1、1,重庆大学自动化学院,电机学及拖动基础,2,第四章 异步电机（一）,三相异步电动机的基本原理,3,主要内容,第一节 三相异步电动机的工作原理及结构 第二节 三相异步电动机的铭牌数据 第三节 三相异步电动机的定子绕组 第四节 三相异步电动机的定子磁动势及磁场 第五节 三相异步电动机定子绕组的电动势,4,第一节 三相异步电动机的工作原理及结构,交流电机有异步电机和同步电机两大类 同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系 异步电机则不然。异步电机定子接上电源以后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。 异步电机一般都作电动机使用，应用最广泛,
2、5,一 三相异步电动机的工作原理与运行状态,直流电动机静止磁场+导入电枢绕组的电源电流电磁转矩 三相异步电动机旋转磁场+感应出转子绕组的感生电流电磁转矩 三相异步电动机中实现机电能量转换的前提是产生一种旋转磁场,6,旋转磁场一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。,1.旋转磁场的产生,A-X、B-Y、C-Z三个线圈分布在定子铁心内圆圆周上，从空间上，B相从A相、C相从B相、A相从C相均后移120构成对称三相绕组； 该绕组接上对称的三相电源通过对称三相电流：,首端,考察每相仅一个线圈的情况：,7,三相电流合成磁场的分布情况：,结论：当对称三相电流通入对称三相绕组时，产生一个大小不变、转速一定
3、的旋转磁场。,电流方向：“+”首端流出、末端流入；“-”末端流出、首端流入。,8,三相电流：任意调换两根电源进线（B相和C相互换）,2.旋转磁场的旋转方向,首端,结论：任意调换两根电源进线则旋转磁场反转，即旋转磁场的旋转方向取决于三相电流的相位。,9,每相一个线圈：绕组的始端之间互差180o,3.旋转磁场的磁极对数,极对数：,10,每相两个线圈串联：绕组的始端之间互差90o,极对数：,结论：旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列规则有关。,11,p=1：三相电流经过一个周期T，旋转磁场在空间上转过360o，即电流变化一次，旋转磁场转过一转，因此转速ns与交流电流频率f1的关系：,4.旋转磁场的转速
4、,N,N,N,N,12,p=2：三相电流经过一个周期T，即电流变化一次，旋转磁场在空间上仅转过1/2转，因此转速ns与交流电流频率f1的关系：类推，对于p对磁极的旋转磁场，电流变化一次，磁场转过1/p转。,N,N,N,N,结论：旋转磁场的转速ns（同步转速）与电源频率f1、极对数p有关。,13,定子铁心上嵌有对称三相绕组，接到对称三相电源后，在定子和转子间的气隙中建立以同步转速ns旋转的旋转磁场； 转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端用铜环连接成一个整体，构成闭合回路； 导条被旋转磁场切割感应电动势； 导条构成闭合回路有感生电流流过； 导条在旋转磁场中、并流过感生电流，必受到电磁力； 所有导
5、条的电磁力合成为电磁转矩； 转子跟随旋转磁场旋转，转速为n，实现机电能量转换。,5.三相异步电动机的工作原理,旋转磁场以ns逆时针转动 感应电动势和电流方向：N极下流入、S极下流出 电磁力和电磁转矩方向：逆时针 转子旋转方向：逆时针,14,异步电动机转动的关键，在于导条与旋转磁场之间存在相对运动，从而发生电磁感应作用、产生感应电动势和感生电流、产生电磁力和电磁转矩 结论：异步电动机的转子转速n总是略小于旋转磁场的同步转速ns，即与旋转磁场“异步”地转动“异步”电动机 转速ns与n之差称为转差结论：转差的存在是异步电动机运行的必要条件 转差ns-n与同步转速ns之比的百分值转差率转子转速n亦可由
6、转差率求得：,问题：转子转速n多少？能否与ns相同？能否超过？,6.三相异步电动机的转速,异步电动机的一个基本变量，在分析异步电动机运行时有着重要地位,15,根据转速或转差率的不同，异步电机分别对应于三种不同的运行状态：,7.三相异步电动机的运行状态,（1）电动机状态00，发出机械功率 定子侧：吸收电功率 吸收电功率发出机械功率电动机,（2）发电机状态nns或s0 转子侧：Te与n反向，Te为制动转矩，Te0，吸收机械功率 定子侧：发出电功率 吸收机械功率发出电功率发电机,16,（3）电磁制动状态n1 转子侧：Te与n反向，Te为制动转矩，Te0，吸收机械功率 定子侧：吸收电功率 吸收电功率+
