华南理工大学电机学第四章思考题_百度文库
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华南理工大学电机学第四章思考题
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你可能喜欢在单相异步电动机中,遇到一个脉冲磁场!这个“脉冲磁场”是什么?_百度知道05_异步电机_武汉大学:电机学(PDF)_pdf_大学课件预览_高等教育资讯网
武汉大学:电机学(PDF):05_异步电机
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第5章异步电机异步电机是一种交流电机。由于它的转子和定子所接交流电源产生的旋转磁势不是同步旋转,故称异步电机( asynchronous machine)。电机的定、转子之间没有电的直接联系,是靠定、转子之间的电磁感应作用实现机电能量转换,故称为感应电机( induction machine)。异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用最广,在不致引起误解或混淆的情况下,一般可称感应电机为异步电机。什么是异步电机?异步电动机的优点:1,具有结构简单,重量较轻;2,制造、使用和维护方便;3,运行可靠以及成本较低;4,异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性,从空载到满载范围内接近恒速运行。① 不能经济地在较宽广的范围内实现转速调节,因而在要求任意调速的工作场合,往往选用容易调节转速的直流电动机;② 异步电动机工作时,需要从电网吸取滞后电流.从而使电网功率因数变差,因此,在需要大功率、恒转速拖动的场合,往往改用可以调节电网功率因数的同步电动机。异步电动机的缺点:5.1 异步电动机的基本类型和基本结构5.1.1 异步电动机的类型( 1)按定子相数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① 绕线式异步电动机② 鼠笼式异步电动机① 高压异步电动机② 低压异步电动机( 3)按电压的高低单鼠笼异步电动机双鼠笼异步电动机深槽式异步电动机5.1.2 异步电动机的主要结构异步电动机在结构上也是由定子、转子、气隙组成。一、异步电动机的定子:异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成。机座定子铁心定子绕组1、定子铁心: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。定子槽口大,嵌线工艺简单,槽口大小,电磁性能好开口槽,用于大、中型容量的高压异步电动机中;半开口槽,用于中型 500V以下的异步电动机半闭口槽,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。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,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,整个机座和轴承都固定在同一个底板上。二、气隙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 0.2~1.5mm左右。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。三、异步电动机的转子1,转子铁心异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的 。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,因此又叫鼠笼转子。材料有铜的,也有铝的。2.转子绕组如果用的是铜料,就需要把事先做好的裸铜条插入转子铁心上的槽里,再用铜端环套在伸了两端的铜条上,最后焊在一起。笼型转子结构简单、制造方便、是一种经济、耐用的电机,所以应用极广。如果用的是铸铝,就连同端环、风扇一次铸成。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。5.1.3 异步电动机的铭牌数据异步电动机的型号: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Y系列三相异步电动机表示如下Y 100 L 1 2机座中心高异步电动机 极数铁心长度代号机座长度代号异步电动机的额定值:①额定功率 PN指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指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 fN,指我国规定工业用电的频率是 50Hz。