电机与拖动基础7章.ppt
第 7 章 异步电动机原理,三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机转子静止时的电磁关系 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系 三相异步电动机的功率和转矩 三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的工作特性和参数测定 本 章 小 结 习题与思考题,本章内容,交流电动机按照转子转速与旋转磁场速度(同步速度)的异同，可分为交流同步电动机与交流异步电动机。同步电动机转子的速度与旋转磁场的速度相同，所以，称为同步电动机，一般应用于恒速负载与发电场合；异步电动机转子的速度与旋转磁场的速度不同，所以，称为异步电动机，其应用相对同步电动机要广泛的多。同步电动机的定子结构与异步电动机的结构基本相同，所以，本章主要探讨交流异动步电动机。,7.1 异步电动机结构、数据与原理,7.1.1 异步电动机主要用途与分类,异动步电动机按电源相数分类可分为三相异步电动机与单相异步电动机。三相异步电动机使用三相交流电源，它具有结构简单、使用和维修方便、坚固耐用等优点，在工农业生产中应用极为广泛。分类1.按相数分：单相，两相和三相 2.按转子结构分：绕线式和鼠笼式3.按有无换向器分：有换向器和无换向器,7.1.2 三相异步电动机的结构,接线盒,风扇,三相异步电动机由静止的定子和转子两大部分组成。定子与转子之间有一很小的气隙。,三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式、潜水泵式等。不管外形如何电动机结构基本上是相同的。图中是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。,7.1.2 三相异步电动机的结构,1端盖 2轴承 3机座 4定子绕组 5转子 6轴承 7端盖 8风扇 9风罩 10接线盒,1.异步电动机的定子 由机座、定子铁心和定子绕组组成。(1)机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。(2)定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片上涂绝缘漆，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。,7.1.2 三相异步电动机的结构,1槽楔 2槽绝缘 3层间绝缘 4导线,(3)定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。,7.1.2 三相异步电动机的结构,2.气隙异步电动机的气隙比同容量直流电动机小得多，在中小型异步电动机中，气隙一般为0.2 0.5mm。,2.转子部分 转子是电动机中的旋转部分，一般由转轴、转子铁心、转子绕组、风扇等组成。转子铁心也是电动机磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片叠压成。三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。,7.1.2 三相异步电动机的结构,笼型转子线槽一般都是斜槽，目的是改善起动与调速性能。笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接)，即构成了转子绕组；小型笼型电动机一般用铸铝转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以得名笼型绕组。,(a)直条形式(b)斜条形式,7.1.2 三相异步电动机的结构,绕线型转子绕组由镶嵌在转子铁心槽中的三相绕组组成。三相绕组绕组的尾端接在一起，首瑞分别接到转轴上的3个铜滑环上，通过电刷把3根旋转的线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便于控制。两种转子相比较，笼型转子结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用十分广泛。,图7.17 绕线式异步电动机的转子,7.1.2 三相异步电动机的结构,绕线型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能和调速较好。