7、吸收机械功率转子电阻热损耗电磁制动状态,异步电机三种运行状态对比：,17,二 三相异步电动机的结构,绕线转子异步电机剖面图 1转子绕组 2端盖 3轴承 4定子绕组 5转子铁心 6定子铁心 7集电环 8出线盒,18,19,20,异步电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。 定子铁心：是异步电机主磁通磁路的一部分。,1、定子,21,定子绕组：是异步电机定子部分的电路。由许多线圈按一定规律连接而成，单层或双层形式,定子冲片减少旋转磁场的涡流损耗和磁滞损耗,22,机座：固定和支撑定子铁心。,2、转子,异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 转子铁心：也是异步电机主磁通磁路的一部分。,2
8、3,转子绕组：分为鼠笼型和绕线型两种结构。,1）鼠笼型绕组 由于异步电机不需外电源对转子绕组供电，故绕组可自行闭合，绕组的相数亦不必限定为三相。因此，笼型绕组的各相均由单根导条组成。 由于异步电机转差率在5%以下，故导条中的感应电动势不大，无需对导条和铁心绝缘。因此，笼型绕组可由插入每个转子槽中的导条和两端的环形端环组成。 特点：笼型转子既无集电环，又无绝缘。,24,鼠笼型转子,25,2）绕线型绕组 与定子绕组一样，绕线型绕组也是一个对称三相绕组，这个对称三相绕组接成星形，并接到转轴上的三个集电环上，再通过电刷使转子绕组与外电路接通。 特点：绕线型转子通过集电环和电刷，可以在转子回路中接入附加
9、电阻或其他控制装置，从而改善电机的起动性能或调速特性。,26,绕线型转子,27,气隙大小与异步电动机的性能关系很大：一方面：气隙大磁阻大励磁电流大电机的功率因数变坏；另一方面：气隙大磁阻大减少气隙磁场谐波含量减少附加损耗，且改善起动性能。 应综合考虑，一般异步电动机的气隙以较小为宜,3、气隙,28,第二节 三相异步电动机的铭牌数据,额定功率：电动机在额定运行状态时输出的机械功率，kW 额定电压：额定运行时，电网加在定子绕组的线电压，V 额定电流：电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组中的线电流，A 额定频率：我国规定标准工业用电频率50Hz 额定转速：电动机在额定电压、额定频率及额定
10、功率下的转子转速，r/min 此外，还标明有相数与接法、绝缘等级、运行温升、额定效率、额定功率因数等；对绕线转子异步电动机，还标明有额定电动势、额定电流等。,29,第三节 三相异步电动机的定子绕组,三相交流绕组的绕组结构 三相交流绕组产生的磁势分析 三相交流绕组产生的感应电势分析 是交流电机的共同理论问题,30,一 交流绕组的一些基本知识和基本量,1、电角度与机械角度,电角度= p机械角度,电机圆周在几何上为360o，该角度称为机械角度,从电磁角度看，一对N、S极构成一个磁场周期，即一对磁极占有的空间为360o电角度 电机的极对数为p时，电机圆周按电角度计算就为p360o，而机械角度总是360
11、o，即：,31,2、线圈（绕组元件）,组成交流绕组的基本单元是线圈 线圈可以分为单匝线圈和多匝线圈 线圈有两个引出线，一个叫首端，另一个叫末端,32,3、节距y1,一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用y1表示，一般用槽数计算。 节距应接近极距y1=整距绕组y1长距绕组 常用的是整距和短距绕组,33,4、槽距角,相邻槽之间的电角度称为槽距角，用表示 若Q1为定子槽数、p为极对数，则槽距角：,图例中，Q1=36机械角：槽距角：,34,5、每极每相槽数q,每一个极下每相绕组所占的槽数，称为每极每相槽数，用q表示 若Q1为定子槽数、p为极对数、m为相数，则：进一步，可得三相绕组中与q之间的
12、关系：,35,6、相带,每个极距内属于同一相的槽所占有的连续区域称为相带，用电角度表示 一般的三相异步电动机中都采用60o相带绕组,三相绕组每个极距内共有三个相带； 每个极距为180o电角度； 则每个相带为60o电角度； 每相绕组的所有相带均相隔一个极距。这样排列的对称绕组称为60o相带绕组,36,二 交流绕组的基本要求和构成原则,1、基本要求：,必须形成规定的磁场极数； 多相绕组必须对称，不仅要求m相绕组的匝数、跨距、以及在圆周上的分布情况相同，而且m相绕组的轴线在空间上互差360o/m电角度； 力求绕组磁场和感应电动势接近正弦波，因此采用分布绕组和短距绕组； 力求绕组磁场和感应电动势最大，
