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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 5mm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cos N 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Y132S 6功率3kW频率50Hz电压380V电流7 2A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 3000r min p 2时 n1 1500r min p 3时 n1 1000r min p 4时 n1 750r min p 5时 n1 600r min 当n 1437r 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 M3 3 M3 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 n ns 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 0 n n1 1 s 0 sN 0 02 0 05 2 发电机运行状态n n1 s 0 Te与n反方向 为制动性质 3 电磁制动运行状态n 0 s 1 Te与n反方向 为制动性质 28 2 异步电机的运行状态 0 s 10 n n1 s 0n n1 s 1n 0 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 0 n n0 1 s 0 发电机状态 n与Te反方向 n n0 s 0 电磁制动状态 n与Te反方向 n 0 s 1 反向电动机状态 n 0s 1 n 0s 1 0 n n11 s 0 n n1s 0 n n1s 0 30 E1 4 44f1kw1N1 mE2s 4 44f2kw2N2 m 4 44sf1kw2N2 m 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 44f1kw2N2 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 X2 s 2 f2L2 2 sf1L2 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 05 50 2 5Hz 2 转子磁动势相对于转子的转速n2 60f2 p 60 2 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 R2s R2 R2 1 ss 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 44f1kw2N2 m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 keki Z2 kZZ2 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 PCu1 PFe Pe 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PCu1PCu1 m1R1I12 3R1I12 2 铁损耗PFe 转子铁损耗可忽略不计 PFe PFe1 m1RmIm2 3RmIm2 P1 3U1I1cos 1 P1 PCu1 PFe Pe 69 2 电磁功率Pe Pe P1 PCu1 PFePe m2E2I2cos 2 转子铜损耗PCu2PCu2 m2R2I22 Pe PCu2 P PCu2 sPe 转差功率 70 3 总机械功率P P Pe PCu2 1 s Pe 4 输出功率P2P2 P Pfw Pad 机械损耗 附加损耗 P1 Pe P2 P 空载损耗P0 Pfw Pad 71 感应电动机的功率流图 72 总损耗 P P PFe PCu Pfw Pad PFe1 PCu1 PCu2 Pfw Pad功率平衡方程式P2 P1 P效率 73 二 三相异步电动机的转矩关系 P P2 P0 Te T2 T0 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 T2 TL 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 90kW UN 380V 联结 fN 50Hz PCu1 1450 9W PFe 1428 8W PCu2 819 1W Pfw 1800W Pad 1000W 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 P2 Pfw Pad 90 1 8 1 kW 92 8kW 2 求电磁功率Pe P PCu2 92 8 0 8191 kW 93 6191kW 3 求额定转速因为所以nN 1 s n1 1 0 0875 1500r min 1487r min 76 4 求电磁转矩 P1N Pe PCu1 PFe 93619 1 1450 9 1428 8 96498 8W 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 m2E2I2cos 2E2 4 44f1kW2N2 m Te CT mI2cos 2 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U1 U1N时 求 Te f 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 Te f 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 Tmax U12 但sm与U1无关 Tmax sm 1 X1 X 2 Tmax 1 f12 sm 1 f1 Tmax与R 2无关 但sm R 2 84 异步电动机的转矩 转差率特性 U1 U 1 U 1 R 2 R 2 R2 Tmax U12 sm R2 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 n ns 1 s Te f s n f 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U1 U1N f1 fN工作特性转速特性 n f P2 定子电流特性 I1 f P2 功率因数特性 cos 1 f P2 电磁转矩特性 Te f 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cos N 0 75 0 92 最大转矩倍数kT 1 6 3 0 起动转矩倍数kst 1 6 3 0 起动电流倍数i st 5 0 7 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 U1 15 U1 85 UNT2 Te U12Tmax kTTN 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kst Tst TN 起动电流倍数要小i st Ist I1N 异步电动机起动的基本要求 97 起动电流倍数很大 5 7倍 起动转矩倍数不大 1 2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 R2 I2 Ist R2 cos 2 Tst 缺点 绕线型转子结构复杂 价格高 105 5 绕线型异步电动机转子回路串频敏变阻器起动 用