山东大学感应电机原理课件.ppt

电动机 第1节电动机的分类第2节感应电机的结构第3节感应电机的工作原理和运行状态第4节三相感应电动机的磁动势和磁场第5节三相感应电动机的基本方程 相量图和等效电路第6节感应电动机的功率关系 功率方程和转矩方程第7节感应电机的应用 电动机的分类 1 按工作电源分类根据电动机工作电源的不同 可分为直流电动机和交流电动机 2 按结构及工作原理分类可分为直流电动机 异步电动机和同步电动机 同步电动机还可分为永磁同步电动机 磁阻同步电动机和磁滞同步电动机 异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机 感应电动机又分为三相异步电动机 单相异步电动机和罩极异步电动机等 交流换向器电动机又分为单相串励电动机 交直流两用电动机和推斥电动机 直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机 有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机 电磁直流电动机又分为串励直流电动机 并励直流电动机 他励直流电动机和复励直流电动机 永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机 铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机 3 按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机 驱动用电动机又分为电动工具 包括钻孔 抛光 磨光 开槽 切割 扩孔等工具 用电动机 家电 包括洗衣机 电风扇 电冰箱 空调器 录音机 录像机 影碟机 吸尘器 照相机 电吹风 电动剃须刀等 用电动机及其它通用小型机械设备 包括各种小型机床 小型机械 医疗器械 电子仪器等 用电动机 感应电机的结构 感应电机主要由静止的定子和转动的转子两大部分组成 定 转子之间有一很小的空气隙 一 定子 a 半闭口槽 b 半开口槽 c 开口槽感应电动机的定子槽形 定子铁心是主磁路的一部分 铁心由0 5mm厚的硅钢片叠成 在定子铁心内圆上有均匀分布的槽 用来嵌放定子绕组 定子铁心采用的槽形主要有 半闭口槽 半开口槽和开口槽 定子铁心 定子铁心 定子冲片 成型线圈 感应电机的结构 三相定子绕组可接成星形接法或三角形接法 a 星形接法 b 三角形接法感应电动机接线板 感应电机的结构 二 转子 转子由转子铁心 转子绕组和转轴等组成 转子绕组也是电路的一部分 有鼠笼式和绕线式两种形式 根据加工工艺的不同 鼠笼转子分为铸铝式和焊接式两种 鼠笼式焊接转子 b 鼠笼式铸铝转子鼠笼转子 感应电机的结构 绕线式转子绕组和定子绕组相似 在转子槽内嵌有三相绕组 通过滑环 电刷与外部接通 绕线式转子 鼠笼型转子铁心 铸铝式鼠笼绕组 鼠笼转子 绕线式转子铁心 绕线式电机转子 轴 转子冲片 一 感应电动机的工作原理 感应电机的工作原理和运行状态 感应电动机工作原理 感应电动机工作原理是建立在电磁感应定律和电磁力定律基础上 三相对称绕组 三相对称电源 三相对称电流 圆形旋转磁动势 圆形旋转磁场 切割转子导体产生感应电动势 产生转子电流 电流在磁场中受力 产生电磁转矩 转子旋转 驱动负载旋转 电能转换为机械能 上述是基于力的分析 形式上实现电能到机械能的转化 也可以用直接能量转化的方法来解释电能到机械能的变换 我们可以假想能量是一种流体的运动 类似于水的运动 而承载能量的是磁场 类似于河道 形象上可以理解为定转子之间的气隙 在电机运行过程中 磁场储能基本不发生变化 类似于河道基本不发生什么变化 但是磁场所传递的能量却可以发生变化 类似于水流量的大小 假设现在电机处于负载状态 则定子侧传递的能量在气隙中流动 推动转子运动 类似于水轮机 将电能转化为机械能 上述内容纯属虚构 