交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與調(diào)速原理

交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與調(diào)速原理第1頁/共50頁一、三相異步電動機(jī)的概述1.主要用途

異步電機(jī)主要用作電動機(jī)，去拖動各種生產(chǎn)機(jī)械。例如，在工業(yè)方面，用于拖動中小型軋鋼設(shè)備、各種金屬切削機(jī)床、輕工機(jī)械、礦山機(jī)械等；在農(nóng)業(yè)方面，用于拖動水泵、脫粒機(jī)、粉碎機(jī)以及其它農(nóng)副產(chǎn)品的加工機(jī)械等；在民用電器方面的電扇、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)等也都是用異步電動機(jī)拖動的。使用非常廣泛。

第2頁/共50頁2.特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行效率較高和具有適用的工作特性。缺點(diǎn)：功率因數(shù)較差。異步電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須從電網(wǎng)里吸收落后性的無功功率，它的功率因數(shù)總是小于1。由于電網(wǎng)的功率因數(shù)可以用別的辦法進(jìn)行補(bǔ)償，這并不妨礙異步電動機(jī)的廣泛使用。對那些單機(jī)容量較大、轉(zhuǎn)速又恒定的生產(chǎn)機(jī)械一般采用同步電動機(jī)拖動為好。因?yàn)橥诫妱訖C(jī)的功率因數(shù)是可調(diào)的(可使cosφ=1或領(lǐng)先)。第3頁/共50頁注意：

交流的有功率因數(shù)，是應(yīng)為電壓電流都是正弦規(guī)律變化的，導(dǎo)致在感抗容抗上電壓電流有夾角，這個(gè)角就是功率因數(shù)角，直流中，因?yàn)殡娏麟妷阂呀?jīng)不是正弦變化的了，所以，基本不存在功率因數(shù)。直流電機(jī)有功率因數(shù)嗎？第4頁/共50頁3.種類異步電動機(jī)的種類很多，從不同角度看，有不同的分類法。例如：(1)按定子相數(shù)分有:①單相異步電動機(jī)；②兩相異步電動機(jī)；⑧三相異步電動機(jī)。(2)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分有:①繞線式異步電動機(jī)（1、2）；②鼠籠式異步電動機(jī)（1、2）。其中又包括單鼠籠異步電動機(jī)；雙鼠籠異步電動機(jī)；深槽式異步電動機(jī)。第5頁/共50頁(3)按有無換向器分:①無換向器異步電動機(jī)；②換向器異步電動機(jī)。此外，根據(jù)電機(jī)定子繞組上所加電壓大小，又有高壓異步電動機(jī)、低壓異步電動機(jī)。從其它角度看，還有高起動轉(zhuǎn)矩異步電機(jī)，高轉(zhuǎn)差率異步電機(jī)，高轉(zhuǎn)速異步電機(jī)等等。

異步電機(jī)也可作為異步發(fā)電機(jī)使用。單機(jī)使用時(shí)，常用于電網(wǎng)尚未到達(dá)的地區(qū)．又找不到同步發(fā)電機(jī)的情況，或用于風(fēng)力發(fā)電等特殊場合上。在異步電動機(jī)的電力拖動中，有時(shí)利用異步電機(jī)回饋制動，即運(yùn)行在異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)。第6頁/共50頁

二、三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)三相感應(yīng)電動機(jī)定子氣隙轉(zhuǎn)子機(jī)座端蓋轉(zhuǎn)子鐵心軸轉(zhuǎn)子繞組定子鐵心定子繞組鼠籠型繞線型第7頁/共50頁和直流電機(jī)一樣，三相異步電動機(jī)主要也由靜止的定子和轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子與轉(zhuǎn)子之間有——個(gè)較小的氣隙。圖1表示繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。

第8頁/共50頁端蓋機(jī)座主要部件由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機(jī)座、軸承、風(fēng)扇等部件。第9頁/共50頁定子第10頁/共50頁定子轉(zhuǎn)子軸承端蓋機(jī)座第11頁/共50頁繞線型轉(zhuǎn)子鐵心與繞組

