华中科技大学-电机学-第五章-异步电机(完美解析)ppt课件.ppt
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1、电机学电机学Electric Machinery(第(第5 5章章 异步电机)异步电机)异步电机的基本工作原理异步电机的基本工作原理异步电机的三种运行状态异步电机的三种运行状态异步电机的基本结构异步电机的基本结构异步电动机的额定值异步电动机的额定值5.1 概述概述34目前尚不能经济地目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速。在较大范围内平滑调速。56一、异步电机的基本结构一、异步电机的基本结构异步电机外形图异步电机外形图 异步电机结构图异步电机结构图71. 定子定子定子铁心:定子铁心:电机电机主磁路主磁路的组成部分,并嵌放定子绕组。的组成部分,并嵌放定子绕组。 由厚度为由厚度为0.5mm的硅钢片叠
2、装而成。的硅钢片叠装而成。 为了嵌放定子绕组,在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干为了嵌放定子绕组,在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。个形状相同的槽。8定子槽形:定子槽形: 半闭口槽半闭口槽适用于小型异步电机,其绕组是用圆导线绕成。适用于小型异步电机,其绕组是用圆导线绕成。 半开口槽半开口槽适用于低压中型异步电机,其绕组是成型线圈。适用于低压中型异步电机,其绕组是成型线圈。 开口槽开口槽适用于高压大中型异步电机,其绕组是用绝缘带包扎并适用于高压大中型异步电机,其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。浸漆处理过的成型线圈。 9 定子绕组:定子绕组:构成构成电路部分电路部分,用来感应
3、电动势、流过电流、实,用来感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。现机电能量转换。 通常采用通常采用双层短距绕组双层短距绕组,小型电机可采用单层绕组;,小型电机可采用单层绕组; 对中、小容量的低压异步电动机,通常定子三相绕组的六个对中、小容量的低压异步电动机,通常定子三相绕组的六个出线头都引出,可根据需要灵活地接成出线头都引出,可根据需要灵活地接成“Y”形或形或“D”形形。U1 V1 W1U1 V1 W1W2 U 2 V2W2 U2 V210 机座:机座:固定和支撑定子铁心。固定和支撑定子铁心。 要求有足够的机械强度。要求有足够的机械强度。112. 转子转子 转子铁心:转子铁心:电机电机主磁路
4、主磁路的组成部分,并放置的组成部分,并放置转子绕组转子绕组。 由厚度为由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成;的硅钢片叠装而成; 在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。 12转子槽形转子槽形槽形的选择主要决定于对槽形的选择主要决定于对运行性能运行性能和和起动性能起动性能的要求。的要求。常见转子槽型常见转子槽型13 笼型绕组笼型绕组:在转子铁心每个槽内各放置一根导体,在铁心两:在转子铁心每个槽内各放置一根导体,在铁心两端放置两个端放置两个端环端环,分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联,分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。接起来。 笼型绕组一般为笼
5、型绕组一般为铝浇铸铝浇铸的,对中大型电机为减小损耗、提高的,对中大型电机为减小损耗、提高效率,往往采用效率,往往采用铜条焊接铜条焊接而成。而成。 转子绕组:转子绕组:构成电路部分,有构成电路部分,有笼型笼型和和绕线型绕线型两种绕组型式。两种绕组型式。斜槽形式14 绕线型绕组绕线型绕组:与:与定子绕组具有相同相数、极数的三相对称定子绕组具有相同相数、极数的三相对称绕绕组,一般采用双层波绕组或叠绕组。组,一般采用双层波绕组或叠绕组。 一般接成一般接成星形星形,将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三,将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个个滑环滑环上,再通过上,再通过电刷电刷与外电路接通。与外电路
