06电机拖动 第五章 异步电机(二)1.ppt

1、1,重庆大学自动化学院,电机学及拖动基础,2,第五章 异步电机（二）,三相异步电动机的运行原理,3,主要内容,第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程 第二节 三相异步电动机的等效电路及向量图 第三节 三相异步电动机的功率和转矩 第四节 三相异步电动机的工作特性及其测取方法 第五节 三相异步电动机参数的测定 第六节 三相异步电动机的转矩与转差率的关系,4,第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程,定子绕组接到对称三相电源U1，产生对称三相电流I1； 形成按正弦分布、以转速ns旋转的定子合成磁动势F1； 建立旋转的气隙主磁场Bm； 气隙旋转磁场切割定、转子绕组，产生对称三相感应电动势E1、E2s；

2、转子回路中通过对称三相电流I2； 在气隙磁场和转子电流相互作用下，产生电磁转矩，转子随着旋转磁场方向转动。,一 异步电动机负载时的物理情况,5,空载运行时：nns，n0，E2s0，I20 建立Bm的励磁磁动势Fm0就是定子绕组产生的三相基波合成磁动势F10，即Fm0=F10,异步电动机空载运行时的电磁关系,负载运行时：nns，n增大，E2s增大，I2增大 转子电流I2也将形成转子磁动势F2,F2的性质？与F1的关系？对气隙主磁场的影响？,6,绕线型：转子绕组为对称三相绕组，转子电流是对称三相电流，形成的磁动势无疑是旋转的。 鼠笼型：导条形成一种对称的多相绕组（一般每对极下的导条数就是相数），转

3、子感应电势为对称多相电动势，转子电流为对称多相电流，形成的合成磁动势？ 用矩形磁动势波叠加法分析，也是旋转的。,（一）转子磁动势的分析,转子磁动势是一种旋转磁动势，且近似按正弦规律分布,笼型转子的磁动势,7,1、F2的旋转方向 若定子电流相序A-B-C，产生逆时针方向的旋转磁场 由于nns，因此旋转磁场在转子中感应电动势相序为a-b-c，则转子电流相序也为a-b-c 由转子电流形成的旋转磁动势F2的方向也是按a-b-c的相序,转子绕组的相序,转子磁动势F2与定子磁动势F1的旋转方向相同。,8,2、F2的转速大小 旋转磁场以n=ns-n的相对转速切割转子绕组 转子绕组中感应的多相电动势和电流的频

4、率为： 转子磁动势F2相对于转子本身的转速为： 转子磁动势F2相对于静止的定子的转速为：,转子磁动势F2与定子磁动势F1的转速是相同的，均为ns即，F2与F1在空间上保持相对静止。,9,F2与F1相对静止，因此气隙内产生的旋转磁场是定、转子的合成磁动势：F1+F2 负载时 空载时 由变压器知识，一次绕组感应电势与电源电压只差一个漏阻抗压降。而异步电机正常运行时电源电压为U1N，故可认为电动机从空载到负载的过程中，定子绕组内的感应电势E1近似不变，由此可认为：,（二）磁动势平衡,10,于是，磁动势平衡关系： 或者： 表明：负载时异步电动机的定子磁动势F1包含两个分量，一个是产生气隙内主磁通的励磁

5、磁动势Fm，另一个是抵消转子磁动势作用的（-F2）,11,磁动势和电流的关系相矢图（时空矢量图） 旋转磁动势及磁场可用一种以同步角速度s旋转的矢量表示； 对应的电流可用数值上等于同步角速度s的角速度旋转的相量表示； 由于旋转磁动势与对应电流有一定的时空关系 当某相电流达到最大值时，旋转磁动势幅值正好位于该相绕组的轴线上 因此可将矢量和相量混合在一起，用相矢图分析,12,负载时定子、转子磁动势和电流的相矢图：,Bm位于A相轴线 由于磁滞和涡流损耗的存在，Bm滞后Im一个铁耗角Fe F2在空间上滞后于Bm的电角度为 Fm与-F2相加，得到F1 在相矢图中，磁动势矢量的方向与对应电流相量方向一致,1

