三相異步電機(jī)工作原理.ppt

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4.1 三相異步電動機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu),4.2 交流電機(jī)的繞組,4.3 交流電機(jī)繞組的感應(yīng)電動勢,4.4 交流電機(jī)繞組的磁動勢,4.5 三相異步電動機(jī)的空載運(yùn)行,4.6 三相異步電動機(jī)的負(fù)載運(yùn)行,4.7三相異步電動機(jī)的等效電路和相量圖.,4.8三相異步電動機(jī)的功率平衡、轉(zhuǎn)矩平衡,三相異步電機(jī)主要用作電動機(jī)，拖動各種生產(chǎn)機(jī)械。結(jié)構(gòu)簡單、制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，成本低，效率高，得以廣泛應(yīng)用。但是，功率因數(shù)低、起動和調(diào)速性能差。,4.1三相異步電動機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu),4.1.1三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu),一、定子部分,1.定子鐵心：由導(dǎo)磁性能很好的硅鋼片疊成——導(dǎo)磁部分。,2、定子繞組：放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)——導(dǎo)電部分。,3、機(jī)座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。,二、轉(zhuǎn)子部分,1、轉(zhuǎn)子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。,2、轉(zhuǎn)子繞組： 1）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心的每個(gè)槽內(nèi)插入一根裸導(dǎo)條，形成一個(gè)多相對稱短路繞組。2）繞線式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組為三相對稱繞組，嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)。,異步電動機(jī)的氣隙是均勻的。大小為機(jī)械條件所能允許達(dá)到的最小值。,三、氣隙,按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分：,繞線型異步電動機(jī),鼠籠型異步電動機(jī),繼續(xù),繼續(xù),下面是它主要部件的拆分圖。,右圖是一臺三相鼠籠型異步電動機(jī)的外形圖。,鼠籠型轉(zhuǎn)子鐵心和繞組結(jié)構(gòu)示意圖,三相繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖,返回,4.1.2 三相異步電動機(jī)的基本工作原理,一、轉(zhuǎn)動原理,1、電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。,2、磁生電：旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電動勢和電流。,3、電磁力：轉(zhuǎn)子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。,二、轉(zhuǎn)差率,轉(zhuǎn)差率是異步電機(jī)的一個(gè)基本物理量，它反映電機(jī)的各種運(yùn)行情況。,負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差率越大；反之，轉(zhuǎn)差率越小。轉(zhuǎn)差率的大小能夠反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小或負(fù)載大小。電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：,額定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率一般在0.01~0.06之間，即電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步速。