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第4章 三相异步电动机,4.1 三相异步电动机基本工作原理和结构,4.2 交流电机绕组,4.3 交流电机绕组感应电动势,4.4 交流电机绕组磁动势,4.5 三相异步电动机空载运营,4.6 三相异步电动机负载运营,4.7三相异步电动机等效电路和相量图.,4.8三相异步电动机功率平衡、转矩平衡,三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简朴、制造、使用和维护以便，运营可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。,第1页,第1页,4.1三相异步电动机基本工作原理与结构,4.1.1,三相异步电动机基本结构,一、定子部分,1.定子铁心：由导磁性能较好硅钢片叠成导磁部分。,2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,3、机座：固定定子铁心及端盖，含有较强机械强度和刚度。,二、转子部分,1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路一部分。,2、,转子绕组,：1）鼠笼式转子：转子铁心每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,异步电动机气隙是均匀。大小为机械条件所能允许达到最小值。,三、气隙,第2页,第2页,第3页,第3页,按转子结构分,：,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,继续,继续,第4页,第4页,下面是它主要部件拆分图。,右图是一台三相鼠笼型异步电动机外形图。,第5页,第5页,鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图,三相绕线型转子结构图,返回,第6页,第6页,第7页,第7页,4.1.2,三相异步电动机基本工作原理,U2,U1,W2,V1,W1,V2,n,一、转动原理,1、电生磁,：,三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,2、磁生电,：,旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。,3、电磁力,：,转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,第8页,第8页,二、转差率,转差率,是异步电机一个基本物理量，它反应电机各种运营情况。,转子未转动时,，,电机抱负空载时,，,作为电动机，转速在,范围内改变，转差率在0,1范围内变。,负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率大小能够反应电机转速大小或负载大小。电机转速为：,额定运营时，转差率普通在0.010.06之间，即电机转速靠近同时速。,同时转速与转子转速之差与同时转速比值称为转差率，用s表示，,即：,第9页,第9页,三、异步电机三种运营状态,依据转差率大小和正负,异步电机有三种运营状态,机械能转变为电能,电能和机械能变成内能,电能转变为机械能,能量关系,制动,制动,驱动,电磁转矩,转差率,转速,外力使电机快速旋转,外力使电机沿磁场反方向旋转,定子绕组接对称电源,实现,发电机,电磁制动,电动机,状态,第10页,第10页,4.1.3,型号和额定值,一、型号,例:,第11页,第11页,第12页,第12页,额定值关系有：,额定运营状态时加在定子绕组上线电压.,额定条件下转轴上输出机械功率。,在额定运营状态下流入定子绕组线电流,.,额定运营时电动机转速,.,二、额定值,第13页,第13页,三相异步电动机定子部分在结构上和同时电动机定子部分完全相同。,对中、小容量低压异步电动机，通常定子三相绕组六个出线头都引出，这样可依据需要灵活,地接成“Y”形或“D”形。,U,1,V,1,W,1,U,1,V,1,W,1,W,2,U,2,V,2,W,2,U,2,V,2,D联结,Y联结,三、接线,第14页,第14页,4.2交流电机绕组,4.2.1,交流绕组基本知识,一、基本要求和分类,1）三相绕组对称；,2）力争取得最大电动势和磁动势；,3）绕组电动势和磁动势波形力争靠近正弦；,4）节约用铜量；,5）绕组绝缘和机械强度可靠，散热条件好；,6）工艺简朴、便于制造、安装和检修。,第15页,第15页,二、交流绕组基本概念,1、极距,两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面距离。若定子槽数为Z，磁极对数为p，则极距：,2、线圈节距,一个线圈两个有效边之间所跨距离称为线圈节距。,3、电角度,第16页,第16页,4、槽距角,相邻两个槽之间电角度,：,6、相带,每个极面下导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极面下所占范围，用电角度表示称为相带。,每一个极面下每相所占槽数为,5、每极每相槽数,第17页,第17页,4.2.2,三相单层绕组,单层绕组每个槽内只放一个线圈边，电机线圈总数等于定子槽数二分之一。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。,一、单层链式绕组,单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同线圈连接而成，整个外形如长链。,链式绕组每个线圈节距相等并且制造以便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于q=24、6、8极小型三相异步电动机。,第18页,第18页,二、单层交叉式绕组,单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同两种线圈组构成，同一组线圈形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组端部互相交叉。,交叉式绕组由两大一小线圈交叉布置。线圈端部连线较短，有助于节约材料，并且省铜。广泛用于q1且为奇数小型三相异步电动机,。,第19页,第19页,三、单层同心式绕组,同心式绕组由几种几何尺寸和节距不等线圈连成同心形状线圈组构成。