第5章三相异步电动机的基本原理电机及拖动基础图文.docx
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第5章三相异步电动机的基本原理电机及拖动基础图文
第五章三相异步电动机的基本原理
主要讲授内容:
三相异步电动机的工作原理、结构、运行特性、等效电路、参数测量、转矩转差的关系等,是必须掌握的内容,使本课程的重点。
是在现代工业中正被大量应用的机电能量转换装置,是后续课程《电力拖动》课程的基础。
讨论:
三相异步电动机
What?
三相异步电动机的用途、结构?
How?
三相异步电动机的工作原理?
第一节三相异步电动机的结构及额定参数
一、异步电动机的主要用途和分类
用途:
异步电机主要用作电动机,拖动各种生产机械。
异步电动机的优点:
结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特性。
采用现代电力电子功率器件和计算机技术可得到良好的调速性能。
已经取代直流电动机,成为应用广泛的调速系统。
异步电动机的缺点:
功率体积比较小。
功率因数较差。
直接接电网运行时,必须从电网里吸收滞后的励磁电流,使它的功率因数总是小于1。
通过控制器可以使这一缺点得到改善。
异步电动机运行时,定子绕组接到交流电源上,转子绕组自身短路,由于电磁感应的关系,在转子绕组中产生电动势、电流,从而产生电磁转矩。
所以,异步电机又叫感应电机。
二、异步电动机的分类
从不同角度看,有不同的分类法:
(1按定子相数分有①单相;②三相异步电动机。
(2按转子结构分有①绕线式;②鼠笼式。
后者又包括单鼠笼、双鼠笼和深槽式异步电动机。
此外,根据电机定子绕组上所加电压的大小,又有高压、低压异步电动机之分。
从其它角度看,还有高起动转矩、高转差率、高转速异步电机等等。
异步电机也可作为异步发电机使用。
单机使用时,常用于电网尚未到达的地区,又没有同步发电机的情况,或用于风力发电等特殊场合上。
在异步电动机的电力拖动中,异步电机回馈制动时,即运行在异步发电机状态。
风叶铁心绕组轴承滑环绕线电动机转子笼型绕组导条端环
1、异步电动机的定子:
异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。
(1定子铁心:
是电动机磁路的一部分,装在机座里。
为了降低定子铁心里的铁损耗,定子铁心用用
0.5mm厚的硅钢片叠压而成的,在硅钢片的两面还应途上绝缘漆。
下图所示为定子槽,其中(a是开口槽,用于大、中型容量的高压异步电动机中;(b是半开口槽,用于中型500V以下的异步电动机中;(c是半闭口槽,用于低压小型异步电动机中。
(2定子绕组:
高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接,只有三根引出线,如图(a所示。
对中、小容量低压异步电动机,通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来,根据需要可接成Y形或△形,如图(b所示。
定子绕组用绝缘的铜(或铝导线绕成,嵌在定子槽内。
(3机座:
主要是为了固定与支撑定子铁心。
如果是端盖轴承电机,还要支撑电机的转子部分。
因此,机座应有足够的机械强度和刚度。
对中、小型异步电动机,通常用铸铁机座。
对大型电机,一般采用钢板焊接的机座,整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。
机座上还有端盖,风罩,铭牌等。
2、气隙:
异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多,在中、小型异步电动机中,气隙一般为0.2~1.5mm左右。
3、异步电动机的转子:
异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的。
(1转子铁心:
是电动机磁路的一部分,它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。
铁心固定在转轴或转子支架上,整个转子的外表呈圆柱形。
(2转子绕组:
分为笼型和绕线型两类。
a笼型转子:
笼型绕组是一个自己短路的绕组。
在转子的每个槽里放上一根导体,在铁心的两端用端环连接起来,形成一个短路的绕组。
如果把转子铁心拿掉,则可看出,剩下来的绕组形状像个松鼠笼子,因此又叫鼠笼转子。
导条的材料有用铜的,也有用铝的。
b绕线型转子:
绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组,一般都联接成Y形。
转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上,用一套电刷装置引出来。
这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去,以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。
与笼型转子相比较,绕线型转子结构稍复杂,价格稍贵,因此只在要求起动电流小,起动转距大,或需平滑调速的场合使用。
四、三相异步电动机的铭牌数据
三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等。
我国生产的异步电动机种类很多,常见的产品系列:
Y系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机。
用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。
也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械,如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。
JQ2和JQO2系列是高起动转矩异步电动机,用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。
JQ2是防护式和JQO2是封闭式的。
JS系列是中型防护式三相鼠笼异步电动机。
JR系列是防护式三相绕线式异步电动机。
用在电源容量小、不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上。
JSL2和JRL2系列是中型立式水泵用的三相异步电动机,其中JSL2是鼠笼式,JRL2是绕线式。
JZ2和JZL2系列是起重和冶金用的三相异步电动机,JZ2是鼠笼式,JZL2是绕线式。
JD2和JDO2系列是防护式和封闭式多速异步电动机。
BJO2系列是防爆式鼠笼异步电动机。
JPZ系列是旁磁式制动异步电动机。
JZZ系列是锥形转子制动异步电动机。
JZT系列是电磁调速异步电动机。
其他类型的异步电动机可参阅产品目录。
2、异步电动机的额定值:
(1额定功率PN指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率,单位是kw。
(2额定电压UN指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压,单位为V。
(3额定电流IN指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时,定子绕组中的线电流,单位为A
(4额定频率f指我国规定工业用电的频率是50Hz。
(5额定转速n指电动机定子加额定频率的额定电压,轴端输出额定功率时电机的转速,单位为r/min。
(6额定功率因数指电动机定子加额定负载时,定子边的功率因数。
Nϕcos
(7额定效率η指电动机额定功率下运行时输出功率与输入功率的比值。
额定电压/额定电流/额定功率的关系
△接法:
UφN=UNIφN=IN/sqrt(3
Y接法:
UφN=UN/sqrt(3IφN=IN
PN=3UφNIφNηNcosφN
=sqrt(3UNINηNcosφN(单位W
3、如何根据电机的铭牌进行定子的接线?
