电机学培训资料

三相鼠笼型异步电动机湘潭平安电气有限公司技术部刘刚授课大纲三相鼠笼型异步电动机的基本构造1三相鼠笼型异步电动机的工作原理2三相鼠笼型异步电动机的功率和转矩3三相鼠笼型异步电动机的机械特性4三相鼠笼型异步电动机的起动56三相鼠笼型异步电动机的使用维护概述一、三相鼠笼型异步电动机的基本构造原理：电磁感应原理用途：主要用作电动机，拖动各种生产机械优点：结构简单、运行可靠、制造容易、成本低、使用维护简单缺点：功率因数低，调速比直流电机复杂1.1三相鼠笼式异步电动机的主要结构下图是一台三相鼠笼式异步电动机的结构图。它主要由定子和转子两大部分组成，定转子中间是空气隙。此外，还有端盖、轴承、机座、风扇、风罩等部件。具体结构可见拆分图1.1.1鼠笼型异步电动机主要部件拆分图(一)、定子部分（定子铁心、定子绕组、机座）1、定子铁心——导磁部分。定子铁心是电机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。为了增强导磁能力和减小铁耗，定子铁心常选用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。定子铁心内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。定子绕组是异步电动机的电路部分，其材料主要采用紫铜。小型异步电动机常采用三相单层绕组，大中型异步电动机常采用三相双层短矩叠绕组形式，三相绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上，可根据需要将三相绕组接成Y形或△形。3、机座——支撑部分。机座是电动机的外壳，支撑电机各部件，并通过机座的底脚将电机安装固定。全封闭式电机的定子铁心紧贴机座内壁，故机座外壳上的散热筋是电机的主要散热面。中小型电机采用铸铁机座。大型电机一般采用钢板焊接机座。（二）、转子部分（包括转子铁心、转子绕组）1、转子铁心转子铁心也是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。铁心材料也用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，故通常用冲制定子铁芯冲片剩余下来的内圆部分制作。转子铁芯固定在转轴上，其外圆上开有槽，用来嵌放转子绕组。2、转子绕组根据转子绕组的结构型式可分为:1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。（三）、气隙二、三相异步电动机的基本工作原理2.1工作原理对称三相绕组通入对称三相电流旋转磁场(磁场能量)磁场切割转子绕组转子绕组中产生e和i转子绕组在磁场中受到电磁力的作用转子旋转起来机械负载旋转起来三相交流电能输出机械能量2.2转动原理1、电生磁：三相对称绕组通往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和电流。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。U2U1W2V1W1V21nn0n规定：i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场。CiAXCZBYAiBiAiBiCimItAYCBZX(•)电流出()电流入合成磁场旋转90°CiBiAiit600mIo三相电流合成磁场的分布情况°60=tω合成磁场旋转60°°90=tω合成磁场方向向下分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场。即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°。°0=tωAXYCBZAXYCBZAXYCBZNS0n60SNSN2.2三相异步电动机的极数与转速2.2.1三相异步电动机的极数三相异步电动机定子产生旋转磁场的磁极个数，称为极数。对于每相只有一个线圈的电动机，绕组始端之间相差120°的空间角，则产生的旋转磁场只有一对磁极。磁极对数用p表示，则p=1。若每相定子绕组由两个线圈串联组成(如图所示)，则绕组始端之间相差60°空间角，因而旋转磁场具有两对磁极，p=2.ABCXA´X´B´Y´YZZ´C´磁场位置(t=0)A'XX'ANSSNZC'Z'CBY'B'YC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiCiBi二、三相异步电动机的转速电动机的转速是与旋转磁场有关的。而磁场极数不同则磁场的转速就不同，在一对磁极的情况下，交流电经历一个周期磁场恰好在空间转过一圈，若定子电流的频率为f1，旋转磁场在每分钟将转过60f1周。磁极对数为p时，磁场的转速为：）（min/60=11rpfn而转子的实际转速将小于磁场的转速，即n＜n1。若二者相等，转子就没有切割磁力线作用，转矩也就消失了，因此转子不可能以n1的转速正常运行。2=p°180分）转/(50011=p°360分）转/(0003极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速)Hz50=(1f3=p°120分）转/(00014=p分）转/(750°90在我国(f1=50Hz)，磁极对数为p的磁场转速n1为：可见：旋转磁场转速n1与频率f1和极对数p有关。2.2.1转差率2.2异步电机的运行状态由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即1nn异步电动机如果:1nn无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差异。11nnsn负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：11n=(-s)n额定运行时，转差率一般在0.01～0.06之间，即电机转速接近同步转速。