感应电机的稳态分析.ppt

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1、第五章 感应电机的稳态分析,一、感应电机的结构,5.1 三相异步电动机的工作原理及结构,1、定子定子铁芯-是磁路的一部分，为减小铁损耗通常用0.35或0.5mm的硅钢片制成，在定子铁芯的内园冲有用来放置绕组的槽。定子绕组-是电路的一部分，该绕组放在定子槽内，通三相电时产生旋转磁场，由漆包线组成。机座-主要用来固定定子和转子，由铸铁制成。,河北科技大学电气信息学院,2、转子,转子铁芯-与定子铁芯相同，区别仅在于槽开在外圆上，用来固定转子绕组。转子绕组-是进行能量转换的主要部分，根据结构又分为笼型转子和绕线转子。转轴-用来支撑转子旋转。3、气隙 感应电机的气隙较小，中小型电机一般为0.22mm，气

2、隙越小，产生同样的主磁通所需要的励磁电流就越小，功率因数就越高，但气隙也不能太小，否则容易扫堂。,河北科技大学电气信息学院,三相异步电机的结构,绕线转子异步电机剖面图 1转子绕组 2段盖 3轴承 4定子绕组 5转子 6定子 7集电环 8出线盒,河北科技大学电气信息学院,河北科技大学电气信息学院,河北科技大学电气信息学院,1、定子,由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。,河北科技大学电气信息学院,定子冲片,定子线圈,河北科技大学电气信息学院,铁心和机座,1）笼型绕组,河北科技大学电气信息学院,笼型转子,河北科技大学电气信息学院,绕线转子照片,河北科技大学电气信息学院,2）绕线型绕组,二、感应电机

3、的运行状态,1、旋转磁场的产生,旋转磁场 在三相对称绕组中通以三相对称电流，就可以产生旋转磁场（第四章已叙述）,河北科技大学电气信息学院,2、三相异步电动机的工作原理,当给定子绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速ns旋转的旋转磁场（即定子中产生的旋转磁场）。转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感生电流，该电流与旋转的磁场相互作用，使导条产生电磁力。于是转子就以n的转速跟着旋转磁场旋转。,河北科技大学电气信息学院,那么，n的大小如何呢？1）若，导体和旋转磁场之间就没有相对运动，转子不会受力，就不会旋转。2）若，在转子不受外力的情况下，不可能。3）只能是，那么又小

4、多少呢？引入转差率来衡量,它是表征感应电机运行状态的一个基本物理量根据其大小和方向，可确定感应电机的运行状态。1）电动机状态：当给定子通电后，产生同步旋转磁场，在转子中产生电磁转矩，使转子转动。将电能转换成机械能。,河北科技大学电气信息学院,2）发电机状态：若用原动机驱动转子使，此时转子上所产生的电磁转矩的方向与转子转动的方向相反，起制动作用，若继续以n的速度转动则需从轴上输入更大的功率。通过电磁感应，定子输出电功率。,3)制动状态：若由于其他原因是转子逆着旋转磁场的方向转动，此时转子所产生的电磁转矩的方向与转子的转向相反，起制动作用。,河北科技大学电气信息学院,河北科技大学电气信息学院,5.

5、2三相感应电动机的定子磁场,一、空载运行时的磁动势和磁场1、空载运行时的磁动势 当给定子对称绕组通三相对称电流时，定子绕组便产生了合成磁动势F1,由前述可知F1的旋转方向与三相电流的相序相同。在F1的作用下，产生主磁场Bm，并以ns的同步转速切割转子绕组，产生三相转子电动势和转子电流，空载时，转子电流很小，因此空载运行时，定子磁动势F1基本上就是产生气隙主磁场Bm的激磁磁动势Fm，对应的定子电流 就可近似认为是激磁电流,河北科技大学电气信息学院,2、主磁场和激磁阻抗,气隙中的主磁场以同步速度旋转时，主磁通 在定子绕组中产生感应电动势E1，,若主磁通的磁化曲线看作是线性的，即：此时上式可写成：,

