《相异步电动机原理》PPT课件.ppt

第五章 三相异步电动机原理,交流电机:异步电机、同步电机（电动机、发电机）,三相异步电动机的工作原理；三相旋转磁场的产生；三相异步电动机的等效电路图。,5-1 异步电动机的用途、结构及基本工作原理,一、异步电动机的主要用途和分类异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。如：机床、水泵、家用电器；异步电动机的优点：结构简单、运行可靠、维护方便、效率较高等；异步电动机的缺点：功率因数较差（异步电动机运行时，必须从电网里吸收滞后的无功功率，它的功率因数总是小于）；异步电机又叫感应电机。,异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类法：,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：绕线式异步电动机；鼠笼式异步电动机。此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。,二、异步电动机的结构,异步电动机在结构上也是由定子、转子、气隙组成。,笼型异步电动机结构图,1、异步电动机的定子：由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成。定子铁心：电动机磁路的一部分，装在机座里。为降低定子铁心里的铁耗，定子铁心用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，硅钢片的两面涂绝缘漆。定子槽分开口槽、半开口槽、半闭口槽；开口槽，用于大、中型容量的高压异步电动机中；半开口槽，用于中型500V以下的异步电动机中；半闭口槽，用于低压小型异步电动机中。,定子槽(a)开口槽(b)半开口槽(c)半闭口槽,定子绕组：电动机电路的一部分，高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，如图(a)所示。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成星形或三角形，如图(b)所示。定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。,机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此，机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。2、气隙：异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.21.5mm左右。,3、异步电动机的转子：由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心：电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形；转子绕组：分为笼型和绕线型两类。（1）笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如图（a)所示，又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也有用铝的。,如果用的是铜料，就需要把事先做好的裸铜条插入转子铁心上的槽里，再用铜端环套在伸了两端的铜条上，最后焊在一起，如图(b)所示。如果用的是铸铝，就连同端环、风扇一次铸成，如图(c)所示。笼型转子结构简单、制造方便、是一种经济、耐用的电机，所以应用极广。,（2）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的起动性能或调节电动机的转速。与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小、起动转矩大，或需平滑调速的场合使用。,绕线型转子,三、异步电动机的铭牌数据,铭牌：型号/额定值/绕组联结方式/生产厂家等1.异步电动机的型号：型号举例：Y132S-4,Y异步电动机；132机座中心高度132mm；S短铁心；4极数。,2.