第5章三相异步电动机的基本原理

5．三相异步电动机的基本原理本章主要教学内容：1.三相异步电动机的基本原理2.交流电机的定子绕组3.交流电机绕组的磁动势4.交流电机绕组的电动势5.三相异步电动机的电磁关系6.三相异步电动机的功率和转矩7.三相异步电动机的工作特性8.三相异步电动机的参数测定鼠笼式异步电动机外形绕线式异步电动机外形•三相异步电动机外形实物图5.1三相异步电动机的基本结构及工作原理1、基本结构：定子、转子、定转子之间是空气隙。1—转子绕组；2—端盖；3—轴承盖；4—轴；5—轴承；6—定子绕组；7—吊环；8—转子；9—机座；10—定子铁芯；11—风扇12—风罩；13—集电环•绕线式三相异步电动机剖面图2、定子构成：铁芯、绕组、机座作用：构成磁路一部分；按功能要求放置定子绕组定子铁芯定子绕组线圈三相异步电动机的引出线转子构成：转子铁芯、转子绕组、转轴。转轴分类：笼型、绕线型气隙：定子与转子之间很小的空气隙，电机磁路的一部分。高压大、中型异步电机常采用Y接法，只有三个出线头低压中、小型异步电机常有六个出线头，可根据需要接成Y或Δ异步电动机定子1异步电动机定子２定子实物图铜条笼型转子铸铝笼型转子绕线型转子接线图3、转子构成：转子铁芯、转子绕组、转轴分类：笼型、绕线型气隙：定子与转子之间很小的空气隙，电机磁路的一部分异步电动机定子上有三相对称的交流绕组鼠笼绕组鼠笼式转子绕线式转子转子实物图绕线式定子与转子5.1.3工作原理——旋转磁场的形成原理1）合成磁场相当于一对机械旋转磁极的旋转磁场，由电流超前相转向滞后相，电流变化一周，旋转磁场空间上旋转一周。一对极旋转磁场示意图2）若有p对磁极，电流变化一周，旋转磁场转过1/p周。旋转磁场的转速为:两对极旋转磁场示意图3）转差率转子的机械转速与旋转磁场的转速之间存在差异是电磁作用产生的基础，通常用转差率（S）来描述，即分析小结1）异步电动机定子上通入三相对称的交流绕组。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(swf1)。2）转子导体切割磁力线，并产生感应电势转子导体通过端环自成闭路，产生感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力(swf2)。3）电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转起来(swf3).swf.swf.swf由此可见，异步电机原理可以简述如下几部分：综上所述三相异步电动机定子绕组加对称电压后，产生一个旋转气隙磁场，转子绕组导体切割该磁场产生感应电势。由于转子绕组处于短路状态会产生一个转子电流。转子电流与气隙磁场相互作用就产生电磁转矩，从而驱动转子旋转。电动机的转速一定低于磁场同步转速，因为只有这样转子导体才可以感应电势从而产生转子电流和电磁转矩。所以该电机被称为三相异步机，也叫感应电机。小结论5.2交流电机的定子绕组5.2.1交流绕组的基本知识.swf5.2.3三相双层绕组一个槽内有两个线圈边，绕组的线圈数等于总槽数。5.3交流电机绕组的磁动势定子三相交流绕组按照一定规律分布在定子内圆表面，其中的电流随时间交变，绕组所产生的磁动势既沿空间分布，又随时间变化，是时间与空间的函数。磁动势分析过程5.3.1单相绕组的磁动势——脉振磁动势整距线圈产生的磁动势(p=2）下图为四极电机绕组在某瞬间流过电流产生的磁动势沿气隙圆周方向上的空间分布情况。四极交流电机瞬时磁动势（2）线圈组的磁动势（参见P132）（2）线圈组的磁动势（参见P132）（2）线圈组的磁动势（参见P132）线圈组由q个依次相距a槽距角的线圈串联组成。线圈组的磁动势等于把各个线圈的磁动势进行向量相加。即，整距线圈的线圈组磁动势（4）单相绕组的磁动势（参照P134)相绕组由分布在各极下的同相线圈组联接而成（Iy=I/a）单相绕组磁动势是脉振磁动势，可分解为沿气隙分布的基波及一系列谐波。