三相异步电动机的运行原理.ppt

1、定子绕组接到对称三相电源时，通过对称三相交流电流 ，在气隙内形成空间上正弦规律分布，并以同步转速 n0 旋转的旋转磁通势 F1，从而建立气隙主磁场 Bm。 这个旋转磁场切割定、转子绕组，分别在定、转子绕组内感应出： 对称定子电动势 对称转子电动势 若转子回路闭合，转子回路中流过对称三相电流 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。,第五章 三相异步电动机的运行原理第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程,一.异步电动机负载时的物理情况,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

2、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,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： * F2 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?,2.异步电动机带有机械负载,(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,(2)笼型转子 由正弦分布的旋转磁场切割而感应的电动势必然是对称多相电动势，当然电流也是对称的多相电

3、流。所形成的合成磁通势，可用矩形磁通势波叠加方法分析去得出，,坐标的建立（图4-tem1）,转子磁通势的形成（图4-tem2）,所形成的磁通势无疑也是旋转的,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

4、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 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,请参考如下动画：,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,(二) 磁通势平衡 异步电动机负载时在气隙内产生的旋转磁场是定、转子磁通势的合成磁通势，即 在空载条件下： 由于异步电动机在正常运行时，电源电压恒定不变，所以可以认为电机从空载到负载的过程中，定子绕组内的感应电动势 E1 的变化很小， 差不

5、多与电源电压相平衡，,(三) 相量矢量图,因此 E1 是一个近乎不变的量。可以断定主磁通 Fm Fm0 因此得出下列关系 (5-4),负载时的磁势平衡关系（图5-5）,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,如下动画可帮助描述异步电动机的相矢图,正弦变量的相量表示,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； 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。 由于当某

6、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A相电流 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 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 始终重合,（图5-6）直接表明了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

7、分析带来很多方便 负载时定/转子磁势和电流相矢图（图5-7）,选定主磁场矢量 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 在空间相位上滞后于一个电角度 ， 因此当 在A相绕组 轴线上时， 在 前面一个电角度 ，,因为这时通过A相绕组的主磁链有最大值，所以这时交链A相绕组的主磁通 也有最大值，这里磁密 为矢量，磁链 和磁通 为相量 的空间位移大小与 和 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5-tem2)转子磁通势的形成”可看出: F2 在空间上滞后于 的角度为 /2 + j2， 转子相矢图中，相量

8、必然与 重合， 所以 滞后于 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 与 、 在空间上相对静止的结论，就可以得出,(四) 电磁关系,E1与E2在相位上均滞后m90 定子感应漏电势和转子感应漏电势 负载时的电磁关系： 异步电动机负载时的电磁关系（图4-8）,二. 基本方程式(一) 磁势平衡方程式,(4-6) (4-7),(4-8) (4-10) (4-12),(二) 电动势平衡方程式,式中：x1-定子漏抗.x2s-转子漏抗.,异步电动机负载时定、转子绕组的电动势平衡

9、方程式,式中 R- 转子绕组中的外加电阻.和变压器一样,把 E1这个电动势和漏电动势 E1 和 E2s,作为电压降来处理,式中：Zm-励磁阻抗. xm-励磁电抗.rm-励磁电阻.,感应漏电动势 E2s有效值为: 因此转子转动时的漏电动势有效值 E2s 也可写为: E2s = E2s 其中 E2 表示转子不动时转子绕组内漏电动势有效值 所以,漏电抗,同理,异步电动机转动时转子电动势有效值 E2s 等于转子电动势有效值 E2 与转差率 s 的乘积,即,异步电动机负载时基本方程式:,异步电动机旋转时的电路,旋转时异步电动机的电路(图5-9),第二节 三相异步电动机的 等效电路及向量图,转子静止时转子

10、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

11、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=sf1, 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

12、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,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； 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,(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)+j2x2s 如 R=

13、0，实际转子电路中，转子电流的相量 I2 分子分母都除以 s,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 以外 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？,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

14、， 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,r2 变为 r2/s，相当于转子串入了一个附加电阻,(二)绕组归算1.什么叫绕组归算？,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（图5-11）,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

15、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：,(3)由转子铜耗不变 得出关系式并得转子电阻归算公式为：,：,ke即为电势比,(4)由转子漏磁场储能不变,得出,转子电抗归算公式,(5)绕组归算后异步电机的定、转子电路图,(三)异步电机的等效电路,1.异步电机的等效电路 归算后定子电路电势方程式,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,由此做出异步电机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 转差率，,附

