異步電機的基本理論.ppt

第13章異步電機 2 第13章異步電機的基本理論 13 1異步電機的結構及額定值 13 3異步電機的電勢平衡 13 2異步電機的三種運行狀態(tài) 下一章 上一章 返回主頁 13 4異步電機的磁勢平衡 13 6三相異步電動機的功率平衡及轉矩平衡 13 5異步電機的等效電路及相量圖 13 7異步電動機的電磁轉矩和機械特性 13 8異步電機的工作特性 3 本章分析思路 基本結構 4 13 1異步電機的結構和額定值 1 軸承 2 軸伸側端蓋 3 轉軸 4 轉子鐵心 5 吊環(huán) 6 定子鐵心 7 出線盒 8 機座 9 定子繞組 l0 非軸伸側端蓋 11 風罩 12 風扇 一 三相感應電動機的基本結構 5 籠型異步電動機內部結構圖 轉子 定子 風扇 冷空氣流 罩殼 非驅動端 端蓋 驅動端 6 1 定子部分 定子鐵心的硅鋼片 1 定子鐵心 2 定子繞組 3 機座和端蓋 7 1 定子鐵心 更多圖片 8 定子槽形 開口槽半開口槽半閉口槽 9 2 定子繞組 對稱三相繞組 定子三相對稱繞組模型 10 定子繞組接線盒 星形 Y 聯(lián)結 三角形 聯(lián)結 11 1 轉子鐵心 2 轉子繞組 3 轉軸 轉子鐵心的硅鋼片 2 轉子部分 1 轉子鐵心也是電動機主磁通磁路的一部分 一般由厚度為0 5mm的硅鋼片沖片疊成 12 轉子槽形 繞線型異步電機轉子槽形單籠轉子槽形雙籠轉子槽形 13 2 轉子繞組 繞線型轉子繞組 對稱三相繞組 籠型轉子繞組 對稱多相繞組 繞線型三相異步電動機結構示意圖 14 三相繞線型異步電動機示意圖 15 繞線型三相異步電動機的轉子 16 繞線型三相異步電動機的轉子 17 籠型異步電動機的轉子 銅條轉子 鑄鋁轉子 18 籠型異步電動機的轉子 19 下面是它主要部件的拆分圖 右圖是一臺三相鼠籠型異步電動機的外形圖 20 二 三相異步電動機的額定值和主要系列 1 額定值 1 額定功率PN 2 額定電壓UN 3 額定電流IN 4 額定頻率fN 5 額定轉速nN 6 額定功率因數(shù)cos N 7 絕緣等級與溫升 21 三相異步電動機的銘牌 三相異步電動機型號Y132S 6功率3kW頻率50Hz電壓380V電流7 2A聯(lián)結Y轉速960r min功率因數(shù)0 76絕緣等級B 22 例13 1 已知一臺三相異步電機的額定轉速為1437r min 試求這臺電動機的極對數(shù)和額定轉差率 解 因為 則p 1時 n1 3000r min p 2時 n1 1500r min p 3時 n1 1000r min p 4時 n1 750r min p 5時 n1 600r min 當n 1437r min時 23 三相異步電動機的基本工作原理 對稱三相繞組通入對稱三相電流 旋轉磁場 磁場能量 磁感線切割轉子繞組 轉子繞組中產(chǎn)生e和i 轉子繞組在磁場中受到電磁力的作用 轉子旋轉起來 三相交流電能 電磁轉矩 13 2異步電機的三種運行狀態(tài) 24 1 異步電動機的基本工作原理 用右手定則判斷轉子繞組中感應電流的方向 用左手定則判斷轉子繞組受到的電磁力的方向 電磁力 電磁轉矩T T與n1同方向 25 順時針方向旋轉 怎樣改變轉子的轉向 3 M3 3 M3 逆時針方向旋轉 旋轉方向 26 起動時 n 0 n ns 轉差率 轉子轉速n與轉差率s 轉子電磁感應最強 n n 轉子電磁感應消失 轉子電磁感應減弱 n n ns 電磁轉矩T 0 n ns n 異步 27 2 