电机学-—-第五章-异步电机.ppt
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1、第五章 异步电机 5.1 5.1 5.1 5.1 概述概述概述概述5.2 5.2 5.2 5.2 三相异步电动机的运行原理三相异步电动机的运行原理三相异步电动机的运行原理三相异步电动机的运行原理5.3 5.3 5.3 5.3 三相异步电动机的运行特性三相异步电动机的运行特性三相异步电动机的运行特性三相异步电动机的运行特性5.4 5.4 5.4 5.4 三相异步电动机的启动与调速三相异步电动机的启动与调速三相异步电动机的启动与调速三相异步电动机的启动与调速5.5 5.5 5.5 5.5 单相异步电动机单相异步电动机单相异步电动机单相异步电动机5.6 5.6 5.6 5.6 特殊用途的异步电机特殊
2、用途的异步电机特殊用途的异步电机特殊用途的异步电机本章要求:本章要求:本章要求:本章要求:1、了解异步电机的基本类型和基本结构;、了解异步电机的基本类型和基本结构;2、理解异步电机的基本工作原理、额定值;、理解异步电机的基本工作原理、额定值;3、掌握异步电机等效电路、工作特性、参数测定;、掌握异步电机等效电路、工作特性、参数测定;4、掌握异步机的功率、转矩平衡方程式、电磁转矩、掌握异步机的功率、转矩平衡方程式、电磁转矩三种表达式;三种表达式;5、掌握三相异步电动机的起动、制动、调速;、掌握三相异步电动机的起动、制动、调速;6、了解三相异步电动机不对称运行及单相异步电动、了解三相异步电动机不对称
3、运行及单相异步电动机。机。第五章 异步电机 5.1 5.1 概述概述 vv基本类型和基本结构基本类型和基本结构 vv基本工作原理基本工作原理vv额定值额定值 一、基本类型和基本结构一、基本类型和基本结构异步电机外形图异步电机结构图异步电机主要作电动机使用。主要优点:结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用,有较高的效率和相当好的工作特性。缺点:目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速,以及它必须从电网吸收滞后的无功功率。分类:1.定子定子铁心:电机主磁路的组成部分,并嵌放定子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组,在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。定子铁心
4、的槽形主要有三种:半闭口槽适用于小型异步电机,其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适用于低压中型异步电机,其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电机,其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。定子绕组:构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。机座:固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。2.转子转子铁心:电机主磁路的组成部分,并放置转子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成,在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。转子绕组:构成电路部分。有两种结构型式:笼型绕组和绕线型绕组。转轴:支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。笼型绕组:在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置
5、一根导体,在铁心两端放置两个端环,分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。这种笼型绕组一般为铝浇铸的,对中大型电机为减小损耗、提高效率,往往采用铜条焊接而成。绕线型绕组:与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个滑环上,再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻,以改善电动机的起动性能、调节其转速。3.气隙定、转子之间的间隙,也是电机主磁路的组成部分。气隙大小对异步电机的性能影响很大。为了减小电机主磁路的磁阻,降低电机的励磁电流,提高电机的功率因数,气隙应尽可能小。异步电机气隙长度应为定、转子在运行
6、中不发生机械摩擦所允许的最小值。中、小型异步电机中,气隙长度一般为0.21.5mm。二、基本工作原理二、基本工作原理二、基本工作原理二、基本工作原理异步电机定子三相对称绕组接在三相对称交流电网上,转子绕组对称短路。定子绕组中流过三相对称电流,在气隙中产生基波旋转磁场。气隙旋转磁场在短路的转子绕组中感应电动势并产生电流,该电流与气隙中的旋转磁场相互作用产生电磁转矩,实现异步电机的运行。1.1.异步电机的转差率异步电机的转差率同步转速n1-定子绕组中流过频率为f1的三相对称电流,在气隙中产生的基波旋转磁场相对于定子绕组的转速为n1。该转速大小取决于电流的频率f1和绕组的极对数p,转向为从超前电流相
