第5章 异步电动机(二).ppt

第五章异步电动机 二 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机 以变压器的运行理论为基础 分析异步电动机运行时的电磁物理过程 导出电动势和磁动势的平衡方程式 画出相量图 求出真等效电路 最后分析它的电磁转矩和运行性能 5 1三相异步电动机运行时的电磁过程 一 异步电动机空载运行时的物理情况 空载运行状态电动机轴上不带任何机械负载的运行状态 以绕线式异步电动机为例 1 转子绕组开路时的空载运行 在定子 转子绕组中产生感应电动势 其有效值为 式中各物理量标 1 指定子 标 2 指转子 是定子通电频率 是绕组因数 为定子 转子绕组一相串联的匝数 是主磁通 由基波磁动势产生 同时交链定子 转子绕组 在这种运行状态下 转子绕组中呈有感应电动势 但由于开路转子电流的为 不会产生电磁转矩 转子呈禁止不动的 同此转子绕组切割磁场的速度和定子绕组相同 由于定子电流除了产生磁通之外 还产生定子漏磁通 它必然在定子绕组中产生漏电动势和变压器一样用漏抗压降来表示 式中 为定子漏电流 而为定子绕组漏电感 为空载电流 若定子绕组的电阻为R 则定子一相电路的电动势平衡方程式 式中 称为定子绕组漏阻抗 比变压器大 若略去漏阻抗压降 转子开路电压 于是气隙 定子 转子电路电动势比 指出 和变压器一样 用阻抗压降表示 2 转子绕组短接时的空载运行 转子的转速非常接近同步转速 即 可以认为旋转磁场不切割转子绕组 同而 综上所述 异步电动机空载运行是的电磁关系如图 二 异步电动机负载运行时的物理情况 特点转子绕组中出线电流 这一电流也要形成磁动势和磁场 一 转子磁动势的分析 转子磁动势也是一个旋转磁动势 并在空间按正弦规律分布 以绕线式异步电动机为例 1 的旋转方向 固此转子磁动势与定子磁动势转向相同 2 转速的大小 设电动机的极对数为 那么转子绕组中感应电动势的频率为 频率为的转子电流所产生的旋转磁动势 相对于转子 的转速为 因为转子以转速旋转 而与的方向一致 因此相对于静止的定子铁心的转速应为 即转子磁动势与定子磁动势转速是相同的 均为 或与在空间保持相对静止 二 磁动势平衡 异步电动机负载运行时 气隙中产生旋转磁场的磁动势是定子 转子磁动势的合成磁动势 即 而空载时 由于 二者之间仅差一个在数值上相对很小的漏阻抗压降 若外加电压为额定值不变 则定子绕组内的感应电动势也基本不变 电动机从空载到负载的主磁通也基本不变 则 或 表明 异步电动机负载时定子磁动势包含两个部分 一个是用来产生气隙主磁通称为励磁分量 另一部分去抵消转子磁动势 其大小与相当 方向与相反 称为负载部分 这种平衡关系如图 三 电磁关系 感应电动势 有效值分别为 下标 s 表示转子转动时的电磁量 此外 定 转子电流和分别产生漏磁通和 它所在各r绕组内也要产生漏感电动势 其相量式为 异步电动机负载运行时的电磁关系用图示表示 二 基本方程式 一 磁动势平衡方程式 这些磁动势都是由相应的电流产生 有磁动势一节知 式中 为定 转子绕组的相数 即磁动势矢量与对应的电流方向相同 可把磁动势平衡方程式表示为 化简 令 令 则 表示异步电动机负载时 定子电流由两部分组成 一部分为产生主磁通的励磁分量 也称励磁电流 另一部分是用来抵消转子磁动势的负载分量 也称为负载电流 二 电动势平衡方程式 假设定 转子电路中各量的参考方向如图所示 可得 是转子绕组中的外加电阻 对鼠笼软质 把 全部用电压降处理 综合以上 5 2三相异步电动机的等效电路及相量图 一 异步电动机的等效电路 1 异步电动机的实际电路 和分析变压器一样 只研究一相的等效电路 其它两相可由对称性直接导出 如图为一相的定 转子电路 2 频率归算 保持整个电磁系统的电磁性能不变 把一种频率的参数及有关物理量等效转换成另一种频率的参数及有关物理量 1 确保转子电路对定子电流的电磁效应不变 即不变 2 等效转子电路的电磁性能和实际转子电路一样 由可知 欲使 必须 即转子的频率和定子相等时 就是用一个静止的转子电路去代替时间转动的转子电路 转速当转子电路的频率为不变 转速同步 即转速不变 转向和旋转磁场切割转子绕组的方向不变 转子电流的相序不变 即转向不变 幅值保持不变 只要不变 就可得证不变 这里的都是转子在不动是的参数 可见 只要将 即可得证不变 下面分析一下的意义 因为 在附加电阻上产生的功耗 实质上表征了异步电动机的机械功率 