异步电机的理论分析与运行特性学习教案

1、会计学1异步电机的理论异步电机的理论(lln)分析与运行特性分析与运行特性第一页，共65页。 三相(sn xin)异步电动机由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两个基本部分构成。一、定子定子铁芯：起导磁作用。为减小铁芯损耗，采用0.35 0.5mm硅钢片冲制、涂漆、叠压而成，内圆均匀开槽，用于嵌放定子三相(sn xin)绕组。定子绕组：起导电作用。漆包线绕制线圈，若干线圈按一定规律连接成三相(sn xin)对称绕组，定子三相(sn xin)绕组可以接成星形或三角形。机座： 起支撑和固定作用。中小型电机采用铸铁或铸铝机座，大电机的机座由钢板焊接而成。第1页/共65页第二页，共65页。三相(sn

2、xin)异步电动机定子绕组接法第2页/共65页第三页，共65页。UVWUlUIlIUlIlIUVWU IIUUll3 IIUUll3星形接法：三角形接法：第3页/共65页第四页，共65页。二、转子铁芯： 起导磁作用。 硅钢片冲制、涂漆、叠压而成，外圆开槽，用于嵌放转子绕组。绕组：起导电作用，分为鼠笼型和绕线型两种 。相应的电机称为笼型转子异步电动机和绕线转子异步电动机。笼型绕组：用铝浇铸而成或用铜条焊接而成，所有(suyu)导条都通过端环自行形成闭合回路。 绕线型绕组： 铜线绕成的三相对称绕组， 星形接法， 通过集电环引出，可自成回路也可通过外电阻形成闭合回路。 第4页/共65页第五页，共65

3、页。第5页/共65页第六页，共65页。绕线型转子的外形(wi xn)结构 第6页/共65页第七页，共65页。绕线转子(zhun z)异步电动机转子(zhun z)绕组结构示意图第7页/共65页第八页，共65页。1、型号：如：Y 160 L l - 42、额定功率PN ：电动机在额定运行时，轴上输出的机械(jxi)功率，单位：W或kW。3、额定电压UN ：电动机额定运行时，加在定子绕组应加的线电压，单位：V 或 kV 。4、额定电流 IN ：电动机在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的线电流，单位：A。5、额定频率 f ：我国规定电网工频为50Hz。6、额定转速 nN ：额定状态下运行

4、时的转子转速，单位：r/min。第8页/共65页第九页，共65页。AXYCBZ分）分）转转/( 6010pfn BlvBliFvF0nNS第9页/共65页第十页，共65页。2、空载(kn zi)电流和空载(kn zi)磁动势异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。由于(yuy)转子的电流几乎为0，所以，旋转磁场主要是由空载电流建立的。这和变压器的空载磁场主要由原边的电流建立是一样的。基基波波幅幅值值为为载载磁磁动动势势产产生生的的旋旋转转磁磁动动势势为为空空三三相相空空载载电电流流,FI000IpkNmF1w1100.92.F，I，E，、,00022 于于是是乎乎为为零零转转子子之之间间相

5、相对对速速度度几几定定接接近近同同步步速速转转子子转转速速很很高高空空载载运运行行时时第10页/共65页第十一页，共65页。 尽管(jn gun)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(xun zhun c chn)，变压器为脉动磁场.4）由于(yuy)存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大.;I ,E,I ,E)000022222 变压器变压器异步电动机空载时异步电动机空载时03),%20% 30%,2% 10%.NNIII由于存在气隙 异步电动机为而变压器的仅为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

6、距集中绕组,可认为绕组系数为1.第11页/共65页第十二页，共65页。一、异步电机的运行状态 正常情况下，异步电机的转子转速 n 与气隙旋转磁场(xun zhun c chn)的转速 n1 之间总有一定的差值（ n1 n ）。定义转差率异步电机负载变化时，转子导体内的感应电动势、电流和电磁转矩相应变化，转子转速和转差率也随之变化。转差率是反映异步电机运行状态的重要(zhngyo)变量，按照转差率的大小和正负，异步电机可分为电动机运行、发电机运行和电磁制动三种状态。11nnns 第12页/共65页第十三页，共65页。1、电动机运行(ynxng) 特点： 电磁力Fe、转速 n 与 n1 同方向。