6、Zm-激磁阻抗，表征铁芯磁化特性和铁耗的综 合参数Rm-激磁电阻，表征铁芯损耗的等效电阻Xm-激磁电抗，表征主磁场强弱的等效参数。,频率越高，气隙越小，Xm就越大，激磁电流Im就越小。,3、定子漏磁通和漏抗 定子磁动势F1除产生主磁通m外，还产生漏磁通1，它仅与定子绕组铰链而不进入转子绕组，根据其路径又分为槽漏磁通，端部漏磁通，谐波漏磁通，只管他们产生感应电动势，但由于不产生有用转矩，故将它们作为漏抗压降来处理。,河北科技大学电气信息学院,4、空载时电压方程,根据基尔霍夫第二定律,二、负载运行时的磁动势和磁场1、转子磁动势,当电动机带上负载时，空载转速n0下降到负载转速n，s增大，转子电流增大

7、，因此也就产生了转子磁动势F2，由于转子的转向与旋转磁场的转向相同，故F2和F1的方向相同，二者的相对转速为：,河北科技大学电气信息学院,在转子中产生的感应电动势和电流的频率为,转子电流产生的磁动势F2相对与转子的转速为,故F2在空间的转速（即相对于定子的转速）,可见无论转子的实际转速为多少，F2在空间的转速总是等于ns，并与定子磁动势保持相对静止，这是产生恒定电磁转矩的必要条件。,河北科技大学电气信息学院,2、转子反应,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，其作用为：1）使气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从而引起E1和I1变化，此时：,I1L所产生的磁动势F1L与F2应大小

8、相等，方向相反，以维持主磁通不变。即：,由于I1L的出现，电动机将从电源吸取一定的电功率。,河北科技大学电气信息学院,2）转子磁动势与主磁场相互作用产生电磁转矩，以带动轴上的负载转动。以上两个作用综合在一起，体现了机电能量转化的机理。,3）负载时磁动势方程,或改写成,其中：,为电动机的变流比,说明负载时定转子磁动势之和就是定子空载磁动势，起作用是用来产生气隙主磁场。,河北科技大学电气信息学院,4）转子漏磁通和转子漏抗,转子电流除产生转子磁动势F2和转子反应外，还将产生仅与转子绕组相铰链的转子漏磁通2，2在转子绕组中产生转子漏磁电动势，其大小为：,河北科技大学电气信息学院,5.3三相感应电动机的

9、电压方程和等效电路,一、电压方程1、定子电压方程：主磁场以f1的速度旋转时，在三相定子绕组里产生感应电动势，根据电工惯例和基尔霍夫定律可得：,2、转子电压方程 主磁场除了在定子绕组内产生 外，还在,河北科技大学电气信息学院,转子绕组内产生频率为f2的电动势E2，其大小为：,当转子不转（s=1）时：,为最大,可见：,由于转子绕组通常是短接的，故,转子电流的有效值和相角分别为：,(5-20),河北科技大学电气信息学院,归纳起来，各物理量的产生过程如下,河北科技大学电气信息学院,旋转时感应电动机的电路,河北科技大学电气信息学院,感应电动机负载时的基本方程式列出如下,河北科技大学电气信息学院,二、感应

10、电动机的等效电路 在上图中由于定转子电路中的频率、有效匝数、相数不同，故定转子电路不能连在一起。为分析方便，就必须连在一起，因此就需要进行归算。,1、频率归算,频率归算 保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在这里，就是将旋转的转子（频率为f2）用一个静止的转子（频率f1）来带替，代替前后使F2保持不变。为此将（5-20）的两边同时除以s得：,河北科技大学电气信息学院,而静止转子电路中的电流,频率折算后定转子中的电流,河北科技大学电气信息学院,频率归算得物理含义是：用一个静止的电阻,为R2/s的等效转子去代替电阻为R2的实际旋转的转子，等效转子

