第5章 三相交流电机基本理论与结构.ppt

面向,21,世纪高职高专系列教材,电机拖动与控制,第,5,章 三相交流电机基本理论与结构,张 勇 主编,本章内容：,三相异步电动机基本理论,三相异步电动机的结构与铭牌,交流电动机定子绕组的基本知识及分类,绕组的感应电动势,三相异步电动机的空载运行,三相异步电动机的负载运行,三相异步电动机的功率和转矩关系,三相异步电动机的工作特性,第5,章 三相异步电动机基本理论及结构,第5,章 三相异步电动机基本理论及结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,三相异步电动机模型 实际三相异步电动机,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,笼型异步电动机的结构图,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,三相异步电动机主要有,定子和转子,两大部分组成。,1.,定子部分,异步电动机的定子是由,机座、定子铁心和定子绕组,三个部分组成的。,（,1,）机座：,主要起支撑保护作用。,（,2,）定子铁心：,是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用,0.5,mm,厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆，以减小涡流损耗。,（,3,）定子绕组：,三相对称绕组嵌放在定子铁心内圆的槽内，三相绕组在空间相差,120,电角度，每相绕组的两端分别用,A-X、B-Y、C-Z（,实际中也用,U1-U2、V1-V2、W1-W2）,表示，根据需要结成星形,Y,或三角形。,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,三相异步电动机定子铁心及定子槽形,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,2.,转子部分,三相异步电动机的转子是由,转子铁心、转子绕组和转轴,组成的。,（,1,）转子铁心：,是电动机磁路的一部分，用来安放转子绕组，它用,0.5,mm,厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。,（,2,）转子绕组：,分为笼型和绕线型两类。,1,）绕线转子绕组：,也是一个三相绕组，三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相联，通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。如下图所示。,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,2,）笼型绕组：,在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条联结起来，称为铜排转子，如图所示。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环、风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图所示。,100,kW,以下的异步电动机一般采用铸铝转子。笼型绕组结构简单，坚固，成本低。,3.,其他部分,包括端盖、风扇等。,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.1,三相异步电动机的结构,定子和转子配合方式,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.2,三相异步电动机的铭牌数据,（1,）额定功率,(,容量,),：转轴上输出的机械功率,(,kW)。,（2）,额定电压：额定运行时，加在定子绕组上的线电压,(,V)。（3）,额定电流：额定运行时，加在定子绕组上的线电流,(,A)。,（4）,额定转速：额定运行时，电动机的转子转速,(,r/min)。,（5）,额定频率：所接电源的频率,(,Hz)，,我国工频,(50,Hz)。,（6）,绝缘等级。,（,7,）接法。用,Y,或表示。表示在额定运行时，定子绕组应采用的联结方式。