,同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即：,三、異步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)轉(zhuǎn)差率的大小和正負(fù),異步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài),4.1.3 型號和額定值,一、型號,例:,額定值關(guān)系有：,,二、額定值,三相異步電動機(jī)的定子部分在結(jié)構(gòu)上和同步電動機(jī)的定子部分完全相同。 對中、小容量的低壓異步電動機(jī)，通常定子三相繞組的六個(gè)出線頭都引出，這樣可根據(jù)需要靈活 地接成“Y”形或“D”形。,三、接線,4.2交流電機(jī)的繞組,4.2.1 交流繞組的基本知識,一、基本要求和分類,1）三相繞組對稱；,2）力求獲得最大的電動勢和磁動勢；,3）繞組的電動勢和磁動勢的波形力求接近正弦；,4）節(jié)省用銅量；,5）繞組的絕緣和機(jī)械強(qiáng)度可靠，散熱條件好；,6）工藝簡單、便于制造、安裝和檢修。,二、交流繞組的基本概念,1、極距,兩個(gè)相鄰磁極軸線之間沿定子鐵心內(nèi)表面的距離。若定子的槽數(shù)為Z，磁極對數(shù)為p，則極距：,2、線圈節(jié)距,一個(gè)線圈的兩個(gè)有效邊之間所跨的距離稱為線圈的節(jié)距。,3、電角度,4、槽距角,相鄰兩個(gè)槽之間的電角度：,6、相帶,每個(gè)極面下的導(dǎo)體平均分給各相，則每一相繞組在每個(gè)極面下所占的范圍，用電角度表示稱為相帶。,每一個(gè)極面下每相所占的槽數(shù)為,5、每極每相槽數(shù),4.2.2 三相單層繞組,單層繞組的每個(gè)槽內(nèi)只放一個(gè)線圈邊，電機(jī)的線圈總數(shù)等于定子槽數(shù)的一半。單層繞組分為鏈?zhǔn)?、交叉式和同心式繞組。,一、單層鏈?zhǔn)嚼@組,單層鏈?zhǔn)嚼@組由形狀、幾何尺寸和節(jié)距相同的線圈連接而成，整個(gè)外形如長鏈。,鏈?zhǔn)嚼@組的每個(gè)線圈節(jié)距相等并且制造方便；線圈端部連線較短并且省銅。主要用于q=2的4、6、8極小型三相異步電動機(jī)。,二、單層交叉式繞組,單層交叉式繞組由線圈數(shù)和節(jié)距不相同的兩種線圈組構(gòu)成，同一組線圈的形狀、幾何尺寸和節(jié)距均相同，各線圈組的端部互相交叉。,交叉式繞組由兩大一小線圈交叉布置。線圈端部連線較短，有利于節(jié)省材料，并且省銅。廣泛用于q1的且為奇數(shù)的小型三相異步電動機(jī)。,三、單層同心式繞組,同心式繞組由幾個(gè)幾何尺寸和節(jié)距不等的線圈連成同心形狀的線圈組構(gòu)成。,同心式繞組端部連線較長，適用于q=4、6、8等偶數(shù)的2極小型三相異步電動機(jī)。,三相單層繞組的優(yōu)缺點(diǎn),4.2.3 三相雙層繞組,雙層繞組每個(gè)槽內(nèi)放上、下兩層線圈的有效邊，線圈的每一個(gè)有效邊放在某一槽的上層，另一個(gè)有效邊則放置在相隔為y 的另一槽的下層。,雙層繞組分雙層疊繞組（如圖2a=1）和雙層波繞組（略）。,雙層繞組的特點(diǎn)：,1）線圈數(shù)等于槽數(shù)；,2）線圈數(shù)組數(shù)等于極數(shù)，也等于最大并聯(lián)支路數(shù)；,3）每相繞組的電動勢等于每條支路的電動勢。,4.3交流電機(jī)繞組的感應(yīng)電動勢,4.3.1 線圈的感應(yīng)電動勢及短距系數(shù),一、一根導(dǎo)體的電動勢,二、整距繞組的電動勢,每個(gè)整距繞組由Nc個(gè)相同和線匝組成，每個(gè)整距線圈的電動勢:,電動勢頻率:,電動勢大小:,電動勢波形:,三、短距線圈的電動勢,每個(gè)短距線圈的電動勢:,稱為短距系數(shù)：線圈短距時(shí)電動勢比整距時(shí)打的一個(gè)折扣．,,4.3.2 線圈組的感應(yīng)電動勢及分布系數(shù),一組線圈由q個(gè)線圈組成,若q個(gè)線圈為集中繞組時(shí),各線圈電動勢大小相等、相位相同，線圈組電動勢為:,若q個(gè)線圈為分布繞組,放在q個(gè)槽內(nèi),各線圈電動勢大小相同,相位相差α電角度,電動勢為:,稱為基波分布系數(shù):線圈組電動勢等于集中線圈組電動勢打的一個(gè)折扣.,稱為基波繞組系數(shù)。,4.3.3 一相繞組的基波感應(yīng)電動勢,一繞組有2a條支路，一條支路由若干個(gè)線圈組路串聯(lián)組成。