第5章 三相交流電機基本理論與結構

面向21世紀高職高專系列教材,電機拖動與控制,第5章三相交流電機基本理論與結構,張勇主編,本章內容：三相異步電動機基本理論三相異步電動機的結構與銘牌交流電動機定子繞組的基本知識及分類繞組的感應電動勢三相異步電動機的空載運行三相異步電動機的負載運行三相異步電動機的功率和轉矩關系三相異步電動機的工作特性,第5章三相異步電動機基本理論及結構,第5章三相異步電動機基本理論及結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌,三相異步電動機模型實際三相異步電動機,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,籠型異步電動機的結構圖,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,三相異步電動機主要有定子和轉子兩大部分組成。1.定子部分異步電動機的定子是由機座、定子鐵心和定子繞組三個部分組成的。（1）機座：主要起支撐保護作用。（2）定子鐵心：是電動機磁路的一部分，裝在機座里。為了降低定子鐵心里的鐵損耗，定子鐵心用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成的，在硅鋼片的兩面還應途上絕緣漆，以減小渦流損耗。（3）定子繞組：三相對稱繞組嵌放在定子鐵心內圓的槽內，三相繞組在空間相差120電角度，每相繞組的兩端分別用A-X、B-Y、C-Z（實際中也用U1-U2、V1-V2、W1-W2）表示，根據需要結成星形Y或三角形。,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,三相異步電動機定子鐵心及定子槽形,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,2.轉子部分三相異步電動機的轉子是由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成的。（1）轉子鐵心：是電動機磁路的一部分，用來安放轉子繞組，它用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。鐵心固定在轉軸或轉子支架上，整個轉子的外表呈圓柱形。（2）轉子繞組：分為籠型和繞線型兩類。1）繞線轉子繞組：也是一個三相繞組，三相引出線分別接到轉軸上的三個與轉軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相聯，通過外串電阻改善電機的起動，調速等性能。如下圖所示。,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,2）籠型繞組：在轉子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導條聯結起來，稱為銅排轉子，如圖所示。也可用鑄鋁的方法，把轉子導條和端環(huán)、風扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉子，如圖所示。100kW以下的異步電動機一般采用鑄鋁轉子?；\型繞組結構簡單，堅固，成本低。3.其他部分包括端蓋、風扇等。,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.1三相異步電動機的結構,定子和轉子配合方式,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.2三相異步電動機的銘牌數據,（1）額定功率(容量)：轉軸上輸出的機械功率(kW)。（2）額定電壓：額定運行時，加在定子繞組上的線電壓(V)。（3）額定電流：額定運行時，加在定子繞組上的線電流(A)。（4）額定轉速：額定運行時，電動機的轉子轉速(r/min)。（5）額定頻率：所接電源的頻率(Hz)，我國工頻(50Hz)。（6）絕緣等級。（7）接法。用Y或表示。表示在額定運行時，定子繞組應采用的聯結方式。額定電壓，額定電流，額定功率的關系：接法：相電壓UN=UN；相電流IN=IN/1.735Y接法：相電壓UN=UN/1.735；相電流IN=IN，所以：PN=1.735UNINNcosN(W),5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.2三相異步電動機的銘牌數據,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.2三相異步電動機的銘牌數據,若是繞線式轉子異步電動機，則還有：（8）轉子繞組開路電壓。