额定电压，额定电流，额定功率的关系：,接法,：,相电压,U,N,=U,N,；,相电流,I,N,=I,N,/1.735,Y,接法：,相电压,U,N,=U,N,/1.735；,相电流,I,N,=I,N,，,所以：,P,N,=1.735U,N,I,N,N,cos,N,(W),5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.2,三相异步电动机的铭牌数据,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.2,三相异步电动机的铭牌数据,若是绕线式转子异步电动机，则还有：,（,8,）转子绕组开路电压。指定子接额定电压，转子绕组开路时的转子线电压（,V）。,（9）,转子绕组的额定电流（,A）。,5.2,三相异步电动机的结构与铭牌,5.2.2,三相异步电动机的铭牌数据,型号举例：,（,1,）,Y132S-4,：,Y-,异步电动机；,132-,机座中心高度,132mmS-,短铁心；,4-,极数。,（,2,）,Y112S-6,：,极数,6,极；短机座；规格代号：中心高,112mm,产品代号：异步电动机,极数,机座长度代号,L-,长；,M-,中；,S-,短,Y-100L-2,异步电动机,机座中心高,5.1,三相异步电动机基本理论,5.1.1,三相交流电机的旋转磁场,旋转磁场,:,旋转磁场就是一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。从理论分析和实践证明，在对称三相绕组中流过对称三相交流电时会产生这种旋转磁场。,所谓,三相对称绕组,就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此互隔,120,、对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组，如图所示。,A,Y,C,B,Z,(),电流出,(,),电流入,X,A,X,B,Y,C,Z,5.1,三相异步电动机基本理论,5.1.1,三相交流电机的旋转磁场,对称三相电流的函数式表示为：,对称三相电流的波形表示为：,为,便于考察对称三相电流产生的合成磁效应，我们通过几个特定瞬间，选择,t=60,t=120,t=180,三个瞬间，并规定：电流为正时，从每相线圈的首端（,A、B、C）,流入，由线圈末端（,X、Y、Z）,流出；电流为负时，从每相线圈首端（,A、B、C）,流出，由线圈的末端（,X、Y、Z）,流入。用 表示流出，用 表示流入。,5.1,三相异步电动机基本理论,5.1.1,三相交流电机的旋转磁场,由分析可知，当电流从,t=0,变化到,t=180,时，旋转磁场在空间相应地转过,180,，相应地，电流变化一个周期，旋转磁场转过一周。,A,X,Y,C,B,Z,=,0,t,w,X,B,Z,A,Y,C,A,X,Y,C,B,Z,X,B,Z,A,Y,C,5.1,三相异步电动机基本理论,5.1.1,三相交流电机的旋转磁场,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,A,A,B,C,X,Y,Z,Z,B,X,C,Y,A,A,B,C,X,Y,Z,Z,B,X,C,Y,A,A,B,C,X,Y,Z,Z,B,X,C,Y,S,S,S,S,S,S,N,N,N,N,N,N,+,+,+,+,+,+,A,A,B,C,X,Y,Z,Z,B,X,C,Y,S,S,N,N,5.1,三相异步电动机基本理论,5.1.1,三相交流电机的旋转磁场,上图为有,2个,N,极、,2个,S,极磁场，沿,A-B-C,方向旋转。电流变化一周，磁场旋转半周。,(,p=2),磁场的旋转速度,n,1,与,p,的关系：,p=1,n,1,=60f/1=3000(r/min),p=2,n,1,=60f/2=1500(r/min),p=3,n,1,=60f/3=1000(r/min),一般地，旋转磁场的转速：,n,1,=60f/p（r/min）,n,1,同步转速,5.1,三相异步电动机基本理论,5.1.2,三相异步电动机的工作原理,三相异步电动机定子三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场，转子绕组的导体处于旋转磁场中，转子导体切割磁力线会产生感应电势，根据右手定则可以判断感应电势方向，又因为转子导体通过端环自成闭路，所以转子导体中会通过感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，根据左手定则可以判断电磁力的方向。