第三章异步电动机.doc

14船舶电气设备与系统 第3章异步电动机 （13）第三章 异步电动机本章主要内容：三相交流异步电动机的工作原理、基本结构、旋转磁场、感应电势、电磁转矩、等效电路、空载和负载运行特性，功率及转矩平衡方程，机械特性；单相异步电动机31 三相异步电动机的结构与铭牌数据（a）铜条绕组 （b）铸铝绕组图3-3三相鼠笼式异步电动机的转子311三相异步电动机的基本结构1定子部分1）外壳机座、端盖、轴承盖、接线盒等2）定子铁心硅钢片叠成，以沟通磁路和嵌放绕组3）定子绕组为三相对称绕组，通入三相交流电而产生旋转磁场三相绕组通常以U1-U2、V1-V2、W1-W2表示，分别进行星形或三角形联接后，引出三个端子接三相交流电源。2转子部分1）转子铁心硅钢片叠成，用以沟通磁路和嵌放绕组2）转子绕组感应出电势以形成转子电流，与磁场作用形成电磁力矩a笼形绕组插在转子铁心槽内的导条（铜或铝），两端通过圆环闭合b绕线形绕组由铜线绕制的三相绕组，Y形连接，通过滑环与电刷的接触与外电路接通3其他部分风扇、定转子之间的气隙等312 额定数据额定运行（状态）：电动机在额定电压下，轴上加上额定负载，此时，电动机的电流、转速、功率等均为额定值。异步电动机铭牌上的主要额定数据有： （1）额定功率PN（kW）：指额定运行时电动机轴上输出的机械功率。 （2）额定电压UN（V）在额定运行时，定子绕组所接电源线电压值。（3）额定电流IN（A）：额定运行时定子绕组的线电流。 （4）额定频率N (HZ)：电源频率。 （5）额定转速nN (rmin)：额定运行时的转速。（6）额定功率因数cosN：额定运行时的功率因数，般在0.80.85之间。（7）定额：分成连续、短时和断续三种。32 异步电动机的工作原理321 定子旋转磁场图3-5异步电动机定子三相绕组分布示意图图3-6定子绕组中三相电流的相位1旋转磁场的产生：空间不同位置的三相绕组，通过不同时间相位的三相电流1）形成：三相对称交流电通入三相对称绕组2）转向：取决于三相绕组中电流达到最大值的顺序（与三相电压的相序有关）3）转速n0与磁极对数p： n0=60f/p p取决于定子绕组结构4）强度：与电压幅值成正比5）性质：为电气旋转磁场，由三相绕组合成产生图3-9 异步电动机工作原理示意图322 异步电动机的工作原理转动原理 定子绕组 “切割”转子 闭合绕组三相电压U1 定子旋场 转子感应电势E2 转子电流I2 电磁转矩Tem323 三相异步电动机的转差率及其运行状态转差率：电动运行状态时，0nn1，故0s1。额定负载时的转差率约sN=19%。异步电动机的转速、转差率与运行状态的关系可归纳如下：当nn0时，0sn0时， s0， 发电制动状态；当n1， 电磁制动状态。33 异步电动机的运行特性331 异步电动机的转子磁场及磁势平衡关系(a) p=1 (b) p=2图3-10 定子磁极对数不同时转子中的电流磁极异步电动机的分析方法：同变压器定子原边绕组 转子副边绕组 定子绕组 “切割”转子 闭合绕组三相电压U1 定子旋场 转子感应电势E2 转子电流I2 电磁转矩Tem转子磁场2磁势平衡当异步电动机空载运行时，轴上的负载阻力矩TL0，转子在电磁转矩作用下加速，直到nn0，此时转子与定子磁场同步旋转，转子导条不切割定子磁场，I20当异步电动机负载运行时，轴上的负载阻力矩TL将使得转子转速下降，n n0，I20转子电流I2转子旋转磁场2，其与定子磁场的转向、转速相等，即同步异步电动机负载运行时，气隙磁通为定子磁场与转子磁场合成产生负载TLnI22气隙磁通不变 I1332 异步电动机的等效电路1 定子电路U1I1I1N1mE1 1E1E1j 4.44fN1k1m 其中k1为绕组系数，其值小于1E1= =jx1 I1U1= I1r1+（ E1）+（ E1）I1r1+j I1X1+（E1） 忽略r1+ j X1，则可得U1 E1 或 U1 E1 4.44fN1k1m 即当f一定时，m U1异步电动机中同样具有恒磁通特性2 转子电路转子感应电势、电流的频率f2由于转子绕组切割定子旋转磁场的速度为所以转子绕组各电磁量特点转子静止时n=0，转差率s=1转子以转速n旋转时, 转差率s频率f2=f1f2=sf1电动势E20=4.44f2kw2m4.44f1kw2mE2=4.44f2kw2m=4.44sf1kw2m=sE2电流电抗X20=2f2L2=2f1L2X2=2f2L2=2sf1L2=sX20转子电路功率因数3 *T形等效电路定、转子电压平衡方程定、转子等效电路 绕组、频率折算 T形等效电路相当于变压器运行于接电阻负载时的情况，在折算过程分离出来的电阻称为附加电阻，随转差率而变，且可能为负值。（1）空载运行状态nn0， s0，T形等效电路中代表机械负载的附加电阻，转子电路相当于开路情况。所以异步电动机空载运行时，轴上无机械功率输出，而且功率因数很低。（2）额定负载运行状态 额定负载运行时，转差率约为5%左右，且0sn0，s0，附加电阻0是个负电阻，即此时电动机是输入机械功率，转换成电功率， （5）电磁制动运行状态 电磁制动状态时， n1，附加电阻 0是个负电阻。这种情况下异步电动机将吸纳机械功率，同时从电网吸收电功率，这两部分的功率都转换为热能消耗在电动机内部。 