⑤额定转速 nN,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 cosφN,指电动机定子加额定负载时,定子边的功率因数。如何根据电机的铭牌进行定子的接线?① 当电动机铭牌上标明“电压380/220V,接法Y/△”时,这种情况下,究竟是接成Y或△,要看电源电压(线电压)的大小。如果电源电压为380V,则接成Y接;电源电压为220V时,则接成△接。② 当电动机铭牌上标明“电压380V,△接法”时,则只有这一种△接法。但是在电动机起动过程中,可以接成Y接,接在380V电源上,起动完毕,恢复△接法。③ 对有些高压电动机,往往定子绕组有三根引出线,只在电源电压符合电动机铭牌电压值,便可使用。5.2 异步电动机的工作原理一、三相异步电动机的转动原理定子接三相电源后,形成圆形旋转磁动势(逆时针转)若转子不转,转子导条与磁密有相对运动,导条中有感应电动势 e,方向由右手定则确定。不考虑电动势与电流的相位差时,电流方向同电动势方向导条就在磁场中受力 f,用左手定则确定受力方向转子受力,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< n1( n1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。二、转差率(slip)111nnnnns=Δ=n与 n1之间总是存在着差异。 n1与 n的差值称为转差,用Δ n表示,即Δ n= n1―n。将转差Δ n与同步转速 n1的比值称为转差率或滑差,用 s表示,即转速 n是一代数量,一般取气隙旋转磁场的转向为转速的正方向。根据上式可以看出当 n=n1时,s= 0;当 n=0时,s= 1;当 n> n1时,s是负值;当电机反转时,n是负值,s> 1。注意,在正常情况下,异步电动机的转子转速总是略低与旋转磁场的转速(同步转速)。转差率是一个表征异步电动机运行状态的一个基本参数。感应电动机的转速随负载的变化而变化,使转子导体中的电动势和电流改变,以产生新的电磁转矩来适应负载的需要。通常异步电动机空载时的转差率在 0.005以下,满载时的转差率在 0.05以下。三、异步电机三种不同的运行状态异步电机的有三种运行状态,a) 电动机状态; (b)发电机状态; (c) 电磁制动状态。 异步电机的运行状态和转子的转速范围有密切的关系。电磁制动状态 电动机状态 发电机状态1.电动机状态转子正转并且转速低于同步转速的情况,即 0< n< n1,或 1> s> 0右手定则判断定转子导体的感应电动势转子导体电流方向和电动势同相邻的定、转子导体电流方向相反左手定则判断定转子导体的电磁力方向定子侧,e1i1a&0,吸收电能转子侧,Temn&0,输出机械能电机从电源吸收电能,转换为机械能2.发电机状态转子正转并且转速高于同步转速的情况,即 n&n1,或 s&0右手定则判断定转子导体的感应电动势转子导体电流方向和电动势同相邻的定、转子导体电流方向相反左手定则判断定转子导体的电磁力方向定子侧,e1i1a&0,输出电能转子侧,Temn&0,吸收机械能电机从外界吸收机械能,转换为电能3.电磁制动状态转子反转,即 n&0,或 s> 1右手定则判断定转子导体的感应电动势转子导体电流方向和电动势同相邻的定、转子导体电流方向相反左手定则判断定转子导体的电磁力方向定子侧,e1i1a&0,吸收电能转子侧,Temn&0,吸收机械能电机既吸收电能,又吸收机械能,转换为热能电磁制动状态 电动机状态 发电机状态nS0n1010&n&n11&S&0n&n1S&0n&0S&15.4 转子静止时的异步电动机5.4.1 转子不转、转子绕组开路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。正方向的规定:()(b)()(1) 励磁磁动势,我们给异步电动机通入对称的三相交流电时,根据我们前面所学的可知将会在气隙中会产生一个旋转的气隙磁场,这个旋转的磁场会同时切割定转子绕组,这样,在两个绕组内会产生相应的感应电动势,但是由于转子绕组是开路的所以,没有电流,即没有磁动势,由此可见,在这种情况下,整个气隙磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流产生,为此,定子磁动势又叫做励磁磁动势,定子电流亦叫做励磁电流。一、磁动势与磁通011022423IpkNFNπ=112260pnfπωπ==( 4)瞬间位置:正如前面所分析的,当 A相电流达到正最大 时,他所对应的磁动势也达到正最大。旋转磁场的磁动势的特点:( 1)幅值:( 2)转向:逆时针转向。 A1―B1―C1( 3)转速:相对于定子绕组以角频率2)主磁通和漏磁通:主磁通,同时交链定子、转子、气隙构成闭和回路的磁通,气隙里每极主磁通量用Φ1表示。