03第三章异步电动机2doc

第三章异步电动机§3—1．三相异步电动机的结构§3—2．异步电动机的转动原理§3—3．定子和转子电路§3—4．三相异步电动机的运行特性§3—5．三相异步电动机的起动§3—6．单相异步电动机3—1.三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：防护结构；组成作用；冷却方式；名词解释。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。铭牌一、基本结构防护结构：主要指机壳的结构形式，有开启式、防护式（防溅、滴）和封闭式三大类：船用电机主要是封闭式。具体参见P.252.“防护要求”和表16-1-5。冷却方式：自冷、自扇冷、他扇冷等方式。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)电机解剖图定子铁心的组成铁心剖面图铁心中的槽与线圈导体铁心由硅纲片叠成定子绕组的组成绕组展开图定子铁心与线圈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名词解释极距τ：异步机气隙存在磁场，磁场中相邻两个磁极之间的距离（槽数）。节距y：一个线圈两个边之间距离（槽数）。每极每相槽数p：在一个磁极距离的范围内，分配给每相的槽数。单、双层绕组：每槽内只有一个线圈边为单层绕组；有两个线圈边为双层绕组。电角度：电量所对应的角度。电角度θe=pθm（θm机械角度）。二、铭牌及主要额定数据铭牌1.额定功率Pn：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，防护结构，冷却方式）；铭牌数据。§3—2.异步电动机的转动原理一、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n0，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(A→B→C→A)，转速n0=60f/p，n0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(A→B→C→A)，转速n0=60f/p，n0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(A→B→C→A)，转速n0=60f/p，n0叫同步转速。返回二、旋转磁场（解析法）注：解析法不要求掌握，只提供给大家参考。三相电流瞬时值如书上P.27式（3-2-1），产生三相磁势：fA=FΦcos（xπ/τ）×sinωt；fB=FΦcos（xπ/τ－120º）×sin（ωt－120º）；fC=FΦcos（xπ/τ＋120º）×sin（ωt＋120º）。利用三角函数公式，可以分别分解为：fA=0.5×FΦ[sin（ωt－xπ/τ）＋sin（ωt＋xπ/τ）]；fB=0.5×FΦ[sin（ωt－xπ/τ）＋sin（ωt＋xπ/τ－120º）]；fC=0.5×FΦ[sin（ωt－xπ/τ）＋sin（ωt＋xπ/τ＋120º）]。异步电动机气隙磁势F1为三相磁势的合成（矢量和）：F1=fA＋fB＋fC=1.5×FΦ×sin（ωt－xπ/τ）=Fmsin（ωt－xπ/τ）这是一个旋转磁势（在物理学中称为行波），是时空函数，随着时间t的变化，总可以在空间上找到一点，使sin（ωt－xπ/τ）=1。磁场分析脉振磁场结论：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n0=60f1/p(转/分)，或：f1/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。脉振磁场如下图所示。双旋转理论单相脉振磁场fA=Fφsinωtcos(xπ/τ)=fA＋＋fA－=0.5Fφsin(ωt-xπ/τ)+0.5Fφsin(ωt+xπ/τ)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停止脉振fA=Fφsinωtcos(xπ/τ)=fA＋＋fA－=0.5Fφsin(ωt-xπ/τ)+0.5Fφsin(ωt+xπ/τ)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。单相脉振磁场返回初态fA=Fφsinωtcos(xπ/τ)=fA＋＋fA－=0.5Fφsin(ωt-xπ/τ)+0.5Fφsin(ωt+xπ/τ)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。三、转差率定义式：——书P.29，式（3-2-3）。s=(n0-n)/n0异步电动机工作在电动状态时，1＞s＞0(∵n＜n0)。否则就不是电动状态。额定负载时的转差率sn：sn=(n0-nn)/n0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：sn=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）sn才比较大。∵n0=nn(1-sn)，将sn=0.01～0.09代入p=60f/[nn(1-sn)]，计算出两个最接近整数的p值（注意必须取两个值），然后将这两个p值代入n0=60f/p和sn=(n0-nn)/n0进行验证，取满足sn=0.01～0.09的值，即可求得n0和p的确切数值。普通异步机极对数求解已知：nn，求p。利用sn=0.01～0.09求解[第二节要点]：转动原理（磁场、转）；旋转磁场(转向、大小)；转差率。例如：频率为50Hz，p=的三相异步电动机，nn=275转/分。A.8B.9C.10D.11(若p=3000/275=10.9≈11，错！)解：p=60f(1-sn)/nn=3000(0.99～0.91)/275=10.8～9.9，极对数p可能取值为10或11。验证：p=11时，n0=272.72，sn=-0.001＜0，不符合要求，p=10时，n0=300，sn=0.0833＜0.09，符合要求。∴答案：C。§3—3.定子和转子电路一、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：E1=4.44k1f1N1Φ，其中：k1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：U1=（R1+jX1）I1－E1=I1Z1－E1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。——P.35.+3行：I0=20%～50%In。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n0=60f1/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=n0－n=sn0切割转子绕组，∴转子电量的频率f2=p△n/60=spn0/60=sf1。转子频率f2是随转差率（或转速）变化的量。当电动机起动瞬时（n=0），f2=f1。因此转子感应的电动势及转子电路的漏抗分别为：E2=4.44k2f2N2Φ和X2=2πf2L2若用n=0时的转子电势E20和转子电路漏抗X20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：E2=4.44k2f2N2Φ=sE20和X2=2πf2L2=sX20注意：书P.43习题（作业）3–4。转子磁场相对定子的转速，应该先求其对转子的相对转速，然后求n21=n2+n。转子电流：I2=E2/（R22＋X22）1/2=sE20/（R22＋s2X202）1/2=E20/[（R2/s）2＋X202]1/2——此式中电量的频率都是f1。转子功率因数：cosφ2=R2/（R22＋X22）1/2=R2/（R22＋s2X202）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：R2/s=R2＋（R2/s）－R2=R2＋（1－s）R2/s由转子电流表达式I2=E20/[（R2/s）2＋X202]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）R2/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)R2/s增加，I2减小。当s=1，(1-s)R2/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，I2不断减小，当s=sn=0.01～0.09时，转子电阻相当大，I2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。磁势的平衡方程式如书P.31式（3-2-11）和式（3-2-12）。当机械负载增加，转速降低，电阻R2/s减小，I2增大，去磁作用增强，I1也随之增大。由式：cosφ2=R2/(R22＋s2X202)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，sn=0.01～0.09，异步机功率因数相当高。当s=0时，虽然cosφ2=1，但∵I2=0，I1=I0，∴cosφ1很低。[第三节要点]：电压平衡方程（电路）；磁势平衡方程；磁场转速。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三部分：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。工作特性：主要了解工作特性的种类（条数）及大致形状。一、电磁转矩转矩等于功率除角速度：T=P/Ω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m2相绕组，由主磁通通过气隙传递给转子的电磁功率为：Pe=m2sE20I2cosφ2=m2s(4.44k2f1N2Ф)I2cosφ2=ΩT=sΩ0T。电磁转矩物理表达式：T=KTI2Фcosφ2[注意]：电磁功率还可以表示为：Pe=m2I22R2/s，所以ΔPcu2=sPe。说明：铁损在功率流图中只有PFe1一项，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