幅值在空间位置固定不动，幅值大小随时间按余弦规律变化，其变化频率与电流频率相同。5.3.2三相绕组的磁动势——基波旋转磁动势（1）三相绕组的基波磁动势假设一相脉振磁动势分解可以分解为两个旋转磁动势，它们幅值相同，等于脉振磁动势幅值的一半，转速相同，转向相反，即脉振磁动势分解为两个旋转磁动势三相绕组的基波磁动势合成磁动势基波——基本结论对称m相绕组内通以对称m相电流，合成磁动势基波为旋转磁动势波，非对称绕组或非对称电流的合成磁动势基波为椭圆旋转磁动势；合成磁动势基波的转速，即同步转速为n1=60f/pr/min。电流在时间上经过多少度，基波在空间上转过同一数值的电角度；某相电流达到幅值时，基波磁动势的位置与该相绕组的轴线重合；合成磁动势的转向由三相电流的相序和三相绕组空间上的位置决定，由超前相转向滞后相。三相交流电源中任意两根对调即可改变电机的旋转方向。（2）三相绕组的谐波磁动势高次谐波合成磁动势是余弦分布，幅度不变的旋转磁动势。5.4三相交流电机绕组的电动势5.4.1线圈单个有效边的基波电动势电机导体与基波磁场作相对运动，会产生感应电动势，其幅值为Em=Bmυl。若定子内圆周长以2pτ表示，则υ=2pτn/60,n=60f/p，则单个导体基波电动势有效值为导体基波电动势有效值为5.4.2线圈基波电动势整距线匝基波电动势为:线匝电动势计算Ny匝线圈基波电动势有效值为y1τ短距线匝Nc匝短距线圈波电动势有效值为5.4.3线圈组基波电动势线圈组由空间互差一个槽距角a的q个线圈串联组成，其基波电动势为：线圈组基波电动势的分布5.4.4基波相电动势N——每相在一条支路的串联匝数。单层绕组有p个线圈组，双层绕组有2p个线圈组，对单层绕组，N=pqNc/a，对双层绕组，N=2pqNc/a5.4.5感应电动势与交链磁通的关系根据电磁感应定律,交流电机绕组感应电动势与变压器绕组感应电动势均滞后磁通交流电机与变压器的交链磁通变化不同在于：变压器中，与绕组交链的磁通变化是因为主磁通随时间变化（脉振）所引起的；交流电机中，气隙磁通密度本身大小不变，但相对于绕组旋转，使得与绕组交链的磁通随时间变化。虽然二者引起绕组交链磁通随时间变化的原因不同，但从“交链磁通发生变化而感应电动势”的原理来看是一样的。5.4.6谐波电动势及其削弱方法绕组谐波电动势有效值为υ次谐波交链磁通υ次谐波电动势的频率次谐波绕组系数谐波电动势的危害：发电机输出电压波形畸变，附加损耗增加，效率下降；异步电动机产生有害的附加转矩，引起振动与噪声，运行性能变坏；高次谐波电流在输电线引起谐振，产生过电压，并对邻近通讯线路产生干扰。削弱高次谐波电动势方法：三相绕组Y形或△形接法可消除三次谐波；采用短距或分布绕组；改善磁极的极靴外形或励磁绕组的分布范围。例5-2五次谐波短距系数五次谐波分布系数五次谐波绕组系数七次谐波分布系数七次谐波绕组系数七次谐波短距系数5.5三相异步电动机的转速与运行状态分析问题：三相异步电动机转子转速n能否超过同步转速n0？分析：在无外力作用时，电动状态转子转速n不能超过同步转速n0。即nn0。假设n=n0，旋转磁场不切割转子导体，则无感生电动势，无电流，也就无电磁力，转子不转了。只由nn0旋转磁场和转子导体有相对运动，转子才受到电磁转矩，这就是异步电动机的由来。Tn0nN定义（n0-n）为转差率S’：把转差与同步转速n0之比的百分值叫做转差率S，即S‘=（n0-n）/n0*100%如果用一原动机或其它转矩去拖动异步电动机，使它的转速超过同步转速，nn0,S0,旋转磁场切割转子导体的方向相反，导体中的电动势与电流方向都反向。由左手定则知电磁力与旋转磁场和转子的旋转方向相反，这是制动转矩。这时原动机对异步电动机输入机械功率，而通过电磁感应由定子向电网输送电功率，电动机处在发电机状态。如果异步电动机的外转矩使转子逆着旋转磁场的方向旋转，即n0,S1,此时转子导体中的电动势和电流反向仍和电动机一样，电磁转矩方向仍与旋转磁场一致，但与外转矩方向（n)相反，电磁转矩是制动转矩，此时电网对电动机输送电功率，从转子吸收机械功率。