磁路包括:定子铁心 ―气隙 ―转子铁心 ―气隙 ―定子铁心漏磁通,只交链定子绕组就形成闭和回路,叫定子漏磁通,用Φ1σ表示。漏磁通按其路径分为三部分:①槽漏磁,横穿定子槽壁的漏磁通;②端部漏磁,定子绕组端部产生的漏磁通;③谐波漏磁或称差漏磁,气隙总磁通减去基波磁通后所剩下的谐波磁通,所以又称差漏磁。12B lδτπΦ=气隙磁密和励磁磁动势同方向,这是因为磁动势达到最大值时,该处的磁密也为最大。(在不考虑磁滞、涡流的影响下)BδBδBδ由于气隙是均匀的,励磁磁动势 F0产生的主磁通Φ1所对应的气隙磁密是一个在气隙中旋转、在空间按正弦分布的磁密。用空间向量表示为,的位置载其最大值处,为是气隙磁密的最大值。气隙每极主磁通为:1111144.4 Φ=NkNfE1221244.4 Φ=NkNfE221121NNekNkNEEk ==旋转磁场同时切割定转子绕组,在定转子绕组内将会产生感应电动势 E1,E2:三 感应电动势定子、转子每相电动势之比叫电压变化,用 ke表示,即,1E 2E 和 的相位关系:感应电动势总是滞后于产生它的磁通Φ 90?。定子绕组 A相轴线和转子 a相轴线重合时,和 同相位若转子 a相轴线滞后定子绕组 A相轴线,滞后 θ12角度。1E 2E 1E 2E 四、励磁电流:μIIIFe +=0和前面分析变压器的情况是一样的,励磁电流也是由 IFe和 Iμ两分量组成。有功分量 IFe很小,因此 领先 一个不大的角度。在时间空间向量图上,与 相位相同,与 相位一样,和 领先 一个不大的角度。0I μI 0I 0F μI δB 0I 0F δB 五、电动势平衡关系σ1E 101EjIXσσ=? 定子绕组的漏磁通在定子绕组内也会产生一个电动势,称之为定子漏电动势,用 表示,电压方程式为:σ11011ERIEU +?=101 01EIR jIXσ=? + + 101 1()EIR jXσ=? + + 101ZIE +?=一相绕组的漏阻抗六、等效电路()10 0mm mEIR jX IZ?= + = ()σ11011jxRIEU ++?= ()()001mmI RjX IRjXσ=+++ ()10ZZIm+= 与三相变压器空载时一样,异步电动机也能找出并联或串联的等值电路。知:电压平衡等式为1U 1R1XσmRmX0I 转子回路电压方程式22EU= 5.4.2 转子堵转时的电磁关系一、定、转子磁动势的相对静止转子磁动势,转子被短路,当在定子绕组内通入三相对称电流后,产生的沿逆时针方向旋转的磁场,不仅在定子绕组内产生磁动势,在转子绕组内也会产生磁动势。转子侧磁动势的特点:1)幅值222222423IPkNFNπ=2)转向:设气隙旋转磁密是逆时针方向旋转,在转子绕组内感应产生的电动势及电流的相序就应为 a―b―c11226060npfpfn ===3)转速:相对于转子绕组为注意:现在定转子被同一个磁通所交链,所以,产生的电流的频率是相等的。4)瞬间位置:当 A相电流达到正的最大值时,与他相对应的磁动势也达到正的幅值。12 mF FF+=mF既然它们是同步旋转,又作用在同一个磁路上,把它们按向量的关系加起来,得到合成的磁动势用 表示。即,转于绕组短路的三相异步电机,作用在磁路上的磁动势有两个,一为定子旋转磁动势 ;一为转子旋转磁动势。由于它们的旋转方向相同,转速又相等,是 相对静止的,称它们为同步旋转。这个合成旋转磁动势才是产生气隙每极主磁通 的磁动势。二、磁动势平衡方程1F G2F GmF GmF GmB GmF G空间矢量,和 都以同步转速 n1、逆时针方向旋转,在空间均按正弦波分布。由于电机磁路中总有磁滞和涡流损耗,所以由 产生的旋转磁场的磁通密度波 在空间上滞后 波一个铁耗角 αFe111119.02IpkNmFN =222229.02IpkNmFN =mNmIpkNmF 1119.02=12 mFF F+=222111wwikNmkNmk =miIkII =+ /21电流变比三、电动势平衡方程式与变压器类似,主磁通 在定、转子绕组中分别感应出电动势,,转子静止时,两者的频率均为 f1,相位上滞后主磁通 90°。两者的有效值为:mΦ.1E.2EmΦmNkNfE Φ=111144.4mNkNfE Φ=221244.421EkEe=22112211112144.444.4wwwwekNkNkNfkNfEEk =ΦΦ==由上式可得,式中电动势变比:与变压器副边短路时有相似的物理过程,仿照变压器中各物理量正方向的规定,根据电路定律可得定、转子的电动势方程式:)(11111σjXRIEU ++?=)(02222σjXRIE +?=σ111jXRZ +=σ222jXRZ +=式中:定子每相漏阻抗为:转子每相漏阻抗为:式中:Zm为励磁阻抗;大小与铁心的饱和程度有关;Rm为励磁电阻,反映异步机铁耗的等效电阻;Xm为励磁电抗,定子每相绕组与主磁通对应的电抗。