异步电动机的额定值：额定功率 PN 电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是kw；额定电压 UN 额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V；额定电流IN 电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A；额定频率f 我国规定工业用电的频率是50Hz；额定转速nN 电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为r/min；额定功率因数cosN 电动机定子加额定负载时，定子边的功率因数。,四、异步电动机的工作原理,电生磁：定子绕组接到三相电源上，定子绕组中将流过三相对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，转速为：n1=60f/p；动磁生电：转子绕组产生电动势并在转子绕组中产生相应的电流；转子自身闭合；电磁力定律：转子带电导体在磁场中受电磁力的作用，并形成电磁转矩，推动电机旋转起来。,注意：在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低与旋转磁场的转速（同步转速）。转差率是一个表征异步电动机运行状态的一个基本参数。感应电动机的转速随负载的变化而变化。,转差率的定义：,5-2 交流电机的绕组及其感应电动势,和变压器相仿，在交流电机中要进行能量的转换必须要有绕组；交流绕组尽管形式多样，但其基本功能相同。即感应电动势、流通电流和产生电磁转矩，所以其构成原则也基本相同。,交流电机绕组三相绕组,1、每相交流绕组的阻抗要求相等，即每相绕组的匝数、形状都是相同的。即必须对称。2、电动势和磁动势的波形尽量接近正弦波。3、机械强度、绝缘强度足够，散热好。5、用铜少、绝缘性能可靠、制造维修方便。,三相绕组的要求,四、三相单层对称绕组,1.相关概念的介绍:极对数：指电机主磁极的对数，通常用 p 表示；电角度：在电机理论中，我们把一对主磁极所占的空间距离，称为360的空间电角度；机械角度：一个圆周真正的空间角度为机械角度360。很明显，电角度=极对数机械角度；槽距角：相邻两槽间的距离用电角度表示，叫做槽距角，用 表示。,极距：极距指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度。其表示方法很多:用槽数：=Z/2p;空间长度:D/2p;每极每相槽数：在交流电机中，每极每相占有的平均槽数q是一个重要的参数，如电机槽数为Z，极对数为p，相数为m。则得：q=1的绕组称为集中绕组，q1的绕组称为分布绕组。,介绍一个相关概念：,分相：由于绕组为三相绕组，因此还需把各槽导体分为三相，在槽电动势星形图上划分各相所属槽号。分相的原则是使每相电动势最大，并且三相的电动势相互对称。通常三相绕组使用60分相法，即把槽电动势星形图6等分，每一等分称为一个相带，依次分别为A、Z、B、X、C、Y相带，如下表所示：,定子槽数Z=24，极数2p=4的交流绕组,A,B,C,X,Y,Z,电角度：1对N、S对应360电角度*1 机械角=P 电角度*相带：60 相带,3相要对称：每个极下3等分，ABC各占1份。ABC互差120 电角度。,若电流从A进，则从X出；方向相反，故AX互差180电角度。,定子槽数Z=24，极数2p=4的交流绕组,每极每相槽数q,q=1：集中绕组q=26：分布绕组,一对极下，顺序为AZBXCY,单层绕组(整距),A相绕组展开图,1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23,A Z B X C Y A Z B X C Y,p=2，有2个线圈组，头尾串联，则并联支路数a=1；若2个线圈组头头并，尾尾并，则a=2,双层绕组：电机每一槽分为上下两层，线圈（元件）的一个边嵌在某槽的上层，另一边安放在相隔一定槽数的另一槽的下层。双层绕组的线圈结构和单层绕组相似，但由于其一槽可安放两个线圈边，所以双层绕组的线圈数和槽数正好相等。根据双层绕组线圈形状和连接规律，三相双层绕组可分为叠绕组和波绕组两大类。下面仅介绍叠绕组。,例：三相交流电机Z=24，2p=4，试绘制a=2的三相双层叠绕组展开图。,解：先计算：,（2）画出电动势星形图,（3）分相,绘制绕组展开图:将同一磁极下属于同一相带的线圈依次连成一个线圈组则A相可得四个线圈组，分别为1-2，7-8，13-14，19-20。