单相异步电动机与三相异步电动机和常用电机的选择.ppt

单相异步电动机和三相同步电动机,1单相异步电动机 2三相同步电动机,7.1单相异步电动机的简单工作原理,1 单相异步电动机, 起动转矩,单相异步电动机是指使用单相交流电源的异步电动机。,单相交流电源通入单相绕组，产生脉振磁场。,脉振磁场不能产生起动转矩。, 脉振磁场与旋转磁场的关系,一个脉振磁场可以分解成两个大小相等，方向相反， 以相同速度旋转的旋转磁场。,反之，两个大小相等，方向相反，以相同速度旋转的 旋转磁场可以合成一个脉振磁场。,., 单相电动机的特点以及它与三相电动机的关系和联系, 单相电动机的结构, 单相电动机的起动转矩为零，自己无法起动。,但在外力作用下，就可以正常工作了。,工作点或在正向点，或在反向点， 应视起动时的方向而定。, 同步转速点不等，单相电动机的略小一些。, 最大转矩不等，单相电动机的小一些。, 三相电动机（Y接）在正常工作时断了一相，仍能 继续运行，但转速变小了，且处于不平衡工作状态。, 三相电动机若断了一相，无法再次自行起动。,因此，对于三相电动机必须加断相保护装置。,定子：外接单相交流电，但内部为两相正交的绕组。,转子：鼠笼型转子。,.,二、椭圆旋转磁场,多相对称绕组通入多相对称电流产生圆形旋转磁场。,椭圆旋转磁场是由两个振幅不等，旋转方向相反， 但转速相等的旋转磁场组成的。,若电流不对称，则产生椭圆旋转磁场。,., 电阻分相法,使辅助绕组的电阻较大，则其电抗就比主绕组的小， 可使辅助绕组的电流超前于主绕组。, 电容分相法,选择适当的电容器，可使辅助绕组的电流超前于 主绕组。,根据分相法起动的单相电动机的种类有：, 单相电阻分相起动异步电动机, 单相电容分相起动异步电动机,起动时，两个绕组同时工作，当转速达到 一定值时，辅助绕组自动断开。,起动方式同单相电阻分相起动异步电动机。,该电动机所选用的电容值较大，因此，起动电 流小，起动转矩大。适合于重载起动设备。,.,分析,当同步电动机的电枢绕组通入三相对称交流电 后，就会产生以同步转速n1旋转的三相合成基波电枢 磁势Fa。当同步电动机稳定运行时，转子也以同步转 速n1旋转，在励磁绕组中通入直流励磁电流If，使转 子形成固定磁极，励磁电流产生励磁磁势F0，励磁磁 势F0与电枢磁势Fa同速同方向旋转，彼此在空间是相 对静止的，这样在电机的主磁路上有两个磁势，它们 相互叠加，形成了合成磁场。,电枢反应,在电机的主磁路上有两个磁势，它们相互叠加，形成了合成磁场。我们把电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。 电枢反应：指电枢磁场对主磁场的影响。,1、隐极同步电动机电压方程式和相量图,气隙中的合成磁势为： 合成磁势、主磁势和电枢磁势分别切割电枢绕组，则在电枢绕组上分别产生感应电势为：,隐极同步电动机的电磁关系,电枢一相绕组的电压方程式,式中r1为电枢绕组电阻，一般同步电动机容量都较大，电阻r1很小，常忽略；x1为电枢漏电抗。,化简,仿变压器或异步电动机中使用的将漏电抗电势写成漏阻抗压降的方法，也可将电枢磁势Fa产生的电枢电势Ea写成电抗压降的形式，则有 式中xa为电枢电抗，或称电枢反应电抗，它对应于主磁路，故xax1，一般有xa=(58)x1，这样上式可改写成： 式中xc=x1+xa 为隐极同步电动机的同步电抗。,隐极同步电动机等值电路和相量图,分析,从相量图中可见，定子电流I1超前电源 电压U1，它可通过调节直流励磁电流使同步 电动机工作在这种状态，目的是使同步电动 机在拖动负载的同时，对电网呈容性，起电 容补偿作用，以提高电网的功率因数。