相异步电动机运行原理.ppt

1、1）分析异步电动机负载运行时的电磁过程 （2）将电机运行时电磁过程用基本方程式加以综合 （3）从这些方程式导出等效电路和相应的相量图 （4）并用等效电路与相量图去分析功率与转矩 （5）从而得出异步电动机的工作特性，最后说明工作特性测取的方法,主要内容,第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程 *转子磁通势的分析 *磁通势平衡 *相量矢量图 *电磁关系,一.异步电动机负载时的物理情况 定子绕组接到对称三相电源时，通过对称三相交流电流 I1A、I1B、I1C，在气 隙形成按正弦规律分布，并以同步转速 n0 旋转的旋转磁通势 F1，建立气隙主磁 场 Bm。这个旋转磁场切割定、转子绕组，分别在定、转子绕

2、组内感应出： 对称定子电动势 E1A、E1B、E1C 。 对称转子电动势 E2a、E2b、E2c,若转子回路闭合,转子回路中流过对称三相电流 I2a、I2b、I2c.在气隙磁场和 转子电流的相互作用下，产生电磁转矩，使转子顺旋转磁场方向转动,1.空载情况下 电机转矩很小，转速接近同步转速，即 n n0 E2s 0 I2 0 故异步电动机空载运行时，建立气隙磁场 Bm 的励磁磁通势 Fm0 就是定子上的三相基波合成磁通势 F10，即 Fm0 = F10,2.异步电动机带有机械负载 转速就会降低，即n n0，感应电动势 E2s、I2 都增大了，I2 便形成了磁通 势 F2. 现在的问题是： * F

3、2 的性质怎样? * F2 与 F1 的关系如何? * F2 对气隙内主磁场有什么影响,一) 转子磁通势的分析,1.转子绕组流过电流能产生旋转磁场吗,1)电动机是绕线型转子绕组 由于转子绕组是三相绕组，转子电流是对称三相电流， 结论： 所形成的磁通势无疑是旋转的,可以从下列图中加深理解,2. F2 的旋转方向 若相序为 A - B C，电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋 转。它在转子绕组中感应电动势的相序为 a-b-c,转子电流的相序也是 a-b-c。 转子电流所形成的旋转磁通势 F2 的旋转方向是按 a - b - c 的相序。 结论： 转子磁通势 F2 与定子磁通势 F1 的旋转

4、方向相同,3. F2 转速的大小 电动机负载时，转子转速为 n，而旋转磁场的转速为 n0。旋转磁场以 (n0-n) 的相对转速切割转子绕组。 极对数为 p 的定子磁场在转子绕组中感应多相电流的频率为,这种多相转子电流形成磁通势 F2 是旋转的。旋转方向与 F1 相同，相对 于转子本身的转速为 Dn,42,43,而 Dn 与 n 的方向一致，因此 F2 相对于静止的定子铁心来说，其转速 n 为,结论： 转子磁通势 F2 和定子磁通势 F1 转速是相同的，两者之间无相对运动,负载时的磁势平衡关系,三) 相量矢量图 1. 问题 定子和转子之间通过气隙建立电磁耦合联系，但没有直接的电路间关系。 如何用

5、我们所熟悉的电路分析方法来讨论异步电动机的有关问题? 首先要解决的是建立电动机内部各个电磁量之间的关系。这个工具就是相 量 - 矢量图,wt,参考时间轴,一个周期，按正弦变化的变量可以用长度等于幅值，角速度等于,2.一个事实 旋转磁通势可用一种以同步角速度 w0 旋转的矢量表示，与这些磁通势对 应的电流可以用数值上等于同步角速度 w0 旋转的相量表示。为什么？ 由于当某一个相的电流达到最大值时，三相基波合成磁通势的幅值正好在 这一相绕组的轴线上，所以可引用所谓的相矢图来表明这种关系,选择适当的空间坐标系和时间坐标系，使得在矢量图中,定子磁通势矢量F1 可表示在A相绕组的轴线上。在相量图中,定子

