单相异步电动机原理

第四章感应电机异步电机主要用作电动机，将电能转换为机械能，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。感应电机（异步电机）：定、转子间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转换。第四章感应电机第一节三相异步电动机的基本工作原理一、转动原理1、电生磁：三相对称绕组通以三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势，产生感生电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。XAZBCYSanxiangboxingtuA相B相C相第四章感应电机异步电机外形图异步电机结构图第二节异步电机的基本结构第四章感应电机第四章感应电机第四章感应电机一.定子定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。第四章感应电机定子铁心第四章感应电机定子铁心的槽形主要有三种：半闭口槽适用于小型异步电机，其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适用于低压中型异步电机，其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电机，其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。第四章感应电机一.定子定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。第四章感应电机外壳和机座机座：固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。第四章感应电机二.转子转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼型绕组和绕线型绕组。转轴：支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。第二节异步电机的基本结构第四章感应电机二.转子笼型绕组：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。这种笼型绕组一般为铝浇铸的，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。第四章感应电机二.转子绕线型绕组：与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速。第四章感应电机三.气隙定、转子之间的间隙，也是电机主磁路的组成部分。气隙大小对异步电机的性能影响很大。为了减小电机主磁路的磁阻，降低电机的励磁电流，提高电机的功率因数，气隙应尽可能小。异步电机气隙长度应为定、转子在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值。中、小型异步电机中，气隙长度一般为0.2～1.5mm。第四章感应电机额定功率PN：是转轴上输出的机械功率，单位为W或kW。额定电压UN：施加在定子绕组上的线电压，单位为V。额定电流IN：电动机在额定电压、额定频率下，轴端输出额定功率时，定子绕组的线电流，单位为A。额定频率fN：我国电网频率fN=50Hz。额定转速nN：电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定功率时，转子的转速，单位为r/min。额定效率ηN额定功率因数cosφNNNNNNcos3IUP四、异步电动机的额定值三相异步电动机额定值之间的关系第四章感应电机五、异步电机的转差率同步转速n1----定子绕组中流过频率为f1的三相对称电流，在气隙中产生的基波旋转磁场相对于定子绕组的转速为n1。该转速大小取决于电流的频率f1和绕组的极对数p，转向为从超前电流相绕组转向滞后电流相绕组。转子转速n----转子的机械转速。pfn116011nnns转差率s----同步转速n1与转子转速n之差对同步转速n1之比值第四章感应电机根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态机械能转变为电能电能和机械能变成内能电能转变为机械能能量关系制动制动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速旋转外力使电机沿磁场反方向旋转定子绕组接对称电源实现发电机电磁制动电动机状态10nn0n1nn10s1s0s六、异步电机的三种运行状态第四章感应电机第三节交流电机的绕组一、三相交流绕组的构成原则交流绕组是电机实现能量转换的一个主要部件。按槽内层数分有单层、双层绕组；单层又分等元件式、同心式、链式和交叉式等；双层又有叠绕和波绕之分；按每极每相所占槽数又分为整数槽和分数槽绕组。三相绕组遵循的原则（1）均匀原则：各相绕组在每极下所占的槽数应相等；（2）对称原则：三相绕组的结构完全一样，在电机的空间上互相错开1200电角度；（3）电动势相加原则：线圈两个边的电动势应相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。（4）在产生一定大小电动势和磁动势、且保证绝缘性能和机械强度可靠的条件下，尽量减少用铜量，并且制造检修方便。第四章感应电机★线圈（绕组元件）：是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈按一定规律的排列和联结。线圈可以区分为多匝线圈和单匝线圈。与线圈相关的概念包括：有效边；端部；线圈节距等二、三相交流绕组的基本概念第四章感应电机★极距：沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围；用长度表示/用槽数表示；★电角度：•转子铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360度。•从电磁角度看，一对N－S极构成一个磁场周期，即1对磁极为360电角度；•电机的极对数为p时，气隙圆周的角度数为p×360电角度。电角度＝机械角度×P第四章感应电机•单层绕组一个槽中只放一个元件边；•双层绕组一个槽中放两个元件边。第四章感应电机•一个槽所占的电角度数称为槽距角，用α表示；•每个极域内每相所占的槽数称为每极每相槽数，用q表示。