第4章異步電機

第4章異步電機4.1三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

4.2三相交流電機的繞組4.3三相交流繞組的磁動勢4.4

三相交流繞組的電動勢4.5三相異步電動機的等效電路4.6三相異步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩4.7三相異步電動機的工作特性和參數(shù)測定第4章異步電機4.1三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

4.2三相交流電機的繞組4.3三相交流繞組的磁動勢4.4

三相交流繞組的電動勢4.5三相異步電動機的等效電路4.6三相異步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩4.7三相異步電動機的工作特性和參數(shù)測定4.1三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理4.1.1基本結(jié)構(gòu)1.定子定子鐵心、定子繞組、機座和端蓋等。定子鐵心的硅鋼片●

定子鐵心●

定子繞組對稱三相繞組?！穸ㄗ印穸ㄗ咏泳€盒U1V1

W1W2U2V2U1V1

W1U2V2

W2U1V1

W1W2

U2V2星形(Y)聯(lián)結(jié)3~U1V1

W1W2

U2V2三角形(△)聯(lián)結(jié)3~轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸、風扇等。轉(zhuǎn)子鐵心沖片2.轉(zhuǎn)子：籠型繞組銅條籠型轉(zhuǎn)子鑄鋁籠型轉(zhuǎn)子●

籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子●

繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子●

轉(zhuǎn)子繞組繞線式：對稱三相繞組?；\式：對稱多相繞組?！?/p>

三相籠型異步電動機的部件圖三相異步電動機的部件圖●

三相繞線型異步電動機的結(jié)構(gòu)繞線異步電動機示意圖●三相籠型異步電動機的結(jié)構(gòu)

4.1.2額定值

三相異步電動機型號Y132S－6功率3kW

頻率

50Hz電壓380V

電流7.2A

聯(lián)結(jié)Y轉(zhuǎn)速960r/min

功率因數(shù)0.76

絕緣等級

B2p=6軸上輸出額定機械功率P1N=√3

UNINcosNPN=NP1N=√3

UNINcosNN線電壓線電流V2

V14.1.3三相異步電動機的工作原理一、旋轉(zhuǎn)磁場1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生●三相(多相)電流

→三相(多相)繞組

→旋轉(zhuǎn)磁場?！袢嗬@組：W2

W1U1U2U1V1

W1U2V2

W2橫截面U1U2V1V2W2W1流出流入U←V←W←U1U2V1V2W2W1i1=Imsinωti2=Imsin(ωt－120O)i3=Imsin(ωt+120O)ωtOImi1

i2

i3ωt=0O時i1=0，i2＜0，i3

＞0××NSU1U2V1V2W2W1ωt=0°時i1=0，i2＜0，i3＞0NSU1U2V1V2W2W1NSωt=120o時i1＞0，i2=

0，i3＜

0U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NSNSωt=240o時i1＜

0，i2＞0，i3=0ωt=360o時i1=0，i2＜0，i3＞0i

變化一周→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)一圈i每秒鐘變化50周→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)50圈→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)3000圈i每分鐘變化(50×60)周n1

=3000=60f1(r/min)2.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1——同步轉(zhuǎn)速U1U2V1V2W2W1U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相繞組由一個線圈組成每相繞組由兩個線圈串聯(lián)組成U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××ωt=0o

時i1=0，i2＜0，i3

＞0NSNSU1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3×××ωt=120o

時i1＞0

，i2

=0

，i3＜0NSNS×ωt=360o

時i1=0，i2＜0，i3

＞0U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3×××NSNS×ωt=240o時i1＜

0，i2＞0，i3=0U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××NSNS●磁極對數(shù)p

p=2●電流變化一周→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)半圈

n1

=1500●當磁極對數(shù)p=3時

n1

=100060f12=60f13=60f1pn1=

f=50Hz時：

123456300015001000750600500pn1/(r/min)

3.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向(n1的轉(zhuǎn)向)

U(i1)→V(i2)→W(i3)

怎樣改變n1的方向?V(i1)→U(i2)→W(i3)U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××NSNSU1U2V1V2W2W1NS二、工作原理對稱三相繞組通入對稱三相電流旋轉(zhuǎn)磁場(磁場能量)磁場線切割轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生e和

i轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受到電磁力的作用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來機械負載旋轉(zhuǎn)起來三相交流電能感應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩輸出機械能量NSn1n11.電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生××××nM3~3~M3~3~2.轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同。正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)怎樣改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向?nn起動時：n=0,△n=n1轉(zhuǎn)差率:●