11、与实际转子具有同样的转子磁动势F2。频率归算后，转子电阻由原来的R2变成R2/s，将其分成两部分：,第一项即为转子本身的电阻，第二项则是使转子电流的有效值和相位保持不变而加入的附加电阻。当电流I2通过时，在该电阻中会产生功率损耗，,河北科技大学电气信息学院,而在实际转子中并不存在该项电阻损耗，但,上产生的功耗，实质上表征了异步电动机总的机械功率。,却产生机械功率，由于静止转子和旋转的转子等效，有功功率应当相等，故在附加电阻,河北科技大学电气信息学院,2、绕组归算用一个与定子绕组的相数，有效匝数完全相同的等效转子绕组去代替相数为m2，有效匝数为N2kw2的实际转子绕组，其目的是：使定转子的相数，

12、有效匝数相同。绕组归算时，应保持转子绕组的磁动势不变，即：,即：,河北科技大学电气信息学院,由转子总的视在功率不变,式中,由转子铜耗和漏磁通储能不变,河北科技大学电气信息学院,河北科技大学电气信息学院,3、T型等效电路和相量图,经过归算后，定子、转子的电动势方程式,河北科技大学电气信息学院,其相量图为：,注意由等效电路算出的定子侧的所有物理量均为实际值，而转子侧的电动势和电流则是归算值，转子的有功功率，损耗和转矩均与实际值相同。,河北科技大学电气信息学院,几种异步电动机的典型运行情况,1、空载运行 转子开路，没有输出,2、额度负载下运行,转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。,3、起动时的情

13、况,附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。,4、异步发电运行,转差率为负，附加电阻也为负值。表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。,河北科技大学电气信息学院,5、电磁制动状态运行,，附加电阻为负值，表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。,简化等效电路 图中：,河北科技大学电气信息学院,功率关系,5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程,1、功率转换过程,河北科技大学电气信息学院,2、功率方程式,式中，定子功率因数角；转子内功率因数角；cos-转子内功率因数,河北科技大学电气信息学院,正常运行时，s很小，f2=13Hz，所以转子铁耗可以忽略不计，从电磁功率中减去转子铜耗，即为总机械功率

14、，故：,也可写成,上式说明：传送到转子侧的电磁功率中，s部分变为转子铜损耗，剩下部分转换成机械功率。从P中再扣除机械损耗和杂散损耗即为轴上输出的机械功率,河北科技大学电气信息学院,2、转矩方程 在上式的两边同除,3、电磁转矩公式,河北科技大学电气信息学院,电磁转矩常数,例5-35.5 略,上式说明：电磁转矩与气隙磁通和转子电流的有功分量成正比。,河北科技大学电气信息学院,5.6 感应电动机参数的测定,一、空载试验,1、目的：测量Rm、Xm、pFe、p2、条件：异步电动机在 条件下，轴上不带任何负载运行。3、方法：使用调压器，使定子（线）电压从（1.11.2）UN。逐步下降到0.3UN（在转速没

15、有明显下降的情况下），每次记录U1、I10、P10。4、分析：1）根据测量结果可得：曲线,如下图 2）三相输入的功率全部用来克服定子铜耗，铁耗和机械损耗，故：,河北科技大学电气信息学院,对pFe，p的分离，因pFeU12,而p仅与转速有关与电压无关，于是作出 曲线，并反向延长至 U1=0处，即为机械损耗。空载时，s0，由等效电路可知：,二、堵转试验1、目的：Rk、Xk2、条件：s=13、方法：调节端电压U1L0.4U1N（有较好的散热条件时最好从U1L=（0.91.0)U1N,逐渐降低电压，每次记录定子相电压，即可得到 如图：,河北科技大学电气信息学院,4、分析：等效电路如右图,对于小型电动机

