相交流电机基本理论与结构.ppt
第5章 三相交流电机基本理论与结构,本章内容：三相异步电动机基本理论三相异步电动机的结构与铭牌交流电动机定子绕组的基本知识及分类绕组的感应电动势三相异步电动机的空载运行三相异步电动机的负载运行三相异步电动机的功率和转矩关系三相异步电动机的工作特性,第5章 三相异步电动机基本理论及结构,第5章 三相异步电动机基本理论及结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌,三相异步电动机模型 实际三相异步电动机,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,笼型异步电动机的结构图,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,三相异步电动机主要有定子和转子两大部分组成。1.定子部分异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。（1）机座：主要起支撑保护作用。（2）定子铁心：是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆，以减小涡流损耗。（3）定子绕组：三相对称绕组嵌放在定子铁心内圆的槽内，三相绕组在空间相差120电角度，每相绕组的两端分别用A-X、B-Y、C-Z（实际中也用U1-U2、V1-V2、W1-W2）表示，根据需要结成星形Y或三角形。,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,三相异步电动机定子铁心及定子槽形,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,2.转子部分三相异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的。（1）转子铁心：是电动机磁路的一部分，用来安放转子绕组，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。（2）转子绕组：分为笼型和绕线型两类。1）绕线转子绕组：也是一个三相绕组，三相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，通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。如下图所示。,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,2）笼型绕组：在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条联结起来，称为铜排转子，如图所示。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，如图所示。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。笼型绕组结构简单，坚固，成本低。3.其他部分包括端盖、风扇等。,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.1 三相异步电动机的结构,定子和转子配合方式,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.2 三相异步电动机的铭牌数据,（1）额定功率(容量)：转轴上输出的机械功率(kW)。（2）额定电压：额定运行时，加在定子绕组上的线电压(V)。（3）额定电流：额定运行时，加在定子绕组上的线电流(A)。（4）额定转速：额定运行时，电动机的转子转速(r/min)。（5）额定频率：所接电源的频率(Hz)，我国工频(50Hz)。（6）绝缘等级。（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结方式。额定电压，额定电流，额定功率的关系：接法：相电压 UN=UN；相电流 IN=IN/1.735 Y接法：相电压 UN=UN/1.735；相电流 IN=IN，所以：PN=1.735UN IN N cos N(W),5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.2 三相异步电动机的铭牌数据,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.2 三相异步电动机的铭牌数据,若是绕线式转子异步电动机，则还有：（8）转子绕组开路电压。指定子接额定电压，转子绕组开路时的转子线电压（V）。（9）转子绕组的额定电流（A）。,5.2 三相异步电动机的结构与铭牌5.2.2 三相异步电动机的铭牌数据,型号举例：（1）Y132S-4：Y-异步电动机；132-机座中心高度132mmS-短铁心；4-极数。