第3章 异步电动机.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,船舶电气设备及系统,航海学院,船舶电气设备及系统,主讲,刘达兴,第三章 异步电动机,3,1,三相异步电动机的结构与铭牌数据,3,2,异步电动机的工作原理,3,3,定子和转子电路,3,4,三相异步电动机的运行特性,3,5,单相异步电动机,31,.,三相异步电动机的结构,本节的主要内容有两部分,：,基本结构：,主要了解点：,组成作用；,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,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，并按照一定的规律嵌放在铁心槽中。,组成,(,说明,),一、基本结构,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。,鼠笼绕组,转子展开,鼠笼,绕组展开图,二、铭牌及主要额定数据,铭牌,1.,额定功率,P,n,：,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,，,铭牌数据,。,3,2.,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一,一、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),，,转速,n,0,=60 f/p,，,n,0,叫,同步转速,。,返回,三、转差率,定义式：,书,P.37,式（,3-2,）,。,s=(n,0,-n)/n,0,异步电动机工作在,电动状态时,，,1,s,0(n,n,0,),。,否则就不是,电动状态。,额定负载时的转差率,s,n,：,s,n,=(n,0,-n,n,)/n,0,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：,s,n,=0.01,0.09,。,只有特殊用途的异步电动机,（如，起重等用的电动机）,s,n,才,比较大,。,3,3.,定子和转子电路,本节的主要内容,：,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：,E,1,=4.44k,1,f,1,N,1,，,其中：,k,1,=,W,1,k,W1,，,k,W1,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：,U,1,=,（,R,1,+jX,1,）,I,1,E,1,=I,1,Z,1,E,1,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。,I,0,=20%,50%I,n,。,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磁通，以同步转速,n,0,=60 f,1,/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,f,2,=p,n/60=s,pn,0,/60=sf,1,。,转子频率,f,2,是随转差率（或转速）变化的量。当电动机起动瞬时（,n=0,），,f,2,=,f,1,。,因此转子感应的电动势及转子电路的漏抗分别为：,E,2,=4.44k,2,f,2,N,2,和,X,2,=2,f,2,L,2,若用,n=0,时的转子电势,E,20,和转子电路漏抗,X,20,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：,E,2,=4.44k,2,f,2,N,2,=sE,20,和,X,2,=2,f,2,L,2,=sX,20,转子电流,：,I,2,=E,2,/,（,R,2,2,X,2,2,）,1/2,=sE,20,/,（,R,2,2,s,2,X,20,2,）,1/2,=E,20,/,（,R,2,/,s,）,2,X,20,2,1/2,此式中电量的频率都是,f,1,。