1、第5章 三相感应电动机 5.1 三相感应电动机的基本工作原理与结构三相感应电动机的基本工作原理与结构 5.2 三相感应电动机的空载运行三相感应电动机的空载运行 5.3 三相感应电动机的负载运行三相感应电动机的负载运行 5.4 三相感应电动机的等效电路与相量图三相感应电动机的等效电路与相量图 5.5 三相感应电动机的功率和电磁转矩三相感应电动机的功率和电磁转矩 5.6 三相感应电动机的工作特性三相感应电动机的工作特性 5.7 三相感应电动机的参数测定三相感应电动机的参数测定 思考题与习题思考题与习题 5.1 三相感应电动机的基本工作原理与结构三相感应电动机的基本工作原理与结构5.1.1 5.1.
2、1 三相感应电动机的基本结构三相感应电动机的基本结构 三相感应电动机主要由定子和转子两大部分组成。转子装在定子腔内，定子、转子之间有一缝隙，称为气隙。图5.1.1所示为笼型感应电动机的结构。图5.1.1 笼型感应电动机的结构 1 1 定子定子定子(stator)主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子铁心是电机磁路的一部分，为减少铁心损耗，一般由0.5 mm厚的导磁性能较好的硅钢片叠成，安放在机座内。定子铁心叠片冲有嵌放绕组的槽，故又称为冲片。中、小型电机的定子铁心和转子铁心都采用整圆冲片，如图5.1.2所示。大、中型电机常将扇形冲片拼成一个圆。为了冷却铁心，在大容量电机中，定子铁心分成
3、很多段，每两段之间留有径向通风槽，作为冷却空气的通道。图5.1.2 感应电动机定子与定子铁心(a)定子机座；(b)定子铁心冲片 定子绕组是电机的电路部分，它嵌放在定子铁心的内圆槽内。定子绕组分单层和双层两种。一般小型感应电动机采用单层绕组，大、中型感应电动机采用双层绕组。机座的作用是固定和支撑定子铁心及端盖，因此，机座应有较好的机械强度和刚度。中、小型电动机一般用铸铁机座，大型电动机的机座则用钢板焊接而成。2 2 转子转子转子(rotor)主要由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。整个转子靠端盖和轴承支撑。转子的主要作用是产生感应电流，形成电磁转矩，以实现机电能量的转换。转子铁心是电机磁路的一
4、部分，一般也用0.5 mm厚的硅钢片叠成。转子铁心叠片冲有嵌放绕组的槽，如图5.1.3所示。转子铁心固定在转轴或转子支架上。图5.1.3 转子铁心冲片 感应电动机的转子绕组分为笼形转子和绕线转子两种。1)笼形转子在转子铁心的每一个槽中插入一根裸导条，在铁心两端分别用两个短路环把导条连接成一个整体，形成一个自身闭合的多相短路绕组。如去掉转子铁心，整个绕组尤如一个“鼠笼子”，由此被称笼形转子，如图5.1.4 所示。中、小型电动机的笼形转子一般都采用铸铝材料，如图5.1.4(b)所示。大型电动机则采用铜导条，如图5.1.4(a)所示。图5.1.4 笼形转子(a)大型电动机；(b)中、小型电动机 2)
5、绕线转子绕线转子绕组与定子绕组相似，它在绕线转子铁心的槽内嵌有绝缘导线组成的三相绕组，一般作星形连接，三个端头分别接在与转轴绝缘的三个滑环上，再经一套电刷引出来与外电路相连，如图5.1.5 所示。图5.1.5 绕线转子(a)绕线转子；(b)绕线转子回路接线示意图 绕线转子电动机在转子回路中可串电阻，若仅用于起动，为减少电刷的摩擦损耗，绕线转子中还装有提刷装置。转轴用强度和刚度较高的低碳钢制成。整个转子靠轴承和端盖支撑，端盖一般用铸铁或钢板制成，它是电机外壳机座的一部分。中、小型电机一般采用带轴承的端盖。3 3 气隙气隙 感应电动机的气隙是均匀的。气隙大小对感应电动机的运行性能和参数影响较大。励
6、磁电流由电网供给，气隙越大，励磁电流也就越大，而励磁电流又属无功性质，它要影响电网的功率因数。气隙过小，则将引起装配困难，并导致运行不稳定。因此，感应电动机的气隙大小往往为机械条件所能允许达到的最小数值，中、小型电机一般为0.11 mm。5.1.2 三相感应电动机的基本工作原理三相感应电动机的基本工作原理1 基本工作原理基本工作原理在感应电动机的定子铁心里嵌放着对称的三相绕组U1U2、VV2、W1W2。转子是一个闭合的多相绕组笼型电机。图5.1.6所示为感应电动机的工作原理图，图中定子、转子上的小圆圈表示定子绕组和转子导体。由第4章所学知识可知，当感应电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相电