根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的不同又分為籠型轉(zhuǎn)子和繞線型轉(zhuǎn)子。繞線型轉(zhuǎn)子的電動機(jī)稱繞線型電動機(jī)。外接電阻電刷滑環(huán)轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子繞組

1.轉(zhuǎn)子第12頁/共50頁轉(zhuǎn)子鐵心是由相互絕緣的硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子硅鋼片第13頁/共50頁

籠型轉(zhuǎn)子是由嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)的導(dǎo)電條組成，在轉(zhuǎn)子鐵心的兩端各用一個(gè)導(dǎo)電端環(huán)把所有的導(dǎo)電條連接起來?；\型轉(zhuǎn)子繞組實(shí)物圖1，繞線型轉(zhuǎn)子繞組實(shí)物圖1籠型轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子的電動機(jī)稱籠型電動機(jī)。第14頁/共50頁定子是由機(jī)座、定子鐵心和定子繞組組成。定子繞組機(jī)座鐵心

交流電動機(jī)按定子相數(shù)分:三相異步電動機(jī)、兩相異步電動機(jī)、單相異步電動機(jī)。2.定子第15頁/共50頁定子鐵心是由沖有槽孔的硅鋼片疊壓而成。定子硅鋼片定子繞組實(shí)物圖：繞線式定子繞組實(shí)物圖1、2，鼠籠式定子繞組實(shí)物圖1第16頁/共50頁機(jī)座端蓋風(fēng)扇接線盒定子繞組鼠籠轉(zhuǎn)子端環(huán)散熱筋軸軸承三相感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖第17頁/共50頁三相感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖第18頁/共50頁第19頁/共50頁鼠籠型轉(zhuǎn)子

導(dǎo)體用銅條或鋁條，兩頭用端環(huán)聯(lián)接。結(jié)構(gòu)可靠簡單，但是轉(zhuǎn)子電阻固定。第20頁/共50頁繞線式轉(zhuǎn)子

接成Y型的三相繞組通過滑環(huán)和電刷與外電路聯(lián)接，便于串入電阻改善電動機(jī)的運(yùn)行性能。第21頁/共50頁三、三相異步電動機(jī)的工作原理

直流電動機(jī)的工作原理是，通過一種靜止的磁場與以傳導(dǎo)方式通入電樞繞組中的電流相互作用而產(chǎn)生的一種恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，來實(shí)現(xiàn)拖動作用。

三相異步電動機(jī)的工作原理，就是通過一種旋轉(zhuǎn)磁場與由這種旋轉(zhuǎn)磁場借助于感應(yīng)作用在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)所感生的電流相互作，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)拖動作用。第22頁/共50頁

在三相異步電動機(jī)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的前提是產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場。用什么方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場?這是敘述三相異步電動機(jī)的工作原理時(shí)必須首先說明的問題。

旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（點(diǎn)擊觀看演示）

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所謂旋轉(zhuǎn)磁場，就是一種極性和大小不變且以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場。根據(jù)理論分析和實(shí)踐證明，在對稱三相繞組中流過對稱三相電流時(shí)會產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場。A一X、B一Y、C—Z三個(gè)線圈彼此互隔120o分布在定子鐵心內(nèi)圓的四周上，構(gòu)成了對稱三相繞組。這個(gè)對稱三相繞組在空間的位移是B相從A相后移120o，C相從片相后移120o。當(dāng)對稱三相繞組接上對稱的三相電源，則在該繞組中通過對稱三相電流。若各相電流的瞬時(shí)表達(dá)式為：

第24頁/共50頁綜上所示的電流變化情況與旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)情況，可清楚地知道，當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化經(jīng)過一個(gè)周期T，旋轉(zhuǎn)磁場在空間相應(yīng)地轉(zhuǎn)過360o，即電流變化一次，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)。因此，電流每秒鐘變化f1

(即頻率)次（點(diǎn)擊演示），則旋轉(zhuǎn)磁場每秒鐘轉(zhuǎn)過f1轉(zhuǎn)。由此可知旋轉(zhuǎn)磁場為一對極情況下，其轉(zhuǎn)速n0(r／s)與交流電流頻率的關(guān)系f1為：n0=f1第25頁/共50頁