前面已经分析过异步电动机的运行状态 总之 用静止的转子去代替实际的转子 只要把变为无论从转子对定子的电磁效应看 还是就功率而言都是等效的 频率归算后异步电动机的定 转子电路图 二 绕组归算 用一个相数 每相串联的匝数以及绕组因数和定子绕组一样的绕组代替经过频率归算后的转子绕组 归算后转子各量的归算值用加 表示 1 转子电流的归算 根据转子磁动势不变 可得 2 电动势的归算 由保证转子总视在功率不变 可得 3 转子电阻及漏抗的归算 转子电路的铜耗不变 漏磁场的储能不变 经过频率 绕组归算后异步电动机的定 转子电路如图 三 异步电动机的等效电路 归算后的基本方程式 整理得 T 形等效电路 下面来分析几种典型的运行情况 转子相对于开路电流与外加电压相位差接近 因此异步电动机空载运行时功率因数很低 较大 归算后的转子电路基本显阻性 转子电路的功率因数高 转子电路的电流比励磁电流大 因此定子电路的功率因数也很高 可达0 8 0 85 1 空载运行 2 额定负载运行 4 异步发电机运行 当定子端加额定电压 由于转子有惯性未来的及转动的瞬间 为转子的堵转状态 附加电阻 相当于短路 起动电流 堵转电流 很大 但功率因数较低 3 起动时的情况 相应的机械功率是个负值 说明这时异步电动机不是输出功率而是输入机械功率 功率分配如下 转子吸收的机械功率 转子铜耗 回馈定子功率 5 电磁制动状态 但 说明 在这种情况下异步电动机吸收机械功率 但不回送定子而是被转子回路所消耗 四 等效电路的简化 电动机的功率越小相对偏差越大 二 异步电动机的相量图 异步电动机的总是落后与即功率因数总是滞后的 定子绕组为三角形接法 试求额定负载时的定子电流 转子电流 励磁电流 功率因数 输入功率和效率 例一台2P 4的三相异步电动机 有关数据如下 解 1 用 T 形等效电路计算 设 线电流为 二 用近似等效电路计算 等效电路是一相的 指出 用等效电路算出定子边为实际值 转子边为归算值 因此要求转子实际值再归算回去 但功率和转矩不需归算 5 3三相异步电动机的功率和转矩 这一节从能量的观点出发 进一步了解异步电动机的的能量转换过程 分析其功率和转矩 一 功率转换过程 借助于气隙的旋转磁场 利用电磁感应的作用 从定子通过气隙传送到转子 这部分功率称为电磁功率 异步电动机的功率流程图 附加损耗是由定 转子表面开槽和谐波磁动势等产生 在小型异步电动机中 满载时可达输出功率的1 3 在大型异步电动机中约为输出功率的0 5 二 功率方程 各个功率利用电动机的电路等效和机械等效可表示为 定子相电压定子相电流定子功率因数 转子功率因数角 称为转差功率 异步电动机的转速越低 就越大 转子铜耗越大 不宜在低速下长期运行 在电磁制动时 说明从定子传送到转子的电磁功率不足以转子的铜损耗 还应从轴上输入机械功率来补偿 指出 在等值电路中没有把和直接反映出来 它所全部都包含在附加电阻所消耗的功率中 计算时要注意 三 转矩方程式 机械功率等于相应的转矩与机械角速度的乘积 式中 为电动机输出的机械转矩 与负载转矩相等 为空载转矩 称为电磁转矩 上式表明 电磁转矩等于总机械功率除以转子角速度 也等于电磁功率除以旋转磁场的同步角速度 四 电磁转矩公式 称为转矩常数 当然 说明异步电动机的电磁转矩与气隙磁通和转子电流的有功分量成正比 例 根据 例5 1 中的数据 还知道电动机的机械损耗 额定负载时的附加损耗 试计算各种功率和转矩 解 或 5 4三相异步电动机的工作特性及其测取方法 工作特性 是指在额定电压和额定频率下运行时 电动机的转速 定子电流 功率因数 电磁转矩 效率与输出功率的关系 即 一 工作特性的分析 1 转速特性 当电动机空载时 输出功率 转子电流随着负载的增大 转速必然下降 转子电动势增大 转子电流增大 以产生较大的电磁转矩和负载转矩相平衡 因此随着输出功率的增大 增大 下降 但为了保证电动机有较高的效率 在一般异步电动机中转子铜耗都比较小 所以为一条略向下倾斜的曲线 2 定子电流特性 当电动机空载是随着负载的增大 下降 增大 增大 以保持磁动势平衡 几乎与按比例增大 3 功率因数特性 功率因数总是滞后的 空载时 约为0 1 0 2 在接近额定负载是功率因数达到最大 4 电磁转矩特性 电动机在稳态运行时 电动机从空载到额定负载 变化很小 而基本不变 所以近似为一条斜率为的直线 5 效率特性 在异步电动机的损耗中 称为不变损耗 是随负载而变化的 称为可变损耗 