6、接通。 绕线型转子特点是可以通过滑环电刷在转子回路中绕线型转子特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加接入附加电阻电阻,以改善电动机的起动性能、调节其转速。,以改善电动机的起动性能、调节其转速。 15支撑转子铁心支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。和输出、输入机械转矩。 转轴转轴16 定义:定义:定、转子之间的间隙定、转子之间的间隙,也,也是电机主磁路的组成部分。是电机主磁路的组成部分。 气隙大小对异步电机的性能影响气隙大小对异步电机的性能影响很大。很大。 为了减小电机主磁路的磁阻,降为了减小电机主磁路的磁阻,降低电机的励磁电流,提高电机的低电机的励磁电流,提高电机的功率因数,功率因数,气隙应
7、尽可能小气隙应尽可能小。 异步电机气隙长度应为定、转子异步电机气隙长度应为定、转子在运行中不发生机械摩擦所允许在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值。的最小值。 中、小型异步电机中,气隙长度中、小型异步电机中,气隙长度一般为一般为0.20.21.5mm1.5mm。3 3、气隙、气隙气隙大:磁阻大,励磁电流气隙大:磁阻大,励磁电流(空载电流)大,功率因数低(空载电流)大,功率因数低;气隙磁场谐波含量(漏磁引;气隙磁场谐波含量(漏磁引起附加损耗)减少,改善起动起附加损耗)减少,改善起动性能。性能。气隙小:受加工可能及机械气隙小:受加工可能及机械安全所限制。安全所限制。17二、异步电机的基本工作原理二
8、、异步电机的基本工作原理异步电机定子三相对称绕组接在三异步电机定子三相对称绕组接在三相对称交流电网上,转子绕组对称相对称交流电网上,转子绕组对称短路。短路。定子绕组中流过三相对称电流,在定子绕组中流过三相对称电流,在气隙中产生基波旋转磁场。气隙中产生基波旋转磁场。气隙旋转磁场在短路的转子绕组中气隙旋转磁场在短路的转子绕组中感应电动势并产生电流。感应电动势并产生电流。该感应电流与气隙中的旋转磁场相该感应电流与气隙中的旋转磁场相互作用产生电磁转矩,驱动转子旋互作用产生电磁转矩,驱动转子旋转,实现异步电机的运行。转,实现异步电机的运行。1n n1nSN18三、异步电机的三种运行状态三、异步电机的三种
9、运行状态1、异步电机的转差率、异步电机的转差率同步转速同步转速n1定子绕组中流过频率为定子绕组中流过频率为f1的三相对称电流,在气的三相对称电流,在气隙中产生的基波旋转磁场相对于定子绕组的转速隙中产生的基波旋转磁场相对于定子绕组的转速为同步转速,记为为同步转速,记为n1。同步转速大小取决于电流频率同步转速大小取决于电流频率f1和绕组极对数和绕组极对数p,转向为从超前电流相绕组转向滞后电流相绕组。转向为从超前电流相绕组转向滞后电流相绕组。转子转速转子转速n转子的机械转速为转子转速,记为转子的机械转速为转子转速,记为n 。pfn116011nnns转差率转差率s:同步转速:同步转速n1与转子转速与
10、转子转速n之差对之差对同步转速同步转速n1之比值,记为之比值,记为s。19 异步电机的转子可以是带负载机,也可以是由原动机驱异步电机的转子可以是带负载机,也可以是由原动机驱动,在不同的转子外部条件下,异步电机将运行于不同的转动,在不同的转子外部条件下,异步电机将运行于不同的转速和不同的转差率,对应不同的运行状态。根据转差率的正速和不同的转差率,对应不同的运行状态。根据转差率的正负、大小,异步电机分别对应于负、大小,异步电机分别对应于电动机电动机、发电机发电机、电磁制动电磁制动等三种不同运行状态。等三种不同运行状态。2、异步电机的三种运行状态、异步电机的三种运行状态 0ns0:电动机状态:电动机
11、状态 右手定则右手定则 - e2产生产生 - i2与与e2同方向同方向 左手定则左手定则 - Tem产生产生 - Tem与与n同转向,同转向,Tem为为驱动转矩驱动转矩 旋转磁场拖动转子:电动机旋转磁场拖动转子:电动机20 nn1 s e2产生产生 - i2与与e2同方向同方向 左手定则左手定则 - Tem产生产生 - Tem与与n反转向,反转向,Tem为制动转矩为制动转矩 转子拖动旋转磁场:发电机转子拖动旋转磁场:发电机 n1:电磁制动状态:电磁制动状态 右手定则右手定则 - e2产生产生 - i2与与e2同方向同方向 左手定则左手定则 - Tem产生产生 - Tem与与n反转向,反转向,T
12、em为为制动转矩制动转矩 旋转磁场阻碍转子运动:电磁制动状态旋转磁场阻碍转子运动:电磁制动状态21状状 态态电动机电动机发电机发电机电磁制动电磁制动n与与s关系关系nn10sn1s0n1Tem的性质的性质电磁驱动力矩电磁驱动力矩电磁阻力矩电磁阻力矩电磁阻力矩电磁阻力矩能量转换能量转换电能电能机械能机械能机械能机械能电能电能电能电能+机械能机械能内部损耗内部损耗(短路)(短路) 异步电机只有在定子侧外加电源的情况下,转子侧电动势和异步电机只有在定子侧外加电源的情况下,转子侧电动势和电流由气隙旋转磁场感应产生,因此也称为电流由气隙旋转磁场感应产生,因此也称为“感应电机感应电机”;而此;而此感应作用