,2、凸极同步电动机电压方程式和相量图,凸极同步电动机转子有明显的磁极，气隙 不均匀，转子磁极中心线附近气隙最小，磁阻 最小，磁导最大；而在转子磁极几何中心线处 气隙最大，磁阻最大，磁导最小，所以磁通所 走的路径不同，所遇的磁阻不同，对应的电抗 参数也就不同。,凸极同步电动机电枢反应磁势,凸极同步电动机电枢反应磁势,电枢反应,当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线重合，气隙最小，磁阻最小，相应的电抗为最大；这时所对应的电枢电抗称为电枢反应直轴电抗，用xad表示； 当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线正交时，气隙最大，磁阻最大，相应的电抗为小；这时所对应的电枢电抗称为电枢反应交轴电抗，用xaq表示；当电枢磁势位于直轴与交轴之间时，相应的气隙、磁阻、和电枢反应电抗处于上面两种情况之间，且随位置不同而变化。,为了解决电枢磁势Fa在不同位置时遇到不同气隙，其磁阻计算困难的问题，可将电枢磁势分解成两个分量：一个分量是直轴电枢磁势，用Fad表示，它作用在直轴方向；另一个分量是交轴电枢磁势，用Faq表示，它作用在交轴方向，则有： 同理，对应产生电枢磁势Fa的电枢电流I1也可分解成两个分量，即： 这种分析问题的方法是以叠加理论为基础的“双反 应法”。,说明,根据“双反应法”，凸极同步电动机电磁关系如下：,电磁关系,直轴电枢磁势Fad和交轴电枢磁势Faq在气隙圆周上同样以同步转速n1旋转，它们切割定子绕组在其上产生的感应电势Ead和Eaq，正是电枢磁势Fa在定子绕组上产生的感应电势Ea的两个分量，所以有： 式中Ead称为直轴电枢反应电势，其对应的电抗是xad；Eaq称为交轴电枢反应电势；其对应的电抗是xaq。这里xad和xaq分别是直轴电枢反应电抗分别和交轴电枢反应电抗，若不考虑磁路饱和的影响，xad和xaq都是常数。,电枢磁势,凸极同步电动机的电压方程式,直轴和交轴电流分量为（见向量图）,凸极同步电动机相量图(a),凸极同步电动机相量图(b),分析,根据相量图所示的几何关系可推出 所以有：,式中xd=xad+x1为直轴同步电抗；xq=xaq+x1为交轴同步电抗，绘制对应的相量图，图中相量1与1的夹角为，成为功率因数角；相量1与-0的夹角为，称为内功率因数角；相量1与-0的夹角为，称为功角，三者之间有下列关系：,分析,前面在介绍直流电动机和三相异步电动机时，都重点分析了对应的机械特性T=(n)，而同步电动机由于以同步转速n1转动，转速不随转矩变化，其机械特性为一条直线。在同步电动机中，功率或转矩是随功角变化的，所以下面讨论功角特性Pem=()和矩角特性T=()。,7.2.3同步电动机的功角特性和矩角特性,1、同步电动机的功率和转矩平衡方程式 同步电动机的功率平衡方程式为：,说明,上式中P1为同步电动机从电网吸收的有功功率；pCu为定子铜损；Pem为同步电动机的电磁转矩；P2为电动机的输出功率，p0为同步电动机的空载损耗，pm为机械损耗；pFe为铁损耗；pad为附加损耗。同步电动机的功率关系也可用功率流程图表示。,同步电动机功率流程图,转矩平衡方程式,从上述功率平衡方程式可推出同步电动机的转矩平衡方程式为： 式中T为电磁转矩；T2为输出转矩；T0为空载转矩。,2、同步电动机的功角特性 同步电动机的功角特性是指在外加电源电压和励磁电流不变的条件下电磁功率Pem和功角之间的关系曲线，即Pem=()。 一般同步电动机的容量大效率高，可忽略定子的铜损pCu，则有：,由相量图可推出：,推导,上式为凸极同步电动机功角特性表达式，从上式中可见，电磁功率分两部分：一部分是与励磁电流If产生的电势E0成正比，称为励磁电磁功率（或称基本电磁功率），可表示为：,功角特性,功角特性,当U1=常数，改变励磁电流If可改变E0的大小， 即可改变Pem1的大小，Pem1与功角之间的关系见曲 线1所示；另一部分与励磁电流大小无关，称为凸极 电磁功率（或称附加电磁功率），可表示为：,功角特性说明,可见，对于气隙均匀的隐极转子同步电抗为 xc=xd=xq，所以Pem2=0。