16、即：,河北科技大学电气信息学院,当 时，上式变成：,对于大型感应电动机 由于 可认为：于是：,河北科技大学电气信息学院,5.7 感应电动机的转矩-转差率曲线,感应电动机的输出主要体现在转矩和转速上，它们之间的关系 称为转矩-转差率特性，或 T-s 曲线。1、转矩-转差率特性 由式（5-47）得：由式（5-37）得：求其模代入上式并化简得：,河北科技大学电气信息学院,最大转矩,临界转差率sm,根据上式画出的T-s曲线2、最大转矩令：可得：,上式中：正号对应于电动机，负号对应于发电机,河北科技大学电气信息学院,当 时，,由上式可见：1）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。2

17、）最大转矩的大小与转子电阻无关，临界电阻与转子电阻成正比，R2增大时，sm增大，但最大转矩保持不变。,河北科技大学电气信息学院,为表明电动机的过载能力，引入：kT=1.62.5,3、起动转矩将s=1代入式（5-69）得：,由上式可见，转子电阻越大，Tst就越大，直到达到最大值为止。若再增大转子电阻，起动转矩反而减小。为衡量起动能力的大小引入起动倍数：,一般电动机kst=0.91.2之间,4、机械特性（转速-转矩特性）将 坐标变换一下，并将s换成n即可，如图所示。起动点：额定运行点：同步点：稳定运行区：不稳定运行区：,河北科技大学电气信息学院,5.8 感应电动机的工作特性,一、工作特性,1、转速

18、特性 由 可知，空载时P=0，s0，nns,随着负载的增大，为克服负载转矩，转子电流增大，s也增大，n就下降，通常sN=0.020.06之间。2、定子电流特性 由 可知：空载时，I2=0，I1=Im,随着负载的增大，I2增大，因此I1也增大。,河北科技大学电气信息学院,3、功率因数特性 由等效电路可知，电动机为一感性负载。,空载运行时，I1=Im为激磁电流，cos很低，约为0.10.2，负载后，输出功率增大，定子的有功电流增大，cos增大，通常在额定负载附近达到最大，尔后由于s的增大，使 和内功率因数cos2下降的较快，使cos又开始减小。4、电磁转矩特性,河北科技大学电气信息学院,T0可认为

19、不变，电动机从空载到额定负载转速的变化也很小，故 可看做是一条直线。5、效率特性 特性曲线与其它电机一样，最大效率发生在（0.81.1）PN之间，N约在7694%之间，电动机的容量越大，效率就越高。二、感应电动机的主要运行数据（略）,河北科技大学电气信息学院,5.9感应电动机的起动、深槽和双笼电动机,标志电动机启动性能的参数是：起动转矩倍数和起动电流倍数。要求：1）有足够大的起动转矩2）尽可能小的起动电流3）起动设备简单、便宜、操作方便一、笼型感应电动机的起动 起动方法：直接起动、降压起动1、直接起动 将电源电压通过开关直接加到电动机上。特点：方法简单，起动设备少。但起动电流较大，可达额定电流

20、的47倍，起动转矩倍数为12倍。,河北科技大学电气信息学院,一般规定，异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动。如果功率大于7.5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也可允许直接起动。,如果不能满足要求，则必须采用减压起动的方法。,2、降压起动 该方法的目的主要是减小起动电流，但由于电压降低了，起动力矩也减小了。,河北科技大学电气信息学院,1）电阻减压或电抗减压起动,河北科技大学电气信息学院,2）星形一三角形（Y）起动,在起动时，先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成三角形。这样，起动时联结成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形联结时的，,河北科技大学电气信息学

21、院,定子相电流比（阻抗相等）起动电流比起动转矩比,定子相电压比,河北科技大学电气信息学院,3）自耦补偿起动 设自耦变压器的变比为Ka，电源电压为U1。对电动机：加在定子绕组的电压变成了直接起动时的1/Ka，所以起动电流也变成了直接起动时的1/Ka。对自耦变压器：副边电压变成了原边的1/Ka，原边电流就应变成副边的1/Ka，而副边电流又是降压后电动机的电流，故降压后电动机从电源吸收的电流为全压起动时从电源吸收的电流的1/Ka2。同时起动转矩下降了1/Ka2。,河北科技大学电气信息学院,二、绕线型感应电动机的起动,特点：正常运行时，三相绕组通过集电环端接。起动时在转子中串入适当的电阻（电抗器、电动

