异步电机的理论分析与运行特性.ppt

第六章异步电机的理论分析与运行特性,第一节异步电动机的基本结构,三相异步电动机由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两个基本部分构成。一、定子定子铁芯：起导磁作用。为减小铁芯损耗，采用0.350.5mm硅钢片冲制、涂漆、叠压而成，内圆均匀开槽，用于嵌放定子三相绕组。定子绕组：起导电作用。漆包线绕制线圈，若干线圈按一定规律连接成三相对称绕组，定子三相绕组可以接成星形或三角形。机座：起支撑和固定作用。中小型电机采用铸铁或铸铝机座，大电机的机座由钢板焊接而成。,三相异步电动机定子绕组接法,联接方式对电机参数的影响,星形接法：,三角形接法：,二、转子铁芯：起导磁作用。硅钢片冲制、涂漆、叠压而成，外圆开槽，用于嵌放转子绕组。绕组：起导电作用，分为鼠笼型和绕线型两种。相应的电机称为笼型转子异步电动机和绕线转子异步电动机。笼型绕组：用铝浇铸而成或用铜条焊接而成，所有导条都通过端环自行形成闭合回路。绕线型绕组：铜线绕成的三相对称绕组，星形接法，通过集电环引出，可自成回路也可通过外电阻形成闭合回路。,绕线型转子的外形结构,绕线转子异步电动机转子绕组结构示意图,1、型号：如：Y160Ll-42、额定功率PN：电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率，单位：W或kW。3、额定电压UN：电动机额定运行时，加在定子绕组应加的线电压，单位：V或kV。4、额定电流IN：电动机在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的线电流，单位：A。5、额定频率f：我国规定电网工频为50Hz。6、额定转速nN：额定状态下运行时的转子转速，单位：r/min。,三、异步电动机的额定参数,1、电动机转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势E20,电磁力F,异步电动机基本知识,2、空载电流和空载磁动势,异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。由于转子的电流几乎为0，所以，旋转磁场主要是由空载电流建立的。这和变压器的空载磁场主要由原边的电流建立是一样的。,尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：,1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场.,4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大.,5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1.,一、异步电机的运行状态正常情况下，异步电机的转子转速n与气隙旋转磁场的转速n1之间总有一定的差值（n1n）。定义转差率,第二节异步电机的运行状态和磁场,异步电机负载变化时，转子导体内的感应电动势、电流和电磁转矩相应变化，转子转速和转差率也随之变化。转差率是反映异步电机运行状态的重要变量，按照转差率的大小和正负，异步电机可分为电动机运行、发电机运行和电磁制动三种状态。,1、电动机运行特点：电磁力Fe、转速n与n1同方向。nn1，s1，Fe与n反方向。,二、异步电机的磁场,定子磁场相对定子转速,转子电流频率,转子磁场相对转子转速,转子磁场相对定子转速为,结论：定、转子电流产生的磁场转速相同，在空间上相对静止，与转子转速无关。,1、主磁通：基波磁动势产生的互磁通。特点：同时交链定子绕组和转子绕组，并同时在定子绕组和转子绕组内感应出电动势。主磁通和转子感应电流相互作用产生有用的电磁转矩，并实现机电能量转换。,主磁路构成：定子磁轭定子齿（2段）空气隙（2段）转子齿（2段）转子磁轭,2、漏磁通：除主磁通之外的磁通。定子电流和转子电流分别产生：槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通。,定子槽漏磁通和端部漏磁通只与定子绕组交链，不与转子绕组交链，不传递能量。,谐波磁通虽然同时与定子绕组和转子绕组交链，但谐波磁通与转子电流相互作用产生的是有害的附加转矩，所以把谐波磁通归为漏磁通。,定子电压平衡,转子电压平衡,气隙磁动势平衡,异步电动机的电磁关系,第三节三相异步电机的等效电路,一、转子不动时的异步电机由于转子绕组是短路的，从电路分析角度看，转子不动时异步电机的电路与次级短路时变压器的电路方程相似，变压器的一次绕组相当于异步电机的定子绕组，二次绕组相当于异步电机的转子绕组。分析方法：类比法，即根据三相异步电机内部的电磁关系和变压器类似的特点，在研究异步电机等效电路时，可借助于变压器的电磁理论。,1、电压平衡式,注意：转子绕组相数可以不等于定子绕组相数！但是它们产生的磁场的极对数必须相等。,与变压器类似，当定子外加电压U1一定时，E1基本不变，从而决定了气隙基波磁通m和励磁电流Im也基本不变。