凸极电磁功率Pem2与功角 之间的关系如图曲线2所示。图中曲线3是凸极同步 电动机的功角特性，它是曲线1和曲线2的合成，隐 极同步电动机功角特性表达式为：,同步电动机的功角特性和矩角特性,隐极同步电动机功角特性曲线如图曲线1所示。,将功角特性表达式两边同除以同步角速度1可得凸极同步电动机矩角特性： 同理隐极同步电动机矩角特性为：,3、同步电动机的矩角特性,以隐极同步电动机为例。在090范围内，同步电动机原运行在A点，对应的功角为1，T=TL。现电动机所带负载出现扰动，假设负载增大到TL，这时转子减速使功角增大至2，产生新的电磁转矩T与负载转矩平衡，即T=TL，使电动机继续同步运行，同理，如果负载扰动消失，电动机要加速使功角恢复至1，所以电动机能稳定运行。,4、同步电动机的稳定运行,在90180范围内，同步电动机运行在 B点，对应的功角为3，T=TL，现电动机出现扰 动，假设负载增大到TL，这时转子减速使功角增 大至4，此时对应的转矩为T“，T”TL，则功角 继续增大，随着功角的增大，对应的电磁转矩更小， 这样下去，无法达到新的平衡，电动机会出现失步。 从上述分析可见，在090范围内，同步电动 机能稳定运行；在90180范围内，同步电 动机不能稳定运行，=90是稳定运行和非稳定之 间的转折点。,同步电动机的稳定运行说明,实际产生中要考虑同步电动机应具有一定的过载能力，过载能力为： 一般过载系数m=23，隐极同步电动机的额定功角N=2030，凸极同步电动机的额定功角则更小一些。,隐极同步电动机稳定运行分析,1、励磁调节 电力网的主要负载是变压器和三相异步电动机，它们都是感性负载，不仅要消耗有功功率，还要从电网中吸取滞后的无功功率，使电网功率因数下降。而由于同步电动机是双边励磁机，它可通过调节励磁电流，来调节同步电动机的无功电流和功率因数，从而提高电网的功率因数。,7.2.4同步电动机的励磁调节 和V形曲线,设忽略定子绕组损耗，在拖动恒转矩负载运行时有 在磁路不饱和情况下有：E0FfIf，电网电压=U1常数，同步电抗xc=常数，则：E0sin=常数、I1cos=常数。,以隐极同步电动机为例分析,改变励磁电流，可改变功率因数，图中画出了三种不同励磁电流情况下的相量，现分析如下：当正常励磁时If，对应的感应电势为E0，电枢相电流I1和定子相电压U1同相位，电动机的功率因数cos=1，无功功率为零，说明电动机只消耗有功功率，不消耗无功功率，电动机对电网呈纯电阻性。,说明,说明,当减小励磁电流为If(IfIf)，对应的感应电势为E0，电枢相电流I1滞后定子相电压U1相位角，电动机的功率因数cos1，这时电动机不仅消耗有功功率，还要从电网吸收滞后的无功功率，电动机对电网呈感性负载，这种励磁方式称为欠励，它加重了电网的负担，一般不采用这种运行方式。,说明,当增大励磁电流为If(IfIf)，对应的感应电势为E0，电枢相电流I1超前定子相电压U1相位角，电动机的功率因数cos1，这时电动机除从电网吸收有功功率，同时也从电网吸收超前的无功功率，电动机对电网呈容性负载，这种励磁方式称为过励，这种运行方式能提高电网的功率因数。,同步电动机的励磁调节,2、V形曲线,同步电动机的V形曲线指：在保持电压U和负载TL不变的条件下，电枢电流I1与励磁电流If之间的关系曲线，即I1=(If)。V形曲线可通过试验测得。,同步电动机的V形曲线,同步电动机的V形曲线分析,从图中可见，不同的负载对应一条V形曲线，对于每条V形曲线，电枢电流I1都有一最小值，曲线最低点的功率因数cos=1，是正常励磁点，以此点为界，左边是欠励，右边是过励；V形曲线的左上半部分，其功率因数已超出对应于稳定极限的数值，所以是不稳定区。