22、势等），不但可减小起动电流，还可以增加功率因数，增大起动转矩。,电动机起动时，变阻器应调在最大电阻位置，如果电阻选的适当，可使起动转矩达到最大转矩，此时启动电阻为：然后将定子接通电源，电动机开始转动。随着电动机转速的增加，均匀地减小电阻，直到将电阻完全切除。待转速稳定后，将集电环短接，同时举起电刷。,河北科技大学电气信息学院,例5-6 略,河北科技大学电气信息学院,三、深槽和双笼感应电动机 由上可知，通过改变转子电阻可改善绕线型电动机的起动性能，那么笼型电动机是否也能做到这一点呢？为此就出现了深槽和双笼感应电动机。,1、深槽感应电动机 转子槽深与槽宽之比可达1012，其目的是在起动时增加肌肤效

23、应。槽中导体在高度上可看做是由若干根导体叠加而成，当导体中有电流通过时，在其周围便产生了,河北科技大学电气信息学院,漏磁通，由图可见底部漏磁通多，顶部漏磁通少，相应的底部漏抗大，顶部漏抗小。,当s=1时，f2=f1,转子频率较高，槽底部漏抗与底部导条电阻相比大得多，起主要作用，对电流的阻碍作用较强，因此流过底部导体的电流较小；而顶部漏抗较小流过的电流较大。这样起动时大部分电流被挤到了槽的上部，形成了肌肤效应。电流集中到了上部，相当于减小了转子导体面积，转子导体电阻增大，因此既减小了起动电流，又增加了起动转矩。频率越高，槽越深，肌肤效应越强，起动性能就越好。当起动完毕，电动机进入正常运行时，转子

24、频率 仅为13Hz，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导条电阻变为较小的直流电阻。,河北科技大学电气信息学院,2、双笼型感应电动机,这种异步电动机的转子上有两套导条，如图所示的上笼与下笼，两笼间由狭长的缝隙隔开。上笼通常用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制成，且导条截面较小，故电阻较大；下笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小的材料制成，故电阻较小。,起动时，f2 高，漏抗大，起主要作用，I2 主要集中在外笼，外笼 R2 大 TST 大。外笼 起动笼。运行时，f2 很低，漏抗很小，R2 起主要作用，I2 主要集中在内笼。内笼 工作笼。,河北科技大学电气信息学院,5.10 感应电动机的调速,由感应

25、电动机转速的表达式可知;有三种调速方法：1、改变定子极对数调速；2、变频调速；3、改变转差率调速,1、变极调速 在电压和频率不变的情况下，改变电动机的极对数，其同步转速发生变化，转子的转速也发生变化。,河北科技大学电气信息学院,河北科技大学电气信息学院,2、变频调速,可见，恒转矩变频调速时，如能保持=定值，则可保证调速过程中电动机的过载能力基本不变，同时可满足磁通 基本不变的要求。,河北科技大学电气信息学院,变频调速具有优异的性能，调速范围较大，平滑性较高，变频时按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。,右图

26、为其调速特性图中：,变频器的基本构成1）整流器-将交流变成直流,河北科技大学电气信息学院,中间直流环节-主要起滤波作用,逆变器-将直流变成不同频率的交流电如图为PWM控制方式的逆变器主电路。,河北科技大学电气信息学院,3、改变转差率调速,1）转子电路串电阻调速,转子电路串联电阻的数值愈大，人为机械特性愈软。,优点：调速范围宽。缺点：调速是要消耗能量。适用场合：中小容量电机,河北科技大学电气信息学院,2）改变定子电压调速 由于电磁转矩与电源电压的平方成正比，所以当改变电源电压时，就可以改变电动机发出的电磁转矩，电动机的转速也就发生了变化。特性曲线如右图。,河北科技大学电气信息学院,3）串级调速,