,7.1.3 异步电动机的铭牌数据,三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额定数据。主要的额定数据为：(1)额定功率PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。PN=UNINNcos(2)额定电压UN(v)：指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。(3)额定电流IN(A)：指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。,(4)额定转速nN(r/min)：指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速。(5)额定频率fN(Hz)：指电动机所接交流电源的频率。(6)额定工作制：指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形)、绝缘等级及温升等。对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。,7.1.3 异步电动机的铭牌数据,7.1.5 异步电动机的工作原理,1.实验演示 为了说明交流异步电动机的工作原理，先做一个实验。如图7.1所示，将一个可绕轴自由转动的金属框放置在蹄形永久磁铁的两磁极之间，永久磁铁架装在支架上，并装有手柄。摇动手柄使永久磁铁环绕金属框旋转，这时会看到金属框也随着磁铁的旋转而转动起来。,1手柄 2蹄形磁铁 3金属框,从金属框下面沿转轴向上看，图中两个小圆圈表示金属框与纸面相垂直的两条导体边。当摇转手柄，磁铁转动时，金属框便处在旋转磁场之中。这时，金属框与磁场间有了相对运动，金属框会因为切割磁力线而产生感应电动势，感应电动势的方向可由右手定则判定，由于金属框是闭合的，所以有感应电流。,7.1.5 异步电动机的工作原理,图7.2 闭合金属框在旋转磁 场中受力示意图,金属框的两边受到两个反方向的力f，它们相对转轴产生电磁转矩(磁力矩)，使金属框发生转动，转动方向与磁场旋转方向一致，但永久磁铁旋转的速度n1要比金属框旋转的速度n大。,金属框中感生电流的方向，如图中小圆圈里所标的方向。此时的金属框已成为通电导体，于是它又会受到磁场作用的磁场力，力的方向可由左手定则判断，图中小箭头所指示的方向。,7.1.5 异步电动机的工作原理,三相异步电动机定子接三相电源后，电机内形成圆形旋转磁通势和磁密。转子导条与旋转磁密有相对运动，导条产生感应电势，电势方向由右手定则确定，它在转子导条的闭合回路中产生与电势方向相同的电流。有电流的导条在磁场中受力，方向由左手定则确定。转子受力产生转矩，方向与旋转磁通势同方向，转子便在该方向上旋转起来。,nn1，f=Blv，v为相对运动速 度，Tn1-n。T=TL时，电机稳定在运行。TL越大n越小。,7.2 转子不转、转子绕组开路时的电磁关系,三相异步电动机的定子和转子之间只有磁的耦合，没有电的直接联系，它是靠电磁感应作用，将能量从定子传递到转子的。这一点和变压器完全相似。三相异步电动机的定子绕组相当于变压器的初边绕组，转子则相当于变压器的副边绕组。本节就是依据这种相似性，以变压器运行原理为基础进行分析。变压器是静止不动的，而正常运行的异步电动机是不停地旋转的，为了更好地与变压器对比，以绕线转子三相异步电动机为例，先从转子不转时进行分析，然后再研究转子旋转时的情况。,7.2.1 规定正方向,右图为绕线式三相异步电动机，定、转子绕组都是Y接，定子接三相对称电源上，转子绕组开路。下图是定、转子的连接方式和各物理量的规定正方向。,7.2.2 磁通及磁通势,1.励磁磁通势 当定子接入三相对称电源时，定子绕组中会流过三相对称电流，从而在定、转子气隙中产生旋转磁动势F0，它以同步转速n1旋转,朝+方向。由F0产生的磁通1以n1的旋转速度同时切割定子和转子绕组。在各自绕组中，产生感应电动势E1和E2。由于转子绕组开路，没有转子电流，也就没有转子磁动势，将此时的转子电动势用E2表示，在这种情况下，作用在电动机气隙中的只有定子磁动势F0，显然转子开路的三相异步电动机与一台副边开路的三相变压器非常相似。与分析变压器空载运行时一样，称I0为励磁电流，称F0为励磁磁动势。,7.2.2 磁通及磁通势,F0的特点：1）幅值：2）转向：ABC，逆时针方向旋转。3）转速：1=2 f=2 pn1/60(rad/s)。