1第四章異步電機（一）——三相異步電動機的基本原理

三相異步電機主要用作電動機，拖動各種生產(chǎn)機械。結(jié)構(gòu)簡單、制造、使用和維護方便，運行可靠，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。一、三相異步電動機的工作原理與運行狀態(tài)第一節(jié)三相異步電動機的工作原理及結(jié)構(gòu)1、旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場——

一種極性和大小不變，并且以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場。A-X、B-Y、C-Z三個線圈在空間上彼此互隔120°分布在定子鐵心內(nèi)圓的圓周上，構(gòu)成了對稱三相繞組。3規(guī)定電流為正時，電流從線圈的尾端流入（“×”表示），從線圈的首端流出（“

”表示）；電流為負值時則方向相反，即首入尾出。兩極旋轉(zhuǎn)場示意圖4磁勢的大小與產(chǎn)生它的電流成正比用同樣的方法可以證明，任何瞬時合成磁勢的大小均為5合成磁勢矢量總是和電流到達正最大值的那一相的磁勢假定正方向重合。旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)向由電流的相序決定，它總是從電流領(lǐng)先的一相繞組向電流滯后的一相繞組的方向轉(zhuǎn)動。合成磁勢矢量的端點軌跡是個圓，它的作用就好像空間有一對磁極在旋轉(zhuǎn)。..\..\電機與拖動網(wǎng)頁\Ac-motor.swf6如何使三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁勢反轉(zhuǎn)？因為旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)向由電流的相序決定，它總是從電流領(lǐng)先的一相繞組向電流滯后的一相繞組的方向轉(zhuǎn)動。因此只需要調(diào)換任意兩根電源進線，使定子繞組通入電流的相序改變，從而使旋轉(zhuǎn)磁勢反轉(zhuǎn)。7電流在時間上變化了ωt＝360°電角度時，即一周期時，在兩極(p=1)的情況下，旋轉(zhuǎn)磁場在空間也轉(zhuǎn)過360°機械角度，即在空間正好轉(zhuǎn)過一圈。若電流每秒變化f1周（頻率為f1），則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速ns=f1(r/s)=60f1(r/min)。8式中，ns為同步轉(zhuǎn)速，單位r/min；p為極對數(shù)；f1為交流電源的頻率。9旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速ns與極對數(shù)p的關(guān)系極對數(shù)每個電流周期磁場轉(zhuǎn)過的空間角度同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速ns與頻率f1和極對數(shù)p有關(guān)?？梢?10式中，ns為同步轉(zhuǎn)速，單位r/min；p為極對數(shù)；f1為交流電源的頻率。具有p對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，電流變化一次，磁場轉(zhuǎn)過1/p轉(zhuǎn)，交流電源每秒變化f1次，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為：11三相合成磁勢具有以下特性：1）是一個旋轉(zhuǎn)磁動勢，轉(zhuǎn)速均為同步轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)方向決定于電流的相序。2）旋轉(zhuǎn)磁勢幅值不變，為各相磁勢幅值的1.5倍，旋轉(zhuǎn)幅值軌跡是一個圓。3）三相電流中任意一相電流瞬時值達到最大值時，三相合成磁勢的幅值，恰好在這一組繞組的軸線上。12設(shè)起動時旋轉(zhuǎn)磁場方向如圖為逆時針，磁場轉(zhuǎn)速ns轉(zhuǎn)子導(dǎo)體靜止，與旋轉(zhuǎn)磁場之間存在著相對運動，根據(jù)右手定則,轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)電動勢和電流方向如圖：上進下出根據(jù)左手定則，載流轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受力，形成電磁轉(zhuǎn)矩T，方向如圖，驅(qū)動轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。二、三相異步電動機的基本工作原理右手定則決定電流方向左手定則決定導(dǎo)條受力方向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速ns。所以稱為異步電動機

13轉(zhuǎn)差ns-n的存在是異步電動機運行的必要條件。我們將轉(zhuǎn)差表示為同步轉(zhuǎn)速的百分值，稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示。

——同步轉(zhuǎn)速

——轉(zhuǎn)子異步轉(zhuǎn)速[例4-1]有一臺50Hz的三相異步電動機運行，空載轉(zhuǎn)差率為0.267%，額定轉(zhuǎn)速為求該電動機的極對數(shù)、同步轉(zhuǎn)速、空載轉(zhuǎn)速以及額定負載時的轉(zhuǎn)差率。解

