【正文】 異步電機(jī)的理論分析與運(yùn)行特性 Polyphase induction machine 異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) ? 異步電機(jī)， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n與磁場同步轉(zhuǎn)速 n1間存在一定差異 。 asynchronous ? 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，效率較高，價(jià)格低廉，堅(jiān)固耐用。 ? 缺點(diǎn)： ① 轉(zhuǎn)速不易調(diào)節(jié) ② 鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的 起動(dòng)性能較差 ③ 功率因數(shù)滯后， 激磁電流由電網(wǎng)供給 異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 定子 stator：固定部分 轉(zhuǎn)子 rotor：旋轉(zhuǎn)部分 氣隙 air gap： 很小， 對電機(jī)性能影響很大 一、異步電動(dòng)機(jī)的定子 ? 定子鐵心 core—— 磁路部分，放置定子繞組。 一般采用導(dǎo)磁性能良好和比損耗小的電工硅鋼片疊成。 為了嵌放定子繞組，在定子鐵心內(nèi)圓沖出許多形狀相同的槽 —— 定子槽 slot。 ? 定子繞組 stator winding—— 電路部分 —— 感應(yīng)電勢。 ? 機(jī)座 —— 固定和支撐定子鐵心。 1. 定子鐵心 2．定子槽形 散嵌繞組 成型繞組 效率和功率因數(shù)較高 繞組嵌線工藝復(fù)雜 小容量及中型低壓電機(jī) 可嵌放成型線圈 大型低壓電動(dòng)機(jī) 絕緣放置可靠、 繞組下線方便 高壓電動(dòng)機(jī) 3．定子繞組 ? 定子繞組通常應(yīng)用雙層短距繞組，小型電機(jī)可應(yīng)用單層繞組。 二、異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子 ? 轉(zhuǎn)子鐵心 ——磁路 ， 一般由硅鋼片疊成 。 在轉(zhuǎn)子鐵心上開有槽 ， 以供放置或澆注轉(zhuǎn)子繞組 。 ? 轉(zhuǎn)子繞組 —— 感應(yīng)電勢 、 流過電流和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 。 ? 轉(zhuǎn)軸 shaft 1. 轉(zhuǎn)子鐵心 2．轉(zhuǎn)子槽 ? 槽形的選擇主要決定于對 運(yùn)行性能 和 起動(dòng)性能 的要求。 3．轉(zhuǎn)子繞組 ? 鼠籠式轉(zhuǎn)子 squirrelcage rotor：焊接，鑄鋁。 斜槽形式 線繞轉(zhuǎn)子 wound rotor： ? 鐵芯上繞有一對稱繞組，和定子繞組有相同的極數(shù)，且制成相同的相數(shù)。 ? 通常采用對稱的三相繞組，連接成星形。 ? 轉(zhuǎn)子的一端裝有三個(gè)集電環(huán)，各與轉(zhuǎn)子繞組的三個(gè)起始端相連接。每個(gè)集電環(huán)上各有一電刷，通過電刷把轉(zhuǎn)子繞組與外接變阻器相接。 ? 安裝變阻器的目的是改善起動(dòng)特性 (增加起動(dòng)轉(zhuǎn)短，減小起動(dòng)電流 )或用以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 ? 線繞轉(zhuǎn)子繞組采用波繞組或疊繞組。 ? 設(shè)槽數(shù) Z＝ 24，極數(shù) 2p＝ 4，相數(shù) m=3，則每極每相梢數(shù) q＝ 2，相距角 a=30176。 4. 轉(zhuǎn)軸 shaft 三、異步電機(jī)的氣隙 air gap ? 特點(diǎn) ——?dú)庀逗苄?， 在中 、 小型電機(jī)中 ， 氣隙一般為 。 ? 氣隙大小對電機(jī)性能有很大的影響 氣隙大 ：磁阻大 ， 勵(lì)磁電流 （ 空載電流 ） 大 ， 功率因數(shù)低；氣隙磁場諧波含量 （ 漏磁引起附加損耗 ） 減少 ， 改善啟動(dòng)性能 。 氣隙小 ：按加工可能及機(jī)械安全所限制 。 異步電機(jī)的銘牌 異步電動(dòng)機(jī)的額定值 ? 額定功率 PN， 指電動(dòng)機(jī)在額定方式下運(yùn)行時(shí) ， 轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率 （ W或 kW） 。 ? 額定電壓 UN， 指電動(dòng)機(jī)在額定方式運(yùn)行時(shí)定子繞組應(yīng)加的線電壓 （ V或 kV） 。 ? 額定電流 IN， 指電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定功率狀態(tài)下運(yùn)行時(shí) ， 流入定子繞組的額定線電流 （ A） 。 ? 額定頻率 f， 我國工業(yè)頻率為 50HZ。 ? 額定轉(zhuǎn)速 nN， 指在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 （ r／min） 。 ? 對三相電動(dòng)機(jī)，額定功率： ? 三相異步電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)是指效率、功率因數(shù)、起動(dòng)性能（堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)電流和起動(dòng)過程中的最小轉(zhuǎn)矩）、最大轉(zhuǎn)矩和噪聲、振動(dòng)。 NNNNN IUP ?? c os3?異步電機(jī)的基本原理 ? 三種運(yùn)行方式 ① 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 ② 發(fā)電機(jī)運(yùn)行 ③ 電磁制動(dòng) ? 