电机与拖动 教学课件 ppt 作者 刘玫 孙雨萍_ 电机与拖动第5章

1、第5章异步电动机,5.1 三相异步电动机的结构及额定值 5.2 异步电动机的定子绕组 5.3 三相异步电动机的定子磁动势与磁场 5.4三相异步电动机的感应电动势 5.5三相异步电动机的工作原理及运行状态 5.6三相异步电动机的电磁关系 4.7三相异步电动机的基本方程式、等效电路和相量图 4.8三相异步电动机的功率与转矩 4.9三相异步电动机的参数测定 5.10三相异步电动机的工作特性 5.11单相异步电动机,与其它种类的旋转电机一样，异步电机主要由静止的定子和运动的转子两大部分组成，定、转子之间有一很小的空气隙。,5.1三相异步电动机的结构及额定值,5.1.1三相异步电动机的结构,1、定子,异步电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座等三部分组成。,图5-1 异步电机定、转子冲片,(a) 半闭口槽 (b) 半开口槽 (c) 开口槽 图5-2感应电动机的定子槽形,5.1三相异步电动机的结构及额定值,(a) 星接 (b)角接 图5-3异步电动机接线板,2、转子,转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。,图5-4 鼠笼转子,5-5绕线式转子,5.1三相异步电动机的结构及额定值,3、气隙,在定、转子之

2、间有一气隙，气隙大小对感应电机的性能有很大的影响。气隙大，则磁阻大，要产生同样大小的旋转磁场就需较大的激磁电流。激磁电流基本上是无功电流，因此气隙应尽量小。,5.1.2三相异步电动机额定值及主要系列,（1）额定功率：指额定运行时输出的机械功率，单位为瓦（W）或千瓦 （kW）； （2）定子额定电压：指额定运行状态下定子绕组应加的线电压，单位为伏 （V）或千伏（kV）； （3）定子额定电流：指额定电压和额定功率下运行时的定子绕组线电流， 单位为安（A）或千安（kA）； （4）额定功率：指电动机供电电压的频率。我国规定工频为50赫兹 （Hz）； （5）额定转速：指电机额定运行时的转速，单位为 转/分（r/min）。,1、异步电动机额定值,5.1三相异步电动机的结构及额定值,对于三相异步电动机，额定功率为,2、国产异步电机的主要系列,异步电动机基本系列为J2、JO2系列，采用了E级绝缘；1979年开始进行了 Y系列电动机的统一设计，采用B级别绝缘，性能良好，运行可靠；上世纪90年代，又设计了替代Y系列电动机的Y2系列，目前已经完成了Y3系列的设计，Y3系列电机全部采用冷轧硅钢片，具有效率高、噪

3、音低、起动性能好等优点。,3、异步电动机的分类,按定子相数的不同，可分为单相异步电动机和三相异步电动机；按转子结构不同，可分为鼠笼式（普通鼠笼、深槽鼠笼、双鼠笼）异步电动机和绕线式异步电动机；按防护方式的不同，可分为开启式、封闭式，防爆式等；按电机的容量的大小，可分为微型、小型、中型和大型。,5.2异步电动机的定子绕组,5.2.1交流绕组的构成原则及分类,交流绕组是将属于同一相的导体串联起来绕成线圈，再按一定规律将线圈串联或并联起来，交流绕组一般为三相，一般用字母a、b和c分别表示三相绕组的首端，用x、y和z分别表示三相绕组的末端。,虽然交流绕组的型式各不相同，但它们的构成原则基本相同,（1）电动势和磁动势波形要接近正弦波，在一定导体数下力求获得较大 基波电动势和基波磁动势； （2）三相绕组的电动势、磁动势必须对称，电阻、电抗要平衡； （3）绕组铜耗小，用铜量少； （4）绕组的绝缘可靠，机械强度高，散热条件要好，制造方便；,5.2异步电动机的定子绕组,5.2.2交流绕组的基本知识,2、线圈,组成绕组的基本单元是线圈。 由一匝或多匝组成，两个引 出端，一个叫首端，一个叫末端。,（a）叠绕

