第三篇交流电机及拖动

第三篇交流电机及拖动 交流电机包括同步电机和异步电机两大类。同步电机的转速与电源频率之间有着严格的关系，感应电机转速虽然与电源频率之间有一定关系，但不像同步电机那么严格。同步电机主要做发电机，感应电机主要做电动机，大部分生产机械用感应电机作原动机。据统计，感应电机的用电量约为总用电量的2/3左右，所以，感应电机的应用是很广泛的。

第四章三相感应电动机的基本原理 三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。第一节三相感应电动机的工作原理及结构第二节三相感应电动机的定子绕组第三节绕组的感应电动势第四节绕组的磁动势

第一节三相感应电动机的工作原理及结构

一、三相感应电动机的结构 （一）定子部分 1、定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。 2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。 3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。（二）转子部分 1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。 2、转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。（三）其它部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上改装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却。

笼型感应电动机 绕线型感应电动机按转子结构分：

右图是一台三相笼型感应电动机的外形图。 下面是它主要部件的拆分图。

笼型转子铁心和绕组结构示意图 三相绕线型转子结构图

n W1 V2 U2 U1 V1 W2 二、三相感应电动机的工作原理（一）转动原理 1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。 2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。 3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。

电机理想空载时， 转子未转动时，作为电动机，转速在范围内变化，转差率在0~1范围内变。（二）转差率同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：额定运行时，转差率一般在0.02～0.06之间，即电机转速接近同步转速。

三、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

在额定运行状态下流入定子绕组的线电流. 额定运行状态时加在定子绕组上的线电压. 额定条件下转轴上输出的机械功率。额定运行时电动机的转速. 额定值关系有：

绝缘等级 决定了电动机的允许温升。绝缘等级 A E B F H C 额定温升/℃ 65 80 90 110 140 ＞140 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。对绕线转子感应电动机，则还应有：转子绕组的开路电压指转子接额定电压，转子绕组开路时的转子线电压，单位：V。转子绕组的额定电流单位：A。

电机上除了以上额定数据外，还表明了电机型号。电机上除了以上额定数据外，还表明了电机型号。 Y (IP44) 200 L — 8 极数感应电机铁心长度等级中心高防护形式

（二）三相感应电动机的主要系列 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系列为小型笼型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。 JDO2系列是小型三相多速感应电动机系列，主要用于各式机床及起重设备。 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。 YR系列是一种大型三相绕线转子感应电动机系列，主要用于冶金工业和矿山中。

第二节三相感应电动机的定子绕组

一、三相交流绕组的基本要求和分类 （一）对三相交流绕组的基本要求（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）在一定的导体数下，有合理的最大绕组合成电动势和磁动势。（3）各相的相电动势和相磁动势波形力求接近正弦波，即要求尽量减少它们的高次谐波分量。（4）对基波而言，三相电动势和磁动势必须对称。（5）绕组用铜量少，性能可靠，制造和检修要方便。（二）三相交流绕组的分类按槽内元件边的层数，分为单层和双层绕组。单层绕组又可分为等元件、链式、交叉式和同心式绕组；双层绕组则分为双层叠绕组和波绕组。单层绕组与双层绕组比较，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。

1、极距 2、线圈节距（三）关于交流绕组的一些基本量两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的槽数为Z，磁极对数为p，则极距：一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。 3、电角度

4、槽距角 5、每极每相槽数相邻两个槽之间的电角度：每一个极面下每相所占的槽数为 6、相带每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极面下所占的范围，用电角度表示称为相带。

如图示为：600相带。

二、三相单层绕组 单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。（一）单层链式绕组单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。链式绕组的每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于q=2的4、6、8极小型三相异步电动机。

（二）单层交叉式绕组 单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互相交叉。交叉式绕组由两大一小线圈交叉布置。线圈端部连线较短，有利于节省材料，并且省铜。广泛用于q>1的且为奇数的小型三相异步电动机。

（三）单层同心式绕组 同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。同心式绕组端部连线较长，适用于q=4、6、8等偶数的2极小型三相异步电动机。

