三相异步电动机的基本原理

第四章三相异步电动机的基本原理第一节三相异步电动机的工作原理及结构概述交流电机分为：同步电机——多为发电机，电机的转速与频率之间有严格关系；异步电机——多为电动机，转速与频率间没有严格关系。均有单、三相之分，我们将主要讨论三相异步电动机。定子绕组接上电源，转子电流是靠定子绕组感应而来，也称感应电机。定、转子绕组无电的联系。可以将定子绕组看成变压器原方，转子绕组看成付方。从广义上讲，异步电机是变压器的一个特殊形式，其基本原理、分析方法均和变压器类似。我们主要讨论他们的不同之处。优点：结构简单，制造方便，价格低廉，与同容量的直流电机比较，价格为其1/3，重量为其一半。缺点：调速性差，或讲调速范围很小。在感性负载下，满载82.0cos，空载2.0cos，使整个电网cos变坏。用途：大多数负载调速要求不高，cos低可用其它方法补偿，在拖动系统中广泛使用。何为异步电机呢？先看其基本电磁关系：原理上讲：导体与磁场有相对运动会感应电势，方向用右手定则判定；载流导体在磁场中受力，方向用左手定则判定。可见，电动势和转矩产生的条件有：1）旋转磁场的存在；2）感应电流（闭合绕组）；3）转差存在。若：1）线圈中通以直流电产生磁场——同步电机；2）线圈电流是感应而来的——异步电动机；3）转速n是顺旋转磁场转的，改变n转向——改变磁场转向。不可能人为摇动手柄，电机内部要有个旋转磁场，且转速稳定。为了产生旋转磁场，实际电机结构与模型是不同的，采用一定的电机结构，确实可以产生一个要求的旋转磁场。一、三相异步电动机的结构与直流电机一样，静止部分------定子，转动部分------转子，不同的是定子上无明显的磁极，极数是由旋转磁场在气隙中形成的。（一）定子1）铁心：硅钢片0.5mm冲片，迭装，压紧，环状，内圆均匀开槽，2）绕组：铜铝线，漆包线。绕好的成型线圈，下线，入槽内。槽绝缘3）机座：铸铁，支撑转子。端盖（二）转子1）铁心：硅钢片0.5mm，外圆均匀开槽，冲、迭压；2）轴：中碳钢，两边由轴承支撑3）绕组：鼠笼式，绕线式（三）气隙异步电机定转子之间有气隙，mm2~mm2.0气隙大小对电机有影响•定子铁心•叠片结构，定子冲片（圆形冲片，扇形冲片），径向通风沟（风道），槽，槽型。•定子绕组：成型线圈（2），散嵌线圈，单层，双层，绕组联结方法。•其他部件：机座，端盖，风罩，铭牌等。•转子铁心（1，2）：转子冲片。•转子绕组：1.鼠笼式绕组2.绕线式绕组•其他部件：轴，轴承，风扇等二、三相异步电动机的工作原理及运行状态通过模型了解了异步电动机的工作原理，并介绍了实际电动机的结构。电机的磁路是：定子铁心－气隙－转子铁心－气隙－定子铁心，由于气隙存在，磁路磁阻比变压器达，相应的励磁电流较大。一般变压器Im为（3～8）％I1N;异步机Im为20％I1N,小电机可达50％I1N原理上讲，异步电动机就是2个磁极相互吸引。转子磁极是转子电流产生的，而转子电流又是由定子绕组感应的，可以说是变压器的推广，但它们的磁场性质是不同的，要专门讨论。（一）旋转磁场的产生已知异步电动机的工作三个条件首先是要有个旋转磁场。对磁场的要求是：磁场的极性不变、大小不变、转速不变（稳定的转速）。旋转磁场是定子绕组按一定规律排列而产生的。理论与实践证明：三相对称绕组中通入三相对称电流后，空间能产生一个旋转磁场，且极性、大小、转速均不变。三相对称电流：指A,B,C三相电流大小相等，时间上互差120三相对称绕组：指A,B,C三相绕组匝数相等，空间上互差120为构成三相对称绕组，绕组在定子中安放有一定的规律，规定：1）三相定子绕组头尾标志为：A-X,B-Y,C-Z；2）三相定子绕组按A-Z-B-X-C-Y的顺序放入定子槽内，使之空间互差120**每相绕组可能不止一个线圈，每个线圈也不是一匝；**最简单的是每相一个线圈，三相绕组共3个线圈－6个线圈边，定子上开有6个槽。三相电流的表达式为：tIimAcos，)120cos(tIimB，)240cos(tIimC三相电流变化的频率是f=50HZ.A,B,C三相是随t变化的，ABC交替出现最大值——称之为正序。