第五章感应电机的稳态分析

南 通 大 学 备 课 用 纸 第五章 感应电机前言：定义：感应电机（也叫异步电机）是一种交流旋转电机，它的转速除与电网频率有关外，还随负载而变。应用：主要作电动机使用，如：机床；水泵；家用电器；它的功率因数永远是滞后的。 5.1感应电机的结构和运行状态 一、感应电机的结构1. 定子： 定子铁心：0.5mm厚硅钢片叠压而成,磁路的一部分 定子绕组：电磁线制而成,电路一部分机 座 ：铸铁或钢板焊接而成2. 转子： 转轴:支撑转子 转子铁心：0.5mm硅钢片叠压而成,磁路一部分 转子绕组： 笼型绕组 铸铝 铜条 绕线式绕组: 电线绕制而成,Y接,滑环引出,外接电阻 3. 气隙(gap)：磁路的一部分, Im但易发生扫膛现象Im二、感应电机的运行状态 (见P133图5-5)1. 转差率定义： 式中n1旋转磁场的转速(同步转速) n转子的转速 当0nn1时,即0sn1时,即 0s时,电机为发电运行状态(机械能电能) 当 n1 时,电机为电磁制动运行状态(机械能和电能热能)2. 分析:(i1a的方向必与i2a的方向相反)(1) 电机运行状态:nn1 s为负e2和i2a反向(与电机比) Te反向(Te与n反方向)(制动性质),又因i2a反向i1a反向i1a与e1同方向(注e1未变) i1ae1为正输出电能(3) 电磁制动运行状态若T1驱动转子以反方向旋转,则切割方向同电动运行状态e1,e2,i1a,i2a,Te同电机运行状态,因Te与n1同方向,但与n反方向(制动性质),所以T1必须输入机械功率.又因e1与i1a反向i1a e1为负从电网吸收电功率.三、感应电动机的型号和额定值1.型号 例如：Y 112S-6 极数6极 短机座 规格代号：中心高112mm 产品代号：异步电动机2.额定值额定功率PN: 电动机在额定情况下运行，由轴端输出的机械功率，单位为W或kW。额定电压UN: 电动机在额定情况下运行,施加在定子绕组上的线电压，单位为V。额定频率fN：50Hz。额定电流IN：电动机在额定电压、额定频率下轴端输出额定功率时，定子绕组的线电流，单位为A。额定转速nN：电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定功率时，转子的转速，单位为r/min。其他额定值 N N (或N)其他数据:绝缘等级:A,E,B,H,F(极限工作温度:105,120,130,155,180) 防护等级:IP23-防护式,IP44-封闭式(分别表示防尘,防水) 工作制:S1-连续工作制;S2-段是工作制;S3-断续周期工作制 接法:(Y或).对于三相异步电动机，额定功率：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.主磁通0： 作用：传递能量的媒介作用；路径：定子气隙转子气隙定子。2.漏磁通： 不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的作用； 包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次谐波。二、负载运行时的磁动势和磁场1.转子电动势的频率：； 2.转子绕组的感应电动势：；3.转子绕组的电阻和漏抗：忽略集肤效应，认为不变； ；4.转子绕组的电流：正常运行时，转子端电压U2=0， ；有效值：；*结论：转子电流I2随S的增加而增加。5.转子绕组的功率因数：*结论：转子功率因数随S的增加而减小。6.转子磁动势的转速：相对转子速度：相对定子速度：*与相对静止。三、磁动势平衡方程1.磁动势形式：2.电流形式：5.3三相感应电动机的电压方程和等效电路一、电动势平衡方程1.方程： 2.的物理意义与变压器的相同，但由于气隙的存在，比变压器的小。举例：已知：一台三相异步电动机，在额定转速下运行，电源频率，试求：1）转子电流频率； 2）定子电流产生的旋转磁动势以什么速度切割定子？又以什么速度切割转子？ 3）由转子电流产生的转子磁动势以什么速度切割定子？又以什么速度切割转子？二、等效电路1、折算折算原则：保持F2不变，只要使等效前后转子电流的大小和相位相等即可；等效前后转子电路的功率和损耗相等。折算方法：*附加电阻的物理意义：模拟转轴上总的机械功率； 转子方程为： 2、转子绕组折算说明：原则和方法与变压器相同。电流折算： 电动势折算：电阻和电抗折算： 3、T型等效电路折算后的基本方程组：T形等效电路 r1 X1 r2 X2 rm Xm 分析：堵转：，相当于短路；空载：，相当于开路。三、近似等效电路 与变压器的近似等效电路相同，但须引入一修正系数C1 ，对于40kW以上，可取C1=1。*注意：异步电动机的等效电路与变压器的区别。5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程一、功率平衡和转矩平衡1.功率平衡：能量转换：电能机械能 P1 Pem Pmec P2 pCu1 pFe pCu2 pmec+pad 电源输入功率：定子铜损： 定子铁损： 电磁功率： 转子铜损： 总机械功率： 输出功率： 可见： 2.