三相異步電機工作原理.ppt

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4.1 三相異步電動機的基本工作原理和結構,4.2 交流電機的繞組,4.3 交流電機繞組的感應電動勢,4.4 交流電機繞組的磁動勢,4.5 三相異步電動機的空載運行,4.6 三相異步電動機的負載運行,4.7三相異步電動機的等效電路和相量圖.,4.8三相異步電動機的功率平衡、轉矩平衡,三相異步電機主要用作電動機，拖動各種生產(chǎn)機械。結構簡單、制造、使用和維護方便，運行可靠，成本低，效率高，得以廣泛應用。但是，功率因數(shù)低、起動和調速性能差。,4.1三相異步電動機的基本工作原理與結構,4.1.1三相異步電動機的基本結構,一、定子部分,1.定子鐵心：由導磁性能很好的硅鋼片疊成——導磁部分。,2、定子繞組：放在定子鐵心內圓槽內——導電部分。,3、機座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強的機械強度和剛度。,二、轉子部分,1、轉子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。,2、轉子繞組： 1）鼠籠式轉子：轉子鐵心的每個槽內插入一根裸導條，形成一個多相對稱短路繞組。2）繞線式轉子：轉子繞組為三相對稱繞組，嵌放在轉子鐵心槽內。,異步電動機的氣隙是均勻的。大小為機械條件所能允許達到的最小值。,三、氣隙,按轉子結構分：,繞線型異步電動機,鼠籠型異步電動機,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的外形圖。,鼠籠型轉子鐵心和繞組結構示意圖,三相繞線型轉子結構圖,返回,4.1.2 三相異步電動機的基本工作原理,一、轉動原理,1、電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉磁場。,2、磁生電：旋轉磁場切割轉子導體感應電動勢和電流。,3、電磁力：轉子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，將電能轉化為機械能。,二、轉差率,轉差率是異步電機的一個基本物理量，它反映電機的各種運行情況。,負載越大，轉速越低，轉差率越大；反之，轉差率越小。轉差率的大小能夠反映電機的轉速大小或負載大小。電機的轉速為：,額定運行時，轉差率一般在0.01~0.06之間，即電機轉速接近同步速。,同步轉速與轉子轉速之差與同步轉速的比值稱為轉差率，用s表示，即：,三、異步電機的三種運行狀態(tài),根據(jù)轉差率的大小和正負,異步電機有三種運行狀態(tài),4.1.3 型號和額定值,一、型號,例:,額定值關系有：,,二、額定值,三相異步電動機的定子部分在結構上和同步電動機的定子部分完全相同。 對中、小容量的低壓異步電動機，通常定子三相繞組的六個出線頭都引出，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）繞組的絕緣和機械強度可靠，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,兩個相鄰磁極軸線之間沿定子鐵心內表面的距離。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,一個線圈的兩個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,相鄰兩個槽之間的電角度：,6、相帶,每個極面下的導體平均分給各相，則每一相繞組在每個極面下所占的范圍，用電角度表示稱為相帶。,每一個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,單層繞組的每個槽內只放一個線圈邊，電機的線圈總數(shù)等于定子槽數(shù)的一半。單層繞組分為鏈式、交叉式和同心式繞組。,一、單層鏈式繞組,單層鏈式繞組由形狀、幾何尺寸和節(jié)距相同的線圈連接而成，整個外形如長鏈。,鏈式繞組的每個線圈節(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。,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。