电机及电力拖动-第05章-三相感应电动机的基本原理

目录下页上页退出交流电机主要分为同步电机和感应电机两大类，它们的工作原理和运行性能都有很大差别。同步电机主要用作发电机，目前交流发电机几乎都是采用同步发电机。感应电机则主要用作电动机。本篇主要分析讨论三相感应电动机并结合讨论交流电机中的一般问题。关于同步电机将在第四篇中讨论。第五章三相感应电动机的基本原理•5.1三相感应电动机的基本原理及结构•5.2三相感应电动机的定子绕组•5.3绕组的感应电动势•5.4绕组的磁动势目录下页上页退出5.1三相感应电动机的工作原理及结构5.1.1三相感应电动机的工作原理三相感应电动机的工作原理如下图所示，如在某种因素的作用下，使磁极以n1的速度逆时针方向旋转，形成一个旋转磁场，转子导体就会切割磁力线而感应电动势e。用右手定则可以判定，在转子上半部分的导体中，感应电动势的方向为，下半部分导体的感应电动势方向为⊙。在感应电动势的作用下，导体中就有电流i，若不计电动势与电流的相位差，则电流i与电动势e同方向。载流导体在磁声中将受到一电磁力的作用，由左手定则可以判定电磁力F的方向。由电磁力F所形成的电磁转矩T使转子以n的速度旋转，旋转方向与磁场的旋转方向相同。即感应电动机的基本工作原理。目录下页上页退出转子转速n与旋转磁场转速n1之差称为转差△n,转差与磁场转速n1之比,称为转差率s。感应电动机的旋转磁场是由装在定子铁心上的三相绕组，通入对称的三相电流而产生的11100%nnsn感应电动机的转子速度不可能等于磁场旋转的速度，这种电动机一般也称之为异步电动机：旋转磁场的旋转速度n1称为同步转速。由于转子转动的方向与磁场的旋转方向是一致的，所以如果n=n1，则磁场与转子之间就没有相对运动，它们之间就不存在电磁感应关系，也就不能在转子导体中感应电动势、产生电流，也就不能产生电磁转矩。目录下页上页退出5.1.2三相感应电动机的结构感应电动机也是由定子和转子两大部分组成。定转子之间为气隙，感应电动机的气隙比其它类型的电机要小得多，一般为（0.25-2.0）mm，气隙的大小对感应电动机的性能影响很大。一、定子部分•机座：感应电动机的机座仅起固定和支撑定子铁心的作用，一般用铸铁铸造而成。根据电动机防护方式、冷却方式和安装方式的不同，机座的形式也不同。•定子铁心：由厚0.5mm的硅钢片冲片叠压而成，铁心内圆有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组，冲片上涂有绝缘漆（小型电动机也有不涂漆的）作为片间绝缘以减少涡流损耗，感应电动机的定子铁心是电动机磁路的一部分。定子铁心与机座目录下页上页退出•定子绕组：三相感应电动机的定子绕组是一个三相对称绕组，它由三个完全相同的绕组所组成，每个绕组即为一相，三个绕组在空间相差120°电角度，每相绕组的两端分别用u1-u2，v1-v2，w1-w2表示，可以根据需要接成星形或三角形。二、转子部分•转子铁心：作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路一部分，一方面用来安放转子绕组。转子铁心也是用厚0.5mm的硅钢片叠压而成，套在转轴上。目录下页上页退出•转子绕组：感应电动机的转子绕组分为绕线型与笼型两种，根据转子绕组的不同，分为绕线转子感应电动机与笼型感应电动机。1）绕线型转子绕组：它也是一个三相绕组，一般接成星形，三根引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相联。这就有可能在转子电路中串接电阻以改善电动机的运行性能。2）笼型绕组：在转子铁心的每一个槽中插入一铜条，在铜条两端各用一铜环（称为端环），把导条联接起来，这称为铜排转子。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环、风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子。