7、n n1，0 s n1 ，s 1 ，Fe 与 n 反方向。 第13页/共65页第十四页，共65页。v 定子(dngz)磁场相对定子(dngz)转速pfn1160 v 转子电流(dinli)频率1111126060)(fsnnnpnnnpf v 转子磁场相对转子转速nnsnpsfpfn 111226060v 转子磁场相对定子转速为112nnnnnn v 结论：定、转子电流产生的磁场转速相同，在空间上相对静止，与转子转速无关。第14页/共65页第十五页，共65页。1、主磁通：基波磁动势产生的互磁通。 特点：同时交链定子绕组和转子绕组，并同时在定子绕组和转子绕组内感应(gnyng)出电动势。主磁通和

8、转子感应(gnyng)电流相互作用产生有用的电磁转矩，并实现机电能量转换。v 主磁路(c l)构成：v 定子磁轭v 定子齿（2段）v 空气隙（2段）v 转子齿（2段）v 转子磁轭第15页/共65页第十六页，共65页。2、漏磁通：除主磁通之外的磁通。定子电流和转子电流分别(fnbi)产生：槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通。v 定子(dngz)槽漏磁通和端部漏磁通只与定子(dngz)绕组交链，不与转子绕组交链，不传递能量。v 谐波磁通虽然同时(tngsh)与定子绕组和转子绕组交链，但谐波磁通与转子电流相互作用产生的是有害的附加转矩，所以把谐波磁通归为漏磁通。第16页/共65页第十七页，共65页。2

9、22222222xI jrIUENIFIr 222 1111111111111 xI jENIFrIUIUr 21EEm 定子电压(diny)平衡转子电压(diny)平衡气隙磁动势平衡(pnghng)v 异步电动机的电磁关系第三节 三相异步电机的等效电路第17页/共65页第十八页，共65页。一、转子不动时的异步电机由于(yuy)转子绕组是短路的，从电路分析角度看，转子不动时异步电机的电路与次级短路时变压器的电路方程相似，变压器的一次绕组相当于异步电机的定子绕组，二次绕组相当于异步电机的转子绕组。 分析方法：类比法，即根据三相异步电机内部的电磁关系和变压器类似的特点，在研究异步电机等效电路时，可

10、借助于变压器的电磁理论。第18页/共65页第十九页，共65页。 )(0)(222211111jxrIEjxrIEUv 注意：转子(zhun z)绕组相数可以不等于定子绕组相数！但是它们产生的磁场的极对数必须相等。第19页/共65页第二十页，共65页。v 与变压器类似，当定子外加电压U1一定时，E1基本不变，从而(cng r)决定了气隙基波磁通m和励磁电流Im也基本不变。气隙磁通由定子电流和转子电流共同产生，虽然定转子电流随负载而变化，但它们应满足磁动势平衡式 F1 + F2 = Fm。111119 . 02IpKNmFN v 转子(zhun z)绕组磁动势：222229 . 02IpKNmFN

11、 v 合成(hchng)磁动势：mNmIpKNmF1119 . 02 v 定子绕组磁动势：第20页/共65页第二十一页，共65页。v 定子、转子的相数、有效匝数不同，为建立等效电路，需要进行绕组归算，一般将转子方面的各物理量归算到定子方面。v 电流的归算：归算前后(qinhu)转子磁动势保持不变222221119 . 029 . 02IpKNmIpKNmNN iNNKIIKNmKNmI221112222 222111NNiKNmKNmK 电流(dinli)变比：第21页/共65页第二十二页，共65页。v 电动势的归算：归算前后转子(zhun z)视在功率保持不变222221IEmIEm 222