起動時:●

額定運行時:3.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n——

轉(zhuǎn)子電磁感應(yīng)最強n↑→△n↓→轉(zhuǎn)子電磁感應(yīng)消失→轉(zhuǎn)子電磁感應(yīng)減弱→n↑→n=n1→電磁轉(zhuǎn)矩T=0n

＜n1→

n↓n=0，s=1sN=0.01~0.09s=n1－nn1×100%●理想空載時:n=n1，s=0●

正常運行時:0＜n＜n1，1＞s＞0異步！●

起動時：

n=0，△n=n1，I2=I2max，f2=f1?！衿饎舆^程中:

n↑→△n↓→I2(I1)↓

→f2↓?！?/p>

穩(wěn)定運行時：△n=n1－n

很小→

f2=sf1

很低。5.電磁轉(zhuǎn)矩Te的大小

T∝Φ，I2cos24.轉(zhuǎn)子電路電量的變化T=CTΦmI2cos25.三相異步電機的四象限運行正向電動機狀態(tài)：●n與T同方向●

0＜n＜n1

●1＞s＞0nTO發(fā)電機狀態(tài)：●n與T反方向●

n＞n1●s＜0制動狀態(tài)：●

n與T反方向●

n＜0●s＞1反向電動機狀態(tài)

表3.1.2

異步電機的各種運行狀態(tài)

狀態(tài)制動狀態(tài)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)電動機狀態(tài)理想空載狀態(tài)發(fā)電機狀態(tài)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差率n＜0s＞1n=0s=10＜n＜n1

1＞s＞0n=n1s=0n＞n1s＜0V2

V14.2三相交流電機的繞組三相繞組W2

W1U1U21.基本概念(1)機械角度和電角度電角度=機械角度×極對數(shù)機械角度：轉(zhuǎn)子鐵心橫截面是一個圓，其幾何角度是360度。從電磁角度看，一對N，S極就構(gòu)成一個磁場周期，磁場轉(zhuǎn)過一對磁極，導(dǎo)體中的電流變化一個周期，即一對磁極為360度電角度。電機極對數(shù)為p時，氣隙圓周的電角度為p×360度。U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××NSNS

三相電機:m=3(3)極對數(shù)p(4)槽數(shù)Q(5)槽距角α：

(6)極距τ：α=p·360°Q相鄰兩個槽中心線之間的距離。相鄰兩磁極中心線間的距離。τ=πD2p●用尺寸表示：●槽數(shù)表示：

Q2pτ=●用電角度表示：τ=π(2)相數(shù)mNSU1U2V1V2W2W1

線圈兩線圈邊的距離。其表示方法與極距的表示方法一樣也有三種。(8)每極每相槽數(shù)qq=Q2pm(7)線圈節(jié)距y1(9)槽電動勢星形圖和相帶*每個極距內(nèi)屬于每相的槽所占的區(qū)域稱相帶NSU1U2V1V2W2W12.交流繞組的種類(1)按相數(shù)分類:

單相繞組、三相繞組、兩相繞組。●整距繞組:y1=τ●

短距繞組:y1＜τ●長距繞組:y1

＞τNSU1U2V1V2W2W1NSU1U2(2)按線圈節(jié)距分類(3)按每極每相槽數(shù)分類●集中繞組：q=1●分布繞組：q＞1NSU1U2U3U4U5U6(4)按每個槽內(nèi)線圈的層數(shù)分類●單層繞組●雙層繞組NS●雙層繞組:

雙層集中繞組外層(上層):U1、U3內(nèi)層(下層):U2、U4U1U2U4U3NSU2U1U4U3

雙層分布繞組外層(上層):U1、U3內(nèi)層(下層):U2、U4(5)按線圈之間的聯(lián)結(jié)方式分類:

疊繞組、波繞組、同心繞組等。例如：Q=12，p=1，m=3，y1

=τ。每極每相槽數(shù)：Q2pmq==122×1×3=23.三相單層繞組槽距角：α=p×360°Q=1×360°12=30°線圈節(jié)距：

Q2py1=τ==122×2=6圈邊首端尾端123456789101112三相單層繞組為整距繞組123456789101112U1U2V1V2123456789101112U1U2W2W1V1W2三相單層繞組NS例如：Q=12，p