一相繞組的基波電動勢為一條支路的基波電動勢,一、一相繞組的基波電動勢,對單層繞組：,對雙層繞組：,二、短距繞組、分布繞組對電動勢波形的影響,對V次諧波：,改善電動勢波形的方法:,（１）采用短距繞組來削弱高次諧波,（２）采用分布繞組來削弱高次諧波,１．改善主磁極磁場的分布,２．改善交流繞組的構(gòu)成，削弱諧波電動勢,３．采用Ｙ接線消除線電動勢中的三及其倍數(shù)的奇次諧波,4.4交流電機(jī)繞組的磁動勢,4.4.1 單相繞組的磁動勢,一、整距集中繞組的磁動勢,一臺兩極氣隙均勻的交流電機(jī),一個(gè)整距繞組通入交流電流,線圈磁動勢在某瞬間的分布如圖,由全電流定律得:,忽略鐵心磁阻,磁動勢完全降落在兩個(gè)氣隙上.每個(gè)氣隙的磁動勢為:,空間分布為矩形波,隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化.變化頻率為電流頻率。,空間位置不變而幅值和方向隨時(shí)間變化的磁動勢稱為脈動磁動勢。,矩形波磁動勢可能分解為基波和一系列高次諧波:,基波磁動勢為:,基波磁動勢最大值為:,整距繞組基波磁動勢在空間按余弦分布，幅值位于繞組軸線，空間每一點(diǎn)的磁動勢大小按正弦規(guī)律變化——仍然為脈動磁動勢。,二、單相脈動磁動勢,1、整距分布繞組的磁動勢,每個(gè)繞組由q 個(gè)線圈串聯(lián)構(gòu)成，依次在定子圓周空間錯(cuò)開槽距角α,繞組的基波磁動勢為q個(gè)線圈基波磁動勢的空間矢量和：,2、一組雙層短距分布繞組的基波磁動勢,雙層短距分布繞組的基波磁動勢為兩個(gè)等效繞組基波磁動勢的相量和，用短距系數(shù)計(jì)及繞組短距的影響：,3、相繞組的磁動勢,每個(gè)極下的磁動勢和磁阻構(gòu)成一條分支磁路。若電機(jī)有p對磁極，就有p條并聯(lián)的對稱分支磁路，所以一相繞組的基波磁動勢就是該繞組在一對磁極下線圈所產(chǎn)生的基波磁動勢，若每相電流為Ip:,單相繞組的基波磁動勢是在空間按余弦規(guī)律分布，幅值大小隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的脈動磁動勢。,三、單相脈動磁動勢的分解,即一個(gè)脈動磁動勢可以分解成兩個(gè)幅值大小相等的磁動勢。,先分析,取幅值點(diǎn)分析,,綜上分析,可見,(1)單相繞組的基波磁動勢為脈動,它可以分解為大小相等、轉(zhuǎn)速相同而轉(zhuǎn)身相反的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。,(2)反之,滿足上述性質(zhì)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動勢的合成即為脈動磁動勢。,（3）由于正方向或反方向的旋轉(zhuǎn)磁動勢在旋轉(zhuǎn)過程中，大小不變，兩矢量頂點(diǎn)的軌跡為一圓形，所以這兩個(gè)磁動勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。,4.4.2 三相繞組基波合成磁動勢——旋轉(zhuǎn)磁動勢,三相的合成磁動勢：,取U相繞組軸線位置作為空間坐標(biāo)原點(diǎn)、以相序的方向作為x的參考方向、U相電流為零時(shí)作為時(shí)間起點(diǎn)，則三相基波磁動勢為：,可見：三相合成磁動勢也是一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。,交流電機(jī)三相對稱繞組, 通入三相對稱電流，磁動勢是三相的合成磁動勢。,為了分析旋轉(zhuǎn)磁動勢的旋轉(zhuǎn)方向，設(shè)三相對稱電流按余弦規(guī)律變化，U 相電流最大時(shí)為計(jì)時(shí)點(diǎn)，電流取首進(jìn)尾出為正，電流波形和各時(shí)刻旋轉(zhuǎn)磁動勢的位置如圖所示：,用圖解法分析——不同時(shí)刻三相合成磁動勢,合成磁動勢的轉(zhuǎn)向是從載有超前電流的相轉(zhuǎn)到載有滯后電流的相。,產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢的條件：一是三相或多相對稱繞組；二是三相或多相對稱電流。兩個(gè)條件有一個(gè)不滿足，即產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。