13、因此线圈跨距应尽可能接近极距、且对于三相绕组尽可能采用60o相带； 用铜省；下线方便；强度好。,37,2、构成原则：,均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等。每极槽数用极距表示每极每相槽数q 对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开120o电角度。如槽距角为，则相邻两相错开的槽数为120o/ 电势相加原则：线圈两个边的感应电动势应该相加，线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。如线圈的一个边在N极下，则另一个边应在S极下,38,三 交流绕组的排列和连接,为便于说明，假设给定电机极数2p=4，槽数Q1=24,1、极距的计算：,对于2p=
14、4、Q1=24，则=6,2、线圈中的电流方向：,要求：相邻极距下同一相绕组的线圈边中电流方向相反,39,3、确定相带：,按对称性要求，每相绕组占有相等的槽数Q1/m； 每相绕组按极距对称而均匀地分组分布，每个极距内一个线圈组，每个组槽数即为q=Q1/2pm； 对于Q1=24、m=3、2p=4，则q=2，即每个相带占据2个槽、对应于60o电角度。,4、画定子槽的展开图：,确定相带和应有的电流相对方向,单层一相绕组的一种连接方法,40,三相绕组排列和连接的一般方法归纳为：,计算极距； 计算每极每相槽数q； 划分相带； 组成线圈组 按极性对电流方向的要求分别构成一相绕组,41,四 三相单层绕组,特点
15、：单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边，整个绕组的线圈数等于总槽数的一半。,假设Q1=24槽、m=3相、2p=4极，说明单层绕组构成,1、计算极距：,2、计算每极每相槽数：,分极：将总槽数按给定极数均匀分开,分相：将每个极域槽数按给定相数均匀分开，三相在空间错开120o电角度,42,3、划分相带：,43,4、组成线圈组：,将一对极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线圈，共有q个线圈 将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组，共有p个线圈组 以上连接应符合电势相加原则,44,5、连相绕组：,将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端,串联与并联： 电势相加原则最大并联支路数： a=
16、p,45,将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 Y接法或接法,等元件式整距叠绕组，缺点：端接部分重叠层数较多 由于所形成的磁动势仅与线圈边中的电流方向有关，而与线圈边连接次序无关同心式绕组,特点：线圈组中各线圈节距不等，各线圈轴线重合,46,五 三相双层绕组,特点：双层绕组的每一个槽内有上下两个线圈边，每个线圈的一个边放在某个槽的上层，另一个边放在相隔节距y1的槽的下层，整个绕组的线圈数等于总槽数。,仍假设Q1=24槽、m=3相、2p=4极，说明双层叠绕组构成,1、计算极距：,2、计算每极每相槽数：,分极：将总槽数按给定极数均匀分开,分相：将每个极域槽数按给定相数均匀分开，三相在空间错开1
17、20o电角度,47,3、划分相带：,双层绕组应对每层线圈边确定其所属相带 通常用上层线圈边的分相作为代表，称为槽的分相 按照绕组节距y1，下层线圈边的分相随即自动确定,48,4、组成线圈组：,将同一极域内属于同一相的上层边与相隔y1的下层边连成一个线圈，共有q个线圈 线圈边之间的距离取决于选定的节距y1 将同一极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组，共有2p个线圈组 以上连接应符合电势相加原则,y1=6,49,5、连相绕组：,将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端串联与并联 电势相加原则最大并联支路数 a=2p按照同样方法构造其他两相 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组,A相绕组连接,50,单层和双层绕组特点对比,线圈边数：单层每槽1个； 双层每槽2个 节距y1：单层整距； 双层短距、整距 线圈数：（一对极下）单层每相q个； 双层每相2q个 线圈组数：（一对极下）单层每对极1个共p个；双层每对极2个共2p个 连接方式：线圈组内串联；组间可串、并联单层最大支路a=p个； 双层最大支路a=2p个,51,第四章 第一部分 结束,
