异步电动机基本原理教材课件

第五章第五章 异步电动机基本原理异步电动机基本原理本章教学目的本章教学目的n1.深入理解并掌握综合表达三相异步电动机电磁关系的基本方程式、等值电路和相量图，转子转动时异步电动机的运行原理，转子绕组折算和频率折算；n2.掌握异步电动机中的功率和转矩平衡方程式，各个功率之间的相互关系，电磁转矩的物理表达式；重点和难点重点和难点n重点：重点：n1.三相异步电动机空载和负载运行时的基本电磁关系，掌握基本方程式、等值电路和相量图三种分析方法，并注意与变压器的对比，着重分析转子转动后的情况，转子绕组折算和频率折算；n2.掌握异步电动机功率与转矩的平衡关系、电磁转矩的表达式。n难点：难点：n转子转动时的基本电磁关系。一、异步电动机负载时的物理情况一、异步电动机负载时的物理情况 当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过对称三相交流电流时，定子绕组中就通过对称三相交流电流 ，这个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分这个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布，并以同步转速布，并以同步转速 旋转的旋转磁动势旋转的旋转磁动势 。由旋转磁。由旋转磁动势动势 建立气隙主磁场建立气隙主磁场 。这个旋转磁场切割定、。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转子绕组，分别在定、转子绕组内感应出对称定子电动势和转子电动动势和转子电动 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程势。即 、和 、若转子绕组闭合，转子回路有对称三相电流 、通过，于是在气隙磁场和转子电流的相互作用下，产生了电磁转矩，转子顺旋转磁场方向转动。在空载情况下，异步电动机所受阻转矩很小，则其转速接近同步转速，即 ，在这样情况下，可以认为旋转磁场不切割转子绕组，则 （下标S表示转子电动势的频率与定子电动势的频率不同），n异步电动机空载运行时的电磁关系为：异步电动机空载运行时的电磁关系为：当异步电动机带上负载后，转子的转速就会降低，即 ，相对转速增大，此时不能再认为 、，而且 也形成了磁动势 。的性质对异步电动机运行有重要影响（一）转子磁动势的分析1、的旋转方向：与定子磁动势 旋转方向相同2、转速的大小n转子不转时，转子中的感应电势和转子电流频率是与定子电流频率相同；当转子转动时，转子转速为n，而气隙中旋转磁场的转速为n0，两者转向相同，转速差为n=，则旋转磁场是以n的相对转速切割转子绕组。对于绕线式异步电动机，转子与定子有相同的相数和极对数，所以，在转子电路中产生的感应电势和电流的频率为：（）转子磁动势 相对于转子本身的转速为转子磁动势 相对于定子本身的转速为 与 在空间保持相对静止，两者之间无相对运动。（二）磁动势平衡气隙中合成磁势为：主主磁通 分别与定、转子绕组交链，产生：1、定子绕组每相基波感应电势的有效值为：式中N1、kw1分别为定子每相绕组的串联匝数和基波绕组系数。2、转子绕组每相基波感应电势的有效值为：式中N2、kw2分别为转子每相绕组的串联匝数和基波绕组系数。（三）电磁关系此外，定子、转子电流 和 分别产生漏电动势异步电动机负载运行时的电磁关系二、基本方程式（一）磁动势平衡方程式异步电动机的电流比（二）电动势平衡方程式其中，异步电动机负载时的方程式为：异步电动机负载时的方程式为：5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图n 与变压器相似，异步电动机定、转子之间没有电的联系，只有磁的耦合。为了工程计算方便，在不改变电动机的电磁性能的条件下，将无电的联系的定、转子电路变换成纯电路的等值电路，就要进行转子绕组的归算。异步电动机的转子频率 与定子频率 不同，进行归算时，除了和变压器一样要进行绕组归算以外，必须先将频率归算。（一）频率归算一）频率归算 所谓频率归算就是指保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数及有关物理量换算成另一种频率的参数及有关物理量。就异步电动机而言，须将转子电路中的参数归算为定子频率下的参数。n转子绕组频率折算的目的：转子绕组频率折算的目的：把定、转子两个不同频率的电路转换成同一频率的电路。