规定：电流为正值时，从每相线圈的首端（A、B、C）流出，由线圈末端（X、Y、Z）流入；电流为负值时，从每相线圈的末端流出，由线圈首端流入。符号⊙表示电流流出，表示电流流入。取4个特定时间：可见，旋转磁场有如下特点：1）相当空间有一个大小、极性、转速不变的磁极在旋转；2）产生一对极，共开6个槽，3个线圈，跨矩为1/2圆周；3）按A,B,C相序，磁场逆时针旋转——称正转；4）当电流变化一个周期3600时，磁场在空间转一圈（360）。若电流每秒变化f1周，磁场转n0转——即n0=f1转/秒；习惯上用每分钟表示。n0=60f1转/分——同步转速。如2极电机，p=1，n0=60*f1=3000转/分若要求磁场产生4个极呢？p=2或3，4……?只需在绕组排列上作些变动即可，原则仍为1）三相对称绕组，空间互差120；2）放置次序为A-Z-B-X-C-Y,不同的是每相不是一个线圈，而是p个！一对极，每相绕组一个线圈A-X,跨矩为1/2圆周，3个线圈，6个槽；二对极，每相绕组二个线圈A-X,A’-X’,跨矩为1/4圆周，6个线圈，12个槽；p对极，每相绕组p个线圈A-X,Ap-Xp……,跨矩为1/2p圆周，p*3个线圈，p*6个槽换言之，在定子360内圆上，一对极，有一套绕组，次序为A-Z-B-X-C-Y二对极，有二套绕组，次序为A-Z-B-X-C-Y,A’-Z’-B’-X’-C’-Y’串联p对极，有p套绕组，有p套线圈串联最后通入三相对称电流即可下面以4极电机为例进行分析：可见：1）电流变化一周360，磁场在空间只旋转半圈180；2）转向仍为逆时针，正转——逆时针；3）转速1500转/分；4）电机极数多，磁场转速慢的原因是：每个线圈只占1/4圆周，较2极电机少一半，一个极矩是180，电流变化一周是360，导体应当经过一对极。现在一对极只占半个圆周，固磁场转动速度较2极电机慢一半。（二）三相异步电动机的工作原理已知定子能产生一个极性、大小、转速均不变的旋转磁场，以n0旋转——相当于模型中的大磁铁。当转子导条受磁场切割，右手定则（相对运动）可知，导条中感应电势的方向，又转子是闭合的——产生电流i2——受力——使转子顺磁场方向旋转（以n转速）。三）异步电机的转速与运行状态已知异步电动机转子是顺磁场转向，且有n0≠n,由于i2是n0切割导条而来，n0与n要有相对运动（n0－n），即存在转差。所以异步电动机nn0是必要条件，引入一个参数——转差率。%100(%)00nnns转差率是异步电机的一个基本参量。一般情况下，异步电机的转差率变化不大，空载转差率在0.5%以下，满载转差率在5%以下。若在电流相序不变时：1）用外力顺转向加速转子，使nn0；2）用外力迫使转子反转；那么电机内转子电流、转矩性质如何呢？下面我们通过转差率的值来说明电机的运行状态：1）电动状态：n﹤0n,0﹤s﹤1,s为正0n、n、emT同方向，emT为驱动性电能→机械能2）发电状态：n﹥0n,0﹥s﹥,s为负外力拖转子加速，0n、n同方向，emT与n反方向，制动性，2i→反方向输入机械能→输出电能3）制动状态：外力拖转子反转，输入机械能+电能＝内部损耗，消耗能量较大，如电梯起重下放重物n﹤0,1﹤s﹤,s为正0n、n反方向，emT与n反方向，为制动性磁场与转子相对运动更大，0n+n→2i↑第二节三相异步电动机的铭牌数据额定值•额定电压:UN(V)，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；•额定电流：IN(A),额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流；•额定功率:PN(kW),额定运行时，电动机的输出功率；•额定转速:nN(r/min),额定运行时，电动机的转子转速；•额定频率:fN(Hz)，规定的电源频率(50Hz)；•额定效率，额定功率因数:cosN等第三节三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机工作对旋转磁场要求除了转速、大小、极性、极数之外，还要求磁场在空间按正弦分布，在绕组中产生——正弦电势。