4）瞬间位置：当转子绕组某一相电流达正最大值时，F0正好位于该相绕组的轴线上。,7.2.2 磁通及磁通势,2.主、漏磁通的分布,当转子绕组开路时，空载电流I1所建立的旋转磁动势F0产生的空载磁通1，与定子、转子绕组同时交链，称为主磁通；另一部分磁通s1，仅与定子绕组交链，称为定子漏磁通，如图所示。,(7.50),7.2.3 感应电动势,主磁通1在定、转子绕组中产生的感应电动势有效值分别为 E1和E2,采用折合算法：,7.2.5 电压方程式,定子漏电动势：,根据图中给出的各量的正方向，可以列出定子一相回路的电压方程式：,7.2.6 等效电路,如果用励磁电流I0在参数上的压降Zm表示-E1，则,jXm,定子一相电压平衡等式为：,7.2.6 等效电路,电磁关系,7.3 转子堵转时的电磁关系,7.3.1 磁通势与磁通1.磁通势转子短路，定子接额定电压，转子堵住不转。U2=0，但转子绕组电流I2不为零。I2也要产生旋转磁通势F2。,7.3.1 磁通势与磁通,1.磁通势转子电流产生空间旋转磁通势F2的特点1）幅值：2）转向：A2B2C2，逆时针方向旋转。3）转速：2=2 f2=2 pn2/60=1(rad/s)。,7.3.1 磁通势与磁通,2.漏磁通定子绕组中有电流I1时，也要产生漏磁通，表现的电抗为X1，由于漏磁路是线性的，X1是常数。,转子绕组中有电流I2时，也要产生漏磁通，表现的电抗为X2。,7.3.2 定、转子回路方程,转子绕组一相的回路电压方程：,Z2=R2+jX2为转子绕组的漏磁阻抗。转子相电流I2为：,2式中为转子绕组回路的功率因数角。,7.3.2 定、转子回路方程,转子堵转，E2，I2，X2的频率都是 f2=f1，与定子同频率。根据定、转子磁通势合成关系，有,定子回路的电压方程式,7.3.3 转子绕组的折合,假设把实际转子换上一个新转子，每相串联匝数以及绕组系数都分别和定子的一样（三相、N1、kdp1）。新转子的有E2、I2、Z2=R2+jX2，但F2不变。,7.3.3 转子绕组的折合,可得到：,转子绕组向定子绕组折合，,称转子折合电流。,7.3.3 转子绕组的折合,折合前后漏阻抗的关系,折合前后漏阻抗角没变,折合前后的功率关系不变，铜损耗的关系,折合前后无功功率的关系,7.3.4 基本方程式、等效电路和相量图,电动机转子不转而转子绕组短路的五个基本方程式,电动机转子不转而转子绕组短路的电磁关系,7.4 转子旋转时的电磁关系,7.4.1 转差率如果将堵住转子的机构松开，转子就会在旋转磁场的作用下，带动一定的机械负载沿着旋转磁场的方向以低于同步转速n1的转速n稳定运行。当转子旋转时，旋转磁场不再以同步转速，而是以转速差(n1-n)切割转子绕组。,转差率：,正常运行的异步电动机，转子转速n接近同步转速n1，转差率很小，一般s=0.010.05。,7.4.2 转子电动势,转子恒速n旋转时，转子回路的电压方程式为,转子绕组的感应电动势、电流和漏电抗的频率（转子频率）用f2表示。,f2约为：0.52.5Hz,转子漏电抗：X2s=sX2,正常运行时X2sX2。,7.4.3 定转子磁通势及磁通势关系,1.定子磁通势F12.转子磁通势F21）幅值：2）转向：A2B2C2，逆时针方向旋转。3）转速：n2=f2/60(r/min)。4）瞬间位置：当转子绕组某一相电流达正最大值时，F2正好位于该相绕组的轴线上。,7.4.3 定转子磁通势及磁通势关系,3.合成磁通势F在定子绕组看磁通势F1与F21）幅值：仍为前面分析的一样。2）转向：二者的转向相对定子，逆时针方向旋转。3）转速：F1相对 定子的转速为n1。F2相对 转子的转速为n2，在定子角度看转速n2+n=n1。F1与F2以同步转速一道旋转，就可以按矢量相加。,7.4.4 转子绕组频率的折合,当转子静止时，定、转子两方的频率是相同的。因此，只要把旋转的转子化为等效静止的转子，便会使转子频率由f2变为f1，从而也就可以按n=0、转子短路情况得出相应的等值电路和相量图。把旋转的转子化为等效静止的转子，称为频率折算。,7.4.4 转子绕组频率的折合,在频率折合中除了电流有效值不变外，转子功率因数角2也不变。,转子回路的电压方程式变为,7.4.5 基本方程式和等效电路,异步电动机的基本方程式,旋转电动机的折合，相当于在转子电阻R2上多串入一个电阻,三相异步电动机的电磁关系,三相异步电动机的相量图,7.5 三相异步电动机的功率与转矩,7.5.1 功率关系当三相异步电动机以转速n稳定运行时，从电源输入的功率,定子铜损耗,在正常情况下，转子的转速接近与同步转速，所以转子回路的铁耗很小，我们给予忽略，因此只计定子回路的铁耗：,7.5.1 功率关系,从等值电路看出，传输给转子回路的电磁功率等于转子回路全部电阻上的损耗。