異步電機的運行狀態(tài) 1 電動機運行狀態(tài)Te與n同方向 為驅動性質 0 n n1 1 s 0 sN 0 02 0 05 2 發(fā)電機運行狀態(tài)n n1 s 0 Te與n反方向 為制動性質 3 電磁制動運行狀態(tài)n 0 s 1 Te與n反方向 為制動性質 28 2 異步電機的運行狀態(tài) 0 s 10 n n1 s 0n n1 s 1n 0 發(fā)電機狀態(tài)電動機狀態(tài)電磁制動狀態(tài) 29 三相異步電機的四象限運行 正向電動機狀態(tài) n與Te同方向 0 n n0 1 s 0 發(fā)電機狀態(tài) n與Te反方向 n n0 s 0 電磁制動狀態(tài) n與Te反方向 n 0 s 1 反向電動機狀態(tài) n 0s 1 n 0s 1 0 n n11 s 0 n n1s 0 n n1s 0 30 E1 4 44f1kw1N1 mE2s 4 44f2kw2N2 m 4 44sf1kw2N2 m 定子繞組感應電動勢的頻率 1 定 轉子感應電動勢的大小 與交流電源同頻率 當轉子靜止時 E2 4 44f1kw2N2 m s 1 f2 f1 因此E2s sE2 13 3異步電動機的電勢平衡 31 2 定子電路的電壓方程 每相 R1 X1 定子一相繞組的電阻和漏電抗 Rm Xm Zm 定子一相繞組的勵磁電阻 勵磁電抗 勵磁阻抗 Im I1L 定子相電流的勵磁分量和負載分量 32 2 轉子電路的電壓方程 每相 X2 s 2 f2L2 2 sf1L2 sX2 R2 轉子繞組的相電阻 L2 轉子相繞組的漏電感 X2 2 f1L2 轉子靜止時的漏電抗 33 三相感應電動機定 轉子耦合電路 34 13 4異步電動機的磁勢平衡 旋轉磁場是交流電機工作的基礎 磁場是由磁動勢產(chǎn)生的 在感應電機定子與轉子之間的氣隙中 總存在旋轉磁場 該磁場既可以由定子磁動勢單獨產(chǎn)生 也可以由定 轉子磁動勢共同產(chǎn)生 其轉速為同步轉速 本節(jié)分析空載和負載時感應電機的磁動勢和磁場 35 一 空載磁動勢和磁場 空載磁動勢 由定子三相對稱繞組通入三相對稱電流建立 忽略轉子電流 空載磁場 由旋轉的空載磁動勢建立 主磁通 由基波圓形旋轉磁動勢產(chǎn)生 通過氣隙 同時交鏈定 轉子繞組 實現(xiàn)機電能量轉換 定子漏磁通 只與定子繞組自身交鏈 包括槽漏磁通 端部漏磁通和諧波漏磁通等 產(chǎn)生漏抗壓降 36 空載運行時 轉子轉速n非常接近于同步轉速ns 因此旋轉磁場切割轉子導體的相對速度接近于零 轉子電流很小 可近似認為空載時的氣隙磁密僅由定子電流產(chǎn)生 空載運行時 定子磁動勢F1基本上就是產(chǎn)生氣隙主磁場Bm的激磁磁動勢Fm 空載時定子電流就近似等于激磁電流 考慮鐵耗時 Bm在空間比Fm滯后鐵心損耗角 1 空載運行時的磁動勢 37 2 主磁通和激磁阻抗 氣隙中的主磁場Bm以同步速旋轉時 主磁通將在定子繞組內感生電動勢 三相對稱 取一相分析 主磁通是指通過氣隙并同時與定轉子繞組相交鏈的磁通 它經(jīng)過的磁路 稱為主磁路 包括氣隙 定子齒 定子軛 轉子齒 轉子軛等五部分 38 主磁通和激磁阻抗 Zm激磁阻抗 它是表征鐵心磁化特性和鐵耗的一個綜合參數(shù) Xm激磁電抗 表征氣隙主磁通的電抗 Rm激磁電阻 表征鐵耗的一個等效電阻 39 3 定子漏磁通和漏阻抗 除產(chǎn)生 m外 定子電流還產(chǎn)生僅與定子繞組交鏈 