6、A相电流I1A与时间参考轴重合。 由于矢量和相量各自在其几何图形中以相同的角速度旋转,在任何瞬间,各自 转过相等的电角度。因此我们可以人为地把时间参考轴放在A相绕组的轴线上， 即将相量图与矢量图合并，因F1与I1A分别在各自的空间和时间坐标系中，以数值 上相等的角速度旋转。所以F1与I1A始终重合。下图说明F1与I1A在时间上的关系,通过电磁规律就可找出F2与F1的关系，这给分析带来很多方便,选定主磁场矢量Bm在A相绕组轴线上这个瞬间来分析。由于磁滞、涡流的存在， 使Bm在空间相位上滞后于一个电角度fe，因此当Bm在A相绕组 轴线上时，Fm在Bm 前面一个电角度fe,因为这时通过A相绕组的主磁

7、链有最大值，所以这时交链A相绕组的主磁通 m也有最大值，这里磁密Bm为矢量，磁链m和磁通m为相量。Bm的空间位移 大小与m 和m 的时间相位是一致的，绕组中的感应电动势,在相位上滞后绕组的磁链90，所以在矢量图中，E1这个相量应位于水平位置 上。从“(图4-tem2)转子磁通势的形成”可看出: F2 在空间上滞后于 Bm 的角度为 /2 + j2，转子相矢图中，相量I2必然与F2 重合，所以 I2 滞后于 Bm 的角度为 /2 + j2， 因为 j2 是转子电流 I2 对转子电动势 E2s 的相位差角，所以这时转子绕组 a 相 的电动势 E2s 在转子相量图中也处在水平位置。 根据F2与F1、

8、Fm在空间上相对静止的结论，就可以得出F1,四) 电磁关系 E1与E2在相位上均滞后m90,45,定子感应漏电势和转子感应漏电势,负载时的电磁关系,46,第二节 三相异步电动机的等效电路及向量图 频率归算 绕组归算 异步电机的等效电路 等效电路的简化,转子静止时转子电动势 E2 与定子电动势 E1 可有下列关系的方程式,式中 ke - 电动势比 如果给定端电压 U1 及参数 Z1、Z2、Zm，对一定的转差率 s，可求解 E1、 E2、I1、I2、Im五个未知数。 问题是： 有没有一种既简便又精确的方法去解决这个问题？答案：有,这种方法就是我们在分析变压器时已用过的等效电路的方法,一.异步电动机

9、的等效电路,由于异步电动机的转子频率 f2 与定子频率 f1 不同，进行归算时，除和变 压器一样进行绕组归算以外。必须先对频率进行归算。 (一)频率归算 所谓频率归算就是指在保持整个电磁系统的电磁性能不变的前提下,把一种 频率的参数及有关物理量换算成为另一种频率的参数及有关物理量。一般将转 子电路中参数及电动势归算为定子频率,1.频率归算的等效的原则,1)保持 F2 不变 进行这种代换以后，必须确保转子电路对定子电路的电磁感应不变，即必须 保持F2不变(同转速、同幅值、同空间位移角,2)电磁性能不变 等效的转子电路的电磁性能(有功功率、无功功率、铜耗等)必须和实际转子 电路一样。因为 f2=s

10、f1, 当 s=1 时,f2=f1，所以要进行转子频率的归算的可能性在 于：用一个静止的转子电路去代替实际转子电路,这种等效的可能性存在吗,2.对频率归算过程的解释 如果要保持频率归算前后转子磁势 F2 对电机运行中产生的磁效应不变,则 应从两个方面来判断,1) 从等效后形成转子磁势转速来看 若将转子频率视为定子频率f1。等效后转子电流所产生转子磁通势的绝对转速还应该是同步转速。因为,所以等效的转子磁通势转速不变，故满足等效的第一个条件,2) 从等效后形成转子磁势幅值与空间位移角来看 由于 F2 的幅值与空间位移角取决于对应相电流的有效值与时间相位角。 根据式：2s= 2s = 2(r2+R)