指定子接額定電壓，轉子繞組開路時的轉子線電壓（V）。（9）轉子繞組的額定電流（A）。,5.2三相異步電動機的結構與銘牌5.2.2三相異步電動機的銘牌數據,型號舉例：（1）Y132S-4：Y-異步電動機；132-機座中心高度132mmS-短鐵心；4-極數。（2）Y112S-6：極數6極；短機座；規(guī)格代號：中心高112mm產品代號：異步電動機,5.1三相異步電動機基本理論5.1.1三相交流電機的旋轉磁場,旋轉磁場:旋轉磁場就是一種極性和大小不變，且以一定轉速旋轉的磁場。從理論分析和實踐證明，在對稱三相繞組中流過對稱三相交流電時會產生這種旋轉磁場。所謂三相對稱繞組就是三個外形、尺寸、匝數都完全相同、首端彼此互隔120、對稱地放置到定子槽內的三個獨立的繞組，如圖所示。,5.1三相異步電動機基本理論5.1.1三相交流電機的旋轉磁場,對稱三相電流的函數式表示為：,對稱三相電流的波形表示為：,5.1三相異步電動機基本理論5.1.1三相交流電機的旋轉磁場,由分析可知，當電流從t=0變化到t=180時，旋轉磁場在空間相應地轉過180，相應地，電流變化一個周期，旋轉磁場轉過一周。,5.1三相異步電動機基本理論5.1.1三相交流電機的旋轉磁場,5.1三相異步電動機基本理論5.1.1三相交流電機的旋轉磁場,上圖為有2個N極、2個S極磁場，沿A-B-C方向旋轉。電流變化一周，磁場旋轉半周。(p=2)磁場的旋轉速度n1與p的關系：p=1,n1=60f/1=3000(r/min)p=2,n1=60f/2=1500(r/min)p=3,n1=60f/3=1000(r/min)一般地，旋轉磁場的轉速：n1=60f/p（r/min）n1同步轉速,5.1三相異步電動機基本理論5.1.2三相異步電動機的工作原理,三相異步電動機定子三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時，將在電機氣隙空間產生旋轉磁場，轉子繞組的導體處于旋轉磁場中，轉子導體切割磁力線會產生感應電勢，根據右手定則可以判斷感應電勢方向，又因為轉子導體通過端環(huán)自成閉路，所以轉子導體中會通過感應電流。感應電流與旋轉磁場相互作用產生電磁力，根據左手定則可以判斷電磁力的方向。電磁力作用在轉子上將產生電磁轉矩，并驅動轉子旋轉。,異步電動機的工作原理示意圖,5.1三相異步電動機基本理論5.1.2三相異步電動機的工作原理,異步名稱的由來：只有當轉子轉速n低于旋轉磁場轉速n1，即nn1時，轉子導體與旋轉磁場之間才有相對運動，轉子導體才會感應電動勢和電流，產生電磁力和電磁轉矩，使電機轉子繼續(xù)旋轉。由此可見，nn1，且nn1，異步電動機才能正常工作。,5.1三相異步電動機基本理論5.1.3轉差率,轉差率：轉差率為旋轉磁場的同步轉速n1和電動機（轉子）轉速n之差與同步轉速n1之比。即：一般情況，額定運行時sN=1%-5%。,5.3交流電動機定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識1.電角度與機械角度,機械角度：電機圓周在幾何上分成360，這個角度稱為機械角度，（也叫幾何角度）。電角度：從電磁方面看，一對磁極占有空間電角度為360。一般而言，若電機有p對磁極，電機圓周按電角度計算就為p360，而機械角度總是360，因此電角度=p機械角度,2.極距兩相鄰磁極軸線之間的距離稱為極距。一般用槽數表示，也可用長度或電角度等表示。=Q/2p,5.3交流電動機定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識,3.線圈線圈（繞組元件）是構成繞組的基本單元。繞組就是線圈按一定規(guī)律的排列和聯結。線圈可以分為多匝線圈和單匝線圈。與線圈相關的概念包括：有效邊、端部、線圈節(jié)距等。,單根引出,5.3交流電動機定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識,4.繞組及繞組展開圖,繞組是由多個線圈或線圈組按一定方式聯結起來構成的。把定子（或轉子）沿軸向展開、拉平，即得到繞組展開圖。單層繞組一個槽中只放一個元件邊。雙層繞組一個槽中放兩個元件邊。,5.3交流電動機定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識,5.節(jié)距Y一個線圈兩個有效邊之間所跨過的槽數稱為線圈的節(jié)距。用Y表示。y時，線圈稱為長距線圈。