16、加电阻 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

17、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 + 定子输入电磁功率 = 转子铜耗,（四）等效电路的简化 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,二.异步电动机的相量图,1.异步电动机 T 型等效电路相量图 画相量图时， 主磁通相量 m 画在铅直位置，定为参考量 相量 E1，相

18、量 E2 均滞后于 m90 电流相量 Im 超前于 m 电角度 fe 电流相量 I2 的大小和相位由相量 E2 和总阻抗 r2/s+jx2 决定 画出相量 I2 及相量 I2r2/s，jI2x2,根据磁通势方程式: 得出定子电流相量 I1,最后根据定子电动势方程式:,得出定子电压相量U1,2.异步电动机简化等效电路相量图,例5-1一台2p-4的三项异步电动机有关数据如下：,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,解 额定负载时的转差率,（！）用T性等效电路计算,励磁阻抗,总阻抗为：,1）设 定子电流,定子线电流有效值,2）定子功率因数,3

19、）定子输入功率,4）定子电流 和励磁电流,2用近似等效电路计算,负载支路阻抗,励磁支路阻抗,1） 转子电流（即负载电流）,2）励磁电流,3）定子电流,4）定子功率因数,定子线电流有效值为,效率,定子输入功率,效率,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，扣除定子铜耗和铁心损耗以后，为电磁功率， 然后经由气隙送给转子， * 扣除转子铜耗损耗以后，通过转子轴上输出总机械功率。,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。,1. 从定子绕组输入电动机的功率

20、2. 一小部分消耗在定子电阻上的定子铜耗 3. 一小部分消耗在定子铁心中的铁耗 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 5.转子电阻上发生了转子铜耗 由于正常运行时转差率很小，,所以转子的铁耗可以略去不计 6.余下是使转子产生旋转运动的总机械功率 扣除机械损耗 pmec c 和附加损耗 pD 最终为转子轴上输出净机械功率P2,异步电动机的功率图（图5-17）,如果异步电动机的转差率较大，则 f2 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,二.功率平衡方

21、程式,1.功率平衡方程式 2.转差功率 sPem,异步电动机的转速 n 越低，转差率 s 越大， 或者说转差功率 sPem 越大，转子铜耗就越大。,三.转矩方程,在电机稳态运行时 因为 机械功率等于相应的转矩与机械角速度的乘积,所以 对机械功 率方程式 Pmec = P2 + pmec + pD 两边,除以转子的机械角速度 W 可以得出相应的稳态转矩方程式,由,得,四.电磁转矩计算公式,说明 总机械功率除以转子的机械角速度 与电磁功率除以旋转磁场的同步角速度相等。 所以电磁转矩既可以用转子的总机械功率除以转子机械角速度来计算 也可以用电磁功率除以同步角速度来计算,用等效电路计算,得到电磁转矩物

22、理表达公式,5-43,5-44,例题5-2根据例题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 ,试求各种功率和转矩,解 (1)定子,转子的铜耗及定子铁耗,(2)同步角速度,(3)转子的机械角速度,(4)总的机械功率,(7)空载制动转矩,(8) 电磁转矩,(5) 电磁功率,(6)负载制动转矩,第四节 三相异步电动机的工作特性及测取方法,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,关系用数

23、学表示大部分很复杂见图5-18,一.工作特性的分析,(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 和电磁功率 Pem 的关系式,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),(1)空

24、载时 定子电流 I1 主要用于无功励磁， 所以功率因数很低，约为 0.1 0.2,(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,(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 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,异步电动机的工作特性可用直 接负载法求取，也可利用等效 电路进行计

25、算,第五节 三相异步电动机参数的测定,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,3.空载试验的过程 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,(二) 励磁参数与铁耗及机械损耗的确定,从空载特性可确定计算工作特性所需等值电路中的励磁参数、铁耗和机械损耗,1.机械损耗和铁耗的分离 空载试验时输入电动机的损耗有： 定子铜耗、铁耗和机械损耗,其中定子铜耗和铁耗与电压大小有关，而机械损耗仅与转速有关 上式改写为 (4-59),(5-47),(5-48),由于可认为铁耗与磁密平方