第四章 电机运行

1、第四章 三相感应电动机感应电机主要用作电动机，应用最广泛最广泛的一种电动机，厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。交流电机可分为感应电机和同步电机两大类。 类型类型：异步电机主要分为：鼠笼式鼠笼式异步电动机，绕绕线式线式异步电动机和各种控制用电动机控制用电动机三大类。三相感应电动机的结构三、定子三相绕组建立的磁场 在气隙中以同步速n1旋转的基波磁动势及一系列以各种不同转速旋转的谐波磁动势在气隙中形成各自的旋转磁场。基波磁场为：)cos(),(),(1101txBtxftxBm 若气隙均匀， 基波磁场也是以同步速旋转的圆形磁场； 忽略铁耗， 基波磁密波的幅值位置与

2、产生它的基波磁动势波的幅值位置重合； 考虑铁耗，基波磁密波的幅值位置落后于产生它的基波磁动势波的幅值位置一个铁耗角。 主磁通和漏磁通基波旋转磁场产生的经过气隙，同时匝链定子和转子绕组的磁通叫主磁通。 转子绕组切割主磁通并在转子中产生感应电流； 感应的转子电流在磁场中受到电磁力的作用而形成驱动转矩，使电机旋转。谐波磁动势建立的谐波磁场也匝链定转子， 但是对转子的作用不会产生有效的转矩(脉动)， 定子绕组产生的感应电动势的频率与基波频率一致， 影响定子回路的电压平衡， 作为漏磁场处理。116060fnpnpf第四节第四节 三相感应电动机的运行分析三相感应电动机的运行分析主磁通槽漏磁通：由槽的一壁横

3、越至槽的另一壁的漏磁通。端部漏磁通：匝联绕组端部的漏磁通。谐波漏磁通：谐波磁势会产生谐波磁通。 漏磁通定子绕组的漏磁通电机正常运转时，谐波磁通不会产生有用的转矩。 漏电抗：漏磁通在定子绕组中会感应漏磁电势，该电势用漏抗压降表示:111XI jE1X称为漏电抗。 转子绕组通过电流时，也会有漏磁通。对应的漏抗电势222XI jE 漏电抗电抗公式： mmRNfRNiiNfiNffLX2 2)( 2)( 2 2影响漏电抗大小的因素漏电抗对电机的性能有很大的影响。电流频率，绕阻匝数，漏磁路的磁阻是决定漏磁通大小的主要因素。 比如，槽口宽，在槽口漏磁通小；端部长，则端部漏磁通大。 转差率回顾 切割磁力线是

4、产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。 转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁力线。 旋转磁场的转速用n1表示，称为同步转速；转子的实际转速用n表示，转差n=n1-n。 转差率是异步电动机的一个基本变量，在分析异步电动机运行时有着重要的地位。 11nnns转差率： 起动瞬间，n = 0,s=1 理想空载运行时：n=n1,s=0 作为电动机运行时，s 的范围在0-1之间。 转差率一般很小，如 s = 0.03。 制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即n1与n反向，s1 发电运行时，n 高于同步转速n1, s0. S值与电机运行状态的关系交流电机的时空矢量图 利用统一时间相量的概念，

5、 将时间相量和空间相量联系在一起， 画在同一张矢量图上， 即为交流电机理论中的时空相量图。 异步电动机电势平衡方程式1、定子绕组电势平衡方程式定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压降）包括：主电势、漏磁电势和电阻压降。 主电势（感应电势）： 定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。 定子绕组感应电势的有效值： 1111144.4wkNfE漏磁电势（漏抗压降） 定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。 漏抗压降： 电阻压降： 定子电势平衡方程式： 111XI jE11IR11111111)(IZEIjXREU转子绕组的感应电势

6、 转子绕组切割主磁通的转速 主磁通以同步速度旋转 转子以转速n旋转 转子绕组导体切割主磁通的相对转速为(n1-n)=sn1 转子绕组中感应电势的频率： 公式： 结论：由于s很小，转子感应电势频率很低。0.5-3Hz 静止时，s=1，定子、转子频率相同1111126060)(sfpnnnnnnpf2、转子绕组的电势及电流 感应电势与转差率正比。 该式只表示大小关系。对绕线式异步电机，转子绕组每相串联匝数，相数计算方法同定子绕组的计算。 对笼形转子来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，每个导条即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串联匝数为半匝即1/2。 注意转子不动时（s=1)时的感

7、应电势与转子旋转时感应电势的关系。 22121212121222)44.4( 44.444.4sEkNfskNsfkNfEwwws转子感应电势的有效值转子绕组的阻抗由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。 漏抗公式： 漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。 考虑到转子绕组的相电阻后： 22122222sXLsfLfXs222jsXRZs转子绕组中的电流222222222222)( ,sXRsEIjsXREsZEIss 转子绕组短路，转子电压为0，感应电势全部加在转子阻抗上, 转子回路方程： 转子电流： ssZI jE2223、磁势平衡方程式激磁电流 Im 和激磁磁势

8、Fm 产生主磁通所需要的电流称为激磁电流 Im ； 对应的磁势称为激磁磁势： pkINmFwmm1119 .02电势方程式： 电源电压不变，阻抗压降很小，电势近似不变； 由公式： 1 近似不变； 1111111)(IZEjXREU1111144.4wkNfE结论：激磁磁势和激磁电流几乎不变理想空载运行时，激磁磁势全部由定子磁势F1提供，即：FmF1负载运行时，转子绕组中有电流I2流过，产生一个同步旋转磁势F2，为了保持Fm不变，定子磁势F1除了提供激磁磁势Fm 外，还必须抵消转子磁势F2的影响，即：mmFFFFFF)(211异步电动机的磁势平衡方程： miwwmwwwmIIkIIkNmkNmI