6、3,励磁磁动势Fm建立气隙内主磁场Bm，其主磁通为 主磁通 分别在定、转子绕组中，感应出对称的定子电动势 和转子电动势 ： 有效值分别为： 相位上均滞后 90o电角度 与 的相量表达式分别为：,（三）电磁关系,14,此外，定、转子电流分别产生漏电动势 和 ： 另外，定、转子绕组中还有应电阻存在而产生的电压降 和 。,异步电动机负载运行时的电磁关系,15,二 基本方程式,由磁动势与相电流的关系：,（一）磁动势平衡方程式,m1定子绕组的相数 m2转子绕组的相数 Im对应于励磁磁动势的励磁电流,16,在时空矢量图中，磁动势矢量的方向与电流相量方向一致，磁动势平衡方程式也可以写成：,令 ，并使：,则：

7、,ki异步电动机的电流比,可见，变换的前提是变换前后转子磁动势保持不变，即：,17,负载时异步电动机的定子电流可以看成由两部分组成：一部分为励磁电流分量，其作用是产生气隙主磁通；另一部分为负载电流分量，其作用是抵消转子电流所产生的磁效应。,从而将磁动势的矢量关系变换为对应电流的相量关系，得到用电流相量表达的磁动势平衡方程式：,18,由负载运行时的电磁关系，可列出异步电动机定、转子绕组的电动势平衡方程式：,（二）电动势平衡方程式,R转子绕组的外加电阻 对于笼型转子，则R=0,19,Zm表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻抗 Xm反映气隙主磁通的励磁电抗 Rm反映铁耗的励磁电阻,X1表

8、征定子绕组漏磁通磁路特性的一个参数，称为定子漏电抗 X2表征转子绕组漏磁通磁路特性的一个参数，称为转子漏电抗,和变压器一样，把感应电势 和漏电动势 、 作为电压降来处理，即：,20,转子漏电势的有效值为：,转子不动时，n=0、s=1，这时f2=f1，用E2表示转子不动时转子漏电势的有效值： 转子转动时，转子漏电势有效值：,转子绕组漏电抗也有这种关系：,同理，转子电动势的有效值：,21,定、转子绕组的电动势平衡方程式可改写成：,如外加电阻R=0，旋转时异步电动机的电路为：,注意：定、转子绕组的相数、有效匝数、电动势和电流的频率均不相同定、转子电路还不能连接起来。,22,异步电动机负载时的基本方程

9、式：,其中， ke电动势比,23,第二节 三相异步电动机的等效电路及相量图,直接求解5个基本方程式，不仅计算十分复杂，而且由于转子电路的频率f2与定子电路的频率f1不同，直接联立求解这些频率不同的电路相量方程式是没有物理意义的。 因此，需要将耦合电路中的一个电路归算到另一个电路，导出所谓等效电路的方法。,24,一 异步电动机的等效电路,在不改变定子绕组中的物理量（定子电动势、电流及功率因数等）和异步电动机的电磁性能的前提下，将转子绕组进行“归算”，然后将归算后的转子绕组与定子绕组直接联系起来，即可得到异步电动机的等效电路： 1）频率归算和变压器不同； 2）绕组归算和变压器一样。,25,所谓“频

10、率归算”保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在异步电动机中，就是用一个具有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路。 所谓“等效”是指 1）等效后转子电路对定子电路的电磁效应不变，即保持F2不变（同转速、幅值、空间位移角）； 2）等效后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。,（一）频率归算,26,由f2=sf1，得出当s=1时，f2=f1，这一关系说明：转子频率和定子频率相等时，转子是静止的。 因此，转子频率的归算，需用一个静止的转子电路去代替实际转动的转子电路。能否等效？ 从转子磁动势的转速看，频率为f

