电机学第5章 ppt课件 汤蕴璆 机械工业出版社

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l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 。 一 、 感 应 电 机 的 结 构感 应 电 机 定 子 绕 组定 子 铁 心 转 子 机 座 笼 型 结 构转 子 铁 心转 轴转 子 绕 组 绕 线 型 结 构定 子5.1 感 应 电 机 的 结 构 和 运 行 状 态二 、 感 应 电 机 的 运 行 状 态l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 ： l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 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 ssn ns nu 额 定 功 率 PN (kW) ： 额 定 运 行 时 轴 端 输 出 的 机 械 功 率 ；u 额 定 电 压 UN (V) ： 额 定 运 行 时 定 子 绕 组 的 线 电 压 ；u 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 ；u 额 定 频 率 fN (H z) ： 定 子 的 电 源 频 率 ；u 额 定 转 速 nN (r/min) ： 额 定 运 行 时 转 子 的 转 速 。三 、 额 定 值 返 回 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l 主 磁 通 是 通 过 气 隙 并 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 。l 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 1E1 1 1 m w1j4.44E f N k ml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 ：1 1 m m m mjE I Z I R X ( )1E mI3. 定 子 漏 磁 通 和 漏 抗l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 。l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 1 1 1 21 1 1 1 1 1j2 2E I XX f L f N 1E 1 1E二 、 负 载 运 行 时 的 转 子 磁 动 势 和 磁 动 势 方 程l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 l转 子 电 流 产 生 的 旋 转 磁 动 势 F2 相 对 于 转 子 的转 速 为 n2： s s s2 1s60 60 p(n n) pn n nf sfn1. 转 子 磁 动 势 2 12 s60 60 f sfn sn np p 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s s( ) n n n n n n 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 ：l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 。 l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 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 。1 2 mF F F 1 2 m I I I 22 i II k 1 1 w1i 2 2 w2 m N kk m N k3.负 载 时 的 磁 动 势 方 程 1 m 1L I I I1L 2F F 返 回1. 定 子 电 压 方 程 1 1 1j t j t j t1 1 1 1 11 1 1 1 11 m m( j )( j ) U e I e R X E eU I R X EE I Z 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 2s 1 2 w2 m4.44E sf N k 2 1 2 w2 m4.44E f N k 2s 2E sEj j2s 2s 2 2j 2 2 t tE e I e (R sX )2s 2 2 1 2 22 2 X f L sf L sX2s 2s 2 2j E I (R sX )1I 1 1 1 1 1( j )E E I X 定 子 22F mmF1F 2s 2s 2s 2s( j )E E I X 2sI 1E1sE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 1j j 22 2 2j t t RE e I e ( X )s22 2 2j RE I ( X )s1. 频 率 归 算2 2 2 R 1 sR Rs s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 。 1 w1 2 2 w2 21 20.9 0.92 N k I N k Im m2 p p2 2 w2 1 w122 2 2 2 e 21 1 w1 i 2 w2 m N k N kII I E E k Em N k k N k*2 2 2 1 2 2 m E I m E I2 22 2 2 1 2 2 m I R mI R 2 22 2 2 1 2 21 12 2 m I X m I X2. 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5-15 所 示 。 图 5-16表 示 与 基 本 方 程 相 对 应 的 相 量 图 。