异步电机的基本理论.ppt

第13章 异步电机,2,第13章 异步电机的基本理论,13.1 异步电机的结构及额定值,13.3 异步电机的电势平衡,13.2 异步电机的三种运行状态,下一章,上一章,返回主页,13.4 异步电机的磁势平衡,13.6 三相异步电动机的功率平衡及转矩平衡,13.5 异步电机的等效电路及相量图,13.7 异步电动机的电磁转矩和机械特性,13.8 异步电机的工作特性,3,本章分析思路,基本结构,4,13.1 异步电机的结构和额定值,1轴承，2轴伸侧端盖， 3转轴，4转子铁心， 5吊环，6定子铁心， 7出线盒，8机座， 9定子绕组， l0非轴伸侧端盖， 11风罩，12风扇,一、三相感应电动机的基本结构,5,笼型异步电动机内部结构图,转子,定子,风扇,冷空气流,罩 壳（非驱动端）,端盖（驱动端）,6,1. 定子部分,定子铁心的硅钢片,(1) 定子铁心 (2) 定子绕组 (3) 机座和端盖,7,(1) 定子铁心,更多图片,8,定子槽形,开口槽 半开口槽 半闭口槽,9,(2) 定子绕组,对称三相绕组。,定子三相对称绕组模型,10,定子绕组接线盒,星形(Y)联结,三角形()联结,11,(1) 转子铁心 (2) 转子绕组 (3) 转轴,转子铁心的硅钢片,2. 转子部分,(1) 转子铁心 也是电动机主磁通磁路的一部分， 一般由厚度为 0.5 mm 的硅钢片冲片叠成。,12,转子槽形,绕线型异步电机转子槽形 单笼转子槽形 双笼转子槽形,13,(2) 转子绕组, 绕线型转子绕组：对称三相绕组。 笼型转子绕组：对称多相绕组。,绕线型三相异步电动机结构示意图,14,三相绕线型异步电动机示意图,15,绕线型三相异步电动机的转子,16,绕线型三相异步电动机的转子,17,笼型异步电动机的转子,铜条转子,铸铝转子,18,笼型异步电动机的转子,19,下面是它主要部件的拆分图。,右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。,20,二、三相异步电动机的额定值和主要系列,1. 额定值 (1) 额定功率 PN (2) 额定电压 UN (3) 额定电流 IN (4) 额定频率 fN (5) 额定转速 nN (6) 额定功率因数 cosN (7) 绝缘等级与温升,21,三相异步电动机的铭牌,三相异步电动机 型 号 Y132S6 功 率 3 kW 频 率 50Hz 电 压 380 V 电 流 7.2 A 联 结 Y 转 速 960r/min 功率因数 0.76 绝缘等级 B,22,【例13-1】 已知一台三相异步电机的额定转速为 1437r/min，试求这台电动机的极对数和额定转差率。,解：因为,则 p = 1时，n1 = 3000 r/min； p = 2时，n1 = 1500 r/min； p = 3时，n1 = 1000 r/min； p = 4时，n1 = 750 r/min； p = 5时，n1 = 600 r/min； 当 n = 1437 r/min 时：,23,三相异步电动机的基本工作原理,对称三相绕组 通入对称三相电流,旋转磁场 （磁场能量）,磁感线切割 转子绕组,转子绕组中 产生 e 和 i,转子绕组在磁场中 受到电磁力的作用,转子旋转起来,三相 交流 电能,电磁 转矩,13.2 异步电机的三种运行状态,24, ,1. 异步电动机的基本工作原理, 用右手定则判断转 子绕组中感应电流 的方向。, 用左手定则判断转 子绕组受到的电磁 力的方向。, 电磁力 电磁转矩 T 。 T 与 n1 同方向。,25,顺时针方向旋转,怎样改变转子的转向?,3 ,M 3,3 ,M 3,逆时针方向旋转,旋转方向？,26,起动时：n = 0, n = ns,转差率 :,转子转速 n 与转差率 s,转子电磁感应最强, n n ,转子电磁感应消失,转子电磁感应减弱,n n = ns,电磁转矩 T = 0,nns, n ,异步,27,2. 异步电机的运行状态,(1) 电动机运行状态 Te 与n 同方向，为驱动性质。 0nn1，1s0 ， sN = 0.02 0.05。 (2) 发电机运行状态 nn1，s0 。 Te 与n 反方向，为制动性质。 (3) 电磁制动运行状态 n0，s1 。 Te 与n 反方向，为制动性质。,28,2. 