电力拖动教案第4章

第四章 异步电动机原理§4-1 基本工作原理与结构一、异步电动机的基本工作原理·原理：定子旋转磁场以速度n0切割转子导体感生电动势（发电机右手定则）， 在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩， 推动转子以转速n 顺n0方向旋转 （电动机左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。

(n 不能等于n0)特点：·电动机内必须有一个以n0旋转的磁场。

－实现能量转换的前提；·电动运行时n 恒不等于n0（异步）－必要条件n<n0；·建立转矩的电流由感应产生。

－感应名称的来源。

U U V V W W 111222U 1V W W U 2V 1122绕组空间位置转子绕组展开图(星形联接)ii ui vi wi uωt32π34π2π三相电流波形NSn 0n 异步电动机模型笼型转子U U V V W W 111222ωt =Iu=ImU U V V W W 111222ωt =2π3Iv=ImU U V V W W 111222ωt =4π3Iw=Im·空间120度 对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时，产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场，每电源周期旋转一周，即两个极距；·某相绕组中电流达到最大值时，磁极轴线恰好旋转到该相绕组轴线上。

·每相空间对称分布串联线圈数增加，合成磁场磁极对数也增加： 例：由3个线圈增加到6个，依次滞后60度机械角度对称分布：U U V V W W 11111121221UVW绕组空间位置U 12V 12W 12U 22V 22W 21W 22P=2绕组展开图(Y联接)U V W 111111U 12V 12W 12U U 2122V 21V 22W 21W 22U U V W W 2212221212ωt =0U 11U 21V W V V W 1111212122U U V W W 2212221212ωt =U 11U 21V W V V W 111121212232πU U V W W 2212221212ωt =U 11U 21V W V V W 111121212234πU U V W W 2212221212ωt =2πU 11U 21V W V V W 1111212122·p=2时，电源电压变化一周，磁场在空间旋转半周，即180度机械角度； 对应电角度仍为00360180=⨯p 。

结论：·空间对称分布的多相绕组，流过时间上对称的多相电流时，合成磁通势为旋转磁通势，由此磁通势建立的磁场为旋转磁场。

·定子绕组的主要功能：建立旋转磁通势。

重要结论：交流电机中的合成磁场旋转速度min]/[600r p f n = ,f 为电源频率。

二、 基本结构〖阅读〗三、 铭牌数据·额定功率N P ：额定运行状态下的轴上输出功率，单位：kW 。

·额定电压N U ：额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位：V 。

·额定电流N I ：额定运行状态下电动机定子绕组的线电流，单位：A 。

·额定转速N n ：额定运行状态下电动机的转速，单位：r/min 。

·额定频率N f ：电动机电源电压标准频率。

NN N N N I U P ηφcos 3=§4-2 三相异步电动机的定子绕组与磁势(mR F φ=)目标：定量分析确定三相合成磁势的数学表达式－旋转磁场的理论定量分析，为确定电动机的电磁转矩大小和方向作准备。

一、 一相定子绕组及其磁通势取p=1，U 相绕组为例:绕组匝数Ny,通过电流t sin I i m y ω=每磁感应线磁路磁势y y N i F =;忽略铁心磁压降,认为气隙均匀,则气隙中磁势处处相等:t sin N I 21N i 21F y m y y y ω==。

SNU U 12yI m NS F τxNU U U 121mi y=I m瞬间空间脉振磁势波形t磁势空间位置固定、幅值随电流按正弦规律不断改变其大小和符号： 空间脉振磁势。

机电角度的换算：P=1时，τ2机械弧度相当于π2电弧度所以：x 机械弧度相当于τπx 电弧度，即机械弧度x 为一个极踞时电弧度等于π。

将myI i =瞬间的空间矩形波磁势按级数展开[参考文献1、p192]，得)x 5cos 51x 3cos 31x (cosIN 9.0 )x 5cos 51x 3cos 31x (cosIN 224F y y m -τπ+τπ-τπ=-τπ+τπ-τππ=I 为电流有效值：t sin I 2i ω=。

