1、电机与拖动,电气维修技师 (五),（ 电机与拖动 ）电子教案,第一节 三相异步电动机的工作原理与结构,交流机,步电动机,异步电动机,单相异步电动机,三相异步电动机,绕线机,笼型机,异步电动机的特点：结构简单、使用和维修方便、坚固耐用等优点，在工农业生产中应用极为广泛。,一.三相异步电动机的旋转磁场把对称的三相交流电通入彼此间隔120电角度的三相定子绕组，可建立起一个旋转磁场。通过图4.1 4.2 4.3讲解：,图4.1 三相交流电动机定子三相绕组排列示意图,图4.2 三相交流电产生旋转磁场示意图,1. 旋转磁场的旋转速度旋转磁场的速度也称为“同步转速”，用n1表示，其单位是“r/min”。它的
2、大小由交流电源的频率及磁场的磁极对数决定。,n1=60f/P (r/min),图4.3三相交流异步电动机产 生4个磁极的定子绕组,结论： 1）三相对称的绕组，通过三相对称的交流电后，可产生施转的磁场。 2）当电流变化一周时，二极旋转磁场在空间施转一周。 3）旋转磁场的旋转方向决定于三相电流的相序。,二、三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的基本原理，即：把对称的三相交流电通入彼此间隔120电角度的三相定子绕组，可建立起一个旋转磁场。根据电磁感应定律可知，转子导体中必然会产生感生电流，该电流在磁场的作用下产生与旋转磁场同方向的电磁转矩，并随磁场同方向转动。,1、转子的旋转速度转子的旋转速度一般
3、称为电动机的转速，用n表示。根据前面的工作原理可知，转子是被旋转磁场拖动而运行的，在异步电动机处于电动状态时，它的转速恒小于同步转速n1，这是因为转子转动与磁场旋转是同方向的，转子比磁场转得慢，转子绕组才可能切割磁力线，产生感生电流，转子也才能受到磁力矩的作用。2. 转差率旋转磁场的同步转速与转子转速之差与同步转速的比值，称为异步电动机的转差率，即,s =(n1-n)/n1,结论：1） 对称本相绕组中通入对称三相交流电产生旋转磁场；2）转子导体切割旋转磁场产生感应电动势的感 应电流；3） 转子载流导体在磁场中受电磁力的作用，形成电磁转矩使转子转动。,3. 三相异步电动机的转速与运行状态根据转差
4、率的大小和符号可以判断异步电动机的三种运行状态。如4.4所示1）电动运行状态2）发电运行状态3）电磁制动运行状态,图4.4 异步电动机的3种运行状态,例: 41 书97页,三、三相异步电动机的结构异步电动机的结构也可分为定子、转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。见图4.5所示。,图4.5 封闭式三相异步电动机的结构1端盖 2轴承 3机座 4定子绕组 5转子 6轴承 7端盖 8风扇 9风罩 10接线盒,1. 定子部分定子部分由机座、定子铁心、定子绕组三部分组成。(1) 机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而
5、成，如图4.6(a)所示。,(a) 机座 (b) 铁心图4.6 定子铁心,(2) 定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组，如图4.6(b)所示。,(3) 定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。定子绕组可接成星形或三角形。如图4.7
6、、4.8所示.,图4.7 定子绕组的接法,2. 转子转子是电动机中的旋转部分，如图4.5中的部件5。一般由转轴、转子铁心、转子绕组、端盖风扇等组成。端盖：起防护作用的同时，用以支撑转子轴。风扇：则用来通风起散热作用。1）转子铁心：也是电动机磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片(见图4.9叠压成圆柱体，并紧固在转子轴上。转子铁心的外表面有均匀分布的线槽，用以嵌放转子绕组。,图4.9 转子硅刚片,图4.8 定转子绕组的接线,2）转子绕组三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。(1) 笼型转子线槽一般都是斜槽(线槽与轴线不平行)，目的是改善起动与调速性能