定子电动势 可用阻抗压降表示为:1E mmmmmZIjXRIE =+?= )(1由于异步电机定、转子之间存在气隙,它的各项参数与变压器在数值范围上差别较大。例如一般电力变压器,用标么值表示时,= l~5,= 10~50,而一般异步电动机则 = 0.08~0.35,= 2~5。另一方面由于结构上的差别,异步电机的漏抗通常比变压器大,变压器的,约在 0.012~0.08范围内,异步机的,则约在 0.08~0.12范围内。*mR*mX*mR*mX*1σX*2σX*1σX*2σX四、转子绕组的折算从前面的分析我们可以看出,分别对定转子进行分析太过麻烦,异步电动机定、转子之间没有电路上的联结,只有磁路的联系,这点和变压器的情况相类似,所以在这里我们仍采用折算的方法,把转子折算到定子侧,用一个新转子,它的相数、每相串联匝数以及绕组系数都分别和定子的一样。定子的相数 m1,每相串联匝数 N1绕组系数 kN1转子的相数 m2,每相串联匝数 N2绕组系数 kN2新转子 的相数 m1,每相串联匝数 N1绕组系数 kN1折算的原则,保证转子侧在折算前后对整个磁场的影响不能发生改变,即折算前后转子的总视在功率、有功功率、转子的铜耗和漏磁场储能均保持不变。1)电流的折算222229.02IpkNmFN =折算前211129.02IpkNmFN′=′ 折算后222111wwikNmkNmk =电流变比22FF =′ikII /22 =′mNkNfE Φ=′111244.422112211112144.444.4NNNNekNkNkNfkNfEEk =ΦΦ==2)电动势的折算mNkNfE Φ=221244.4折算前折算后电动势变比22EE =′22EkEe=′3)转子电阻的折算22222RImpcu=折算前22 cucupp =′2222122RIImmR′=′折算前后电阻上消耗的功率不变折算后22212RImpcu′′=′2222111221122222111122RkNmkNmkNkNRkNmkNmmmRNNNNNN==′22RkkRei=′4)漏电抗的折算σσ 222122222121XImXIm′′=σσ 2222122XIImmX′=′折算前后漏磁场的储能不变σσσ 2222111221122222111122XkNmkNmkNkNXkNmkNmmmXNNNNNN==′σσ 22XkkXei=′折算后的基本方程式:)(11111 σjXRIEU ++?= 定子侧)(02222 σXjRIE′+′′′= 转子侧mIII =′+21磁动势平衡21EE′= 电动势关系mmmmmZIjXRIE =+?= )(1E1和激磁电流关系异步电动机定、转子的漏阻抗标么值都是比较小的,如果在它的定子绕组加上额定电压,这时定、转子的电流都很大,大约是额定电流的 4~ 7倍。 这就是异步电动机加额定电压直接起动而转速等于零的瞬间情况。如果使电动机长期工作在这种状态,则有可能将电机烧坏。有时为了测量异步电动机的参数,采用转子绕组短路并堵转实验。为了不使电动机定转子过电流,必须把加在定子绕组上的电压降低,以限制定、转子绕组中的电流。5.5 转子旋转时的异步电机11nnns=转子旋转时,电机将以某一低于同步转速 n1的转速 n沿着气隙旋转磁场的方向旋转。气隙旋转磁场切割转子绕组的速度、转子感应电动势的频率和大小、转子绕组的漏电抗、以及转子电流的频率和大小都要发生相应的变化,此时磁动势平衡关系是否还成立呢?转子旋转时的转差率5.5.1转子绕组的各电磁量1.转子电动势的频率气隙旋转磁场以同步转速旋转,如果转子以 n的转速向同一方向旋转,则旋转磁场与转子绕组之间的相对转速是 n2= n1-n,此时旋转磁场将以 n2的转速与转子绕组相切割。因此在转子绕组里所感应的电势及电流的频率(简称转子频率)是:1111126060)(sfpnnnnnnpf =×==正常运行时,s值很小,转子频率很低,因此转子铁耗很小,额定负载时 s=0.02~0.05,f2=1~2.5Hz。2.转子绕组的感应电动势3.转子绕组的电抗SE2.由于频率改变,转子感应电动势也发生改变,用表示转子旋转时转子每相电动势,则其有效值为:44.444.4 sEkNfskNfEmNmNS=Φ=Φ=转子绕组的电抗与频率成正比,故转子旋转时的转子每相漏电抗 X2σs为σσσσππ22122222 sXLsfLfXS===4.转子绕组的电流5.转子绕组的功率因数转子旋转时的转子电流与转子静止时的电流的频率不同。转子电流决定于转子绕组中感应的滑差频率电动势及该滑差频率下的转子绕组漏电抗,即:转子功率因数角为σσ 2222222jsXREsjXREISS+=+=22222arctanarctanRsXRXs σσ==转子功率因数随 s的增加而减小。5.5.2 转子旋转时定、转子磁动势的相对静止F1相对定子的转速:pfn1160=逆时针方向转子转速 n&n1,旋转磁场相对转子 a-b-c,转子电流的相序 a-b-c,转子电流的频率:12sff =F2相对转子的转速:11260snpsfn ==F2相对转子的转速:11122)1( nsnnsnnn =+?