电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。,异步电动机的工作原理示意图,5.1,三相异步电动机基本理论,5.1.2,三相异步电动机的工作原理,异步名称的由来：,只有当转子转速,n,低于旋转磁场转速,n,1,，,即,nn,1,时，转子导体与旋转磁场之间才有相对运动，转子导体才会感应电动势和电流，产生电磁力和电磁转矩，使电机转子继续旋转。由此可见，,nn,1,，,且,nn,1,，,异步电动机才能正常工作。,无,电磁转距,转子与旋转磁场间没有相对运动,无转子电动势（转子导体不切割磁力线）,无转子电流,提示,：,如果,n=n1,电机不转,5.1,三相异步电动机基本理论,5.1.3,转差率,转差率：,转差率为旋转磁场的同步转速,n,1,和电动机（转子）转速,n,之差与同步转速,n,1,之比。即：,一般情况，额定运行时,s,N,=1%-5%。,5.3,交流电动机定子绕组的基本知识及分类,5.3.1,交流绕组的基本知识,1.,电角度与机械角度,机械角度：,电机圆周在几何上分成,360,，这个角度称为机械角度，（也叫几何角度）。,电角度：,从电磁方面看，一对磁极占有空间电角度为,360,。一般而言，若电机有,p,对磁极，电机圆周按电角度计算就为,p 360，,而机械角度总是,360,，因此,电角度,=,p,机械角度,2.,极距,两相邻磁极轴线之间的距离称为极距。一般用槽数表示，也可用长度或电角度等表示。,=Q/2p,5.3,交流电动机定子绕组的基本知识及分类,5.3.1,交流绕组的基本知识,3.,线圈,线圈（绕组元件）是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈按一定规律的排列和联结。线圈可以分为,多匝线圈,和,单匝线圈,。与线圈相关的概念包括：有效边、端部、线圈节距等。,单根引出,5.3,交流电动机定子绕组的基本知识及分类,5.3.1,交流绕组的基本知识,4.,绕组及绕组展开图,绕组,是由多个线圈或线圈组按一定方式联结起来构成的。把定子（或转子）沿轴向展开、拉平，即得到绕组展开图。,单层绕组一个槽中只放一个元件边。,双层绕组一个槽中放两个元件边。,5.3,交流电动机定子绕组的基本知识及分类,5.3.1,交流绕组的基本知识,5.,节距,Y,一个线圈两个有效边之间所跨过的槽数称为线圈的节距。用,Y,表示。,y,时，线圈称为,长距线圈,。,5.3,交流电动机定子绕组的基本知识及分类,5.3.1,交流绕组的基本知识,相邻两槽轴线之间的,电角度,称为槽距角，用,表示，由于定子槽在定子内圆周上是均匀分布的，则,=360,p/Q,6.,槽距角,5.3,交流电动机定子绕组的基本知识及分类,5.3.1,交流绕组的基本知识,7.,每极每相槽数,q,每一个极下每相绕组所占有的槽数，称为每极每相槽数。,q=Q/2pm,m,定子绕组的相数。,说明：,1,、交流电机没有虚槽的概念。,2,、三相线圈（或线圈组）的,6,根引出线都是单根。,5.4,绕组的感应电动势,经过分析：,通入电流,i,A,i,B,i,C,三相合成磁势：是一个,在空间上正弦分布，随时间旋转磁通势。,它反作用在定子绕组上，产生感应电动势与电源平衡。,(,讨论中，假定磁场在空间正弦分布）,讨论顺序：,从,一个线圈（一根导体）,再到,一个线圈组,最后到,一个相绕组。,5.4,绕组的感应电动势,5.4.1,线圈的感应电动势,1.,导体电动势,最大值：,E,c1m,=B,m1,Lv,B,m1,作正弦分布的气隙磁通密度的幅值,L,导体在铁心中的有效长度,v,导体与旋转磁场的相对速度,有效值,：,E,c1,=E,c1m,/=fB,m1,L,t (,v=2p,t,n,1,/60),磁通密度正弦分布时，每极磁通量,F,1,=2/p(,B,m1,L,t),代入得：,E,c1,=2.22f,F,1,2,2,5.4,绕组的感应电动势,5.4.1,线圈的感应电动势,2.,整距线圈的电动势,每个线圈有两个有效边，共,N,c,匝线圈，,则电动势有效值为：,E,y1,=4.44fN,c,F,1,3.,短距线圈的电动势,电动势有效值：,S,N,v,E,c1,E,c1,t,0,180,y,g=,设,g,为,线圈节距,Y,对应的电角度，则,k,y1,短距系数,1,Sin,g/2,k,y,=,5.4,绕组的感应电动势,5.4.2,线圈组电动势,每个线圈组由,q,个线圈串联而成：分,集中绕组,和,分布绕组,(,图）,。