结论：一相定子绕组流过正弦电流时在气隙中产生的磁势为脉振磁势：t sin )x 5cos 51x 3cos 31x (cosIN 9.0 t sin )x (F )t ,x (F y ym y ω-τπ+τπ-τπ=ω=x-2ττ23τ2FymFy1Fy3Fy5τFym(x)矩形磁通势波的基波及3，5次谐波分量存在问题：集中整距绕组→磁势、磁场为矩形分布→转子感应电势畸变→性能↓对策：单层分布绕组→抑制高次谐波→磁势、磁场接近正弦波：1、 单层整距分布绕组将原集中在一个槽内的线圈边分布到相邻的q 个槽内：定子绕组相数定子总槽数p 2pm2Z q ss ==a ：槽距角：相邻两槽间弧长对应的电角度sZ360p =a ；U 1U 2V 1W 1W 2V 2集中整距绕组234567890123456781U 1U 2整距分布绕组ααRαqαF F F F 112131qm1F F F 112131F qm1=2Rsin 2q αF y1=F 21=2Rsin2αq：每极每相槽数α：槽距角基波：11112sin2siny q y qm qF K q q qFF ⨯==ααv 次谐波磁势最大值：yv qv yvqmv qF K vq q vqF F ⨯==2sin 2sin αα ；v=3、5、7、···12sin 2sin <=ααvq q vK qv结论：采用整距分布绕组后，线圈组基波、谐波磁势幅值均下降，下降比例等于qi K ；谐波磁势下降比例远大于基波。

合成磁势较接近正弦波。

2、 双层短距分布绕组双层短距绕组→进一步抑制高次谐波：y 11上1'22'τ极距τfy02π3π2θe3π2θeπ2fyiNy单相双层短距线圈产生的磁通势1下1下y 11上1'22'τ极距τ1下等效为整距绕组Fqm1下Fqm1上Fqy1Fqm1上Fqm1下Fqy1εε短距角：极距τ与线圈跨距y1之差： ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=τπε1y 1基波短距系数：2cosKy1ε= ；V次谐波短距系数：2cos Kyvεv=。

1y yvKK<<，高次谐波磁势被显著减小。

基波短距分布绕组系数：1N K==y1q1qy1KKK线圈匝数：Ny ；分布：q ；层：2；磁极对数：p 。

一相总串联匝数()y 12qN p =N 一相绕组基波磁势幅值：I N I N N m pK=pK N F 111119.0224π=二、 交流电动机绕组磁通势的性质 1、 一相绕组基波磁势：t x F t x F m ωτπsin cos),(11=是一个空间呈余弦分布、幅值随时间按正弦规律变化的脉振磁势。

分析：利用三角公式()),(),(sin sin2,1111t x F t x F x t x t F t x F R F m +=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛-=τπωτπω 性质：·空间呈正弦分布·幅值为常数；令正弦值＝1，可得波顶（幅值）运动方程 ⎪⎭⎫⎝⎛-±=2πωπτt x·波顶运动线速度：fdtdx v τπωτ2±=±==[米/秒]·波顶旋转速度：]/[602260600分转pf p f D v n F ===ττπ]/[600分转pf n R -=结论：一相绕组所建立的脉振磁势可分解成两个旋转磁势，幅值均为脉振磁势幅值的一半，转速相同(pf n 600=[r/min])，方向相反。

2、 三相绕组合成磁通势的性质UVW2π34π32ππτx三相集中绕组空间位置示意图·旋转磁场源于空间对称分布的三相绕组中流过三相电流形成的合成旋转磁势。

假定)32sin()32sin(sin πωπωω+=-==t t tI i I i I i m w m v m u 则三相绕组的基波磁势为：)32sin()32cos(),()32sin()32cos(),(sin cos),(111111πωπτππωπτπωτπ++=--==t F t x F t F t x F tF t x F m W m V m U将它们分解成两个旋转磁势：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛-=x t x t F t x F m U τπωτπω sin sin 2,11()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-++⎪⎭⎫ ⎝⎛-=32sin sin 2,11πτπωτπωx t x t F t x F m V ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎭⎫ ⎝⎛-=32sin sin 2,11πτπωτπωx t x t F t x F m W三相绕组的基波合成磁势为：)sin()sin(),(),(),(),(111111x t F x t F t x F t x F t x F t x F sm m w V U s τπωτπω-=-=++= 23I pKN F F N m sm 111135.123==三相的三次谐波磁势：对应基波的一个极距，三次谐波已经是3个极距：)32sin()32(3cos ),()32sin()32(3cos ),(sin 3cos ),(333333πωπτππωπτπωτπ++=--==t F t x F t F t x F tF t x F m W m V m U －－－]32sin )32sin([sin 3cos ),(),(),(),(33333=⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+=++= πωπωωτπt t t x F t x F t x F t x F t x F m w V U s －·各相三次谐波磁势的空间位置相同，因三相电流在时间上互差120度电角度，使三相合成三次谐波磁势为0。

·推论：三的倍数次谐波磁势都为0。

其余5、7次谐波磁势，由于采用分布、短距绕组已被削弱到极小，所以三相绕组产生的磁势可以忽略谐波分量。

),(1t x F s 的性质：·空间正弦分布、幅值固定、以pf n 600=旋转。