第5章 三相交流電機(jī)基本理論與結(jié)構(gòu)

面向21世紀(jì)高職高專系列教材,電機(jī)拖動與控制,第5章三相交流電機(jī)基本理論與結(jié)構(gòu),張勇主編,本章內(nèi)容：三相異步電動機(jī)基本理論三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌交流電動機(jī)定子繞組的基本知識及分類繞組的感應(yīng)電動勢三相異步電動機(jī)的空載運(yùn)行三相異步電動機(jī)的負(fù)載運(yùn)行三相異步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩關(guān)系三相異步電動機(jī)的工作特性,第5章三相異步電動機(jī)基本理論及結(jié)構(gòu),第5章三相異步電動機(jī)基本理論及結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌,三相異步電動機(jī)模型實(shí)際三相異步電動機(jī),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),籠型異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖,5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),三相異步電動機(jī)主要有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。1.定子部分異步電動機(jī)的定子是由機(jī)座、定子鐵心和定子繞組三個部分組成的。（1）機(jī)座：主要起支撐保護(hù)作用。（2）定子鐵心：是電動機(jī)磁路的一部分，裝在機(jī)座里。為了降低定子鐵心里的鐵損耗，定子鐵心用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成的，在硅鋼片的兩面還應(yīng)途上絕緣漆，以減小渦流損耗。（3）定子繞組：三相對稱繞組嵌放在定子鐵心內(nèi)圓的槽內(nèi)，三相繞組在空間相差120電角度，每相繞組的兩端分別用A-X、B-Y、C-Z（實(shí)際中也用U1-U2、V1-V2、W1-W2）表示，根據(jù)需要結(jié)成星形Y或三角形。,5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),三相異步電動機(jī)定子鐵心及定子槽形,5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),2.轉(zhuǎn)子部分三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成的。（1）轉(zhuǎn)子鐵心：是電動機(jī)磁路的一部分，用來安放轉(zhuǎn)子繞組，它用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上，整個轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形。（2）轉(zhuǎn)子繞組：分為籠型和繞線型兩類。1）繞線轉(zhuǎn)子繞組：也是一個三相繞組，三相引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上的三個與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相聯(lián)，通過外串電阻改善電機(jī)的起動，調(diào)速等性能。如下圖所示。,5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),2）籠型繞組：在轉(zhuǎn)子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導(dǎo)條聯(lián)結(jié)起來，稱為銅排轉(zhuǎn)子，如圖所示。也可用鑄鋁的方法，把轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)、風(fēng)扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖所示。100kW以下的異步電動機(jī)一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子?；\型繞組結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固，成本低。3.其他部分包括端蓋、風(fēng)扇等。,5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu),定子和轉(zhuǎn)子配合方式,5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.2三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),（1）額定功率(容量)：轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率(kW)。（2）額定電壓：額定運(yùn)行時，加在定子繞組上的線電壓(V)。（3）額定電流：額定運(yùn)行時，加在定子繞組上的線電流(A)。（4）額定轉(zhuǎn)速：額定運(yùn)行時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r/min)。（5）額定頻率：所接電源的頻率(Hz)，我國工頻(50Hz)。（6）絕緣等級。（7）接法。用Y或表示。表示在額定運(yùn)行時，定子繞組應(yīng)采用的聯(lián)結(jié)方式。額定電壓，額定電流，額定功率的關(guān)系：接法：相電壓UN=UN；相電流IN=IN/1.735Y接法：相電壓UN=UN/1.735；相電流IN=IN，所以：PN=1.735UNINNcosN(W),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.2三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.2三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),若是繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，則還有：（8）轉(zhuǎn)子繞組開路電壓。指定子接額定電壓，轉(zhuǎn)子繞組開路時的轉(zhuǎn)子線電壓（V）。（9）轉(zhuǎn)子繞組的額定電流（A）。,5.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與銘牌5.2.2三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),型號舉例：（1）Y132S-4：Y-異步電動機(jī)；132-機(jī)座中心高度132mmS-短鐵心；4-極數(shù)。