13、,只有在转子与气隙旋转磁场不同步,即感应作用,只有在转子与气隙旋转磁场不同步,即“异步异步”(s不等于不等于0),才可以产生,因此),才可以产生,因此“感应电机感应电机”又称又称“异步电机异步电机”。总结总结22四、异步电动机的额定值四、异步电动机的额定值23 额定功率额定功率PN:是转轴上输出的:是转轴上输出的机械功率机械功率,单位为,单位为W或或kW。 额定电压额定电压UN:施加在定子绕组上的:施加在定子绕组上的线电压线电压,单位为,单位为V。 额定电流额定电流IN:电动机在额定电压、额定频率下,轴端输出额:电动机在额定电压、额定频率下,轴端输出额定功率时,定子绕组的定功率时,定子绕组的线
14、电流线电流,单位为,单位为A。 额定频率额定频率fN:我国电网频率:我国电网频率fN=50Hz。 额定转速额定转速nN:电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定:电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定功率时,转子的转速,单位为功率时,转子的转速,单位为r/min。 额定效率额定效率N。 额定功率因数额定功率因数cosN。 三相异步电动机额定值之间的关系三相异步电动机额定值之间的关系NNNNNcos3IUP 242、对于中低压电动机、对于中低压电动机定、转子基波磁动势空间相对静止定、转子基波磁动势空间相对静止5.2 三相异步电动机运行原理三相异步电动机运行原理 转子静止时的异步电机转子静止时的
15、异步电机 转子旋转时的异步电机转子旋转时的异步电机 异步电机参数测定异步电机参数测定内部电磁关系内部电磁关系电压平衡方程式电压平衡方程式磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式绕组折算与等效电路绕组折算与等效电路26一、一、 转子静止时的异步电动机转子静止时的异步电动机转子静止时的异步电机:转子静止时的异步电机:将异步电动机转轴卡住;将异步电动机转轴卡住;转子绕组短路;转子绕组短路;定子绕组施加三相对称电压。定子绕组施加三相对称电压。假设:气隙中只有基波磁通,定、转子绕组上只感应有基波电势假设:气隙中只有基波磁通,定、转子绕组上只感应有基波电势271定、转子基波磁动势空间相对静止定、转子基波磁动势空间
16、相对静止定子侧:定子绕组施加三相对称电压定子侧:定子绕组施加三相对称电压定子三相对称绕组中,流过频率为定子三相对称绕组中,流过频率为f1的三相对称电流的三相对称电流I1;定子绕组在气隙空间中产生圆形旋转基波磁动势定子绕组在气隙空间中产生圆形旋转基波磁动势F1,相对,相对于定子绕组的转速为同步转速于定子绕组的转速为同步转速n1,n160f1/p;圆形旋转基波磁动势圆形旋转基波磁动势F1转向为从超前电流相绕组轴线转向转向为从超前电流相绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线(滞后电流相绕组轴线(A-B-C)。)。28转子侧:转子绕组短路,转轴固定转子侧:转子绕组短路,转轴固定圆形旋转磁场圆形旋转磁场切割转子
17、绕组,产生频率为切割转子绕组,产生频率为f2的三相对称的三相对称感应电动势(感应电动势( f2pn1/60, f2 =f1 ););三相对称感应电动势在闭合的转子绕组中产生三相对称电三相对称感应电动势在闭合的转子绕组中产生三相对称电流流I2;转子绕组在气隙空间中产生圆形旋转基波磁动势转子绕组在气隙空间中产生圆形旋转基波磁动势F2,相对,相对于转子绕组的转速为于转子绕组的转速为n2,n260f2/pn1;圆形旋转基波磁动势圆形旋转基波磁动势F2转向为从超前电流相绕组轴线转向转向为从超前电流相绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线滞后电流相绕组轴线(A-B-C),即与定子旋转磁动势,即与定子旋转磁动势F1
18、同转向。同转向。 F2与与F1同转速、同转向(同转速、同转向(n2 n1),故定、转子基波磁动),故定、转子基波磁动势空间保持相对静止势空间保持相对静止292内部电磁关系内部电磁关系U1.I1.F1I2.F2FmBm.mE1.E2.N1N2.1E.1.2E.2+I1R1.+I2R2.气隙中的旋转磁场由气隙中的旋转磁场由F2与与F1共同建立,即共同建立,即F2与与F1空间矢空间矢量可以合成为一个等效励磁磁动势量可以合成为一个等效励磁磁动势Fm:12mFFF303电压平衡方程式电压平衡方程式正方向规定:电流流入为正,且电势方向与电流方向相同。正方向规定:电流流入为正,且电势方向与电流方向相同。R1