如果电动机定子绕组有六根引出线,并已知其首、末端,分几种情况讨论。
(1当电动机铭牌上标明“电压380/220V,接法Y/△”时,这种情况下,究竟是接成Y或△,要看电源电压(线电压的大小。
如果电源电压为380V,则接成Y接;电源电压为220V时,则接成△接。
(2当电动机铭牌上标明“电压380V,接法时△”时,则只有这一种△接法。
但是在电动机起动过程中,可以接成Y接,接在380V电源上,起动完毕,恢复△接法。
对有些高压电动机,往往定子绕组有三根引出线,只在电源电压符合电动机铭牌电压值,便可使用。
问题
异步电动机没有像直流电动机那样的换向器改变电流的流向,靠什么力量使转子转动起来?
异步电动机的工作原理?
第二节交流绕组
一、交流绕组
线圈(绕组元件:
是构成绕组的基本单元。
绕组就是线圈按一定规律的排列和联结。
线圈可以区分为多匝线圈和单匝线圈。
与线圈相关的
概念包括有效
边/端部/线圈
节距等。
极距:
沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围。
用长度表示:
τ=(πD/(2p
用槽数表示:
τ=z1/(2p
电角度:
转子铁心的横截面是一个圆,其几何角度为360度。
从电磁角度看,一对N,S极构成一个磁场周期,即1对极为360电角度。
电动机的极对数为p时,气隙圆周的角度数为p×360电角度。
节距:
线圈两个有效边之间所跨过的槽数称为线圈的节表示。
距,用y
1
y1<τ/短距线圈;y1=τ/整距线圈;y1>τ/长距线圈。
单层绕组和双层绕组
单层绕组一个槽中只放一个元件边双层绕组一个槽中放两个元件边。
槽距角/相数/每极每相槽数
α=(p*360/z
1
m=3
q=z1/(2pm
二、交流绕组的构成原则
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τ表示τ=z1/2p
每极每相槽数q=z
/(2pm
1
对称原则:
三相绕组在电机的圆周空间互相错开120电角度。
若槽距角为a,则相邻两相错开的槽数为
120/a
电势相加原则:
线圈两个圈边的感应电势应该相加;线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。
线圈的一个边在N极下,另一个应在S极下。
第三节交流绕组的磁动势
旋转磁场是交流电机工作的基础。
在交流电机理论中有2种旋转磁场:
(1机械旋转磁场
(2电气旋转磁场
通过原动机拖动磁极旋转可以产生机械旋转磁场。
三相对称的交流绕组通入三相对称的交流电流时会在电机的气隙空间产生电气旋转磁场
两种旋转磁场尽管产生的机理不相同,但在交流绕组中形成电磁感应的效果是一样的。
交流绕组处于旋转磁场中,并切割旋转磁场,产生感应电势。
一、单相交流绕组的磁动势
1、整距集中绕组的磁动势
整距线圈在异步电机中产生的磁动势如图所示。
磁力线穿过转子铁心,定子铁心和两个气隙相对于气隙而言,由于铁心磁导率极大,其上消耗的磁动势降可以忽略不
=Nyiy/2
计。
一个气隙上消耗的磁动势为:
f
y
如果通过线圈的电流为正弦波:
iy=sqrt(2Iycosωt
则矩形波的高度也将按正弦变化。
整距集中绕组产生的磁动势是一个位置固定,幅值随时间按正弦变化的矩形脉振磁势。
脉振磁动势可以表示为:
fy=sqrt(2/2NyIycosωt=Fycosωt
脉振磁动势的幅值:
F
=sqrt(2/2NyIy
y
juxqmsvrciii矩形脉振磁势.swf
2、矩形脉振磁动势波的分解
按照富立叶级数分解的方法可以把矩形波分解为基波和一系列谐波;根据高等数学的理论,基波幅值为:
Fy=4/π×sqrt(2/2NyIy=0.9NyIy
高次谐波的幅值为:
Fyv=Fy/v=0.9NyIy/v
以后的分析只考虑基波
基波在空间按正弦分布;在时间上,任何一个位置的磁动势都按正弦变化。
所以基波是一个正弦分布的正弦脉振磁动势。
fy1=Fy1cosxcosωt