（2）Y112S-6：極數(shù)6極；短機(jī)座；規(guī)格代號：中心高112mm產(chǎn)品代號：異步電動機(jī),5.1三相異步電動機(jī)基本理論5.1.1三相交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場,旋轉(zhuǎn)磁場:旋轉(zhuǎn)磁場就是一種極性和大小不變，且以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場。從理論分析和實(shí)踐證明，在對稱三相繞組中流過對稱三相交流電時會產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)磁場。所謂三相對稱繞組就是三個外形、尺寸、匝數(shù)都完全相同、首端彼此互隔120、對稱地放置到定子槽內(nèi)的三個獨(dú)立的繞組，如圖所示。,5.1三相異步電動機(jī)基本理論5.1.1三相交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場,對稱三相電流的函數(shù)式表示為：,對稱三相電流的波形表示為：,5.1三相異步電動機(jī)基本理論5.1.1三相交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場,由分析可知，當(dāng)電流從t=0變化到t=180時，旋轉(zhuǎn)磁場在空間相應(yīng)地轉(zhuǎn)過180，相應(yīng)地，電流變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)過一周。,5.1三相異步電動機(jī)基本理論5.1.1三相交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場,5.1三相異步電動機(jī)基本理論5.1.1三相交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場,上圖為有2個N極、2個S極磁場，沿A-B-C方向旋轉(zhuǎn)。電流變化一周，磁場旋轉(zhuǎn)半周。(p=2)磁場的旋轉(zhuǎn)速度n1與p的關(guān)系：p=1,n1=60f/1=3000(r/min)p=2,n1=60f/2=1500(r/min)p=3,n1=60f/3=1000(r/min)一般地，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速：n1=60f/p（r/min）n1同步轉(zhuǎn)速,5.1三相異步電動機(jī)基本理論5.1.2三相異步電動機(jī)的工作原理,三相異步電動機(jī)定子三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時，將在電機(jī)氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場中，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，根據(jù)右手定則可以判斷感應(yīng)電勢方向，又因?yàn)檗D(zhuǎn)子導(dǎo)體通過端環(huán)自成閉路，所以轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中會通過感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，根據(jù)左手定則可以判斷電磁力的方向。電磁力作用在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。,異步電動機(jī)的工作原理示意圖,5.1三相異步電動機(jī)基本理論5.1.2三相異步電動機(jī)的工作原理,異步名稱的由來：只有當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n低于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1，即nn1時，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場之間才有相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體才會感應(yīng)電動勢和電流，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可見，nn1，且nn1，異步電動機(jī)才能正常工作。,5.1三相異步電動機(jī)基本理論5.1.3轉(zhuǎn)差率,轉(zhuǎn)差率：轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1和電動機(jī)（轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速n1之比。即：一般情況，額定運(yùn)行時sN=1%-5%。,5.3交流電動機(jī)定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識1.電角度與機(jī)械角度,機(jī)械角度：電機(jī)圓周在幾何上分成360，這個角度稱為機(jī)械角度，（也叫幾何角度）。電角度：從電磁方面看，一對磁極占有空間電角度為360。一般而言，若電機(jī)有p對磁極，電機(jī)圓周按電角度計(jì)算就為p360，而機(jī)械角度總是360，因此電角度=p機(jī)械角度,2.極距兩相鄰磁極軸線之間的距離稱為極距。一般用槽數(shù)表示，也可用長度或電角度等表示。=Q/2p,5.3交流電動機(jī)定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識,3.線圈線圈（繞組元件）是構(gòu)成繞組的基本單元。繞組就是線圈按一定規(guī)律的排列和聯(lián)結(jié)。線圈可以分為多匝線圈和單匝線圈。與線圈相關(guān)的概念包括：有效邊、端部、線圈節(jié)距等。,單根引出,5.3交流電動機(jī)定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識,4.繞組及繞組展開圖,繞組是由多個線圈或線圈組按一定方式聯(lián)結(jié)起來構(gòu)成的。把定子（或轉(zhuǎn)子）沿軸向展開、拉平，即得到繞組展開圖。單層繞組一個槽中只放一個元件邊。雙層繞組一個槽中放兩個元件邊。,5.3交流電動機(jī)定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識,5.節(jié)距Y一個線圈兩個有效邊之間所跨過的槽數(shù)稱為線圈的節(jié)距。用Y表示。y時，線圈稱為長距線圈。,5.3交流電動機(jī)定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識,相鄰兩槽軸線之間的電角度稱為槽距角，用表示，由于定子槽在定子內(nèi)圓周上是均勻分布的，則=360p/Q,6.槽距角,5.3交流電動機(jī)定子繞組的基本知識及分類5.3.1交流繞組的基本知識,7.每極每相槽數(shù)q,每一個極下每相繞組所占有的槽數(shù)，稱為每極每相槽數(shù)。q=Q/2pmm定子繞組的相數(shù)。,說明：1、交流電機(jī)沒有虛槽的概念。2、三相線圈（或線圈組）的6根引出線都是單根。