,同心式绕组端部连线较长，适合用于q=4、6、8等偶数2极小型三相异步电动机。,第20页,第20页,长处,不宜于大中型电机,元件少，结构简朴，嵌线以便，槽内无层间绝缘,广泛应用于10kW下列异步电动机定子绕组,单层绕组为整距绕组,缺点,电动势和磁动势波形较差,铁损和噪声较大,起动性能较差,三相单层绕组优缺点,第21页,第21页,4.2.3,三相双层绕组,双层绕组每个槽内放上、下两层线圈有效边，线圈每一个有效边放在某一槽上层，另一个有效边则放置在相隔为y 另一槽下层。,双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）,。,第22页,第22页,双层绕组特点：,1）线圈数等于槽数；,2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数,；,3）每相绕组电动势等于每条支路电动势。,长处,能够选择最有利节距，使电动势和磁动势波形更靠近正弦波,所有线圈形状和尺寸相同，便于实现机械化,端部排列整洁机械强度高,可构成较多并联支路,缺点,嵌线困难,用铜量大,第23页,第23页,4.3交流电机绕组感应电动势,4.3.1,线圈感应电动势及短距系数,一、一根导体电动势,二、整距绕组电动势,每个整距绕组由N,c,个相同和线匝构成，每个整距线圈电动势:,电动势频率:,电动势大小:,电动势波形:,随时间改变波形取决于气隙磁密在空间分布波形,第24页,第24页,三、短距线圈电动势,每个短距线圈电动势:,称为,短距系数,：,线圈短距时电动势比整距时打一个折扣,第25页,第25页,4.3.2,线圈组感应电动势及分布系数,一组线圈由q个线圈构成,若q个线圈为集中绕组时,各线圈电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为:,若q个线圈为分布绕组,放在q个槽内,各线圈电动势大小相同,相位相差电角度,电动势为:,称为,基波分布系数,:线圈组电动势等于集中线圈组电动势打一个折扣.,称为,基波绕组系数。,第26页,第26页,4.3.3,一相绕组基波感应电动势,一绕组有2a条支路，一条支路由若干个线圈组路串联构成。一相绕组基波电动势为一条支路基波电动势,一、一相绕组基波电动势,对单层绕组：,对双层绕组：,第27页,第27页,二、短距绕组、分布绕组对电动势波形影响,对V次谐波：,第28页,第28页,改进电动势波形办法:,（）,采用短距绕组来削弱高次谐波,（）采用分布绕组来削弱高次谐波,改进主磁极磁场分布,改进交流绕组构成，削弱谐波电动势,采用接线消除线电动势中三及其倍数奇次谐波,第29页,第29页,4.4交流电机绕组磁动势,4.4.1,单相绕组磁动势,一、整距集中绕组磁动势,一台两极气隙均匀交流电机,一个整距绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间分布如图,由全电流定律得:,忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙上.每个气隙磁动势为:,空间分布为,矩形波,随时间按,正弦规律,改变.改变,频率为电流频率,。,空间位置不变而幅值和方向随时间改变磁动势称为,脉动磁动势,。,第30页,第30页,矩形波磁动势也许分解为基波和一系列高次谐波:,基波磁动势为:,基波磁动势最大值为:,整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点磁动势大小按正弦规律改变仍然为,脉动磁动势,。,第31页,第31页,二、单相脉动磁动势,1、整距分布绕组磁动势,每个绕组由q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角,绕组基波磁动势为q个线圈基波磁动势空间矢量和：,2、一组双层短距分布绕组基波磁动势,双层短距分布绕组基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势相量和，用短距系数计及绕组短距影响：,第32页,第32页,3、相绕组磁动势,每个极下磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p对磁极，就有p条并联对称分支磁路，因此一相绕组基波磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生基波磁动势，若每相电流为I,p,:,单相绕组基波磁动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小随时间按正弦规律改变,脉动磁动势,。,第33页,第33页,三、单相脉动磁动势分解,即一个脉动磁动势能够分解成两个幅值大小相等磁动势。,先分析,取幅值点分析,第34页,第34页,综上分析,第35页,第35页,可见,(1)单相绕组基波磁动势为脉动,它能够分解为大小相等、转速相同而转身相反两个旋转磁场。,(2)反之,满足上述性质两个旋转磁动势合成即为脉动磁动势。,（3）由于正方向或反方向旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢量顶点轨迹为一圆形，因此这两个磁动势为圆形旋转磁动势。,第36页,第36页,4.4.2,三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势,三相合成磁动势：,取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序方向作为x参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：,可见：三相合成磁动势也是一个,圆形旋转磁动势,。,交流电机三相对称绕组,通入三相对称电流，磁动势是三相合成磁动势。,第37页,第37页,为了分析旋转磁动势旋转方向，设三相对称电流按余弦规律改变，U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势位置如图所表示：,U2,U1,W2,V1,W1,V2,第38页,第38页,用图解法分析不同时刻三相合成磁动势,合成磁动势转向是从载有超前电流相转到载有滞后电流相。