=+=′逆时针方向F1和 F2相对静止同理,可以证明,异步电机运行在发电机状态和电磁制动状态时,定、转子磁动势也保持相对静止。定子磁动势的转速 n1发电机状态,s&0电磁制动状态,s&1电动机状态,0&s&1nsn1nsn1nsn1可见,转子磁动势和定子磁动势的转速在空间总是等于同步转速,始终保持相对静止,即定、转子磁势之间没有相对运动!所以,感应电机在任何异步转速下均能 产生恒定的电磁转矩,并 实现机电能量转换 。转子旋转时定、转子磁动势仍然相对静止,此时异步电机中的电磁过程和转子静止时是一样的,所以磁动势平衡方程与电动势平衡方程式分别与转子静止时相同,即:磁动势平衡方程式为:mFFF =+21mIII =′+21转换为电流的形式)(11111 σjXRIEU ++?= 定子侧)(02222 ssjXRIEσ+?= 转子侧22EsEs =电动势关系mmmmmZIjXRIE =+?= )(1E1和激磁电流关系频率为 f1频率为 s f1如何获得等效电路图??5.5.3 转子绕组频率的折算等效电路图和相量图是电机学中很重要的分析方法。为了获得等效电路图,在变压器中采用绕组折算的方法,可以把原、副方两个不同的绕组参数折算成同一侧的,并画在一个图中,方便进行定量计算。在异步电机中,由于转子是旋转的,要获得等效电路图首先要进行频率折算,用一个等效的静止转子代替旋转的转子,然后再采用绕组折算。而经过折算的相量图便于进行定性分析。频率折算的目的是使定、转子的频率相同,而转子静止时定转子的频率相同,能不能用一个静止的转子等效代替旋转的转子?其前提条件应该是使定子侧的各物理量不受转子的影响。而转子对定子的影响是通过转子磁动势 F2实现的,所以要实现异步电机的频率折算,必须保持转子磁动势 F2的大小和相位不变。进一步说,转子磁动势 F2是由转子电流产生的,所以简单地说,频率折算的原则是使等效前后转子电流的大小和相位相等以保持转子磁动势 F2的大小和相位不变;并且等效前后转子电路的功率和损耗相等。设转子串入一电阻 Rst转子静止时 转子旋转时SSjXREIσ2222+= stRjXREI++=σ2222 σ222jsXREs+= σ222jXsRE+= 22221RssjXRE++=σ Rst=(1-s)R2/s只要在转子中串入合适的电阻,就可以用一静止的转子来代替旋转的转子,从而完成转子频率的折算。这个电阻称为附加电阻,其阻值为:21RssRst=但所串的电阻要消耗能量,如何体现功率的平衡???这个电阻上所消耗的功率:就代表了电动机转轴上产生的机械功率22221RssImPmec=Ω=emmecTPsRXRsXRXs2222222arctanarctanarctanσσσ===同时,在频率变换的过程中,除了电流有效值保持不变外,转子电路的功率因数角φ2也没有发生任何变化。即5.5.4 基本方程式、等值电路mmmmmZIjXRIE =+?= )(1折算前的基本方程式 频率折算)(11111 σjXRIEU ++?= )(2222 SsjXRIEσ+= miIkII =+ /2122EsEs =21EkEe =)(11111 σjXRIEU ++?= )1(22222RssjXRIE++=σ miIkII =+ /21)(1 mmmjXRIE +?= 21EkEe =转子的频率为 sf1转子的频率为 f121EkEe =)(1 mmmjXRIE +?= 绕组折算)(11111 σjXRIEU ++?= mIII =′+2121EE′= 频率折算后基本方程式)(11111 σjXRIEU ++?= )1(22222RssjXRIE++=σ miIkII =+ /21)(1 mmmjXRIE +?= 21EkEe =)1(22222RssXjRIE′+′+′′=′σ )(1 mmmjXRIE +?= )(11111 σjXRIEU ++?= )1(22222RssXjRIE′+′+′′=′σ 1U 1R1Xσ1E mRmXmI 1E 21 SRS′2R′2Xσ′2I′ 2E′ 1U 1R1Xσ1E mRmXmI 1E 21 SRS′2R′2Xσ′2I′ 2E′ mIII =′+2121EE′= 1U 1R21 SRS′1Xσ 2R′2Xσ′mRmX2R′2I′ 从等效电路:① 当异步电动机空载时,转子的转速接近同步速,转差率 s很小,/s趋于∝,电流 可认为等于零,这时定子电流就是励磁电流,电动机的功率因数很低。② 当电动机运行于额定负载时,转差率 s≈ 0.05,R'2/s 约为 R'2的 20倍左右,等值电路里转子边呈电阻性,功率因数 cosφ2较高。这时定子边的功率因数 cos φ1也比较高,可达 0.8~ 0.85.③ 由于异步电动机定子漏阻抗不大,异步电动机从空载到额定负载运行时,由于定于电压不变,主磁通Φm基本上也是固定的数值。