异步电机的运行状态,0 s 1 0nn1,s0 nn1,s1 n0,发电机状态 电动机状态 电磁制动状态,29,三相异步电机的四象限运行,正向电动机状态： n 与Te 同方向 0nn0 1s0,发电机状态： n 与Te 反方向 nn0 s0,电磁制动状态： n 与Te 反方向 n0 s1,反向电动机状态,n0 s1,n = 0 s = 1,0nn1 1s0,n = n1 s = 0,nn1 s0,30,E1 = 4.44 f 1kw1 N1m E2s = 4.44 f 2 kw2 N2m = 4.44 sf 1 kw2 N2m,定子绕组感应电动势的频率：,1. 定、转子感应电动势的大小,(与交流电源同频率),当转子静止时：,E2 = 4.44f 1kw2 N2 m ( s = 1，f2 = f1 ),因此 E2s = sE2,13.3 异步电动机的电势平衡,31,2. 定子电路的电压方程（每相）, R1、X1 定子一相绕组的电阻和漏电抗。, Rm、Xm、Zm 定子一相绕组的励磁电阻、 励磁电抗、励磁阻抗。, Im、I1L 定子相电流的励磁分量和负载分量。,32,2. 转子电路的电压方程（每相）,X2s = 2 f2L2 = 2s f1L2 = sX2 R2 转子绕组的相电阻； L2 转子相绕组的漏电感； X2 = 2 f1L2 转子静止时的漏电抗。,33,三相感应电动机定、转子耦合电路,34,13.4 异步电动机的磁势平衡,旋转磁场是交流电机工作的基础，磁场是由磁动势产生的。在感应电机定子与转子之间的气隙中，总存在旋转磁场，该磁场既可以由定子磁动势单独产生，也可以由定、转子磁动势共同产生，其转速为同步转速。本节分析空载和负载时感应电机的磁动势和磁场。,35,一、空载磁动势和磁场,空载磁动势：由定子三相对称绕组通入三相对称电流建立（忽略转子电流）。 空载磁场：由旋转的空载磁动势建立。 主磁通：由基波圆形旋转磁动势产生，通过气隙，同时交链定、转子绕组，实现机电能量转换。 定子漏磁通：只与定子绕组自身交链，包括槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通等，产生漏抗压降。,36,空载运行时，转子转速n非常接近于同步转速ns，因此旋转磁场切割转子导体的相对速度接近于零，转子电流很小，可近似认为 空载时的气隙磁密仅由定子电流产生。 空载运行时，定子磁动势F1基本上就是产生气隙主磁场Bm的激磁磁动势Fm，空载时定子电流 就近似等于激磁电流 。考虑铁耗时，Bm在空间比Fm滞后铁心损耗角 。,1. 空载运行时的磁动势,37,2. 主磁通和激磁阻抗,气隙中的主磁场Bm以同步速旋转时，主磁通 将在定子绕组内感生电动势 (三相对称，取一相分析),主磁通是指通过气隙并同时与定转子绕组相交链的磁通，它经过的磁路(称为主磁路)包括气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭等五部分。,38,主磁通和激磁阻抗,Zm激磁阻抗，它是表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数。 Xm激磁电抗，表征气隙主磁通的电抗。 Rm激磁电阻，表征铁耗的一个等效电阻。,39,3. 定子漏磁通和漏阻抗,除产生m 外，定子电流还产生仅与定子绕组交链，而与转子无交链的磁通，这部分磁通不能进行能量转换，但也会在定子中产生感应电动势。,漏磁通分类：,槽漏磁通，端漏磁通，谐波漏磁通,槽漏磁通,端漏磁通,40,二、负载运行时的磁动势和磁场,1. 转子磁动势,电动机带上负载时，电机转速从空载n0下降到n，转子电流将增大。 若定子旋转磁场正向旋转(从A相-B相-C相)，则转子感应电动势和电流的相序也是正相序，那么转子绕组将产生正向旋转的转子磁动势F2。,41,转子电流产生的旋转磁动势F2,F2相对于转子的转速为n2(参照物为转子),转子转速为n,定子旋转磁场转速为ns,定子旋转磁场切割转子的速度为n=ns-n=sns,转子感应电动势和电流的频率f2,以定子为参照物磁动势F2的转速,无论转子的实际转速是多少，转子磁动势F2在空间的转速总是等于 同步转速，并与定子磁动势F1保持相对静止。 定转子磁动势保持相对静止是产生恒定电磁转矩的必要条件。,42,结论： 转子旋转磁动势与定子旋转磁动势在空间是 沿同一方向以同一速度旋转的，二者组成了 统一的合成旋转磁动势，共同产生气隙旋转 磁场。,43,转子磁动势与气隙磁场,转子漏抗X2 0,44,转子磁动势与气隙磁场,转子漏抗X2 0,45,【例13-3】 有一台50HZ、三相、四极的感应电动机转子的转差率s=5%，试求： （1）转子电流的频率； （2）转子磁动势相对于转子的转速； （3）转子磁动势在空间的转速。 