如果我們把三相繞組排列成如圖3—3中所示。A、B、C三相繞組每相分別由兩個(gè)線圈A一X、A`—B`，B一Y、B`一Y`，C—Z、C`—Z`，串聯(lián)組成。每個(gè)線圈的跨距為1/4圓周，用同樣方法決定三相電流所建立的合成磁場，仍然是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。不過磁場的極數(shù)變?yōu)樗膫€(gè)，即具有兩對磁極，并且當(dāng)電流變化一次，旋轉(zhuǎn)磁場僅轉(zhuǎn)過1／2轉(zhuǎn)。如果將繞組按一定規(guī)則排列，可得到3對，4對或——般地說蘆對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場。用同樣方法去考察旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0與磁場極對數(shù)p的關(guān)系，可看到它們之間是一種反比例關(guān)系，即具有p對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，電流變化一次，磁場轉(zhuǎn)過1／p轉(zhuǎn)。由于交流電源每秒鐘變化f次，所以極對數(shù)為p的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為:第26頁/共50頁

用n0表示旋轉(zhuǎn)磁場的這種轉(zhuǎn)速，稱為同步轉(zhuǎn)速。

當(dāng)對稱三相繞組接到對稱三相電源以后，即在定于、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)建立了以同步轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。由于轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)條被這種旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)會感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，若旋轉(zhuǎn)磁場按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)右手定則，可以判明圖中轉(zhuǎn)子上半部導(dǎo)體中的電動勢方向，都是進(jìn)入紙面的，下半部導(dǎo)體中的電動勢都從紙面出來的。因?yàn)檗D(zhuǎn)子上導(dǎo)條已構(gòu)成閉合回路，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就有電流通過。第27頁/共50頁

如不考慮導(dǎo)條中電流與電動勢的相位差，則電動勢的瞬時(shí)方向就是電流的瞬時(shí)方向。根據(jù)電磁力定律，導(dǎo)條在旋轉(zhuǎn)磁場中，并載有由感應(yīng)作用所產(chǎn)生的電流，這樣導(dǎo)條必然會受到電磁力。電磁力的方向用左手定則決定。轉(zhuǎn)子上所有導(dǎo)條受到的電磁力形成一個(gè)逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為n如轉(zhuǎn)子與生產(chǎn)機(jī)械聯(lián)接，則轉(zhuǎn)子上受到的電磁轉(zhuǎn)矩將克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩而作功，從而實(shí)觀了能量的轉(zhuǎn)換，這就是三相異步電動機(jī)的工作原理。三相異步電動機(jī)的工作原理（點(diǎn)擊觀看演示）第28頁/共50頁四、三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與運(yùn)行狀態(tài)

知道異步電動機(jī)的工作原理以后，一定會想到這樣一個(gè)問題，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子在由旋轉(zhuǎn)磁場的電磁感應(yīng)作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩作用下而旋轉(zhuǎn)著，那么轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是多少?能否與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同?或超過旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速?

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在一般情況下，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不能達(dá)到旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n0，總是略小于n0，這是由于異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上之所以能受到電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場之間存在一種相對運(yùn)動而發(fā)生電磁感應(yīng)作用，并感生了電流，從而產(chǎn)生了電磁力的緣故。如果異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n0，則旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條之間不再有相對運(yùn)動，因而不可能在導(dǎo)條內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生電動勢，也不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來拖動機(jī)械負(fù)載。因此，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是略小于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n0，即與旋轉(zhuǎn)磁場“異步”地轉(zhuǎn)動。“異步”電動機(jī)由此而命名。第30頁/共50頁轉(zhuǎn)速n0與n之差稱為“轉(zhuǎn)差”。轉(zhuǎn)差(n0-n)的存在是異步電機(jī)運(yùn)行的必要條件，我們將轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的百分值，稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即

第31頁/共50頁注意：同步電動機(jī)與異步電動機(jī)有什么區(qū)別？答：所謂同步，是指電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度是同步的；異步則是兩者速度不一樣。

從旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的起因上講，是有本質(zhì)上的區(qū)別的：異步電動機(jī)是因?yàn)橛修D(zhuǎn)差，才（由于）有了轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的力矩；而同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由于定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場間的相互作用才產(chǎn)生的。

從結(jié)構(gòu)上講，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上必須有形成閉環(huán)的導(dǎo)體（籠型導(dǎo)條或者線圈）；而同步電動機(jī)則不一定。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子可以有集中式繞組組成的磁極線圈，也可以是能產(chǎn)生恒定磁場的永磁體，也可以僅僅只有磁極形狀的極體，而沒有線圈。

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同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速的公式是:n=60f/p,在頻率和級對數(shù)一定的情況下,轉(zhuǎn)速是一定的,在同步電動機(jī)里,定子和轉(zhuǎn)子之間是沒有相對運(yùn)動的，轉(zhuǎn)子并沒有切割定子的磁場線,即定子和轉(zhuǎn)子是在相同的轉(zhuǎn)速的情況下運(yùn)行。

定子里面是三相交流電流,而轉(zhuǎn)子里面是直流電,轉(zhuǎn)子里的直流電會產(chǎn)生一個(gè)極性固定不變的磁場,當(dāng)定子的交流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的時(shí)候,轉(zhuǎn)子就會根據(jù)同性相斥,異性相吸的原理和定子磁場一樣的速度旋轉(zhuǎn)。同步電機(jī)在一般情況下的啟動轉(zhuǎn)矩是比較小的,在啟動的時(shí)候采取的方法是把轉(zhuǎn)子線圈短路,仿照異步電機(jī)的啟動方式,等轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度的時(shí)候,然后在轉(zhuǎn)子里通如直流電,同步電機(jī)比較容易在高負(fù)荷的情況下失步，自我調(diào)節(jié)能力比較差。

異步電機(jī)是依靠定子磁場在轉(zhuǎn)子里產(chǎn)生的電流反過來來切割定子磁場,產(chǎn)生電磁力矩,轉(zhuǎn)子和定子之間始終有轉(zhuǎn)速差,就是依靠這個(gè)轉(zhuǎn)速差來維持電機(jī)的運(yùn)行的。調(diào)速性能較差

，異步電動機(jī)運(yùn)行時(shí),從電力系統(tǒng)吸取無功功率以勵(lì)磁，這會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。第33頁/共50頁五、三相異步電動機(jī)的定子繞組接線在定子槽孔中放置三相彼此獨(dú)立的繞組。第34頁/共50頁AZBXCY設(shè)：電流的流入端用+表示

電流的流出端用?

表示定子繞組AXBYCZiAiBiCuAuBuCiAiBiCABCXYZ+++第35頁/共50頁定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組定子繞組轉(zhuǎn)子繞組AZBXCY+++設(shè)：電流的流入端用+

表示電流的流出端用?

表示第36頁/共50頁在定子槽孔中放置三相彼此獨(dú)立的繞組。AXBYCZABCZXYAXBYCZAXBYCZABCZXY定子繞組星型連接定子繞組三角型連接端子第37頁/共50頁三相單層繞組

單層繞組的每個(gè)槽內(nèi)只有一個(gè)線圈邊。整個(gè)繞組的線圈數(shù)等于總槽數(shù)的一半。在小型三相異步電動機(jī)里常采用單層繞組，因?yàn)檫@種繞組嵌線比較方便，槽內(nèi)沒有層間絕緣，槽的利用率高，但它的磁通勢和電動勢的波形比雙層繞組稍差，現(xiàn)用定子槽數(shù)Q1=6的單極電機(jī)的定子繞組說明單層繞組的構(gòu)成。

交流電機(jī)的整個(gè)繞組不一定接成閉合繞組。根據(jù)需要而定，接成三角形的三相繞組就是閉合繞組，接成星形的就是不閉合繞組，現(xiàn)說明三相六極組成的定子線圈接法。(FLASH演示1、2) 第38頁/共50頁六、三相異步電動機(jī)的磁通1.單相繞組的磁通勢