11、+j2x2s 如 R=0，实际转子电路中，转子电流的相量 I2,从物理意义上说，E2s 和x2s 代表实际旋转转子电路的电动势和漏电抗。 所以：I2是实际旋转转子电路的电流,分子分母都除以 s,从物理意义上说，E2 和x2 代表静止转子电路的电动势和漏电抗， 所以 I2是静止转子电路中的电流。 显然两电流的有效值与时间相位角是相等的,这就提示我们得到结论： 若用静止转子电路去代替实际的转子电路，要求我们除改变与频率有关的参数和电动势。除了让,只要用 r2/s 去代替 r2，就可达到保持 I2、进而使 F2 不变的目的。 r2 变为 r2/s 的物理意义是什么？ r2 变为 r2/s，相当于转子

12、串入了一个附加电阻,附加电阻 (1-s)r2/s 中会发生损耗 I2(1-s)r2/s。 由于电机运行过程中，实际转子电路中并不存在这部分损耗，但有机械功率。 因此，静止转子电路中这一部分虚拟的损耗的实质：是表征异步电动机实际存在的 机械功率,这样的一种对等效电路理解和解释表明：用静止的转子去代替实际的转子，无论 从转子对定子的电磁效应看，或就功率而言：都是等效的 上述这种人为的代替就是进行频率归算,3.频率归算后异步电机的定、转子电路图,频率归算后异步电机的定转子电路,二)绕组归算 1.什么叫绕组归算？ 和变压器的绕组归算一样,异步电动机的绕组归算就是人为地用一个相数、 每相串联匝数及绕组系

13、数与定子绕组一样的假想绕组代替相数为m2、每相串联匝 数为N2、绕组系数为kw2并经频率归算的实际转子绕组,2.绕组归算原则 必须保证归算前后转子对定子的电磁效应不变，即： * 转子磁通势 、 * 转子总的视在功率、 * 转子铜耗 * 及转子漏磁场储能均保持不变,转子的归算值上均加“ ”表示,1)由转子磁通势保持不变原则得出,可见转子电流归算公式为,ki 即为电流比,2)由转子总视在功率保持不变得出,可见转子电势归算公式为,ke即为电势比,3)由转子铜耗不变 得出关系式并得转子电阻归算公式为,4）由转子漏磁场存储能量不变得出,转子电抗归算公式,5）绕组归算后异步电动机的定，转子电路图,1.异步

14、电机的等效电路 归算后定子电路电势方程式,三)异步电机的等效电路,归算后转子电路电势方程式,归算后磁通方程式,励磁支路电势方程式,对上述方程联解可得,由此作出异步电动机的T形等效电路,2.根据异步电机 T 形等效电路分析,1)异步电动机的空载运行,转子电路相当于开路情况，电流 Im 滞后于外加电压U1的相位差接近 90。 所以异步电机空载运行时功率因数是滞后的，而很低,2)异步电动机在额定负载下运行 转差率 sN 大约为5%，转子电路中的总电阻为转子电阻 r2的 20 倍左右。 转子电路基本上成为电阻性的，所以转子电路的功率因数较高。 负载情况下的(-I2)比 Im 大得多，所以定子的功率因数

15、能达到 0.8 0.85， 此外E1 和相应的主磁通比空载时对应值略小,3)异步电动机起动时的情况 转子堵转状态，则 s=1 附加电阻： 所以起动电流(即堵转电流)很大，而功率因数较低,4)异步发电机运行,n n0 的范围，s 处于 -s0 的范围，转差率进入负值，机械输出 功率为负，表明实际机械功率输入，即异步电机从轴上吸收机械功率。 每相功率输入分配如下,转子机械功率输入 = 转子铜耗 + 传给定子的电磁功率,5)异步电机作电磁制动状态运行 s1，机械输出功率为负，表明实际机械功率输入，即异步电机从轴上吸收 机械功率,转子机械功率输入 + 定子输入的电磁功率= 转子铜耗,四）等效电路的简化