同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。转子未转动时，n=0，s=1；电机理想空载时，作为电动机，转速在范围内变化，转差率在0～1范围内变化。.0≈,≈1snn1~0n练习2.2.2三相异步电动机的运行状态按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机，发电机和电磁制动三种运行状态。如下图所示（见图）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10nn0n1nn1≤0s1s0s2.2.3异步电动机的铭牌数据2.2.3.1异步电动机的型号及意义2.2.3.2异步电动机的额定值此外：铭牌上还标明了绝缘等级与温升、工作制、接线方式等。NNNNNηψIPcos3=U以上额定值之间的关系可用如下公式表示：练习异步电机的额定值包括以下内容：Nψcos额定功率因数定子加额定负载时，定子边的功率因数。额定功率额定运行时，轴端输出的机械功率，单位kW；NP额定电压额定运行时，定子绕组上的线电压，单位V；NU额定电流电压、功率为额定值时，定子绕组的线电流，单位A；NI额定频率定子电源频率，我国工业用电的频率是50Hz，单位Hz；Nf额定转速额定运行时，转子的转速，单位r/min。Nn定子三相绕组的联接方法，通常：ZXYBCAY联结BZACXYCABZXYXAZBYCABCZXY联结2.2.3.3异步电动机的接线方法联结电机容量Y3kW联结电机容量4kW接线盒三、三相异步电动机的功率和转矩三相异步电动机的机电能量转换过程为：*由定子绕组输入电功率，扣除定子铜耗和铁心损耗以后，为电磁功率，然后经由气隙送给转子，*扣除转子铜耗损耗以后，通过转子轴上输出总机械功率。3.1功率转换过程规定：*U1--定子相电压；*I1--定子相电流；*--定子功率因数角；*--转子功率因数角。121）从定子绕组输入电动机的功率:12111rImPcummFerImP21'22'212rImPcu11111cosIUmP异步电动机的功率有如下关系式：FecuePPPP11srrmIEmPe'22'21'2'2'21cos4）从定子通过气隙传送到转子的电磁功率：5）转子电阻上发生了转子铜耗：注：由于正常运行时电机转差率很小，转子中磁通的变化频率仅为1~3HZ，所以转子的铁耗可以略去不计。2）消耗在定子电阻上的定子铜耗：3）消耗在定子铁心中的铁耗：6）余下的是使转子旋转的总机械功率（即转换功率），即:2cuePPP用电磁功率表示时：ePsP1ecusPP2在异步电动机中，转换功率和电磁功率是不同的；传递到转子的电磁功率中，s部分变成为转子铜耗，（1-s）部分转换为机械功率。由于转子铜耗等于，所以它又称为转差功率。ePesP除了上述各部分损耗外，还要产生一些附加损耗（又称杂散损耗）。在小型笼型铸铝转子异步电动机中，满载时杂散损耗可达输出功率的1%~3%；而防爆异步电动机在设计标准中规定，可取为输出功率的0.5%。PPP从中再扣除转子的机械损耗和杂散损耗，才是转子轴上真正输出的机械功率。即：pP2PPPpPP2两个重要关系式：sPPeCu=21ePsP可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。我们可得如下功率方程：其中：1r1x'2r'2x1•U1I0•I'2Imrmx1cupFep2cup()2ΔΩΩ++=PPpPeP1P'21rss异步电机的功率和能量转换关系功率关系能量转换关系功率平衡方程：2211PPpPPPPcuFecu3.2转矩方程和电磁转矩602=nπΩΔΩ0+=Ppp式中，为电磁转矩；为与机械损耗和杂散损耗所对应的阻力转矩，若忽略杂散损耗，它就是空载转矩；为电动机的输出转矩。eT0T2T把转子的输出功率方程除以机械角速度，可得转子的转矩方程，如下:0Ω2-=pPPΩ其中：由此，可得出通用的转矩公式：由于机械功率，转子的机械角速度，所以电磁转矩亦可以写成：ss1ePsP1eTseNePPT上式表明：电磁转矩既可通过机械功率、亦可通过电磁功率算出。用机械功率去求电磁转矩时，应除以转子的机械角速度；而用电磁功率去求电磁转矩时，则应除以同步角速度，因为电磁功率是通过气隙旋转磁场传送到转子的功率，而旋转磁场的转速是同步转速。seTPeP9550260PPTπnn三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电动机电磁转矩T与转速n（或转差率s）之间的函数关系。四、三相异步电动机的机械特性转矩特性(转矩-转差率特性）:异步机的T与s之间的关系T=f(s)机械特性(转速-转矩特性):异步机的n与T之间的关系n=f(T)机械特性包括：固有特性曲线人为特性曲线当同步转速n1为正时，机械特征曲线跨第一、二、四象限。在第一象限时，0nn1，0s1，n1、T均为正值，电机处于电动机运行状态。在第二象限时，nn1，s0，n为正值，T为负值，电动机处于发电机状态；在第四象限时，n0，s1，n为负值，T为正值，电机处于电磁制动运行状态。4.1固有机械特性三相异步电动机的机械特性：在定子电压、频率均为额定值，定、转子回路不串入任何电路元件时的机械特性称为固有机械特征。固有机械特性曲线由此得电磁转矩公式：20222220()EIRXss2222220cos()RRXs1114.44mUfNΦ22122220()sRTKURsX因为有：由公式可知：1.T与定子每相绕组电压成正比。U1T2.当电源电压U1一定时，T是s的函数。3.R2的大小对T有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转矩。21U转矩特性曲线机械特性曲线其中：TN代表额定状态，TM代表临界状态，Tst代表起动状态固有特性曲线TNsN1TstTMsMTOsn0TnOTNnNTstTMnM几个特殊点：1.起动点A:01stn,s,TT2.最大转矩点B