李发海电机与拖动基础第四版第七章

第七章异步电动机原理7.1异步电动机结构、额定数据与工作原理7.1.1异步电动机的主要用途与分类异步电机又称感应电动机，主要用作电动机拖动各种生产机械。由于结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、效率较高，在工业、农业、民用电器方面获得广泛应用。异步电机有不同的分类法：（1）按定子相数分，有单相异步电动机、两相异步电动机及三相异电动步机。（2）按转子结构分，有线绕式异步电动机和鼠笼式异步电动机。（3）按有无换向器分，有无换向器异步电动机和换向器电动机。除外，还按电压高底、启动转矩大小等进行分类。7.1.2三相异步电动机的结构图7.1是三相异步电动机的结构图，主要有定子和转子两大部分组成。定、转子中间是气隙。其他各部分见图。图7.1三相鼠笼式异部电动机结构图1.异步电动机定子异步电动机定子由机座、定子铁芯和定子绕组组成。定子铁芯装在机座内，由硅钢片叠压而成，是电机磁路的一部分。如图7.2所示。图7.2定子铁芯定子铁芯内圆上开有槽，槽内放有定子绕组。图7.3为定子槽，各种槽口用于不同类型的电机。高压大中型异步电动机定子绕组常采用接法，只有三根出线。对中小容量的低压异步电动机，通常把三相绕组的六根线头都引出来，可变更连接方式，如图7.4所示。图7.4三相异步电动机进出线2.气隙气隙是定、转子间相对运动的间隙。气隙小，可提高功率因数，但气隙太小可能造成定转、转子间发生摩擦；气隙太大将导至励磁电流过大。3.异步电动机的转子异步电动机转子由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。转子铁芯由硅钢片叠压而成，也是电机磁路的一部分。图7.5是转子槽型图，（a）为线绕式电机槽型，（b）为单鼠笼槽型，（c）为双鼠笼槽型。铁芯压装在转轴上，成为一体。图7.5转子冲片上的槽型线绕式异步电动机的绕组也是三相绕组，可连成D型或Y型，绕组的三条引线通过三个滑环和电刷引出来，如图7.6所示。图7.6线绕式异步电动机定、转子绕组接线方式鼠笼式绕组是一个自己短路的绕组。对铜材料绕组，先在每个槽内放一根导体，在两侧用两个端环将所有导条焊接起来，形成一个鼠笼，见图7.7（a）、（b）。当用铝料作材料时，将熔化的铝液直接浇铸在转子槽里，连同端环、风扇一次铸成。如图7.7（c）图7.7鼠笼转子7.1.3异步电动机的结构形式根据冷却、保护方式的不同，异步电动机有开启式、防护式和防爆式几种。防护式结构能在一定范围内防止水滴和铁削掉入电机，冷空气从轴向进入，冷却后从机座两旁排出。封闭式异步电动机内部空气和机壳外部空气是隔开的，靠风扇和机壳上的散热片进行散热。防爆式异步机是一种全封闭电机，将易燃易爆气体隔离在机壳外。7.1.4异步电动机的名牌数据电机产品的型号通常由大写汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。如Y系列三相异步电动机表示如下：下面列出一些常见的异步电动机产品系列Y系列小型全封闭自冷式三相异步电动机，应用极其广泛；JQ2和JQO2系列高启动转矩异步电动机；JS系列中型防护式三相鼠笼异步电动机；JR系列防护式线绕三相异步电动机；JSL2和JRL2分别为鼠笼式和线绕式中型立式水泵系列异步机；JZ2和JZR2分别为鼠笼式和线绕式起重系列三相异步电机；JD2和JDO2系列分别为防护式和封闭式多速异步机；BJO2系列是防爆式鼠笼异步电动机；……。2.额定值（1）额定功率指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率率，单位是KW。（2）额定电压指额定状态下，定子绕组上的线电压，单位为V。（3）额定电流定子在额定电压下，轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。（4）额定频率我国规定工业用电频率是50Hz。（5）额定转速在定子加额定频率的额定电压，且轴上输出额定功率时的转速，单位为r/min。