12、2112EKEKNKNEeNN 2211NNeKNKNK 电压(diny)变比：v 阻抗(zkng)的归算：归算前后转子铜耗保持不变22222221rImrIm 2222211212rKKrKNKNmmrieNN 阻抗变比：2221121 NNieKNKNmmKK第22页/共65页第二十三页，共65页。v 笼型转子绕组(roz)的参数：v 相数：等于每对极的导条数，m2 = Z2 / p 。v 每相串联匝数：N2 = 1/2 。v则笼型转子电机绕组(roz)归算的变比为：1122112NNNeKNKNKNK 电压(diny)变比：阻抗(zkng)变比：22111)(4ZKNpmKKNie 21

13、112221112ZKNpmKNmKNmKNNNi 电流变比：第23页/共65页第二十四页，共65页。1、转子转动(zhun dng)后对转子各物理量的影响由于 f2 = sf1，转子转动(zhun dng)后，转子回路频率发生变化，转子感应电动势和转子漏抗也发生变化。v 转子(zhun z)电动势：2221222244. 444. 4sEKNsfKNfEmNmNs v 转子漏抗：22122222sxLsfLfxs v 转子转动后转子回路电压平衡式：)(02222ssjxrIE 第24页/共65页第二十五页，共65页。转子转动后，转子回路参数的频率 f2 = sf1，与定子回路参数频率 f1

14、不同(b tn)。为实现定转子参数间的运算，需要把转子频率变换成与定子相同的频率。由于转子不动时的频率与定子相同，所以频率归算后的转子是静止的。 原则：归算前后转子电流的大小和相位不变。 22122122222222tantanrsxrxjsxrEsjxrEIsss 第25页/共65页第二十六页，共65页。分子分母(fnm)同除以 s 并整理得： srxrsxrssjxrEjxsrEI221221222222222tantan1)( 从上式可以看出，频率归算后转子回路的电阻可以分解为两个分量(fn ling)，除了转子实际电阻 r2 外，还有一个附加的电阻r2(1-s)/s。由于实际转子是旋转

15、的，有机械功率输出，而归算后的转子是静止的，没有机械功率输出，该附加电阻上的电功率正好模拟了转子总的机械功率。第26页/共65页第二十七页，共65页。第27页/共65页第二十八页，共65页。为构成等效电路，转子参数经过频率归算后还应该进行绕组(roz)归算，将转子参数归算到定子侧。归算后的异步电动机的基本方程为： )()(0)(12121222211111mmmmjxrIEEEIIIx jsrIEjxrIEU）（第28页/共65页第二十九页，共65页。从上图可以看出：异步电机的等效电路与变压器带纯电阻负载的等效电路相似；转子(zhun z)不动的异步电机等效电路与变压器短路的等效电路相似；理想

16、空载的异步电机等效电路与变压器空载的等效电路相似。第29页/共65页第三十页，共65页。v 注意：异步电机的定子电流总是滞后于定子电压(diny)，异步电机正常运行时必须从电源输入感性无功功率。第30页/共65页第三十一页，共65页。一、异步电机等效电路参数的测定1、r1：用电桥测量后换算到标准(biozhn)温度时的值。2、rm、xm：通过空载实验测得的数据计算。v 实验(shyn)方法：f = fN、n n1时，电压从U = (1.1 1.2) UN开始下调到 0.3UN 左右，测量空载特性曲线 I0 = f(U1) 和P0 = f(U1)。第31页/共65页第三十二页，共65页。v空载(

17、kn zi)输入总功率12000rmIPppPmecFe v 由于铁耗近似与电压平方成正比，而机械损耗与电压无关，可通过 ，将pFe和pmec分离，如图所示。)(210UfP mecFepprmIP 1200 铁耗和机械(jxi)损耗之和为第32页/共65页第三十三页，共65页。v 空载(kn zi)实验时，s 0，转子可认为是开路的，根据U1 = UN 时的数据 ，可求出励磁阻抗：v 励磁电阻201ImprFem v 空载(kn zi)总阻抗为012020110IUrIUxxxm 10 xxxm v 励磁电抗为第33页/共65页第三十四页，共65页。 ：通过短路（堵转）实验测得的数据计算。