組成相繞組的單元是線圈，那么合成為單相繞組磁通勢的單元就是線圈的磁通勢，下面先分析一個(gè)線圈所產(chǎn)生的磁通勢。（點(diǎn)擊演示

）第39頁/共50頁三相繞組的磁通勢

在分析了單相繞組磁通勢的基礎(chǔ)上，把A、B、C三個(gè)單相繞組所產(chǎn)生的磁通勢波逐點(diǎn)相加，就可獲得三相繞組的合成磁通勢。但是一般不用這種逐點(diǎn)相加的方法去求得合成磁通勢．因?yàn)檫@樣做不僅僅是麻煩，而且只能得出磁通勢總體的概念，看不清基波磁通勢的主要作用。在闡述異步電動機(jī)工作原理時(shí)，已經(jīng)說明，三相繞組中通過對稱三相電流時(shí)會在電機(jī)氣隙里建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，那么建立旋轉(zhuǎn)磁場的磁通勢必然是一種旋轉(zhuǎn)磁通勢。（點(diǎn)擊演示）第40頁/共50頁七、異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)1.三相異步電動機(jī)的銘牌上標(biāo)明電機(jī)的型號、額定數(shù)據(jù)等。異步電動機(jī)的型號：

電機(jī)產(chǎn)品的型號一般采用大寫印刷體的漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成。其中漢語拼音字母是根據(jù)電機(jī)的全名稱選擇有代表意義的漢字，再用該漢字的第一個(gè)拼音字母組成。例如Y系列三相異步電動機(jī)表示如下：第41頁/共50頁Y100L12

異步電動機(jī)極數(shù)

鐵心長度代號

機(jī)座中心高機(jī)座長度代號第42頁/共50頁我國生產(chǎn)的異步電動機(jī)種類很多，下面列出一些常見的產(chǎn)品系列。Y系列為小型鼠籠全封閉自冷式三相異步電動機(jī)。用于金屬切削機(jī)床、通用機(jī)械、礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。也可用于拖動靜止負(fù)載或慣性負(fù)載較大的機(jī)械，如壓縮機(jī)、傳送帶、磨床、錘擊機(jī)、粉碎機(jī)、小型起重機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械等。JQ2和JQO2系列是高起動轉(zhuǎn)矩異步電動機(jī)，用在起動靜止負(fù)載或慣性負(fù)載較大的機(jī)械上。JQ2是防護(hù)式和JQO2是封閉式的。JS系列是中型防護(hù)式三相鼠籠異步電動機(jī)。JR系列是防護(hù)式三相繞線式異步電動機(jī)。用在電源容量小、不能用同容量鼠籠式電動機(jī)起動的生產(chǎn)機(jī)械上。JSL2和JRL2系列是中型立式水泵用的三相異步電動機(jī)，其中JSL2是鼠籠式，JRL2是繞線式。第43頁/共50頁JZ2和JZL2系列是起重和冶金用的三相異步電動機(jī)，JZ2是鼠籠式，JZL2是繞線式。JD2和JDO2系列是防護(hù)式和封閉式多速異步電動機(jī)。BJO2系列是防爆式鼠籠異步電動機(jī)。JPZ系列是旁磁式制動異步電動機(jī)。JZZ系列是錐形轉(zhuǎn)子制動異步電動機(jī)。JZT系列是電磁調(diào)速異步電動機(jī)。其他類型的異步電動機(jī)可參閱產(chǎn)品目錄。第44頁/共50頁2異步電動機(jī)的額定值：異步電動機(jī)的額定值包含下列內(nèi)容：（1）額定功率PN

指電動機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)軸上輸出的機(jī)械功率，單位是kw。（2）額定電壓

UN

指額定運(yùn)行狀態(tài)下加在定子繞組上的線電壓，單位為V。（3）額定電流IN

指電動機(jī)在定子繞組上加額定電壓、軸上輸出額定功率時(shí)，定子繞組中的線電流，單位為A。（4）額定頻率f

指我國規(guī)定工業(yè)用電的頻率是50Hz。（5）額定轉(zhuǎn)速n指電動機(jī)定子加額定頻率的額定電壓，且軸端輸