电机及电力拖动 第05章-三相感应电动机的基本原理.ppt

交流电机主要分为同步电机和感应电机两大类，它们的工作原理和运行性能都有很大差别。同步电机主要用作发电机，目前交流发电机几乎都是采用同步发电机。感应电机则主要用作电动机。本篇主要分析讨论三相感应电动机并结合讨论交流电机中的一般问题。关于同步电机将在第四篇中讨论。,第五章三相感应电动机的基本原理,5.1三相感应电动机的基本原理及结构,5.2三相感应电动机的定子绕组,5.3绕组的感应电动势,5.4绕组的磁动势,5.1三相感应电动机的工作原理及结构,5.1.1三相感应电动机的工作原理,转子转速n与旋转磁场转速n1之差称为转差△n,转差与磁场转速n1之比,称为转差率s。感应电动机的旋转磁场是由装在定子铁心上的三相绕组，通入对称的三相电流而产生的,感应电动机的转子速度不可能等于磁场旋转的速度，这种电动机一般也称之为异步电动机旋转磁场的旋转速度n1称为同步转速。由于转子转动的方向与磁场的旋转方向是一致的，所以如果nn1，则磁场与转子之间就没有相对运动，它们之间就不存在电磁感应关系，也就不能在转子导体中感应电动势、产生电流，也就不能产生电磁转矩。,5.1.2三相感应电动机的结构,感应电动机也是由定子和转子两大部分组成。定转子之间为气隙，感应电动机的气隙比其它类型的电机要小得多，一般为（0.25-2.0）mm，气隙的大小对感应电动机的性能影响很大。,一、定子部分,机座感应电动机的机座仅起固定和支撑定子铁心的作用，一般用铸铁铸造而成。根据电动机防护方式、冷却方式和安装方式的不同，机座的形式也不同。,定子铁心由厚0.5mm的硅钢片冲片叠压而成，铁心内圆有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组，冲片上涂有绝缘漆（小型电动机也有不涂漆的）作为片间绝缘以减少涡流损耗，感应电动机的定子铁心是电动机磁路的一部分。,定子绕组三相感应电动机的定子绕组是一个三相对称绕组，它由三个完全相同的绕组所组成，每个绕组即为一相，三个绕组在空间相差120电角度，每相绕组的两端分别用u1-u2，v1-v2，w1-w2表示，可以根据需要接成星形或三角形。,二、转子部分,转子铁心作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路一部分，一方面用来安放转子绕组。转子铁心也是用厚0.5mm的硅钢片叠压而成，套在转轴上。,转子绕组感应电动机的转子绕组分为绕线型与笼型两种，根据转子绕组的不同，分为绕线转子感应电动机与笼型感应电动机。1）绕线型转子绕组它也是一个三相绕组，一般接成星形，三根引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相联。这就有可能在转子电路中串接电阻以改善电动机的运行性能。,2）笼型绕组在转子铁心的每一个槽中插入一铜条，在铜条两端各用一铜环（称为端环），把导条联接起来，这称为铜排转子。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环、风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子。笼型绕组因结构简单、制造方便、运行可靠，所以应用广泛,包括端盖、风扇等。端盖除了防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却。,三、其它部分,5.1.3三相感应电动机的铭牌数据及主要系列,一、感应电动机的铭牌数据,6）绝缘等级绝缘等级决定了电动机的容许温升，有时也不标明绝缘等级而直接标明容许温升。7）接法用Y或△表示。表示在额定运行时，定子绕组应采用的联接方式。,8）转子绕组的开路电压指转子接额定电压，转子绕组开路时转子线电压，单位是V。9）转子绕组的额定电流单位是A。,若是绕线转子感应电动机，则还应有,铭牌上除了上述的额定数据外，还表明了电动机的型号，型号一般用来表示电动机的种类和几何尺寸的大小等。中心高表示电动机的直径大小防护形式的数字数字越大，表示防护的能力越强。