5.1感应电机.ppt

1、第五章 感应电机,5.1 感应电机的结构和运行状态,5.2 三相感应电动机的磁动势和磁场,5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路,5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程,5.5 感应电动机参数的测定,5.8 感应电动机的工作特性,5.6 感应动机 的转矩转差率曲线,本章主要研究 定、转子间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转换的感应电机。感应电机一般都用作电动机，在少数场合下，亦有用作发电机的。本章先说明空载和负载时三相感应电动机内的磁动势和磁场，然后导出感应电动机的基本方程和等效电路，最后分析它的运行特性和起动，调速等问题。,5.1 感应电机的结构和运行状态,一、异步（感应）

2、电机的基本工作原理,异步电机定子三相对称绕组接在三相对称交流电网上，转子绕组对称短路。 定子绕组中流过三相对称电流，在气隙中产生基波旋转磁场。 气隙旋转磁场在短路的转子绕组中感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用产生电磁转矩，实现异步电机的运行.,5.1 感应电机的结构和运行状态,一、基本工作原理,异步（感应）电机主要作电动机使用。 主要优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用，有较高的效率和相当好的工作特性。 缺点：目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速，以及它必须从电网吸收滞后的无功功率。 分类：,二、感应电机的结构,感应电机,定子绕组,定子铁心,转子,机座,笼

3、 型,转子铁心,转轴,转子绕组,绕线型,定子,5.1 感应电机的结构和运行状态,5.1 感应电机的结构和运行状态,异步电机外形图 异步电机结构图,5.1 感应电机的结构和运行状态,1. 定子 定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。,5.1 感应电机的结构和运行状态,定子铁心的槽形主要有三种：半闭口槽适用于小型异步电机，其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适用于低压中型异步电机，其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电机，其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。,5.1 感应电机

4、的结构和运行状态,1. 定子 定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。,机座：固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。,5.1 感应电机的结构和运行状态,2. 转子 转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。 转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼型绕组和绕线型绕组。 转轴：支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。,5.1 感应电机的结构和运行状态,2. 转子 笼型绕组：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接

5、起来。这种笼型绕组一般为铝浇铸的，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。,5.1 感应电机的结构和运行状态,2. 转子 绕线型绕组：与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速。,5.1 感应电机的结构和运行状态,3. 气隙 定、转子之间的间隙，也是电机主 磁路的组成部分。 气隙大小对异步电机的性能影响很大。 为了减小电机主磁路的磁阻，降低电 机的励磁电流，提高电机的功率因数， 气隙应尽可能小。异步电机

6、气隙长度应 为定、转子在运行中不发生机械摩擦所 允许的最小值。 中、小型异步电机中，气隙长度一般 为0.21.5mm。,5.1 感应电机的结构和运行状态,三、感应电机的运行状态,同步转速n1-定子绕组中流过频率为f1的三相对称电流，在气隙中产生的基波旋转磁场相对于定子绕组的转速为n1。该转速大小取决于电流的频率f1和绕组的极对数p，转向为从超前电流相绕组转向滞后电流相绕组。 转子转速n-转子的机械转速。,三、感应电机的运行状态,旋转磁场的转速ns与转子转速n之差称为转差转差n与同步转速ns的比值称为转差率，用s表示，即： 转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。按照转差率的正负和大小，感应

7、电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态，如图5-5所示,例题,5.1 感应电机的结构和运行状态,异步电机的转子可以是带负载机，也可以是由原动机驱动，在不同的转子外部条件下，异步电机将运行于不同的转速和不同的转差率，对应不同的运行状态。根据转差率的正负、大小，异步电机分别对应于电动机、发电机、电磁制动等三种不同运行状态。,三、感应电机的运行状态,0s0：电动机状态 转子侧：Tem与n同转向，Tem为驱动转矩，Tem0，发出机械功率 定子侧：E1与I1的有功电流I1a反方向 ，E1I1a0，吸收电功率 此时，吸收电功率发出机械功率：电动机,5.1 感应电机的结构和运行状态,2. nn1 s0，

