电机与电力拖动基础教程第5章.ppt

宁波工程学院,电机原理与拖动基础,下 页,主讲人：包 蕾,宁波工程学院,5章,第5章 三相异步电动机,下 页,上 页,宁波工程学院,5章,本章教学基本要求,熟悉鼠笼式和绕线式异步电动机的基本构造及主要结构部件的作用，掌握三相异步电动机的基本工作原理。了解交流电机绕组的构成原则及其基本知识，了解短距系数、分布系数及绕组系数的物理意义，掌握三相交流绕组的类别及常用三相绕组的连接规律和特点。了解单相绕组磁动势性质，理解三相绕组磁动势性质及特点，理解交流电机绕组的感应电势公式，掌握感应电势的计算。了解异步电动机空载运行的物理过程，了解异步电动机负载运行的物理过程，了解三相异步电动机的工作特性。理解异步电动机空载运行时的基本方程式、等值电路；理解转差率对转子回路各物理量的影响；理解异步电动机负载运行时的基本方程式、等值电路，理解异步电动机负载运行时的功率，转矩平衡关系；理解电磁转矩表达式及其物理意义。掌握异步电动机功率、转矩计算；掌握三相异步电动机的参数测定方法。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,本章教学重点和难点,重点：1.旋转磁场，三相异步电动机的基本工作原理；2.交流电机绕组构成，感应电势计算，三相绕组磁动势性质及特点；3.转差率对转子回路各物理量的影响，等值电路，功率、转矩计算；4.三相异步电动机参数测定；难点：旋转磁场的产生原理，三相绕组的连接规律，三相绕组磁动势性质及特点，感应电势、功率及转矩计算。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,本次课程内容、重点和难点,内容：电动机空载时的电磁关系、电动机负载时的电磁关系、基本方程式、等效电路和相量图重点：电动机负载时的电磁关系、基本方程式、等效电路和相量图，绕组折算和频率折算方法难点：电动机负载时的电磁关系,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,异步电动机定子与转子之间只有磁的耦合，无电的直接联系，异步电动机定子绕组从电源吸取的能量借助于电磁感应作用传递给转子。异步电动机的定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组相当于二次绕组，从电磁感应原理和能量传递来看，异步电动机与变压器有很多相似之处，故分析变压器内部电磁关系的基本方法也适应于异步电动机。异步电动机正常运行时通常是旋转的，随转速变化，转子中感应电动势及电流的频率也要随之变化，与定子电动势及电流频率不相等。同时，转子回路各物理量也会相应变化，故异步电动机分析与计算比变压器复杂。,5.6 三相异步电动机的电磁分析,下 页,上 页,返 回,与变压器相比，异步电动机在磁路上与变压器有什么区别？,宁波工程学院,5章,1、主、漏磁通的分布,根据磁通路径和性质不同，异步电动机的磁通分为主磁通和漏磁通。,主磁通m同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心气隙转子铁心气隙定子铁心。主磁通起传递能量的媒介作用。,除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，漏磁通包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通不起能量的传递作用，只起电抗压降作用。,5.6.1 三相异步电动机空载时的电磁关系,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,主磁通与漏磁通,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,槽漏磁通和端部漏磁通,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,说明,谐波漏磁通是由定子三相合成磁势中的高次谐波磁势产生的，严格说，它是通过气隙与转子绕组相链绕的磁通，与槽漏磁通和端部漏磁通是有差别的，为了表明这种差别，谐波漏磁通又称差别漏磁通，将谐波磁通归为漏磁通中是为了计算上的方便。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,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。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,3、电磁关系,4、空载运行时的电压平衡方程,感应电动势,与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势,异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,电压平衡方程与等效电路,与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：,同样也有：,根据上两式，可以作出空载时等效电路。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,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.,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,异步电动机带上机械负载时，电动机以低于同步转速的速度旋转，其转向与气隙旋转磁场的方向相同。定子旋转磁场以相对速度n=n1-n切割转子绕组，转子绕组中将感应电动势2和电流2。转子电流2 还将产生一个转子磁势2，总的气隙磁势则是1与2的合成，由它们来共同建立气隙磁场。,三相异步电动机的转子磁势,负载运行时物理状况,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,无论是绕线式异步电动机还是鼠笼式异步电动机，转子磁势都是一个旋转磁势，这个磁势所产生的磁场也是一个旋转磁场。