三相感应电动机原理

第四章三相感应电动机0.概述1.名称：有感应(induction)与异步(Asynchronous)的两种，是对这种电机从不同角度的称谓，都是指同一种电机。2.优点：结构简单、制造方便、价格低廉和运行可靠且效率高。是工农业生产最重要的一种电机。3．在全控电力电子器件还没有达到实用以前，异步电机在电机拖动领域中的角色是“苦力工”，环境恶劣、负载恶劣、调速要求不高的场合。以前提起异步电机，说起缺点总要加上句：调速和起动性能差。实际上这是不公正的。并不是它没有这方面的潜力，而是外界条件不能让它发挥这个潜力，“怀才不遇”。0.概述微控制器和电力电子器件的发展与电机理论的完善使得异步电机的潜能得到了发挥。丑小鸭变成了白天鹅。可见，电机的应用不仅仅是电机的问题，但学好电机基本原理是应用好电机的基础。本章中，有两个重点，一是空间中三相对称绕组通入时间上三相对称电流，为何会产生在空间中随时间的变化而旋转的磁场，以及时空矢量图（这是学习交流调速的基础）；二是等效电路及运行分析。§4-1基本原理与结构一、基本工作原理1.简化模型磁极旋转，分析线圈受力情况，线圈跟着磁极旋转。线圈会不会与磁极以相同的速度旋转？此时导线不切割磁力线，没有电流，也没有电磁转矩产生。如果一点摩擦没有，可能。如果要带负载，线圈与磁场转速不同。磁场与转子的转速不是同步的，所以称这种电机为异步电动机。转差率S设磁场的转速为n1，磁场的转速又称为同步速，转子绕组的转速为n，则转差率S=（n1-n）/n1它是异步电机的一个基本的参数，反映转速的大小。转速为0时转差率为？转速为同步速时，转差率为？电机的额定转差率为5%以下。2.简化模型的三个问题及改进转子：既然不能与磁场同步，那么与磁场的相对位置时刻处于变化之中，产生的电磁转矩不均匀。旋转磁场的产生：肯定不是外力拖着永磁或直流励磁的磁极旋转，那这个旋转的磁极是怎么产生的？磁路：为减少励磁电流及励磁损耗，应采用高导磁材料构建磁路转子绕组改进像不像笼子？笼型异步电机或鼠笼型异步电机，占异步电机的绝大多数3.旋转磁场的产生空间中静止的三相对称绕组（绕组匝数、节距、导线的粗细等完全一致，且在空间中互差120度电角度），通三相对称电流，则会产生旋转的磁场。AXCZBYBACcoscos(120)cos(120)AmBmCmiItiItiIt0t60t120t180t240t300tAAmfNiNI12BBmfNiNI12CCmfNiNI大小和方向由什么决定？转向取决于三相绕组所通电流的相序，转速决定于电流的频率，电角频率决定了旋转磁场的角速度，时间的量变成了空间的量。变频调速原理即通过改变电机三相绕组的电流的频率，来控制旋转磁场的转速从而使转子转速也发生变化。在空间上，有两对磁极，从电磁的观点上看，认为N—S—N为360º，即整个电机的圆周有720º，由此得到的角度即为电角度，即机械角度乘以极对数，同样电角速度即为机械角速度乘以极对数。旋转磁场的空间的电角速度与电流的时间的角频率相等。两极电机，其磁场的转速也就是同步速与电流频率之间的关系为n1=60f。磁场转过的机械角度与电流所变化的电角度相等。磁场旋转的角速度ω与电流变化的角频率ω相等。如果是四极电机呢？电流变化一个周期，也就是ωt=360º，磁极在空间上转过多少角度？（观察FLASH）电流变化一周，只有一对主磁极走过。由N—S—N，变化一对磁极，此时主磁极走了两个极距，但四个极距才是一个圆周，所以磁极的机械角速度和机械角度也变为电流角频率和所变化角度的1/2。对于p对极电机，磁场机械转速即同步速为n1=60f/p。极数越多的电机，同步速越慢，转速也越慢。例4-150Hz，nN=720r/min，求额定转差率及极对数。SN小于5%是个隐含条件。二、分类(1)定子供电电源相数：单相、两相、三相。(2)转子绕组结构：绕线式与笼型。笼型又分单笼、双笼及深槽式。笼型感应电机的结构简单，制造容易、成本低、运行可靠，被广泛应用。