=1，m

=3，y

1=5。

由計算得：

q=2，α=30°，y1＜。4.三相雙層繞組1234567891011121串聯(lián)U1U2●注：實線為上層線圈邊，虛線為下層線圈邊。NS123456789101112U1U21'8V1V23'102'2'9NS123456789101112U1U2W2V2V1W2三相雙層繞組繞組磁動勢實際上是繞組的氣隙磁動勢1.單相繞組的磁動勢（脈振磁動勢）U1U2NS12Fyx=0OfyU1U2U1x4.3三相交流繞組的磁動勢1）整距線圈的磁動勢3次諧波5次諧波整距線圈磁動勢波形的分解由于對稱關(guān)系，只存在基波和3，5，7次諧波結(jié)論基波磁動勢的幅值是矩形波磁動勢的4/倍；諧波磁動勢幅值為基波幅值的1/ν倍；基波磁動勢波長與原矩形波長一樣，磁極對數(shù)亦相同；諧波的波長為基波的1/ν，極對數(shù)為極波的ν倍?；ǚ稻€圈匝數(shù)基波2）整距分布繞組的基波磁動勢合成線圈組磁動勢幅值分布因數(shù)3）雙層短距分布繞組的基波磁動勢雙層短距等價為兩個整距繞組的磁動勢合成兩整距繞組在空間錯開角度分布因數(shù)線圈組磁動勢幅值短距因數(shù)分布因數(shù)4）單相繞組的磁動勢基波相繞組的磁動勢=每對極下該相繞組的合成磁動勢繞組基波磁動勢的幅值（統(tǒng)一公式）繞組因數(shù)每相串聯(lián)匝數(shù)N＝2pqNy

雙層

pqNy

單層基波磁動勢

單相繞組的脈振磁動勢●

脈振磁磁動勢：軸線不變，大小和方向隨時間交變?nèi)嗷ù艅觿莸谋磉_式為2.三相基波磁動勢的合成三相基波磁動勢的分解單相脈振磁動勢可以分解為兩個轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢，每一個旋轉(zhuǎn)磁動勢的幅值為原脈振磁動勢幅值的一半。三相繞組基波磁動勢的合成三相繞組基波磁動勢幅值旋轉(zhuǎn)磁動勢波SNn1旋轉(zhuǎn)磁動勢波結(jié)論(1)極數(shù)：基波旋轉(zhuǎn)磁動勢的極數(shù)與繞組的極數(shù)相同。(2)幅值：基波合成磁勢的幅值保持恒定，為每相基波磁動勢幅值的3/2倍。(3)轉(zhuǎn)速：基波旋轉(zhuǎn)磁動勢的轉(zhuǎn)速就是磁場的同步轉(zhuǎn)速。波幅的旋轉(zhuǎn)角速度磁動勢旋轉(zhuǎn)速度結(jié)論(4)波幅位置：當某相電流達到最大值時，合成磁動勢波幅就恰好移至該相繞組的軸線上。(5)旋轉(zhuǎn)方向：磁動勢波的旋轉(zhuǎn)方向是順著x增加的方向。因此，三相合成基波磁動勢的旋轉(zhuǎn)方向決定于三相電流的相序，總是由超前電流相轉(zhuǎn)向滯后電流相。(6)單相脈振磁動勢的分解：可以分解為兩個轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢，每一個旋轉(zhuǎn)磁動勢的幅值為原脈振磁動勢幅值的一半。3、高次諧波磁動勢

磁極的磁場=基波磁場+奇次諧波磁場v次諧波的極對數(shù)：pv=vpv次諧波磁動勢幅值：v次諧波的繞組系數(shù)：kwv=kyvkqv

基波極對數(shù)pv次諧波的短距因數(shù)：v次諧波的分布因數(shù)：kqv=q22sinvqsinv(1)在同步電機中，諧波磁動勢所產(chǎn)生的磁場在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生渦流損耗，使電機發(fā)熱，↓。

(2)在異步電機中，諧波磁場產(chǎn)生寄生轉(zhuǎn)矩，影響其起動性能；損耗↑，cos↓，溫升↑，↓。

y=(0.8~0.83)τ

改善氣隙磁場分布：采用短距繞組和分布繞組?！糁C波磁動勢的影響：◆當時，可以消除v次諧波4、三相定子繞組建立的磁場主磁場氣隙磁密4.4三相交流繞組的電動勢1.整距線圈的電動勢旋轉(zhuǎn)磁場在整距線圈中產(chǎn)生的磁通線圈(串聯(lián)匝數(shù)為Ny)的感應(yīng)電動勢有效值2.短距的影響