由于转子磁势产生于定子磁势，故转子绕组极对数p2与定子绕组极对数p相同。,转子磁势分析,1转子磁势性质,三相对称交流电通入三相对称绕组产生旋转磁势，可以证明多相对称交流电通入多相对称绕组产生的也是旋转磁势。,绕线式异步电动机转子绕组为对称三相绕组，流过绕组的电流是三相对称电流，其转子磁势是一旋转磁势；鼠笼式异步电动机的转子绕组是多相对称绕组，流过绕组的电流为多相对称电流，其转子磁势也是一个旋转磁势。,结论：,幅值,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,转子电流与定子电流相序一致，转子磁势2与定子磁势1同方向旋转。,2转子磁势的转向,定子旋转磁势转向与定子绕组三相电流相序有关。,若定子旋转磁场沿ABC相序顺时针方向旋转，因为nn1，因此在转子绕组中感应电动势和感应电流的相序也必然为abc。,转子磁势转向取决于转子绕组中电流的相序，始终从超前电流相转向滞后电流相，故转子磁势的转向也是从abc沿顺时针方向转动。,结论：,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,转子转速为n,气隙旋转磁场以n=n1-n=sn1的相对速度切割转子绕组，在转子绕组中感应电动势和电流，其频率为：,3转子旋转磁势的转速,转子绕组的极对数p2=p，转子磁势相对于转子的转速为,转子本身以转速n转速，故转子磁势相对于定子的转速为,转子磁势与定子磁势在气隙中的转速相同,结论：,无论异步电动机的转速n如何变化，定子磁势1与转子磁势2总是相对静止的。定、转子磁势相对静止也是一切旋转电机能够正常运行的必要条件，因为只有这样，才能产生恒定的平均电磁转矩，从而实现机电能量转换。,转子不转时,理想空载时,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,三相,多相,三相异步电动机负载时的电磁关系,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,重点讨论负载时转子绕组各电磁量,转子电动势的频率,感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度,故转子电动势的频率为:,转子绕组的感应电动势,转子旋转时的感应电动势:,转子不转时的感应电动势:,二者关系为:,相量表达式为:,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,转子绕组的漏阻抗,电抗与频率成正比,转子旋转时转子漏电抗:,二者关系:x2s=sx2,转子绕组的漏阻抗:,转子绕组的电流,转子绕组为闭合绕组,转子电流为,转子不转时转子漏电抗:,当转速降低时,转差率增大,转子电流也增大.,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,转子绕组的功率因数,转子功率因数与转差率有关,当转差率增大时,转子功率因数则减小。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,5.6.4 三相异步电动机负载时的方程式,规定：三相异步电动机的电动势、电压、电流的正方向按关联参考方向；磁动势、磁通的正方向为从定子侧穿过气隙进入转子。,如：三相异步电动机定子、转子均Y连接，相电路的正方向,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,1.磁动势平衡方程式,磁动势的平衡方程为：,可以改写为：,写成磁动势幅值公式：,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,2.电动势平衡方程式,根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,异步电动机负载时的基本方程式,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,下 页,上 页,返 回,5.7 三相异步电动机的等效电路及相量图,异步电动机与变压器一样，定子电路与转子电路之间只有磁的耦合而无电的直接联系。为了便于分析和简化计算，采用与变压器相似的等效电路的方法，即设法将电磁耦合的定、转子电路变为有直接电联系的电路。根据定、转子电动势平衡方程，可画出异步电动机旋转时定、转子电路图。但由于异步电动机定、转子绕组的有效匝数、绕组系数不相等，因此在推导等效电路时,与变压器相仿,必须要进行相应的绕组折算。此外，由于定、转子电流频率也不相等，还要进行频率折算。在折算时，必须保证转子对定子绕组的电磁作用和异步电动机的电磁性能不变。,宁波工程学院,5章,5.7.1 定子、转子交流耦合电路之间的频率折算,频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。定转子频率相等的条件是保持转子不动，频率折算就是用一个静止的转子作为新的“等效”转子。,在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率和损耗不变。,转子回路电流,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,式中2s、x2s分别为异步电动机转动时转子的每相电势和漏阻抗，它们的频率为2；2、2、x2分别为异步电动机不转时的转子每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为 1。转子回路的阻抗角为：,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,说明：,只要用r2/s 代替r2，就可使转子电流的大小和相位保持不变，即转子磁势的大小和空间相位保持不变，实现用静止电路代替实际旋转的转子电路。