1 1 1 1 1 21 2 21 2 m m1 2 m jU I R X ERE I XE E I ZI I I ( )( j )s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 。11 m 21 m 2 m 12 1 m 2 1 22 1m 1 1m 2 m 21UI Z ZZ ZZ UI I Z Z Z cZZ UI I ZZ Z Z c Z Z 1m 1m 2 12 1 21 m 21( )UI ZZ ZUI Z cZI I I c1 212 0Z ZZZ 返 回 感 应 电 动 机 从 电 源 输 入 的 电 功 率 ： 消 耗 于 定 子 绕 组 的 电 阻 而 变 成 铜 耗 ： 消 耗 于 定 子 铁 心 变 为 铁 耗 ： 从 定 子 通 过 气 隙 传 送 到 转 子 的 电 磁 功 率 ： 2cu1 1 1 1p m I R1 1 1 1 1cosP mU I 2Fe 1 m mp m I R 2 2e 1 2 2 2 1 2 RP mE I cos mI s5.4 感 应 电 动 机 的 功 率 方 程 和 转 矩 方 程一 、 功 率 方 程 ， 电 磁 功 率 和 转 换 功 率l功 率 方 程 为 ： Cu1 Fe ee cu2 2 1P p p PP p PP P p p 其 中2Cu2 1 2 2 e2 1 2 2 ep m I R sP1 sP m I R (1 s)Ps 图 5-18表 示 相 应 的 功 率 图 。 二 、 转 矩 方 程 和 电 磁 转 矩l转 矩 方 程l电 磁 转 矩 e 0 2 2e 0 2T T TP p p PT , T , T ee se 2 2 w2 m 2 2 m 2 2 2 2 w21 cos cos212PPTT pm N k I C IC pm N k 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 数 的 测 定空 载 特 性 曲 线2. 铁 耗 和 机 械 损 耗 分 离Fepp121010 3 RIP 21UO 返 回 参 数 计 算 激 磁 电 阻 空 载 电 抗 激 磁 电 抗 210 1 10 1 Fe P m I R p p m 0 1X X X Fem 21 10pR m I 20210220200 RIURZX 5.5 感 应 电 动 机 参 数 的 测 定 短 路 特 性1k 1k,I P二 、 堵 转 试 验1.试 验 目 的 ： 确 定 感 应 电 动 机 的 漏 阻 抗 。1U 等 效 电 路2. 参 数 计 算 2 21kk k k k k21k 1 1km 2 2k 1 1 k km 2j j1 2U PZ , R , X Z RI m IX (R jX )Z R jX R XR j(X X ) 22 mk 1 2 2 22 m 22 22 2 2 mk 1 m 2 22 m 2( )( )XR R R R X XR X X XX X X R X X 返 回转 矩 转 差 率 特 性 曲 线 如 图 5 25 所 示 。 2 211e 2 2s 21 1 2RUm sT RR c X cXs 5.6 感 应 电 动 机 的 转 矩 转 差 率 曲 线一 、 转 矩 转 差 率 特 性二 、 最 大 转 矩 和 起 动 转 矩 1. 最 大 转 矩 2. 起 动 转 矩 2 2m 2 2 1 21 1 22 21 1 1 1max 2 2s s 1 21 1 1 2( ) 2 ( )2 ( ) cR Rs X XR X cXm U m UT X Xc R R X cX 21 1 2st 2 2s 1 2 1 2( ) ( )m U RT R cR X cX 3. 讨 论l 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 ；l 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 ；l 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 。 例 题 返 回 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 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 绕 组 滑 环轴 承返 回感 应 电 动 机 的 空 载 磁 动 势 和 磁 场BmFm 返 回A CB X Y Z ns nFe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nsn sn s n n s( )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22ie22ie nTe 转 子 磁 动 势 波 F2气 隙 磁 场 Bm转 子nTe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1F m m( )B sn mFmI 2I 290 n ABCX YZsn ax 2FI2 1I2F返 回1f1R 1X 2Rn1U 1I 1E I2s2sX2f2sE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1f 1f 返 回R1 X1 0n1U 1I 1E 2Im N kw1 1 1, m ,N kw2 2 21 s Rs 2X22E R21R 1X返 回2R0n1U 1I 1E 2 1E E 2I111, kwNm 111, kwNm 21 Rs s 2X频 率 和 绕 组 归 算 后 感 应 电 动 机 的 定 、 转 子 电 路 图1R返 回1X 2X 2RRm1I 2I 21 Rs s 1U mI Xm 1 2E E 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 2cR1R 返 回2cX 1X 21 sc RsmcZ1U 1I 2ImI 返 回1P Pe P 2PpCu1 pCu2pFe p p 感 应 电 动 机 的 功 率 图转 矩 转 差 率 特 性 曲 线 