而與轉子無交鏈的磁通 這部分磁通不能進行能量轉換 但也會在定子中產(chǎn)生感應電動勢 漏磁通分類 槽漏磁通 端漏磁通 諧波漏磁通 槽漏磁通 端漏磁通 40 二 負載運行時的磁動勢和磁場 1 轉子磁動勢 電動機帶上負載時 電機轉速從空載n0下降到n 轉子電流將增大 若定子旋轉磁場正向旋轉 從A相 B相 C相 則轉子感應電動勢和電流的相序也是正相序 那么轉子繞組將產(chǎn)生正向旋轉的轉子磁動勢F2 41 轉子電流產(chǎn)生的旋轉磁動勢F2 F2相對于轉子的轉速為n2 參照物為轉子 轉子轉速為n 定子旋轉磁場轉速為ns 定子旋轉磁場切割轉子的速度為 n ns n sns 轉子感應電動勢和電流的頻率f2 以定子為參照物磁動勢F2的轉速 無論轉子的實際轉速是多少 轉子磁動勢F2在空間的轉速總是等于同步轉速 并與定子磁動勢F1保持相對靜止 定轉子磁動勢保持相對靜止是產(chǎn)生恒定電磁轉矩的必要條件 42 結論 轉子旋轉磁動勢與定子旋轉磁動勢在空間是沿同一方向以同一速度旋轉的 二者組成了統(tǒng)一的合成旋轉磁動勢 共同產(chǎn)生氣隙旋轉磁場 43 轉子磁動勢與氣隙磁場 轉子漏抗X2 0 44 轉子磁動勢與氣隙磁場 轉子漏抗X2 0 45 例13 3 有一臺50HZ 三相 四極的感應電動機轉子的轉差率s 5 試求 1 轉子電流的頻率 2 轉子磁動勢相對于轉子的轉速 3 轉子磁動勢在空間的轉速 解 1 轉子電流的頻率f2 sf1 0 05 50 2 5Hz 2 轉子磁動勢相對于轉子的轉速n2 60f2 p 60 2 5 2 75r min 3 轉子磁動勢在空間的轉速n2 n n2 ns 1 s 1500r min 46 使氣隙磁場的大小和空間相位發(fā)生變化轉子磁勢與主磁場相互作用 產(chǎn)生所需電磁轉距 2 轉子反應 負載時感應電動機的轉子磁勢對氣隙磁場的影響稱為轉子反應 其作用 47 三相感應電動機的內部電磁關系 48 三相感應電動機的磁動勢平衡方程式 49 磁動勢平衡方程式的電流表達式 轉子反應 50 三相感應電動機定 轉子耦合電路 51 13 5三相感應電動機的等效電路 1 頻率歸算 轉子相電流 頻率歸算是指在保持電磁系統(tǒng)的電磁性能不變的前提下 把一種頻率的物理量換算成另一種頻率的物理量 兩端同乘 52 頻率折算的含義 用一個電阻為R2 s的靜止等效轉子代替電阻為R2的實際旋轉的轉子 而等效轉子的F2不變 頻率折算的意義 旋轉的轉子被等效的靜止的轉子所代替 定 轉子繞組即具有相同的頻率 定 轉子的感應電動勢之比等于其有效匝數(shù)之比 kw1N1 kw2N2 可以把異步電動機看成是一個具有空氣隙且二次繞組有可變電阻R2 s的變壓器 53 關于附加電阻 總機械功率 R2s R2 R2 1 ss 54 電磁功率 定子銅耗 機械功率 轉子銅耗 頻率歸算后的定轉子電路圖 55 轉子電阻的物理含義 電磁功率 56 2 繞組歸算 用一個相數(shù)和有效匝數(shù)與定子繞組相同的轉子繞組去等效代替實際的轉子繞組 等效的原則 保證電磁效應和功率關系不變 1 電動勢的歸算歸算前 E2 4 44f1kw2N2 m歸算后 定 轉子的電動勢之比 57 2 電流的歸算 歸算前 歸算后 F2 電流比 58 3 阻抗的歸算 歸算前 歸算后 阻抗比 keki Z2 kZZ2 歸算前后轉子的損耗和漏磁場的磁場儲能應保持不變 59 電磁功率 定子銅耗 機械功率 轉子銅耗 繞組歸算后的定轉子電路圖 60 歸算后的基本方程式 