9、IpkNmIpkNmIpkNmFFF21211122211112222111121 ;9 . 029 . 029 . 02 ; 结论：理想空载运行时，转子电流为0，定子电流等于激磁电流；负载时，定子电流随负载增大而增大。感应电动机的等效电路等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在异步电动机中，作等效电路遇到的两大障碍是：(1)定转子电路的频率不相同；(2)定转子边的相数，匝数，绕组系数等不相等。一、频率折算 转差率为s的异步电动机转子电路频率：1111126060)(sfpnnnnnnpf转子静止时s=1；则转子频率等于定子频率。频率折算既是用静止的转子代替旋转的转子。 频率折算后，希望磁势平

10、衡不变，即转子电流不变。222222222jXsREjsXREsZEIss222222222jXsREjsXREsZEIss转子不动，转子电阻为 的异步电动机的转子电流，和转子以转差率s旋转的，转子电阻为R2的异步电动机转子电流相等。2221RRsssR 推论：频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻， 即可以把原来旋转的转子看成静止的转子。21Rss等效图 不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。 静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率。 静止的转子中多了一个附加电阻，而电流没有

11、变，所以多了一个电阻功率。 附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。 对频率折算的讨论二、绕组折算用绕组（m1、N1、kw1）等效替代绕组（ m2、N2、kw2 ）代替的原则是： 磁势平衡不变 功率平衡不变 电流折算：根据磁势不变：222112212222221110.90.9221 wwwwiN kIN kImmppm N kIIIm N kk电势、阻抗折算 电势折算：磁通应不变。22221122121211112 44. 444. 4EkEkNkNEkNfEkNfEewwww 阻抗折算：功率不变。22222211112222212222212221RkKRkNmkNmmmRIImmR

12、RImRImeiww电抗和漏阻抗可同样折算。异步电动机方程式22222222XjsRIEkkXjkskRIkkEeieiie经过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式折算后转子电路方程式：mmmmmmRZIjXRIEIIIXjsRIEEjXIEU)(;);(1212221211111T形等效电路简化等效电路四、相量图 异步电动机的相量图类似于变压器相量图,从转子电路方程出发可以一步一步作出异步电机相量图。2E22IXj2I22IsR1mI2I1I1E11IjX1U11IR功率平衡和转矩平衡关系一、功率平衡方程式功率变换和传递是电动机的主要功用,结合等效电路分析异步电动机功率流向。异步电动机从电

13、源获取电功率，即输入功率：11111cosIUmP 此一功率首先通过定子绕组，产生定子铜耗：12111RImpcu 此功率产生的旋转磁场掠过定转子铁心，产生铁耗。定子铁心与旋转磁场相对转速为n1较大，转子铁心与旋转磁场相对转速为sn1较小，故铁耗主要为定子铁耗：mmFeRImp21 剩余功率将通过气隙磁场感应到转子绕组，此一功率称为电磁功率。222111cosIEmppPPFecuem功率传递（1） 电磁功率首先提供转子铜耗；22212IRmpcu 剩余的电磁功率全部转化为机械功率；22211IRssmP 机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗)%35 . 0(NadPpp 其余功率为输出的机械

14、功率adppPP2 异步电动机的功率平衡方程式：pPpppppPPadcuFecu12112功率传递（2）流程图几个重要的关系222121; 1cuemememPRPnPmI s; (s)sPPnP1PemP2pcu_spFepcu_rp P 转矩平衡方程转矩由机械功率产生转矩平衡方程为adppPP2022)(MMMppPPadPPMemem1异步电动机工作特性分析异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量（转速、定子电流、电磁转矩、功率因数及效率等）随输出功率变化的关系曲线。 利用等值电路来计算工作特性。1。 转差率特性随着负载功率的增加，电磁功率增加， 转子电流需要

15、增大，故转差率随输出功率增大而增大。转差率sP2空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。二、定子电流特性 I1f（P2）)(21IIIm三、电磁转矩特性 Tf（P2） 转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降 异步电动机的输出转矩22PT 转矩曲线为一个上翘的曲线。电磁转矩T电流I1P2电流、电磁转矩特性四、定子功率因数 空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低； 随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高； 在额定功率附近，功率因数达到最大值。 如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。

16、P2功率因数cos1定子功率因数特性五、效率特性adFecucupppppPP2122其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变； 可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。 异步电动机额定效率载74-94%之间；最大效率发生在(0.7-1.0)倍额定效率处效率P2转差率s功率因数cos1电流I1电磁转矩T效率特性异步电动机的参数测定要计算工作特性， 事先要知道电机参数。 和变压器一样， 通过做空载和短路试验， 求出 、 、 、 、 和 。1r1x2r2xmrmx一、空载实验目的：测定Zm（rm+jxm)、铁耗pFe和机械损耗；方法： 在额定频率下， 转子轴端不带负载， 用调压器调节电源电压， 使定子端电压从1.2UN开始降落， 直至速度降落， 电流回升。 测定：相电压U1、空载相电流I0、空载输入总功率P0。计算：画出 和)(10UfI )(10UfP mecFemecFepprmIPPpprmIP120001200 pFe的大小近似地与外施电压的平方成正比， 即21UpFe pmec仅与转速有关， pmec近似为常值； 关系曲线基波是一条直线；延长直线与纵轴相交， 交点以下部分， 即为机械损耗pmec， 额定电压时的铁耗即可从图中对应的 点