下,38,三 交流绕组的排列和连接,为便于说明,假设给定电机极数2
14、p=4,槽数Q1=24,1、极距的计算:,对于2p=4、Q1=24,则=6,2、线圈中的电流方向:,要求:相邻极距下同一相绕组的线圈边中电流方向相反,39,3、确定相带:,按对称性要求,每相绕组占有相等的槽数Q1/m; 每相绕组按极距对称而均匀地分组分布,每个极距内一个线圈组,每个组槽数即为q=Q1/2pm; 对于Q1=24、m=3、2p=4,则q=2,即每个相带占据2个槽、对应于60o电角度。,4、画定子槽的展开图:,确定相带和应有的电流相对方向,单层一相绕组的一种连接方法,40,三相绕组排列和连接的一般方法归纳为:,计算极距; 计算每极每相槽数q; 划分相带; 组成线圈组 按极性对电流方向
15、的要求分别构成一相绕组,41,四 三相单层绕组,特点: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。,假设Q1=24槽、m=3相、2p=4极,说明单层绕组构成,1、计算极距:,2、计算每极每相槽数:,分极:将总槽数按给定极数均匀分开,分相:将每个极域槽数按给定相数均匀分开,三相在空间错开120o电角度,42,3、划分相带:,43,4、组成线圈组:,将一对极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线圈,共有q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,共有p个线圈组 以上连接应符合电势相加原则,44,5、连相绕组:,将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组,并标记首尾
16、端,串联与并联: 电势相加原则 最大并联支路数: a=p,45,将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 Y接法或接法,等元件式整距叠绕组,缺点:端接部分重叠层数较多 由于所形成的磁动势仅与线圈边中的电流方向有关,而与线圈边连接次序无关 同心式绕组,特点:线圈组中各线圈节距不等,各线圈轴线重合,46,五 三相双层绕组,特点:双层绕组的每一个槽内有上下两个线圈边,每个线圈的一个边放在某个槽的上层,另一个边放在相隔节距y1的槽的下层,整个绕组的线圈数等于总槽数。,仍假设Q1=24槽、m=3相、2p=4极,说明双层叠绕组构成,1、计算极距:,2、计算每极每相槽数:,分极:将总槽数按给定极数均匀分开,分相:将每个极域槽数按给定相数均匀分开,三相在空间错开120o电角度,47,3、划分相带:,双层绕组应对每层线圈边确定其所属相带 通常用上层线圈边的分相作