3 三相感應電動機的T型等效電路 61 T型等效電路 經(jīng)頻率歸算 繞組歸算后 鐵耗 62 T型等效電路 63 三相感應電動機的相量圖 64 等效電路的簡化 定義修正系數(shù) 65 等效電路的簡化 修正系數(shù) 型近似等效電路 T型精確等效電路 型簡化等效電路 66 變壓器與感應電動機簡化等效電路的比較 67 一 三相異步電動機的功率關系 1 輸入功率P1 T形等效電路 P1 PCu1 PFe Pe PCu1 PFe PCu2 P Pe 13 6三相異步電動機的功率平衡及轉矩平衡 68 1 定子銅損耗PCu1PCu1 m1R1I12 3R1I12 2 鐵損耗PFe 轉子鐵損耗可忽略不計 PFe PFe1 m1RmIm2 3RmIm2 P1 3U1I1cos 1 P1 PCu1 PFe Pe 69 2 電磁功率Pe Pe P1 PCu1 PFePe m2E2I2cos 2 轉子銅損耗PCu2PCu2 m2R2I22 Pe PCu2 P PCu2 sPe 轉差功率 70 3 總機械功率P P Pe PCu2 1 s Pe 4 輸出功率P2P2 P Pfw Pad 機械損耗 附加損耗 P1 Pe P2 P 空載損耗P0 Pfw Pad 71 感應電動機的功率流圖 72 總損耗 P P PFe PCu Pfw Pad PFe1 PCu1 PCu2 Pfw Pad功率平衡方程式P2 P1 P效率 73 二 三相異步電動機的轉矩關系 P P2 P0 Te T2 T0 1 電磁轉矩Te 2 空載轉矩T0 3 輸出轉矩T2 74 電動機的負載轉矩為TL 穩(wěn)定運行時 T2 TL若TL T2 TL n s E2s I2s I1 T2 T2 TL 重新穩(wěn)定運行 n較高 I1較小 一般T0很小 在滿載或接近滿載時 T0 T2 因此Te T2 TL 75 例13 4 一臺4極三相異步電動機 PN 90kW UN 380V 聯(lián)結 fN 50Hz PCu1 1450 9W PFe 1428 8W PCu2 819 1W Pfw 1800W Pad 1000W 試求 1 總機械功率 2 電磁功率 3 額定轉速 4 電磁轉矩 5 空載轉矩 6 額定效率 解 1 求總機械功率 P P2 Pfw Pad 90 1 8 1 kW 92 8kW 2 求電磁功率Pe P PCu2 92 8 0 8191 kW 93 6191kW 3 求額定轉速因為所以nN 1 s n1 1 0 0875 1500r min 1487r min 76 4 求電磁轉矩 P1N Pe PCu1 PFe 93619 1 1450 9 1428 8 96498 8W 5 求空載轉矩 6 求額定效率 77 三 三相異步電機電磁轉矩的物理表達式 Pe m2E2I2cos 2E2 4 44f1kW2N2 m Te CT mI2cos 2 電磁轉矩常數(shù) 78 轉矩 轉差率特性 重點 機械特性工作特性 13 7異步電動機的運行特性 79 當U1 U1N時 求 Te f s 根據(jù)簡化等效電路 一 轉矩 轉差率特性 80 電磁轉矩Te與電壓 頻率 繞組參數(shù) 轉差率有關 當電壓 頻率 繞組參數(shù)為常數(shù)時 電磁轉矩僅與轉差率有關 Te f s 81 Tmax Tst 臨界轉差率 82 二 最大電磁轉矩 電動機 發(fā)電機 83 結論 Tmax U12 但sm與U1無關 Tmax sm 1 X1 X 2 Tmax 1 f12 