19、、R2和和X1、X2分别为定、转子绕组的电阻和漏电抗。分别为定、转子绕组的电阻和漏电抗。31 定、转子绕组感应电动势定、转子绕组感应电动势 电动势变比电动势变比ke:定、转子绕组电动势之比:定、转子绕组电动势之比 定、转子侧电动势平衡方程定、转子侧电动势平衡方程m111144. 4kNfjENm221244. 4kNfjEN.11112222NeeNN kEkEk EEN k, )(11111jXRIEU2222jXRIE从电路分析角度来看,转子从电路分析角度来看,转子静止时的异步电机电压方程静止时的异步电机电压方程与二次级侧短路时的变压器与二次级侧短路时的变压器电压方程相似电压方程相似32
20、由于定、转子磁动势由于定、转子磁动势F1与与F2空间保持相对静止,故空间保持相对静止,故可以合成为一等效的励磁磁动势:可以合成为一等效的励磁磁动势:12mFFF3. 3. 磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式121L()mmFFFFF 类似于变压器磁动势,将上式改写为:类似于变压器磁动势,将上式改写为:异步电机气隙中,全部磁动势由定子产生;异步电机气隙中,全部磁动势由定子产生;Fm为励磁分量,用以产生气隙旋转基波磁场;为励磁分量,用以产生气隙旋转基波磁场;F1L为负载分量,用以平衡转子磁动势的作用,它与转子为负载分量,用以平衡转子磁动势的作用,它与转子磁动势大小相等方向相反。磁动势大小相等方向相反
21、。33 选择选择F1与与I1同相位、同相位、 F2与与I2同相位,同相位, Fm与与Im同相位,同相位,用电流在时间上的相位关系表示磁动势在空间上的相位关用电流在时间上的相位关系表示磁动势在空间上的相位关系,则磁动势平衡方程系,则磁动势平衡方程 可改写为:可改写为:12()mFFF 1N11N12N211212222()mN kN kN kmmmIIIppp 21mm1i()LIIIIIk 111222NiNm N kkm N k定义电流比定义电流比则磁动势平衡方程式可表示为:则磁动势平衡方程式可表示为:异步电动机定子电流异步电动机定子电流I1分成分成Im和和I1L两个分量;两个分量;Im是励
22、磁分量,用于建立电是励磁分量,用于建立电机铁心中的主磁通机铁心中的主磁通m;I1L是负载分量,用于建立磁是负载分量,用于建立磁动势动势F1L去平衡转子磁势去平衡转子磁势F2。34 转子静止时的基本方程转子静止时的基本方程11011101(j)UEIRXEI Z 定子侧:定子侧:转子侧:转子侧:222222(j)UIRXI Z定、转子关联方程:定、转子关联方程:1221meiEk EIIIk感应电动势方程:感应电动势方程:1mmmmmjEI ZZRX Zm=Rm+jXm为励磁阻抗;为励磁阻抗; Rm为励磁电阻,代表铁耗的等效电阻;为励磁电阻,代表铁耗的等效电阻; Xm为励磁电抗,反映主磁通在电路
23、中的作用。为励磁电抗,反映主磁通在电路中的作用。4. 4. 绕组折算与等效电路绕组折算与等效电路 35绕组折算绕组折算 转子绕组折算转子绕组折算把实际相数为把实际相数为m2、绕组匝数为、绕组匝数为N2、绕组、绕组系数为系数为kN2的转子绕组,折算成与定子绕组有相同相数的转子绕组,折算成与定子绕组有相同相数m1、相同匝数相同匝数N1和相同绕组系数和相同绕组系数kN1转子绕组。转子绕组。折算原则:折算原则: 气隙主磁通不变;气隙主磁通不变; 定子各种物理量均不变,对电网等效;定子各种物理量均不变,对电网等效; 转子磁动势不变,各种功率均不变(功率因数不变)。转子磁动势不变,各种功率均不变(功率因数
24、不变)。绕组折算主要有电流折算、电动势折算和阻抗折算。绕组折算主要有电流折算、电动势折算和阻抗折算。36电流折算电流折算 根据折算前后转子磁动势应保持不变原则根据折算前后转子磁动势应保持不变原则电动势折算电动势折算 根据折算前后转子磁动势不变原则根据折算前后转子磁动势不变原则2222211122IpkNmIpkNmNN2221122122111112)44. 4(44. 4EkNkNkNfjkNkNkNfjENNmNNNmN21122122IkNkNmmINN221IkIi22EkEe37阻抗折算阻抗折算 根据折算前后转子铜耗保持不变原则根据折算前后转子铜耗保持不变原则 根据折算前后转子功率因
25、数保持不变原则根据折算前后转子功率因数保持不变原则22222221RImRIm22222RXRXtg2221122211122212222RkNkNkNmkNmRImImRNNNN22RkkRie2222XRRX22XkkXie38 折算到定子侧的异步电机基本方程式组为折算到定子侧的异步电机基本方程式组为 11112222m12121mmUEI ZEIRjXIIIEEEI Z 39 等效电路等效电路 经折算后,同变压器类似,可得异步电动机在转子静止时经折算后,同变压器类似,可得异步电动机在转子静止时的的T T型等效电路。型等效电路。11111111()UEI RjXEI Z 2222EIRjX
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