4、组线圈 （b）波绕组线圈 图5-6 绕组的线圈,5.2异步电动机的定子绕组,3、极距,相邻两磁极对应位置两点之间的距离称为极距，若用定子槽数表示，则,5.2异步电动机的定子绕组,5.2异步电动机的定子绕组,5.2.3三相双层绕组,1、三相双层绕组的特点,双层绕组的特点是每一个槽内有上、下两个线圈边，每个线圈的一个边嵌放在某一个槽的上层，另一个边则嵌放在相隔节距为y1槽的下层，如图5-7 所示。由于每槽内放置上下两个导体边，所以双层绕组的线圈数等于槽数。,图5-7双层绕组,5.2异步电动机的定子绕组,2、槽电动势星形图和相带划分,当把各槽内导体按正弦规律变化的感应电动势分别用矢量表示时，这些矢量构成一个辐射星形图，称为槽电动势星形图。下面以一台4极、36槽三相异步电机为例说明槽电势星形图的绘制和相带的划分。,（1）绘槽电动势星形图,槽电动势星形图,5.2异步电动机的定子绕组,相带划分,（2）划分相带,表5-1 各个相带槽号分布,其相带划分如图所示，以A相为例，A相在每极下应占有3个槽，整个定子中A相共有12个槽，在第一个N极下取1、2、3三个槽作为A相带，在第一个S极下取10、11、12

5、三个槽作为X相带，而10、11、12三个槽分别于1、2、3三个槽相差一个极距，即相差180电角度，这两个线圈组（极相组）反接以后合成电动势代数相加，其合成电动势最大。,5.2异步电动机的定子绕组,3、三相双层绕组展开图,绘制绕组展开图是根据星形图上分相的结果，把属于各相的导体按一定规律连接起来，组成对称三相绕组。 根据线圈的形状和连接规律的不同，双层绕组又分为叠绕组和波绕组两类，本书仅对双层叠绕组进行介绍。,绘制绕组展开图的步骤是： a、绘槽电势星形图 b、划分相带 c、把各相绕组按一定规律连接成对称三相绕组。,5.2异步电动机的定子绕组,图5-9 双层叠绕组A相展开图,下面以一台三相、4极、36槽异步电机为例绘制双层叠绕组展开图,(a) 一条并联支路,5.2异步电动机的定子绕组,(b) 两条并联支路,叠绕组的优点是短距时能节省端部用铜及得到较多的并联支路，缺点是由于极相组间连接线较长，在极相组较多时浪费铜材。主要用在10千瓦以上的中小型同步电机和异步电机的定子绕组中。,5.2异步电动机的定子绕组,5.2.4三相单层绕组,单层绕组的特点是每个槽内只有一个线圈边，所以单层绕组的线圈数等于

6、槽数的一半。,1、同心式,以2极、三相、 24槽电机为例说明,图5-11 同心式绕组展开图（2p=2，Q=24）,5.2异步电动机的定子绕组,2、链式绕组,以6极、三相、36槽电机为例说明,图5-12 链式绕组展开图（2p=6，Q=36）,5.2异步电动机的定子绕组,3、交叉式绕组,以4极、三相、36槽电机为例说明,图5-13交叉式绕组展开图（2p=4，Q=36）,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,5.3.1单相绕组的磁势,因组成一相绕组的基本单元是线圈，所以在分析单相绕组产生的磁势时，我们先从分析一个线圈的磁势入手，进而分析一个线圈组的磁势，最后推出一相绕组产生的磁势。,1、整距线圈的磁势,图5-14 整距线圈产生的磁场,下图表示一台两极电机，设定子上有一整距线圈AX，匝数为NC ，当通入交流电ic时，电流方向如图所示,图5-15 整距线圈产生的磁势,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,因交流绕组中通入的电流是交变电流，假设其随时间按余弦规律变化，即,矩形波的高度跟着变号，正变负，负变正。这种空间位置固定不动，但幅值的大小随时间变化的磁势称为脉振磁势。,将上述的矩形分布的脉