7、流时，就会产生一个以同步转速n1旋转的圆形旋转磁场，同步转速n1为 pfn601（5.1.1）图5.1.6 感应电动机的工作原理图圆形旋转磁场的转向与三相绕组的排列以及三相电流的相序有关，图中U、V、W相以顺时针方向排列，当定子绕组中通入U、V、W相序的三相电流时，定子旋转磁场顺时针方向旋转。转子是静止的，转子与旋转磁场之间有相对运动，转子导体因切割定子磁场而产生感应电动势。因转子绕组自身闭合，故转子绕组内有电流流通，转子电流与转子感应电动势近似同相位，其方向可由“右手定则”确定。转子绕组的有功分量电流在定子旋转磁场作用下，将产生电磁力f，其方向由“左手定则”确定。电磁力对转轴形成一个电磁转矩
8、，其作用方向与旋转磁场方向一致，拖着转子顺着旋转磁场的旋转方向旋转，将输入的电能变成旋转的机械能。如果电动机轴上带有机械负载(如水泵、切削机床等)，则机械负载随着电动机的旋转而旋转，电动机对机械负载做了功。由以上分析可知，三相感应电动机转动的基本工作原理是：定子三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场；转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流；转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转矩，驱使电动机转子转动。感应电动机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致，而旋转磁场的方向又取决于感应电动机的三相电流相序，因此三相感应电动机的转向与电流的相序一致。要改变转向，只需改变电流的相序即可
9、，即任意对调电动机的两根电源线，便可使电动机反转。感应电动机的转速恒小于旋转磁场转速n1，因为只有这样，转子绕组才能产生电磁转矩，使电动机旋转。如果n=n1，转子绕组与定子磁场之间便无相对运动，则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生，可见nn0，其转差率范围为0n1)并顺旋转磁场方向旋转，显然，此时电磁转矩方向与转子转向相反，起着制动作用，为制动转矩。为克服电磁转矩的制动作用而使转子继续旋转，并保持nn1，电机必须不断从原动机输入机械功率，把机械功率转变为输出的电功率，因此成为发电机运行状态。此时，nn1，则转差率s0。图5.1.7 感应电动机的三种运行状态(a)电磁制动状态；(b)电动机运行
10、状态；(c)发电机运行状态 3)电磁制动状态感应电机定子绕组仍接至电源，如果用外力拖着电机逆着旋转磁场的旋转方向转动，如图5.1.7(a)所示，则此时电磁转矩与电机旋转方向相反，起制动作用。电机定子仍从电网吸收电功率，同时转子从外力吸收机械功率，这两部分功率都在电机内部以损耗的方式转化成热能消耗掉。这种运行状态称为电磁制动运行状态，n为负值（即n1。由此可知，区分这三种运行状态的依据是转差率s的大小：当0s1时，为电动机运行状态；当s0时，为发电机运行状态；当1sZ1I0，可近似地认为.10111144.4 jwKNfEU（5.2.8）显然，对于一定的电动机，当频率f一定时，U10。由此可知，
11、在感应电动机中，若外施电压一定，则主磁通0大体上也为一定值，这和变压器的情况相同。上述分析结果表明，感应电动机空载时的物理现象和电压平衡关系式与变压器十分相似。但是，在变压器中不存在机械损耗，主磁通所经过的磁路气隙也很小，因此变压器的空载电流很小，仅为额定电流的2%10；而感应电动机的空载电流则较大，在小型感应电动机中，I0甚至可达额定电流的60。5.3 三相感应电动机的负载运行三相感应电动机的负载运行 5.3.1 负载运行时的物理情况负载运行时的物理情况负载运行（load operation）时，电动机将以低于同步转速n1的速度n旋转，其转向仍与气隙旋转磁场的转向相同。因此，气隙磁场与转子的