当转子作微小的角位移 既可以是实际的角位移 也可以是设想的角位移 时 如果系统的磁能同时发生变化 则转子上将受到电磁转矩的作用 二 感应电机的运行状态 设感应电机的转速为n 旋转磁场的转速为同步速ns 二者之间的相对速度称为转差速度 定义转差速度与同步速之比为转差率s 感应电机的工作原理和运行状态 转差率是感应电机的一个重要参数 根据其正负和大小可以判断电机的运行状态 感应电机的运行状态分为电动机运行状态 发电机运行状态和电磁制动运行状态三种 感应电机的工作原理和运行状态 感应电机的三种运行状态 三 感应电动机的额定值 感应电动机的额定值及有关技术数据主要有 感应电机的工作原理和运行状态 1 额定功率 指额定运行时输出的机械功率 单位为W或kW 2 额定电压 指额定运行状态下定子绕组应加的线电压 单位为V或kV 3 额定电流 指额定电压和额定功率下运行时的定子绕组线电流 单位为A或kA 4 额定频率 指电动机供电电压的频率 我国规定工频为50Hz 5 额定转速 指电机额定运行时的转速 单位为r min 除此以外 铭牌上还标出额定运行状态下的功率因数 效率 相数 接线方式和温升等 对绕线式电机 还应标出定子外加额定电压时的转子开路电压和转子额定电流等 对于三相感应电动机 额定功率为 感应电机的工作原理和运行状态 式中 分别为额定运行时的功率因数和效率 本节分析空载和负载时感应电机的磁动势和磁场 一 空载运行时的磁动势和磁场 三相感应电动机的磁动势和磁场 1 空载磁动势和空载电流 感应电动机空载时 将定子绕组接至对称三相电压 便有对称三相电流在定子绕组中流过 该电流称为空载电流 若不计谐波磁动势 则该定子电流建立一基波旋转磁动势F1 其幅值为 在F1作用下产生气隙磁场Bm Bm沿气隙圆周正弦分布并以同步转速旋转 三相感应电动机的磁动势和磁场 空载运行时定子磁动势F1近似为产生气隙主磁场的激磁磁动势Fm 空载电流近似等于激磁电流 空载磁动势和磁场 空载电流包括两部分 绝大部分是用来产生旋转磁场 称为磁化电流 为无功分量 小部分用以供给空载损耗 为有功分量 三相感应电动机的磁动势和磁场 2 主磁通 定子漏磁通和感应电动势 根据磁通通过的路径的不同 将磁通分为两部分 主磁通和漏磁通 由基波旋转磁动势产生的通过气隙并与定子绕组和转子绕组同时交链的磁通称为主磁通 主磁通为每极下的磁通量 用表示 四极感应电机主磁通分布图 三相感应电动机的磁动势和磁场 定子三相电流除产生主磁通外 还产生仅与定子绕组交链而不与转子绕组交链的磁通称为定子漏磁通 用表示 漏磁通包括三部分 即槽漏磁通 端部漏磁通和谐波漏磁通 槽漏磁通和端部漏磁通 主磁路主要由定 转子铁心和气隙组成是一个非线性磁路 受磁路饱和程度影响较大 而漏磁路的磁阻可认为是常值 感应电动机空载运行时的电磁关系如下图所示 三相感应电动机的磁动势和磁场 感应电动机空载运行时的电磁关系 主磁通在定子中感应出对称三相感应电动势 其表达式为 三相感应电动机的磁动势和磁场 漏磁通将在定子三相绕组中感应的电动势 其表达式为 二 负载运行时的磁动势和磁场 当感应电动机带负载时 转速低于空载转速 因而定子旋转磁场与转子的相对速度增加 转子感应电动势增大 电机内部电磁关系发生变化 三相感应电动机的磁动势和磁场 1 负载时的转子磁动势 感应电动机负载运行时转子绕组中产生感应电动势 进而产生转子电流 产生转子磁动势F2 转子感应电动势的频率为 分析可知F1与F2转速相等 转向相同 在空间始终保持相对静止 感应电机在任何转速下均能产生恒定的电磁转矩 感应电机负载时气隙内的磁场由定 转子磁动势共同产生的 当负载运行时 转子磁动势除了与定子磁动势共同产生主磁场外 还产生仅与转子绕组交链的漏磁通 转子漏磁通也包括槽漏磁通 端部漏磁通和谐波漏磁通三种 三相感应电动机的磁动势和磁场 2 转子反应 负载时感应电动机转子磁动势对气隙磁场的影响称为转子反应 负载后定子电流中除激磁分量外 