8、发出电功率 此时，吸收机械功率发出电功率：发电机,3. n1：电磁制动状态 转子侧：Tem与n反转向，Tem为制动转矩，Tem0，吸收机械功率 定子侧：E1与I1的有功电流I1a反方向，E1I1a0，吸收电功率 此时，吸收电功率吸收机械功率 转子电阻热损耗：电磁制动状态,5.1 感应电机的结构和运行状态,由上分析可见，异步电机只有定子侧是外加电源的，转子侧的电动势和电流，均是由气隙旋转磁场感应产生的，因此称作为“感应电机”，而这一感应作用，只有在转子与气隙旋转磁场不同步，即“异步”转差率s不等于0的情况下，才可以产生，因此“感应电机”又称作“异步电机”。,四、额定值,额定功率PN (kW) ：

9、额定运行时轴端输出的机械功率； 额定电压UN (V) ：额定运行时定子绕组的线电压； 额定电流IN (A)：额定电压下运行，输出功率为额定值 时，定子绕组的线电流； 额定频率fN (Hz) ：定子的电源频率； 额定转速nN (r/min) ：额定运行时转子的转速。,返回,三相异步电动机额定值之间的关系：,空载运行时， 定子磁动势基本上就是产生气隙主磁场的激磁磁动势，定子电流就近似等于激磁电流。计及铁心损耗时，磁场在空间滞后于磁动势以铁心损耗角，如图5-6所示。,5.2 三相感应电动机的磁动势和磁场,一、空载运行时的磁动势和磁场,1.空载运行时的磁动势,2. 主磁通和激磁阻抗,主磁通是通过气隙并

10、同时与定、转子绕组相交链的磁通，它经过的磁路(称为主磁路)包括气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭等五部分如图5-7所示。 气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通 将在定子每相绕组中感生电动势,若主磁路的磁化曲线用一条线性化的磁化曲线来代替，则主磁通将与激磁电流成正比；于是可认为 与 之间具有下列关系：,3. 定子漏磁通和漏抗,定子漏磁通又可分为槽漏磁、端部漏磁和谐波漏磁等三部分，槽漏磁和端部漏磁如图5-8a和b所示。 定子漏磁通 将在定子绕组中感应漏磁电动势 。把 作为负漏抗压降来处理，可得,二、负载运行时的转子磁动势和磁动势方程,当电动机带上负载时，转子感应电动势和电流的频率 f2 应为

11、转子电流产生的旋转磁动势 F2 相对于转子的转速为n2：,1. 转子磁动势,转子本身又以转速n在旋转，因此从定子侧观察时，F2在空间的转速应为 定子和转子磁动势之间的速度关系，如图5-9所示。图5-10表示三相绕线型转子的转子磁动势的空间相位。,例题,负载时转子磁动势的基波对气隙磁场的影响，称为转子反应。转子反应有两个作用： 使气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从而引 起定子感应电动势和定子电流发生变化。 它与主磁场相互作用，产生所需要的电磁转矩， 以带动轴上的机械负载。,2. 转子反应,转子反应的两个作用合在一起，体现了通过电磁感应作用，实现机电能量转换的机理。由此可以进一步导出负载时的磁动

12、势方程： 图5-11示出了负载时定、转子磁动势间的关系，以及定子电流与激磁电流和转子电流的关系。,3.负载时的磁动势方程,返回,1. 定子电压方程,5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路,一、电压方程,2. 转子电压方程,定子,转子,图5-12表示电压方程相应的定、转子的耦合电路图,定子绕 组内,转子绕 组内,二、等效电路,1. 频率归算,图5-13表示频率归算后，感应电动机定、转子的等效电路图；图中定子和转子的频率均为f1，转子电路中出现了一个表征机械负载的等效电阻。,图5-14表示频率和绕组归算后定、转子的耦合电路图 。,2. 绕组归算,根据上式即可画出感应电动机的T形等效电路，如图5