,转子功率因数,：,cos,2,=R,2,/,（,R,2,2,X,2,2,）,1/2,=R,2,/,（,R,2,2,s,2,X,20,2,）,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：,R,2,/,s=R,2,（,R,2,/,s,）,R,2,=R,2,（,1,s,）,R,2,/s,由转子电流表达式,I,2,=E,20,/,（,R,2,/,s,）,2,X,20,2,1/2,可知：异步电动机转动后，转子电路比静止时多了电阻,（,1,s,）,R,2,/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)R,2,/s,增加，,I,2,减小,。当,s=1,，,(1-s)R,2,/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，,I,2,不断减小，当,s=,s,n,=0.01,0.09,时,，,转子电阻相当大，,I,2,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,当机械负载增加，转速降低，电阻,R,2,/s,减小，,I,2,增大，去磁作用增强，,I,1,也随之增大。,由式：,cos,2,=R,2,/(R,2,2,s,2,X,20,2,),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，,s,n,=0.01,0.09,，,异步机功率因数相当高。,当,s=0,时，,虽然,cos,2,=1,，,但,I,2,=0,，,I,1,=I,0,，,cos,1,很低,。,转子电流与功率因数,3,4.,三相异步电动机的运行特性,本节的主要内容有,：,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,。,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,m,2,相绕组，由主磁通通过气隙传递给转子的电磁功率为：,P,e,=m,2,sE,20,I,2,cos,2,=m,2,s(4.44k,2,f,1,N,2,)I,2,cos,2,=T,=s,0,T,。,电磁转矩物理表达式：,T=K,T,I,2,cos,2,电磁转矩参数表达式：,说明：,铁损在,功率流图中只有,P,Fe1,一项，并不说明转子没有铁损。,功率流图说明,异步电动机的转子铁心也有铁损产生，但是这个损耗是由定子励磁电流提供的，能量还没有传递到转子，就已经扣除这部分损耗了。因此在转子的能量中就不应该再扣除转子铁损。,功率流图：,二、机械特性,机械特性是指转矩,T,和转速,n,之间的关系，,异步电动机的机械特性用,T,s,关系曲线,表示。,也就是说：,异步电动机的机械特性是,T,和,s,之间的关系。,机械特性上的关键点：,机械特性上的关键点主要有：,起动点,、,临界点,、,额定工作点,和,理想空载转速点,。,4,点。,注意：,机械特性：有固有特性和人工特性。,1.1-2.0,2,2-2.8,实用公式,p44,重要公式,这部分,要求,：记住书上各,公式,，能够,求,T,、,T,st,和,T,max,及,转矩实用公式,等,。,影响机械特性的因素,影响,机械特性因素主要有：电压、和转子电阻。,电压：,最大转矩大小变化，但临界转差率不变。,转子电阻：,最大转矩不变，但临界转差率变化。,机械特性变化，起动转矩同时发生变化。,3,5.,单相异步电动机,本节的主要内容有三部分,：,单相脉振磁场,：,主要知道单相脉振磁场的特点。,机械特性,：,分析单相磁场作用下异步电动机的机械特性。,起动方法,：,掌握单相异步电动机的起动原理和方法。,单相异步电动机的用途很广，主要用在,小功率电气设备,的动力拖动和,家用电器,等。,一、单相异步电动机的起动,单相异步电动机只有一个工作绕组，通入单相电源后，在单相绕组中只流过单相正弦电流，它所产生的磁场不是旋转磁场，而是在空间不旋转的,正弦脉动磁场,（下面说明）。,由于没有旋转磁场，所以，单相异步电动机,没有自起动能力,。但借助于外力，比如用手将转子向某一个方向拔动一下，则电动机就在该方向上自行加速并达到稳定转速。,与此相似，如果三相异步电动机,断相,（也称缺相，电源断或绕组断），同样也,不能自行起动,。而若是在,运行过程中发生断相,，,虽能继续转动,，但如处于重载时发生断相，则将迫使,s,变,大,(,n),，,造成,大电流运行,，以保持转矩的平衡，,I,1,I,1N,。,若无过载保护，就会,烧毁电机,的绕组。,关于磁场的分析,三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙中将产生圆形旋转磁场。