333 异步电动机的转矩及功率平衡方程1 电磁转矩及转矩平衡方程电磁转矩T与旋转磁场的每极磁通、转子电流I2及其功率因数cos2成正比，即 T=KTI2 cos2 式中，KT是与电机本身结构有关的一个常系数。转矩平衡方程Tem电磁转矩 T2输出转矩T0空载阻转矩（风阻、摩擦阻力）电动机运行时，电磁转矩在克服了空载阻转矩T0后，对外输出转矩T2。T0很小，忽略， 因此可得转矩平衡方程式为Tem=T2+T0T2而输出转矩T2用以带动生产机械旋转，稳定运行时T2与负载转矩TL平衡。即 T2=TL 或 TTL即一般情况下，可认为电动机的输出转矩就等于其电磁转矩；而稳定运行时，电磁转矩与轴上负载转矩相等。功率平衡方程式P1电网吸收电功率P2输出功率PMEC机械功率Pem从定子传输到转子的电磁功率pCu1,2铜损（定、转子绕组损耗）pFe铁损（铁心的磁滞和涡流损耗）pad 附加损耗 pmec 机械损耗 P2P1（pCu1pFepCu2pmec pad ）Pem pCu2PMECpCu2sPemPMEC=（1s）Pem 图3-13 I2和cos2与转差率s的关系曲线334 异步电动机的机械特性电动机的机械特性：电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系，即n=（T）。因为T=KTI2 cos2将代入得 当U1，1不变时，上式中、E20、r2 及X20均为定值，且E20，而U1，因此KTE20可用KU12来表示。由此可定性得到T(s)T-s曲线n=（T）曲线 图3-14 三相异步电动机的T-s曲线 图3-15 三相异步电动机的机械特性曲线电动机的机械特性仅反映了电动机本身的电磁转矩（或输出转矩）与转速之间的关系，当电动机轴上带负载运行时，其实际输出转矩将主要取决于负载转矩的大小。1 固有机械特性电动机的电源电压及频率为额定值，电动机本身各参数（定、转子绕组电阻、电抗、磁极对数等）亦保持不变的情况下，其特性称为固有机械特性（1）额定转矩TN额定转矩TN是电动机在额定负载时的输出转矩，它可根据电动机铭牌上的额定功率PN和额定转速nN求得 （2）最大转矩Tmax从dT/ds=0得到 以及 sm与无关，与r2正比； Tmax与U12成正比，而与r2正无关。电动机过载系数 过载系数反映了电动机的过载能力。普通异步电动机=1.62.2，起重用的电动机=2.22.8。（3）起动转矩Tst电动机在起动瞬间（n=0，即s=1）的转矩称为起动转矩Tst。将s=1代入式（3-18）可得 起动转矩倍数kT = Tst/TN kT=1.12.0 机械特性方程的实用表达式在已知m，nN，PN时，机械特性方程可表达为 其中 Tm=TN 而 ， 式中的Tm、sm可通过电动机的产品目录中相应的额定数据求得。图3-16电源电压U1降低时的机械特性曲线2 人为机械特性人为的改变U1，f，R2，p等参数后所得到的机械特性1）降低电源电压时的人为机械特性U1，则sm不变，而Tm 、Tst（随U12下降）曲线内收图3-17转子回路电阻增大时的机械特性曲线2）转子回路串电阻时的人为机械特性R2，则Tm不变，而sm 、Tst（在一定范围内）曲线下坠*例3.1 已知：某三相异步电动机，额定数据为：PN=7.5kW，UN=380V，IN=15.85A， fN=50Hz，nN=1440r/min，cosN=0.82，过载系数=2.4，求：（1）电动机的额定效率N，额定转矩TN，额定转差率sN； （2）电动机机械特性的实用表达式，并以此求电动机的起动转矩。解：（1）电动机的额定输入功率根据fN=50Hz，nN=1440r/min，可推断出同步转速n0=1500r/min，所以（2）由式322及326可得最大转矩和临界转差率分别为所以机械特性的实用表达式为在电动机起动瞬间，s=1，代入上式，得到起动转矩通过上例可以看出，当电动机在额定点附近运行时，s=0.010.09，此时因而机械特性的实用表达式324可简化为上式表明，异步电动机在稳定工作区（图315曲线中的am段），其机械特性T=f（s）可近似以线性关系式表达，这给实际工程中的分析、计算带来了很大的便利。34 单相异步电动机结构定子：两相绕组，主绕组（也称为运行绕组）；副绕组（又称为起动绕组），在空间相隔90安放，。转子：鼠笼式结构 正向旋转磁场单相交流电压 单相绕组 脉动磁场 合成机械特性 逆向旋转磁场341 定子单相绕组通电时的磁场及机械特性图3-18单相异步电动机主绕组通电时的机械特性合成的机械特性具有下列特点：（1）当n=0时，Tst=0，即电动机无起动转矩，不能自行起动；（2）当n0时，T0，（或n0时，T0）即只要电动机转动起来，其轴上就有一个动力性质的电磁转矩，电动机就能在此电磁转矩作用下正向（或反向）加速至接近于同步转速的某一点稳定运行。 342 单相异步电动机的分类1 电容分相式异步电动机图3-19电容分相式单相异步电动机 工作绕组I1 单相交流电压 旋转磁场 起动转矩 启动绕组I2（滞后I1约90） 通过电容分相，使得空间位置上相隔90的两个绕组分别流过在时间相位上相差90的电流，这将使电机气隙中产生旋转磁场，从而使转子获得起动转矩而转动起来。电容起动单相异步电动机：电动机在起动后达到一定转速时，通过离心开关或其他继电装置将起动绕组与电源断开，此时电动机靠工作绕组维持运行电容运