对于系列电动机，铭牌上有时也不标防护型式。,二、三相感应电动机的主要系列简介,Y系列是一般用途的小型笼型电动机系列，取代了原先的JO2系列。额定电压为380V，额定频率为50Hz，功率范围为（0.55-90）kW，同步转速为（70-3000）r/min，外壳防护型式为IP44和IP23两种，B级绝缘。JDO2系列该系列是小型三相多速感应电动机系列。它主要用于各式机床以及起重传动设备等需要多种速度的传动装置。JR系列该系列是中型防护式三相绕线转子感应电动机系列，容量为（45-410）kW。YR系列是一种大型三相绕线子感应电动机系列，容量为（250-2500）kW，主要用于冶金工业和矿山中。,5.2三相感应电动机的定子绕组,5.2.1三相交流绕组的基本要求和分类,1）每相绕组的阻抗要求相等，即每相绕组的匝数、形状都是相同的。2）在一定数目的导体下，能获得较大的电动势和磁动势。3）电动势和磁动势的波形力求接近正弦波，为此要求电动势和磁动势中的谐波分量应尽可能小。4）对基波而言，三相电动势和磁动势必须对称。5）用铜少，绝缘性能可靠，制造、维修方便。,一、对三相交流绕组的基本要求,单层绕组与双层绕组相比，电气性能稍差，但槽利用率高，制造工时少，因此小容量的电动机中（PN≤10kW），一般都采用单层绕组。,二、三相交流绕组的分类,1）电角度电动机圆周在几何上分成360，这称为机械角度。从电磁观点来看，若电动机的极对数为p，则经过一对磁极，磁场变化一周，相当于360电角度。因此，电动机圆周按角度计算p360，即电角度p机械角度2）槽距角α相邻两个槽之间的电角度称为槽距角α。因为定子槽在定子内圆上是均匀分布的，所以若定子槽数为Z1，电机极对数为p，则,三、关于交流绕组的一些基本量,除了极距τ，线圈节距y1等的意义和直流电枢绕组是一样外。在交流绕组中，还需要知道,3）每极每相槽数q每一个极下每相所占有的槽数称为每极每相槽数q，若绕组相数为m1，则若q为整数，称为整数槽绕组。若q为分数，称为分数槽绕组。分数槽绕组一般用在大型、低速的同步电机中。4）相带每相绕组在一对极下所连续占有的宽度（用电角度表示）称为相带。在感应电动机中，一般将每相所占有的槽数均匀地分布在每个磁极下，因为每个磁极占有的电角度是180，对三相绕组而言，每相占有60的电角度，称为60,相带。由于三相绕组在空间彼此要相距120电角度，所以相带的划分沿定子内圆应依次为U1、W1、V1、U2、W2、V2，如图。,5.2.2单层绕组,一、2p2，q1,,定子铁心内圆上共有Z12m1pq6个槽，每个相带中只有一个槽，其中U1、U2的线圈边构成一相绕组。V1、V2和W1、W2构成另外两组绕组。显然，它们在空间互差120电角度，如下图。,从上图中可以看出，每个线圈的节距y1都等于极距τ，三个线圈的引出端u1-u2，v1-v2，w1-w2可以根据需要接成星形或三角形，如下,二、2p4，q1,定子槽数Z112，每对极下有6个槽，每对极下三相绕组的排列完全相同，这样每相绕组就有两个圈，它们可以并联联接，也可以串联联接。下图是串联联接的情况。,q1的绕组称为集中绕组，虽然结构简单，但电气性能较差（电动势和磁动势的波形不是正弦波），且定子铁心的内圆没有得到充分利用，散热也困难，因此实际上并不采用。,三、2p4，q2,设有一台4极电动机，定子槽数Z124，则每极每相槽数，槽距角。若绕组采用60相带，则每个相带包含两个槽（即等于q），列表。,相带与槽号对应表,U相绕组的4个线圈，依次串联起来，构成了一相绕组，其形状、大小是完全一样的，称为等元件绕组，展开图如图所示,,这就使端接部分长度缩短，节省了材料。同时也减少了端接部分的重叠现象，使端接部分的排列更加合理。,比较可见，导体中的电流方向未变，因而产生的磁动势情况不变，每相绕组的电动势大小也未变。但改变接法后，每个线圈的节距y1由原来的整矩（y16τ）变为短距（y15τ），,把上图的展开图改接成下图所示的情况，改变接法后，为了维持导体中的电流方向不变，导体电动势仍是相加而不是相减，则线圈间的联接应由上图的“头-尾”相联接成下图的“尾-尾”相联、“头-头”相联。这种联接方式的绕组称为链式绕组。