实际电机定子绕组不是前述：2极－6个槽，4极－12个槽，每相每个线圈不是放在一个槽内，而是放在若干个槽内。但绕组放置原则不变：1）三相绕组空间互差120；2）仍按A-Z-B-X-C-Y顺序；3）只是每相一个线圈分成几个线圈，放在几个槽内，组成一个线圈组——分布绕组；4）分布绕组散热好、铁心利用率高、改善磁势波形转子绕组：鼠笼式、绕线式定子绕组：1）单层、双层、单双层；2）整矩、短矩；3）形式：单层有同心式、链式、交叉式；双层有迭绕、波绕每相绕组有若干个线圈组可串、可并，但要保持对称。集中绕组：2极，每相一个线圈，共6个槽——每相占2槽4极，每相二个线圈，共12个槽——每相占4个槽分布绕组：把集中绕组中的一个线圈再分成几个串联的线圈——线圈组——分开放在几个槽内——槽数增加，这个线圈组可以由（2个、3个、4个……线圈组成），那么，4极原是每相2个线圈，共12个槽，每相占4个槽。现在是，每个线圈再分成2个线圈，这2个线圈就是线圈组，每相占8个槽——2个线圈组－共24槽。我们主要介绍三相定子绕组，为分析方便，先介绍基本量：一、交流绕组的基本知识与基本量（一）电角度与机械角度1、定子内圆在几何上是360度——称机械角度；2、按电磁观点，磁场在空间是正弦分布，一个极是180电角度。若导体切割磁场，经过N,S一对极，导体中电势变化360度，一个周期。几何圆上可以放一对极，也可以放p对极；3、那么，导体沿几何圆上转一圈，经过一对极，电势变化一个周期，经过2对极，变化2个周期，经过p对极，变化p个周期，则有：电角度=p机械角度（二）线圈组成交流绕组的单元是线圈，习惯上不像直流电机那样称为元件。线圈由一匝或多匝串联而成，它有两个引出线，一个叫首端，另一个叫末端。（三）节距一个线圈的两个边所跨的定子圆周上的距离成为节距，用1y表示，一般用槽数计算。节距应接近极距。1y=的绕组称为整距绕组，1y﹤的绕组称为短距绕组，1y﹥的绕组称为长距绕组。常用的是整距和短距绕组。（四）槽距角相邻槽之间的电角度叫槽距角。由于定子槽在定子内圆上，是均匀分布的，如1Q为定子槽数，p为极对数，则槽距角1360Qp（五）每极每相槽数每一个极下每相绕组所占的槽数，称为每极每相槽数，用符号q表示q=pmQ21式中m——相数。定子槽数被：每相平分——每相占有的槽数不集中在一起，要按极平分每相平分——每个极下都是由三相槽组成二、交流绕组的排列与联接三相绕组在空间是对称的，只需画一相即可，余按120电角度类推另2相。步骤如下，以2p=4,Q1=24槽为例：（一）计算极矩241Q,42p，则6，这个数据说明，一个极距应跨过6个槽，24个定子槽在定子内圆上是均匀分布的，所以跨6个槽占1/4定子内圆圆周。推广来说，极数为2P的电机，一个极距pD2，D是定子内径，也可表示为pQ21槽，是p21的定子内圆圆周。（二）线圈中的电流方向算出极距以后，根据所给定极数，弄清各个极距内属于一个相绕组的线圈边，线圈边也相距一个极距，线圈边中通过相反方向的电流时，这种情况在讨论直流电机电枢磁通势时分析过，线圈边中的电流所形成的磁通势波是一个以2为周期的矩形波，这就形象地说明这种磁通势所建的磁场具有两个极性。对4极电机，同理！每个线圈电流相同，匝数相同，产生的磁势幅值一样，各线圈空间位置不同，产生磁势空间位置也不同。（三）确定相带因对称所要求，每个相绕组在定子内圆上应占有相等的槽数mQ1（m=相数，mQ1必须是整数）。一般属于每个相的槽，不集中在一起，而是将他们按极距对称而均匀地分组。每个极距内有一个组，每个组内含有的槽数极为每极每相的槽数mpQq21，若1Q=24,m=3,2p=4,则q=2。这种每个极距内属于每相的槽所占有的区域称为“相带”。按照上面所分析的磁极极性的要求；每个