1）整距線圈的電動勢SNy=τEc'Ec"Ec'Ec"EcEy=Ec'－Ec"=2Ec'2）短距線圈的電動勢SNEc'Ec"τy1Ec'EcEc"

－y1τ=180°yτ180oEy=Ec'－Ec"Ey=2Ec'

siny1τ90°=2Ec'

ky1

Ey=4.44fky1

NyΦm

短距因數(shù)：

ky1=siny1τ90°=短距線圈的電動勢整距線圈的電動勢3.分布繞組（線圈組）的感應(yīng)電動勢●集中繞組：

Eq=q個線圈電動勢的算術(shù)和=qEy●分布繞組：

Eq=q個線圈電動勢的相量和＜

qEyα已知：相鄰兩個線圈電動勢的相位差為α。如：q=3，則：Ey1Ey2Ey3αEy1Ey2Ey3αααq2REqEy=2Rsin2Eq=2Rsinq

2Eq=Ey2qsin2αsin=qEy2qsin2αqsin=qEy

kq1分布因數(shù)：kq1=2qsin2qsin=分布繞組的電動勢集中繞組的電動勢Eq=4.44f1ky1

kq1q

NyΦm

繞組因數(shù)

kw

：kw1=ky1

kq1Eq=4.44f1kw

q

NyΦm4.每相繞組的電動勢E=4.44fkw

NΦm

有效匝數(shù)4.5三相異步電動機的等效電路異步電動機與變壓器電磁作用過程相同，可采用變壓器的分析方法進行分析

變壓器與異步電動機電磁作用過程對比變壓器 異步電動機一次繞組、二次繞組 定子、轉(zhuǎn)子一次通電、二次感應(yīng) 定子通電、轉(zhuǎn)子感應(yīng) 合成磁動勢 合成旋轉(zhuǎn)磁動勢交變主磁通 通過繞組的磁通交變f2=p(n1－n)60=s

f1●

轉(zhuǎn)子電路的頻率：E2s=

4.44s

f1

kw2N2Φm

一、轉(zhuǎn)子電路的電動勢和磁動勢=pn160n1－nn1=

sE2

●

電壓方程0=E2s－Z2sI2sE2s=

－j4.44f2

kw2N2Φm

式中：E2=

4.44f1

kw2N2Φm

——

轉(zhuǎn)子靜止時的電動勢。轉(zhuǎn)差頻率X2s=

2πf2

L2式中：

X2

=

2πf1

L2

——

轉(zhuǎn)子靜止時的漏電抗?！?/p>

轉(zhuǎn)子每相電流：I2s=E2sR2+jX2s=sE2R2+jsX2=2πs

f1

L2

X2s=

s

X2

2.定子旋轉(zhuǎn)磁動勢

●幅值：●轉(zhuǎn)向：與定子電流的相序一致●轉(zhuǎn)速：n12.轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢

●幅值：F2=0.9m2kw2N2

I2s2p●轉(zhuǎn)向：與轉(zhuǎn)子電流的相序一致，即與定子旋轉(zhuǎn)磁通勢的旋轉(zhuǎn)方向一致?！褶D(zhuǎn)速

(1)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速：

n2=p60f2=s

n1(2)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢相對于定子的轉(zhuǎn)速：

n2+n=s

n1+(1－s)

n1=n1●

結(jié)論(1)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢與定子旋轉(zhuǎn)磁動勢在空間是沿同一方向以同一速度旋轉(zhuǎn)的；(2)二者組成了統(tǒng)一的合成旋轉(zhuǎn)磁通勢，共同產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。3.磁動勢平衡方程(1)理想空載時：

I2s=0，I1=I0旋轉(zhuǎn)磁動勢的幅值為：F0=0.9m1kw1N1

I02p(2)負載時：F1+F2=F0二、定、轉(zhuǎn)子電路的電壓方程

1.定子U1=－E1+(R1

+jX1)

