三相异步电动机的基本类型结构和工作原理

5.1概述5.1.1异步电机的基本类型与基本结构一、用途和分类三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，例如：风机、泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械、农业生产中的脱粒机和粉碎机、农副产品中的加工机械等等。在民用生活中，电扇、洗衣机、电冰箱和空调器等一般由单相异步电动机来拖动。异步电动机能在生产和生活领域中得到广泛的应用，是有着众多优点：结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高并具有适用的工作特性。缺点：功率因数较差，电机在运行过程中必须从电网吸收感性无功功率，因此它的功率因数总小于1。异步电动机的种类很多，从不同的角度看，有不同的分类法，常见的有：按定子相数分单相异步电动机两相异步电动机三相异步电动机按转子结构分绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机按定子绕组供电电源相数按转子绕组的结构单相感应电动机三相感应电动机两相感应电动机异步电动机鼠笼式异步电动机绕线式异步电动机结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式通过外串电阻改善电机的启动，调速等性能分类小结：二、三相异步电动机的结构感应电机定子绕组定子铁心转子机座笼型转子铁心转轴转子绕组绕线型定子端盖、轴承、风扇等三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电机的定子部分完全相同。对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D联结Y联结三相异步电动机的转子部分结构类型主要有两种：鼠笼型和绕线型。鼠笼型转子绕组由插入每个转子槽中的导条和两侧的短路端环构成，如果去掉转子铁心，剩余的转子绕组就像一个松鼠笼子。鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图特点：可以在转子绕组中串入附加电阻，来改善电机的启动性能或作转速调节用。下图是三相绕线型转子结构。绕组的三个出线端子接到固定在转轴上的三铜环上，通过电刷引出。5.1.2三相异步电动机的基本工作原理①电动机运行②发电机运行③电磁制动异步电机外部条件发生变化时，有三种不同的运行方式。定子接电网转子带负载定子接电网原动机驱动定子接电网、转子机械负载；应用于升降机械等。AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电切割闭合转子导体（鼠笼转子、绕线式转子）Blv右手定则感应电动势E2旋转磁场感应电流I2旋转磁场Bli左手定则电磁力F电磁转矩TnvFF1nNS一、异步电动机工作原理160(r/fnpmin）方向:顺时针由于异步电动机的转速n不等于同步速n1，因此在描述异步电机转速时通常采用转差率的概念。转差率的概念定义如下：把同步速n1和电机转子转速n之差与同步速n1的比值称为转差率，用s表示：11nnns二、转差率1、电动机状态★0nn10s1★电磁关系转子：i2a、e2同方向；Tem与n同方向，为驱动转矩。定子：i1a与i2a反方向；e1与e2同方向；i1a、e1反方向。★能量转换关系转子：Tem0输出机械功率定子：e1i1a0从电网吸收电功率三、感应电机三种运行状态.×e1i1a×.e1i1a××e2i2a..e2i2a★电磁关系转子：i2a、e2与电动机状态相反；Tem与转向相反，为制动转矩。定子：i1a与i2a反方向；i1a与电动机状态相反，e1与电动机状态相同，i1a、e1同方向。★能量转换关系转子：Tem0吸收机械功率定子：e1i1a0输出电功率2、发电机状态..e2i2a××e2i2a..e1i1a××e1i1a★nn1-s03、制动状态★-n0s××e2i2a..e2i2a.×e1i1a×.e1i1a吸收电功率＋吸收机械功率=转子电阻热损耗★电磁关系转子：Tem与n反方向Tem为制动转矩定子：i1a、e1反方向。★能量转换关系转子：TemΩ0吸收机械功率定子：e1i1a0从电网吸收电功率状态电动机发电机电磁制动n与s关系nn10s1nn1s0n与n1反向，n0,s1E1的性质反电动势电源电动势反电动势T的性质电磁驱动力矩电磁阻力矩电磁阻力矩能量转换电能→机械能原动机机械能→电能电能+机械能→内部损耗三种运行状态小结5.1.3三相异步电动机的额定值1）额定功率PN（kW）指额定运行时转轴上的输出机械功率；2）额定电压UN（V）指加在绕组上的线电压；3）额定电流IN（A）指定子绕组中的线电流；4）额定频率f（Hz）我国工业用频率为50Hz；5）额定功率因数指电动机在额定负载时定子侧的功率因数；Ncos6）额定转速nN（r/min）指电机额定运行时转轴的转速；7）电动机的额定输出转矩计算式为.思考：如果转矩单位为kgm，该如何计算？.)(min)/()(95502mNrnkWPTNNN2）如铭牌上标有“380V、D联结”时，表示电机正常运行时只能采用“D”联结，但是在电动机启动过程中可接380V电源，绕组采用“Y”联结，启动完毕，恢复“D”联结。对高压电动机：定子绕组只有三根出线，只要电源电压符合电动机铭牌电压值便可使用。对于中低压电动机：1）如铭牌上标有“380/220V、Y/D联结”时，表示电源电压为380V时，电机绕组采用“Y”联结；电源电压为220V时，采用“D”联结。