pmZq2★槽距角，相数，每极每相槽数第四章感应电机交流绕组单层绕组双层绕组同心式绕组链式绕组交叉链式绕组等元件式整距叠绕组双层叠绕组双层波绕组三、交流绕组的形式第四章感应电机整距单层叠绕组第四章感应电机同心式绕组第四章感应电机链式绕组第四章感应电机交叉链式绕组第四章感应电机双层叠绕组第四章感应电机四、单层叠绕组的构成1.分极分相：将总槽数按给定的极数均匀分开（N、S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。实例：Z＝24（槽）、m＝3（相）、2p＝4（极）的单层叠绕组基本步骤：pmZq2每极每相槽数第四章感应电机pmZq2第四章感应电机2.连线圈和线圈组：•将一对极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线圈，共有q个线圈。•将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组；（共有多少个线圈组？）•以上连接应符合电势相加原则。第四章感应电机线圈组连接第四章感应电机将属于同一相的q个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。•串联与并联：电势相加原则。•最大并联支路数a＝p。连相绕组第四章感应电机•将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组；•接法或Y接法；连三相绕组第四章感应电机第四节交流绕组建立的磁动势一、交流电机定子单相绕组的磁势1、单个整距集中绕组的磁势一个整距线圈在异步电机中产生的磁势第四章感应电机•磁力线穿过转子铁心，定子铁心和两个气隙•相对于气隙而言，由于铁心磁导率极大，其上消耗的磁势降可以忽略不计，线圈在一个气隙上施加的磁势为：yyyiNf21•如果通过线圈的电流为正弦波，则矩形波的高度也将按正弦变化。•一个位置固定，幅值随时间按正弦变化，矩形脉振磁势。矩形脉振磁势第四章感应电机•脉振磁势可以表示为tcosFtcos22yyyyINfyyyINF22为幅值•按照富立叶级数分解的方法可以把矩形波分解为基波和一系列谐波•基波幅值为：yyyyyyININFF9.022441•高次谐波的幅值为yyyyINFF9.011矩形波脉振磁势的分解第四章感应电机基波在空间按正弦分布；在时间上，任何一个位置的磁势都按正弦变化。所以基波是一个正弦分布的正弦脉振磁势（驻波）。其表达式为：tcoscos11xFfyy第四章感应电机1,sft1t1t2t2t3t3ts第四章感应电机•由q个线圈构成的线圈组，由于线圈与线圈之间错开一个槽距角，称为分布绕组。2、（1）整距分布绕组的磁势分布绕组有利于削弱谐波第四章感应电机•取单个线圈的基波进行分析（为正弦脉振磁势），q个正弦脉振磁势在空间依次错开一个槽距角；•线圈组的磁势为：11119.0qyyqyqkqNIkqFF2sin2sin111qqqFFkyqq第四章感应电机（2）双层短距绕组的磁势•双层整距绕组可以等效为两个整距单层绕组•两个等效单层绕组在空间分布上错开一定的角度，这个角度等于短距角；•双层短距绕组的磁势等于错开一个短距角的两个单层绕组的磁势在空间叠加。111wyqkkk短距绕组有利于削弱谐波分布系数短矩系数第四章感应电机•多极电机：如果只看每对极产生的磁动势，与上面的两极电机完全一样，所以多极电机只研究每对极磁动势即可。•一相绕组的总磁动势平均作用于各个磁极，单相绕组磁动势，不是一相绕组的总磁动势，而是其作用于一个磁极的磁动势。2yyiN2yyiN-9009002700需澄清的两个概念第四章感应电机二、三相基波旋转磁势单相正弦脉振磁势的分解：•设A相绕组通过电流：tcos2Iia•其基波磁势为:tcoscos1xFfa-11FFt)cos(21t)cos(21xFxFfa•F＋最高点的运行轨迹为x＝t，即最高点的位置随时间以角速度ω运动。•F－最高点的运行轨迹为x＝－t，即最高点的位置随时间以角速度－ω运动。第四章感应电机脉振驻波分解为两个行波xA脉振驻波右行行波左行波波第四章感应电机结论:（1）单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相等、转速相同而转向相反的两个旋转磁势。（2）反之,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势.（3）正反两个旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，所以称这两个磁动势为圆形旋转旋转磁动势。第四章感应电机三相基波磁势合成旋转磁势•三相对称电流：•三相对称电流通过三相对称绕组时各自产生的磁势：)480cos(21)cos(21)240cos()240cos()240cos(21)cos(21)120cos()120cos()cos(21)cos(21coscos011001011001111txFtxFtxFftxFtxFtxFftxFtxFtxFfcba)120tcos(2)120-tcos(2tcos200IiIiIicba第四章感应电机•三相合成磁势为)cos(2311txFffffcba•三相对称交流绕组通过三相对称电流时将产生旋转磁势。第四章感应电机关于旋转磁势的进一步讨论三相对称交流绕组通过三相对称交流电流时，三个反向旋转磁势在空间错开120电角度相互抵消，三个正向旋转磁势在空间同相位，合成一个圆形旋转磁势。圆形旋转磁势的幅值为：11111135.19.02323wwkpNIkpNIFF圆形旋转磁势的转速为：pfn601当某相电流达到最大值时，旋转磁势的波幅刚好转到该相绕组的轴线上，旋转磁势的转向:由带有超前电流的相转向带有滞后电流的相。N1为每相的串联匝数，/p为每极每相的匝数第四章感应电机)120tcos(2)120-tcos(2tcos200IiIiIicba)cos(2311txFf•改变旋转磁场转向的方法：调换任意两相电源线（改变相序）旋转磁势第四章感应电机三相（m相，m≥3）对称绕组通入三相（m相，m≥3）对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/2倍（m/2倍）。(2)转向由电流相序决定,从超前电流相转到滞后电流相。(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数。pfn60