I1E1=－j4.44f

1kw1

N1Φm

=－E1+Z1I1●

定子繞組感應(yīng)電動勢的頻率：f1=pn160——與交流電源同頻率。NSU1U2U1U3U2U4NNSS2.轉(zhuǎn)子0=E2s－Z2sI2s●

轉(zhuǎn)子每相電流：I2s=E2sR2+jX2sE1I1R1jX1jX2

R2E2sI2sf1f2+U1－m1、

kw1N1m2、

kw2N2◆

頻率折算I2s=sE2R2+jsX2=E2+jX2R2s=I2等效電路●

頻率歸算的物理含義：

用一個靜止的、電阻為R2

/s的等效轉(zhuǎn)子去代替電阻為R2的實際旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子.R2s=R2+1－ssR2轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的機械功率相對應(yīng)的等效電阻+U1－E1I1R1jX1f1E21－ssR2I2f1jX2R2m1、

kw1N1m2、

kw2N2三、繞組折算

用一個相數(shù)和有效匝數(shù)與定子繞組相同的轉(zhuǎn)子繞組去等效代替實際的轉(zhuǎn)子繞組。等效代替：保證電磁效應(yīng)和所有物理量保持不變。(1)電動勢的折算：折算前：E2=

4.44f1

kw2N2Φm

折算后：E2'

=E1=

4.44f1

kw1N1Φm

定、轉(zhuǎn)子的電動勢之比：=kw1N1kw2N2E2'E2ke

=E1E2=(2)電流的折算：折算前：折算后：F2=0.9m2kw2N2

I22pF2'=0.9m1kw1N1

I2'2p=F2E2'

=E1=ke

E2電流比：=m1kw1N1m2kw2N2I2I2'ki

=0.9m2kw2N2

I22p=0.9m1kw1N1

I2'2pI2kiI2'

=第4章異步電機的基本理論(3)阻抗的折算：折算前：Z2=+jX2R2s=E2I2折算后：Z2'

=+jX2'R2's=E2'I2'阻抗比：|Z2'||Z2|kZ

==E2'

I2E2

I2'=keki

Z2'

=kZ

Z2R2'

=kZ

R2X2'

=kZ

X2第4章異步電機的基本理論U1=－E1+(R1+jX1

)

I1=－(Rm+jXm)

Im異步電機的基本方程式E2'=(+jX2

'

)

I2'R2'sE2'=E1=－ZmIm

I1+I2'

=Im第4章異步電機的基本理論四、異步電機的等效電路R1jX1E1=

E2'I11－s

sR2'I2'jX2'

R2'ImRmXm+U1－E1=

E2'I11－ssR2'I2'ImRm＋R1Xm＋X1+U1－R1jX1

R2'jX2'相量圖E1=E2'I2'2R2'sI2'jX2'I2'－I2'I0I1－E1R1I1jX1I1U1●

設(shè)：E1=E2'=E10o第4章異步電機的基本理論1.極數(shù)轉(zhuǎn)子極數(shù)=定子極數(shù)因為：轉(zhuǎn)子中的電動勢和電流是感應(yīng)出來的。六、籠型繞組的相數(shù)和極數(shù)NSn1nNSSNNSSNNSp1=

p2=p●

如果兩者不相等，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。2.相數(shù)

籠型轉(zhuǎn)子是對稱多相繞組。(1)轉(zhuǎn)子槽數(shù)能被極對數(shù)整除時：m2=Q2p

每對極下的每一根導(dǎo)條就構(gòu)成一相；各對極下占相同位置的導(dǎo)條可看作是屬于一相的并聯(lián)導(dǎo)條，即每相有p

根導(dǎo)條并聯(lián)。

m2=6(2)轉(zhuǎn)子槽數(shù)不能被極對數(shù)整除時：

m2=Q2

即每一根導(dǎo)條就構(gòu)成一相。SSNN3.匝數(shù)N2=12（一根導(dǎo)條相當于半匝）kW2＝14.6三相異步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩一、三相異步電動機的功率

1.輸入功率P1P1=3U1I1cos12.

定子銅損耗PCu1PCu1=m1R1I12=3R1I123.

鐵損耗PFe（轉(zhuǎn)子鐵損耗忽略不計）

PFe=m1RmIm2=3RmIm24.電磁功率PePe=P1－PCu1－PFePe=m2E2I2cos2=m1E2'

I2'cos2R2's=m1I2'21－ss=m1R2'I2'

2+m1R2'I2'

25.轉(zhuǎn)子銅損耗PCu2

PCu2=m2R2I22=m1R2'

I2'

2=sPe第3章異步電機的基本理論8.輸出功率P2P2=Pm－P0=Pe－PCu2－P0=P1－PCu1－P