,电磁功率也可表示为,7.5.1 功率关系,转子绕组中的铜损耗为,电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，把这部分功率叫做机械损耗。当然除了这些损耗外，还有一些附加损耗等，这样，输出功率为：,这样电磁功率减去转子铜耗，剩下的就是等效电阻上的损耗，而此损耗实际上是电机转轴上总的机械功率,7.5.1 功率关系,从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的定量关系是：,7.5.2 转矩关系,机械功率 除以轴的角速度就是电磁转矩,P2=Pm-pm-ps等式两边同除得：,得：T2=T-T0,T0为空载转矩：,7.5.3 电磁转矩的物理表达式,电磁功率PM除以同步机械角速度1，得电磁转矩,为转矩常数,7.5.3 电磁转矩的物理表达式,从等式可以看出异步电动机的电磁转矩与气隙每极磁通和转子电流的有功分量乘积成正比。,7.6 三相异步电动机的机械特性,三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速n（或转差率 s）之间的函数关系。,7.6.1 机械特性的参数表达式,电磁转矩与转子电流的关系,用近似等效电路,7.6.1 机械特性的参数表达式,将I2代入上式,这就是机械特性的参数表达式。固定U1、f1及阻抗等参数，T=f(s)画成曲线便为Ts曲线。,7.6.2 固有机械特性,固有机械特性曲线固有机械特性曲线：三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变，定、转子回路不串入任何电路元时的机械特性称为固有机械特性，如图。,1)在0S1，即n1n0的范围内，特性在第象限，电磁转矩T和转速n都为正，从正方向规定判断，T与n同方向，如图所示。电动机工作在电动状态,2)在s0范围内，n n1，特性在第象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态。,3）在s1范围内，n0，特性在第象限，T0，也是一种制动状态。,在第象限电动状态的特性上，B点为额定运行点，其电磁转矩与转速均为额定值。A点，T=0,为理想空载运行点。C点是电磁转矩最大点。D点n=0，转矩为TS，是起动点（见图）。,2.最大电磁转矩,正、负最大电磁转矩可以从参数表达式求得,得到最大电磁转矩:最大转矩对应的转差率称为临界转差率,2.最大电磁转矩,一般情况下，R12值不超过(X1+X2)的5%，可以忽略,式中“+”号适用于电动机状态，“-”号适用于发电机状态。异步发电机状态和电动机状态的最大电磁转矩绝对值相等，临界转差率也近似相等，机械特性具有对称性。,2.最大电磁转矩,过载倍数:最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最大转矩倍数，又称过载能力，用表示,一般三相异步电动机=1.62.2，起重、冶金用的异步电动机=2.22.8。,3.堵转转矩,电机启动时，n=0，s=1的电磁转矩，又称为启动转矩。,从式中看出，TS与电压平方成正比，而且转子电阻越大，起动转矩越大，漏电抗越大，起动转矩越小。起动转矩倍数：起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数，用KT表示，,电动机起动时，只有TS大于(1.11.2)倍的负载转矩才可顺利起动。一般异步电动机起动转矩倍数 KT=0.81.2。,4.稳定运行问题,从三相异步电动机机械特性上看，当0ssm，机械特性下斜，拖动恒转矩负载和泵类负载运行时均能稳定运行。当 sms1，机械特性上翘，拖动恒转矩负载不能稳定运行。拖动泵类负载时，满足T=TL处dT/dndTL/dn条件，即可以稳定运行。但是由于这时候转速低，转差率大，转子电动势E2s=sE2比正常运行时大很多，造成转子电流、定子电流均很大，不能长期运行。因此三相异步电动机稳定运行在0ssm 范围内，长期稳定运行在0ssN范围内。,7.6.3 人为机械特性,1.降低定子端电压的人为机械特性:除了自变量与因变量外，保持其它量都不变，只改变定子电压的大小，研究这种情况下的机械特性。,从表达式上可以看出,异步电机的同步转速与电压无关不同电压的人为机械性，都得通过n1点。