分析時(shí)，從作用于轉(zhuǎn)子上的電磁力或電磁轉(zhuǎn)矩Torque的方向，以及定子電勢 e和定子電流 i有功分量所產(chǎn)生的電功率的正負(fù)來判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 電磁過程 ? 異步電動(dòng)機(jī)定子上有三相對稱的交流繞組； ? 三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時(shí)，將在電機(jī)氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場； ?轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場中； ?轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢，判斷感應(yīng)電勢方向。 ?轉(zhuǎn)子導(dǎo)體通過端環(huán)自成閉路，流過感應(yīng)電流。 ?感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，判斷電磁力的方向。 ?電磁力作用在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 ?根據(jù)以上電磁感應(yīng)原理，異步電動(dòng)機(jī)也叫感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。 一、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 ? 當(dāng)一對稱的三相電流通入異步電機(jī)的定子繞組時(shí)，在空氣隙中便產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速 n1 旋轉(zhuǎn)。 ? 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢 —— 條件 。 ? 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上受到一電磁力 Fe，其方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同。 ? 在電磁力的作用下形成電磁轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)。 ? 電磁力 Fe為原動(dòng)力，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ，負(fù)載力 F為阻力，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為阻力矩。 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電勢 轉(zhuǎn)子必須與旋轉(zhuǎn)磁場保持一定的速度差 ? 當(dāng)一對稱的三相電流通入異步電機(jī)的定子繞組時(shí)，在空氣隙中便產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速 n1 旋轉(zhuǎn)。 ? 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢 —— 條件 。 ? 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上受到一電磁力 Fe，其方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同。 ? 在電磁力的作用下形成電磁轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)差率 fractional slip ? 在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)， n總小于同步轉(zhuǎn)速 n1，旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速為 n1n，稱為轉(zhuǎn)差速度 slip。 ? 定義 轉(zhuǎn)差率 s fractional slip—— 轉(zhuǎn)差速度與同步轉(zhuǎn)速的比值 ? 轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢的大小與轉(zhuǎn)差速度成正比，即與轉(zhuǎn)差率成正比。 %100*11nnns??空載轉(zhuǎn)差率：小于 % 滿載轉(zhuǎn)差率： 5% 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩愈大時(shí)，必須有較大的轉(zhuǎn)子電流和電勢，因而必須有較大的轉(zhuǎn)差率。 在理想空載情況下，無阻力轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩為零、轉(zhuǎn)子繞組中無需有電流和電勢，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速便達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。 在實(shí)際的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況下，因拖動(dòng)著機(jī)械負(fù)載，電磁轉(zhuǎn)矩必須要克服負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩，故電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子必須有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)差率 。 結(jié)論 ： ? 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速常在同步轉(zhuǎn)速以下 。 