7、绕组转向滞后电流相绕组。转子转速n-转子的机械转速。转差率s-同步转速n1与转子转速n之差对同步转速n1之比值异步电机的转子可以是带负载机,也可以是由原动机驱动,在不同的转子外部条件下,异步电机将运行于不同的转速和不同的转差率,对应不同的运行状态。根据转差率的正负、大小,异步电机分别对应于电动机、发电机、电磁制动等三种不同运行状态。1)0ns0:电动机状态转子侧:Tem与n同转向,Tem为驱动转矩,Tem0,发出机械功率定子侧:E1与I1的有功电流I1a反方向,E1I1an1s0:发电机状态转子侧:Tem与n反转向,Tem为制动转矩,Tem0,发出电功率此时,吸收机械功率发出电功率:发电机3)
8、n1:电磁制动状态转子侧:Tem与n反转向,Tem为制动转矩,Tem0,吸收机械功率定子侧:E1与I1的有功电流I1a反方向,E1I1a11s0s0n00nn1异步电机只有定子侧是外加电源的,转子侧的电动势和电流,均是由气隙旋转磁场感应产生的,因此称作为“感应电机”,而这一感应作用,只有在转子与气隙旋转磁场不同步,即“异步”转差率s不等于0的情况下,才可以产生,因此“感应电机”又称作“异步电机”。三、异步电动机的额定值三、异步电动机的额定值u额定功率PN:是转轴上输出的机械功率,单位为W或kW。u额定电压UN:施加在定子绕组上的线电压,单位为V。u额定电流IN:电动机在额定电压、额定频率下,轴
9、端输出额定功率时,定子绕组的线电流,单位为A。u额定频率fN:我国电网频率fN=50Hz。u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。u额定效率N。u额定功率因数cosN。三相异步电动机额定值之间的关系5.2 5.2 三相异步电动机的运行原理三相异步电动机的运行原理vv转子静止时的异步电机转子静止时的异步电机 vv转子旋转时的异步电机转子旋转时的异步电机vv异步电机等效电路的简化异步电机等效电路的简化vv异步电机的参数测定异步电机的参数测定vv笼型转子的参数计算笼型转子的参数计算一、转子静止时的异步电动机一、转子静止时的异步电动机1、转子绕组开
10、路、转子绕组开路在定子中通入对称的三相交流电,产生一个旋转的气隙磁场,这个旋转的磁场会同时切割定转子绕组,在两个绕组内产生相应的感应电动势;由于转子绕组开路,转子回路中没有电流。(4)瞬间位置:当A相电流达到正最大时,他所对应的磁动势也达到正最大。旋转磁场的磁动势的特点:(1)幅值:(2)转向:顺时针转向,ABC(3)转速:相对于定子绕组旋转磁场同时切割定转子绕组,在定转子绕组内将会产生感应电动势E1、E2:感应电动势:感应电动势:定子、转子每相电动势之比叫电压变化,用ke表示,即:和 的相位关系:感应电动势总是滞后于产生它的磁通90。定子绕组A相轴线和转子a相轴线重合时,和同相位若转子a相轴
11、线滞后定子绕组A相轴线,滞后12角度。12电动势平衡关系电动势平衡关系定子绕组的漏磁通在定子绕组内也会产生一个电动势,称之为定子漏电动势,用表示,电压方程式为:一相绕组的漏阻抗一相绕组的漏阻抗等效电路与三相变压器空载时一样,异步电动机也能找出并联或串联的等值电路。电压平衡等式为转子回路电压方程式2、转子绕组短路、转子绕组短路将异步电动机转轴卡住,转子绕组短路,在定子方施加三相对称电压,此时称其为转子静止时的异步电机。定子三相对称绕组中,流过频率为f1的三相对称电流I1,产生圆形旋转基波磁动势F1,相对于定子绕组的转速为同步转速n1,n160f1/p,转向为从超前电流相绕组轴线转向滞后电流相绕组
12、轴线。定子旋转磁场切割转子绕组,产生频率为f2(f2pn1/60=f1)的三相对称感应电动势在闭合的转子绕组中产生三相对称电流I2产生圆形旋转基波磁动势F2,相对于转子绕组的转速为n2,n260f2/pn1,转向为从超前电流相绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线,即与定子旋转磁动势F1同转向。F2与F1同转速、同转向,故空间保持相对静止:n2n1实际电机气隙中的旋转磁场是由F2与F1共同建立的。F2与F1可以空间矢量合成为一等效励磁的磁动势Fm。即 Bm mu电动势平衡方程R1、R2和X1、X2分别为定、转子绕组的电阻和漏电抗。主磁通在定、转子绕组的感应电动势定、转子绕组电动势之比称为电动势变比ke
13、 由由于于定定、转转子子磁磁动动势势F F1 1与与F F2 2空空间间保保持持相相对对静静止止,故故可以合成为一等效的励磁磁动势:可以合成为一等效的励磁磁动势:u磁动势平衡方程式与电流变比I I1L1L称为定子电流的负载分量。在负载运行时,异步电称为定子电流的负载分量。在负载运行时,异步电动机定子电流动机定子电流I I1 1分成分成I I0 0和和I I1L1L两个分量:两个分量:I I0 0是励磁电流用于是励磁电流用于建立电机铁心中的主磁通建立电机铁心中的主磁通m m,I I1L1L是负载分量用于建立磁动是负载分量用于建立磁动势势F F1L1L去抵消二次侧磁势去抵消二次侧磁势F F2 2。