,三相對稱繞組通入三相對稱電流，產(chǎn)生的基波合成磁動勢是一個(gè)幅值恒定不變的圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，它有以下主要性質(zhì),(1)幅值是單相脈動磁動勢最大幅值的3/2倍。,(2)轉(zhuǎn)向由電流相序決定,從載有超前電流相轉(zhuǎn)到載有滯后電流相.,(3)轉(zhuǎn)速決定于電流的頻率和電機(jī)的磁極對數(shù),(4)當(dāng)某相電流達(dá)最大值時(shí),旋轉(zhuǎn)磁動勢的波幅位置剛好轉(zhuǎn)到該相繞組的軸線位置上,4.5.1 空載運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系,4.5三相異步電動機(jī)的空載運(yùn)行,一、主、漏磁通的分布,為了便于分析，根據(jù)磁通路徑和性質(zhì)不同，異步電動機(jī)的磁通分為主磁通和漏磁通。,主磁通同時(shí)交鏈定、轉(zhuǎn)子繞組，其路徑為：定子鐵心→氣隙→轉(zhuǎn)子鐵心→氣隙→定子鐵心。主磁通起傳遞能量的作用。,除了主磁通以外的磁通稱為漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次諧波磁通。漏磁通只起電抗壓降作用。,二、空載電流和空載磁動勢,異步電動機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的定子電流稱為空載電流。,三、電磁關(guān)系,,,,4.5.2 空載運(yùn)行時(shí)的電壓平衡方程,一、感應(yīng)電動勢,與變壓器一樣,主、漏磁通在定子繞組上感應(yīng)的電動勢,可見，異步電動機(jī)空載時(shí)的電磁關(guān)系與變壓器非常相似。,二、電壓平衡方程與等效電路,與變壓器一樣，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可列出空載時(shí)定子每相電壓方程式：,同樣也有：,根據(jù)上兩式，可以作出空載時(shí)等效電路。,盡管異步電動機(jī)的電磁關(guān)系與變壓器相似，但它們之間還是有差別的：,1）主磁場性質(zhì)不同：異步電動機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁場，變壓器為脈動磁場.,4）由于存在氣隙,異步電動機(jī)漏抗較變壓器的大.,5)異步電動機(jī)通常采用短距和分布繞組,計(jì)算時(shí)需考慮繞組系數(shù),變壓器則為整距集中繞組,可認(rèn)為繞組系數(shù)為1.,4.6.1 負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系,4.6三相異步電動機(jī)的負(fù)載運(yùn)行,4.6.2 轉(zhuǎn)子繞組各電磁量,一、轉(zhuǎn)子電動勢的頻率,感應(yīng)電動勢的頻率正比于導(dǎo)體與磁場的相對切割速度,故轉(zhuǎn)子電動勢的頻率為:,轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí),,理想空載時(shí),,二、轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的感應(yīng)電動勢:,轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)的感應(yīng)電動勢:,二者關(guān)系為:,三、轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗,電抗與頻率正比于,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子漏電抗:,二者關(guān)系:,轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗:,四、轉(zhuǎn)子繞組的電流,轉(zhuǎn)子繞組為閉合繞組,轉(zhuǎn)子電流為,轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子漏電抗:,當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí),轉(zhuǎn)差率增大,轉(zhuǎn)子電流也增大.,五、轉(zhuǎn)子繞組的功率因數(shù),轉(zhuǎn)子功率因數(shù)與轉(zhuǎn)差率有關(guān),當(dāng)轉(zhuǎn)差率增大時(shí),轉(zhuǎn)子功率因數(shù)則減小。