异步电动机的结构和工作原理 (1)

('第五章异步电动机前言：①定义：异步电机也叫感应电机是一种交流旋转电机,它的转速除与电网频率有关外,还随负载而变;②应用：主要作电动机使用,如：机床；水泵；家用电器；③它的功率因数永远是滞后的;异步电动机的结构和工作原理一、异步电动机的主要用途和分类1、异步电机主要用作电动机,去拖动各种生产机械;异步电动机的优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特征;异步电动机的缺点:功率因数较差;异步电动机运行时,必须从电网里吸收落后性的无功功率,它的功率因数总是小于１;2、异步电动机的种类很多,从不同角度看,有不同的分类法：1按定子相数分有①单相异步电动机；②两相异步电动机；③三相异步电动机;2按转子结构分有①绕线式异步电动机；②鼠笼式异步电动机;又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机;此外,根据电机定子绕组上所加电压的大小,又有高压异步电动机、低压异步电动机之分;从其它角度看,还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等;二、异步电动机的结构1.定子：定子铁心：0.5mm厚硅钢片叠压而成,磁路的一部分定子绕组：电磁线制而成,电路一部分机座：铸铁或钢板焊接而成1定子铁心是电动机磁路的一部分,装在机座里;为了降低定子铁心里的铁损耗,定子铁心用用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的,在硅钢片的两面还应途上绝缘漆;下图所示为定子槽,其中a是开口槽,用于大、中型容量的高压异步电动机中；b是半开口槽,用于中型500V以下的异步电动机中；c是半闭口槽,用于低压小型异步电动机中;2定子绕组：高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接,只有三根引出线,如图a所示;对中、小容量低压异步电动机,通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来,根据需要可接成Y形或△形,如图b所示;定子绕组用绝缘的铜或铝导线绕成,嵌在定子槽内;3机座：主要是为了固定与支撑定子铁心;如果是端盖轴承电机,还要支撑电机的转子部分;因此,机座应有足够的机械强度和刚度;对中、小型异步电动机,通常用铸铁机座;对大型电机,一般采用钢板焊接的机座,整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上;2.转子：转轴:支撑转子转子铁心：0.5mm硅钢片叠压而成,磁路一部分转子绕组：笼型绕组铸铝铜条绕线式绕组:电线绕制而成,Y接,滑环引出,外接电阻1转子铁心：是电动机磁路的一部分,它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成;铁心固定在转轴或转子支架上,整个转子的外表呈圆柱形;2转子绕组：分为笼型和绕线型两类;1笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组;在转子的每个槽里放上一根导体,在铁心的两端用端环连接起来,形成一个短路的绕组;如果把转子铁心拿掉,则可看出,剩下来的绕组形状像个松鼠笼子,如图a所示,因此又叫鼠笼转子;导条的材料有用铜的,也有用铝的;2绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组,一般都联接成Y形;转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上,用一套电刷装置引出来,如图所示;这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去,以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速;与笼型转子相比较,绕线型转子结构稍复杂,价格稍贵,因此只在要求起动电流小,起动转距大,或需平滑调速的场合使用;3.