13、-15 所示。图5-16表示与基本方程相对应的相量图 。,经过归算，感应电动机的电压方程和磁动势方程成为,3. T型等效电路和相量图,4. 近似等效电路,由此即可画出形近似等效电路，如图5-17所示。,返回,5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程,一、功率平衡方程式 异步电机的功率和损耗在T型等效电路中的反映如图所示。,5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程,5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程,功率方程为：,其中,图5-18表示相应的功率图。,二、转矩方程和电磁转矩,转矩方程 电磁转矩,例题,返回,1. 试验目的: 确定电动机的激磁参数、铁耗和机械损耗。,一、空载试验,5.5 感应电动机参

14、数的测定,空载特性曲线,5.5 感应电动机参数的测定,如变压器一样，对于已制成的异步电机可以通过空载试验和短路试验来测定其参数。 试验目的：测定励磁电阻Rm、励磁电抗Xm、铁耗pFe、机械损耗pmec。 试验方法：试验时电机轴上不带负载，用三相调压器对电机供电，使定子端电压从(1.11.3)UN开始，逐渐降低电压，空载电流逐渐减少，直到电动机转速发生明显下降，空载电流明显回升为止。在这个过程中，记录电动机的端电压U1、空载电流I0、空载损耗p0、转速n。绘制空载特性曲线如图所示。,一、空载试验,5.5 感应电动机参数的测定,由于异步电动机空载运行时转子电流小，转子铜耗可以忽略不计。在这种情况下

15、，定子输入功率消耗在定子铜耗m1I02R1、铁耗pFe、机械损耗pmec，空载附加损耗pad0上 p0=m1I02R1+pFe+pmec+pad0 从输入功率p0中扣除定子铜耗，得p0 p0=p0-m1I02R=pFe+pmec+pad0,5.5 感应电动机参数的测定,1、机械损耗的求法,损耗分离：在p0的三项损耗中，机械损耗pmec与电压U1无关，在电动机转速变化不大时，可以认为是常数。pFe+pad0可以近似认为与磁密的平方成正比，因而可近似认为与电压的平方成正比。故p0与U12的关系曲线近似为一直线。,其延长线与纵轴交点即为机械损耗pmec。空载附加损耗相对较小，可以用其它试验将之与铁耗

16、分离，也可根据统计值估计pad0，从而得到铁耗pFe。,5.5 感应电动机参数的测定,2、空载等效阻抗计算：,Z0 =U1I0 R0= p03I02 X0=(Z02-R02)1/2 由于电动机空载，s0，转子支路近似开路，则 X0=XmX1 即 Xm=X0X1 式中，定子漏电抗X1将由短路试验测出。 在已知额定电压下铁耗pFe的情况下，励磁电阻 Rm=pFe3I02,5.5 感应电动机参数的测定,二、短路试验,1. 试验目的：测定短路阻抗、转子电阻、定、转子漏抗。 2. 试验方法：将转子堵住，在定子端施加电压，从0.4UN开始逐渐降低，记录定子绕组端电压Uk、定子电流Ik、定子端输入功率Pk，

17、作出异步电机的短路特性Ik=f(Uk)，Pk=f(Uk)，如图所示。根据短路特性曲线，取额定电流点的Uk(相电压)、Ik(相电流)、Pk(三相短路损耗)。,5.5 感应电动机参数的测定,3. 短路等效阻抗计算,Zk =UkIk Rk=Pk3Ik2 Xk=(Zk2-Rk2)1/2 根据短路时的等效电路，由于XmRm，忽略Rm，并近似认为X1=X2。考虑到X0=Xm+X1(空载试验)，可推导出 对于大中型异步电机，由于Xm很大，励磁支路可以近似认为开路，这时 Rk=R1+R2 X1 =X2=Xk2,等效电路,转矩转差率特性曲线 如图525 所示。,5.6 感应电动机的转矩转差率曲线,一、转矩转差率