（6）额定功率因数指额定负载时定子边的功率因数。（7）绝缘等级与温升。此外，还有工作方式、连接方法等。线绕式异步电机还要标明转子绕组额定电动势和转子额定电流。电动机的额定输出转矩可由额定功率、额定转矩来计算，公式为：7.1.5异步电动机的工作原理图7.8异步电动机工作原理当三相对称电流流入三相对称绕组时，电机内形成圆旋转磁场，设转速为n1以逆时针旋转，如图7.8。由于旋转磁密与鼠笼条间存在相对运动，导条中就产生感应电流，感应电流在磁场中受力，转子便旋转起来。转速为n与n1同方向。只要nn1，转子导条与磁场间就有相对运动，转子就能继续旋转。7.2异步电动机转子不转、转子绕组开路的电磁关系7.2.1规定正方向图7.9为一台线绕式三相异步电动机，定、转子绕组都是Y连接。图（a）是定、转子等效绕组在铁芯中的布置方式。图（b）为定、转子绕组的连接方式。图中，,,分别为定子绕组的相电压、相电势和相电流；，，分别是转子绕组的相电压、相电势和相电流。把定转子的空间坐标轴和都选在A相绕组的轴处，1U1E1I2U2I1A2A2E并重叠在一起，见图7.9（a）。图7.9转子绕组开路时三相线绕式异步电动机的正方向7.2.2磁通及磁通势1.励磁磁通势当转子开路，定子接到三相对称电源时，定子绕组中产生三相对称电流。由于对称，我们只取A相电流，用表示，并画在图7.10（a）的时间坐标轴上。0I三相对称电流在定子中产生的空间合成旋转磁通势有如下特点：（1）幅值：（2）转向：因电流相序为，故的转向是逆时针方向。见图7.9（a)。(3)转速：()0F图7.10励磁电流、励磁磁通势及定、转子绕组电动势相矢量图0F（4）瞬间位置:当三相电流中某相电流达最大值时，旋转磁通势的正幅值就处于该相绕组的轴线处，而在图7.10（a）中，A相电流再过90度才能达正的最大值，故旋转磁通势应画在图7.10(b)的位置。为了方便，把时间参考轴和空间坐标轴重叠在一起，如图7.10（c）。2.主磁通与漏磁通把通过气隙同时链着定、转子绕组的磁通称为主磁通。把只链定子绕组的磁通称为定子漏磁通，定子漏磁通包含槽漏磁通和端部漏磁通，见图7.11。气隙是均匀的，所产生主磁通所对应的气隙磁密是一个在空间正弦分布且旋转的磁密波，见图7.10（b）和（c）。0F气隙每极主磁通为：图7.11异步电动机主磁通与漏磁通7.23感应电动势旋转的气隙每极主磁通在定、转子中的感应电势分别为：定转子间相电势之比叫电压比为：参阅图6.5，将轴与重合，可将与之间的关系画在图7.10（c）中。可知落后90度，且转180度后才能与轴重合。为了方便，通常把转子绕组相定子边折合，即。其中电压变比可以计算，故有（7-1）7.2.4励磁电流励磁电流由两部份组成，即有功分量很小，无功分量与同相，而与领先一个不大的角度。见图7.12。图7.12考虑的励磁电流、磁通势与绕组电动势的时空相矢量图7.2.5电压方程式把漏磁通在定子绕组里感应的漏电动势看成定子电流在漏电抗上的压降，根据图7.9（b）中的正方向可写成电流在定子绕组电阻上的压降为。按图7.9（b）的正方向，定子一相回路的电压方程式为：图7.13转子绕组开路时的相量图式中为定子一相绕组的漏阻抗。按上述电压方程画的相量图见图7.13。7.2.6等效电路若用励磁电流在参数上的压降表示，则有：（7-2）式中为励磁阻抗，为励磁电阻，为励磁电抗。于是，定子一相电压平衡式为：转子回路电压方程式为：图7.14转子绕组时异步电机等效电路图7.14为上述方程的等效电路。其电磁关系的示意图如下：7.3三相异步电动机转子堵转时的电磁关系图715是三相异步电动机转子短接并堵转时的接线图，在三相转子绕组感应电势的作用下，在三相绕组中流过三相对称电流并产生转子空间旋转磁通势，其特点如下：（1）幅值图7.15转子短路并堵转时的三相异步电动机（2）转向按在转子绕组中感应的相序旋转。（3）转速转速为，角速度。（4）瞬间位置同样把转子电流看成转子边相绕组里的电流，当达到正最大值、即在轴上时，转子磁通势应转到相绕组的轴线处，即上。所以画时、空相矢量图时，应使和重合，见图7.16。