气隙：磁路的一部分,异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多,在中、小型异步电动机中,气隙一般为~1.5mm左右;δ↓→Im↓→↑但易发生扫膛现象δ↑→Im↑→↓三、异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等;1、三相异步电动机的型号电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成;其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字,再用该汉字的第一个拼音字母组成;例如：Y112S-6极数6极短机座规格代号：中心高112mm我国生产的异步电动机种类很多,下面列出一些常见的产品系列;•Y系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机;用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等;也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械,如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等;•JQ2和JQO2系列是高起动转矩异步电动机,用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上;JQ2是防护式和JQO2是封闭式的;•JS系列是中型防护式三相鼠笼异步电动机;•JR系列是防护式三相绕线式异步电动机;用在电源容量小、不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上;•JSL2和JRL2系列是中型立式水泵用的三相异步电动机,其中JSL2是鼠笼式,JRL2是绕线式;JZ2和JZL2系列是起重和冶金用的三相异步电动机,JZ2是鼠笼式,JZL2是绕线式;•JD2和JDO2系列是防护式和封闭式多速异步电动机;•BJO2系列是防爆式鼠笼异步电动机;•JPZ系列是旁磁式制动异步电动机;•JZZ系列是锥形转子制动异步电动机;•JZT系列是电磁调速异步电动机;其他类型的异步电动机可参阅产品目录;•2、异步电动机的额定值：异步电动机的额定值包含下列内容：1额定功率PN电动机在额定运行时轴上输出的机械功率,单位是kw;2额定电压UN额定运行状态下加在定子绕组上的线电压,单位为V;3额定电流IN指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时,定子绕组中的线电流,单位为A;4额定频率f指我国规定工业用电的频率是50Hz;5额定转速n指电动机定子加额定频率的额定电压,且轴端输出额定功率时电机的转速,单位为r/min;6额定功率因数指电动机定子加额定负载时,定子边的功率因数;四、异步电动机的工作原理三相异步电动机定子接三相电源后,电机内便形成圆形旋转磁动势,圆形旋转磁密,设其方向为逆时针转,如图所示;若转子不转,转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动,导条中有感应电动势e,方向由右手定则确定;由于转子导条彼此在端部短路,于是导条中有电流,不考虑电动势与电流的相位差时,电流方向同电动势方向;这样,导条就在磁场中受力f,用左手定则确定受力方向,如图所示;转子受力,产生转矩T,为电磁转矩,方向与旋转磁动势同方向,转子便在该方向上旋转起来;转子旋转后,转速为n,只要n＜n1n1为旋转磁动势同步转速,转子导条与磁场仍有相对运动,产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力,电磁转矩T仍旧为逆时针方向,转子继续旋转,稳定运行在T=TL情况下;、异步电动机的运行分析一、三相异步电动机运行时的电磁关系正常情况下,电机转子总是旋转的,但是为了分析问题的方便,在这里我们首先从转子静止出发进行分析;1.