我们知道，电磁转矩T与U12成正比，为此最大转矩Tm以及起动转矩TS都要随U1的降低而按U1的平方减小。而最大转矩对应的转差率sm不变。,0,T,s,n,sm,0.5UN,0.8UN,UN,Tm,0,n1,1.0,0.25Tm,0.64Tm,2定子回路串入三相对称电阻的人为机械特性,在其他条件不变下，只改变定子回路的电阻。不影响同步转速，Tm、sm都随定子电阻值增加而增加。,R,R=0,3.定子回路串入三相对称电抗的人为机械特性与串电阻类似，不消耗有功功率。,4转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性,绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把 三相对称电阻串入转子回路,最大电磁转矩与转子每相电阻值无关，即转子串入电阻后，Tm不变。临界转差率：,转子回路稍串入一些电阻，可以增大 起动转矩，串的电阻合适时，使,7.6.4 机械特性的实用公式,1.实用公式利用异步电机产品目录中给出的数据，找出异步电动机的机械特性公式，这就是实用公式。,1.实用公式,式中:,其中sm大约在0.10.2范围内，上式中，显然在任何s值时，都有,而q 2可忽略，这样上式可简化为实用公式：,2实用公式的使用,从实用公式看出，必须先知道最大转矩及临界转差率才能计算。而额定输出转矩可以通过额定功率和额定转速计算，在实际应用中，忽略空载转矩，近似认为TN=T2N。过载能力可从产品目录中查到，故Tm=TN便可确定。,用额定工作点的sN和TN，可得：,2实用公式的使用,若不知道额定工作点数据，如在人为机械特性上运行（机械特性照样可以用实用公式计算），但该特性上没有额定运行点，这时可用如下公式：,2实用公式的使用,当三相异步电动机在额定负载范围内运行时，它的转差率小于额定转差率（sN0.010.05）。这就是说,忽略s/sm得：,对应于最大转差率sm为：sm=2 sN,该式只能用于sNs0 的范围,7.7 三相异步电动机的工作特性及其测试方法,异步电动机的工作特性:指U=UN，f=fN 时电动机的转速n、定子电流I1,功率因数cos1，电磁转矩T，效率等与输出功率P2的关系。,7.7.1 工作特性的分析1)转速特性 n=f(P2)2)定子电流特性 I1=f(P2)3)定子边功率因数cos1=f(P2),7.7.1 工作特性的分析,4)电磁转矩特性T=f(P2)T=T2+T0,5)效率特性=f(P2),随着负载增加，P2增大，由于机械角速度变化不大，电磁转矩T随的变化近似地为一条直线。,对中、小型异步电动机，大约P2=0.75时，效率最高。如果负载继续增大，效率反而要降低。一般来说，电动机的容量越大，效率越高。,7.7.2用试验法测三相异步电动机的工作特性,直接负载试验是在电源电压为额定电压、额定频率的条件下，给电动机的轴上带上不同的机械负载，测量不同负载下的输入功率、定子电流、转速n，即可算出各种工作特性，并画成曲线。,7.8 三相异步电动机参数的测定,和变压器一样，通过做空载和短路（堵转）两个试验，就能求出异步电动机的参数来。,7.8.1 短路(堵转)实验,实验过程:从U1=0.4UN开始,然后逐渐降低电压。实验过程:记录定子绕组加的端电压、定子电流和定子输入功率。试验时，还应量测定子绕组每相电阻的大小。根据试验的数据，画出异步电动机的短路特性IIk=f(U1)，PIk=f(U1),7.8.1 短路(堵转)实验,电压低铁损耗可忽略,7.8.1 短路(堵转)实验,根据短路试验测得的数据，可以算出,对于大中型异步电动机，可认为,7.8.2 空载试验,实验目的：为了测励磁阻抗Rm、Xm机械损耗pm,铁心损耗pFe。试验过程：不加负载，处于空载运行，定子绕组接到频率为额定的三相对称电源上，当电源电压为额定值时，让电动机运行一段时间，使其机械损耗达到稳定值。用调压器改变加在电动机定于绕组上的电压，使其从（1.11.3）开始，逐渐降低电压,直到电动机的转速发生明显的变化为止。记录电动机的端电压、空载电流、空载功率P。和转速n，并画成曲线。如图所示，即异步电动机的空载特性。,7.8.2 空载试验,由于异步电动机处于空载状态，转子电流很小，转子里的铜损耗可忽略不计。所以这个时候的空载损耗全部消耗在定子铜耗,铁耗,机械损耗,和附加损耗中,既：,P0，I0,U1,0,P0,00,U12,pm,pFe+ps,P0,I0,7.8.2 空载试验,定子加额定电压时，根据空载试验测得的数据I0和P0，可以算出,由电动机空载等效电路得：,