18、特性,二、最大转矩和起动转矩 1. 最大转矩 2. 起动转矩,3. 讨论,感应电机的最大转矩与电源电压的平方成正比，与定、转子漏抗之和近似成反比； 最大转矩的大小与转子电阻值无关，临界转差率则与转子电阻成正比：转子电阻增大时，临界转差率增大，但最大转矩保持不变，此时曲线的最大值将向左偏移,如图5-26所示； 起动转矩随转子电阻值的增加而增加，直到达到最大转矩为止。,三、机械特性 (转矩-转速特性) 工程中将感应电动机的转速随电磁转矩的变化曲线成为机械特性。 电动机机械特性与负载机械特性的交点称为电动机的运行点。 两者之间的关系如图5-27所示。,5.6 感应电动机的转矩转差率曲线,1. 物理表

19、达式 异步电机电磁转矩的物理表达式描述了电磁转矩与主磁通、转子有功电流的关系。 Tem=CTmI2a CT为与电机结构有关的常数；I2a=I2cos2为转子电流的有功分量。,5.6 感应电动机的转矩转差率曲线,2. 参数表达式 异步电机电磁转矩的参数表达式描述了电磁转矩与参数的关系，由简化等效电路推导出表达式如下,1. Tem与U12成正比。 2. f1 Tem 。 3. 漏电抗Xk Tem。,5.6 感应电动机的转矩转差率曲线,1） Tem-s曲线 在电压U1、频率f1为常数时，电机的参数可以认为是常数，电磁转矩仅与s有关，其关系曲线Tem=f(s)如图所示。,Tem全曲线与U12成正比。,

20、5.6 感应电动机的转矩转差率曲线,2） 三个特殊点 同步点：s=0，n=n1，旋转磁场相对于转子静止，Tem=0。 最大转矩点：s=sm ，临界转差率sm ，特点是与R2成正比，与Xk成反比。 Tmax的特点是与R2无关。 过载倍数,kM=TmaxTN,TN为额定负载转矩 TN=PN/N,kM,5.6 感应电动机的转矩转差率曲线,3） 三个特殊点 起动点：s=1 ，n=0，转子静止，Tem= Tst 。,起动转矩倍数kst=TstTN,一般kst=1.02.0，特殊用途一般kst=2.84.0,返回,例题,在额定电压和额定频率下，电动机的转速、电磁转矩、定子电流、功率因数、效率与输出功率的关

21、系曲线称为感应电动机的工作特性。 图5-28表示一台10kW的三相感应电动机的转速特性和定子电流特性。电磁转矩、功率因数和效率特性如图5-29所示。 由于感应电动机的效率和功率因数都在额定负载附近达到最大值，因此选用电动机时应使电动机的容量与负载相匹配，以使电动机经济、合理和安全地使用。,5.7 感应电动机的工作特性,一、工作特性,先用空载试验测出电动机的铁耗、机械损耗和定子电阻，再进行负载试验求取工作特性。,二、工作特性的求取,1. 直接负载法,2.由参数算出电动机的主要运行数据,在参数已知的情况下，给定转差率，利用等效电路求出工作特性。,返回,返回,导条,端环,笼型绕组,返回,风叶,铁心,

22、绕组,滑环,轴承,返回,感应电动机的空载磁动势和磁场,返回,A,C,B,X,Y,Z,返回,感应电机中主磁通所经过的磁路,返回,端部漏磁,槽漏磁,返回,定转子磁动势之间的速度关系,返回,转子磁动势波F2,气隙磁场Bm,转子,转子磁动势波F2,气隙磁场Bm,转子,转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置,定、转子磁动势的空间矢量图和定、转子电流相量图,返回,返回,感应电动机定、转子耦合电路图,频率归算后感应电动机的定、转子电路图,返回,返回,频率和绕组归算后感应电动机的定、转子电路图,返回,感应电动机的T形等效电路,异步电动机相量图,返回,形近似等效电路,返回,返回,感应电动机的功率图,转矩转差率特性曲线,返回,返回,1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0,300 250 200 150 100 50 0,转子电阻变化时的Te-s曲线,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,返回,感应电动机的转矩-转速特性,返回,24 20 16 12 8 4 0,12 10 8 6 4 2 0,1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0,感应电动机的,返回,0.1 0.8