n转子绕组频率的折算方法：转子绕组频率的折算方法：用一个等效的静止转子代替实际转动的转子。（）n等效原则：等效原则：1、保持转子磁势F2的不变（转速、幅值、空间位移角）即保持2大小、相位不变。2、等效的转子电路的电磁性能不变（有功功率、无功功率、铜耗）频率折算：n式中2、2s、x2s分别为异步电动机转动时转子的每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为2；n 、2、x2分别为异步电动机静止时的转子每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为 1。而 的有效值和相位角均与 相等。所以要用静止的转子电路代替实际的转子电路，除改变与频率有关的参数和电动势外，只要用 去代替 ，就可达到保持 不变的目的。说明：n只要用r2/s 代替r2 ，就可使转子电流的大小和相位保持不变，即转子磁势的大小和空间相位保持不变，实现用静止电路代替实际旋转的转子电路。电阻r2/s 称为等效静止转子电阻，也可表示成：n (3-36)n式中 称为附加电阻。分析n频率折算后，转子回路电阻由两部分组成，第一部分r2是转子绕组一相的实际电阻，其上产生的损耗就是转子电路的铜损 ；第二部分 是附加电阻，其上产生的损耗 是虚拟损耗，实际转子中并不 存在，但它却是表征实际转动的转子的总机械功率。频率折算后异步机的等值电路 经频率折算后的异步电动机等值电路n转子绕组折算的方法转子绕组折算的方法是：用一个相数为m1、匝数为N1kw1的绕组，代替原来的转子绕组（转子绕组原来的相数为m2，匝数为N2kw2）。（二）绕组归算二）绕组归算n根据折算前后电动机磁势平衡关系不变的原则，有：n则：为异步电动机的电流比。转子电流n由转子总视在功率保持不变，得出：n式中ke为电势比：转子电势转子电阻、转子电抗、转子漏阻抗（三）基本方程式、等值电路、相量n折算后的基本方程式等值电路n转子转动时异步电动机的T形等值电路讨论1n当异步电动机空载时：等值电路中的转子回路相当于开路，转子电流为 因此功率因数很低。讨论2n当异步电动机额定运行时：n这时的转子电流主要由 决定，转子电路基本上为电阻性电路，所以电动机的功率因数较高。讨论3n当异步电动机起动瞬间：n 电动机没有输出，相当于短路，这时启动电流（堵转电流）都很大，功率因数也较低。讨论4n异步发电机运行异步电机作发电机运行时，转子转速讨论5n异步电机作电磁制动状态运行异步电机处于电磁制动状态时，转子反旋转磁场方向旋转，即转差率S1,产生的机械功率也是负值,表明异步电机吸收电功率的同时吸收机械功率,对机械运动起制动作用.异步电动机的简化等值电路n为了简化计算，将T形等值电路中的励磁支路左移到输入端，使电路简化成单纯的并联电路作业：作业：5-13、5-17思考题：思考题：5-5-5、5-7 5-3 三相异步电动机的功率和转矩三相异步电动机的功率和转矩一、功率转换过程一、功率转换过程 异步电动机负载运行时，由电源供给、从异步电动机负载运行时，由电源供给、从定子绕组输入的电功率定子绕组输入的电功率P1，一小部分消耗在一小部分消耗在定子电阻铜耗定子电阻铜耗Pcu1和定子铁心铁耗和定子铁心铁耗PFe上，余上，余下的大部分电功率借助于气隙旋转磁场由定子下的大部分电功率借助于气隙旋转磁场由定子传送到转子，这部分功率就是异步电动机的电传送到转子，这部分功率就是异步电动机的电磁功率磁功率Pem，Pem传送到转子后，必伴生转子传送到转子后，必伴生转子电流，电流在转子绕组中通过，在转子电阻上电流，电流在转子绕组中通过，在转子电阻上产生转子铜耗产生转子铜耗Pcu2，剩下的全部转换成使转子产生旋转运动的总机剩下的全部转换成使转子产生旋转运动的总机械功率，用械功率，用Pmec表示，而总机械功率中扣除电表示，而总机械功率中扣除电动机因旋转而产生的机械摩擦损耗动机因旋转而产生的机械摩擦损耗pmec以及成以及成因较复杂的附加损耗因较复杂的附加损耗p之后，剩下的就是电之后，剩下的就是电动机轴上输出的机械功率，用动机轴上输出的机械功率，用P2表示。表示。n异步电动机功率流程图n二、功率平衡方程式二、功率平衡方程式n转子侧的功率平衡方程式：附加损耗np 为附加损耗，一般很难用公式计算，通常根据经验估算，对于大型异步电动机约为0.5%PN；对于中、小型异步电动机约为(13)%PN。