因此励磁电流也差不多是个常数。④ 当异步电动机刚起动时,转速 n= 0( s=1),这时定子电压全部降落在定、转子的漏阻抗上,已知定、转子漏阻抗,这样,定、转子漏阻抗上的电压降近似为定子电压一半左右。也就是说,近似是的一半左右,气隙主磁通Φm也将变为空载时的一半左右5.5.5 相量图根据上述五个基本方程式画出的异步电动机时间空间相量图.1U 1I 21EE′= 11RI 1E )(11111 σjXRIUE +?=? σ11XIj φ1mΦ )1(22222RssXjRIE′+′+′′=′σ 22IsR′′ 22IXj′′ σmIII =′+21mI 5.6 等效电路的简化1U 1R21 SRS′1Xσ 2R′2Xσ′mRmXmRmX由于激磁阻抗较小,直接左移引起的误差较大,引入修正系数111mZZσ =+ 1U 1R21 SRS′1Xσ 2R′2Xσ′mRmX1I 21Iσ′ 21σ 21σ 1σ 21σ 1σ 1σ 1σ 定子侧阻抗乘以校正系数转子子侧阻抗乘以校正系数的平方转子电流除以校正系数“Γ”型等效电路1U 11Rσ2121 SRSσ′11Xσσ212Rσ′212Xσσ′mRmX1I 12Iσ′ 校正系数为复数,计算不方便,将之简化:111mXXσ =+1R1Xσ较准确的,Γ”型等效电路1U 11Rσ21 SRS′1Xσ 2R′2Xσ′mRmX1I 2I′ 进一步简化:σ1=11R1Xσ简化的,Γ”型等效电路5.7 三相异步电动机参数的测定为了要用等值电路计算异步电动机的工作特性,应先知道它的参数。和变压器一样,通过做 空载和短路 (堵转)两个试验,就能求出异步电动机的参数来。1R21 SRS′1Xσ 2R′2Xσ′1U mRmX空载时,S≈ 0,相当于开路堵转时,S= 1,相当于短路5.7.1 空载实验试验过程,① 转轴上不加任何负载,即电动机处于空载运行,把定子绕组接到频率为额定的三相对称电源上,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。实验目的,测量励磁阻抗 Rm,Xm,机械损耗 pmec,铁心损耗 pFe。② 改变加在电动机上的电压,使其从 (1.1~ 1.3)UN开始,逐渐降低电压,直到电动机的转速 发生明显的变化、或定子的电流开始回升为止。③ 记录电动机的端电压、空载电流、空载功率 P0和转速 n,并画成曲线。如图所示,即异步电动机的空载特性。① 由于异步电动机处于空载状态,转子电流很小,转子里的铜损耗可忽略不计。所以这个时候的空载损耗全部消耗在定子铜耗,铁耗,机械损耗,和附加损耗中:admecFepppRIP +++=12003admecFepppRIPP ++=?=′120003铁耗和附加损耗与磁密的平方成正比,近似地看成为与电动机的端电压成正比。机械损耗与电压无关,只要转速不变,可认为是常数数据处理常数=mecp21)( UppadFe∝+0P′21U作出 对 的关系曲线20000103,IpPRIUZmec==20200RZX?=σ10XXXm+=② 定子加额定电压时,根据空载试验测得的数据,可以算出:式中 P0是测得的三相功率; I0,U1分别是相电流,相电压。σ1X 可从短路(堵转)试验中测出σ10XXXm=于是励磁电抗,10RRRm=励磁电阻,5.7.2 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于绕组短路,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 Uk=0.4UN开始,然后逐渐降低电压。记录定子绕组加的端电压、定子电流 Ik和定子输入功率 Pk。试验时,还应量测定子绕组每相电阻 R1的大小。① 根据试验的数据,画出异步电动机的短路特性 。数据处理② 算出短路阻抗、短路电阻和短路电抗。===2223KKKKKKKKkRZXIPRIUZ′+=′+=σσ 2121XXXRRRkkK KKZ RjX=+ mRmX1R1Xσ 2R′2Xσ′近似处理:=′==′kkXXXRRR212112σσ5.8 笼型转子的相数、极数和参数折算5.8.1 笼型转子的相数和极数交流绕组的相数是按绕组中电流的相位来确定的,即同一相绕组里的电流同相位,对于笼型转子,导条中电流的相位是怎样的呢?笼型转子的绕组是由在圆周上均匀分布的 Z2根导条构成的。各导条在气隙磁场的空间位置不同,所感应的电动势在时间上的相位是不相同的,相邻导条感应电动势的相位差为:202360Zp ×=α由于笼型转子绕组在结构上是对称的,每根导条的漏阻抗相同,因此每根导条中的电流落后于该导条的电动势ψ2角,各导条的电流都不同相位,因而每一根导条就是独立的一相,即转子相数为,m2=Z2笼型转子的绕组,由于每对极下每相只有一根导条,相当于半匝,所以每相中串联绕组数 N= 0.5;由于每相只有一根导条,不存在短矩绕组和分布绕组的问题,因此绕组系数 kN2=1笼型转子的匝数和绕组系数下图表示某一瞬间笼型转子导条电动势和磁动势 F2的空间分布波。