电机与电气控制技术第五章

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异步电动 机的三种 运行状态
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二、三相异步电机的结构
绕线转子异步电机剖面图 1—转子绕组 2—段盖 3—轴承 4—定子绕组 6—定子 7—集电环 8—出线盒
5—转子
8
9
10
1、定子 异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。
11
定子冲片
定子线圈
12
铁心和机座
2、转子
异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 1）笼型绕组
为了便于说明问题，以下假设给定电机极数2p=4，槽数Q1=24 1、极距的计算， 若2p=4，Q=24，则 τ=6

Q 2p
18
2、线圈中的电流方向
两极磁动 势图
四极磁动 势图
3、确定相带—— 每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为“相 带”，q=Q/(2mp)；每个相带为60°电角度。
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4、画定子槽展开图
f y ( x , t ) F ym ( x ) cos t 4 π 1 π 1 π N c I c cos x cos 3 x cos 5 x cos t 2 3 5 2
把以2τ 为周期的 矩形磁动势波用 傅氏级数分解

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（二）线圈组的磁动势
确定相带和应有 的电流相对方向 单层相绕组的 一种联接方法 三相绕组排列和联接的一 般方法为:①计算极距；② 计算每极每相槽数；③划 分相带；④组成线圈组； ⑤按极性对电流方向的要 求分别构成各相绕组。
20
三、三相单层绕组
单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边，整个绕组的线圈数等 于总槽数的一半。 以下用定子槽数为24，两极电机的定子绕组为例，说明单层绕 组构成。 Q 24 1、计算极距 12

3 sin
五次谐波分布因数
sin kq5
3 sin
七次谐波分布因数
sin kq7
3 ( 7 20 ) 2 7 20 2 0 . 177
30

3 sin
2、短距线圈的线圈组磁动势
q=2,τ=6,y1=5的
双层短距叠绕组
短距线圈节距缩短的角度
y1 y1 π π 1

cos t 120 cos t 240


33

利用三角公式
f A 1 F 1 cos
f B 1 F 1 cos( f C 1 F 1 cos(
cos cos
1 2

1 2
cos(
π
) cos( )
第五章三相异步电动机的基本原理
交流电机有两大类：异步电机和同步电机。同步电机的转速与交流 电源频率之间存在严格的对应关系。异步电机则不然。异步电动机 定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子 绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。
第一节 三相异步电动机的工作原理及结构 一、三相异步电动机的工作原理与运行状态
同心式 绕组
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四、三相双层绕组
双层绕组的每个槽内都有上下两个线圈边，每个线圈的一个边 放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距y1的另一个槽的下层。 整个绕组的线圈数等于槽数。 以下用3相4极36槽的双层叠绕组为例，说明3相双层绕组的排 列和联接。 1、计算极距

Q 2p 36 4 9
2、选择节距 选择短节距 3、计算每极每相槽数 并且计算槽距角
(二）旋转磁场的产生 旋转磁场—— 一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场。 A-X、B-Y、C-Z三个线圈在空间上彼此互隔120°分布在定子 铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。
2
B相从A相后移120°
C相从B相后移120°
A相从C相后移120°
当三相对称绕组接上三相对 称电源，就产生旋转磁场。
1 2 F 1 cos( t
π
π

π
x cos t
F 1 cos( t


x)
π

x)
π x 240 )


π
x 120 ) cos( t 120 )
1 2
F 1 cos( t F 1 cos( t

π
x)
1 2
F 1 cos( t F 1 cos( t
i A I m cos t
i B I m cos( t 120 )

i C I m cos( t 240 )

3
四极旋转磁 场示意图
ns
6 0 f1 p
式中，n0为同步转 速，单位r/min； p为极对数； f1为交流电源的 频率。
4
（三）三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机圆柱形的转子铁心上， 嵌有均匀分布的导条，导条两端分别 用铜环将它们连接成一个整体。
第二对极
19,20,21
22,23,24
25,26,27
28,29,30
31,32,33
34,35,36
5、组成线圈组
25
第四节 三相异步电动机的定子磁动势及磁场
一、单相绕组的磁动势– 脉振磁动势
（一）整距线圈的磁动势
26
ωt=0,i=Im
f y ( x, t) 1 2 N c ic 2 2 N c I c cos t
计算其基波和5次、7次谐波磁动势的分布因数。 解 计算每相每极槽数q和α值
q Q1 2 mp 36 2 3 2 3

60 q


60 3

20

基波分布因数
sin k q1
3 20 2 20 2

0 . 960 3 ( 5 20 ) 2 5 20 2 0 . 217
v 2

90 cos

称为谐波磁动势的节距因数
（三）相绕组的磁动势 绕组由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该打一个 折扣kq1； 线圈由整距改为短距的基波合成磁动势幅值应该打一 个折扣ky1；因此，由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势 幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘 以系数kw1=kq1ky1，称为基波绕组因数。 对于v 次谐波 kwv=kqvkyv
32
对于单相绕组磁动势，可以归纳以下几点： 1）单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值 随时间变化的脉振磁动势。 2）单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合。
Nk W 1 p
3）单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为
而v 次谐波磁动势幅值为： F 越高，幅值越小。
v
F 1 0 . 9
y 8
q Q 2 mp 36 2 3 2