14、分别对定转子进行分析太过麻烦,异步电动机定、转子之间没有电路上的联结,只有磁路的联系,这点和变压器的情况相类似,所以在这里我们仍采用折算的方法,把转子折算到定子侧,用一个新转子,它的相数、每相串联匝数以及绕组系数都分别和定子的一样。定子的相数m1,每相串联匝数N1绕组系数kN1转子的相数m2,每相串联匝数N2绕组系数kN2新转子新转子的相数m1,每相串联匝数N1绕组系数kN1u绕组折算和等效电路折算的原则折算的原则:保证转子侧在折算前后对整个磁场的影响不能发生改变,即折算前后转子的总视在功率、有功功率、转子的铜耗和漏磁场储能均保持不变。1)电流的折算折算前折算后电流变比2)电动势的折算折算前折
15、算后电动势变比3)转子电阻的折算折算前折算前后电阻上消耗的功率不变折算后4)漏电抗的折算折算前后漏磁场的储能不变转子绕组的电压、感应电动势乘以电动势变比ke。转子绕组电流除以电流变比ki。转子绕组阻抗乘以电动势变比ke和电流变比ki。折算到定子方的方程式组为等效电路经折算后,同变压器类似,可得异步电动机在转子静止时的T型等效电路。uu转子旋转对转子侧各量的影响转子旋转对转子侧各量的影响转子旋转对转子侧各量的影响转子旋转对转子侧各量的影响(1 1)转子系统频率转子系统频率(2 2)转子相绕组感应电动势转子相绕组感应电动势(3 3)转子相绕组漏阻抗转子相绕组漏阻抗(4 4)转子相电流转子相电流二、
16、转子旋转时的异步电动机二、转子旋转时的异步电动机F1相对定子的转速:转子转速nRm,忽略,忽略Rm,并近似,并近似认为认为X1=X2。考虑到。考虑到X0=Xm+X1(空载试验空载试验),可推导出,可推导出 对对于于大大中中型型异异步步电电机机,由由于于Xm很很大大,励励磁磁支支路路可可以以近近似似认认为开路,这时为开路,这时 Rk=R1+R2 X1=X2=Xk2 交流绕组的相数是按绕组中电流的相位来确定的,即同一相绕组里的电流同相位,对于笼型转子,导条中电流的相位是怎样的呢?设转子总导条数为Z2(即转子槽数),它在转子圆周上均匀分布,导条两端被端环短路,整个结构是对称的。当一极对数为p的旋转磁
17、场Bm在气隙中旋转时,它依次切割转子各导条,于是构成了一个对称的Z2相电动势系统。各导条在气隙磁场的空间位置不同,所感应的电动势在时间上的相位是不相同的,相邻导条感应电动势的相位差为:五、笼型转子的相数和极对数五、笼型转子的相数和极对数 由于笼型转子绕组在结构上是对称的,每根导条的漏阻抗相同,因此每根导条中的电流落后于该导条的电动势2角,各导条的电流都不同相位,因而每一根导条就是独立的一相,即转子相数为:m2=Z2笼型转子相数等于转子导条数,即m2=Z2。每相只有一根导条,故匝数等于1/2匝,绕组系数为1,即N2=1/2,kN2=1。笼型转子的极对数始终等于定子的极对数p。Bm相相对对于于定定
18、子子转转速速为为n1,以以n2=(n1-n)转转速速切切割割转转子子导导条条。e2s与与Bm成成正正比比,故故e2s与与Bm波波过过零零点点相相同同,幅幅值值相相差差固固定定倍倍数数。每每根根导导条条功功率率因因数数角角为为2,导导条条中中电电流流i2s波波滞滞后后于于e2s波波2相相位位差差。转转子子磁磁动动势势F2亦亦为为正正弦弦波波,以以转转速速n1相对于定子旋转。相对于定子旋转。5.3 5.3 三相异步电动机的运行特性三相异步电动机的运行特性vv异步电动机的功率和转矩平衡方程式异步电动机的功率和转矩平衡方程式vv电磁转矩的三种表达方式电磁转矩的三种表达方式vv异步电动机的工作特性异步电
19、动机的工作特性异步电机的功率和损耗在异步电机的功率和损耗在T型等效电路中的反映如图所示型等效电路中的反映如图所示。一、一、异步电动机的功率和转矩平衡方程式1.功率平衡方程式功率平衡方程式名称符号计算公式输入电功率P1P1=m1U1I1cos1定子绕组铜耗pCu1pCu1=m1I12R1铁耗pFepFe=m1I02Rm,在正常运行时,异步电动机的转速接近同步转速,转子电流频率很低(0.52)Hz,转子铁耗可以忽略,因此异步电动机的铁耗可近似认为等于定子铁耗。电磁功率PemPem=P1-pCu1-pFe=pCu2+Pmec=m1I22R2s借助于气隙中旋转磁场由定子传递给转子的功率转子绕组铜耗pC
20、u2pCu2=m1I22R2=sPem总机械功率PmecPmec=Pem-pCu2=m1I22R2(1-s)s=(1-s)Pem机械损耗pmec包括轴承摩擦损耗和通风损耗,主要与转速有关附加损耗pad难以准确计算,通常估算约为电机额定功率的0.5%1%。输出机械功率P2转子轴上输出的机械功率整个功率传递过程的流程图整个功率传递过程的流程图输入功率输入功率电磁功率电磁功率输出功率输出功率机械损耗机械损耗+附加损耗附加损耗转子损耗转子损耗铁心损耗铁心损耗定子铜耗定子铜耗机械功率机械功率功率平衡方程为:功率平衡方程为:P1=Pem+pcu1+pFe Pem=pcu2+Pmec 机械功率平衡方程式:机
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- 电机 第五 异步电机
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