转差率定义：式中n1—旋转磁场的转速同步转速n—转子的转速当0n1时,即0>s时,电机为发电运行状态机械能→电能当n<0时,即s>1时,电机为电磁制动运行状态机械能和电能→热能2.分析:i1a的方向必与i2a的方向相反(1)电机运行状态:nn1→s为负→e2和i2a反向与电机比→Te反向Te与n反方向制动性质,又因i2a反向→i1a反向→i1a与e1同方向注e1未变→i1ae1为正→输出电能(3)电磁制动运行状态若T1驱动转子以反方向旋转,则切割方向同电动运行状态→e1,e2,i1a,i2a,Te同电机运行状态,因Te与n1同方向,但与n反方向制动性质,所以T1必须输入机械功率.又因e1与i1a反向→i1ae1为负→从电网吸收电功率.3、空载运行时的磁动势和磁场1主磁通Φ0：①作用：传递能量的媒介作用；②路径：定子—气隙—转子—气隙—定子;2漏磁通Φσ：①不起传递能量的媒介作用,只起电抗压降的作用；②包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次谐波;二、负载运行时的磁动势和磁场1.转子电动势的频率：；2.转子绕组的感应电动势：；3.转子绕组的电阻和漏抗：忽略集肤效应,认为不变；；4.转子绕组的电流：正常运行时,转子端电压U2=0,；有效值：；结论：转子电流I2随S的增加而增加;5.转子绕组的功率因数：结论：转子功率因数随S的增加而减小;6.转子磁动势的转速：相对转子速度：相对定子速度：与相对静止;三、磁动势平衡方程1.磁动势形式：2.电流形式：四、三相感应电动机的电压方程和等效电路1、电动势平衡方程方程：的物理意义与变压器的相同,但由于气隙的存在,比变压器的小;例：已知：一台三相异步电动机,在额定转速下运行,,电源频率,试求：1转子电流频率；2定子电流产生的旋转磁动势以什么速度切割定子又以什么速度切割转子3由转子电流产生的转子磁动势以什么速度切割定子又以什么速度切割转子2、等效电路1折算折算原则：①保持F2不变,只要使等效前后转子电流的大小和相位相等即可；②等效前后转子电路的功率和损耗相等;折算方法：①附加电阻的物理意义：模拟转轴上总的机械功率；②转子方程为：2转子绕组折算说明：原则和方法与变压器相同;电流折算：电动势折算：电阻和电抗折算：3T型等效电路折算后的基本方程组：T形等效电路r1X1σr2’X2σ’rmXm分析：①堵转：,相当于短路；②空载：,相当于开路;4近似等效电路与变压器的近似等效电路相同,但须引入一修正系数C1,对于40kW以上,可取C1=1;注意：异步电动机的等效电路与变压器的区别;五、感应电动机的功率方程和转矩方程1、功率平衡和转矩平衡1功率平衡关系：能量转换：电能→机械能P1PemPmecP2pCu1pFepCu2pmec+pad电源输入功率：定子铜损：定子铁损：电磁功率：转子铜损：总机械功率：输出功率：可见：2转矩平衡关系：,即------机械角速度rad/s；式中：Tem—电磁转矩驱动；T2—负载转矩制动；T0—空载转矩制动；三相异步电动机的机械特性一、电磁转矩的表达式1.物理表达式：=CT为转矩常数说明：上式描述了电磁转矩与主磁通、转子有功电流的关系;2.参数表达式：由简化等效电路得：可得：结论：与电源参数、电机参数和运行参数的关系;二、转矩-转差率特性1.转矩特性：其他参数一定,分析：异步电动机转差率s在0～1之间,但实际上s在0～sm临界转差率时,稳定；s在1～sm之间,不稳定；,s=sm,处于临界状态;电磁制动状态电动机状态发电机状态TemTNTmaxTst+∞S=1SmSN0-∞Tmax2.