（2）Y112S-6：极数6极；短机座；规格代号：中心高 112mm产品代号：异步电动机,5.1 三相异步电动机基本理论5.1.1 三相交流电机的旋转磁场,旋转磁场:旋转磁场就是一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。从理论分析和实践证明，在对称三相绕组中流过对称三相交流电时会产生这种旋转磁场。所谓三相对称绕组就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此互隔120、对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组，如图所示。,5.1 三相异步电动机基本理论5.1.1 三相交流电机的旋转磁场,对称三相电流的函数式表示为：,对称三相电流的波形表示为：,5.1 三相异步电动机基本理论5.1.1 三相交流电机的旋转磁场,由分析可知，当电流从t=0变化到t=180时，旋转磁场在空间相应地转过180，相应地，电流变化一个周期，旋转磁场转过一周。,5.1 三相异步电动机基本理论5.1.1 三相交流电机的旋转磁场,5.1 三相异步电动机基本理论5.1.1 三相交流电机的旋转磁场,上图为有2个N极、2个S极磁场，沿 A-B-C方向旋转。电流变化一周，磁场旋转半周。(p=2)磁场的旋转速度n1与p的关系：p=1,n1=60f/1=3000(r/min)p=2,n1=60f/2=1500(r/min)p=3,n1=60f/3=1000(r/min)一般地，旋转磁场的转速：n1=60f/p（r/min）n1同步转速,5.1 三相异步电动机基本理论5.1.2 三相异步电动机的工作原理,三相异步电动机定子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，转子绕组的导体处于旋转磁场中，转子导体切割磁力线会产生感应电势，根据右手定则可以判断感应电势方向，又因为转子导体通过端环自成闭路，所以转子导体中会通过感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，根据左手定则可以判断电磁力的方向。电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。,异步电动机的工作原理示意图,5.1 三相异步电动机基本理论5.1.2 三相异步电动机的工作原理,异步名称的由来：只有当转子转速n低于旋转磁场转速n1，即nn1时，转子导体与旋转磁场之间才有相对运动，转子导体才会感应电动势和电流，产生电磁力和电磁转矩，使电机转子继续旋转。由此可见，nn1，且nn1，异步电动机才能正常工作。,5.1 三相异步电动机基本理论5.1.3 转差率,转差率：转差率为旋转磁场的同步转速n1和电动机（转子）转速n之差与同步转速n1之比。即：一般情况，额定运行时sN=1%-5%。,5.3 交流电动机定子绕组的基本知识及分类5.3.1 交流绕组的基本知识1.电角度与机械角度,机械角度：电机圆周在几何上分成360，这个角度称为机械角度，（也叫几何角度）。电角度：从电磁方面看，一对磁极占有空间电角度为360。一般而言，若电机有p对磁极，电机圆周按电角度计算就为p 360，而机械角度总是360，因此 电角度=p机械角度,2.极距 两相邻磁极轴线之间的距离称为极距。一般用槽数表示，也可用长度或电角度等表示。=Q/2p,5.3 交流电动机定子绕组的基本知识及分类5.3.1 交流绕组的基本知识,3.线圈 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。,单根引出,5.3 交流电动机定子绕组的基本知识及分类5.3.1 交流绕组的基本知识,4.绕组及绕组展开图,绕组是由多个线圈或线圈组按一定方式联结起来构成的。把定子（或转子）沿轴向展开、拉平，即得到绕组展开图。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。,5.3 交流电动机定子绕组的基本知识及分类5.3.1 交流绕组的基本知识,5.节距Y一个线圈两个有效边之间所跨过的槽数称为线圈的节距。用Y表示。y时，线圈称为长距线圈。,5.3 交流电动机定子绕组的基本知识及分类5.3.1 交流绕组的基本知识,相邻两槽轴线之间的电角度称为槽距角，用表示，由于定子槽在定子内圆周上是均匀分布的，则=360p/Q,6.槽距角,5.3 交流电动机定子绕组的基本知识及分类5.3.1 交流绕组的基本知识,7.每极每相槽数q,每一个极下每相绕组所占有的槽数，称为每极每相槽数。q=Q/2pmm定子绕组的相数。,说明：1、交流电机没有虚槽的概念。2、三相线圈（或线圈组）的6根引出线都是单根。