7、。其外形如图4.5中的第5部分；笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接)，即构成了转子绕组；小型笼型电动机一般用铸铝转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。整体如4.10(c) 所示.如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以得名笼型绕组，如图4.10所示。图4.10(a)为笼型直条形式，图4.10(b)为笼型斜条形式。,(a) 直条形式 (b) 斜条形式 (c) 铸铝的转子图4.10 笼型异步电动机的转子绕组形式,(2) 绕线型转子绕组：将三相绕组镶嵌在转子铁心槽内，绕组一般采用星形
8、连接，三相绕组绕组的尾端接在一起，首瑞分别接到转轴上的3个铜滑环上，通过电刷把3根旋转的线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便于控制，如图4.11所示。有的电动机还装有提刷短路装置，当电动机起动后又不需要调速时，可提起电刷，同时使用3个滑环短路，以减少电刷摩损。,图4.11 绕线式异步电动机的转子,两种转子相比较，笼型转子结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用十分广泛。绕线型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能较好，并能利用变阻器阻值的变化，使电动机能在一定范围内调速；在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械(如起重机)中常常被采用。,3. 气隙所谓气隙就是定子与
9、转子之间的空隙。中小型异步电动机的气隙一般为0.2mm2mm。气隙的大小对电动机性能影响较大，气隙大。磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流Im也越大，电动机的功率因数也就越低。但气隙过小，将给装配造成困难，运行时定、转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。,4、三相异步电动机的铭牌数据铭牌上标注着额定数据。主要的额定数据为：(1) 额定功率PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。,(2) 额定电压UN(v)：指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。(3) 额定电流IN(A)：指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。(4) 额定转速门nN(r
10、/min)：指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速。(5) 额定频率fN(Hz)：指电动机所接交流电源的频率。(6) 额定工作制：指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。 此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形)、绝缘等级及温升等。对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。,第二节 三相交流电动机的定子绕组,异步电动机定子绕组的种类很多。1）按相数分：有单相、二相和三相绕组；2）按槽内层数分：有单层、双层和单双层混合绕组；3）按绕组端接部分的形状分：单层绕组又有同心式、交叉式
11、和链式之分；双层绕组又有叠绕组和波绕组之分；4）按每极每相所占的槽数是整数还是分数分：有整数槽和分数槽绕组之分等等。但构成绕组的原则是一致的。尽管交流绕组种类很多，但由于三相双层绕组能较好地满足对交流绕组的基本要求 ，所以现代动力用交流电机一般多采用三相双层绕组。,一、定子绕组的几个基本概念1、绕组元件用线模把导线绕成圈，然后按着一定规律把线圈嵌入定子铁心槽内，再连接成各相的绕组。这些线圈称为绕组元件。线圈可以是单匝或多匝。,2、机械角度与电角度电动机定子铁心内圆周角在几何上为 ，称其为机械角度。从磁场的观点看，一对磁极，磁场就变化一周，因此把一对磁极对应的机械角度定义为 电角度。电角度=p机