額定轉(zhuǎn)差率同步轉(zhuǎn)速考慮本題的額定轉(zhuǎn)速極對數(shù)空載轉(zhuǎn)速14驅(qū)動電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能制動機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苤苿与娔芎蜋C械能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能異步電動機的三種運行狀態(tài)15二、三相異步電機的結(jié)構(gòu)16171、定子異步動機的定子由定子鐵心、定子繞組和機座三部分組成。2定子鐵心：由導(dǎo)磁性能很好的硅鋼片疊成——導(dǎo)磁部分。3定子繞組：放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)——導(dǎo)電部分。1機座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強的機械強度和剛度。機座對于封閉式中小型異步電動機其機座表面有散熱筋片以增加散熱面積，使緊貼在機座內(nèi)壁上的定子鐵心中的定子鐵耗和銅耗產(chǎn)生的熱量，通過機座表面加快散發(fā)到周圍空氣中不使電動機過熱。散熱筋片18定子鐵心是電動機主磁路的一部分，并要放置定子繞組。為了導(dǎo)磁性能良好和減少交變磁場在鐵心中的鐵心損耗，故采用片間絕緣的0.5mm厚的硅鋼片迭壓而成。為了放置定子繞組，在鐵心內(nèi)圓開有槽。19定子繞組三相定子繞組的聯(lián)結(jié)三相繞組的六個出線端（U1、V1、W1，U2、V2、W2）都引至接線盒上。為了接線方便，這六個出線端在接線板上的排列如圖所示，根據(jù)需要可聯(lián)接成星形或三角形聯(lián)結(jié)。定子繞組是電動機的定子電路部分，它將通過電流建立磁場，以實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。三相定子繞組的每相由許多線圈按一定的規(guī)律的嵌放在鐵心槽內(nèi)。20籠型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心沖片轉(zhuǎn)軸籠型繞組轉(zhuǎn)子鐵心沖片轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子鐵心也是電動機主磁路的一部分并要放置轉(zhuǎn)子繞組。它也用0.5mm厚的硅鋼片迭壓而成。中小型異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵心一般都直接固定在轉(zhuǎn)軸上。2、轉(zhuǎn)子異步動機的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。21籠型繞組轉(zhuǎn)子鐵心沖片轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸是支撐轉(zhuǎn)子鐵心和輸出轉(zhuǎn)矩的部件，它必須具有足夠的剛度和強度。轉(zhuǎn)軸一般用中碳鋼車削加工而成，軸伸端銑有鍵槽，用來固定皮帶輪或聯(lián)軸器。22籠型轉(zhuǎn)子繞組是在轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽內(nèi)放入一根導(dǎo)體，在伸出鐵心的兩端分別用兩個導(dǎo)電端環(huán)把所有的導(dǎo)條聯(lián)結(jié)起來，形成一個自行閉合的短路繞組。如果去掉鐵心，剩下來的繞組形狀就像一個松鼠籠子

籠型繞組轉(zhuǎn)子鐵心沖片轉(zhuǎn)軸23中小型三相異步電動機，籠型轉(zhuǎn)子一般采用鑄鋁，將導(dǎo)條、端環(huán)和風葉一次鑄出；也有用銅條焊接在兩個銅端環(huán)上的銅條籠型繞組。在生產(chǎn)實際中籠型導(dǎo)條是斜的，以改善籠型電動機的起動性能242）繞線型繞組可以通過集電環(huán)與電刷而在轉(zhuǎn)子回路中串入外接的附加電阻或其它控制裝置，以便改善三相異步電動機的起動性能及調(diào)速性能。與定子繞組一樣也是一個對稱三相繞組，這個對稱三相繞組接成星形，接到轉(zhuǎn)軸上三個集電環(huán)，再通過電刷使轉(zhuǎn)子繞組與外電路接通。25繞線轉(zhuǎn)子照片263、氣隙

三相異步電動機氣隙，比同容量直流電動機的氣隙要小得多，中小型異步電動機一般僅為0.2～1.5mm。氣隙的大小對三相異步電動機的性能影響極大。氣隙大，則磁阻大，由電網(wǎng)提供的勵磁電流大，使電動機運行時的功率因數(shù)降低。但是氣隙過小時，將使裝配困難；運行不可靠，易發(fā)生”掃膛”。27第三節(jié)三相異步電動機的定子繞組一、交流繞組的一些基本知識和基本量1、電角度與機械角度電機圓周在幾何上分成360°，這個角度稱為機械角度。一對磁極由N-S-N變化一周，相應(yīng)的用360°電角度表示?？梢?，一個具有p

對磁極電機，電機圓周按電角度計算就為p×360°，而機械角度總是360°

。電角度是根據(jù)導(dǎo)體中電勢完成一個完整的周期變化來定義的。它的一個周期可以在空間360度完成，也可以在空間180度或者90度完成,這和電動機定子繞組布置成幾對磁級有關(guān)。電角度=p×機械角度28極對數(shù)每個電流周期磁場轉(zhuǎn)過的空間角度同步轉(zhuǎn)速29線圈2、線圈——組成交流繞組的單元是線圈。線圈是由一匝或多匝串聯(lián)而成，它有兩個引出線，一個稱為首端，另一個稱為末端。線圈的直線部分放在槽里，因它切割氣隙磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，故稱有效邊，露在槽外的前后端連接線，稱為端部，它不切割氣隙磁場，僅起連接有效邊的作用。303、極距τ

每一磁極所占定子內(nèi)圓周的距離稱為極距，極距有兩種表示法：

1）用圓周長表示，單位為米或厘米；

若Q1為定子槽數(shù)