值得一提的是，由于转子铁芯中的磁通变化频率f2在电动机额定运行时很低，转子铁损很小，故可忽略不计。三、转矩平衡方程式n电磁转矩T为总机械功率Pmec除以转子机械角速度，所以有：n转矩平衡方程式为：(3-56)nT2=P2/为电动机轴上输出转矩；nT0=(pmec+p)/为电动机的空载转矩，转矩的单位为：牛米（Nm）。各转矩表达式n 为同步机械角速度。四、电磁转矩公式四、电磁转矩公式5-4 异步电动机工作特性及参数测定异步电动机工作特性及参数测定n1.异步电动机工作特性 工作特性，它能反映异步电动机的运行情况，是合理选择、使用电动机的依据。异步电动机的工作特性是指电动机在额定电压U1N、额定频率1N运行时，转子转速n、定子电流I1、定子功率因数cos1、磁转矩T、效率随输出功率P2的变化曲线。曲线 三相异步电动机工作性（1）转速特性n=(P2)n定性分析：异步电动机空载时，转速nn0当随着负载P2增大转速n略降转子感应电势E2s增大转子电流I2s增大电磁转矩增大以平衡负载转矩。转速特性n=(P2)如图曲线1所示为一条略微下降的曲线。（2）定子电流特性I1=(P2)n定性分析：异步电动机空载时，转速n n0，转差率s0，转子电流I20，I1Im较小，当随着负载P2增大转子n下降转子电流I2增大定子电流I1增大以补偿转子电流所产生磁势的影响，维持磁势平衡。定子电流特性I1=(P2)如图曲线2所示为一条由Im 开始逐渐上升的曲线。（3）定子功率因数特性cos1=(P2)n定性分析：异步电动机空载时，由于空载电流中主要是无功电流分量，此时的功率因数很低，cos1=cos00.2左右，当随着负载P2增大定子电流I1有功电流分量增大功率因数提高，直至P2=PN，功率因数达最高cos1=cos1max；当负载P2PN继续增大转差率s增大转子感应电势与电流的相位角2增大定子功率因数cos1开始减小。定子功率因数特性cos1=(P2)如图曲线3所示的曲线。（4）输出转矩特性T2=(P2)n定性分析：异步电动机空载时，输出转矩Tem=T0，当负载P2增大，由于转速变化不大，P2Tem输出转矩随着P2增大而增大，输出转矩特性Tem=(P2)如图曲线4所示为一条过原点的近似直线的曲线。n三相异步电动机的效率为：n异步电动机的总损耗：（5）效率特性=(P2)效率特性 空载时，输出功率P2=0，所以效率=0，当随着负载P2增大效率增大，普通异步电动机在P2=0.75时效率最大=max；当负载P2继续增大效率反而下降，效率特性=(P2)如图曲线5所示的曲线。n定性分析：n 异步电动机从空载到负载运行时，主磁通m和转速n变化较小，所以铁损pFe和机械损耗pmec变化很小，这两种损耗之和是异步电动机的不变损耗，而定、转子铜损pCu与负载电流平方成正比，它随负载变化而变化，是异步电动机的可变损耗。与变压器相似，当不变损耗与可变损耗相等时，效率为最高。n 说明：n对中、小型异步电动机，工作特性可用直接负载法测出，对大容量异步电动机由于受设备等因数的限制，工作特性的取得可通过空载、短路实验测出电动机参数，再利用等值电路计算求得。5-5 异步电动机参数测定异步电动机参数测定n（1）空载试验n试验时，异步电动机定子通过调压器接三相交流电源，转子轴上不带负载，加额定电压使电动机运行在空载状态，稳定运行一段时间后，电动机的机械损耗达到稳定值，然后调节调压器使定子电压从(1.11.3)UN开始，逐渐下调直至电动机转速有明显变化为止，注意试验时一定要含U1N这一点。根据试验数据作出P0=(U1)和I0=(U1)曲线。三相异步电动机试验接线图三相异步电动机空载特性说明1n由于电动机空载时，转速nn0，转子电流I20，转子铜损pCu0，可忽略转子铜损，这时电动机的空载损耗为：n在输入功率P0中扣除定子铜损后，剩下的功率为P0，则有：n式中有三部分：铁损、机械损耗和附加损耗，其中机械损耗pm只与转速大小有关，而与电压U1大小无关。说明2n铁损pFe和空载附加损耗pad则与磁通的平方成正比，即与U12成正比。为了从P0中分离机械损耗pm，作P0=(U12)曲线，将图中的曲线延长与纵坐标轴相交与0点，再通过0点作与横坐标轴的水平虚线，将与电压无关的机械损耗pm从P0中分离，虚线之上是pFe+pad，虚线之下是pm。若想精确测得励磁参数，还需将铁损和空载附加损耗分离。一般可近似认为：n电动机空载时，转速nn1，转差率s0，“T”形等值电路中的附加电阻 ，转子可认为开路，这样就有：n式中r1为定子电阻，可用电桥测得；x1为定子漏电抗，可从堵转试验测得。