图中 Bm表示气隙中旋转的基波磁通密度波,其转速为 n1;转子的转速为 n,则旋转磁场以Δ n=n1-n=sn1的转速切割转子导条感应出电动势。由于导条的空间位置不同,e=Blv,每根导条中电动势瞬时值的大小也不同。因此,在同一瞬间,按照每根导条中电动势的大小沿着转子圆周方向所得出的空间分布波与磁通密度分布波 Bm是同波形、同相位的。导条中的电流取决于导条中的电动势和导条、端环的阻抗。设导条和端环两者的等效阻抗角为ψ2。则每根导条中感应的电流在时间上将滞后于该导条中的电动势ψ2相位角。同样,由产生的磁动势 F2的波形也与磁通密度分布波Bm是同波形、相位上滞后ψ2角。根据上述的电流波,即可画出转子各导条中的电流分布情况,可见,二极电机的气隙磁场在导条中感应出的电流分布也形成二极,若气隙磁场为四极,则导条感应的电流分布也为四极。由于气隙磁场的极数取决于定子绕组的极数,故得结论,笼型转子本身没有特定的极数,它完全取决于定子绕组的极数,也就是气隙磁通基波的极数,并自动与其保持相等,而与转子导条的数目无关。5.8.2 笼型转子参数的折算笼型转子参数的折算可以分两步走:先把端环各段阻抗折算到导条,求出转子每相的漏阻抗 Z2,然后再把漏阻抗折算到定子,求得转子每相漏阻抗的折算值。先求转子每相的参数,这是根据导条电流与端环电流的关系而获得的。折算原则是:保持折算前后有功功率和无功功率不变。ZB表示导条的漏阻抗ZR表示端环的漏阻抗各相的电动势或电流的有效值均相等,并且相邻两相的相位在时间上均相差α度22Zpπα =根据节点电流法,画出电流相量图2sin22sin2ZpIIIRRBπα==电流的关系:RRRBRImRIm22'22=根据转子铜耗守恒原则222'sin4)(ZpRIIRRRBRRRπ==折算到导条的端环电阻22'sin4ZpXXRRπ=折算到导条的端环电抗每根导条对应两段端环,笼型转子每相的电阻和电抗值,'22RBRRR +='22RBXXX +=σ1cup5.9 三相异步电动机的功率与转矩1 功率关系1111cos3?IUP =21113cup IR=电动机以转速 n稳定运行时,从电源输入的功率为 P1:定子铜损耗 pcu1为,1U 1R21 SRS′1Xσ 2R′2Xσ′mRmX1I mI 2I′ 1E 1PFep1U 1R21 SRS′1Xσ 2R′2Xσ′mRmX1I mI 2I′ 1E emP23Fe m mp IR=电动机的铁耗:通过气隙传输给转子回路的功率称为电磁功率:22113em Cu FeRPPp p Is′′= =22 2 2 22 23cos cosemPEI mEI′′==或mecP2cup1U 1R21 SRS′1Xσ 2R′2Xσ′mRmX1I mI 2I′ 1E 22122c emupI PmRs′′==转子的铜耗:电磁功率减去转子铜耗,剩下的就是附加电阻上消耗的功率,也就是电机转轴上总的机械功率:()222 213(1)mec em Cu emsPPp I R sPs′′=? = =?2 mec mec adPP p p=Pmec并不是电动机的输出功率,还有机械损耗 /附加损耗等,输出功率为:Pmec:机械功率,P大写pmec:机械损耗,p小写整个功率传递过程的流程图输入功率1P电磁功率emP输出功率2P机械损耗 +附加损耗mec adp p+转子损耗cu2p铁心损耗Fep定子铜耗cu1p机械功率mecP2(1 )cu emmec empsPP sP==?异步电动机运行时电磁功率、转子铜耗和机械功率三者之间的关系:2,转矩关系mecemPT =Ω11(1 )22(1 )60 60mec mec em ememPP sPPTnnsππ== = =ΩΩ机械功率 Pmec除以轴的角速度Ω就是电磁转矩 Tem,即:1(1 )(1 )mec emnsnPsP=?=?考虑到:式中 Ω1为同步角速度(用机械角表示)02TTT?=00mec adp ppT+==ΩΩ功率平衡:2 mec mec adPP p p=2 mec mec adPppP +=?ΩΩ ΩT0是空载转矩转矩平衡:5.10 电磁转矩的三种表达式5.10.1 电磁转矩的物理表达式电磁功率除以同步机械角速度Ω1,得电磁转矩:212 211/260ememP mI R sTnπ′′==Ω122 21cos260mE Inπ′′ ′=()22122212cos60260NmmfNkIfpπ?πΦ=22 222cos2Nmpm N kI?=Φ22cosMmCI?