7、振磁势应用富氏级数进行分解，得,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,基波磁势为,次谐波磁势为,2、整距线圈组的磁势,整距线圈组是由若干个节距相等、匝数相同、依次沿定子圆周错开同一角度的整距线圈串联而成，由上述单个整距线圈磁势，很容易推出整距线圈组的磁势。,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,图5-16 整距线圈分布绕组的磁势 （a）合成磁势波 （b）合成磁势的基波,图5-17 线圈组的合成磁势,为基波分布因数,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,同理可证明 次谐波的分布因数为,3、双层短距线圈组的磁势,一两极18槽交流电机， 、极距 、 线圈节距 的双层短距绕组在电机定子槽内实际分布情况,图5-18双层短距绕组一相的线圈组在定子槽内的分布,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,(b)上、下层基波磁势的波形 (c)矢量求基波合成磁势,（a) 等效的整距线圈组,图5-19 双层短距分布线圈组的磁势,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,，,为基波短距因数,为基波绕组因数,同理可证明,4、单相绕组的磁势,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,由于每对极下的磁势和磁阻组成一个

8、对称的分支磁路，若电机有P对极，就有条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波磁势是指每对极下一相绕组的磁势，即等于上述推出的线圈组的磁势。上已推出双层线圈组的磁动势幅值为,因每相串联总匝数为： （单层） （双层）,且 或 IC：导体电流 I：相电流,单相绕组基波磁势的幅值,其单相绕组基波磁势的瞬时值为,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,对于单相绕组产生的 次谐波磁势，仿照基波磁势的分析方法得,5.3.2三相绕组的合成磁势,前面分析了单相绕组的磁势为脉振磁势。将A、B和C三个单相绕组产生的三个单相脉振磁势波逐点相加，即得三相绕组的合成磁势。因为异步电机定子绕组采用分布和短距后谐波磁势大大削弱，所以重点分析对称三相绕组基波和合成磁势，对于三相合成磁势中的高次谐波进行简要介绍。,1、对称三相绕组的基波合成磁势,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,（1）解析法,利用三角公式,将三个脉振磁动势分解得,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,由上式可见，各相电流产生的正向旋转磁势在空间上同相位，反向旋转磁势在空间上互差120。求合成磁势时，正向旋转磁动势直接相加，反向旋转磁势互相抵消，所

9、以三相基波合成磁势为,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,图5-21 时磁动势的分布,称为同步转速,（2）图解法,下面用图解法分析三相基波合成磁势，图5-22中左边三个图表示三个不同瞬间的三相电流的相量，右边三个图表示相应的磁势空间矢量图。,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,图5-22 三相绕组基波合成磁势图解,可以看出，合成磁动势幅值的位置将先与A相绕组轴线重合，再依次与B相、C相绕组轴线重合，所得到的合成磁势是一个正向推移的旋转磁势波。三相交流电流变化一个周期，旋转磁势相应地转过360电角度,从以上分析可知：三相对称绕组通入三相对称电流后， 所形成的合成磁势为幅值不变的旋转波 综合上述分析，得出三相基波合成磁势具有以下特性 三相合成磁势为正弦分布旋转磁势，转向由超前电流相转到滞 后电流相。要改变磁场转向，只须改变三相电流的相序。 幅值F1不变，为各相脉振磁势幅值的3/2倍，且旋转幅值的 轨迹是圆，所以称为圆形旋转磁场。 当某相电流达最大值时，合成旋转磁势的幅值恰在这一相 绕组轴线上。,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,2、三相合成磁势中的高次谐波,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,将A、B、C三相绕组所产生的次谐波相加可得三相次谐波合成磁势,5.3三相异步电动机的定子磁动势与磁场,2、当 即=7，13，19 时,谐波磁势的存在将影响电机的运行性能。在异步电机中，谐波磁势引起附加损耗、振动、噪音和产生附加转矩，使电机性能变坏。,5.4三相异步电动机定子绕组的感应电动势,5.4.1导体的感应电动势,(a)二极异步电机 ( b) 主极磁场在空间的分布 (c)导体中感应电动势的波形 图5-23 气隙磁场正弦分布时导体内的感应电动势,设,5.4三相异步电动机定子绕组的感应电动势,2、导体感应电动势的频率,若p=1 ，电角度=机械角度 ，转子转一周感应电势交变一次，设转子每分钟转ns转（即每秒转ns/60转

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