27、在转子中串电阻调速损耗较大，为回收这一部分能量，可在转子中串一个电动势，改变此电动势的大小既可以改变转子电流，由 可知，也就改变了电动机的电磁转矩。从而进行了调速。这种方法称为串级调速。实际中为容易做到，一般均采用如图所示电路。,河北科技大学电气信息学院,4）双馈调速,这种调速方法是三相电源经变压器进行降压，再经交交变频器变成具有转差频率的电压，送给绕线电动机的转子，改变该电压的大小，即可改变转子电流和电磁转矩，从而进行调速。该方法与串级调速相比，一个是将转子能量回馈给电源，另一个是从电源吸收能量给转子。,河北科技大学电气信息学院,由单相电源供电，使用方便，主要用于家电、医疗电器等场合。一、结

28、构特点 定子上嵌放有两个绕组，在空间上相差90电角度，一个为主绕组，一个为起动绕组。二、工作原理 双旋转磁场理论：定子主绕组中接上交流电源时，主绕组就会产生一个脉振磁场，此脉振磁场可分解为大小相等，转向相反，转速相同的两个旋转磁场,5.11 单相感应电动机,河北科技大学电气信息学院,Ff和Fb，这就是双旋转磁场理论。当用公式表示时：,若转子的转速为n，对正向旋转磁场：,对反向旋转磁场：,河北科技大学电气信息学院,单相异步电动机特点：1）电动机在静止时，接通电源，合成转矩为零，电动机无法起动。2）若外力拖动电动机正向或反向转动，撤去外力后，电动机将继续按原方向加速到接近同步转速。,据此可画出特性

29、曲线,河北科技大学电气信息学院,三、等效电路,根据上旋转磁场理论，气隙中就会存在正向和反向的两个旋转磁场，再根据前面画等效电路的方法即可画出其等效电路。,河北科技大学电气信息学院,四、定转子电流和电磁转矩,若电源电压和电动机参数已知，根据等效电路即可计算定子电流及转子正向和反向电流的折算值。,正向和反向电磁转矩为,河北科技大学电气信息学院,合成电磁转矩为,五、起动方法 1、裂相起动,裂相式电动机的主绕组和辅助绕组空间上相差90电角度，接在同一单相电源上。在辅助绕组中串入适当的电容、电阻或电感，使两个绕组电流的相位不同。这样就可以在电动机内形成一种旋转磁场，从而产生起动转矩。,河北科技大学电气信

30、息学院,2、罩极式电动机,当主绕组通交流电时，产生脉振磁通，其中不经过短路环，另一部分经过短路环，在短路环中产生新的磁通k，由于k的存在，使通过短路环的总磁通与之间存在一个相位差，这就相当于在气隙中存在一个“移动的磁场”，在它的作用下，电动机将产生一个起动转矩而转动起来。,河北科技大学电气信息学院,5.12 感应发电机和直线感应电动机,一、感应发电机1、工作原理 将电动机的定子接到电网上，转子用一台原动机顺着旋转磁场的方向驱动，并使nnN,则转子导体切割旋转磁场，在转子中产生感应电动势sE2,转子感应电流的有功分量和定子电流的有功分量均变成负值，电机向电源发电。单机运行时定子电压的建立 1）定子端点需并联一组三相电容器 2）转子中必须有一定的剩磁。,二、直线感应电动机,1、基本结构 将三相异步电动机从某一处切开，展平即可。,河北科技大学电气信息学院,二、结构形式及其特点,1、结构形式,（1）扁平形,（2）管形,（3）圆盘形,河北科技大学电气信息学院,2、结构特点,第五章 结束,河北科技大学电气信息学院,