转矩平衡： ，即 -机械角速度rad/s；式中：Tem电磁转矩（驱动）；T2负载转矩（制动）；T0空载转矩（制动）；式中： 二、电磁转矩1.物理表达式： = (CT为转矩常数)说明：上式描述了电磁转矩与主磁通、转子有功电流的关系。2.参数表达式：由简化等效电路可得 ：可得：*结论：与电源参数、电机参数和运行参数的关系。5.7 感应电动机的转矩-转差率曲线一、转矩-转差率特性1.转矩特性：其他参数一定， 分析：异步电动机转差率s在01之间，但实际上s在0sm（临界转差率）时， 稳定；s在1sm之间，不稳定；，s=sm，处于临界状态。 电磁制动状态 电动机状态 发电机状态 Tem TN Tmax Tst + S=1 Sm SN0- Tmax 转矩特性2.三个特征转矩额定转矩TN：额定负载时 *注：的单位为kW。最大电磁转矩Tmax： 特点：Tmax与成正比；而Sm与无关；Tmax与转子电阻无关；而Sm与转子电阻有关；f1一定时，越大， Tmax越小。过载能力（或最大转矩倍数） 一般为1.62.5，越大，过载能力越强。起动转矩Tst n=0, S=1，得 当转子回路电阻为：时，起动转矩达到最大电磁转矩。 起动转矩倍数：，起动能力强。 JO2：1.01.8；Y：1.42.2；特殊电机：4.0以上。二、归一化转矩-转差率表达式 此表达式主要用于求机械特性曲线。5.8 感应电动机的工作特性定义：是指在额定电压和频率下，电动机的转速n(s)、输出转矩T2 、定子电流I1、功率因数cos1、效率与输出功率P2之间的关系。一、转速特性 或 由Pcu2= s Pem得 s=是一条稍向下倾斜的曲线。二、输出转矩特性 异步电动机的输出转矩：是一条过原点稍向上翘的曲线。三、定子电流特性 由知，空载时：，很小；负载时，P2增加，也增加，I1也增加。四、定子功率因数特性空载：很小；负载时，随，。五、效率特性 根据=空载时，P2=0，=0；负载时，随着P2的增加，也增加，当负载增大到可变损耗与不变损耗相等时，最大；负载继续增大，铜损增加很快，反而下降。*说明：电机在额定负载附近的和较高，希望在PN附近运行。 I1 T2 S P2 异步电动机工作特性图5.9 三相异步电动机的起动，深槽和双笼电动机一、 三相异步电动机的起动（一）、概述1.起动定义：电动机接到电源上，从静止状态到稳定运行状态的过程；2.起动电流：n=0,S=1时的电流。起动电流倍数：3.起动转矩：n=0，s=1时的电磁转矩。4.起动电流大的原因：此时处于短路。5.起动转矩不大的原因：1）减少； 使Tst不大。 2）减小；6.起动要求：起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；起动转矩尽量大，以缩短起动时间；起动设备简单，可靠。（二）、鼠笼式异步电动机的起动1.直接起动优点：设备简单，操作方便；缺点：起动电流大，须足够大的电源；适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。*如何判断是否能起动：起动电流；起动转矩；二者必须同时满足。2.降压起动如果电源容量不够大，可采用降压起动。即起动时，降低加在电动机定子绕组电压，起动时电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，再使电动机承受额定电压，可限制起动电流。*适用：容量大于20kW并带轻载的情况。 定子回路串电抗器起动 ； 式中：k为电动机端电压之比，且k1。用Y-起动适用条件：正常工作时定子绕组三角形接法且三相绕组首尾六个端子全部引出来的电动机才能采用。 ； 自耦补偿器（自耦变压器）起动 ； 优点：一般有三个抽头，有不同的选者。 缺点：设备费用较高。*三种起动方法的比较 ：（三）、绕线式异步电动机的起动转子：一般均接成Y形，正常三相绕组通过滑环短接，若转子绕组直接短接情况下起动，与鼠笼一样， Ist大，Tst不大。1.在转子回路串起动变阻器起动在转子回路中串入多级对称电阻，起动时，随着转速的升高，逐级切除起动电阻。一般取最大加速转矩T1=(0.70.85)Tm，切换转矩T2=(1.11.2)TN。优点：只要在转子回路串入适当的电阻，既可减少起动电流，又可增加起动转矩适用条件：电动机在重载情况下的起动场合。2.在转子回路串接频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损耗很大的三相电抗器，在起动过程中，能自动、无级的减小电阻保持转矩近似不变，使起动过程平稳、迅速。结构简单，运行可靠，维护方便，应用广泛。二、 深槽和双笼感应电动机说明：主要利用集肤效应（趋肤效应）原理工作，即起动过程自动改变转子电阻。1、深槽式异步电动机结构：定子：与普通鼠笼电动机一样；转子：槽深而窄,工作原理：同双鼠笼式异步电动机。*双笼型异步电动机的起动性能比深槽式好，但深槽式结构简单，制造成本低。