三、结构与直流电机一样，感应电机也分为三个主要部分：定子、转子和气隙。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。定子铁芯用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。定子的主要部件：定子铁芯、定子绕组、机座和端盖。与直流电机相比较，有何不同？励磁绕组、主磁极铁芯、换向极绕组及铁芯、电刷为什么？定子铁芯中的磁通交变，为减少铁损定子绕组: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。定子绕组的作用是建立磁场，实现机电能量转换。机座:是用作固定与支撑定子铁芯。通常采用铸铁机座或钢板焊接机座。直流电机的机座除了这些作用外，还有什么作用？主磁路的一部分，磁的通路。转子的主要部件：转子铁芯、转子绕组、转轴。与直流电机相比较，有何不同？换向器转子铁芯：一般用0.5mm的硅钢片叠压而成，它也是磁路的一部分。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。提刷装置气隙：中、小容量的电动机气隙一般在0.2~1.5mm范围。气隙的大小对感应电机的运行性能影响极大。过大，从电网吸收的励磁电流太大，使电机的功率因数变差。为什么？过小，装配困难，运行不可靠，附加损耗增加，起动性能变差。正常运行时，电机端电压不变，主磁路的磁通不变，磁阻增大，励磁电流增大。四、额定值(1)PN[kW]额定功率，额定工况下，轴上输出的机械功率(2)额定电压UN[V]，额定工况下，加在定子出线端的线电压。(3)额定电流IN[A]，在额定电压额定频率下，轴上输出额定功率时，定子绕组中流过的线电流。(4)额定频率fN[Hz]，我国为50Hz(5)额定转速nN[r/min]，额定电压额定频率，轴上输出额定功率时的转子转速。NNNNPUI另外，对于直流电机来说，有对于三相异步电机来说，有：3cosNNNNNPUI91.5%Ncos0.88N例4-2p=3，50Hz，PN=55kW，UN=380V，nN=970r/min，定子三角形接法。求额定转差率、额定电流及额定相电流。§4-2交流电机的电枢绕组1．分类：按相数分，单相、两相和三相；按槽内层数分，单层、双层及单双层混合，双层可以分为迭、波，单层可分单迭式、同心式、链式和交叉式；按每极每相槽数又可分为整数槽绕组和分数槽绕组。一、概述2．术语介绍（FLASH）相带：每个极距内属于同一相的槽在电枢圆周上所连续占有的区域称为相带，对于三相绕组，一个极距内可以等分成三个区域。这样每个极下每相绕组所连续占有的空间用电角度来表示为60度，称为60度相带。三相感应电动机，一般都采用60度相带。集中绕组：每相只有一个绕组。不足：不能有效利用铁心，不能优化磁动势和感应电动势波形。分布绕组：每一相由多个绕组构成，其有效边分别放在相邻的槽内。3．对交流绕组的基本要求（1）每个极距内的槽数要相等，各相的每极每相槽数要相等。（2）绕组按一定的联接方式，形成规定的磁极数。书中图4-4(b)有误。1A1X2A2X1A1X2A2XAXNSNSAXNS（5）在一定的导体数下，建立的磁场最强而且感应电动势最大，线圈的节距应尽可能接近于极距。三相绕组尽可能采用60度相带。（3）m相绕组对称，不仅仅绕组本身的参数如N、y1、线径及在圆周上的分布情况相同；而且要求它们的轴线在电枢圆周上互差360/m电角度，对于三相绕组而言，就是互差120度电角度。机械角度互差120/p度。（4）采用短距和分布绕组。以产生正弦分布的空间旋转磁场和随时间正弦交变的感应电动势。（6）用铜少、下线方便；强度高（机械、绝缘、热）二、三相单层绕组单层绕组在每一个槽内只安放一个线圈边，三相绕组的总线圈数等于槽数的一半。z1=24，2p=4，m1=3单层绕组1．计算绕组数据124624zp1122zqpm2．划分相带划分相带的目的是给每个槽划分相属，即用来确定嵌放哪一相的绕组。