下面分析堵转时定子旋转磁通势的特点（1）幅值：（2）转向：与同方向旋转。（3）转速：相对定子绕组的转速和角速度同上。（4）瞬间位置:当定子相电流达到正最大值时，应在相绕组的轴线处。故画时空相矢量图时，应使和重合。图7.16转子堵转时电动势、电流及磁通势的时空相矢量图由于定子旋转磁通势和转子旋转磁通势转向相同且转速相等，即两者是同步的，相对静止的。将两者相加，得合成磁通势，即，这才是产生气隙每极磁通的磁动势。2.漏磁通堵转时定、转子磁路中都有漏磁通，见图7.17。分别用漏电抗X1和X2表示在电路中。通常X1、X2是常数，当定、转子电流很大时，漏电抗值变小。图7.17漏磁通7.3.2定、转子回路方程根据图7.15中的正方向，转子绕组一相的回路电压方程为式中为转子绕组的楼阻抗。转子相电流为，其中。为转子绕组回路的功率因数角，即与的夹角。与同相。参阅图7.16。将定、转子的旋转磁通势改写成，可认为定子旋转磁通势包含两个分量，一个为用以抵消转子旋转磁通势，另一个为励磁磁通势用以产生旋转气隙磁密，见图7.16。7.3.3转子绕组的折合只要保持转子旋转磁通势的大小、相位不变，就可用一个与定子的相数、匝数、绕组系数完全相同的新转子来代替，这就是转子绕组折合的原则。将关系式写成：令（7-5）则可得简化为（7-6）折合前后的电流关系由（7-5）式可得则电流关系为，则为电流比。下面分析折合后的漏阻抗、损耗和无功功率：转子绕组的漏阻抗用来表示，根据（7-3）式可写成：（7-7）与的关系为得折合前后漏阻抗关系为：阻抗角为可见折合前后楼阻抗角不变。从下式可知折合前后的铜秏不变折合前后的无功功率可写成即折合后的无功功率不变。7.3.4基本方程式、等效电路和向量图右边列出转子绕组短路且堵转时的五个方程式图7.18转子绕组短路且堵转的等效电路图7.19转子绕组短路且堵转的相量图图7.18和图7.19分别是转子绕组短路且堵转时的等值电路和向量图。图7.20是这种情况下的电磁关系示意图。图7.20电磁关系示意图7.4三相异步电动机转子旋转时的电磁关系7.4.1转差率定子绕组接三相额定电压、转子绕组短接时，若不堵转，则转子就要沿气隙旋转磁通势的转向旋转起来。当电磁力矩与负载转矩（含摩擦转矩和附加损耗转矩）平衡时，转子转速就稳定下来。异步电动机的转速只能小于同步速，若两者相等，则将不能在转子绕组中感应电流，也就不能产生电磁力矩。即转子速度与气隙磁通势的转速不可能同步，异步电动机由此而得名。转差率s就是同步转速与转子转速之差与同步速的比值。当两者同转向时，转差率为当两者反转向时，转差率为7.4.2转子电动势当转子以转速恒速运转时，转子回路的电压方程式为（7-8）上式中的各个参数均为转子绕组的一相参数。当异步电动机运行时，转子转速与气隙磁密转速间的转速差为：（7-9）旋转时转子绕组的感应电势为即每相感应电势与转差率成正比。注意式中的与电动机堵转时的电动势有区别。转子的漏电抗也是对应转子频率时的漏电抗，即可见转子漏电抗与转差率成正比，通常。7.4.3定、转子磁通势及磁通势的关系1.定子磁通势定子的磁通势前面已分析过，不再重述。假定它以同步速n1逆时针旋转。2.转子旋转磁通势（1）幅值为（2）转向由于转子转速低于同步速，气隙磁密在转子绕组中感应电流的相序仍为[见图7.9（a）]。即转子磁通势也为逆时针旋转。3.合成磁通势（1）与的幅值同前。（2）转向：如前所述与都是逆时针旋转。（3）转速：相对定子绕组的转速仍为n1。而相对转子的速度为n2，由于转子本身以转速n在旋转，所以相对定子的转速为。已知又有于是得即两者是同步的。因此两个旋转磁通势可叠加为。需说明，这里的合成磁通势是电动机运行时的磁通势，与前述的磁通势略有不同。7.4.4转子绕组频率的折合只要保持转子旋转磁通势不变，可将转子看作不动的转子，便于分析，就需要频率折合。据此可将（7-8）式变换为：式中分别为异步电机转子旋转时，转子绕组一相电动势、电流和电抗。而分别为异步电机转子不转时，转子绕组一相电动势、电流和电抗。其功率因数角可见频率折合前后，电流的有效值和相角完全一样，而频率由f2变成了f1。图7.2