5.2三相异步电动机的运行原理5.2.1转子静止时的异步电机分析前提：把异步电机的磁通分成主磁通和漏磁通，并把谐波磁通归并到漏磁通假设：气隙中只有基波磁通，定、转子绕组上只感应有基波电势漏磁感应电势用漏抗压降表示一、转子静止时的电路表示正方向按变压器惯例2222111110jxrIEjxrIEU二、电压平衡式（转子静止时的异步电机）以下标1和2区别定子和转子电路的各物理量，各种数量均取每相值。从电路分析角度来看，转子不动时的异步电机的电路方程与次级侧短路时的变压器的电路方程相似。2222111110jxrIEjxrIEU三、磁势平衡式转子绕组是对称多相绕组，与定子绕组有相同极数。绕线式转子有明显的相数和极对数，设计转子绕组时，必须使转子极数等于定子极数。否则，没有平均电磁转矩。鼠笼转子的转子有鼠笼加端环组成。所有导条在两头被端环短路，整个结构是对称的，实质上是一个对称的多相绕组。鼠笼转子的极数恒等于定子绕组的极数。在转子不动时，定、转子电势有相同频率，由转子电流所产生的基波旋转磁势与由定子电流所产生的基波旋转磁势有相同转速，没有相对运动。转子旋转磁势对定子旋转磁势产生去磁作用，二者共同作用在主磁路中产生主磁通，决定于定子电势ElE1受到定子电压平衡支配，决定了基波磁通φm，从而决定了激磁电流Im。mNkNfE111144.4当转子有电流时，定子电流应包含两个分量由定子电流所产生的磁势也包含两个分量第一项用以产生基波磁通；第二项为负载分量，用以抵消转子磁势去磁作用，它与转子磁势大小相等方向相反。LmIII11LmFFF11设定子绕组有m1相，磁势的振幅转子绕组有m2相，磁势振幅激磁磁势静止时：f1=f2（磁势速度为同步速一致），磁势平衡式mNmIpkNmF111*9.0*211111*9.0*2IpkNmFN22222*9.0*2IpkNmFN22221111111*9.0*2*9.0*2*9.0*2IpkNmIpkNmIpkNmNNmN四、绕组归算转子绕组的归算——把实际相数为m2、绕组匝数为N2、绕组系数为kN2的转子绕组，归算成与定子绕组有相同相数、相同匝数和相同绕组系数的转子绕组。在进行归算时，有电压变比、电流变比和阻抗变比。(一)电流的归算根据归算前后转子磁势应保持不变为条件(二)电势的归算根据归算前后转子视在功率保持不变为条件22222'111*9.0*2*9.0*2IpkNmIpkNmNN222'2'21IEmIEm(三)阻抗的归算根据归算前后转子上的铜耗保持不变为条件根据归算前后转子功率因数保持不变为条件2222'22'21rImrIm'2'2222rxrxtgieeNNiNNkkEkEkNkNEkIIkNmkNmI阻抗变比变比压电电流变比222211'222111222'2mmmmmmRZIjXRIEIIIXjsRIEEjXIEU)(;;);(1212221211111五、等效电路single-phaseequivalentcircuit六、参数的物理意义rm——铁耗等效电阻core-lessresistancexm——magnetizingreactance定子每相绕组与主磁通对应的电抗，随的、铁芯的饱和不同而变化。异步电机中，磁通由三相联合产生；变压器中，磁通由一相绕组产生——定子漏抗，由定子三相电流联合产生的漏磁通，在定子每一相上引起的电抗。1x5.2.2转子旋转时的异步电动机一、转子旋转对转子各物理量的影响转子转动后，转子绕组的电势和电流的频率与转子的转速有关——取决于气隙旋转磁场与转子的相对速度。转子电势和电流的频率（转子频率，与转差率成正比，又称为转差频率）为1111126060sfnpnnnnnpf转子转动后，由转子电流所产生的转子基波旋转磁势相对于转子的转速为转子基波旋转磁势相对于定子的转速为由转子电流所产生的转子基波旋转磁势和由定子电流所产生的定子基波旋转磁势没有相对运动。（磁势平衡式不变）11226060snpsfpfn112nnsnnn二、转子转动后的基本方程式221222222122222244.444.4sxLsfLfxsEkNsfkNfEsmNmNsssjxrIE2222011111jxrIEU电压平衡式频率f2=sf1频率f1归算绕组归算——转子绕组的相数、每相有效串联匝数与定子绕组一样；频率归算——使转子绕组的频率与定子绕组一致。22222'111*9.0*2*9.0*2IpkNmIpkNmNN222'2'21IEmIEm2222'22'21rImrIm'2'2222rxrxtg2222222jsxrEsjxrEIss22222222)1(jxssrrEjxsrEI三、频率归算频率归算——用一等效的转子电路替代实际转动的转子电路，使与定子电路有相同频率。（转子静止）保持频率归算后的转子电流的大小和相位不变，可保持磁势平衡不变，保持定子电流的大小和相位不变，保持了损耗和功率不变。转子转动时的实际情形2222222jsxrEsjxrEIss频率归算后的等效转子22222222)1(jxssrrEjxsrEI折算为定子频率的转子电势等效电路电阻的物理意义在实际转动的电机中，在转子回路中并无此项电阻，但有机械功率输出。在频率归算后的转子电路中，因已等效成静止转子，没有机械功率输出，但却串入附加电阻，其电功率为电功率模拟轴上的机械功率。ssr12ssr12ssrI1222ssrIm12222讨论不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率。静止的转子中多了一个附加电阻，而电流有没有变，所以多了一个电阻功率。分析证明：附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率四、T形等效电路各参数的物理意义：定子绕组的电阻r1、漏抗x1转子绕组归算后的电阻r’2、漏抗x’2定子铁耗的等效电阻对应主磁通的励磁电抗等效机械负载的附加电阻图5-19简化等效电路五、相量图★异步电动机的相量图类似于变压器相量图。★从转子电路方程出发可以一步一步作出异步电机相量图。本节例题：P230例5.2例5.32E22IXj2I22IsR1mI2I1I1E