由于空载是 当可变损耗与不变损耗相等是 效率达最大 对于中小型异步电动机最大效率约在3 4额定负载时 一般来说 电动机容量越大 效率越高 二 工作特性的求取 1 直接负载法 先由空载试验测出电动机的铁耗 机械损耗和定子电阻 负载试验是在的条件下进行 改变电动机的负载 分别记录不同负载下定子的输入功率 定子电流和转速 或转差 然后计算出不同负载下的功率因数 电磁转矩及效率 直接负载法主要适用于中 小型异步电动机 2 等效电路计算法 额定点的全部数据 最大转矩值 起动电流和起动转矩值 本法适用于大容量异步电动机 不变 电动机从空载到额定负载不变 漏阻抗也不变 因此给出转差率 根据T形等效电路即可计算出定子电流 功率因数 电磁转矩 效率 计算时要算出以下几个点 5 5三相异步电动机参数的测定 异步电动机的参数分两种 一种是励磁参数 它取决于电机主磁路的饱和程度 是一种非线性参数 另一种是短路参数 即漏阻抗 它与电机主磁路的饱和程度无关 是一种线性参数 一 空载试验与励磁参数的确定 1 空载试验 定子绕组接到对称三相电源 轴上不带任何负载 电机运行一段时间 约30秒 使机械损耗达到稳定值 然后调节电源电压从 1 1 1 3 开始 逐渐降低 直到电动机的转速发生明显变化为止 记录端电压 空载电流 空载功率和转速 并画出空载特性曲线 2 励磁参数与铁耗和机械损耗的确定 1 机械损耗和铁耗的分离 异步电动机空载时 则 略去空载附加损耗 或 由于铁耗近似与磁密的平方成正比 则与电压的平方成正比 作出 而与无关 仅与转速有关 在转速不变或变化较小时可认为为常数 故将上述曲线延长到 得交点 过点作水平虚线 虚线下部分就是与无关的 虚线上部分表示对应于电压大小的铁耗 2 励磁电路确定 根据空载是的等效电路 时可得 二 堵转试验及堵转时参数的确定 堵转试验也称为短路试验 对应的参数称为短路参数 当等效电路如图 为了不使电机堵转电流过大 堵转试验在降低电源电压下进行 从开始 逐步降低电压 尽快测取 5 7 组数据 每次记录端电压 定子电流和功率 并绘制电动机的堵转特性 即 式中 对于大中型异步电动机 当 对于100kw以下的小型异步电动机 当 解 5 6三相异步电动机的转矩与转差率的关系 在的情况下 电磁转矩与转差率的关系 称为转矩 转差率特性 由近似等效电路 曲线如图 称为临界转差率 最大转矩 对应电动机状态 对应发电机状态 但与无关 对绕线机 转子回路串适当的电阻 可使时转矩达到最大值 即起动转矩最大 但电源频率及电压不变时 近似与成反比 当电动机的参数及电源频率不变时 与无关 5 7单相异步电动机 由单相电源供电的异步电动机 一 单相异步电动机的工作原理 原理示意图 定子为单相绕组 转子是普通鼠笼式绕组 单相绕组所产生的磁动势为脉振磁动势 若略去高次谐波 则 一个脉振磁动势可分解为两个幅值相等 转速相同 但旋转方向相反的旋转磁动势 其中称为正转磁动势 用空间矢量表示 另一个称为反转磁动势 用空间矢量表示 曲线如图 从特性图上可以看出 电动机不转时 电动机的合成转矩为零 电动机无起动转矩 不能自行起动 1 2 若借助于外力使电动机转子向某一方向转动且达到一定的速度 由于此时电动机的电磁转矩大于空载转矩 因此迫使电动机加速到接近同步转速 外力使它正向转动 电动机朝正向加速 若外力使其反向转动 电动机朝反向加速 若转子转向与正转旋转磁场转向相同 则对正转磁场的转差率为 转子电流的频率为 此时转子对反转旋转磁场的转差率为 因而转子电流的频率 由此可见 转子电路对反转磁场的电抗值大 产生的电流小 所以反转磁场产生的电磁转矩小 即 两者合成好出现了与正转旋转磁场转向相同的电磁转矩 使电机朝正向加速 同理反转同样如此 二 两相绕组电机的磁动势 1 两相绕组所产生的磁动势相等 如图为定子两相绕组的电机 当两相绕组匝数相同 几何尺寸相同 空间相差电角度称为两相对称绕组 通入对称电流 所形成的磁场称为圆形旋转磁场 2 两相绕组所产生的磁动势不相等 绕组不对称或两相电流不对称 即 合成磁动势 合成磁动势的最大幅值为正转和反转磁动势幅值之和 最小值为正转和反转磁动势之差 旋转方向与正转磁动势相同 这种旋转磁动势称为椭圆形旋转磁动势 若用矢量图去描述各旋转磁矢量 设为逆时针 为顺时针 三 单相异步电动机的主要类型和起动方法 1 分相式电动机 定子上装两个绕组一个是主绕组 工作绕组 另一个是辅助绕组 起动绕组 它们在空间上互差电角度 如