电阻r2/s 称为等效静止转子电阻，可表示成：,式中 称为附加电阻。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,分析,实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，频率折算后，转子回路电阻由两部分组成，第一部分r2是转子绕组一相的实际电阻，其上产生的损耗就是转子电路的铜损;第二部分是附加电阻,转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功率 等效机械损耗和机械功率之和总的机械功率。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,频率折算后异步机的等值电路,不动的转子电流和转子磁动势的大小、相位与转动时完全一样。也就是说，这台静止不动的异步电动机可以等效地代替实际旋转的异步电动机。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,与变压器相似，异步电动机定、转子之间没有电的联系，只有磁的耦合。为了工程计算方便，在不改变电动机的电磁性能的条件下，将无电的联系的定、转子电路变换成纯电路的等值电路，就要进行转子绕组的折算。,5.7.2 定子、转子交流耦合电路之间的绕组折算,转子绕组折算就是：用一个相数为m1、匝数为N1kw1的绕组，代替原来的转子绕组（转子绕组原来的相数为m2，匝数为N2kw2）。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,折算的原则,保持折算前后电动机磁势平衡关系不变，即F2的大小以及与F1之间在空间位置不变；功率、损耗不变。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,转子绕组折算的方法,折算方法与变压器基本相同。,电流的折算：折算前后磁动势不变,为异步电动机的电流比。,经过绕组折算后的磁动势平衡方程式为：,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,折算前转子电势为：,转子电势的折算,折算后转子电势为：,为异步电动机的电动势比。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,转子电阻、转子电抗,折算前后功率、损耗不变,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,折算后的电路,下 页,上 页,返 回,转子漏阻抗,宁波工程学院,5章,折算后的基本方程式,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,下 页,上 页,返 回,5.7.3 三相异步电动机的等效电路和相量图,1.T形等效电路,对比变压器,宁波工程学院,5章,2.相量图,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,3.简化等效电路：不计负载对励磁的影响,T型等效电路,简化等效电路,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,几点说明:,3)附加电阻不能用电感或电容来代替。,下 页,上 页,返 回,附加电阻 上消耗的功率 等效机械损耗和机械功率之和总的机械功率。,宁波工程学院,5章,4)三相异步电动机的功率因数永远滞后；,5)在等效电路中负载的变化是用转差率s来体现的,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,设参考正弦量，在相电路中计算各参量求出定子电流各相电流与各相电压的相位差就是功率因数角。,下 页,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,课后复习要点：,电机旋转时的电磁关系、基本方程式、等效电路和相量图；绕组折算和频率折算方法；思考题：P167 5.25、5.26,上 页,返 回,宁波工程学院,5章,1.一台三相6极50Hz的异步电动机，其s=0.05，则转子转速为（）r/min，转子磁动势相对于转子转速为（）r/min，转子磁动势相对于定子转速为（）r/min，定子磁动势相对转子的转速为（）r/min，定子磁动势相对转子磁动势的转速为（）r/min。,2.当三相异步电机定子绕组接于50Hz的电源上作电动机运行时，定子电流的频率为（），定子绕组感应电势的频率为（），如转差率为s，此时转子绕组感应电势的频率（），转子电流的频率为（）。,3.异步电动机的频率折算，就是用一个（）等效转子来代替实际（）的转子，使转子电路的频率与定子电路的频率（）。,4.异步电动机的频率折算是通过在电机的转子绕组串一个电阻值为（）的附加电阻来实现的，此串联电阻所消耗的功率代表了电动机的（）功率。,950,50,1000,50,0,50,50Hz,50sHz,50sHz,静止,旋转,相等,（1-s）r2/s,总的机械,宁波工程学院,5章,5、三相异步电动机定子磁动势相对转子磁动势的转速就是同步转速。（）6、异步电动机的频率折算，就是用一个静止的等效转子来代替实际旋转的转子。（）,7、当异步电动机转速下降时，转子电流产生的转子基波磁动势相对于定子绕组的转速（）。A、增大；B、减小；C、不变；D、不定。,8、异步电动机等效电路中附加电阻（1-s）r2/s代表什么意义？能否用电感或电容代替？,C,答：异步电动机等效电路中的附加电阻（1-s）r2/s实为代表机械负载（及机械损耗）的虚拟电阻，用转子电流在电阻所消耗的电功率I2 2（1-s）r2/s来等效代替电动机轴上输出的机械功率及其机械损耗（称总机械功率）。因输出的机械功率及机械损耗是属有功功率，因此从电路角度来模拟的话，只能用有功元件电阻，而不能用电感或电容来代替它。,