同理B、C两相也各有4个线圈组。四个线圈组的电动势的大小相等，但同一相的两个相带（如A和X相带）中的线圈组电动势相位相反。见下图。,一、导体电动势,在交流电机中，一般要求电机绕组中的感应电动势随时间作正弦变化；这就要求电机气隙中磁场沿空间为正弦分布；要得到严格的正弦波磁场很难实现，但可以采取各种结构参数尺寸使磁场尽可能接近正弦波，如：从磁极形状、气隙大小等方面进行考虑。常用波形正弦性畸变率来控制电动势波形的近似程度。本小节首先研究在正弦分布磁场下定子绕组中感应出的电动势，我们先看一个导体内的电动势的大小，再看线圈内的电动势的大小。,当气隙磁场的磁通密度B在空间按正弦波分布时，设其最大磁密为B1m，则：B=B1msin 当导体切割气隙磁场时：导体产生的电动势的频率为：其中：电机转过的空间电角度为：,即：,所以导体电动势的有效值为：,又因为正弦波磁通密度的平均值为：每极磁通为：都代入上式：这是一个导体内的电动势，下面我们展开看线圈内的电动势。,二、匝电动势和元件电动势线圈一般由Nc匝构成，当Nc=1时，为单匝线圈。1、整距线匝的电动势单匝时：y1=称为整距线圈。如图所示：由于整距线匝两有效边感应电动势的瞬时值大小相等而方向相反，故整距线匝的感应电动势为：,其有效值为：而对于 y1 的短距线圈，其有效边的感应电动势相量相位差 所以短距线匝的电动势为：,其有效值为：,其中，ky1称为线圈的短距系数，其大小为:,很明显，不管y1大于极距还是小于极距，短距系数总是小于1。由于线圈内的各匝电动势相同、大小相等，所以当线圈有Nc匝时，其整个线圈的电动势为：,Ey1=NcEt1=4.44Ncky1 fm,三.元件组电动势：线圈在下线时，是以线圈组为单位的，每个极（双层绕组时）或每对极（单层绕组时）下有q个线圈串联，组成一个线圈组，所以线圈组的电动势等于q个串联线圈电动势的相量和。,现在我们以三相四极36槽的交流绕组为例，来进行分析。槽距角:每极每相槽数:由算出的参数可作出下图：,槽距角:每极每相槽数:由图可知，线圈组电动势的有效值为：式中：,kq1称为线圈的分布系数。当q=1时，kq1=1，称为集中绕组。,线圈组电动势的有效值为：,Eq1=4.44qNcKy1Kq1fm=4.44qNcKw1fm,式中Kw1=Ky1Kq1称为绕组系数，它表示由于短距和分布引起线圈组电动势减小的程度。,电动机的 相电动势和线电动势：在多极电机中，每相绕组均由处于不同极下一系列线圈组构成，这些线圈组既可串联，也可并联；绕组的相电动势等于此相每一并联支路所串联的线圈组电动势之和。如果设每相绕组的串联匝数（即每一并联支路的总匝数）为N，每相并联支路数为a时，相电动势为：,非正弦分布磁场下电动势中的高次谐波及其削弱方法,磁极磁场非正弦分布所引起的谐波电动势：一般情况下，磁极磁场不可能为正弦波，磁极磁场沿电机电枢表面一般呈平顶波形，见图所示；它不仅对称于横轴，而且和磁极中心线对称；应用傅立叶级数将其分解可得到基波和一系列奇次谐波，图中分别画出了其第3和第5次谐波。由于基波和高次谐波都是空间波，所以磁密波也为空间波。,对于第 v 次谐波磁场，其极对数为基波的 v 倍，而极距则为基波的 1/v；,对比E1表达式，可以得出 v 次谐波电动势的有效值为,于是v次谐波的的短距系数和分布系数分别,在计算出各次谐波电动势的有效值之后，相电动势的有效值应为：,电机是利用电磁感应原理进行机电能量转换装置，这种能量转换必须有磁场的参与研究电机就必须分析电机中磁场的分布及性质；不论是定子磁动势还是转子磁动势，它们的性质都取决于产生它们的电流的类型及电流的分布；气隙磁通则不仅与磁动势的分布有关，还和所经过的磁路的性质和磁阻有关；异步电机的定、转子绕组均为交流绕组，它们中的电流是随时间变化的交流电，因此，交流绕组的磁动势及气隙磁通既是时间函数，又是空间的函数。,5-3 交流电机绕组的磁动势,为了简化分析过程，我们作出下列假设：（1）绕组中的电流随时间按正弦规律变化（实际上就是只考虑绕组中的基波电流）；（2）槽内电流集中在槽中心处；（3）转子呈圆柱形，气隙均匀；（4）铁心不饱和，铁心中磁压降可忽略不计（即认为磁动势全部降落在气隙上）。在分析时，我们将按照单相单层单个整距线圈、单相绕组、三相绕组的顺序，依次分析它们的磁动势。,一、单相绕组的脉振磁动势1.单个线圈（元件）的磁动势：我们先来分析整距线圈的磁动势。