还有一个补偿转子磁动势的负载分量 所产生的磁动势F1L与转子磁动势F2大小相等 方向相反 以维持气隙内主磁通基本不变 负载变化对定子的影响是通过F2起作用的 三相感应电动机的磁动势和磁场 即F1L F2 转子磁动势与主磁场相互作用产生电磁转矩 绕线式电机的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为 三相感应电动机的磁动势和磁场 绕线式电机的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为 三相感应电动机的磁动势和磁场 笼型电动机的的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为 三相感应电动机的磁动势和磁场 笼型电动机的的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为 三相感应电动机的磁动势和磁场 3 负载运行时的电磁关系 感应电动机负载运行时的电磁关系 三相感应电动机的磁动势和磁场 三 激磁阻抗及漏抗 与变压器中的分析方法类似 引入激磁阻抗表征主磁通对电路的电磁效应 则定子感应电动势与激磁电流之间具有以下关系 定 转子漏磁通感应电势与定 转子电流之间有以下关系 电动机的基本方程 相量图和等效电路 磁动势方程 即负载时的定子磁动势可分为两部分 一部分是用来产生主磁通的激磁磁动势Fm 另一部分用来抵消转子磁动势的负载分量 F2 考虑到 电动机的基本方程 相量图和等效电路 为归算到定子边的转子电流 则 或 电动机的基本方程 相量图和等效电路 磁动势矢量图及电流相量图 该图为感应电动机的磁动势矢量图和电流相量图 考虑转子漏阻抗时 转子磁动势F2滞后于激磁磁场Bm的角度为 电动机的基本方程 相量图和等效电路 二 电压方程 感应电动机负载运行时 主磁通分别在定 转子绕组中产生感应电动势 定 转子漏磁通分别在定 转子绕组中产生漏电动势 定 转子绕组电阻分别产生电阻压降 和 电动机的基本方程 相量图和等效电路 采用变压器中各物理量正方向的规定 根据基尔霍夫第二定律可分别列写出定 转子电路的电压方程式 或 式中 电动机的基本方程 相量图和等效电路 将转子电路中与频率有关的物理量都注有下标s 用以表示转子转动时的参数 它们与转差率的关系为 则定 转子电路的电压平衡方程式可改写为 电动机的基本方程 相量图和等效电路 a 定子等效电路 b 转子等效电路定 转子等效电路 电动机的基本方程 相量图和等效电路 三 感应电动机的等效电路及相量图 定 转子耦合电路示意图 由上图可见定 转子电路之间只有磁的耦合 没有电的联系需要进行相应的频率和绕组归算 即把一个电路归算到另一个电路中去 通常将转子侧物理量归算到定子侧 电动机的基本方程 相量图和等效电路 1 频率归算 频率归算是指在保持电磁系统的电磁性能不变的前提下 把一种频率的物理量换算成另一种频率的物理量 对感应电机进行频率的归算是将转子电路的频率归算成定子电路的频率 要使转子电路的频率等于定子电路的频率 应该用一个静止的转子代替实际转动的转子 电动机的基本方程 相量图和等效电路 静止电动机定 转子耦合电路示意图 电阻为表征机械功率的电阻 电动机的基本方程 相量图和等效电路 2 绕组归算 对感应电机进行了频率归算后 虽然解决了定 转子频率不同的问题 但不能把定 转子电路连接起来 因此还要像变压器中那样进行绕组归算 在归算中必须保证归算前后转子的电磁效应不变 归算后转子各物理量斜上方标 符号 由归算前后转子磁动势不变得 电动机的基本方程 相量图和等效电路 归算后转子电流为 由感应电动势与匝数 绕组因数的关系得 由归算前后转子铜耗和漏磁场储能保持不变得 则 电动机的基本方程 相量图和等效电路 经过绕组归算 可得到转子各物理量的归算值 经频率和绕组归算后 感应电动机的基本方程为 电动机的基本方程 