12、械角度,3、槽距角相邻两个槽之间的电角度称为槽距角a。,4、 极距 相邻异性磁极轴线沿定子内圆表面的距离称为极距。,5、节距 一个绕组元件两条有效边之间所踌的槽数称节距。,空间长度为,节距,整距绕组：节距等于极距的绕组。 短距绕组：节距小于极距的绕组。 长距绕组：节距大于极距的绕组。,6、每极每相槽数q 每相绕组在每一个磁极下所占据的槽数。若相数为m，则,7、相带每相绕组在每个磁极下连续占有的宽度称相带（用电角度表示。将每相所占有的槽数均匀地分布在每个磁极下，因为每个磁极占1800，对于三相绕组，每个磁极下有三个相带，每个相带占有600的电角度，称为600相带。,8、极相组每个磁极下同一相的
13、个线圈，按一定规律连接起来，就构成相组，将同一相的若干个极串联或并联，就构成了一相绕组。,二、三相单层绕组（略讲）定义:定子或转子每槽中只有一个线圈边的三相交流绕组称为三相单层绕组。（一）、相关概念:1、单层绕组：三相交流绕组由于每槽中只包含一个线圈边，所以其线圈数为槽数的一半。三相单层绕组比较适合于10KW以下的小型交流异步电机中，很少在大、中型电机中采用。2、 分类：按照线圈的形状和端部连接方法的不同，三相单层绕组主要可分为链式、同心式和交叉式等型式。见书102106页说明。,三、三相双层绕组（略讲）：指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
14、另一槽的下层的一种绕组结构。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。见书106107页。,第三节 异步电动机的运行原理,一、三相异步电动机的空载运行异步电动机定子绕组接在对称三相交流电源上，转子轴上不带任何机械负载时的运行，称为空载运行。1、空载电流与空载磁动势三相异步电动机空载运行时，定子三相绕组有空载电流流过，有Io表示，其大小约为额定电流的30%左右。空载电流由二部分构成，其中绝大部分有来产生气隙磁场，称励磁电流，是空载电流的无功分量用I0
15、a表示;别一部分用来供给铁损耗，称铁耗电流，是空载电流的有功分量，用I0r表示。故穿戴电流Io= I0a+ I0r。异步电动机的空载电流大，这是因为异步机磁路中有气隙。 则空载磁势为：,2、空载运行时的电磁关系异步电动机定子绕组接在对称三相交流电源时，空载电流产生定子磁动势F0产生的主磁通 它的通路为：定子铁心气隙转子铁心-气隙-定子铁心。由于主磁通同时交链定、转子绕组，因而同时在定、转子绕组中产生感 应电动势E1和E2。,图4.12 异步电动机的主磁通与漏磁通,图4.13 空载运行时电磁关系,3、感应电动势,漏磁电动势,4、电压平衡方程势及等级电路根据基尔霍夫定律得,转子回路电压,根据电压平
16、衡方程式可以得出变压器相似的空载等效电路如图4.14所示。,图4.14 转子绕组开路时异步电动机的等效电路与相量图,二、三相异步电动机的负载运行电动机轴上带有机械负载， 以阻转矩作用于电动机轴上，使电动机转速下降，转差率将增大，它将引起电动机内部许多物理的变化。,1、转子各量与转差率的关系1) 转子电动势的频率与转差率当转子旋转时，旋转磁场不再以同步转速，而是以转速差(n1-n)切割转子绕组，故转子绕组中感应电动势的频率(称为转子频率)为：,2) 转子电动势转子旋转时的电动势E2s为式中 转子静止时的转子电动势。当n=0，即s=1时，E2s=E20，额定负载时，由于s很小，所以转子旋转时的转子
17、电动势E2s比转子静止时的低很多。3) 转子绕组的漏电抗因为电抗与频率成正比，故旋转时的转子漏电抗X2s为,4）、转子电流,5）、转子功率因数,Cos2=,由以上分析可知：转子各量都是转差率的函数。异步电动机带负载时定、转子电路如图4.15所示。,图4.15 异步电动机的定、转子电路,2、磁动势平衡方程式,定子磁势、转子磁势和励磁磁势的基波幅值分别为：,3、异步电动机的等效电路把转子侧折算到定子侧的折算原则：电动机从电网吸取的功率和定、转子中的损耗不变，定、转子的电磁过程不变。,1）频率的折算频率的折算就是把频率不同的两个电路折合为频率相同的等效电路。转子旋转时的转子电流为：,如把上式的分子、