解 (1)转子电流的频率 f2 = sf1 =0.0550=2.5Hz (2)转子磁动势相对于转子的转速 n2=60f2/p=(602.5)/2=75r/min (3) 转子磁动势在空间的转速 n2 + n = n2+ns(1-s)=1500r/min,46,使气隙磁场的大小和空间相位发生变化 转子磁势与主磁场相互作用，产生所需电磁转距。,2. 转子反应,负载时感应电动机的转子磁势对气隙磁场的影响称为转子反应。其作用：,47,三相感应电动机的内部电磁关系,48,三相感应电动机 的磁动势平衡方程式,49,磁动势平衡方程式的电流表达式,转子反应,50,三相感应电动机定、转子耦合电路,51,13.5 三相感应电动机的等效电路,1. 频率归算,转子相电流：,频率归算是指在保持电磁系统的电磁性能不变的前提下，把一种频率的物理量换算成另一种频率的物理量。,两端同乘,52,频率折算的含义： 用一个电阻为 R2 /s 的静止等效转子代替电阻为 R2 的实际旋转的转子，而等效转子的 F2 不变。,频率折算的意义： 旋转的转子被等效的静止的转子所代替， 定、转子绕组即具有相同的频率； 定、转子的感应电动势之比等于其有效匝数之 比: kw1N1 / (kw2N2) ； 可以把异步电动机看成是一个具有空气隙且二 次绕组有可变电阻 R2 /s 的变压器。,53,关于附加电阻,总机械功率：,R2 s,= R2 R2,1s s,54,电磁功率,定子铜耗,机械功率,转子铜耗,频率归算后的定转子电路图,55,转子电阻的物理含义,电磁功率,56,2. 绕组归算,用一个相数和有效匝数与定子绕组相同的转子 绕组去等效代替实际的转子绕组。 等效的原则：保证电磁效应和功率关系不变。 1）电动势的归算 归算前： E2 = 4.44 f1 kw2N2m 归算后： 定、转子的电动势之比：,57,2) 电流的归算,归算前：,归算后：,= F2,电流比：,58,3) 阻抗的归算,归算前：,归算后：,阻抗比：,= ke ki,Z2 = kZ Z2, 归算前后转子的损耗和漏磁场的磁场储能应保持不变。,59,电磁功率,定子铜耗,机械功率,转子铜耗,绕组归算后的定转子电路图,60,归算后的基本方程式,3. 三相感应电动机的T型等效电路,61,T型等效电路,经频率归算、绕组归算后,铁耗,62,T型等效电路,63,三相感应电动机的相量图,64,等效电路的简化,定义修正系数：,65,等效电路的简化,修正系数：,型近似 等效电路,T型精确 等效电路,型简化 等效电路,66,变压器与感应电动机 简化等效电路的比较,67,一、三相异步电动机的功率关系,1. 输入功率 P1,T 形等效电路,P1 = PCu1PFePe,PCu1,PFe,PCu2,P,Pe,13.6 三相异步电动机的功率平衡及转矩平衡,68,(1) 定子铜损耗 PCu1 PCu1 = m1R1I12 = 3R1I12 (2) 铁损耗 PFe（转子铁损耗可忽略不计） PFe = PFe1 = m1RmIm2 = 3RmIm2,P1 = 3U1I1cos1,P1 = PCu1PFePe,69,2. 电磁功率 Pe,Pe = P1PCu1PFe Pe = m2 E2 I2cos2,转子铜损耗 PCu2 PCu2 = m2 R2 I22,Pe = PCu2P,PCu2 = sPe 转差功率,70,3. 总机械功率 P,P = PePCu2,= (1s ) Pe,4. 输出功率 P2 P2 = P (PfwPad),机械损耗,附加损耗,P1,Pe,P2,P,空载损耗 P0 = PfwPad,71,感应电动机的功率流图,72,总损耗 P P = PFePCuPfwPad = PFe1(PCu1PCu2) PfwPad 功率平衡方程式 P2 = P1P 效率,73,二、三相异步电动机的转矩关系,P = P2P0,Te = T2T0,1. 电磁转矩 Te,2. 空载转矩 T0,3. 输出转矩 T2,74,电动机的负载转矩为 TL，稳定运行时,T2 = TL 若 TL ,T2TL,n,s ,E2s,I2s (I1) ,T2 ,T2 = TL,重新稳定运行( n 较高, I1 较小)。,一般 T0 很小 ，在满载或接近满载时，,T0 T2,因此 Te = T2 = TL,75,【例13-4】 一台 4 极三相异步电动机，PN = 90 kW， UN = 380 V，联结，fN = 50 Hz，PCu1 = 1450.9 W，PFe= 1428.8 W，PCu2 = 819.1 W，Pfw = 1800 W，Pad = 1000 W。 试求：(1) 总机械功率；(2) 电磁功率；(3) 额定转速； (4) 电磁转矩；(5) 空载转矩；(6) 额定效率。