,三、單層同心式繞組,同心式繞組由幾個幾何尺寸和節(jié)距不等的線圈連成同心形狀的線圈組構成。,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。,三相單層繞組的優(yōu)缺點,4.2.3 三相雙層繞組,雙層繞組每個槽內放上、下兩層線圈的有效邊，線圈的每一個有效邊放在某一槽的上層，另一個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：,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交流電機繞組的感應電動勢,4.3.1 線圈的感應電動勢及短距系數(shù),一、一根導體的電動勢,二、整距繞組的電動勢,每個整距繞組由Nc個相同和線匝組成，每個整距線圈的電動勢:,電動勢頻率:,電動勢大小:,電動勢波形:,三、短距線圈的電動勢,每個短距線圈的電動勢:,稱為短距系數(shù)：線圈短距時電動勢比整距時打的一個折扣．,,4.3.2 線圈組的感應電動勢及分布系數(shù),一組線圈由q個線圈組成,若q個線圈為集中繞組時,各線圈電動勢大小相等、相位相同，線圈組電動勢為:,若q個線圈為分布繞組,放在q個槽內,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折扣.,稱為基波繞組系數(shù)。,4.3.3 一相繞組的基波感應電動勢,一繞組有2a條支路，一條支路由若干個線圈組路串聯(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,一個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氣隙上.每個氣隙的磁動勢為:,空間分布為矩形波,隨時間按正弦規(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,每個繞組由q 個線圈串聯(lián)構成，依次在定子圓周空間錯開槽距角α,繞組的基波磁動勢為q個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等效繞組基波磁動勢的相量和，用短距系數(shù)計及繞組短距的影響：,3、相繞組的磁動勢,每個極下的磁動勢和磁阻構成一條分支磁路。若電機有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,即一個脈動磁動勢可以分解成兩個幅值大小相等的磁動勢。,先分析,取幅值點分析,,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、轉速相同而轉身相反的兩個旋轉磁場。,(2)反之,滿足上述性質的兩個旋轉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磁動勢在旋轉過程中，大小不變，兩矢量頂點的軌跡為一圓形，所以這兩個磁動勢為圓形旋轉磁動勢。,4.4.2 三相繞組基波合成磁動勢——旋轉磁動勢,三相的合成磁動勢：,取U相繞組軸線位置作為空間坐標原點、以相序的方向作為x的參考方向、U相電流為零時作為時間起點，則三相基波磁動勢為：,可見：三相合成磁動勢也是一個圓形旋轉磁動勢。,交流電機三相對稱繞組, 通入三相對稱電流，磁動勢是三相的合成磁動勢。,為了分析旋轉磁動勢的旋轉方向，設三相對稱電流按余弦規(guī)律變化，U 相電流最大時為計時點，電流取首進尾出為正，電流波形和各時刻旋轉磁動勢的位置如圖所示：,用圖解法分析——不同時刻三相合成磁動勢,合成磁動勢的轉向是從載有超前電流的相轉到載有滯后電流的相。,產(chǎn)生圓形旋轉磁動勢的條件：一是三相或多相對稱繞組；二是三相或多相對稱電流。兩個條件有一個不滿足，即產(chǎn)生橢圓形旋轉磁動勢。,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幅值恒定不變的圓形旋轉磁動勢，它有以下主要性質,(1)幅值是單相脈動磁動勢最大幅值的3/2倍。,(2)轉向由電流相序決定,從載有超前電流相轉到載有滯后電流相.,(3)轉速決定于電流的頻率和電機的磁極對數(shù),(4)當某相電流達最大值時,旋轉磁動勢的波幅位置剛好轉到該相繞組的軸線位置上,4.5.1 空載運行時的電磁關系,4.5三相異步電動機的空載運行,一、主、漏磁通的分布,為了便于分析，根據(jù)磁通路徑和性質不同，異步電動機的磁通分為主磁通和漏磁通。