,链式绕组的线圈虽然是短距的，但在电气性能方面和整距绕组一样。从电气性能来看，链式绕组仍然是一种整距绕组。,,用同样的方法，可以得到另外两相绕组的联接规律。一般当q2时，三相单层绕组都采用链式绕组。下图为三相单层链式绕组的展开图。,四、2p4，q3,设一台4极电动机，定子槽Z136，则，槽距角若采用60相带，每个相带包含三个槽，列表。,相带与槽号对应表,联成一个等元件的整距绕组，下图是U相绕组展开图,因为导体12与导体30处于相同的磁场位置，U相绕相也可改接如下将2-10，3-11构成两个节距y18的大线圈；1-30构成一个y17的小线圈。同理，20-28，21-29构成两个大线圈，19-12构成一个小线圈，形成两对极下依次出现两大一小的交叉布置，如图所示。,为了保持导体的电流方向不变，每相绕组的电动势不变，线圈之间的联接规律如下两个相邻的大线圈之间应按“头-尾”相联，大线圈和小线圈之间应按“尾-尾”相联，小线圈与大线圈之间应按“头-头”相联。这种联接方式的绕组为交叉式绕组。交叉式绕组不是等元件绕组，线圈的平均节距，小于极距，因此端接部分较等元件绕组短，所以当q3时，一般均采用交叉式绕组。从电气性能来看，交叉式绕组仍然属于整距绕组。,另外两相绕组也可按同样的方法联接。下图是三相交叉式绕组的展开图。,,五、2p2，q4,设一台2极电动机，Z124，则，槽距角α15，相带的分布列表。,,相带与槽号对应表,可绘出等元件整距绕组的展开图。为了减小端接部分长度和重叠现象，以利于散热，当q4时，一般采用如下的联接方法。,同心式绕组从电气性能方面来看，也仍然属于一种整距绕组。,把3-14构成一个大线圈，4-13构成一个小线圈，它们“头-尾”相联，组成一个同心式的线圈组，再把15-2、16-1构成另一个同心式线圈组。两个线圈组之间反串联，即“尾-尾”相联，把两个线圈组的首端作为一相绕组的两个端点，如下图所示。,,5.2.3双层叠绕组,用一具体例子说明双层叠绕组的构成。设一台4极电动机，定子槽数Z1-24，每极每相槽数，槽距，采用60相带，则每一相带占有两个槽，列表。,相带与槽号对应表,以U1-U2相绕组为例1号线圈的一个有效边放在1号槽的上层，另一个有效边则根据线圈节距y1的大小，放置在另一槽的下层边。,,本例中，极距，如果线圈是整距的话，那么1号线圈的下层边应在第7号槽内。2号线圈的一个有效边在2号槽的上层，另一有效边则应在268号槽的下层。,1号线圈和2号线圈按“头-尾”相联，串联成一“极相组”，同理，每个相带都有由q个线圈（本例q2）串联组成的极相组。因为U2相带与U1相带相差180电角度，可以将U2相看是U1相。在组成三相绕组时，U1相带的极相组与U2相带的极相组应反向串联，即“尾-尾”相联。而U2相带与下一个U1相带极相组应“头-头”相联，如图所示，构成了U1-U2相绕组。,其它两相绕组变可按同样方法构成。下图是一个三相双层短距叠绕组的展开图。,,三相双层叠绕组每相在不同的极下的极相组可以串联联接，也可以串-并联联接或并联联接。右图分别表示了U1-U2相绕组三种联接方式的示意图。,串联联接a1,串-并联联接a2,并联联接a4,双层叠绕组的并联支路数α与极数2p应满足整数，因此叠绕组的并联支路数最多等于极数2p展开图中可以看出，三相双层叠绕组的每个线圈的形状是一样的，所以是一种等元件绕组。当线圈节距改变时，槽内上、下层导体的电流关系将发生变化。采用适当的短距可以使绕组电动势和磁动势的波形接近于正弦波，因此PN＞10kW的电动机都采用双层绕组。,5.3绕组的感应电动势,5.3.1线圈的感应电动势,一、导体电动势,当磁场在空间作正弦分布，并以恒定的转速n1旋转时，导体感应的电动势亦为一正弦波，其最大值为导体电动势的有效值为因为磁通密度作正弦分布，所以每极磁通量代入上式得，式中Bm1作正弦分布的气隙磁通密度的幅值,二、整距线圈的电动势,对于整距线圈，如果一个有效边在N极的中心底下，则另一个有效边就刚好处在S极的中心底下，可见两有效边内的电动势瞬时值大小相等而方向相反。但就一个线匝来说，两个电动势正好相加。