3
60

q 20
23
4、画展开图
画出槽内线圈边（上层 边用实线，下层边用虚 线表示），并且编号
24
按每极每相槽数划分相带
相带 槽号
第一对极
A
1,2,3
Z
4,5,6
B
7,8,9
X
10,11,12
C
13,14,15
Y
16,17,18

π

x 240 ) cos( t 240 )

1 2

x)
三相异步电动机的定子铁心上嵌有三 相对称绕组，接通三相对称电源后， 在定子、转子之间的气隙内产生了以 同步转速旋转的旋转磁场。 转子导条被这种旋转磁场切割，在导 条内产生感生电流，磁场又对导条产 生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场 旋转。 （四）三相异步电动机的转速与运行状态 异步电动机的工作原理决定了它的转速一般低于同步转速。如 果异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与转子导条之 间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会 产生电磁转矩来拖动机械负载。 5
（－）基本工作原理 三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流 的相互作用而运行的。当三相定子绕组接至三相电源后，三 相绕组内将流过对称的三相电流，并在电动机内产生一个旋 转磁场，该磁场沿定子内圆周方向旋转。在交流电动机中， 旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用 n 0
表示。如图所示为异步电动机的工作原理示意图， 假设定子只有一对磁极，阴影部分分别表示N极和S极。
转速，单位 r/min
此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（星形还是三角形）、绝缘 等级及允许温升等。对绕线转子异步电动机，还标明转子的额定电 动势及额定电流。 16
第三节 三相异步电动机的定子绕组 一、交流绕组的一些基本知识和基本量
1、电角度与机械角度 电机圆周在几何上分成360°，这个角度称为机械角度。 若磁场在空间按正弦波分布，则经过N、S 一对磁极恰好相当于 正弦曲线的一个周期。因此，一对磁极所占有的空间是360°电角 度。可见，一个具有 p 对磁极电机，电机圆周按电角度计算就为 p×360°，而机械角度总是360° 。 电角度= p×机械角度 2、线圈——组成交流绕组的单元是线圈。线圈是由一匝或多匝串 联而成，它有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。 3、节距—— 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距， 用y表示，一般用槽数计算。节距应该接近极距τ 。
F Φ 1 ( p 1 ) 2 F q 1 cos

2
2 Fq1k y1
式中
k y 1 cos

2
cos
1 2
(180


y1

180 ) sin

y1

90

称为基波磁动势的节距因数
31
同理，对于v 次谐波
式中
k yv sin vy 1
F v ( p 1 ) 2 F qv k yv
铜条笼 型转子
铸铝笼 型转子
13
笼型转子
14
绕线转子照片
15
第二节 三相异步电动机的铭牌数据
额定功率—— 电动机在额定运行时输出的机械功率,单位Hale Waihona Puke BaidukW 额定电压—— 在额定运行状态下，电网加在定子绕组的线电压， 单位 V
额定电流—— 电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，
定子绕组中的线电流，单位 A 额定频率—— 我国的电网标准频率为 50Hz 额定转速—— 电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的
I
；

1 v
0 .9
Nk Wv p
I
；
谐波次数
二、三相绕组的磁动势– 旋转磁动势
取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为x 的正方向，同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点， 则三相的基波磁动势为： π
f A 1 F 1 cos

x cos t
π f B 1 F 1 cos x 120 π f C 1 F 1 cos x 240
整距线圈所形成的 磁动势在任何瞬时，空 间的分布总是一个矩形 波。
ωt=90°,i=0
这种从空间上看位 置固定，从时间上看大 ωt=180°, i=-Im 小在正负最大值之间变 化的磁动势，称为脉振 磁动势。脉振的频率就 是交流电流的频率。
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磁场分布
磁动势分布
四极整距线圈的磁动势 应用傅氏级数对矩形波 进行分解。矩形波中含有1， 3，5，…奇次谐波，又对称 于纵轴。
各线圈磁 动势波
1、整距线圈的 线圈组磁动势
合成磁动 势的基波
基波磁动势 矢量相加
线圈组的合成 基波磁动势为
Fq1 q 4 2 π 2 N y Ik q 1
sin k q1
q 2
q sin

2
为基波磁动势 的分布因数
整距线圈的线圈组的磁动势
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[例5-2]
一台四极三相异步电动机，定子槽数为36，
2p 2 1
2、计算每极每相槽数 3、划分相带
相带 槽号 第一对极
q
Q 2 mp

24 2 31
4
A
23,24,1,2
Z
3,4,5,6
B
7,8,9,10
X
11,12,13,14
C
15,16,17,18
Y
19,20,21,22
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4、组成线圈组 三相单层同心 式绕组展开图
相绕组 的构成
转差n0-n的存在是异步电动机运行的必要条件。我们将
转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用s表示。
S
n0 n n0
[例5-1] 有一台50Hz的三相异步电动机运行，空载转差率为 0.267%，额定转速为 n N 730 r / min 求该电动机的极对数、同步转 速、空载转速以及额定负载时的转差率。 解
y
——整距绕组， y ——短距绕组， y ——长距绕组 17
4、槽距角α —— 相邻槽之间的电角度称为槽距角
若Q为定子槽数，p为极对数，则槽距角

p 360 Q

5、每极每相槽数q —— 每一极每相绕组所占槽数，用符号q表示
q Q 2 pm
（m——相数）
二、交流绕组的排列和联接