返 回maxT返 回1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 300250200150100 50 0 12R22R32R42R12223242 RRRR 转 子 电 阻 变 化 时 的 Te-s曲 线1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1n返 回sn A eT02 TT eT0感 应 电 动 机 的 转 矩 -转 速 特 性返 回2 /kWP24201612 8 4 01210 8 6 4 2 01.000.950.900.850.800.7501AI %s snnn 1I s感 应 电 动 机 的 e 1N ,cosTT 返 回0.10.80.60.40.20100 80 60 40 20 02 4 6 8 10 12eNTT1cos% 2 / kWP感 应 电 动 机 的 e 1 2N , ,cos ( )T f PT 例 51 有 一 台 50H z的 感 应 电 动 机 ， 其 额 定 转 速 nN 730r min， 试 求 该 机 的 额 定 转 差 率 解 ： s = (ns-nN) /ns = 750-730/750=0.02667 例 5-2 有 一 台 50H Z、 三 相 、 四 极 的 感 应 电 动 机 转 子 的 转差 率 s=5%， 试 求 ：（ 1） 转 子 电 流 的 频 率 ；（ 2） 转 子 磁 动 势 相 对 于 转 子 的 转 速 ；（ 3） 转 子 磁 动 势 在 空 间 的 转 速 。 解 (1)转 子 电 流 的 频 率 f2 = sf1 =0.05 50=2.5H z (2)转 子 磁 动 势 相 对 于 转 子 的 转 速 n2=60f2/p=(60 2.5)/2=75r/min (3) 转 子 磁 动 势 在 空 间 的 转 速 n2 + n = n2+ns(1-s)=1500r/min例 53 已 知 一 台 三 相 四 极 的 笼 型 感 应 电 动 机 ， 额 定 功 率 PN l0kW， 额 定 电 压 UN 380V(三 角 形 联 结 )， 定子 每 相 电 阻 R1=1.33,漏 抗 X1 2.43， 转 子 电 阻 的归 算 值 R2=1.12， 漏 抗 归 算 值 X2=4.4， 激 磁 阻抗 Rm 712， Xm 900， 电 动 机 的 机 械 损 耗 p=100W， 额 定 负 载 时 的 杂 散 损 耗 p=100W。 试求 额 定 负 载 时 电 动 机 的 转 速 ， 电 磁 转 矩 ， 输 出 转 矩 ，定 子 和 转 子 相 电 流 ， 定 子 功 率 因 数 和 电 动 机 的 效 率 。19.87A11.47A3定 子 线 电 流 为 A29.4311.47Aj13.8527.53j2.431.33 0380ZZ ZZZ UI :为I于 是 定 子 相 电 流 j13.85)(27.5326.730.82j907j14.435 85.5590.2787.1635.2ZZ ZZ 的 并 联 值 是 ：与 ZZ 85.5590.27j90)(7jXRZ激 磁 阻 抗 ： 87.1635.2j4.4)35j4.4)0.0321.12(jXsRZ ：， 则 转 子 的 等 效 阻 抗 为0.032(试 探 值 ）s设 额 定 负 载 时 的 转 差 率输 入 功 率（ 1） 定 子 电 流 和 定 子解m2 m21 11 1m2 m2 m2 mmm 222 N 定 子 功 率 因 数 为 ：（ 2） 转 子 电 流 和 激 磁 电 流 WIU 11389cos3P 871.043.29coscos 1111 1 m2 1 m 22m 1 m 2Z 90.27I I 11.47 10.02AZ Z 103.32Z 35.28I I 11.47 3.917AZ Z 103.32 （ 3） 定 ， 转 子 损 耗2 2Cu1 1 12 2Fe m m2 2Cu2 2 2Cu1 Fe 3 3 11.47 1.33 524.9W3 3 3.917 7 322.2W3 3 10.02 1.12 337.3W1384.4W p I Rp I Rp I Rp p p p p2 11 (11389 1384.4) 10004W1384.4 1 1 87.84%11389 p p ppp（ 4） 输 出 功 率 和 效 率（ 5） 额 定 负 载 时 的 转 速（ 6） 电 磁 转 矩 和 输 出 转 矩N s N(1 ) 1500 (1 0.032)r/min 1452r/min n n s 2 2 2 2t 22 13 3 10.02 (1 0.032) 35 10204W2n 2 1452 152.1rad/s60 6010204 67.1N m152.110004 65.79N m152.1 sp I RspT pT例 54 一 台 四 极 、 380V、 三 角 形 联 结 的 感 应 电 动 机 ， 其参 数 为 1=4.47， 2 = 3.18， X1= 6.7，X2= 9.85， X = 188, m忽 略 不 计 。 试 求 该 电动 机 的 最 大 转 矩 max及 临 界 转 差 ， 起 动 电 流 Ist及 起 动 转 矩 st。 1m 2m 2 2 2 21 1 2 21 1max 2 21 1 1 1 2 22 26.71 1 1.036188 1.036 3.18 0.1884(X ) 4.47 (6.7 1.036 9.85)2 ( c ) 3 3801500 2 1.0364.47 4.47 (6.7 1.036 9.85) 2 6060.61N m Xc X cRs R cXm UT c R R X X解 ：起 动 时 s=1， 起 动 电 流 和 起 动 转 矩 分 别 为 ： mN 25.34 9.85)1.036(6.73.18)1.036(4.47 3.183806015002 3 )Xc(X)Rc(R RUmT 20.43AA9.85)1.036(6.73.18)1.036(4.47 380 )Xc(X)Rc(R UI222 221221 221s1st 22221221 1st