笼型绕组因结构简单、制造方便、运行可靠，所以应用广泛集电环电刷变阻器铜排转子铸铝转子绕线型转子绕组与外加变阻器的联接目录下页上页退出包括端盖、风扇等。•端盖除了防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。•风扇则用来通风冷却。三、其它部分轴出线盒风罩风扇转子定子机座吊环轴承感应电动机结构图目录下页上页退出5.1.3三相感应电动机的铭牌数据及主要系列一、感应电动机的铭牌数据感应电动机在铭牌上表明的主要额定值：1)额定容量PN指转轴上输出机械功率，单位是kW.2)额定电压UN指加在定子绕组上的线电压，单位V、kV。3)额定电流IN指输入定子绕组的线电流，单位是A。4)额定转速nN单位是转/分（r/min）。5)额定频率fN指电动机所接电源的频率，单位是Hz。我国的工频频率为50Hz。第二种防护形式（防水）的等级第一种防护形式（防尘）的等级目录下页上页退出6）绝缘等级绝缘等级决定了电动机的容许温升，有时也不标明绝缘等级而直接标明容许温升。7）接法用Y或△表示。表示在额定运行时，定子绕组应采用的联接方式。8）转子绕组的开路电压指转子接额定电压，转子绕组开路时转子线电压，单位是V。9）转子绕组的额定电流单位是A。若是绕线转子感应电动机，则还应有：•铭牌上除了上述的额定数据外，还表明了电动机的型号，型号一般用来表示电动机的种类和几何尺寸的大小等。•中心高表示电动机的直径大小•防护形式的数字数字越大，表示防护的能力越强。•对于系列电动机，铭牌上有时也不标防护型式。目录下页上页退出二、三相感应电动机的主要系列简介•Y系列是一般用途的小型笼型电动机系列，取代了原先的JO2系列。额定电压为380V，额定频率为50Hz，功率范围为（0.55-90）kW，同步转速为（70-3000）r/min，外壳防护型式为IP44和IP23两种，B级绝缘。•JDO2系列该系列是小型三相多速感应电动机系列。它主要用于各式机床以及起重传动设备等需要多种速度的传动装置。•JR系列该系列是中型防护式三相绕线转子感应电动机系列，容量为（45-410）kW。•YR系列是一种大型三相绕线子感应电动机系列，容量为（250-2500）kW，主要用于冶金工业和矿山中。目录下页上页退出5.2三相感应电动机的定子绕组5.2.1三相交流绕组的基本要求和分类1）每相绕组的阻抗要求相等，即每相绕组的匝数、形状都是相同的。2）在一定数目的导体下，能获得较大的电动势和磁动势。3）电动势和磁动势的波形力求接近正弦波，为此要求电动势和磁动势中的谐波分量应尽可能小。4）对基波而言，三相电动势和磁动势必须对称。5）用铜少，绝缘性能可靠，制造、维修方便。一、对三相交流绕组的基本要求目录下页上页退出单层绕组与双层绕组相比，电气性能稍差，但槽利用率高，制造工时少，因此小容量的电动机中（PN≤10kW），一般都采用单层绕组。二、三相交流绕组的分类同心式绕组链式绕组交叉链式绕组等元件式整距叠绕组交流绕组单层绕组双层绕组双层叠绕组双层波绕组目录下页上页退出1）电角度电动机圆周在几何上分成360°，这称为机械角度。从电磁观点来看，若电动机的极对数为p，则经过一对磁极，磁场变化一周，相当于360°电角度。因此，电动机圆周按角度计算p×360°，即电角度=p×机械角度2）槽距角α相邻两个槽之间的电角度称为槽距角α。因为定子槽在定子内圆上是均匀分布的，所以若定子槽数为Z1，电机极对数为p，则三、关于交流绕组的一些基本量除了极距τ，线圈节距y1等的意义和直流电枢绕组是一样外。在交流绕组中，还需要知道：1360paZ目录下页上页退出3）每极每相槽数q每一个极下每相所占有的槽数称为每极每相槽数q，若绕组相数为m1，则若q为整数，称为整数槽绕组。若q为分数，称为分数槽绕组。分数槽绕组一般用在大型、低速的同步电机中。4）相带每相绕组在一对极下所连续占有的宽度（用电角度表示）称为相带。在感应电动机中，一般将每相所占有的槽数均匀地分布在每个磁极下，因为每个磁极占有的电角度是180°，对三相绕组而言，每相占有60°的电角度，称为60112Zqmp相带。