,主磁通同時交鏈定、轉子繞組，其路徑為：定子鐵心→氣隙→轉子鐵心→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,異步電動機空載運行時的定子電流稱為空載電流。,三、電磁關系,,,,4.5.2 空載運行時的電壓平衡方程,一、感應電動勢,與變壓器一樣,主、漏磁通在定子繞組上感應的電動勢,可見，異步電動機空載時的電磁關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，可以作出空載時等效電路。,盡管異步電動機的電磁關系與變壓器相似，但它們之間還是有差別的：,1）主磁場性質不同：異步電動機為旋轉磁場，變壓器為脈動磁場.,4）由于存在氣隙,異步電動機漏抗較變壓器的大.,5)異步電動機通常采用短距和分布繞組,計算時需考慮繞組系數(shù),變壓器則為整距集中繞組,可認為繞組系數(shù)為1.,4.6.1 負載運行時的電磁關系,4.6三相異步電動機的負載運行,4.6.2 轉子繞組各電磁量,一、轉子電動勢的頻率,感應電動勢的頻率正比于導體與磁場的相對切割速度,故轉子電動勢的頻率為:,轉子不轉時,,理想空載時,,二、轉子繞組的感應電動勢,轉子旋轉時的感應電動勢:,轉子不轉時的感應電動勢:,二者關系為:,三、轉子繞組的漏阻抗,電抗與頻率正比于,轉子旋轉時轉子漏電抗:,二者關系:,轉子繞組的漏阻抗:,四、轉子繞組的電流,轉子繞組為閉合繞組,轉子電流為,轉子不轉時轉子漏電抗:,當轉速降低時,轉差率增大,轉子電流也增大.,五、轉子繞組的功率因數(shù),轉子功率因數(shù)與轉差率有關,當轉差率增大時,轉子功率因數(shù)則減小。,六、轉子旋轉磁動勢,轉子繞組流過三相或多相對稱電流時產(chǎn)生圓形旋轉磁動勢.,1)幅值,2)轉向,轉子電流相序與定子旋轉磁動勢方向相同,轉子旋轉磁動勢的方向與轉子電流相序一致.,轉子旋轉磁動勢相對定子的速度為,可見,無論轉子轉速怎樣變化,定、轉子磁動勢總是以同速、同向在空間旋轉，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、轉子側電動勢平衡方程：,4.7.1 折算,4.7三相異步電動機的等效電路和相量圖,頻率折算就是用一個等效的轉子電路代替實際旋轉的轉子系統(tǒng),而等效的轉子回路應與定子電路有相同的頻率。,一、頻率折算,在折算的過程中，電機的電磁效應不變，因而有兩個條件：一個是保持轉子磁動勢不變；二是轉子回路的功率不變。,轉子回路電流,實際的旋轉轉子軸上有機械損耗和機械功率輸出。頻率折算后，轉子靜止，沒有機械損耗和機械功率輸出，但電路中多了一個附加電阻 。根據(jù)能量守恒關系，該電阻消耗的功率等效機械損耗和機械功率之和——總的機械功率。,從等效電路角度，可以把 看成是異步電動機的”電阻負載”，其上的壓降可以看成是轉子回路的端電壓:,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)三相異步電動機的功率因數(shù)永遠滯后；,4)附加電阻不能用電感或電容來代替。,5)在等效電路中負載的變化是用轉差率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的相量圖。,4.8.1 功率平衡和轉矩平衡,4.8三相異步電動機的功率平衡、轉矩平衡,異步電動機的功率和損耗有：,一、功率平衡,輸入功率,定子鐵損,電磁功率,機械功率,輸出功率,定子銅損,轉子銅損,在等效電路上表示功率和損耗：,,,,,,,兩個重要關系式,可見，從氣隙傳遞到轉子的電磁功率分為兩部分，一小部分變?yōu)檗D子銅損耗，絕大部分轉變?yōu)榭倷C械功率。轉差率越大，轉子銅損耗就越多，電機效率越低。因此正常運行時電機的轉差率均很小。,二、轉矩平衡,即,或,電磁轉矩,在式 的兩邊同時除以機械角速度 得,電磁轉矩從轉子方面看，它等于總機械功率除以轉子機械角速度；從定子方面看，它又等于電磁功率除以同步機械角速度。,4.8.2 三相異步電動機的工作特性,一、轉速特性,二、轉矩特性,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：,