,同步电动机的V形曲线分析,同步电动机的励磁电流应如何调节则要视电动机运行时电网的实际情况而定，若电网功率因数未达到要求，需要同步电动机提供无功，则电动机应工作在过励状态（但应以电枢电流不超过额定值为极限），以提电网的功率因数；若电网功率因数已达到要求，则同步电动机应工作在正常励磁状态，这时电动机功率因数为1、电枢电流I1最小、铜损最小、效率最高。,7.2.5同步电动机的起动 从前面介绍的同步电动机基本工作原理可知，若将同步电动机同时双边励磁，由于定子旋转磁场转速为同步转速n1，而起动瞬间转子处于静止，气隙磁场与转子磁极之间存在相对运动，不能产生平均的同步电磁转矩，即同步电动机本身没有起动转矩，使电动机自行起动。,方法,为了解决起动问题，必须采取其它方法，常用的方法有：辅助电动机起动法；变频起动法；异步起动法。,1、辅助电动机起动法,辅助电动机起动法是选用一台与同步电动机极数相同的小型异步电动机作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动机将同步电动机拖动到异步转速，然后将同步电动机投入电网，加入励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同步电动机的空载起动。,2、变频起动法,由于恒频起动时，作用在转子上的平均转矩为零，使电动机无法自行起动。变频起动法是在起动前将转子加入直流，利用变频电源使频率从零缓慢升高，旋转磁场牵引转子缓慢同步加速，直至达到额定转速，起动完毕。这种方法多用于大型同步电动机的起动。,3、异步起动法,异步起动法是在转子上加装起动绕组，其结构如同异步机的鼠笼绕组。起动时，先不给励磁绕组励磁，同步电动机定子绕组接电源，通过起动绕组作用，产生起动转矩，使同步电动机自行起动，当转速达95%同步转速左右后，给同步电动机的励磁绕组通入直流，转子自动牵入同步。,同步电动机异步起动法起动时原理接线图,说明,起动过程中励磁绕组既不能开路，也不能直接短接。若励磁绕组开路，在高转差率情况下，旋转磁场会在励磁绕组中产生较高的感应电势，易损坏绕组绝缘；若励磁绕组直接短路，将产生单轴转矩，有可能使电动机起动不到接近同步转速，解决的办法是：起动过程中在励磁绕组回路串入 510倍励磁绕组电阻的附加电阻，电动机起动到接近同步转速时，再切除附加电阻，同时给励磁绕组通入直流，牵入同步，完成起动。,本章小结,同步电动机的转子转速与气隙旋转磁场转速有严格的同步关系。它的双边励磁结构使它存在电枢反应，电枢磁势对主磁场的大小和分布产生一定影响，隐极结构电动机，电枢反应用同步电抗，凸极结构电动机，用直轴和交轴同步电抗描述。矩角特性T=()能反映同步电动机的机械性能。同步电动机在过励情况下，可以从电网吸取超前的无功电流，达到改善电网功率因数的目的。同步电动机不能自行起动，解决的方法有：辅助电动机起动法；变频起动法；异步起动法。,第九章 电力拖动系统中 电动机的选择 Choice of Motor in Electric Drive Systems,本章教学基本要求,1.了解电动机容量选择的基本理论和电机工 作制。 2.掌握电动机容量选择方法。 重点： 电动机容量选择方法。,9.1电动机选择的一般概念,9.1.1正确选择电动机容量的意义 如果电机容量过大，则电机效率低，容量浪 费，如果电机容量不能充分利用；如果容量过小， 则电机过热，电机寿命要降低。 每台电机绝缘材料限制了它的最高允许温度， 若工作温度超过允许温度，则每升高8，绝缘寿命 缩短一半。 所以必须选择合适的容量，选电机时，除选容 量外，还要选电机的型式，电流种类，转速等。