,5.4 绕组的感应电动势,经过分析：通入电流iA,iB,iC三相合成磁势：是一个在空间上正弦分布，随时间旋转磁通势。它反作用在定子绕组上，产生感应电动势与电源平衡。(讨论中，假定磁场在空间正弦分布）讨论顺序：从一个线圈（一根导体）再到一个线圈组最后到一个相绕组。,5.4 绕组的感应电动势5.4.1 线圈的感应电动势,1.导体电动势最大值：Ec1m=Bm1LvBm1作正弦分布的气隙磁通密度的幅值L导体在铁心中的有效长度v导体与旋转磁场的相对速度有效值：Ec1=Ec1m/=fBm1Lt(v=2ptn1/60)磁通密度正弦分布时，每极磁通量F1=2/p(Bm1Lt)代入得：Ec1=2.22fF1,5.4 绕组的感应电动势5.4.1 线圈的感应电动势,2.整距线圈的电动势每个线圈有两个有效边，共Nc匝线圈，则电动势有效值为：Ey1=4.44fNcF1,3.短距线圈的电动势电动势有效值：,设g为线圈节距Y对应的电角度，则,ky1短距系数,5.4 绕组的感应电动势5.4.2 线圈组电动势,每个线圈组由q个线圈串联而成：分集中绕组和分布绕组(图）。集中绕组：分布绕组：,5.4 绕组的感应电动势5.4.2 线圈组电动势,Fqm1,分布绕组：kq1分布系数，,kN1绕组系数，,绕组相电动势的一般公式 E1=4.44fN1kN1,N每相绕组的串联匝数；1每极磁通量；KN1绕组系数。,5.4 绕组的感应电动势5.4.3 相电动势,5.5 三相异步电动机的空载运行5.5.1 电磁关系,空载时，轴上没有任何机械负载，异步电动机所产生的电磁转矩仅克服了摩擦、风阻的阻转矩，所以是很小的。电机所受阻转矩很小，则其转速接近同步转速，nn1，转子与旋转磁场的相对转速就接近零，即n1-n0。异步电动机空载运行时的电磁关系可用下图表明：,5.5 三相异步电动机的空载运行5.5.2 空载时的定子电压平衡关系,近似的有：U=-E1 或 U=E1,5.6 三相异步电动机的负载运行,异步电动机运行的两种特殊情况：（1）空载运行时：n接近于n1，s接近于0，相当于转子开路。（2）转子堵转时（接上电源，转子被堵住转不动）时：n=0，s=1，相当于短路状态，会使电机电流很大，很快过热而烧毁电机，这在电机实验及使用电机事应多加注意。异步电动机起动初始也属于此种情况。,5.7 三相异步电动机的功率和转矩关系5.7.1 功率关系,当三相异步电动机以转速n稳定运行时，从电源输入的功率为：,定子回路铜损耗Pcu1为:,定子回路的铁耗PFe1：,从电源输入电功率，除去定子铜耗和铁耗，便是定子传递给转子回路的电磁功率，即：PM=P1-Pcu1-PFe1,5.7 三相异步电动机的功率和转矩关系5.7.1 功率关系,异步电动机功率流程图,电动机运行时，由于轴承等摩擦产生的机械损耗pm及附加损耗ps，转子的机械功率Pm减去机械损耗pm和附加损耗ps，才是转轴上真正输出的功率。功率流程图如下图所示。,5.7 三相异步电动机的功率和转矩关系5.7.1 功率关系,异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的定量关系是：,也可写出下列关系式：PM=pCu2+Pm pCu2=sPM Pm=（1-s）PM上式表明，当电磁功率一定，转差率s越小，转子铜耗越小，机械功率越大，效率越高。电动机运行时，若s增大，转子铜耗也增大，电机易发热，效率降低。,5.7 三相异步电动机的功率和转矩关系5.7.2 转矩关系,机械功率Pm除以轴的角速度就是电磁转矩T，即,电力拖动系统中，常可忽略空载转矩T0，则有TT2=TL,5.8 三相异步电动机的工作特性,1.转速特性n=f（P2）三相异步电动机空载时，转子的转速接近于同步转速n1。随着负载的增加，转速n要略微降低，这时转子电动势增大，从而使转子电流增大，以产生较大的电磁转矩来平衡负载转矩。因此，随着P2的增加，转子转速n下降，转差率s增大。转速特性是一条硬特性。,5.10 习题1.何谓旋转磁场?三相交流旋转磁场产生的条件是什么?如果三相电源的一相断线,问三相异步电动机能否产生旋转磁场?为什么?2.三相异步电动机旋转磁场的转速由什么决定?试问两极,四极,六极三相异步电动机的同步速度各为多少?3.旋转磁场的转向由什么决定?如何改变旋转磁场的转向?4.定子绕组通入三相电源,转子三相绕组开路,电动机能否转动?为什么?5.试述三相异步电动机的工作原理,并解释”异步”的意义.6.何谓异步电动机的转差率?异步电动机的额定转差率一般是多少?7.试比较交流电机不同定子绕组时产生的感应电动势有何区别?简述绕组系数的意义.8.三相异步电动机运行时,转子向定子折算的原则是什么?折算的具体内容有哪些?,9.比较三相异步电动机与变压器的T型等效电路有什么不同?转子电路中(1-s)r2/s代表什么?10.三相异步电动机转子电流的数值,在起动时和额定运行时一样吗?为什么?,