元件少，结构简单，嵌线方便，槽内无层间绝缘元件少，结构简单，嵌线方便，槽内无层间绝缘单层绕组为整距绕组优点广泛应用于10kW以下的异步电动机定子绕组铁损和噪声较大电动势和磁动势波形较差缺点起动性能较差不适宜于大中型电机三相单层绕组的优缺点

三、三相双层绕组 双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为y 的另一槽的下层。双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）。

缺点可以选择最有利的节距，使电动势和磁动势波形更接近正弦波可组成较多的并联支路优点嵌线困难用铜量大端部排列整齐机械强度高所有线圈的形状和尺寸相同，便于实现机械化双层绕组的特点： 1）线圈数等于槽数； 2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数； 3）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。

U1 V1 W1 U1 V1 W1 W2 U 2 V2 W2 U2 V2 Y联结 D联结四、外部接线三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。

第三节绕组的感应电动势

随时间变化的波形取决于气隙磁密在空间的分布波形随时间变化的波形取决于气隙磁密在空间的分布波形电动势波形: 电动势频率: 电动势大小: 一、线圈的感应电动势（一）一根导体的电动势（二）整距绕组的电动势每个整距绕组由Nc个相同和线匝组成，每个整距线圈的电动势:

（三）短距线圈的电动势 每个短距线圈的电动势: 称为短距因数：线圈短距时电动势比整距时打的一个折扣．

二、线圈组的感应电动势 一组线圈由q个线圈组成,若q个线圈为集中绕组时,各线圈电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为: 若q个线圈为分布绕组,放在q个槽内,各线圈电动势大小相同,相位相差α电角度,电动势为: 称为分布因数:线圈组电动势等于集中线圈组电动势打的一个折扣。称为绕组因数。

对单层绕组： 对双层绕组：三、一相绕组的感应电动势每相绕组的电动势等于每一条并联之路的电动势。一般情况下，每条支路中所串联的机个线圈的电动势的大小相等，相位相同，因此，可以直接相加，可得绕组相电动式的公式。

四、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响 对V次谐波：

改善电动势波形的方法: １．改善主磁极磁场的分布２．改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势（１）采用短距绕组来削弱高次谐波（２）采用分布绕组来削弱高次谐波３．采用Ｙ接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波

第四节绕组的磁动势

一、单相绕组的磁动势 （一）整距线圈的磁动势一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如图,由全电流定律得: 忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙上.每个气隙的磁动势为: 空间分布为矩形波,随时间按正弦规律变化。变化频率为电流频率。空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉振磁动势。

矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波: 基波磁动势为: 基波磁动势最大值为: 整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化——仍然为脉振磁动势。

（二）整距分布绕组的磁动势 每个绕组由q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角α,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和：（三）短距分布绕组的磁动势双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：

（四）相绕组的磁动势 每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p对磁极，就有p条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若每相电流为Ip: 单相绕组的基波磁动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小随时间按正弦规律变化的脉振磁动势。

二、三相绕组的磁动势——旋转磁动势 交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相的合成磁动势。取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为x的参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：三相的合成磁动势：可见：三相合成磁动势是一个圆形旋转磁动势。

W1 V2 U2 U1 V1 W2 为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：

用图解法分析——不同时刻三相合成磁动势 合成磁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到电流滞后相。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。

三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质：三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质： (1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/2倍。 (2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电流相。 (3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数 (4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相绕组的轴线位置上。产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。

第五章三相感应电动机的运行原理 三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。第一节三相感应电动机的空载运行第二节三相感应电动机的负载运行第三节感应电动机的功率和电磁转矩第四节三相感应电动机的工作特性

第一节三相感应电动机的空载运行

一、空载电流和空载磁动势 异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。

二、空载时的定子电压平衡关系 与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：同样也有：根据上两式，可以作出空载时等效电路。

尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的： 1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场。 4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大。 5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1。

第二节三相感应电动机的负载运行

第三篇 交流电机及拖动