如图所示：,从图中可知：电机中每条磁力线路径所包围的电流都等于Ncic，其中Nc为线圈匝数，ic为导体中流过的电流；由于忽略了铁心上的磁压降，所以总的磁动势Ncic可认为是全部降落在两段气隙中，每段气隙磁动势的大小为Ncic/2；将图（a）展开，得图（b）所示磁动势波形。整距线圈的磁动势在空间中的分布为一矩形波，其最大幅值为Ncic/2；当线圈中的电流随时间按正弦规律变化时，矩形波的幅值随时间按照正弦规律变化。,我们把这种空间位置不变，而幅值随时间变化的磁动势称作脉振磁动势。,若线圈流过的电流为：,则气隙中的磁动势为：,每一线圈组总是由放置在相邻槽内的q个线圈组成。如果把q 个空间位置不同的矩形波相加，得到合成波形，这将给分析带来困难；为了便于分析，我们将矩形磁动势波形通过傅立叶级数将其进行分解，化为一系列正弦波形的基波和高次谐波，然后将不同槽内的基波磁动势和谐波磁动势分别相加，由于正弦波磁动势相加后仍为正弦波，所以可简化对磁动势的分析；矩形波用傅立叶级数进行分解，若坐标原点取在线圈中心线上，横坐标取空间电角度，可得基波和一系列奇次谐波（因为磁动势为奇函数）。其中基波和各奇次谐波磁动势幅值按照傅立叶级数求系数的方法得出，计算如下：,将基波和各奇次谐波的幅值算出来后，就可得出磁动势幅值的表达式为：,其中，Fc1=0.9IcNc为基波幅值；谐波幅值为:Fcv=Fc1/v。,若把横坐标由电角度换成距离x，显然：=(/)x，则：,整距线圈磁动势瞬时值的表达式为：,由上述分析可得出以下结论：整距线圈产生的磁动势是一个在空间上按矩形分布，幅值随时间以电流频率按正弦规律变化的脉振波；矩形磁动势波形可以分解成在空间按正弦分布的基波和一系列奇次谐波，各次谐波均为同频率的脉振波，其对应的极对数pv=vp，极距为v=/v；电机 v 次谐波的幅值 Fcv=0.9IcNc/v；各次谐波都有一个波幅在线圈轴线上，其正负由sinv/2决定。,2.一相绕组的磁动势单层绕组一相的磁动势交流绕组有单层和双层两种。单层绕组一般是整距、分布绕组。举例：单层绕组一相磁动势的计算分析过程：单层绕组一相有 p 个线圈组。一个线圈组由 q 个线圈串联而成。如图（a）所示，3个线圈串联成为线圈组，由于相邻的线圈在空间位置上相隔一个槽距角电角度，因而每个线圈产生的矩形波磁动势也相互移过一个电角度。将这3个线圈的磁动势相加，就得到如图（a）中所示的阶梯形波。,由于矩形波可分解为基波和一系列奇次谐波，其中基波之间在空间上的位移角也是电角度。如图所示，把 q 个线圈的基波磁动势逐点相加，就可求得基波合成磁动势的最大幅值 Fq1；,因为基波磁动势在空间按正弦规律分布，所以可以用空间矢量相加来代替波形图中磁动势的逐点相加。如图所示。将这 q 个空间矢量相加，就可以得到一个线圈组的基波磁动势的幅值。,Fq1=qFc1kq1=0.9IcqNckq1,kq1 基波磁动势的分布系数，与电动势分布系数完全相同；相绕组的磁动势不是一相绕组的总磁动势，而是一对磁极下该相绕组产生的磁动势。对单层绕组而言，就是 q 个线圈产生的磁动势，即,式中N 电机每相串联匝数，N=(p/a)qNc；I 相电流；a 电机每相并联支路数；,同理可推出单层绕组一相绕组磁动势的高次谐波幅值为,式中 v次谐波的分布系数；,若空间坐标的原点取在相绕组的轴线上，则单层绕组一相的磁动势的瞬时值表达式为：,双层短距绕组一相的磁动势及短距系数以图（a）所示的双层绕组为例来予以说明。,这两个线圈组都是单层整距绕组，它们在空间相差的电角度正好等于线圈节距比整距缩短的电角度根据单层绕组一相磁动势的求法可得出各个单层绕组磁动势的基波，叠加起来即可得到双层短距绕组一相的磁动势的基波，若把这两个基波磁动势用空间矢量表示，则这两个矢量的夹角正好等于着两个基波磁动势在空间的位移，如图上所示。因而一相绕组基波磁动势的最大幅值为：,式中ky1和kw1分别为基波磁动势的短距系数和绕组系数。进一步可得：,式中 N 电机每相串联匝数，N=(2p/a)qNc；同理可推出双层绕组一相磁动势的高次谐波幅值为：,综上所述，磁动势的短距系数和磁动势的分布系数一样，对基波的影响较小，但可以使高次谐波磁动势有很大的削弱。因此采用短距绕组也可以改善磁动势的波形。若将空间坐标的原点放在一相绕组的轴线上，可得一相绕组磁动势瞬时值的一般表达式为,（1）单相绕组的磁动势是空间位置固定的脉振磁动势，其在电机的气隙空间按阶梯形波分布，幅值随时间以电流的频率按正弦规律变化；（2）单相绕组的脉振磁动势可分解为基波和一系列奇次谐波。