,旋转磁场转向,为从超前相到滞后相,，,转速,n,0,=60f,1,/p(,转,/,分,),，,或：,f,1,/p(,转,/,秒,),。,只有,三相对称,才能产生,圆形旋转,磁场。若三相,不对称,，则产生,椭圆形旋转,磁场。若是,单相电流,，产生的是,脉振磁场,。,脉振磁场的分析：可以采用“,双旋转理论,”，分解为正、反两个旋转磁场。脉振磁场就是这两个旋转磁场共同作用的结果。,双旋转理论,单相,脉振磁势,可以利用三角函数的公式分解为：,f,A,=0.5F,sin,(,t-,x/,),sin,(,t+,x/,),其中，,0.5F,sin,(,t-,x/,),和,0.5F,sin,(,t+,x/,),分别为正、反两个旋转磁场，其幅值一样、转速相同、转向相反。这就是,双旋转理论,。,脉振磁场与正反向旋转磁场的关系如下图所示。,单相脉振磁场,f,A,=,F,sin,t,cos,(x/,),=,f,A,f,A,=0.5,F,sin,(,t,-,x/),+0.5,F,sin,(,t,+,x,/),f,A,是,一个脉振磁场，两个分量幅值相同，转向相反，合成后空间位置,x,不变，但大小和方向随时间不断变化。式中：,x,是空间,(,位置,),坐标，原点在,A-X,的轴线上。,开始脉振,单相脉振磁场,f,A,=,F,sin,t,cos,(x/,),=,f,A,f,A,=0.5,F,sin,(,t,-,x/),+0.5,F,sin,(,t,+,x,/),f,A,是,一个脉振磁场，两个分量幅值相同，转向相反，合成后空间位置,x,不变，但大小和方向随时间不断变化。式中：,x,是空间,(,位置,),坐标，原点在,A-X,的轴线上。,停止脉振,返回初态,单相脉振磁场,f,A,=,F,sin,t,cos,(x/,),=,f,A,f,A,=0.5,F,sin,(,t,-,x/),+0.5,F,sin,(,t,+,x,/),f,A,是,一个脉振磁场，两个分量幅值相同，转向相反，合成后空间位置,x,不变，但大小和方向随时间不断变化。式中：,x,是空间,(,位置,),坐标，原点在,A-X,的轴线上。,单相脉振,磁场的特点：,1.,转子静止时，单相脉振磁场无驱动力矩；,2.,转子转动时，单相脉振磁场可产生一定的驱动力矩，保持转子继续旋转运行。,关于单相异步电动机的结论：,1.,单相异步电动机不能自行起动，应采取其它方法才能起动。,2.,单相异步机转动时产生的电磁转矩比较小，转差率较大，电机电流较大。,单相脉振磁场与单相异步电动机特点,单,相,异步电动机的机械特性是其正、反两个旋转磁场单独的机械特性的合成特性。,由于两,个旋转磁场幅值一样、转速相同、转向相反，所以,两条机械特性,以原点对称,，,合成的,单相异步电动机的机械特性是一条,过原点,的特性。所以，单相异步电动机,起动转矩为零,。,将特性转,90,后的样子,二、单相异步电动机的机械特性,三、起动方法,起动分析：,必须使单相异步机气隙产生旋转的磁场（或至少是移动的磁场），才能切割转子绕组，产生驱动转矩，使转子转动。而要在气隙产生旋转磁场则至少需要两相的交流电流。因此，必须对磁场进行“分相”。,分相概念：,用单相交流电，使单相异步机产生旋转或移动磁场称为分相（也称为裂相）。,分相方法：,主要有,电流分相,、,磁通分相,两种,。,单相异步电动机定子有一套相差,90,电角度的两相绕组，在其中一相串接电容、电阻使通过该相电流相位改变从而在气隙中产生旋转磁场的方法叫,电流分相法,。电流分相有：,电容分相,和,电阻分相,两种。,改变转向的方法,：,单独改变任意一相绕组接线（对调两端）或将电容串接到另外一相。,电流分相,电容分相,改变转向,磁通分相,磁通分相,：,从磁路的角度将单相绕组产生的单相磁通分成两相称为磁通分相。采用磁通分相的单相异步电动机叫罩极式电机。,原理,：,在磁极中开一个槽，将一个短路环套在其中一部分磁极上，磁极中的单相交变磁通就被分成两相。被短路环套住的部分，通过的磁通比没套短路环部分的磁通的相位滞后,90,，,于是在气隙中将产生近似旋转（移动）的磁场，这个磁场将切割转子绕组，从而产生驱动转矩，使转子转动。,转向,由未罩极部分转向罩极部分。,罩极式电机一般不可反转,。,罩极式电机是采用磁通分相的，一般,不可反转,。,要点,：单相磁场（脉振）；机械特性（合成）；分相起动（电流、磁通分相）。,罩极式单相异步电动机,作业,:,3-1-2-12-13-22,