11、2的实际转子电流产生的转子磁动势的绝对转速是同步转速，频率为f1的静止转子电流产生的转子磁动势的绝对转速仍然是同步转速 从转子磁动势的幅值与空间位移角看，转子电流的相量不变，则F2矢量的大小和空间位移角不变,27,可以看出，除改变与频率有关的参数和电动势以外，用R2/s去代替R2，即可保持 、F2不变。,若R=0，则：,静止转子电路中的电流：,有效值和相位角：,28,从功率看，作电动机运行时，0s1，转子电阻由R2变为R2/s，相当于转子电路中串入一个附加电阻： 静止转子电路中在附加电阻上产生的这部分虚拟的功耗，实质上表征了异步电动机的机械功率。因此，用静止的转子去代替实际转子，在功率和损耗方

12、面也是等效的。,频率归算相当于转子电路中串加一个附加电阻(1-s)R2/s的静止等效转子。,29,频率归算后，定、转子电路的电动势还不相等，即： 定、转子电路仍不能连接起来。 和变压器绕组归算一样，异步电动机的绕组归算：就是人为地用一个相数、每相串联匝数以及绕组因数和定子绕组一样的绕组，去代替相数为m2、每相串联匝数为N2以及绕组因数为kw2并经过频率归算后的转子绕组。 归算原则：归算前后，转子对定子的电磁效应不变，即转子磁动势、转子总的视在功率、转子铜耗以及转子漏磁场储能均保持不变。,（二）绕组归算,30,电流归算由转子磁动势不变 归算后的转子电流有效值为：,ki电流比,31,阻抗归算由转子

13、铜耗和漏磁场储能不变,经频率和绕组归算后的异步电动机定、转子电路图：,32,异步电动机归算后的基本方程式：,归算后的定、转子电动势方程式：,磁动势方程式：,励磁支路的电动势方程式：,33,由归算后的基本方程式，可导出：,相应的电路异步电动机的T形等效电路,R1、X1：定子绕组的电阻和漏电抗 R2、X2：归算后转子绕组的电阻和漏电抗 Rm：与定子铁心损耗对应的励磁电阻 Xm：与主磁通对应的铁心磁路励磁电抗,（三）异步电动机的等效电路,34,几种异步电机的典型运行情况,1、空载运行： nns，s0， 转子相当于开路，定子中的电流 滞后于外加电压 接近90o电角度，功率因数是滞后的，且很低,2、额定

14、负载运行： sN5% 归算后的转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高；定子电流中负载分量起主要作用，定子功率因数能达到0.80.85；定子漏阻抗压降影响不大， 和相应的主磁通只比空载时略小。,35,3、起动时的情况： 转子堵转时，n=0，s=1， 相当于电路短路状态，所以起动电流（即堵转电流）很大，功率因数也较低。,4、异步发电机运行： nsn，-s0， 相应的机械功率为负值，表示从转子轴上输入机械功率。每相输入功率分配如下： 转子机械功率=转子铜耗+传给定子的功率,36,5、电磁制动状态运行： 转子反旋转磁场方向旋转，s1， 产生的机械功率也为负值，表示从转子轴上输入机械功率。这时由定子传到

15、转子的电磁功率以及轴上吸收的机械功率，都供给了转子的铜耗。,（四）等效电路的简化,因为励磁电流占总负载电流的比例并不很小，故励磁支路只能前移，不能略去异步电动机的近似等效电路,37,二 异步电动机的相量图,异步电动机T形等效电路的相量图,为参考相量 和 均滞后于 90o电角度 则超前于 一个Fe电角度 由 和 决定 由 和 相加得出 由 和 得到,38,异步电动机近似等效电路的相量图,注意一点： 定子电流永远滞后于电源电压，即异步电动机的功率因数始终是滞后的。,39,例5-1 一台2p=4的三相异步电动机，数据如下：,定子绕组为三角形联结，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,40,（1）