,5.3交流電動機定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識,相鄰兩槽軸線之間的電角度稱為槽距角，用表示，由于定子槽在定子內圓周上是均勻分布的，則=360p/Q,6.槽距角,5.3交流電動機定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識,7.每極每相槽數q,每一個極下每相繞組所占有的槽數，稱為每極每相槽數。q=Q/2pmm定子繞組的相數。,說明：1、交流電機沒有虛槽的概念。2、三相線圈（或線圈組）的6根引出線都是單根。,5.4繞組的感應電動勢,經過分析：通入電流iA,iB,iC三相合成磁勢：是一個在空間上正弦分布，隨時間旋轉磁通勢。它反作用在定子繞組上，產生感應電動勢與電源平衡。(討論中，假定磁場在空間正弦分布）討論順序：從一個線圈（一根導體）再到一個線圈組最后到一個相繞組。,5.4繞組的感應電動勢5.4.1線圈的感應電動勢,1.導體電動勢最大值：Ec1m=Bm1LvBm1作正弦分布的氣隙磁通密度的幅值L導體在鐵心中的有效長度v導體與旋轉磁場的相對速度有效值：Ec1=Ec1m/=fBm1Lt(v=2ptn1/60)磁通密度正弦分布時，每極磁通量F1=2/p(Bm1Lt)代入得：Ec1=2.22fF1,5.4繞組的感應電動勢5.4.1線圈的感應電動勢,2.整距線圈的電動勢每個線圈有兩個有效邊，共Nc匝線圈，則電動勢有效值為：Ey1=4.44fNcF1,3.短距線圈的電動勢電動勢有效值：,設g為線圈節(jié)距Y對應的電角度，則,ky1短距系數,5.4繞組的感應電動勢5.4.2線圈組電動勢,每個線圈組由q個線圈串聯而成：分集中繞組和分布繞組(圖）。集中繞組：分布繞組：,5.4繞組的感應電動勢5.4.2線圈組電動勢,Fqm1,分布繞組：kq1分布系數，,kN1繞組系數，,繞組相電動勢的一般公式E1=4.44fN1kN1,N每相繞組的串聯匝數；1每極磁通量；KN1繞組系數。,5.4繞組的感應電動勢5.4.3相電動勢,5.5三相異步電動機的空載運行5.5.1電磁關系,空載時，軸上沒有任何機械負載，異步電動機所產生的電磁轉矩僅克服了摩擦、風阻的阻轉矩，所以是很小的。電機所受阻轉矩很小，則其轉速接近同步轉速，nn1，轉子與旋轉磁場的相對轉速就接近零，即n1-n0。異步電動機空載運行時的電磁關系可用下圖表明：,5.5三相異步電動機的空載運行5.5.2空載時的定子電壓平衡關系,近似的有：U=-E1或U=E1,5.6三相異步電動機的負載運行,異步電動機運行的兩種特殊情況：（1）空載運行時：n接近于n1，s接近于0，相當于轉子開路。（2）轉子堵轉時（接上電源，轉子被堵住轉不動）時：n=0，s=1，相當于短路狀態(tài)，會使電機電流很大，很快過熱而燒毀電機，這在電機實驗及使用電機事應多加注意。異步電動機起動初始也屬于此種情況。,5.7三相異步電動機的功率和轉矩關系5.7.1功率關系,當三相異步電動機以轉速n穩(wěn)定運行時，從電源輸入的功率為：,定子回路銅損耗Pcu1為:,定子回路的鐵耗PFe1：,從電源輸入電功率，除去定子銅耗和鐵耗，便是定子傳遞給轉子回路的電磁功率，即：PM=P1-Pcu1-PFe1,5.7三相異步電動機的功率和轉矩關系5.7.1功率關系,異步電動機功率流程圖,電動機運行時，由于軸承等摩擦產生的機械損耗pm及附加損耗ps，轉子的機械功率Pm減去機械損耗pm和附加損耗ps，才是轉軸上真正輸出的功率。功率流程圖如下圖所示。,5.7三相異步電動機的功率和轉矩關系5.7.1功率關系,異步電動機運行時電磁功率、轉子回路銅損耗和機械功率三者之間的定量關系是：,也可寫出下列關系式：PM=pCu2+PmpCu2=sPMPm=（1-s）PM上式表明，當電磁功率一定，轉差率s越小，轉子銅耗越小，機械功率越大，效率越高。電動機運行時，若s增大，轉子銅耗也增大，電機易發(fā)熱，效率降低。,5.7三相異步電動機的功率和轉矩關系5.7.2轉矩關系,機械功率Pm除以軸的角速度就是電磁轉矩T，即,電力拖動系統(tǒng)中，常可忽略空載轉矩T0，則有TT2=TL,5.8三相異步電動機的工作特性,1.轉速特性n=f（P2）三相異步電動機空載時，轉子的轉速接近于同步轉速n1。隨著負載的增加，轉速n要略微降低，這時轉子電動勢增大，從而使轉子電流增大，以產生較大的電磁轉矩來平衡負載轉矩。因此，隨著P2的增加，轉子轉速n下降，轉差率s增大。轉速特性是一條硬特性。,5.10習題1.何謂旋轉磁場?三相交流旋轉磁場產生的條件是什么?如果三相電源的一相斷線,問三相異步電動機能否產生旋轉磁場?為什么?2.三相異步電動機旋轉磁場的轉速由什么決定?試問兩極,四極,六極三相異步電動機的同步速