矩形脉振磁动势波的分解:
由若干频率和幅值不同的正弦波组成矩形波。
jibomsvrciii正弦脉振磁势.swf
3、整距分布绕组的磁动势
q个线圈构成1个的线圈组,线圈与线圈之间错开一个槽距角α,称为分布绕组。
(图1100-11
单个线圈产生矩形脉振磁动势,取其基波为正弦脉振磁动势;
q个正弦脉振磁动势在空间依次错开一个槽距角α。
线圈组的磁动势等于q个线圈磁动势在空间的叠加。
(图1100-111
结论:
线圈组的磁动势为:
Fq1=qFy1kq=0.9qNyIykq
绕组的分布系数:
k
=sin(qα/2/(qsinα/2
q
图1100-11
图1100-111
4、双层短距绕组的磁动势
在分析磁场分布式时,双层整距绕组可以等效为两个整距单层绕组。
(图1100-12
两个等效单层绕组在空间分布上错开1个短距角β。
(图1100-13
双层短距绕组的磁动势等于两个等效单层绕组的磁动势在空间叠加。
(图1100-14
双层短距绕组的磁动势为:
Fφ1=2Fq1cosβ/2=0.9Iy2qNyIykqky
=cosβ/2:
绕组的短距系数:
k
y
5、单相绕组磁动势的统一表达式
为了统一表示相绕组的磁动势,引入每相电流I,
等概念。
每相串联匝数N
1
Iy=I/a
N1=2pqNy/a(双层绕组
N1=pqNy/a(单层绕组
统一公式:
Fφ1=(0.9IN1/pkqky=(0.9IN1/pkw1
单相绕组产生的基波磁动势仍然是正弦脉振磁动势,磁动势幅值位置与该相绕组轴线重合,时间上按正弦规律脉动振。
单相绕组基波磁动势表达式:
fφ1=Fφ1cosxcosω
二、三相基波旋转磁动势
1、单相正弦脉振磁动势的分解
=sqrt(2Icosωt
设A相绕组通过电流:
i
a
其基波磁动势为:
f
=Fφ1cosxcosωt
a
根据三角公式:
fa=1/2Fφ1[cos(x-ωt+cos(x+ωt]=F++F-
F+=1/2Fφ1cos(x-ωt最高点的运行轨迹为x=ωt,即最高点的位置随时间以角速度ω运动。
曲线上其他点的轨迹具有类似的结论。
(图1100-15
该波是一个旋转波,在气隙空间以角度速ω旋转,转速为:
n=60*[ω/(2πp]=60f/p
结论:
单相正弦脉动磁动势可以分解为两个转向相反的旋转磁动势。
(看动画
dfxhmsvrciii.swf
2、三相基波磁动势合成旋转磁动势
三相对称电流:
ia=sqrt(2Icosωt
ib=sqrt(2Icos(ωt-120
ic=sqrt(2Icos(ωt-240
三相对称电流通过三相对称绕组时各自产生的磁动势:
fa=1/2Fφ1[cos(x-ωt+cos(x+ωt]
fb=1/2Fφ1[cos(x-ωt+cos(x+ωt-240]
fc=1/2Fφ1[cos(x-ωt+cos(x+ωt-480]
三相合成磁动势为:
f1=1.5Fφ1cos(x-ωt
结论:
三相对称交流绕组通过三相对称电流时将产生旋转磁动势。
sfxhxcvcciii.swf
3、旋转磁动势
单相绕组产生的基波脉振磁动势可以分解为两个向相反方向旋转的圆形旋转磁动势。
三相对称交流绕组通过三相对称交流电流时,三个反向旋转磁动势在空间错开120电角度相互抵消,三个正向旋转磁动势在空间同相位,合成一个圆形旋转磁动势。
旋转磁动势的幅值为:
F1=1.5Fφ1=1.35(N1I/pkw1
旋转磁动势的转速为:
n=60f/p
旋转磁动势的转向:
由带有超前电流的相转向带有滞后电流的相。
(看图分析
当某相电流达到最大值时,旋转磁动势的波幅刚好转到该线绕组的轴线上。
改变旋转磁场转向的方法:
调换任意两相电源线(改变相序
同步转速的概念:
电源频率f=50Hz,旋转磁动势的转速为某些固定值,如二极电机为3000rpm;这些固定的转速叫同步转速。
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- 三相 异步电动机 基本原理 电机 拖动 基础 图文