采用短距和分布绕组对基波磁动势的影响较小，而对各高次谐波磁动势有较大的削弱，从而改善了磁动势的波形；（3）基波的极对数就是电机的极对数，而v次谐波的极对数pv=vp；（4）各次波都有一个波幅在相绕组的轴线上，其正负由 决定。,对单相绕组的磁动势我们可得出下列结论：,3.脉振磁动势的分解一相绕组产生的脉振磁动势的基波表达式：,先看第一项 f 1+，这是一个行波的表达式。当给定一个时刻，磁动势沿气隙圆周方向按正弦波分布，其幅值为原脉振磁动势最大幅值的一半。但随着时间的推移，这个在空间按正弦波分布的磁动势的位置却发生了变化，而幅值不变。,对磁动势幅值的波形进行分析,显然,此时,这样,我们来看以下几种情况:当t=90时,a=0,此时,f 1+=正的最大值,f 1-=正的最大值,如图所示；当t=1800时,a=90,此时的 f 1+在空间上要沿着正方向旋转90,而同时 f 1-也要沿着负方向旋转90,如图,显然此时的合成磁动势=0.可见,磁动势波推移的角速度与交流电流的角频率相等.,由上述分析可得出以下结论：（1）单相绕组的磁动势是空间位置固定(在相绕组的轴线上)、幅值随时间以电流的频率按正弦规律变化的脉振磁动势；（2）单相绕组的脉振磁动势可分解为空间基波和一系列奇次谐波。基波和各次谐波为沿气隙圆周方向按正弦波分布的脉振磁动势；（3）一个按正弦波分布的脉振磁动势，可分解为两个转速相等、转向相反的旋转磁动势，其幅值为原脉振磁动势最大幅值的一半。当脉振磁动势达到正的最大值时,两个旋转磁动势分量位于该相绕组的轴线上。,二、三相电枢绕组的基波合成磁动势,三相绕组合成磁动势的分析方法主要有三种，即：数学分析法；波形叠加法：空间矢量法。本节将采用数学分析法和空间矢量法对三相绕组合成磁动势的基波进行分析。三相对称绕组流过三相对称电流时如下图所示。,1.数学分析法:三相电机的绕组一般采用对称三相绕组，即三相绕组在空间上互差120电角度，绕组中三相电流在时间上也互差120电角度。这样,我们设通入三相电流所产生的磁动势为:,利用三角公式将每相脉振磁动势分解为两个旋转磁动势，得:,三式相加，后三项代表的三个旋转磁动势空间互差120，其和为零，于是三相合成磁动势的基波为：,可见,F1为三相合成磁动势基波的幅值,即:,为三相合成磁动势基波在相平面上旋转的电角速度。因为=2f，并考虑到电机的极对数为p，则三相合成磁动势基波的转速为:,结论：(1)对称的三相绕组内通有对称的三相电流时，三相绕组基波合成磁动势是一个在空间按正弦分布、幅值恒定的圆形旋转磁动势，其幅值为每相基波脉振磁动势最大幅值的3/2倍，即,(2)合成磁动势的转速，即同步转速为：,(3)合成磁动势的转向取决于三相电流的相序及三相绕组在空间的排列。即合成磁动势是从流过超前电流相的绕组轴线转向电流滞后相的绕组轴线，改变电流相序即可改变旋转磁动势的转向；(4)旋转磁动势的瞬时位置视相绕组电流大小而定，当某相电流达到正的最大值时，合成磁动势的正幅值就与该相绕组轴线重合。,三、三相电枢绕组合成磁动势的高次谐波,从前面的分析已知，每相的脉振磁动势中，除了基波外，还有3、5、7等奇次谐波；这些谐波磁动势都随着绕组中的电流频率而脉振，除了极对数为基波的 v 倍外，其它性质同基波并无差别；所以前面分析三相基波磁动势的方法，完全适用于分析三相高次谐波磁动势。下面我们简单介绍三相绕组中合成磁动势的高次谐波。,1.三相绕组3次谐波磁动势:当 v=3 时:,将上式三式相加，得三相绕组3次谐波合成磁动势:,可见，在对称三相绕组合成磁动势中，不存在3次及3倍次谐波合成磁动势！,2.三相绕组5次谐波磁动势:,将上三式相加，得三相绕组5次谐波合成磁动势：,三相绕组的五次谐波合成磁动势也是一个正弦分布，幅值恒定的旋转磁动势，但由于磁动势的极对数为基波的5倍，故其转速为基波的1/5，转向与基波相反。,3.三相绕组7次谐波磁动势,同理，三相绕组的七次谐波合成磁动势也是一个正弦分布，波幅恒定的旋转磁动势；其转速为基波的1/7，转向与基波相同；绕组谐波磁动势在气隙中的旋转磁场，也在绕组中感应出电动势，不过这种感应电动势具有自感应性质，感应电动势的频率:,绕组谐波磁场在绕组自身的感应电动势的频率与产生绕组谐波磁动势的基波电流频率相同；因此它可与基波电动势相量相加；由于此原因，我们把绕组谐波磁场归并到绕组漏磁场中，成为电枢绕组漏抗的一部分。,旋转磁场的转速,旋转磁场的转速=同步转速n1,