2）用槽數(shù)表示，單位為槽/極；314、節(jié)距——一個線圈的兩個邊所跨定子圓周上的距離稱為節(jié)距，用y1表示，一般用槽數(shù)計算?！嗬@組，——短距繞組，——長距繞組如圖所示線圈，若它的一個邊放在第1槽，另一個邊放在第10個槽，則節(jié)距y＝9，為了使線圈電動勢最大或接近最大，線圈的節(jié)距應(yīng)等于或近于極距。326、槽距角α

——相鄰槽之間的電角度稱為槽距角若Q1為定子槽數(shù)，p為極對數(shù)，則槽距角5、每極每相槽數(shù)q——每一極每相繞組所占槽數(shù)，用符號q表示電機定子槽數(shù)為Q1，在每一極距下的槽均勻地被三相繞組所占有，則每極每相槽數(shù)為（m——相數(shù)）33屬于每相的槽，不集中在一起，而是將它們按極距對稱均勻的分組，每個極距內(nèi)有一個組，每個極距內(nèi)屬于同相的槽所占有的區(qū)域，用電角度表示，稱為相帶。7、相帶由于每極每相所占的槽數(shù)為q，而槽間角為α

，

對于三相繞組

，一個相帶所占的電角度為：34二、交流繞組的排列和聯(lián)接假設(shè)給定電機極數(shù)2p=4，槽數(shù)Q1=24，分析其定子繞組構(gòu)成1、計算極距和節(jié)距2、每極每相槽數(shù)三相單層繞組35

AZBXCY第一對極1、23、45、67、89、1011、12第二對極13、1415、1617、1819、2021、2223、243、確定相帶先畫24根垂直線表示定子Q1=24個槽和槽中的線圈邊，并且按1、2……順序編號；據(jù)q=2即相鄰2個槽組成一個相帶，二對極共有12個相帶364、畫定子槽展開圖相繞組的一種聯(lián)接方法同一相繞組，相鄰一個極距的線圈邊須通過相反電流37三相雙層繞組

雙層繞組的每個槽內(nèi)都有上下兩個線圈邊，每個線圈的一個邊放在某一個槽的上層，另一邊放在相隔節(jié)距y1的另一個槽的下層。整個繞組的線圈數(shù)等于槽數(shù)。38

感應(yīng)電勢隨時間變化的波形和磁感應(yīng)強度在空間的分布波形相一致。只考慮基波磁場時，感應(yīng)電勢為正弦波。第五節(jié)三相異步電動機定子繞組的電動勢39一單根導(dǎo)體的感應(yīng)電勢

導(dǎo)體感應(yīng)電勢最大值：導(dǎo)體與磁場的相對速度：

磁感應(yīng)強度峰值和平均值之間的關(guān)系：感應(yīng)電勢最大值：感應(yīng)電勢的有效值：40整距線圈中的感應(yīng)電勢二、線圈的感應(yīng)電勢

線圈的兩個有效邊處于磁場中相反的位置，其感應(yīng)電勢相差180電角度。

單匝整距線圈的感應(yīng)電勢：

考慮到線圈的匝數(shù)Ny后：單根導(dǎo)體感應(yīng)電勢的有效值：每個線圈的感應(yīng)電勢由兩個線圈邊的感應(yīng)電勢矢量相加而成。41

線圈的兩個有效邊在磁場中相距為y1,短距線圈中的感應(yīng)電勢

短距線圈的感應(yīng)電勢：

短距系數(shù)小于1，故短距線圈感應(yīng)電勢有所損失；但短距可以削弱高次諧波.y1

線圈的兩個有效邊感應(yīng)電勢相差小于180電角度。42

每對極下屬于同一相的q個線圈，構(gòu)成一個線圈組。圖中q=2

整個線圈組的感應(yīng)電勢由所有屬于該組的導(dǎo)體電勢矢量相加。

三線圈組中的感應(yīng)電勢43

線圈組的電勢：

分布系數(shù)：如果q個線圈集中在一個槽內(nèi)（集中繞組），則每個線圈中的感應(yīng)電勢是同相位的，即Eq=qEy1；然而q個線圈分布在不同的槽內(nèi)（分布繞組），相鄰兩線圈感應(yīng)電勢相差一個槽距角а，分布繞組的合成電勢比集中繞組要小，用分布系數(shù)加以考慮。44單層繞組的相電勢

單層繞組每對極每相q個線圈組成一個線圈組，共p個線圈組。實際線圈組可并可串，總串聯(lián)匝數(shù)

相電勢：四一相繞組中的感應(yīng)電勢為繞組系數(shù)：4546

雙層繞組每對極每相有2q個線圈，構(gòu)成兩個線圈組，共2p個線圈組；這2p個線圈組可并可串，總串聯(lián)匝數(shù)為繞組系數(shù)：雙層繞組的相電勢47

一相繞組電勢的大小為

繞組系數(shù)（短距系數(shù)）（分布系數(shù)）B1m——氣隙磁通密度幅值L——定子鐵心長度τ——極距q——每相每極槽數(shù)α——槽距角p——極對數(shù)Ny——線圈匝數(shù)48[例4-3]一臺四極三相異步電動機的定子繞組為雙層