二者共同的缺点是功率因数和过载能力低。2、双鼠笼式异步电动机结构定子：与普通鼠笼电动机一样；转子：有两套鼠笼 上层笼：大，黄铜或青铜，截面小，r2上大起动笼 下层笼：小，紫铜，截面大，r2下小工作笼漏磁通分布情况：由于缝隙的存在，下上，即x2下x2上。运行原理起动时，s=1，f2最大，转子漏抗x2大，电流分布取决于x2，x2下x2上，转子电流集中于上笼（趋肤效应）-起动笼起主要作用，又r2上大Tst；正常运行：sN=0.010.06，很小f2S很小x2很小电流取决于r2，r2下小电流分布在下笼，此时漏抗x2小，Tem优缺点 优点：较大的Tst和较小Ist； 缺点：漏抗较大，其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小。5.10 感应电动机的调速概述1.异步电动机特点：结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便。2.转速公式：3.调速方法：变极调速；变频调速；改变转差率 S调速。4.调速性能：调速范围；调速的稳定性；调速的平滑性；调速的经济性。一、变极调速前言：可以采用两套绕组，但为了提高材料的利用率，一般采用单绕组变极，即通过改变一套绕组的连接方式而得到不同极对数的磁动势，以实现变极调速。1. 变极原理 S N S N a1 x1 a2 x2 A X 2p=4 N S a1 x1 a2 x2 A X 2p=22.变极绕组的连接方法： YY(2pp)；顺串Y反串Y（2pp）；YY(2pp)。说明：变极前后，三相绕组的相序发生改变，为保证电动机的转向不变，须对调定子两相绕组的出线端。3.变极前后转矩和功率的变化 设定子绕组相电压为，相电流为，则输出功率为 变极前后两种极对数下，、不变，并近似认为，则得： YYY(2pp)；Y接时绕组相电流为：I；YY接时绕组相电流为：2I；则变极前后电磁转矩之比为：结论：此种变极连接方法适用于恒转矩负载变极调速。YY(2pp)； 同步角速度之比： 接相电压为：，相电流为：I；YY接相电压为：，相电流为：2I，则两种极对数下输出功率之比为：结论：此种变极连接方法适用于恒功率负载变极调速。*说明：变极调速方法简单、运行可靠、机械特性较硬，但只能实现有极调速。单绕组三速电机绕组接法已经相当复杂，故变极调速不适宜超过三种速度。二、变频调速1.概述 异步电动机的转速：；当转差率S变化不大时，n近似正比于频率，可见改变电源频率就可改变异步电动机的转速。单一调频，不变，电机得不到充分利用；磁路过饱和，励磁电流，pFe保持不变，调同时，调，不变。 2.恒转矩调速 电机变频调速前后额定电磁转矩相等，即恒转矩调速时，有，则 ，若令电压随频率作正比变化：，则 主磁通不变，电机饱和程度不变，电机过载能力也不变。电机在恒转矩变频调速前后性能都保持不变。3.恒功率调速 电机变频调速前后它的电磁功率相等，即，则 1）若主磁通不变： 2）若过载能力不变：，主磁通发生变化；*优点：调速范围广，平滑性好。*缺点：价格比较贵。三、转子回路串电阻调速-属于改变转差率调速 Sm改变串电阻前后保持转子电流不变，则有：；电磁转矩为：保持不变，即属于恒转矩调速。优点：简单、可靠、价格便宜；缺点：效率低。为克服这一缺点，可采用串级调速。四、改变定子端电压调速-属于改变转差率调速 Sm不变适应于：泵与风机类负载；缺点：电动机效率低，温升高。*电磁调速异步电动机-滑差电动机 一种交流恒转矩无级调速电动机，结构简单，运行可靠，维修方便，调速范围广，起动转矩大，已被广泛应用。5.11单相异步电动机一、结构：定子为单相绕组（有起动和工作绕组）；转子为鼠笼式。二、工作原理单相交流绕组通入单相交流电流产生脉动磁动势，其可分解为F+、F-，建立起正转和反转磁场+、-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩T+、T-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩T。设电动机转速为n，则对正转磁场而言，转差率s+为 s+ =s对反转磁场而言，转差率s-为s- =2-s*单相异步电动机的T=f(s)曲线：*单相异步电动机的特点：转子静止时，合成转矩为0，即单相异步电动机无起动转矩。 当s1时，T0，且T无固定方向，取决于s的正负。由于反向转矩的作用，合成转矩减小，过载能力低。三、起动方法1.分相起动电动机 电容起动电动机：转向：由起动绕组转向工作绕组； 电容运转电动机：实为两相异步电动机； 电阻起动电动机：起动转矩小，只适用于比较容易起动的场合。2.罩极电动机结构特点：凸极定子，工作绕组为集中绕组，极靴表面的处开槽，小极部分罩短路环（即为罩极绕组）；工作特点：电动机起动转矩很小，只适用于小型风扇、电动模具及电唱机中，容量一般在3040瓦以下；转向：由未罩部分转向被罩部分。*小结：分相电动机可通过改变并联到单相电源的两绕组的任一个的首、末端，即可改变其转向。17电气工程学院 秦岭