电机学异步电动机.ppt

第12章异步电机基本工作原理与结构第13章三相异步电机的运行原理第14章三相异步电动机功率与转矩的关系第15章三相异步电动机的起动、调速和制动,第12章异步电机基本工作原理与结构,12.1异步电机的用途、分类、原理和结构,12.2异步电机额定值,12.1异步电机的用途、分类、原理和结构,1.异步电机的用途,应用1和应用2VIDEO,三相异步电动机几瓦到上万千瓦应用最广泛的电动机。各种机械设备和家用电器。结构简单制造容易成本低运行可靠效率高需要从电网吸收滞后的无功功率；很难在较广范围内平滑调速,三相异步发电机风力发电场和小型水电站,2.按转子结构分类：,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,继续,继续,3.三相异步电动机的基本结构：VIDEO,一、定子部分,定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。,定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。,二、转子部分,转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,转子绕组：1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。,三、气隙,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。,鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图,三相绕线型转子结构图,返回,4.三相异步电动机的基本工作原理,一、转动原理,(1)电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,(2)磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。,(3)电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，U相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：,用图解法分析不同时刻三相合成磁动势,合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电流的相。,产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。,三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质,(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/2倍。,(2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电流相.,(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数,(4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相绕组的轴线位置上,异步电机的工作原理,定子绕组通入三相交流电流,旋转磁场,切割转子绕组,转子绕组产生感应电势,转子中产生感应电流,转子电流与磁场作用,产生电磁转矩,运转,问题:旋转磁场又是如何产生的呢?,二、转差率,转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：,额定运行时，转差率一般在0.010.06之间，即电机转速接近同步速。,同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：,三、异步电机的三种运行状态,根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态,12.2三相异步电动机的型号和额定值,一、型号,例:,额定值关系有：,二、额定值,三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。,三、接线,例题,3.一台三相四极笼形异步电动机，定子绕组为角接，额定电压380V，额定频率50HZ。额定运行时，输入功率为11.42KW，输出功率为10KW，定子电流为20.1A，转速为1460r/min.求电动机的额定效率，额定功率因数和额定输出转矩。,小结与讨论,旋转磁场形成的条件？异步？同步速度？速度？异步电机地运行原理？转差？转差率？空间角度？空间电角度？极对数？,旋转磁场的旋转速度与频率、极对数有关方向：取决于相序。,第13章三相异步电机的运行原理,13.1三相异步电机转子静止时电磁关系13.2三相异步电机转子旋转时电磁关系,13.1三相异步电机转子静止时的电磁关系,一、主、漏磁通的分布,为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的磁通分为主磁通和漏磁通。,主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心气隙转子铁心气隙定子铁心。主磁通起传递能量的作用。,除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。,13.1.1转子绕组开路时的电磁关系,二、空载电流和空载磁动势,异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。,E1和E2分别滞后于定、转子磁链90度,三、感应电动势,与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势,四、电压平衡方程与等效电路,与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：,根据上两式，可以作出空载时等效电路。,五、电磁关系,六、时空相矢量图,异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。,B,1,F0,I0,尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：,1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场.,4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大.,5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1.,13.1.2转子堵转时工作情况,1.转子静止时的磁动势定子三相绕组通入对称三相电流。在气隙中产生F1，转速n1，并建立圆形基波旋转磁场Bm，在定转子中分别产生感应电动势E1和E2。E2对应转子绕组中的I2，并也产生圆形基波旋转磁动势F2。（1）大小：（2）因为转子静止，所以f1=f2则n2=n（3）F1和F2在空间上转向一致。,（4）由于F1和F2在空间上同步旋转。相对静止。可以得到合成磁动势即励磁磁动势（静止）F1+F2=Fm，由定子对称三相绕组Im所生（5）F2在空间上落后于Bm为（90+2）F2只决定于2转子回路的阻抗角，与转子的位置无关转子静止时的空间矢量图,2.