说明3n根据电压U1=U1N时，测得的空载试验数据P0和I0可计算参数：n式中U1N、I10分别为额定相电压和相电流；P0为测得的三相功率；P0、I0应取额定电压所对应的数据。三相异步电动机的P0=f(U12)曲线三相异步电动机短路特性n（2）短路试验n短路试验是在电动机转子堵住不转动的条件下进行的，故又称堵转试验。试验接线与空载实验相同，只是电流表和功率表的电流线圈量程要变大，对于绕线式转子，应将转子绕组短路。堵转实验可测得短路参数（rk、xk、zk）、定转子铜损。试验时，由于转子堵转，加在定子绕组上的电压要降低，与变压器短路试验相似，n根据堵转时的等值电路，机械损耗pm=0，铁损pFe和附加损耗pad都很小，可忽略，则输入功率Pk都消耗在定、转子的电阻上，即：n式中rk=r1+r2为短路电阻，从而有：n对于大、中型异步电动机，一般可近似认为：第十章第十章 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 及各种运行状态及各种运行状态本章教学目的：本章教学目的：1、掌握异步电动机机械特性的三种表达式、掌握异步电动机机械特性的三种表达式2、掌握异步电动机固有机械特性与人为机械、掌握异步电动机固有机械特性与人为机械特性及曲线画法特性及曲线画法3、掌握异步电动机的各种运转状态计算、掌握异步电动机的各种运转状态计算4、掌握调速及制动电阻计算、掌握调速及制动电阻计算重点和难点：重点和难点：重点：重点：1、运转状态及其制动电阻计算、运转状态及其制动电阻计算 2、调速电阻计算、调速电阻计算难点：难点：1、运转状态分析及其制动电阻、运转状态分析及其制动电阻 计算计算 2、调速电阻推导公式、调速电阻推导公式 10-1 异步电动机机械特性异步电动机机械特性n三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=(T)或s=(T)。n机械特性可用函数表示，也可用曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式。1.异步电动机机械特性三种表达式n（1）物理表达式n电磁转矩为：分析物理表达式n异步电动机的转矩系数：n转子电流折算值：n转子功率因数：物理表达式它反映了不同转速时电磁转矩T与主磁通m以及转子电流有功分量I2cos2之间的关系，此表达式一般用来定性分析在不同运行状态下的转矩大小和性质。（2）参数表达式n异步电动机的电磁转矩T与定子每相电压U1平方成正比，若电源电压波动大，会对转矩造成很大影响。机械特性曲线n在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的关系可用曲线表示如图所示。异步电动机机械特性最大转矩Tmn最大转矩Tm是T=（s）的极值点，最大转矩为：n最大转矩对应的临界转差率为：两式中“+”为电动状态（特性在第象限）；“-”为制动状态（特性在第象限）。最大转矩近似表达式n通常情况下，可忽略r1，则有：n最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数，其值大小反映电动机过载能力，用m表示，即：n一般异步电动机过载倍数m=1.52.2。起动转矩Tstn起动瞬间n=0或s=1时，电动机相当于堵转，这一时刻的电磁转矩称为起动转矩或堵转转矩，用Tst表示，则有：n起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数或堵转转矩倍数，用kst表示，则有：n一般普通异步电动机起动转矩倍数为0.81.2。（3）实用表达式n实用表达式：n认为 ，一般异步电动机的 ，在任何s值时都有：，而 ，可以忽略，简化得：临界转差率n临界转差率：n当拖动额定负载时，TL=TN临界转差率为：n额定转矩为：n从产品目录查出该异步电动机的数据PN、nN、m应用实用公式就可方便得出机械特性表达式。2.固有机械特性n异步电动机的固有机械特性是指U1=U1N，1=1N，定子三相绕组按规定方式连接，定子和转子电路中不外接任何元件时测得的机械特性n=（T）或T=（s）曲线。n对于同一台异步电动机有正转（曲线1）和反转（曲线2）两条固有机械特性。三相异步电动机固有机械特性说明特性上的各特殊点1n(1)同步转速点A 同步转速点又称理想空载点，在该点处：s=1，n=n1，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电动机处于理想空载状态。