sm 1 f1 Tmax與R 2無關 但sm R 2 84 異步電動機的轉矩 轉差率特性 U1 U 1 U 1 R 2 R 2 R2 Tmax U12 sm R2 重點 85 三 異步電動機的起動轉矩 繞線型轉子 86 電磁轉矩的幾種計算公式 簡化 定義 基本 參數(shù) 87 不穩(wěn)定運行區(qū) 穩(wěn)定運行區(qū) 四 異步電動機的機械特性 根據(jù) n ns 1 s Te f s n f Te 穩(wěn)定運行條件 感應電動機的穩(wěn)定運行區(qū)域 從同步點到最大電磁轉矩一段 88 機械特性 89 五 異步電動機的工作特性 前提條件U1 U1N f1 fN工作特性轉速特性 n f P2 定子電流特性 I1 f P2 功率因數(shù)特性 cos 1 f P2 電磁轉矩特性 Te f P2 效率特性 f P2 90 六 異步電動機工作特性的求取 直接負載法 利于負載實驗 計算工作特性 適用于中小容量的感應電動機 參數(shù)計算法 在電動機參數(shù)已知的情況下 利用等效電路 通過迭代方法 計算工作特性和運行數(shù)據(jù) 91 七 異步電動機的主要性能指標 額定效率 N 75 95 額定功率因數(shù)cos N 0 75 0 92 最大轉矩倍數(shù)kT 1 6 3 0 起動轉矩倍數(shù)kst 1 6 3 0 起動電流倍數(shù)i st 5 0 7 0 92 分析題 一臺異步電動機 過載能力kT 1 6 當電網(wǎng)電壓下降15 時 問異步電機能否正常運行 U1 15 U1 85 UNT2 Te U12Tmax kTTN 可正常運行 93 異步電動機的起動異步電動機的調速異步電動機的制動 略 14異步電動機的起動和調速 94 起動方法直接起動電樞回路串電阻器起動降壓起動調速方法改變電樞電壓調速改變電樞電阻調速改變勵磁電阻調速制動方法能耗制動 反接制動 回饋制動 復習 直流電動機的起動 調速 制動 95 籠型異步電動機的起動直接起動Y D起動自耦變壓器起動繞線型異步電動機的起動轉子回路串電阻器起動改善起動性能的其它方法 一 異步電動機的起動方法 96 起動轉矩倍數(shù)要大kst Tst TN 起動電流倍數(shù)要小i st Ist I1N 異步電動機起動的基本要求 97 起動電流倍數(shù)很大 5 7倍 起動轉矩倍數(shù)不大 1 2倍 異步電動機起動時的特點 98 操作 直接合閘優(yōu)點 操作簡單 不需附加起動設備 缺點 起動電流倍數(shù)大 對電機和電網(wǎng)的沖擊大 1 籠型異步電動機的直接起動 99 操作 三角形連接的定子繞組 在起動時改接為星形 優(yōu)點 操作 設備簡單 可有效降低起動電流倍數(shù) 缺點 起動轉矩倍數(shù)同時減小 只適合輕載起動 2 籠型異步電動機的Y 降壓起動 100 籠型異步電動機Y 降壓起動 101 操作 異步電動機的定子繞組 在起動時通過自耦變壓器與電源相連 優(yōu)點 降壓靈活 不受繞組連接方式的限制 缺點 需專用自耦變壓器 設備復雜 價格高 3 籠型異步電動機的自耦變壓器降壓起動 102 籠型異步電動機的自耦變壓器降壓起動 103 4 繞線型異步電動機轉子回路串電阻起動 104 繞線型異步電動機轉子回路串電阻起動 優(yōu)點 R2 I2 Ist R2 cos 2 Tst 缺點 繞線型轉子結構復雜 價格高 105 5 繞線型異步電動機轉子回路串頻敏變阻器起動 用