转子静止时的电磁关系,13.2.1负载运行时的电磁关系,13.2三相异步电机转子旋转时的负载运行,13.2.2转子绕组各电磁量,一、转子电动势的频率,感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度,故转子电动势的频率为:,转子不转时,理想空载时,二、转子绕组的感应电动势,转子旋转时的感应电动势:,转子不转时的感应电动势:,二者关系为:,三、转子绕组的漏阻抗,电抗与频率正比于,转子旋转时转子漏电抗:,二者关系:,转子绕组的漏阻抗:,四、转子绕组的电流,转子绕组为闭合绕组,转子电流为,转子不转时转子漏电抗:,当转速降低时,转差率增大,转子电流也增大.,五、转子绕组的功率因数,转子功率因数与转差率有关,当转差率增大时,转子功率因数则减小。,六、转子旋转磁动势,转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势.,1)幅值,2)转向,转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同,转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致.,转子旋转磁动势相对定子的速度为,可见,无论转子转速怎样变化,定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。,13.2.3磁动势平衡方程,转子静止和转子旋转时磁场比较转子静止时：对于定子而言I1(f1)F1（n1）F2（n1）I2(f1)转子旋转时：对于转子(n=(1-s)n1)而言I1(f1)F1(n1)F2(n2=sn1)I2(f2=sf1)F2相对于定子来说n2s=sn1+n=n1,磁动势的平衡方程为：,13.2.4电动势平衡方程,根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：,13.2.5三相异步电动机的等效电路和相量图,频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。(静止转子),一、频率折算,在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。,转子回路电流,等效静止转子代替转速为n转子条件：F2和F2S完全相同。大小、转向、转速及空间相位相同1.转速n1,转向也相同2.F2=F2S只要I2=I2S3.F2和F2S相位相同，只要2=2S,实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功率等效机械损耗和机械功率之和总的机械功率。,从等效电路角度，可以把看成是异步电动机的”电阻负载”，其上的压降可以看成是转子回路的端电压:,二、绕组折算,三等效电路,1、绕组后的基本方程,二、T型等效电路和简化等效电路,由基本方程可以作出等效电路:,T型等效电路,简化等效电路,从等效电路分析可知:,3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；,4)附加电阻不能用电感或电容来代替。,5)在等效电路中负载的变化是用转差率s来体现的,三相量图,按照基本方程和等效电路可以作出异步电动机的相量图。,第14章三相异步电动机功率与转矩的关系,14.1三相异步电动机功率、转矩和运行特性14.2三相异步电动机的机械特性14.3三相异步电动机的工作特性14.4三相异步电动机参数的测定,14.1三相感应电动机的功率、转矩,异步电动机的功率和损耗有：,一、功率平衡,输入功率,定子铁损,电磁功率,机械功率,输出功率,定子铜损,转子铜损,在等效电路上表示功率和损耗：,走势图,效率,两个重要关系式,可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。n1和PM不变，n减少S变大。刚输出功率变小而铜损（滑差功率SPM）增大，效率降低。,二、转矩平衡,即,或,电磁转矩,在式的两边同时除以机械角速度得,电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械角速度。,一台三相50Hz异步电动机，额定参数如100kW,950r/min,额定运行时机械损耗1kW，略去附加损耗，求：（1）电动机的额定转差率，电磁功率，转子铜耗；（2）电动机额定运行时的电磁转矩，输出转矩和空载转矩,14.2三相异步电动机的机械特性,一、物理表达式,14.2.1三相异步电动机机械特性的三种表达式,二、参数表达式,三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用表示。,表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通与转子电流的有功分量相互作用产生的。,说明：电磁转矩与电源参数（1、f1）、结构参数（R、X、m、p）和运行参数（s）有关。,三相异步电动机的机械特性曲线,当电源电压和频率及电机参数一定的条件下，T只与S有关，即T和n关系为感应电动机的机械特性。,在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界转差率，可令求得:,最大转矩与额定转矩之比称为过载能力:,2、越大，越大；与无关。,1、与成正比；与无关。,3、和都近似与漏抗成反比,在特性曲线上还有一个起动转矩，即时的转矩:,结论：当其它参数一定时,1、起动转矩与电源电压平方成正比；,2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；,3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。,4、起动转矩倍数,三、实用表达式,工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：,将Tm和sm代入即可得到机械特性方程式。,利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：,四、直线表达式当时，机械特性为直线段。则当S=SN，T=TN注意：1.运行点必须工作在直线段2.直线表达式中的,14.2.2三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性,一、固有机械特性,固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。,几个特殊点：,A,B,C,D,1.起动点A:,2.最大转矩点B:,3.额定运行点C,4.同步运行点D,二、人为机械特性,人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。,1.降压时的人为机械特性,下降后,和均下降,但不变,和减少。,如果电机在定额负载下运行,下降后,下降,增大,转子电流因增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。,降压的人为机械特性的实用表达式,降压的人为机械特性的直线表达式,2.转子回路串对称电阻时的人为机械特性,串电阻后,、不变，增大。,在一定范围内增加电阻，可以增加。当时，若再增加电阻，减小。,串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。,除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人为机械特性。,转子串电阻时人为机械特性的实用表达式,转子串电阻时人为机械特性的直线表达式,3.定转子回路串对称三相电抗人为机械特性,笼形感应电动机，可以在定子回路中串入对称的三相电抗；绕线式感应电动机可以在转子回路中串入对称的三相对抗n1不变；Tm,Sm.TQ减小。,14.3三相感应电动机的工作特性,一、转速特性,二、转矩特性,T2正比于P2，T0可视为不变,P2=0，空载时，n=n1,S=0;P2增加时T2和T也随之增加。故转子对气隙磁场的相对切割速度Sn1也增大，S增大,n下降，S很小。