,9.1.2容量选择的主要方法,在确定电流种类( 交，直，励磁方式) 后，按负载功率大小来预选电动机容量。然 后进行各种校验。 1.发热效验 按发热条件检验应满足： P、T为电动机输出功率和输出转矩。,校验,2. 过载能力校验 对于异步机应满足：,校验,3. 起动能力校验 对鼠笼异步电动机要校验起动能力。,9.2 电动机的发热和冷却,电机在工作时，1，即存在损耗，其功率损 耗为p, p变成热能，一方面使电机本身温度升 高，同时，在电机温度高出周围环境温度时要散出 热量。 电机温度超出环境温度的数值称为温升，用 表示，有温升就要散热，温升越高，散热越快。 当电动机单位时间发出的热量等于散出的热量 时，电动机的温度不再增加，电动机达到稳定温升 电机处于发热和散热平衡状态。,9.2.1发热过渡过程,假设 ： （1）电机长期运行，负载不变时， p不变。 （2）电机本身各部分发热均匀 （3）周围环境温度不变。 电机单位时间内产生的热量： 其中0.24为电功率换算到热功率的热功当量。,发热过渡过程,根据能量守恒定律，在dt时间内电机产 生的热量，应与电机本身温度升高所需要的 热量和散到周围介质中去的热量之和相等。 即有热平衡方程式：,发热过渡过程,上式如果d=0 时，即电机的温度不再升 高，则=s ，s为稳定温升。 设 T=C/A，T为发热时间常数。对小容量 电机，T为1020分钟，对大容量电机，可达 数小时。 解方程 ，得： i为初始温度,电机的温升曲线,开始时，很小， 电机产生的热量主要用 于提高电机本身的温度， 即大部分被吸收，使 ， 较高时，电 机产生的热量与散到环 境介质中的热量相等时， 电机温度不再升高。,时间常数T的物理意义,电机发出的热量全部用来提高电机 温度，使电机温升从零升到s所需要的 时间。,电机绝缘材料的最高允许工作温度,9.2.2 电机的冷却过程,电机的冷却过程同样按指数规律变化，冷 却即为散热过程，即的过程，与发热不同 的是：i、s 及T不同。现分二种情况讨论。 1.负载减小时 则：,电机冷却曲线,9.3电机工作方式,电机工作方式分三种： 连续工作制，短时工作制， 断续周期工作制。 1.连续工作 电机工作时间很长， tw34T，tw为工作时间。 例如水泵，风机等。,2.短时工作制,电机工作时间很短，电机停歇时间长。 一般根据短时工作制特点，将工作时间 ts结束时的温升设计在接近绝缘材料允许最高 温升，则该电机在拖动同样负载而连续工作 时，稳定温升将大大超过该电机的最高允许 温升，而将电机烧坏，所以，短时工作制电 机拖动对应的额定负载时，不允许连续运行,短时工作制,短时工作制,短时工作制电机的标准工作时间为： 15，30，60，90分钟四种。 属于短时工作制的电机有：水闸闸门， 车床等夹紧装置等。,3.断续周期工作制,电机的工作时间tw与停歇时间ts相互交替， 两段时间都较短。在工作时间内，电机温升达 不到稳定值，停歇时间内电机温升也降不到零 经过一个周期，温升有所上升，经过若干个周 期后，温升在最高温升max和最低温升min 之 间波动。,断续周期工作制,断续周期工作制,设计这种工作制的电机时，应使最高允 许温升大于最高温升，即almax显然改变 工作时间和停歇时间的比率，会影响max 值 的大小，为此提出负载持续率(暂载率)的概 念。,负载持续率,定义： 暂载率表明工作时间占工作周期时间的 百分数。,断续周期工作制,标准负载持续率为： 15%，25%，40%，60%四种。 属于断续周期工作制的设备如：起重 机械，电梯等。,9.4连续工作制电机的容量选择,连续工作制电机的容量选择其负载分二 种：恒定负载（重点介绍），变化负载。 其中变化负载是指：负载长期施加，但 大小变化，变化通常具有周期性，或者在