由于三相绕组在空间彼此要相距120°电角度，所以相带的划分沿定子内圆应依次为U1、W1、V1、U2、W2、V2，如图。60。相带三绕组2极4极目录下页上页退出5.2.2单层绕组一、2p=2，q=1定子铁心内圆上共有Z1=2m1pq=6个槽，每个相带中只有一个槽，其中U1、U2的线圈边构成一相绕组。V1、V2和W1、W2构成另外两组绕组。显然，它们在空间互差120°电角度，如下图。目录下页上页退出从上图中可以看出，每个线圈的节距y1都等于极距τ，三个线圈的引出端u1-u2，v1-v2，w1-w2可以根据需要接成星形或三角形，如下：三相感应电动机的接线板目录下页上页退出二、2p=4，q=1定子槽数Z1=12，每对极下有6个槽，每对极下三相绕组的排列完全相同，这样每相绕组就有两个圈，它们可以并联联接，也可以串联联接。下图是串联联接的情况。q=1的绕组称为集中绕组，虽然结构简单，但电气性能较差（电动势和磁动势的波形不是正弦波），且定子铁心的内圆没有得到充分利用，散热也困难，因此实际上并不采用。三相4极交流绕组展开图目录下页上页退出三、2p=4，q=2设有一台4极电动机，定子槽数Z1=24，则每极每相槽数，槽距角。若绕组采用60°相带，则每个相带包含两个槽（即等于q），列表。112422232Zqmp136023603024paZ相带与槽号对应表相带槽号U1W2V1U2W1V2第一对极1，23，45，67，89，1011，12第二对极13，1415，1617，1819，2021，2223，24U相绕组的4个线圈，依次串联起来，构成了一相绕组，其形状、大小是完全一样的，称为等元件绕组，展开图如图所示目录下页上页退出这就使端接部分长度缩短，节省了材料。同时也减少了端接部分的重叠现象，使端接部分的排列更加合理。比较可见，导体中的电流方向未变，因而产生的磁动势情况不变，每相绕组的电动势大小也未变。但改变接法后，每个线圈的节距y1由原来的整矩（y1=6=τ）变为短距（y1=5τ），单层链U相绕组展开图把上图的展开图改接成下图所示的情况，改变接法后，为了维持导体中的电流方向不变，导体电动势仍是相加而不是相减，则线圈间的联接应由上图的“头-尾”相联接成下图的“尾-尾”相联、“头-头”相联。这种联接方式的绕组称为链式绕组。目录下页上页退出链式绕组的线圈虽然是短距的，但在电气性能方面和整距绕组一样。从电气性能来看，链式绕组仍然是一种整距绕组。用同样的方法，可以得到另外两相绕组的联接规律。一般当q=2时，三相单层绕组都采用链式绕组。下图为三相单层链式绕组的展开图。目录下页上页退出四、2p=4，q=3设一台4极电动机，定子槽Z1=36，则，槽距角若采用60°相带，每个相带包含三个槽，列表。113632232Zqmp136023602036paZ相带与槽号对应表相带槽号U1W2V1U2W1V2第一对极1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36联成一个等元件的整距绕组，下图是U相绕组展开图目录下页上页退出因为导体12与导体30处于相同的磁场位置，U相绕相也可改接如下：将2-10，3-11构成两个节距y1=8的大线圈；1-30构成一个y1=7的小线圈。同理，20-28，21-29构成两个大线圈，19-12构成一个小线圈，形成两对极下依次出现两大一小的交叉布置，如图所示。单层交叉式U相绕组展开图目录下页上页退出为了保持导体的电流方向不变，每相绕组的电动势不变，线圈之间的联接规律如下：两个相邻的大线圈之间应按“头-尾”相联，大线圈和小线圈之间应按“尾-尾”相联，小线圈与大线圈之间应按“头-头”相联。这种联接方式的绕组为交叉式绕组。交叉式绕组不是等元件绕组，线圈的平均节距，小于极距，因此端接部分较等元件绕组短，所以当q=3时，一般均采用交叉式绕组。从电气性能来看，交叉式绕组仍然属于整距绕组。23yyy大小目录下页上页退出另外两相绕组也可按同样的方法联接。下图是三相交叉式绕组的展开图。目录下页上页退出五、2p=2，q=4设一台2极电动机，Z1=24，则，