n(2)额定运行点B 在该点处：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状态。说明特性上的各特殊点2n(3)临界点C 在该点处：s=sm，T=Tm，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。Tm是异步电动机回馈制动状态所对应的最大转矩，若忽略r1的影响时，有T m=Tm。n(4)起动点D 在该点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。3.人为机械特性n异步电动机的人为机械特性是指人为改变电动机的电气参数而得到的机械特性。n由参数表达式可知，改变定子电压U1、定子频率f1、极对数p、定子回路电阻r1和电抗x1、转子回路电阻r2和电抗x2，都可得到不同的人为机械特性。（1）降低定子电压的人为机械特性n在参数表达式中，保持其它参数不变，只改变定子电压U1的大小，可得改变定子电压的人为机械特性。n讨论电压在额定值以下范围调节的人为特性（为什么？）降电压人为机械特性曲线nTmU12；TstU12；n1和sm与电压无关TL1-恒转矩负载特性、TL2-风机类负载特性分析1：n定子电压U1下降后，电动机的起动转矩和临界转矩都明显降低，对于恒转矩负载，如原先运行在A点，电网电压由于某种原因降低，使负载运行至B点，电动机转速n下降，转差率s增大，转子阻抗角 增大，则转子功率因数下降。由于负载转矩没变，在定子电压U1降低后，m也降低，所以转子电流I2要随之增大，定子电流I1也要增大，从而使定、转子的铜损都增大，导致绕组温度上升，若长期处于低压运行，会缩短电动机的使用寿命。若电动机轻载运行时，当定子电压U1降低后，m也降低，使铁损pFe降低，定子电流I1降低，则铜损pCu降低，电动机效率提高，从节能角度看，是有好处的。分析2：n由于负载转矩没变，在定子电压U1降低后，m也降低，所以转子电流I2要随之增大，定子电流I1也要增大，从而使定、转子的铜损都增大，导致绕组温度上升，若长期处于低压运行，会缩短电动机的使用寿命。若电动机轻载运行时，当定子电压U1降低后，m也降低，使铁损pFe降低，定子电流I1降低，则铜损pCu降低，电动机效率提高，从节能角度看，是有好处的。（2）定子回路串入对称电阻的人为机械特性n当定子电阻r1增大时，同步转速n1不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst都变小定子回路串入对称电阻的接线图和人为机械特性定子回路串入对称电抗的人为机械特性n如果定子回路串入对称的电抗，同步转速n1仍不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst也都变小。两种接线可实际应用于鼠笼式异步电动机的起动，以限制起动电流。定子回路串入对称电抗的接线图和人为机械特性（3）转子回路串入对称电阻的人为机械特性 绕线式异步电动机转子回路串入 三相对称电阻的接线图和人为机械特性分析n当转子电阻r2增大时，同步转速n1和临界转矩Tm不变，但临界转差率sm变大，起动转矩Tst随转子电阻r2增大而增大，直至Tst=Tmn当转子电阻r2再增大时，起动转矩Tst反而减小。n转子串入对称三相电阻的方法应用于绕线式异步电动机的起动和调速。本章小结1n异步电动机运行时，转子与旋转磁场存在转差，因而能在转子中感应电势和电流，产生电磁转矩，使电动机旋转，可见转差率s是异步电动机的重要参量。通过频率和绕组折算，可得到反映实际运行电动机各量关系的等值电路，等值电路中的各种参数可通过空载和短路试验测取。与变压器一样，基本方程式、等值电路、相量图也是描述电动机负载运行时的基本电磁关系的工具。本章小结2n工作特性反映了异步电动机在额定电压、额定频率时的使用性能。机械特性则是异步电动机运行特性中最重要，三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=(T)或s=(T)。机械特性可用函数表示，也可同曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式，三种表达式各有不同的适用场合。n作业：3-24作业：作业：10-1、10-2