,解： (1) 求总机械功率,P = P2PfwPad = (901.81 ) kW = 92.8 kW,(2) 求电磁功率 Pe = P PCu2 = (92.80.8191) kW = 93.6191 kW (3) 求额定转速 因为 所以 nN = (1s ) n1 = (10.0875) 1500 r/min = 1487 r/min,76,(4) 求电磁转矩,P1N = PePCu1 PFe = ( 93 619.11 450.9 1 428.8 ) = 96 498.8 W,(5) 求空载转矩,(6) 求额定效率,77,三、三相异步电机电磁转矩的物理表达式,Pe = m2 E2 I2 cos2 E2 = 4.44 f1 kW2N2m,Te = CTm I2 cos2, 电磁转矩常数:,78,转矩-转差率特性（重点） 机械特性 工作特性,13.7 异步电动机的运行特性,79,当U1U1N时，求：Tef(s) 根据简化等效电路：,一、转矩-转差率特性,80,电磁转矩Te与电压、频率、绕组参数、转差率有关。 当电压、频率、绕组参数为常数时，电磁转矩仅与转差率有关。 Tef(s),81,Tmax,Tst,临界转差率,82,二、最大电磁转矩,：电动机 ：发电机,83,结论： TmaxU12，但sm与U1无关； Tmax 、sm1/（X1X2） Tmax1/f12；sm1/f1； Tmax与R2无关，但smR2。,84,异步电动机的 转矩-转差率特性,U1U1U1,R”2R2R2,TmaxU12,smR2,重点,85,三、异步电动机的起动转矩,绕线型转子,86,电磁转矩的几种计算公式,简化,定义,基本,参数,87,不稳定 运行区,稳定运行区,四、异步电动机的机械特性,根据：nns（1-s） Tef（s） nf（Te）,稳定运行条件：,感应电动机的稳定运行区域：从同步点到最大电磁转矩一段。,88,机械特性,89,五、异步电动机的工作特性,前提条件 U1U1N，f1fN 工作特性 转速特性：nf(P2) 定子电流特性：I1f(P2) 功率因数特性：cos1f(P2) 电磁转矩特性：Tef(P2) 效率特性：f(P2),90,六、异步电动机工作特性的求取,直接负载法：利于负载实验，计算工作特性，适用于中小容量的感应电动机； 参数计算法：在电动机参数已知的情况下，利用等效电路，通过迭代方法，计算工作特性和运行数据。,91,七、异步电动机的主要性能指标,额定效率N（75%95%） 额定功率因数cosN（0.750.92） 最大转矩倍数kT（1.63.0） 起动转矩倍数kst（1.63.0） 起动电流倍数i*st（5.07.0）,92,分析题：一台异步电动机，过载能力kT=1.6。当电网电压下降15时，问异步电机能否正常运行？,U115 U185UN T2TeU12 TmaxkTTN,可正常运行,93,异步电动机的起动 异步电动机的调速 异步电动机的制动(略),14 异步电动机的起动和调速,94,起动方法 直接起动 电枢回路串电阻器起动 降压起动 调速方法 改变电枢电压调速 改变电枢电阻调速 改变励磁电阻调速 制动方法 能耗制动、反接制动、回馈制动,复习：直流电动机的起动、调速、制动,95,笼型异步电动机的起动 直接起动 Y-D起动 自耦变压器起动 绕线型异步电动机的起动 转子回路串电阻器起动 改善起动性能的其它方法,一、异步电动机的起动方法,96,起动转矩倍数要大 kstTst /TN 起动电流倍数要小 i*stIst /I1N,异步电动机起动的基本要求,97,起动电流倍数很大（57倍） 起动转矩倍数不大（12倍）,异步电动机起动时的特点,98,操作：直接合闸 优点：操作简单，不需附加起动设备。 缺点：起动电流倍数大，对电机和电网的冲击大。,1. 笼型异步电动机的直接起动,99,操作：三角形连接的定子绕组，在起动时改接为星形。 优点：操作、设备简单，可有效降低起动电流倍数。 缺点：起动转矩倍数同时减小，只适合轻载起动。,2. 笼型异步电动机的Y-降压起动,100,笼型异步电动机Y-降压起动,101,操作：异步电动机的定子绕组，在起动时通过自耦变压器与电源相连。 优点：降压灵活，不受绕组连接方式的限制。 缺点：需专用自耦变压器，设备复杂、价格高。,3. 笼型异步电动机的自耦变压器降压起动,102,笼型异步电动机 的自耦变压器降压起动,103,4. 绕线型异步电动机转子回路串电阻起动,104,绕线型异步电动机 转子回路串电阻起动,优点： R2I2Ist R2cos2Tst 缺点： 绕线型转子结构复杂、价格高。,105,5. 绕线型异步电