,在一个线圈内，每一匝电动势在大小和相位上都是相同的，所以整距线圈的电动势,有效值,三、短距线圈的电动势,短距线圈的电动势,可见,匝电动势,有效值,式中Ky1为短距因数,r是线圈节距y1所对应的电角度,匝电动势计算,5.3.2线圈的感应电动势,电气性能上，一个单层绕组都相当于一个等元件的整距绕组。所以组圈组的电动势应为q个线圈电动势的相量和，即,由于这q个相量大小相等，又依次位移α角，所以它们依次相加便构成了一个正多边形的一部分，如图所示（图中以q3为例）。图中O为正多边形外接圆的圆心，为外接圆的半径，于是便可求得线圈组的电动势Eq1为,代入上式,得,式中绕组因数,5.3.3相电动势,每相绕组的电动势等于每一条并联支路的电动势。一般情况下，每条支路中所串联的几个线圈组的电动势都是大小相等，相位相同的，因此，可以直接相加。对于双层绕组，每条支路由个线圈组串联而成。对于单层绕组，每条支路由个线圈组串联而成,每相绕组电动势双层绕组单层绕组式中分别表示双层绕组和单层绕组每条支路的串联匝数N，这样就可写出绕组相电动势的一般公式,式中N每相绕组的串联匝数。,5.3.4短距因数与分布因数,短距因数Ky1和分布因数Kq1，都小于1的数，因此短距分布绕组的电动势将小于整距集中绕组的电动势。,绕组中除了感应有基波电动势外，同时也感应有高次谐波电动势。高次谐波电动势对相电动势的大小的影响一般不是很大，主要是影响电动势的波形，而采用短距绕组可以消除一部分高次谐波电动势,右图表示采用短距绕组消除5次谐波磁场在线圈两个有效边中感应的电动势大小相等、方向相反，沿线圈回路，两个电动势正好相加。,采用短距绕组消除5次谐波电动势,对三相绕组，不论采用星形联接还是采用三角形联接，线电压中都不存在3次或3的倍数次谐波。因此在选择线圈节距时，主要考虑削弱5次和7次谐波电动势，通常采用左右，这时5次和7次谐波电动势约只有整距时的1/4左右，至于更高次谐波电动势，由于幅值很小，影响已不大。,从电动势波形的角度看单层绕组的性能要比双层短距组差。,采用分布绕组，同样可以起到削弱高次谐波的作用,q增加时，基波的分布因数减小不多，而谐波的分布因数却显著减小。但是随着q的增大，电动机的槽数也增多，使电动机的成本提高。事实上，当地时间q＞6时，高次谐波分布因数的下降已不太显著，因些一般交流电动机的每极每相槽数q均在2-6之间，小型感应电动机的q一般为2-4。,5.4绕组的磁动势,5.4.1单相绕组的磁动势脉振磁动势,一、整距线圈的磁动势,相绕组是由线圈所组成的，为此在分析绕组磁动势前，先分析单个线圈所产生的磁动势。,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，其上消耗的磁势降可以忽略不计。,根据全电流定律，每根磁力线所包围的全电流均为式中Nc线圈匝数，也就是线圈每一有效边的导体数。,若线圈中的电流为一交流电流，，则磁动势矩形波幅值的一般表达式为,随时间的变化而作正弦变化，当电流为最大值时，矩形波的高度也为最大值，当电流改变方向时，磁动势也随之改变方向，如右图,矩形波脉振磁势的分解,对一个空间按矩形规律分布的磁动势用傅氏级数进行分解，可得到如下图所示的一系列谐波。因为磁动势的分布既对横轴对称又对纵轴对称，所以谐波中无偶次项，也无正弦项，这样按傅氏级数展开的磁动势可写成,式中的表示谐波次数；用来表示该项前的符号。,其中基波磁动势的幅值为矩形波幅值的，即,而次谐波的幅值则为基波的，因此整距线圈所产生的脉振磁动势的方程式为,每个线圈组都是可以看成是由q个线圈构成的线圈组，线圈与线圈之间错开一个槽距角。,二、整距线圈组的磁动势,线圈组基波合成磁动势的矢量可以用q个依次相差α电角度的基波磁动势矢量相加求得,式中Kq1基波的分布因数,对高次谐波磁动势，由于次谐波磁动势的极数为基波极数的倍，因此，对次谐波来说，槽距角应为电角度，所以次谐波的分布因数为而次谐波磁动势的幅值为,采用分布绕且可以削弱磁动势的高次谐波，改善磁动势波形，使之接近于正弦波。,三、短距线圈的磁动势,线圈组可以用两个单层绕组的线圈组来等效,如下图a所示。这两个线圈组在空间相差β电角度。不难看出，β角即节距缩短所对应的电角度，即,用求整距分布线圈磁动势的方法，求得基波和高次谐波。