n下降不大,工作特性的曲线如图所示：,空载时I=IM，基本无功分量，所以功率因数很低，当负载增加时定子电流的有功分量增加所以功率因数也增加，额定负载时功率因数最大,空载I1=Im,P2随s增大，I2增大I1L也增大，I1随P2增而增大,三、定子电流特性,四、定子功率因数特性,五、效率特性,效率特性中。当不变损耗和可变损耗相等时，即在额定负载时效率最大，若负载继续增加，可变损耗也随着电流的增加而成平方地增加，效率降低。,空载实验(空载电路s=0)目的：方法：空载运行一段。UN从1.3UN降到0.2UN,14.4三相异步电动机的参数测定,u1,u12,p0,短路实验(s=1)目的：方法：转子堵住，将定子外施三相低电压（0.4UN）。IN从1.2IN降到0.3IN,uk,pk,Ik,第15章三相异步电动机的起动、调速和制动,15.1三相异步电机的起动15.2三相异步电机的调速15.3三相异步电机转子的电制动,15.1三相异步电动机的起动,起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程.对电动机的起动性能要求二：起动电流不大,起动转矩大。,1.起动电流大的原因,起动时,转子感应电动势大,使转子电流大,根据磁动势平衡关系,定子电流必然增大.,2.起动转矩不大的原因,从下述公式分析,起动时,远大于运行时的,转子漏抗很大,很低,尽管很大,但并不大.,由于起动电流大,定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小,对应的气隙磁通减小.,由上述两个原因使得起动转矩不大.,15.1.1三相笼型异步电动机的起动,一、直接起动,对于7.5kW电动机可以直接起动的条件：,SH电源总容量,P电动机额定功率,二、降压起动,适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。起动时Y接；运行时接。,起动电流关系:,Y-降压起动多用于空载或轻载起动,1.Y-降压起动,起动转矩关系:,三角形起动Y接起动时两种情况下线电流之比为：转矩之比为：,2.自耦变压器降压起动,直接起动时的起动电流：,降压后二次侧起动电流：,变压器一次侧电流：,电网提供的起动电流减小倍数：,起动转矩减小的倍数：,自耦变压器一般有三个分接头可供选用。,1.直接起动优点：设备简单，操作方便；缺点：起动电流大，须足够大的电源；适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。2.降压起动如果电源容量不够大，可采用降压起动。即起动时，降低加在电动机定子绕组电压，起动时电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，再使电动机承受额定电压，可限制起动电起动要求：起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；起动转矩尽量大，以缩短起动时间；起动设备简单，可靠。,15.1.2三相绕线型异步电动机的起动,一、转子回路串电阻起动,在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起动电流，又能增大起动转矩。适用于重载下起动或频繁起制动的生产机械.,为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。,电动机由a点开始起动，经bcdefgh，完成起动过程。,起动过程,二、转子串频敏变阻器起动,频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。,起动时，S2断开，转子串入频敏变阻器,S1闭合，电机通电开始起动。,起动时,频敏变阻器铁损大,反映铁损耗的等效电阻大,相当于转子回路串入一个较大电阻。随着上升,减小,铁损减少,等效电阻减小,相当于逐渐切除,起动结束,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。,15.2三相异步电动机的制动,15.2.1能耗制动,实现：制动时，S1断开,电机脱离电网，同时S2闭合,在定子绕组中通入直流励磁电流。,直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。,制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上能耗制动。,对笼型异步电动机,可以增大直流励磁电流来增大初始制动转矩。,对绕线型异步电动机,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩。,制动电阻大小：,一、电源两相反接的反接制动,15.2.2反接制动,实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。,机械特性由曲线1变为曲线2，工作点由ABC，n=0,制动过程结束。,绕线式电动机在定子两反接同时,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩,曲线3。,二、倒拉反转的反接制动,条件:适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。,实现：在转子回路串联适当大电阻RB。,电机工作点由ABC，n=0，制动过程开始，电机反转子，直到D点。在第四象限才是制动状态。,由于电机反向旋转，n1。,反接制动时，s1，所以有,机械功率为,电磁功率为,机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。,而,表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损耗较大。,15.2.3回馈制动,实现：电动机转子在外力作用下，使nn1.,回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态。,一、下放重物时的回馈制动,首先将定子两相反接,定子旋转磁场的同步速为-n1，特性曲线变为2。工作点由A到B。经过反接制动过程（由B到C）、反向加速过程（C到-n1变化），最后在位能负载作用下反向加速并超过同步速，直到D点保持稳定运行。,电机机械特性曲线1，运行于A点。,二、变极或变频调速过程中的回馈制动,电机机械特性曲线1，运行于A点。,电机工作点由A变到B，电磁转矩为负，电机处于回馈制动状态。,当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械特性变为2。同步速变为。,15.3三相异步电动机的调速,由异步电动机的转速公式,可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：,（1）改变定子极对数调速。,（2）改变电源频率调速。,（3）改变转差率调速。,15.3.1变极调速,一、变极原理,变极调速只用于笼型电动机。,以4极变2极为例：,U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生4极磁场：,反向串联和反向并联，定子绕组产生2极磁场：,二、三种常用变极接线方式,Y反并YY，2p-p,Y反串Y，2p-p,YY，2p-p,注意：当改变定子绕组接线时，必须同时改变定子绕组的相序,三、变极调速时容许输出,容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。,1.Y-YY联结方式,Y-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即，保持每一绕组电流为,则输出功率和转矩为如下所示。变极前后相电压不变。,可见，Y-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许