,六、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢,轉(zhuǎn)子繞組流過三相或多相對稱電流時(shí)產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢.,1)幅值,2)轉(zhuǎn)向,轉(zhuǎn)子電流相序與定子旋轉(zhuǎn)磁動勢方向相同,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢的方向與轉(zhuǎn)子電流相序一致.,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢相對定子的速度為,可見,無論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速怎樣變化,定、轉(zhuǎn)子磁動勢總是以同速、同向在空間旋轉(zhuǎn)，兩者在空間上總是保持相對靜止。,4.6.3 磁動勢平衡方程,磁動勢的平衡方程為：,可以改寫為：,寫成磁動勢幅值公式：,4.6.4 電動勢平衡方程,根據(jù)基爾霍夫電壓定律可寫出定、轉(zhuǎn)子側(cè)電動勢平衡方程：,4.7.1 折算,4.7三相異步電動機(jī)的等效電路和相量圖,頻率折算就是用一個(gè)等效的轉(zhuǎn)子電路代替實(shí)際旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),而等效的轉(zhuǎn)子回路應(yīng)與定子電路有相同的頻率。,一、頻率折算,在折算的過程中，電機(jī)的電磁效應(yīng)不變，因而有兩個(gè)條件：一個(gè)是保持轉(zhuǎn)子磁動勢不變；二是轉(zhuǎn)子回路的功率不變。,轉(zhuǎn)子回路電流,實(shí)際的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子軸上有機(jī)械損耗和機(jī)械功率輸出。頻率折算后，轉(zhuǎn)子靜止，沒有機(jī)械損耗和機(jī)械功率輸出，但電路中多了一個(gè)附加電阻 。根據(jù)能量守恒關(guān)系，該電阻消耗的功率等效機(jī)械損耗和機(jī)械功率之和——總的機(jī)械功率。,從等效電路角度，可以把 看成是異步電動機(jī)的”電阻負(fù)載”，其上的壓降可以看成是轉(zhuǎn)子回路的端電壓:,二、繞組折算,4.7.2 等效電路,一、繞組后的基本方程,二、T型等效電路和簡化等效電路,由基本方程可以作出等效電路:,T型等效電路,簡化等效電路,從等效電路分析可知:,3)三相異步電動機(jī)的功率因數(shù)永遠(yuǎn)滯后；,4)附加電阻不能用電感或電容來代替。,5)在等效電路中負(fù)載的變化是用轉(zhuǎn)差率s來體現(xiàn)的,4.7.3 相量圖,按照基本方程和等效電路可以作出異步電動機(jī)的相量圖。,4.8.1 功率平衡和轉(zhuǎn)矩平衡,4.8三相異步電動機(jī)的功率平衡、轉(zhuǎn)矩平衡,異步電動機(jī)的功率和損耗有：,一、功率平衡,輸入功率,定子鐵損,電磁功率,機(jī)械功率,輸出功率,定子銅損,轉(zhuǎn)子銅損,在等效電路上表示功率和損耗：,,,,,,,兩個(gè)重要關(guān)系式,可見，從氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率分為兩部分，一小部分變?yōu)檗D(zhuǎn)子銅損耗，絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榭倷C(jī)械功率。轉(zhuǎn)差率越大，轉(zhuǎn)子銅損耗就越多，電機(jī)效率越低。因此正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率均很小。,二、轉(zhuǎn)矩平衡,即,或,電磁轉(zhuǎn)矩,在式 的兩邊同時(shí)除以機(jī)械角速度 得,電磁轉(zhuǎn)矩從轉(zhuǎn)子方面看，它等于總機(jī)械功率除以轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；從定子方面看，它又等于電磁功率除以同步機(jī)械角速度。,4.8.2 三相異步電動機(jī)的工作特性,一、轉(zhuǎn)速特性,二、轉(zhuǎn)矩特性,三、定子電流特性,四、定子功率因數(shù)特性,五、效率特性,工作特性的曲線如圖所示：,