电动机-工作原理

第五章三相异步电动机原理ThePrinciplesoftheThree-phaseInductionMachines本章基本教学要求1.了解异步电动机的结构。2.理解旋转磁场的概念、圆形旋转磁势的特性和产生条件，了解分布和短距绕组对消除高次谐波电势的作用。3.深入理解并掌握综合表达三相异步电动机电磁关系的基本方程式、等值电路和相量图，转子转动时异步电动机的运行原理，转子绕组折算和频率折算；4.掌握异步电动机中的功率和转矩平衡方程式，各功率之间的相互关系，电磁转矩物理表达式；5.掌握异步电动机的工作特性。重点和难点重点：1.三相异步电动机空载和负载运行时的基本电磁关系，掌握基本方程式、等值电路和相量图三种分析方法，并注意与变压器的对比，着重分析转子转动后的情况，转子绕组折算和频率折算；2.掌握异步电动机功率与转矩的平衡关系、电磁转矩的表达式。3.掌握异步电动机机械特性难点：转子转动时的基本电磁关系。本次课程教学要求：1.熟悉异步电动机的结构和主要技术数据；2.重点掌握电机堵转时的电磁关系、基本方程式、等值电路和相量图；3.掌握绕组折算方法。5.1三相异步电动机5.1.1基本结构和铭牌数据三相鼠笼异步电动机结构图1.交流电机定子结构定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。机座:是用作固定与支撑定子铁芯。定子绕组:是电机电路部分，它由三个在空间相差120°电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。绕组分类：单层绕组和双层绕组。绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下的电机，双层短距绕组用在较大容量的电机中。转子铁芯：一般用0.5mm的硅钢片叠压而成，它是磁路的一部分。转子绕组：是用作产生感应电势、并产生电磁转矩它分鼠笼式和绕线式两种。气隙：中、小容量的电动机气隙一般在0.2~1.5mm范围。2.转子结构转子鼠笼转子鼠笼转子绕线转子提刷装置3.铭牌数据主要铭牌数据1(1)额定功率PN：指电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率，单位：W或kW；(2)额定电压U1N：指电动机额定运行时，加在定子绕组上的线电压，单位：V；(3)额定电流I1N：指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时定子绕组中的线电流，单位：A；主要铭牌数据2(4)额定频率f1N：我国规定电网工频为50Hz；(5)额定转速nN：指电动机在定子额定电压、额定频率下，轴上输出额定功率时的转子转速，单位：r/min；(6)额定功率因数cosφN：指电动机在额定运行时定子侧的功率因数。铭牌上还标有绝缘等级、温升、工作方式、连接方法等，对绕线式异步电动机还标有转子绕组的额定电压和额定电流。(7)转子绕组额定电压U2N：指定子绕组加额定电压、转子绕组开路时，滑环间的线电压，单位：V；(8)转子额定电流I2N：指电动机额定运行、转子短路状态下，滑环之间流过的线电流，单位：A。主要铭牌数据3转差率11nnns定义：(5-2)%5.0)%,6~5.1(0ssN举例有一台50Hz的感应电机，其额定转速为730r/min，空载转差率为0.003，试求该机的空载转速和额定负载时的转差率。解1、空载转速：2、额定转差率：027.075073075011nnnsNmin/75.747)003.01(750)1(010rsnn设ηN为异步电动机的效率，额定功率：电动机的输入功率为：接线：高压异步电动机定子绕组采用Y接，只有三根引出线。中小容量的异步电动机通常将定子三相绕组的六个端点引出到接线板上，用户根据铭牌数据和使用电源情况，接成Y接或Δ接。NNNNNIUPcos311NNNIUPcos3111小型鼠笼异步电动机三相异步电动机的引出线4.接线图国产电机型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，大写汉语拼音字母表示电机的类型、结构特征和使用范围，数字表示设计序号和规格，例如：Y2160L1-25.1.2主要系列Y和YR系列一般用途三相异步电动机应用最广的产品是Y系列和YR系列，其中Y系列为鼠笼式转子三相异步电动机，YR系列为绕线式转子三相异步电动机。5.2交流电机的绕组和感应电动势5.2.1绕组极距是指每一磁极所占定子内圆周的距离，即有节距y是指线圈两有效边之间的距离。单层绕组是整距绕组，即有y=τ每极每相槽数q是指一个磁极下一相绕组所占有的槽数，即有：pZ21112pmZq交流绕组相带：是指一相绕组在一个磁极下连续所占的范围。机械角：电机圆周空间角度为360°或为2π弧度，称这种角度为机械角。对于一对磁极由N→S→N变化一周相当于360°电角度或为2π电弧度。当电机有p对磁极时，电角度=p×机械角。分析：每一磁极占180°电角度，三相绕组的每相绕组在一个极下只占三分之一，即60°相带。单层绕组双层绕组5.2.2交流绕组的感应电势1.一根导体感应电势设定子内表面槽中嵌放导体A，有效长度为l(m)，转子只有一对磁极，它由原动机拖动以恒定转速n1(r/min)逆时针旋转，沿气隙圆周方向分布的基波磁密波形，大小为：式中Bδ1m为基波气隙磁密幅值。sin11mBb感应电动势导体A切割磁力线产生感应电动势大小为：sin111vlBvlbemxtEtEm1111sin2sin导体的基波感应电动势最大值为：1111222flBlvBEmmmmavBB112)(22.222111111VffEEm111122fflBav波形感应电动势频率在一对磁极情况下，导体A每经过一对主磁极，其中的感应电势经历一个周期。