将定子内圆展开，每个槽按顺序编号。根据q划分每槽的相属。铁芯在上面，绕组在下面，展开。1N1S1N2S2234567891011121314151617181920212223243．放A相线圈，同一个极下的相邻的q个线圈串联形成一个线圈组。得到A1X1和A2X2两个线圈组。1A1X2A2X能否并联？不能并联，尽管每个线圈的感应电动势幅值相同，但有相位差并联相当于把两个有相位差的电压源并联，会有很大的环流。如何将两线圈组联接？磁场的转向导体切割磁力的方向11AX22AXAX11AX22XAAX串联，有两种可能的联接方式，即顺串，反串。两种都可以吗？为什么？课本上说：联接的原则应是形成规定的磁极数。如何来理解。如果是反串，根据电流流向判断形成磁场的情况，会不会形成两对磁极？不会。两个线圈组只会形成一对磁极。1A1X2A2XAXNSNS1A1X2A2XAXNS11AX22AXAX11AX22XAAX并联，为什么可以并联？也有两种可能的并联方式，即顺并，反并。两种都可以吗？为什么？尽管同一极下一相绕组的每个线圈的感应电动势不相等，但每个线圈组的感应电动势相同。所以可以并联。1A1X2A2XAXNSNS1A1X2A2XAXNS也可以从产生感应电动势不抵消的角度上理解，感应电动势的方向是X1-A1,X2-A2，如果反并、反串，则感应电动势为零。单层绕组每相有多少个线圈组？一对极才有一个，p个如果将这p个线圈组全部并联起来，则得到每相最大的并联支路数，相绕组的感应电动势将最小，但允许通过的相电流将最大；如果将这p个线圈组全部串联起来，则得到每相最小的并联支路数，相绕组的感应电动势将最大，允许通过的相电流将最小。同样可以得到B相和C相的分布。应注意，B相在空间上与A相互差120度电角度。蓝色的应为B相。三相绕组的六个引出端可以接成星形或三角形。（FLASH）单层绕组一共有z/2个线圈，单相共有(z/2)/m个线圈，而q个线圈构成一个线圈组，故单相共有(z/2)/(mq)个线圈组，而q=z/(2pm)4．改进以上的方法是分布的整距等元件绕组，称之为单层迭绕组。在实际应用中，为了缩短端部联线或方便下线，通常采用两种改进形式。1N1S1N2S223456789101112131415161718192021222324感应电动势及电磁转矩只与有效边的长度及电流的流向有关，而与端部是如何联接的无关。所以我们可以在保证有效边电流流向的情况下，把端部的联接方式改一下。从而得到同心式和链式两种改进形式。单层绕组的优点：槽利用率高（省去了层间绝缘），链式端部短，省铜。等效节距仍然是整距，不能利用短距来改善感应电动势和磁场的波形。如何理解等效节距？性能较差，只适用于10kW以下的电机试想一下，采用了分布绕组，与集中绕组相比，感应电动势的最大值有没有增大？为何还要开那么多槽，采用分布绕组呢？最大值没有增大，但会改善电动势波形，下节课会讲到。对于同心式绕组，等效节距可以理解为平均节距。对于链式绕组，可以理解为整个线圈组的串联导体仍由两对整距的有效导体构成。也就是说等效节距就是等效成单叠绕组的节距。从电磁观点来看，不同形式的交流绕组都可转化为等节距的叠绕组的形式。三、三相双层绕组采用双层绕组目的是为了选择合适的短距，从而改善电磁性能。大家可以想一下，为什么单层绕组不能实现短距？1N1S1N2S223456789101112131415161718192021222324无法放置，而且相属发生混乱。无法实现短距。双层绕组每个槽内要安放两个不同线圈的有效边，所以总线圈数等于槽数。以z1=24，2p=4，m1=3，为例，说明三相双层短距绕组的绕制规律156y1.计算绕组数据2.展开，标号，3.划分相带注意：由于采用短距，使得每个槽的上下两层导体可能属于同一相的不同线圈，也可能属于不同的相，所以划分相带是划分每个槽的上层导体的相属，而不是整个槽上下两层导体的相属。确定了上层边的相属和线圈的节距，下层边也就确定了。2464112