n0nTN5.6三相异步电动机的电磁关系5.6.1磁路分析（1）主磁通气隙中以同步转速旋转的基波磁通,同时与定、转子绕组交链，是定、转子之间的能量传递的媒介。四极电机主磁通分布主磁通和漏磁通（2）漏磁通（参见p141）有定子漏磁通、转子漏磁通5.6.2电动机转子不转的电磁关系定子通入三相对称电流，空间会产生旋转磁场，而旋转磁场切割转子导体，其切割速度为Δn=n0-n，导体会产生感生电动势，各导体的电势大小和方向随旋转磁场的移动而变化。其变化规律是磁极中心线上的导体电势最大（因为E=Kφ）。旋转磁场移动，而最大电动势也同一速度同磁极中心一起沿转子圆周移动，即转子图磁极同步。对于每根导体而言，其感生电动势是一个正弦电动势（因为磁通是正弦的），参见下图。NNSSΔnNNSΔn那么，旋转磁场以Δn（=n0-n)相对转子切割转子绕组，电动机的极对数为P（任何类型的电机定、转子的极对数必须相等），设转子导体感生电动势频率为f2。则f2=PΔn/60==sf1000nn-n.60nP分析转子导体中的电流假设导体是纯电阻导体电流和电势同时达到最大或最小，（如有电感则电流滞后电压一个角度），转子的电流同转子的感应电动势同频率。定子绕组的电动势:电动机气隙中有旋转磁场，它以同步转速n0=60f1/P旋转，分布接近于正弦，好象是旋转的磁极，既切割转子绕组（Δn），又切割定子绕组（n0），在转子绕组中产生感应电动势，在定子绕组中也产生感应电动势，都是三相对称的。5.6.3异步机的磁势平衡定子三相绕组电流在电机气隙中产生旋转磁势，称定子磁势，用F1表示，F1切割转子，则转子导体产生电动势，转子导体闭合有电流，而转子电流也会产生磁动势，用F2表示。转子电流最大值始终在N极（S极下，转子电流产生的磁势跟电流最大值的线圈的轴线一致，即转子磁势和定子磁势同步运行。这样在电机气隙中有合成磁势，用F0表示。ΣF=F0=F1+F2三者是矢量和，是同步运行。此式称为异步电动机的磁势平衡方程。合成磁势F0既切割定子绕组(以n0切割)，又切割转子绕组(以Δn切割)。如果转子转速为n，同步转速n0，F1切割转子的速度为Δn，那么合成磁势：ΣF=F1+F2，此方程适合各种旋转设备。NSF1F2使用异步电动机就要知道它的转矩、电流等参数，怎样求它们，一种方法是借助于电动机的等值电路，也就是说象把变压器等效成一个等值电路一样，也把电动机等效成一个等值电路。一相绕组所交链的磁通有两部分：一部分是主磁通交链全部绕组（对应E），另一部分是等效漏磁通（端接漏磁通、槽漏磁通…),它反映仅交链一相或部分绕组和其余相绕组不发生交链作用。漏磁主磁温馨提示：异步电动机从定子（一次侧）电源吸收电功率，通过电磁耦合把电功率传到转子。接下来进行具体分析。I1I2•转子开路时的异步电动机P141～144定子加三相对称电压，定子三相绕组有三相对称电流。转子开路无电流，也无电磁功率传到转子上（P=I2R=0），类似变压器空载。励磁电流I0产生主磁通、漏磁通。旋转磁动势会在定转子中产生感生电动势。主磁通在定子产生的感生电动势E1为：E1=4.44f1kN11N1φm（参考5-48）kN1代表反映绕组短距和分布使电动势减少情况。φm为主磁通，N1定子绕组匝数。主磁通在转子产生的感生电动势E2为：E2=4.44f1kN2N2φm（转子不转定转子同是f1）把E1与E2比称为异步电动机的电动势比：Ke=E1/E2=kN1N1/kN2N2,电动势比是等效匝数比。定子漏磁通在定子会产生漏抗电动势E1σ=-jI0x122222111111xIjrIExIjrIEU021FFF磁动势方程U1I1r1x1E1_+E2r2x2I2定、转子电动势方程堵转时定、转子等效电路图•转子堵转时的异步电动机用强制方法把转子堵住，这也叫转子短路（相当变压器短路）。图5.28表示电磁关系。折算原则：折算前后维持磁动势和功率关系不变。在近似计算时认为：电网的容量大，电网频率f1和电网电压U1是常数