18、分母都除以s，可化为此式变为转 子不动时的电流，等效的静止转子电阻变为,因此经过频率折算后，等效的静止串入了大小等于 的附加电阻，如图4.23所示。,图4.23 频率折算后定、转等效电路,2) 绕组折算（1）转子电流的折算：折算前后转子磁动势保持不变。则有：,（2）转子电势的折算：折算前后气隙主磁通保持不变的原则可得：,（3）阻抗的折算：折算前后转子铜损不变的原则可得：,综上所述，折算后的异步电动机的基本方程式为：,3) 等效电路 根据前面推导的方程，可以绘出异步电动机的T形等效电路如图4.24所示。,图4.24 异步电动机T形等效电路,第四节 三相异步电动机的功率和转矩,异步电动机是一种机电
19、能量转换元件，是通过电磁感应作用把电能传送到转子再转化为轴输出机械能。本节从能量观点出发阐述电动机的能量转换过程，分析其功率和转矩的平衡关系。,一、功率关系电动机从电源吸收电功率大小为消耗在定子绕组电阻上铜损耗为：定子铁心的磁滞和涡流损耗为：,余下的有功功率通过气隙旋转磁场的耦合传递给转子，这部分称为电磁功率为：,转子绕组中产生铜损耗为：,从电磁功率中减去转子铜损耗后，就是转子上所产生的全部机械功率，即,电动机功率关系可用下式表达式为：电动机的总损耗为：,图4.24 异步电动机的功率流程图,功率流程图为,二、转矩平衡方程式 由功率方程式可得：,T=T2+T0,电磁转矩公式为：,例 42 书11
20、7页,第五节 三相异步电动机的工作特性和参数测定,一、三相异步电动机工作特性,三相异步电动机的工作特性是指电源电压、频率均为额定值的情况下，电动机的定子电流、转速(或转差率)、功率因数、电磁转矩、效率与输出功率的关系。特性曲线如图4.25所示.,图4.25 异步电动机的工作特性,1. 转速特性n=f(P2) 由 可知，当P2增加时，T2也增加，T2增加会使转速n降低，但是异步电动机转速变化范围较小，所以转速特性是一条稍有下降的曲线。,2. 转矩特性T=f(P2),异步电动机稳定运行时，电磁转矩应与负载制动转矩TL相平衡，即T=TL=T2+T0，电动机从空载到额定负载运行，其转速变化不大，可以认
21、为是常数。所以，T2与P2成比例关系。而空载转矩T0可以近似认为不变，这样，T和P2的关系曲线也近似为一直线，如图4.25所示。 3. 定子电流特性 I1 = f (P2),随着负载的增大，转子转速略有降低，转子电流增大，为了磁动势平衡，定子电流的负载分量也相应的增大，I1随着P2增大而增大。但并不完全正比,是一休不通过原点上翘的曲线如图4.25所示。,4. 功率因数特性,异步电动机空载运行时，定子电流基本上是产生主磁通的励磁电流，功率因数 很低，约为0.10.2。随着负载的增大，电流中的有功分量逐渐增大，功率因数也逐渐提高。在额定负载附近，功率因数 达到最大值。如果负载继续增加，电动机转速下
22、降较快，转子漏抗和转子电流中的无功分量迅速增加，反而使功率因数下降，这样就形成了如图4.25所示的功率因数特性曲线。,5. 效率特性,二、三相异步电动机的参数测定,电机的参数也是通过空载试验和短路试验测定。,1. 空载试验,空载试验的目的是确定电动机的励磁参数以及铁损耗和机械损耗。测得空载特性曲线如图4.2所示。,图4.26 异步电动机的空载特性,空载时，转子铜损耗和附加损耗很小，可忽略 不计。此时电动机的三相输入功率全部用以补偿定 子铜损耗、铁损耗和转子的机械损耗，即,所以从空载功率减去定子铜损耗，就可得到铁损耗和机械功率损耗两项之和,由于铁损耗 与磁通密度的平方成正比，因此可认为它与 成正
23、比，而机械损耗的大小仅与转速有关，与端电压高低无关，可认为 是个常数。因此，把不同电压下的机械损耗和铁损耗两项之和与端电压的平方值画成曲线 ，并把这一曲线延长到U1=0处，如图4.26虚线所示，则虚线以下部分就表示与电源电压大小无关的机械损耗，虚线以上部分就是铁损耗。,图4.26 机械损耗与铁耗的求法,励磁参数按下面的方法确定：定子加额定电压时，根据空载试验测得的数据I10和P0，可以算出,2. 短路试验,短路试验是在转子堵住不转时，对定子绕组施加不同数值的电压，故又称堵转试验。特性如图4.27所示。,图4.27 异步电动机的堵转特性,定子输入功率PK都消耗在定、转子的电阻上，即,小结： 异步电动机的结构及工作原理。 异步电动机的运行特性。 作业： 书 125127的1、2、3、6、9、18、25、44、45。,