相量图和等效电路 归算后的定 转子等效电路 电动机的基本方程 相量图和等效电路 3 感应电机的等效电路 归算后 可将定 转子电路连接在一起 所得等效电路称为 T 型等效电路 感应电动机的 T 型等效电路 电动机的基本方程 相量图和等效电路 由等效电路可得 式中 为转子等效阻抗 为修正系数 电动机的基本方程 相量图和等效电路 对 T 型等效电路简化后可得到感应电动机的 型等效电路 感应电动机的 型等效电路 可取 电动机的基本方程 相量图和等效电路 4 感应电机的相量图 相量图画法如下 感应电动机的相量图 感应电动功率关系 功率方程和转矩方程 感应电动机从外部电源吸收电能 经电磁作用转换为转子轴上的机械能 本节将依据等效电路分析其能量关系 推出功率方程和转矩方程 一 功率关系 感应电动机功率流程图 感应电动功率关系 功率方程和转矩方程 二 功率方程 根据上述功率转换过程 可得到感应电动机的功率方程式如下 利用各种电阻上的损耗来表示 等效电路表示各种功率 感应电动功率关系 功率方程和转矩方程 由上图可知 经推到得 上式表明 电磁功率的s部分转换为转子铜耗 1 s部分转换为机械功率 转子铜损耗等于电磁功率与转差率的乘积 式中 为电磁转矩 为输出转矩 为空载转矩 感应电动功率关系 功率方程和转矩方程 三 转矩方程 将功率方程两端同除于机械角速度得转矩方程如下 由于则 可见上述两种方法均可计算电磁转矩 感应电动机的调速 由感应电动机转速表达式可知 感应电动机的调速方法有以下三种 一 变极调速 当改变定子绕组的极对数时 改变了旋转磁场的转速 即可改变电机的转速 若极对数增加一倍 则同步速下降一半 显然该调速方法只能做到一级一级地改变转速 属于有级调速 改变定子绕组接线 使每相的绕组中有一半绕组反向 即可实现变极 感应电动机的调速 a 连接图 b 展开图四极时一相绕组的连接 感应电动机的调速 a 连接图 b 展开图两极时一相绕组的连接 感应电动机的调速 二 变频调速 在变频调速时 通常希望电机的主磁通保持不变 则 电动机的最大转矩 额定转矩应为 此时电机的最大转矩和额定转矩都不变 感应电动机的调速 若变频前后电机的过载能力不变 则 定子电压应按照下列规律进行调节 根据各种生产机械的不同要求 常采用恒转矩调速和恒功率调速两种方法 下面分别讨论它们所对应的电压调节规律 由 得 感应电动机的调速 1 恒转矩变频调速 恒转矩调速是指整个调速过程中电机的输出转矩维持恒定 可得 恒转矩变频调速时电机的最大转矩保持不变 2 恒功率变频调速 由 得 最大转矩将随频率的上升而下降 转速在额定值以下时 适合恒转矩调速 在额定转速以上时 适合恒功率调速 变压变频的实现 三相电压型桥式逆变电路 电流型三相桥式逆变电路 三相桥式PWM型逆变电路 同步调制三相PWM波形 感应电动机的调速 三 改变转差率调速 改变转差率实现调速的方法有多种 下面介绍几种常用的方法 1 改变定子电压调速 改变定子电压调速 这种调速方法的调速范围小 且轻载时几乎没有调节作用 电机在额定负载下降压时 电机电流将高于额定值 使电机过载运行 主要用于拖动风机类负载的小型感应电动机 感应电动机的调速 2 转子串电阻调速 这种调速方法仅适用于绕线式感应电动机 改变转子电阻调速 此种调速方法的优点是 初期投资小 方法简单 调速范围较宽广 缺点是 串入电阻越大 能量损耗越大 且机械特性斜率加大 动态精度变差 主要用于起重机等场合 感应电机的应用 电机型号 永磁同步电动机 正弦波永磁同步电动机具有正弦波的感应电动势波形和绕组电流波形 其运行原理 分析方法等与普通电励磁同步电动机基本相同 只是用永磁体取代了电励磁同步电动机中的转子励磁绕组 正弦波永磁同步电动机通过矢量控制可以获得很高的静态和动态性能 而且具有体积小 重量轻 效率高 转子无发热问题 控制系统也较简单 转矩脉动小 因此在高性能伺服驱动领域得到了广泛应用 尤其是在控制机床 工业小机器人等小功率场合