,5.4繞組的感應(yīng)電動勢,經(jīng)過分析：通入電流iA,iB,iC三相合成磁勢：是一個在空間上正弦分布，隨時間旋轉(zhuǎn)磁通勢。它反作用在定子繞組上，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢與電源平衡。(討論中，假定磁場在空間正弦分布）討論順序：從一個線圈（一根導(dǎo)體）再到一個線圈組最后到一個相繞組。,5.4繞組的感應(yīng)電動勢5.4.1線圈的感應(yīng)電動勢,1.導(dǎo)體電動勢最大值：Ec1m=Bm1LvBm1作正弦分布的氣隙磁通密度的幅值L導(dǎo)體在鐵心中的有效長度v導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度有效值：Ec1=Ec1m/=fBm1Lt(v=2ptn1/60)磁通密度正弦分布時，每極磁通量F1=2/p(Bm1Lt)代入得：Ec1=2.22fF1,5.4繞組的感應(yīng)電動勢5.4.1線圈的感應(yīng)電動勢,2.整距線圈的電動勢每個線圈有兩個有效邊，共Nc匝線圈，則電動勢有效值為：Ey1=4.44fNcF1,3.短距線圈的電動勢電動勢有效值：,設(shè)g為線圈節(jié)距Y對應(yīng)的電角度，則,ky1短距系數(shù),5.4繞組的感應(yīng)電動勢5.4.2線圈組電動勢,每個線圈組由q個線圈串聯(lián)而成：分集中繞組和分布繞組(圖）。集中繞組：分布繞組：,5.4繞組的感應(yīng)電動勢5.4.2線圈組電動勢,Fqm1,分布繞組：kq1分布系數(shù)，,kN1繞組系數(shù)，,繞組相電動勢的一般公式E1=4.44fN1kN1,N每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)；1每極磁通量；KN1繞組系數(shù)。,5.4繞組的感應(yīng)電動勢5.4.3相電動勢,5.5三相異步電動機(jī)的空載運(yùn)行5.5.1電磁關(guān)系,空載時，軸上沒有任何機(jī)械負(fù)載，異步電動機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩僅克服了摩擦、風(fēng)阻的阻轉(zhuǎn)矩，所以是很小的。電機(jī)所受阻轉(zhuǎn)矩很小，則其轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，nn1，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場的相對轉(zhuǎn)速就接近零，即n1-n0。異步電動機(jī)空載運(yùn)行時的電磁關(guān)系可用下圖表明：,5.5三相異步電動機(jī)的空載運(yùn)行5.5.2空載時的定子電壓平衡關(guān)系,近似的有：U=-E1或U=E1,5.6三相異步電動機(jī)的負(fù)載運(yùn)行,異步電動機(jī)運(yùn)行的兩種特殊情況：（1）空載運(yùn)行時：n接近于n1，s接近于0，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子開路。（2）轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時（接上電源，轉(zhuǎn)子被堵住轉(zhuǎn)不動）時：n=0，s=1，相當(dāng)于短路狀態(tài)，會使電機(jī)電流很大，很快過熱而燒毀電機(jī)，這在電機(jī)實(shí)驗(yàn)及使用電機(jī)事應(yīng)多加注意。異步電動機(jī)起動初始也屬于此種情況。,5.7三相異步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩關(guān)系5.7.1功率關(guān)系,當(dāng)三相異步電動機(jī)以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定運(yùn)行時，從電源輸入的功率為：,定子回路銅損耗Pcu1為:,定子回路的鐵耗PFe1：,從電源輸入電功率，除去定子銅耗和鐵耗，便是定子傳遞給轉(zhuǎn)子回路的電磁功率，即：PM=P1-Pcu1-PFe1,5.7三相異步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩關(guān)系5.7.1功率關(guān)系,異步電動機(jī)功率流程圖,電動機(jī)運(yùn)行時，由于軸承等摩擦產(chǎn)生的機(jī)械損耗pm及附加損耗ps，轉(zhuǎn)子的機(jī)械功率Pm減去機(jī)械損耗pm和附加損耗ps，才是轉(zhuǎn)軸上真正輸出的功率。功率流程圖如下圖所示。,5.7三相異步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩關(guān)系5.7.1功率關(guān)系,異步電動機(jī)運(yùn)行時電磁功率、轉(zhuǎn)子回路銅損耗和機(jī)械功率三者之間的定量關(guān)系是：,也可寫出下列關(guān)系式：PM=pCu2+PmpCu2=sPMPm=（1-s）PM上式表明，當(dāng)電磁功率一定，轉(zhuǎn)差率s越小，轉(zhuǎn)子銅耗越小，機(jī)械功率越大，效率越高。電動機(jī)運(yùn)行時，若s增大，轉(zhuǎn)子銅耗也增大，電機(jī)易發(fā)熱，效率降低。,5.7三相異步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩關(guān)系5.7.2轉(zhuǎn)矩關(guān)系,機(jī)械功率Pm除以軸的角速度就是電磁轉(zhuǎn)矩T，即,電力拖動系統(tǒng)中，?？珊雎钥蛰d轉(zhuǎn)矩T0，則有TT2=TL,5.8三相異步電動機(jī)的工作特性,1.轉(zhuǎn)速特性n=f（P2）三相異步電動機(jī)空載時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速n1。隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)速n要略微降低，這時轉(zhuǎn)子電動勢增大，從而使轉(zhuǎn)子電流增大，以產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩來平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩。因此，隨著P2的增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n下降，轉(zhuǎn)差率s增大。轉(zhuǎn)速特性是一條硬特性。,5.10習(xí)題1.何謂旋轉(zhuǎn)磁場?三相交流旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的條件是什么?如果三相電源的一相斷線,問三相異步電動機(jī)能否產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場?為什么?2.三相異步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速由什么決定?試問兩極,四極,六極三相異步電動機(jī)的同步速