三个特征转矩①额定转矩TN：额定负载时注：的单位为kW;②最大电磁转矩Tmax：特点：⑴Tmax与成正比；而Sm与无关；⑵Tmax与转子电阻无关；而Sm与转子电阻有关；⑶f1一定时,越大,Tmax越小;⑷过载能力最大转矩倍数一般为～,越大,过载能力越强;③起动转矩Tstn=0,S=1,得当转子回路电阻为：时,起动转矩达到最大电磁转矩;起动转矩倍数：,↑,↑,起动能力强;JO2：～；Y：～；特殊电机：以上;3、归一化转矩-转差率表达式此表达式主要用于求机械特性曲线;感应电动机的工作特性一、定义：指在额定电压和频率下,电动机的转速ns、输出转矩T2、定子电流I1、功率因数cosφ1、效率η与输出功率P2之间的关系;二、转速特性或由Pcu2=sPem得s=是一条稍向下倾斜的曲线;三、输出转矩特性异步电动机的输出转矩：是一条过原点稍向上翘的曲线;四、定子电流特性由知,空载时：,很小；负载时,P2增加,也增加,I1也增加;五、定子功率因数特性空载：很小；负载时,随↑,↑;六、效率特性根据η=空载时,P2=0,η=0；负载时,随着P2的增加,η也增加,当负载增大到可变损耗与不变损耗相等时,η最大；负载继续增大,铜损增加很快,η反而下降;说明：电机在额定负载附近的和η较高,希望在PN附近运行;sI1T2ηP2异步电动机工作特性图三相异步电动机参数的测定一、短路堵转实验短路试验又叫堵转试验,即把绕线式异步电机的转子绕组短路,并把转子卡住,不使其旋转,鼠笼式电机转子本身已短路;实验过程:从开始,逐渐降低电压;记录定子绕组加的端电压、定子电流和定子输入功率;试验时,还应量测定子绕组每相电阻的大小;根据试验的数据,画出异步电动机的短路特性;根据测得的数据,可以算出短路阻抗、短路电阻和短路电抗;二、空载实验实验目的：测励磁阻抗、机械损耗pm、铁心损耗pFe;试验过程：转轴上不加任何负载,即电动机处于空载运行,把定子绕组接到额定频率的三相对称电源上,当电源电压为额定值时,让电动机运行一段时间,使其机械损耗达到稳定值;用调压器改变加在电动机定子绕组上的电压,使其从～U1开始,逐渐降低电压,直到电动机的转速发生明显的变化为止;记录电动机的端电压、空载电流、空载功率P;和转速n,并画成曲线;三相异步电动机的起动,制动和调速一、三相异步电动机的起动一基本概念1.起动定义：电动机接到电源上,从静止状态到稳定运行状态的过程；2.起动电流：n=0,S=1时的电流;起动电流倍数：3.起动转矩：n=0,s=1时的电磁转矩;4.起动电流大的原因：此时处于短路;5.起动转矩不大的原因：1减少；使Tst不大;2减小；6.起动要求：①起动电流尽量小,以减小对电网的冲击；②起动转矩尽量大,以缩短起动时间；③起动设备简单,可靠;二鼠笼式异步电动机的起动1.直接起动①优点：设备简单,操作方便；②缺点：起动电流大,须足够大的电源；③适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动;如何判断是否能起动：①起动电流；②起动转矩；二者必须同时满足;一般地说,容量在以下的小容量鼠笼式异步电动机都可直接起动;2.降压起动如果电源容量不够大,可采用降压起动;即起动时,降低加在电动机定子绕组电压,起动时电压小于额定电压,待电动机转速上升到一定数值后,再使电动机承受额定电压,可限制起动电流;适用：容量大于20kW并带轻载的情况;①定子回路串电抗器起动；式中：k为电动机端电压之比,且k>1;②用Y-Δ起动适用条件：正常工作时定子绕组三角形接法且三相绕组首尾六个端子全部引出来的电动机才能采用;；③自耦补偿器自耦变压器起动；优点：一般有三个抽头,有不同的选者;缺点：设备费用较高;比较三种起动方法的优缺点;三、绕线式异步电动机的起动转子：一般均接成Y形,正常三相绕组通过滑环短接,若转子绕组直接短接情况下起动,与鼠笼一样,Ist大,Tst不大;1.在转子回路串起动变阻器起动在转子回路中串入多级对称电阻,起动时,随着转速的升高,逐级切除起动电阻;一般取最大加速转矩T1=～Tm,切换转矩T2=～TN;①优点：只要在转子回路串入适当的电阻,既可减少起动电流,又可增加起动转矩;②适用条件：电动机在重载情况下的起动场合;2.