12、相对转速为nn1-nsn1，n也就是气隙旋转磁场切割转子绕组的速度。于是在转子绕组中就感应出电动势，产生电流，其频率为 1111126060)(sfpnnnnnnpf（5.3.1）对感应电动机，一般s0.020.06，当50Hz时，2仅为(13)Hz。1 1 转子磁动势分析转子磁动势分析不论是绕线感应电动机还是笼形感应电动机，其转子绕组都是一个对称的多相系统。笼形转子的每一根导条即可认为是一相，由气隙磁场感应所产生的导条电动势和导条电流构成了相应的对称多相系统。对绕线感应电动机，转子绕组的极对数可以通过转子绕组的连接做到与定子一样。而对于笼形电动机，转子导体中的感应电动势和电流由气隙磁场感应产
13、生，因此，转子导条中电流的分布所形成的磁极数必然等于气隙磁场的极数，由于气隙磁场的极数决定于定子绕组的极数，因而笼形电动机转子的极数恒与定子绕组的极数相等，而与转子导条的数目无关(实际上，任何电机其定子、转子极数必须相等，这样才能产生恒定的平均电磁转矩)。既然转子绕组是个对称的多相绕组，转子绕组中的电流也是一个对称的多相电流，那么由此而产生的转子合成磁动势F2也必然是一个旋转磁动势。若不计谐波磁动势，则转子磁动势的幅值为 2222229.0IpKNmFw(5.3.2)式中:m2为转子绕组的相数；N2为转子绕组的每相串联匝数；Kw2为转子绕组的基波绕组因数。因为转子电流的频率为sf1，转子绕组的
14、极对数p2=p1，按照分析定子磁动势的方法可以得知，转子合成磁动势相对转子的旋转速度为n2。若定子旋转磁场的转向为顺时针方向，因为nZk，短路试验时，可以认为励磁支路开路，I0=0，铁损忽略不计，所以输入功率全部消耗在定子、转子的铜损耗上，即 kkrImrrImrImrImP2112121122211211)(（5.7.5）3 3 参数计算参数计算计算各参数的公式为 21222213xxrZXIPrrrIUZkkkkkkkkk（5.5.6）其中定子电阻r1可直接测得，于是 12rrrk（5.7.7）对大、中型电动机，可以认为 kxxx2121（5.7.8）而对PN100 kW的小型电动机，当2
15、p6时，;67.02kxx 当2p 8时,.57.02kxx 必须指出，因短路参数受磁路饱和的影响，它的数值是随电流数值的不同而不同的，因此，根据计算目的的不同，应该选取不同的短路电流进行计算，例如求工作特性时，应取IkIN时的短路参数,计算最大转矩时，应取Ik(23)IN时的短路参数，而在进行起动计算时则应取对应于U1UN时的短路电流的参数。思考题与习题思考题与习题 5.1 与同容量的变压器相比较，感应电动机的空载电流大还是变压器的空载电流大?为什么?5.2 感应电动机理想空载时，空载电流等于零吗?为什么?5.3 说明感应电动机工作时的能量传递过程。为什么负载增加时，定子电流和输入功率会自动
16、增加?从空载到额定负载，电动机的主磁通有无变化?为什么?5.4 感应电动机的等效电路有哪几种?试说明“T”形等效电路中各个参数的物理意义?5.5 为什么感应电动机的转速一定低于同步转速，而感应发电机的转速则一定高于同步转速？如果没有外力帮助，转子转速能够达到同步转速吗？5.6 简述感应电机的结构。如果气隙过大，会对感应电机带来怎样不利的后果?5.7 如果绕线转子感应电机的定子绕组短路，在转子边接上电源，旋转磁场相对转子顺时针方向旋转，则此时转子会旋转吗？转向如何?5.8 一台三相感应电动机，试问：(1)电动机的极数是多少?(2)额定负载下的转差率s是多少？(3)额定负载下的效率是多少？5.9
17、感应电动机转速变化时，为什么定子和转子磁势之间没有相对运动？A5.18,V3000,min975,KW75NNNNIUrnP5.10 用等效静止的转子来代替实际旋转的转子，为什么不会影响定子边的各种量？定子边的电磁过程和功率传递关系会改变吗？5.11 感应电机等效电路中(1-s)r2/s代表什么意义？能不能不用电阻而用一个电感或电容来表示？为什么？5.12 感应电动机机械负载增加以后，定子的输入电流增加，因此输入功率增加，其中的物理过程是怎样的？从空载到满载，气隙磁通有何变化？5.13 一台三相二极感应电动机，额定数据为PN=10KW，U1N=380V，I1N=19.5A，定子绕组D接，nN=2932r/min，cos1N=0.89，f1N=50Hz。空载试验数据：U1=380V，P0=824 W,I0=5.5 A,机械损耗pm=156 W。短路试验数据：U1k=89.5V，I1k=19.5 A，P1k=650W。t=75时，r1=0.963。试计算：（1）额定输入功率。（2）定子和转子的铜损耗。（3）电磁功率和总机械功率。（4）效率。（5）画出等值电路图，并计算参数 mm212xrxxr、。