=Φ222 21cos260mEInπ=Tem和磁通成正比,和转子电流的有功分量成正比5.10.2 电磁转矩的参数表达式1U 1R21 sRs′1Xσ 2R′2Xσ′mRmX1I 0I 2I′ 2212emRPmIs′′=电磁功率:1222211()UIRRXXsσσ′=′′+++221122211 1 22()emRmpUsTRfR X Xsσσπ′=′′+++2I′异步机等效电路中,由于励磁阻抗比定、转子漏阻抗大很多,把 T型等值电中励磁阻抗这一段电路前移来计算,误差很小,故,代入上面电磁转矩公式中去,得到T- s曲线电磁制动状态 电动机状态 发电机状态emTs01∞maxTmaxTmsstTsemT① s=0时,Tem=0;这是因为转子转速等于同步转速,转子与旋转磁场之间没有相对运动,电机中不能产生有效的电磁转矩 。②当 s很小时,R’2/s值很大,在电机中起主要作用,R1忽略之后,约去分母中的 R2’/s,可认为 Tem∝ s。③当 较大时,R2’/s相对变小,电机的电抗起主要作用,分母中电阻值可忽略不计,可认为 Tem∝( R2’/s),所以随着 s增加,电磁转矩反而减小④ 转矩特性中存在一个电磁转矩的最大值 Tmax0=dsdTem()221212σσxxrrsm′++′±=1.最大电磁转矩,正、负最大电磁转矩可以从参数表达式求得,令,得到最大转矩对应的转差率(称为临界转差率)最大电磁转矩211max2211 1 1 24()mpUTfR R X Xσσπ=±′±+ + +211max2211 1 1 24()mpUTfR R X Xσσπ=±′±+ + +① 当电源频率和电机参数不变时,最大电磁转矩与电压的平方成正比,即 Tmax∝;并且 sm与无关。因此,当电动机在额定负载下运行时,若电压下降过多,以至最大电磁转矩 Tmax小于总制动转矩 (T2+T0),而则将发生停转事故。21U21U② 最大电磁转矩的大小与转子回路电阻 R2无关;但 Sm与转子回路电阻 R2成正比。故当增加转子回路电阻时,Tmax虽然不变,但发生最大电磁转矩的转差率 Sm增加。③ 由于定、转子漏抗与频率成正比,最大电磁转矩近似与 (U1/f1)2成正比,即 Tmax随电源频率的增加而降低。最大电磁转矩是异步电动机的重要性能指标之一,当电动机运行时,总制动转矩( T2+T0)不能超过 Tmax,否则电动机将停转下来。由此可见,最大电磁转矩越大,电动机的短时过载能力越强,因此为了保证电动机不因短时过载而停止运转,对 Tmax的数值有 ―定的要求。定义电动机的过载能力 kM:对一般异步电动机,kM的大小通常在 1.6~ 2.5之间,起重、冶金用的异步电动机 kM=2.2~ 2.8maxMNTkT=满足 n=0,s=1的电磁转矩,将 s= 1代入式 Tem=f(s)中,得到起动转矩为,2,起动转矩,2112st2211 2 1 22( )( )mpU RTfRR X Xσσπ′=′′+++① Tst与定子的端电压成正比;② 转子电阻增加时,Tst先增加后减小;当 sm=1时,起动转矩将达到最大电磁转矩。③ f1一定时,漏电抗越大,Tst越小。④ Tmax随电源频率的增加而降低。起动转矩倍数,起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数,用 kst表示,电动机起动时,只有 Tst大于 (1.1~ 1.2)倍的负载转矩才可顺利起动。一般异步电动机起动转矩倍数 kst=0.8~ 1.2。ststNTkT=5.10.3 电磁转矩的实用计算公式实际应用时,三相异步电机的参数不易得到,这样我们用前面的机械特性表达式就很不方便,所以,在实际工程中,若利用异步电机产品目录中给出的数据,找出异步电动机的机械特性公式,即便是粗糙些,但也很有用,这就是实用公式maxm2ssemmTsTs=+如何得到其实用计算公式?211max2211 1 1 24()mpUTfR R X Xσσπ=±′±+ + +221122211 1 22()emRmpUsTRfR X Xsσσπ′=′′+++22211122max22112()()emRRRXXTsTRRXXsσσσσ′′±+ + +′′+++=22211122max22112()()emRRRXXTsTRRXXsσσσσ′′±+ + +′′+++=而,222112()mRRXXsσσ′′++ =212mRXXsσσ′′+=忽略 R1222max2222()memmRRssTTRRss′′′′+=max2emmmTssTss+=实用公式的使用从实用公式看出,必须先知道最大转矩及临界转差率才能计算。而额定输出转矩可以通过额定功率和额定转速计算,在实际应用中,忽略空载转矩,近似认为 TemN=TN。过载能力 km可从产品目录中查到,故 Tmax便可确定。利用额定运行点确定临界转差率 sm:额定工作点的 TN和 sN,代入实用计算公式:2NNmmNmNTsskTss=+2(1)mNm mssk k=+?① 当三相异步电动机在额定负载范围内运行时,它的转差率小于额定转差率( sN= 0.01~ 0.05)。smmsss&&