18、实验方法：在转子(zhun z)不动的情况下，调节外加电压，使短路电流由1.2IN逐渐减小到0.3IN，画出短路特性曲线Ik = f(Uk) 和Pk = f(Uk)。2213xrx 、v 根据短路(dunl)实验查出 Ik = IN 时的数据 ，则短路(dunl)阻抗为：2221kkkkkkkkkrZxImprIUZ 、第34页/共65页第三十五页，共65页。v 异步电机堵转时的等效电路如图所示，由于短路实验所加电压较低，铁耗可以忽略不计，即rm = 0。由于存在气隙，异步机的励磁电流较大，励磁电抗虽然(surn)比转子漏抗大得多，但励磁回路也不宜开路。v 根据等效电路，短路阻抗：kkmmkj

19、xrxxjrx jrjxjxrZ )()(222211222221)(xxrxrrrmmk 222222221)(xxrxxxrxxxmmmk v 整理得短路(dunl)电阻和短路(dunl)电抗分别为：第35页/共65页第三十六页，共65页。21xx 对于(duy)一般的异步电机，有 ，则：210 xxxxxmm 代入短路(dunl)阻抗表达式得：202221021)(xrxxrrrk 20221022101)(xrxxrxxxxk 则：kkxxxrrr 0012)()(202200021xrxxxxxxk 第36页/共65页第三十七页，共65页。1221rrrrrrkk 对于大型异步电机，

20、激磁电抗远大于转子(zhun z)阻抗，可以把励磁回路看成是开路的，则：kkxxxxxx212121 等效电路中所有定子侧的参数均为实际值，由此算出的定子侧的量也是实际值；转子侧的参数均为归算值，由此算出的转子侧电动势、电流也是归算值，而不是(b shi)实际值，但由于归算是在功率不变的条件下进行的，所以算出的转子有功功率、损耗和转矩均与实际值相同。第37页/共65页第三十八页，共65页。异步电机等效电路的简化(jinhu)根据 T 形等效电路，各条支路的电流为：211212112121111)1(1ZCZZZUZZZZZZUZZZZZUImmmmm 211121112)1(ZCZUZZZZU

21、Im 21121221ZCZZZUZZZIImmm 第38页/共65页第三十九页，共65页。以上(yshng)各式中的复系数mmmjxrjxrZZC 111111由于等效电路中各电阻远小于各电抗(dinkng)，如略去电阻，则该复系数可简化为实系数mxxc111 转子(zhun z)电流可简化为：)(22121112xcxjsrcrUI 则求转子电流的近似等效电路为：第39页/共65页第四十页，共65页。根据(gnj) T 形等效电路和转子电流近似计算公式，定子电流可表示为：211111121)(ZcZUZZIUIIImm 整理(zhngl)得：)(12221111111cIIZcZcUZZU

22、Imm 则求定子(dngz)电流的近似等效电路为：第40页/共65页第四十一页，共65页。容量较大(jio d)的异步电机，由于x1 TZ ，电动机才能(cinng)起动。一般异步电动机的 Kst = 1.0 2.0。第56页/共65页第五十七页，共65页。思考1：如何获得最大的起动转矩(q dn zhun j)？可在转子回路中串入合适的电阻，使得 Tst = Tm ，此时：xxRr 12 221rxxR 也就是(jish)求得：思考2：所串电阻是否越大越好？此时再增大所串的电阻，起动转矩(q dn zhun j)反而减小。1212 xxRrsk 第57页/共65页第五十八页，共65页。 22122122121122xxsrrsxxrrrTTm 22122122111xxsrrsrUpmT 2212112111)(21xxrrUpmTm 3、电磁(dinc)转矩的简化计算公式如取 c1 = 1，则电磁(dinc)转矩和最大转矩可简化为第58页/共65页第五十九页，共65页。ssrsrsssrrsrsrrsrssrrrTTkkkkkkm 21212222122221221222展开(zhn ki)得： 2212222121221211222xxsrsrrrsxx