在转子回路串接频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损耗很大的三相电抗器,在起动过程中,能自动、无级的减小电阻保持转矩近似不变,使起动过程平稳、迅速;结构简单,运行可靠,维护方便,应用广泛;四深槽和双笼感应电动机说明：主要利用集肤效应趋肤效应原理工作,即起动过程自动改变转子电阻;1、深槽式异步电动机结构：定子：与普通鼠笼电动机一样；转子：槽深而窄,工作原理：同双鼠笼式异步电动机;双笼型异步电动机的起动性能比深槽式好,但深槽式结构简单,制造成本低;二者共同的缺点是功率因数和过载能力低;2、双鼠笼式异步电动机结构定子：与普通鼠笼电动机一样；转子：有两套鼠笼上层笼：大,黄铜或青铜,截面小,∴r2上大→起动笼下层笼：小,紫铜,截面大,∴r2下小→工作笼漏磁通分布情况：由于缝隙的存在,Φσ下>Φσ上,即x2下>x2上;运行原理①起动时,s=1,f2最大,转子漏抗x2大,电流分布取决于x2,∵x2下>x2上,∴转子电流集中于上笼趋肤效应----起动笼起主要作用,又∵r2上大→↑→Tst↑；②正常运行：sN=～,很小→f2S很小→x2很小→电流取决于r2,∵r2下小→电流分布在下笼,此时漏抗x2小,↑→Tem↑优缺点①优点：较大的Tst和较小Ist；②缺点：漏抗较大,其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小;二、三相异步电动机的制动当电磁转矩和转速的方向相反时,电动机处于制动状态,根据转矩和转速的不同情况,又可分为：回馈制动、反接制动、到拉反转及能耗制动等;1、能耗制动：三相异步电动机处于电动运行状态的转速为n,如果突然切断三相交流电源,同时把直流电通入它的定子绕组,结果,电源切换后的瞬间,三相异步电动机内形成了一个不旋转的空间固定磁动势,它相对于旋转的转子来说变成了一个旋转磁动势,旋转方向为顺时针,转速大小为n;转子绕组则感应电动势,产生电流；进而转子受到电磁转矩T;显然T与n反方向,电动机处于制动运行状态,T为制动性的阻转矩;转速n＝0时,磁通势与转子相对静止,T＝0,减速过程才完全终止;系统原来贮存的动能主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中,故称之为能耗制动;2、反接制动：处于正向电动运行的三相绕线式异步电动机,当改变三相电源的相序时,电动机便进入了反接制动过程;反接制动过程中,电动机电源相序为负序,b图为拖动反抗性恒转矩负载,反接制动的同时转子回路串入较大电阻时的反接制动机械特性;电动机的运行点从A—B—C,到C点后,可以准确停车;如果电动机拖动负载转矩较小的反抗性恒转矩或拖动位能性恒转矩负载运行,如果进行反接制动停车,则必须在降速到n＝0时切断电源并停车,否则电动机将会反向起动;三相异步电动机反接制动停车比能耗制动停车速度快,但能量损失较大;一些频繁正、反转的生产机械,为了迅速改变转向,提高生产率,经常采用反接制动停车接着反向起动的方法;3、倒拉反转运行:拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕线式异步电动机,若在转子回路内串入一定值的电阻,电动机转速可以降低;如果所串的电阻超过某一数值则会使电动机反转,称之为倒拉反转制动运行状态;倒拉反转制动运行是转差率s＞1的一种稳态,其功率关系与反接制动过程一样,电磁功率＞0,机械功率＜0;但是倒拉反转运行时负载向电动机送入的机械功率是靠着负载贮存的位能的减少,是位能性负载倒过来拉着电动机反转;4、回馈制动运行：回馈制动运行分为正向回馈制动运行和反向回馈制动运行;1正向回馈制动运行：通过将一部分机械能转换为电能并回馈回电源的现象;电动机运行在第II象限B-C段机械特性上时,n＞0,T＜0;转子边送过来的电磁功率,除了定子绕组上铜耗外,其余的回馈给电源了;这时的三相异步电动机实际上是一台发电机;2反向回馈制动运行：当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载,电源为负相序A、C、B时,电动机运行于第IV象限,如图中的B点,电磁转矩T＞0,转速n＜0,称为反向回馈制动运行;起重机高速下放重物时,经常采用反向回馈制动运行方式;若负载大小不变,转子回路串入电阻后,转速绝对值加大,如图中的C点；串入电阻越大,转速绝对值越高;反向回馈制动运行时,电动机是一台发电机,它把从负载位能减少而输入的机械功率转变为电功率,然后回送给电网;从节能的观点看问题,反向回馈制动下放重物比能耗制动下放重物要好;三、三相异步电动机的调速1.