当电机转子上有p对主磁极，电机每旋转一圈，导体A中的基波感应电势变化p周，则导体A中基波感应电势频率为：(5-3)当电机的极对数p和转速n1一定时，f1频率便为固定的数值。）（Hzpnf60112.整距线匝感应电势两导体A、X就构成了整距线匝。它们中的感应电势总是大小相等，方向相反。整距线匝基波感应电势为：用相量表示时：111XATeee11112AXATEEEE整距线匝基波感应电动势整距线匝基波感应电势瞬时表达式为：整距线匝基波感应电势有效值为：(5-6)tEtEeTmTT11111sin2sin11111144.422.222ffEEAT3.整距线圈感应电动势线圈是由Ny匝线匝串联而成，即匝数Ny整距线圈的基波感应电势瞬时值为：(5-7)tEtEeymyy11111sin2sin)(44.4111VNfEyy4.整距分布线圈感应电动势如果在定子内圆表面槽中均匀嵌放三个匝数为Ny的整距线圈头尾连接，相互串联形成线圈组，称为整距分布线圈，相邻线圈的槽距角是α。整距分布线圈的基波感应电动势整距分布线圈的基波感应电势为：绕组的基波分布系数：11111144.4qyqyqkqNfkqEE2sin2sin1qqkq基波分布系数含义基波分布系数是一个小于1的数，其含义是：分布放置的线圈要比将各线圈集中放置在一个槽中的基波感应电势小。可以这样认为：把实际q个分布放置的整距线圈，看成是集中放置的，但它们的总等效匝数为qNykq1，而不是qNy。5.2.3短距线圈感应电动势如果线圈的节距y1τ，则为短距线圈，令短距线圈的节距y1=yπ，其中0y1，短距线圈基波感应电势有效值：绕组基波短距系数：111111144.42sin44.42sin2yyyAykNfyNfyEE2sin1yky基波短距系数含义基波短距系数，它是一个小于1的数，其含义是：短距线圈要比整距线圈的基波感应电势小。可以这样认为：把实际的短距线圈看成是整距线圈，则它等效匝数为Nyky1，而不是Ny。5.2.4一相绕组感应电动势单层绕组：采用分布整距形式每相绕组串联匝数为：每相的基波感应电势有效值为：apqNNy11111144.4qkNfE双层绕组双层绕组：采用短距分布形式每相绕组串联匝数为：每相的基波感应电势有效值为：为基波绕组系数。apqNNy211111144.4wkNfE111yqwkkk绕组的谐波感应电动势绕组采用分布、短距后虽削弱些基波感应电势，但可使各次谐波电势大大削弱，使绕组感应电势接近正弦波。三相交流绕组Y接或Δ接时，由于三次谐波以及三的倍数次谐波电势在时间相位上同相，故三相线电势中无三次或三的倍数次谐波。谐波感应电动势设v为谐波次数，则谐波感应电势频率为：每相绕组v次感应电势有效值：为υ次谐波绕组系数1fvfvvwvvvkNfE144.4yvqvwvkkk课后复习要点：1.交流绕组类型、基本术语、联结规律2.分布、短距和绕组系数的含义及表达式3.绕组感应电势的计算思考题：P1785-1、5-2作业：P1785-6（3）（4）预习：旋转磁动势5.3交流电机绕组的磁动势5.3.1单相脉振磁场1.整距集中绕组的磁动势由于空气隙的磁阻远远大于定、转子铁芯中的磁阻，可认为磁势全部降落在两个气隙上，即作用在每个空气隙的磁势为全部磁势的一半（iNy/2）磁动势波形为矩形波。)232(21)22(21)(iNiNfyy整距集中绕组的磁动势2.磁动势的空间谐波矩形波磁动势用傅立叶级数分解得：3.单相绕组基波脉振磁动势设AX中通入交流电为：则每极磁势表达式为：)5cos513cos31(cos42)(iNfytIi1cos2tiNtfycos)5cos513cos31(cos422)(，3.谐波分析对周期性变化的矩形波分布的磁势，用傅氏级数进行谐波分析，可分解成为：式中v=1，3，5…为谐波系数，系数Cv为tCtfy11,3,51coscos),(2sin2241vINCyv基波磁势为：为基波磁势最大幅值。三次谐波磁势为：三次谐波磁势最大幅值tFtINfyyy1111coscoscoscos224yyyININF0.92241tFtINfyyy1313cos3coscos3cos22431yyyININF0.3224313五次谐波和高次谐波tFtINfyyy1515cos5coscos5cos22451yyyININF0.18224515五次谐波磁势为：五次谐波磁势最大幅值。还有七次、九次、十一次等高次谐波磁势。谐波次数越高，其幅值就越小。为了改善波形，除基波以外，考虑消除三、五、七次谐波，由于三次谐波及三的倍数次谐波在绕组连接成三相对称绕组时就已相互抵消，而五、七次谐波可通过短距和分布绕组来基本消除。因此当连成三相绕组后，只考虑基波磁势就可以了。分析：每相绕组产生基波磁势幅值：)/(0.91111极安匝wkNpIF单层apqNNy1双层apqNNy21I1为相电流的有效值，kw1=kq1ky1称为基波绕组系数，基波分布系数为：基波短距系数为：2sin2sin1qqkq2sin11yky每相绕组产生的谐波磁动势幅值为：wkNpIF1110.9kwυ=kqυkyυ称为v次谐波绕组系数v次谐波分布系数为：v次谐波短距系数为：2sin2sinvqvqkqv2sin1yvkyv（安匝/极）脉振磁动势的分解推导根据三角函数的和差与积的关系：)(cos)(coscoscos2)cos(21)cos(21),(111111tFtFtf11ff)(cos21111tFf)(cos21111tFfv结论：一个脉振磁势可以分解为两个幅值相等，转速相同，转向相反的两个旋转磁势，它们的幅值是原脉振磁势最大幅值的一半。5.3.2三相绕组的合成旋转磁场三相对