,第39页,第39页,产生圆形旋转磁动势条件：,一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。,三相对称绕组通入三相对称电流，产生基波合成磁动势是一个幅值恒定不变圆形旋转磁动势，它有下列主要性质,(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值3/2倍。,(2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电流相.,(3)转速决定于电流频率和电机磁极对数,(4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势波幅位置刚好转到该相绕组轴线位置上,第40页,第40页,4.5.1,空载运营时电磁关系,4.5三相异步电动机空载运营,一、主、漏磁通分布,为了便于分析，依据磁通路径和性质不同，异步电动机磁通分为主磁通和漏磁通。,主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心,气隙,转子铁心气隙定子铁心。主磁通起传递能量作用。,除了主磁通以外磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。,第41页,第41页,二、空载电流和空载磁动势,异步电动机空载运营时定子电流称为空载电流,。,第42页,第42页,三、电磁关系,4.5.2,空载运营时电压平衡方程,一、感应电动势,与变压器同样,主、漏磁通在定子绕组上感应电动势,可见，异步电动机空载时电磁关系与变压器非常相同。,第43页,第43页,二、电压平衡方程与等效电路,与变压器同样，依据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：,同样也有：,依据上两式，能够作出空载时等效电路。,第44页,第44页,尽管异步电动机电磁关系与变压器相同，但它们之间还是有差别：,1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场.,4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器大.,5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1.,第45页,第45页,4.6.1,负载运营时电磁关系,4.6三相异步电动机负载运营,第46页,第46页,4.6.2,转子绕组各电磁量,一、转子电动势频率,感应电动势频率正比于导体与磁场相对切割速度,故转子电动势频率为:,转子不转时,抱负空载时,二、转子绕组感应电动势,转子旋转时感应电动势:,转子不转时感应电动势:,两者关系为:,第47页,第47页,三、转子绕组漏阻抗,电抗与频率正比于,转子旋转时转子漏电抗:,两者关系:,转子绕组漏阻抗:,四、转子绕组电流,转子绕组为闭合绕组,转子电流为,转子不转时转子漏电抗:,当转速减少时,转差率增大,转子电流也增大.,第48页,第48页,五、转子绕组功率因数,转子功率因数与转差率相关,当转差率增大时,转子功率因数则减小。,六、转子旋转磁动势,转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势.,1)幅值,2)转向,转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同,转子旋转磁动势方向与转子电流相序一致.,转子旋转磁动势相对定子速度为,可见,无论转子转速如何改变,定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。,第49页,第49页,4.6.3,磁动势平衡方程,磁动势平衡方程为：,能够改写为：,写成磁动势幅值公式,：,第50页,第50页,4.6.4,电动势平衡方程,依据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：,第51页,第51页,4.7.1,折算,4.7三相异步电动机等效电路和相量图,频率折算,就是用一个等效转子电路代替实际旋转转子系统,而等效转子回路应与定子电路有相同频率。,一、频率折算,在折算过程中，电机电磁效应不变，因而有,两个条件,：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路功率不变。,转子回路电流,第52页,第52页,实际旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻 。依据能量守恒关系，该电阻消耗功率等效机械损耗和机械功率之和总机械功率。,从等效电路角度，能够把 当作是异步电动机”电阻负载”，其上压降能够当作是转子回路端电压:,第53页,第53页,二、绕组折算,4.7.2,等效电路,一、绕组后基本方程,第54页,第54页,二、T型等效电路和简化等效电路,由基本方程能够作出等效电路:,T型等效电路,简化等效电路,第55页,第55页,从等效电路分析可知:,3)三相异步电动机功率因数永远滞后；,4)附加电阻不能用电感或电容来代替。,5)在等效电路中负载改变是用转差率s来表达,第56页,第56页,4.7.3,相量图,按照基本方程和等效电路能够作出异步电动机相量图。,第57页,第57页,4.8.1,功率平衡和转矩平衡,4.8三相异步电动机功率平衡、转矩平衡,异步电动机功率和损耗有：,一、功率平衡,输入功率,定子铁损,电磁功率,机械功率,输出功率,定子铜损,转子铜损,第58页,第58页,在等效电路上表示功率和损耗,：,第59页,第59页,两个主要关系式,可见，从气隙传递到转子电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运营时电机转差率均很小。,第60页,第60页,二、转矩平衡,即,或,电磁转矩,在式 两边同时除以机械角速度 得,电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同时机械角速度。,第61页,第61页,4.8.2,三相异步电动机工作特性,一、转速特性,二、转矩特性,三、定子电流特性,四、定子功率因数特性,五、效率特性,工作特性曲线如图所表示：,第62页,第62页,
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