,集中绕组：,分布绕组：,5.4,绕组的感应电动势,5.4.2,线圈组电动势,F,qm1,F,21,F,21,F,21,分布绕组：,k,q1,分布系数，,k,N1,绕组系数，,1,1,1,q,y,N,k,k,K,=,绕组相电动势的一般公式,E,1,=4.44fN,1,k,N1,N,每相绕组的串联匝数；,1,每极磁通量；,K,N1,绕组系数。,5.4,绕组的感应电动势,5.4.3,相电动势,5.5,三相异步电动机的空载运行,5.5.1,电磁关系,空载时，轴上没有任何机械负载，异步电动机所产生的电磁转矩仅克服了摩擦、风阻的阻转矩，所以是很小的。电机所受阻转矩很小，则其转速接近同步转速，,nn,1,，,转子与旋转磁场的相对转速就接近零，即,n,1,-n0。,异步电动机空载运行时的电磁关系可用下图表明：,U,1,I,1,F,10,F,m0,F,m0,E,1,E,2s,I,2,0,5.5,三相异步电动机的空载运行,5.5.2,空载时的定子电压平衡关系,近似的有：,U=-E,1,或,U=E,1,5.6,三相异步电动机的负载运行,异步电动机运行的两种特殊情况：,（,1,）空载运行时：,n,接近于,n,1,，s,接近于,0,，相当于转子开路。,（,2,）转子堵转时（接上电源，转子被堵住转不动）时：,n=0，s=1，,相当于短路状态，会使电机电流很大，很快过热而烧毁电机，这在电机实验及使用电机事应多加注意。异步电动机起动初始也属于此种情况。,5.7,三相异步电动机的功率和转矩关系,5.7.1,功率关系,当三相异步电动机以转速,n,稳定运行时，从电源输入的功率为：,定子回路铜损耗,P,cu1,为:,定子回路的铁耗,P,Fe1,：,从电源输入电功率，除去定子铜耗和铁耗，便是定子传递给转子回路的电磁功率，即：,P,M,=P,1,-,P,cu1,-,P,Fe1,5.7,三相异步电动机的功率和转矩关系,5.7.1,功率关系,异步电动机功率流程图,电动机运行时，由于轴承等摩擦产生的机械损耗,p,m,及附加损耗,p,s,，,转子的机械功率,P,m,减去机械损耗,p,m,和附加损耗,p,s,，,才是转轴上真正输出的功率。功率流程图如下图所示。,5.7,三相异步电动机的功率和转矩关系,5.7.1,功率关系,异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的定量关系是：,也可写出下列关系式：,P,M,=p,Cu2,+P,m,p,Cu2,=sP,M,P,m,=（1-s）P,M,上式表明，当电磁功率一定，转差率,s,越小，转子铜耗越小，机械功率越大，效率越高。电动机运行时，若,s,增大，转子铜耗也增大，电机易发热，效率降低。,5.7,三相异步电动机的功率和转矩关系,5.7.2,转矩关系,机械功率,P,m,除以轴的角速度,就是电磁转矩,T，,即,电力拖动系统中，常可忽略空载转矩,T,0,，,则有,TT,2,=T,L,5.8,三相异步电动机的工作特性,1.,转速特性,n=f（P,2,）,三相异步电动机空载时，转子的转速接近于同步转速,n,1,。,随着负载的增加，转速,n,要略微降低，这时转子电动势增大，从而使转子电流增大，以产生较大的电磁转矩来平衡负载转矩。因此，随着,P2,的增加，转子转速,n,下降，转差率,s,增大。转速特性是一条硬特性。,5.10,习题,1.,何谓旋转磁场,?,三相交流旋转磁场产生的条件是什么,?,如果三相电源的一相断线,问三相异步电动机能否产生旋转磁场,?,为什么,?,2.,三相异步电动机旋转磁场的转速由什么决定,?,试问两极,四极,六极三相异步电动机的同步速度各为多少,?,3.,旋转磁场的转向由什么决定,?,如何改变旋转磁场的转向,?,4.,定子绕组通入三相电源,转子三相绕组开路,电动机能否转动,?,为什么,?,5.,试述三相异步电动机的工作原理,并解释”异步”的意义,.,6.,何谓异步电动机的转差率,?,异步电动机的额定转差率一般是多少,?,7.,试比较交流电机不同定子绕组时产生的感应电动势有何区别,?,简述绕组系数的意义,.,8.,三相异步电动机运行时,转子向定子折算的原则是什么,?,折算的具体内容有哪些,?,9.,比较三相异步电动机与变压器的,T,型等效电路有什么不同,?,转子电路中,(1-,s)r2/s,代表什么,?,10.,三相异步电动机转子电流的数值,在起动时和额定运行时一样吗,?,为什么,?,