16、 常把励磁支路移到输入端，使电路简化为单纯的并联电路，这种等效电路称为异步电动机近似的等效电路,异步电动机简化等值电路（图4-14,第三节 三相异步电动机的功率和转矩,三相异步电动机的机电能量转换过程为： * 由定子绕组输入电功率， * 电磁功率在定子绕组中发生， * 然后经由气隙送给转子， * 扣除损耗以后，通过转子轴上输出机械功率,一.功率转换过程 规定： * U1-定子相电压； * I1-定子相电流； * j1-定子功率因数角； * j2-转子功率因数角,4. 异步电动机的电磁功率 余下的由定子传送到转子，这就是异步电动机的电磁功率,异步电动机的功率图,如果异步电动机的转差率较大，则 f

17、2 较大，就应该考虑转子铁耗，铁 耗包括涡流损耗和磁滞损耗两部分. 在小型异步电动机中，满载时附加损耗 pD 可达输出功率的 1% 3% ,或 更大些,异步电动机的工作特性 在额定电压和额定频率运行的情况下， * 电动机的转速 n、 * 定子电流 I1、 * 功率因数cosj1、 * 电磁转矩Tem、 * 效率 h 等 与输出功率 P2 的关系,即 U1 = UN，f = fn 时的,第四节 三相异步电动机的工作特性及测取方法,转速特性 *定子电流特性 *功率因数特性 *电磁转矩特性 *效率特性,一) 转速特性 输出功率变化时转速变化的曲线 n = f (P2),转差率 s、转子铜耗 Pcu2

18、 和电磁 功率 Pem 的关系式,一.工作特性的分析,负载增大时，必使转速略有下降，转子电势 E2s 增大，所以转子电流 I 2增 大，以产生更大一点的电磁转矩和负载转矩平衡.因此随着输出功率 P2 的增大， 转差率 s 也增大，则转速稍有下降，所以异步电动机的转速特性为一条稍向下 倾斜的曲线,二)定子电流特性,定子电流的变化曲线 I1= f (P2,定子电流几乎随 P2 按正比例增加,三)功率因数特性 定子功率因数的变化曲线 cos j1 = f(P2,2)负载增加时 转子电流的有功分量增加，使功率因数提高,3)接近额定负载时 功率因数达到最大,1)空载时 定子电流 I1 主要用于无功励磁，

19、所以功率因数很低，约为 0.1 0.2,4)负载超过额定值时 s 值就会变得较大，使转子电流中得无功分量增加，因而使电动机定子功率因数 又重新下降了,四)电磁转矩特性,电磁转矩特性 Tem = f (P2) 接近于一条斜率为 1/W 的直线,五)效率特性 异步电动机的效率为,当可变损耗等于不变损耗时，异步电动机的效率达到最大值. 中小型异步电机的最大效率出现在大约为3/4的额定负载时,第五节 三相异步电动机参数的测定,空载试验 *励磁参数与铁耗及机械损耗的确定,通过空载试验可以测定异步电动机的励磁参数，异步电动机的励磁参数决 定于电机主磁路的饱和程度，所以是一种非线性参数；通过短路试验可以测定 异步电动机的短路参数. 异步电动机的短路参数基本上与电机的饱和程度无关，是一种线性参数,一.空载试验与励磁参数的确定 (一) 空载试验,1.异步电动机空载运行 指在额定电压和额定频率下，轴上不带任何负载的运行状态,2.空载试验电路,异步电动机空载试验电路（图4-tem,空载特性曲线（图4-20,定子绕组上施加频率为额定值的对称三相电压，从 (1.10 1.30) 额定电压值开始调节电源电压，逐渐降 低到可能使转速发生明显变化的最低电压值为止. 每次记录端电压、空载电流、空载功率和转速，根据 记录数据，绘制电动机的空载特性曲线,3.空载试验的过程,二) 励磁参数