气隙磁通由定子电流和转子电流共同产生，虽然定转子电流随负载而变化，但它们应满足磁动势平衡式F1+F2=Fm。,转子绕组磁动势：,合成磁动势：,定子绕组磁动势：,2、磁动势平衡式,3、绕组归算,定子、转子的相数、有效匝数不同，为建立等效电路，需要进行绕组归算，一般将转子方面的各物理量归算到定子方面。电流的归算：归算前后转子磁动势保持不变,电流变比：,电动势的归算：归算前后转子视在功率保持不变,电压变比：,阻抗的归算：归算前后转子铜耗保持不变,阻抗变比：,笼型转子绕组的参数：相数：等于每对极的导条数，m2=Z2/p。每相串联匝数：N2=1/2。则笼型转子电机绕组归算的变比为：,电压变比：,阻抗变比：,电流变比：,二、转子转动后的异步电机,1、转子转动后对转子各物理量的影响由于f2=sf1，转子转动后，转子回路频率发生变化，转子感应电动势和转子漏抗也发生变化。,转子电动势：,转子漏抗：,转子转动后转子回路电压平衡式：,2、频率归算,转子转动后，转子回路参数的频率f2=sf1，与定子回路参数频率f1不同。为实现定转子参数间的运算，需要把转子频率变换成与定子相同的频率。由于转子不动时的频率与定子相同，所以频率归算后的转子是静止的。原则：归算前后转子电流的大小和相位不变。,分子分母同除以s并整理得：,从上式可以看出，频率归算后转子回路的电阻可以分解为两个分量，除了转子实际电阻r2外，还有一个附加的电阻r2(1-s)/s。由于实际转子是旋转的，有机械功率输出，而归算后的转子是静止的，没有机械功率输出，该附加电阻上的电功率正好模拟了转子总的机械功率。,3、基本方程式和等效电路,为构成等效电路，转子参数经过频率归算后还应该进行绕组归算，将转子参数归算到定子侧。归算后的异步电动机的基本方程为：,从上图可以看出：异步电机的等效电路与变压器带纯电阻负载的等效电路相似；转子不动的异步电机等效电路与变压器短路的等效电路相似；理想空载的异步电机等效电路与变压器空载的等效电路相似。,4、相量图,注意：异步电机的定子电流总是滞后于定子电压，异步电机正常运行时必须从电源输入感性无功功率。,第四节异步电机的参数,一、异步电机等效电路参数的测定1、r1：用电桥测量后换算到标准温度时的值。2、rm、xm：通过空载实验测得的数据计算。,实验方法：f=fN、nn1时，电压从U=(1.11.2)UN开始下调到0.3UN左右，测量空载特性曲线I0=f(U1)和P0=f(U1)。,空载输入总功率,由于铁耗近似与电压平方成正比，而机械损耗与电压无关，可通过，将pFe和pmec分离，如图所示。,铁耗和机械损耗之和为,空载实验时，s0，转子可认为是开路的，根据U1=UN时的数据，可求出励磁阻抗：励磁电阻,空载总阻抗为,励磁电抗为,：通过短路（堵转）实验测得的数据计算。实验方法：在转子不动的情况下，调节外加电压，使短路电流由1.2IN逐渐减小到0.3IN，画出短路特性曲线Ik=f(Uk)和Pk=f(Uk)。,根据短路实验查出Ik=IN时的数据，则短路阻抗为：,异步电机堵转时的等效电路如图所示，由于短路实验所加电压较低，铁耗可以忽略不计，即rm=0。由于存在气隙，异步机的励磁电流较大，励磁电抗虽然比转子漏抗大得多，但励磁回路也不宜开路。根据等效电路，短路阻抗：,整理得短路电阻和短路电抗分别为：,对于一般的异步电机，有，则：,代入短路阻抗表达式得：,则：,对于大型异步电机，激磁电抗远大于转子阻抗，可以把励磁回路看成是开路的，则：,等效电路中所有定子侧的参数均为实际值，由此算出的定子侧的量也是实际值；转子侧的参数均为归算值，由此算出的转子侧电动势、电流也是归算值，而不是实际值，但由于归算是在功率不变的条件下进行的，所以算出的转子有功功率、损耗和转矩均与实际值相同。,异步电机等效电路的简化根据T形等效电路，各条支路的电流为：,以上各式中的复系数,由于等效电路中各电阻远小于各电抗，如略去电阻，则该复系数可简化为实系数,转子电流可简化为：,则求转子电流的近似等效电路为：,根据T形等效电路和转子电流近似计算公式，定子电流可表示为：,整理得：,则求定子电流的近似等效电路为：,容量较大的异步电机，由于x1TZ，电动机才能起动。一般异步电动机的Kst=1.02.0。,思考1：如何获得最大的起动转矩？可在转子回路中串入合适的电阻，使得Tst=Tm，此时：,也就是,求得：,思考2：所串电阻是否越大越好？此时再增大所串的电阻，起动转矩反而减小。,3、电磁转矩的简化计算公式如取c1=1，则电磁转矩和最大转矩可简化为,展开得：,将代入得：,一般情况下有,上式可进一步简化为：,若已知Tm和sk，可方便地求出s所对应的T。,其中Tm可由Tm=KmTN和TN=9.55PN/nN求得。,在额定情况下,解得：,异步电机在额定负载以下运行时s/skTL时，电动机处于加速状态，TTL时，电动机处于减速状态，这两种状态都不是稳定运行状态，只有T=TL时，电动机所受力矩平衡，才有可能稳定运行。,静态稳定运行的概念：能经受微小干扰的受力平衡。静态稳定运行的条件：,第七节异步电动机的工作特性,工作特性：在外加电压大小和频率一定的条件下，转速n、输出转矩T2、定子电流I1、定子功率因数cos1、效率等量与输出功率P2之间的关系。,