异步电动机特点：结构简单,价格便宜,运行可靠,维护方便;2.转速公式：3.调速方法：①变极调速；②变频调速；③改变转差率S调速;4.调速性能：①调速范围；②调速的稳定性；③调速的平滑性；④调速的经济性;一变极调速基本思路：可以采用两套绕组,但为了提高材料的利用率,一般采用单绕组变极,即通过改变一套绕组的连接方式而得到不同极对数的磁动势,以实现变极调速;1.变极原理SNSNa1x1a2x2AX2p=4NSa1x1a2x2AX2p=22.变极绕组的连接方法：①→YY2p→p；②顺串Y→反串Y2p→p；③Δ→YY2p→p;说明：变极前后,三相绕组的相序发生改变,为保证电动机的转向不变,须对调定子两相绕组的出线端;3.变极前后转矩和功率的变化设⑴定子绕组相电压为,相电流为,则输出功率为⑵变极前后两种极对数下,、不变,并近似认为,则得：①Y→YY2p→p；Y接时绕组相电流为：I；YY接时绕组相电流为：2I；则变极前后电磁转矩之比为：结论：此种变极连接方法适用于恒转矩负载变极调速;②Δ→YY2p→p；同步角速度之比：Δ接相电压为：,相电流为：I；YY接相电压为：,相电流为：2I,则两种极对数下输出功率之比为：结论：此种变极连接方法适用于恒功率负载变极调速;说明：变极调速方法简单、运行可靠、机械特性较硬,但只能实现有极调速;单绕组三速电机绕组接法已经相当复杂,故变极调速不适宜超过三种速度;二变频调速1.概述异步电动机的转速：；当转差率S变化不大时,n近似正比于频率,可见改变电源频率就可改变异步电动机的转速;①单调频,不变,↑→↓→↓→→电机得不到充分利用；↓→↑→磁路过饱和,励磁电流↑↑→↓,pFe↑②保持不变,调同时,调,不变;2.恒转矩调速电机变频调速前后额定电磁转矩相等,即恒转矩调速时,有,则,若令电压随频率作正比变化：,则主磁通不变,电机饱和程度不变,电机过载能力也不变;电机在恒转矩变频调速前后性能都保持不变;3.恒功率调速电机变频调速前后它的电磁功率相等,即,则1若主磁通不变：2若过载能力不变：,主磁通发生变化；优点：调速范围广,平滑性好;缺点：价格比较贵;三转子回路串电阻调速---属于改变转差率调速Sm改变串电阻前后保持转子电流不变,则有：；；电磁转矩为：保持不变,即属于恒转矩调速;优点：简单、可靠、价格便宜；缺点：效率低;为克服这一缺点,可采用串级调速;四改变定子端电压调速----属于改变转差率调速Sm不变适应于：泵与风机类负载；缺点：电动机效率低,温升高;电磁调速异步电动机----滑差电动机一种交流恒转矩无级调速电动机,结构简单,运行可靠,维修方便,调速范围广,起动转矩大,已被广泛应用;单相异步电动机一、结构：定子为单相绕组有起动和工作绕组；转子为鼠笼式;二、工作原理单相交流绕组通入单相交流电流产生脉动磁动势,其可分解为F+、F-,建立起正转和反转磁场Φ+、Φ-,这两个磁场切割转子导体,产生感应电动势和感应电流,从而形成正反向电磁转矩T+、T-,叠加后即为推动转子转动的合成转矩T;设电动机转速为n,则对正转磁场而言,转差率s+为s+==s对反转磁场而言,转差率s-为s-==2-s单相异步电动机的T=fs曲线：单相异步电动机的特点：①转子静止时,合成转矩为0,即单相异步电动机无起动转矩;②当s≠1时,T≠0,且T无固定方向,取决于s的正负;③由于反向转矩的作用,合成转矩减小,过载能力低;三、起动方法1.分相起动电动机①电容起动电动机：转向：由起动绕组转向工作绕组；②电容运转电动机：实为两相异步电动机；③电阻起动电动机：起动转矩小,只适用于比较容易起动的场合;2.罩极电动机①结构特点：凸极定子,工作绕组为集中绕组,极靴表面的～处开槽,小极部分罩—短路环即为罩极绕组；②工作特点：电动机起动转矩很小,只适用于小型风扇、电动模具及电唱机中,容量一般在30～40瓦以下；转向：由未罩部分转向被罩部分;小结：分相电动机可通过改变并联到单相电源的两绕组的任一个的首、末端,即可改变其转向;',)