显然这两个线圈组的基波磁动势势Eq1上和Fq1下，彼此相差β电角度，如图b所示。用矢量相加的方法，可求得两个线圈组的合成基波磁动势，,式中,同理，对次谐波而言和采用短距绕组能改善电动势波形一样，采用短距绕组也可以改善磁动势波形。采用分布短距绕组会使基波磁动势有所减小，但谐波磁动势却大大削弱，使总的磁动势波形更接近于正弦形，这也是在容量稍大的电动机中一般都采用双层分布短距绕组的原因。,三、相绕组的磁动势,一个相绕组的磁动势并不是指整个相绕组的总安匝数，而是只指消耗在一个气隙中的合成磁动势,一般在公式中用相电流I和每相串联匝数N1来代替线圈电流Ic和线圈匝数Nc。若绕组的并联支路数为α，则。,对单层绕组对双层绕组,式中Kω1绕组因数，Kω1Ky1Kq1。,整个脉振磁动势的方程式为,5.4.2三相绕组的磁动势旋转磁动势,三相绕组是由三个单相绕组U、V、W所构成，这三个单相绕组结构完全相同，只是在空间互差120电角度而已。把三个单相绕组所产生的磁动势波逐点相加，就得到了三相绕组的合成磁动势。,单相绕组的磁动势是一个脉振磁动势磁动势可以分解为基波和一系列高次谐波，其中基波磁动势是主要分量。总的合成磁动势应是基波和高次谐波磁动势的叠加。,一、三相绕组的基波合成磁动势,则由脉振磁动势即可写出U、V、W三相基波磁动势的表达式,,三相基波合成磁动势,式中F1三相合成基波磁动势的幅值,1当ωt0时，,瞬时基波磁动势的分布曲线,是一幅值恒定，沿空间作正弦分布的行波。,沿圆周的连续推移就成为旋转磁动势。,2）旋转磁动势波的旋转速度可以由波上任意一点的推移速度确定。,设取波幅点进行考虑，其值恒为F1，,由三相基波合成磁动势方程式可知这时相当于,上式说明每当电流变化一周，磁动势波就沿圆周移动了2τ的距离，也就相当于转过了圈。,x对时间t求导，就可以求出波幅点的移动速度。,n1称为同步转速，它仅与电流频率f和电动机的极对数p有关，其单位为转/秒（r/s）或转/分（r/min）。,旋转磁动势波的转速,已制成的电动机，极对数p是一定的，当电源频率不同时，电动机就有不同的同步速。反之，若电源频率一定，则不同极数的电动机，其同步速也不同。我国的工频频率为50Hz2极电动机（2p2）的同步速为3000r/min；4极电动机（2p4）的同步速为1500r/min；6极电动机（2p6）的同步速为1000r/min等。,3）三相基波合成磁动势的振幅始终与电流达到最大值时的一相绕组的轴线重合。,同理当ωt240时，W相电流达最大值，这时幅值F1将位于W相绕组的轴线上。,当ωt120时，V相电流达最大值，此时，说明幅值F1应在电角度处，即位于V相绕组的轴线上。,当ωt0时U相电流达最在值，此时，在说明此时幅值在U相绕组轴线上。,4）根据上述结论，说明合成旋转动势的旋转方向决定于绕组中电流的相序，总是从电流超前相转向电流滞后相，如果改变绕组中电流的相序，就可以改变旋转磁动势的转向。,圆形旋转磁动势三相绕组中通过三相对称电流的情况下，旋转磁动势波的幅值恒定不变，波幅的轨迹为一个圆。圆形旋转磁场圆形旋转磁动势的磁场。,注意这里讨论的谐波是指空间谐波，即对次谐波而言，三相绕组的轴线互差电角度，而三相绕组中的电流，其相位差仍为120。,二、三相绕组的谐波合成磁动势,采用分析基波合成磁动势的方法，可以分析各次谐波的合成磁动势。,1）3次谐波（3）,三个单相绕组产生的3次谐波脉振磁动势分别为,说明fu3、fv3、fw3在空间是同相位的，而在时间相位上互差120，所以三相绕组的3次谐波合成磁动势为零。同理可证，凡是3的奇数倍的谐波，其三相合成磁动势均为零。,2）5次谐波（）,仿照基波合成磁动势的推导过程，可得,说明三相绕组的5次谐波的合成磁动势为一在空间作正弦分布、波幅恒定的旋转磁动势，振幅等于每相脉振磁动势5次谐波振幅的倍，即,5次谐波合成磁动势,3）其它次谐波,同样的方法对各次谐波的合成磁动势进行分析，可得出如下结论,谐波磁动势一般对电动机运行将带来不利影响电动机中采用短距和分布绕组削弱磁动势中的高次谐波,（6k1）次谐波转向与基波相同（6k-1）次谐波转向与基波相反,