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在 0≤n ＜ n1范圍內(nèi) ， 即在 1≥s ＞ 0范圍內(nèi) 。 ? 從定子角度 ， 定子上的電流有功分量與定子電勢方向相反 ， 電功率為負(fù)值 ， 說明定子從電網(wǎng)吸收電功率 。 由相對運(yùn)動(dòng)方向，用右手定則 確定 e1,e2的方向； I2a與 e2同方向， i1a與i2a相反方向（磁勢平衡）； 由 左手定則 確定 fem方向， Mem方向； Mem與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，克服 M2輸出機(jī)械功率； 定子上： i1a與 e1方向相反，電功率 e1i1a為負(fù)，表示吸收電功率。 二、發(fā)電機(jī)運(yùn)行 ? 在轉(zhuǎn)子上施加原動(dòng)力矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以大于同步轉(zhuǎn)速順著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，則旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子的相對速度便倒轉(zhuǎn)方向。和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況相比，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電勢和電流的方向倒轉(zhuǎn) ? 導(dǎo)體上所受到的電磁力的方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反；這時(shí)機(jī)械功率為輸入，電功率為輸出， 外施力 F為原動(dòng)力，電磁力 Fe為阻力 ——發(fā)電機(jī)運(yùn)行。 ? 結(jié)論：異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行 ， 轉(zhuǎn)速需大于同步轉(zhuǎn)速 ， 即 n＞ n1， s＜ 0。 三、電磁制動(dòng) ? 轉(zhuǎn)子在外力拖動(dòng)下使其旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反，則旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的相對轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速 。 ? 電磁力的方向與外施力方向相反，所起的作用是制動(dòng)作用。 ? 定子從電網(wǎng)吸收電功率 ,外力供給機(jī)械功率 ,都轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)內(nèi)部的損耗 ——電磁制動(dòng)狀態(tài) 。 ? 電機(jī)的 n應(yīng)取負(fù)值 ， 相對轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速 ， 即 n＜0， s＞ l。 ? 例如 ， 當(dāng)起重機(jī)下放重物時(shí) ， 如不采取任何措施 ，重物將加速下墜 。 這時(shí)如使電機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài) ，由電磁轉(zhuǎn)矩制止了轉(zhuǎn)子的加速 。 小 結(jié) ? 重點(diǎn)掌握：異步電機(jī)的基本作用原理 。 ? 異步運(yùn)行的基本條件： 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子與基波旋轉(zhuǎn)磁場之間存在有相對運(yùn)動(dòng) ， 在閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將出現(xiàn)感應(yīng)電勢 、 電流 ，于是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 ， 其相對運(yùn)動(dòng)狀況用轉(zhuǎn)差率 s來表示 。 ? s是反映異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)載情況的一個(gè)基本變量 。 主磁通和漏磁通 一 、 主磁通 mutual leakage φ m ? 主磁通 ——由基波磁勢產(chǎn)生 ， 是 每極的基波磁通量 。 ? 交鏈定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組 ， 實(shí)現(xiàn)能量的傳遞 。 ? 以同步速旋轉(zhuǎn) ? 主磁通途經(jīng)五段磁路：空氣隙 、 定子齒 、 轉(zhuǎn)子齒 、 定子軛和轉(zhuǎn)子軛 。 pfn 601 ?空氣隙、定子齒、轉(zhuǎn)子齒、定子軛、轉(zhuǎn)子軛 二 、 漏磁通 leakage flux ? 漏磁通 —— 除去主磁通以外的磁通 。 ? 漏磁通包含三個(gè)部分：槽漏磁通 、 端部漏磁通和諧波漏磁通 （ 按路徑區(qū)分 ） 。 ? 槽漏磁通和端部漏磁通 。 僅只交鏈定子繞組 ， 與轉(zhuǎn)子繞組沒有互感作用 ， 不傳遞能量 。 ? 諧波漏磁通 —— 由高次諧波磁勢所產(chǎn)生的諧波磁通 ，穿過空氣隙 ， 交鏈轉(zhuǎn)子繞組并在其中感應(yīng)電勢 ， 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 （ 無用 ） 。 （ 氣隙總磁通 — 氣隙基波磁通 ） ??橫穿定子槽 交鏈定子繞組端部 定子的槽漏磁通和端部漏磁通，只交鏈定子繞組，與轉(zhuǎn)子繞組沒有互感作用，不傳遞能量。 諧波漏磁通 ? 諧波磁場極對數(shù) ，旋轉(zhuǎn)速度 ? 在定子繞組上的感應(yīng)電勢 頻率仍為基波頻率，與其它定子漏磁通感應(yīng)的電勢頻率一樣，歸為定子漏磁通。 pp ?? ???1nn ?111 6060 fpnnpf ?