华中科技大学 电机学 第五章 异步电机(完美解析)ppt课件.ppt

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1、电机学Electric Machinery,（第5章 异步电机）,异步电机的基本工作原理,异步电机的三种运行状态,异步电机的基本结构,异步电动机的额定值,5.1 概述,3,三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，例如：风机、泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械、农业生产中的脱粒机和粉碎机、农副产品中的加工机械等等。,在民用生活中，电扇、洗衣机、电冰箱和空调器等一般由单相异步电动机来拖动。,4,优点： 结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高并具有适用的工作特性。,缺点： 功率因数较差，电机在运行过程中必须从电网吸收感性无功功率，因此它的功率因数总小于1；目前尚不能经济地

2、在较大范围内平滑调速。,异步电机优缺点,5,异步电机分类,定子相数,单相异步电动机,两相异步电动机,三相异步电动机,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,转子结构,6,一、异步电机的基本结构,异步电机外形图 异步电机结构图,7,1. 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。,8,定子槽形：半闭口槽适用于小型异步电机，其绕组是用圆导线绕成。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。,9,定子绕组：构成电

3、路部分，用来感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。通常采用双层短距绕组，小型电机可采用单层绕组；对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。,10,机座：固定和支撑定子铁心。要求有足够的机械强度。,11,2. 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。,12,转子槽形,槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。,常见转子槽型,13,鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图,笼型绕组：在转子铁心每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所

4、有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。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。, 转子绕组：构成电路部分，有笼型和绕线型两种绕组型式。,斜槽形式,14,绕线型绕组：与定子绕组具有相同相数、极数的三相对称绕组，一般采用双层波绕组或叠绕组。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。,15,支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。, 转轴,16,定义：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

5、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。,3、气隙,气隙大：磁阻大，励磁电流（空载电流）大，功率因数低；气隙磁场谐波含量（漏磁引起附加损耗）减少，改善起动性能。气隙小：受加工可能及机械安全所限制。,17,二、异步电机的基本工作原理,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。该感应电流与气隙中的旋转磁场相互作用产

6、生电磁转矩，驱动转子旋转，实现异步电机的运行。,两极异步电动机示意图,18,三、异步电机的三种运行状态,1、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同步转速，记为n1。同步转速大小取决于电流频率f1和绕组极对数p，转向为从超前电流相绕组转向滞后电流相绕组。转子转速n转子的机械转速为转子转速，记为n 。,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，记为s。,19,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

7、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。,2、异步电机的三种运行状态, 0s0：电动机状态右手定则 - e2产生 - i2与e2同方向左手定则 - Tem产生 - Tem与n同转向，Tem为驱动转矩旋转磁场拖动转子：电动机,20, nn1 s e2产生 - i2与e2同方向左手定则 - Tem产生 - Tem与n反转向，Tem为制动转矩转子拖动旋转磁场：发电机, n1：电磁制动状态右手定则 - e2产生 - i2与e2同方向左手定则 - Tem产生 - Tem与n反转向，Tem为制动转矩旋转磁场阻碍转子运动：电磁制动状态,21,异步电机只有在定子侧外加

8、电源的情况下，转子侧电动势和电流由气隙旋转磁场感应产生，因此也称为“感应电机”；而此感应作用，只有在转子与气隙旋转磁场不同步，即“异步”（s不等于0），才可以产生，因此“感应电机”又称“异步电机”。,总结,22,四、异步电动机的额定值,23,额定功率PN：是转轴上输出的机械功率，单位为W或kW。 额定电压UN：施加在定子绕组上的线电压，单位为V。 额定电流IN：电动机在额定电压、额定频率下，轴端输出额定功率时，定子绕组的线电流，单位为A。 额定频率fN：我国电网频率fN=50Hz。 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。额定效率N。额定功率

9、因数cosN。 三相异步电动机额定值之间的关系,24,2）如铭牌上标有“380V、D联结”时，表示电机正常运行时只能采用“D”联结，但是在电动机起动过程中可接380V电源，绕组采用“Y”联结，起动完毕，恢复“D”联结。,2、对于中低压电动机1）如铭牌上标有“380/220V、Y/D联结”时，表示电源电压为380V时，电机绕组采用“Y”联结；电源电压为220V时，采用“D”联结。,提示：1、 对于高压电动机定子绕组只有三根出线，只要电源电压符合电动机铭牌电压值便可使用。,定、转子基波磁动势空间相对静止,5.2 三相异步电动机运行原理,转子静止时的异步电机,转子旋转时的异步电机,异步电机参数测定,

10、内部电磁关系,电压平衡方程式,磁动势平衡方程式,绕组折算与等效电路,26,一、 转子静止时的异步电动机,转子静止时的异步电机：将异步电动机转轴卡住；转子绕组短路；定子绕组施加三相对称电压。,假设：气隙中只有基波磁通，定、转子绕组上只感应有基波电势,27,1定、转子基波磁动势空间相对静止,定子侧：定子绕组施加三相对称电压定子三相对称绕组中，流过频率为f1的三相对称电流I1；定子绕组在气隙空间中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；圆形旋转基波磁动势F1转向为从超前电流相绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线（A-B-C）。,28,转子侧：转子绕组短路，转轴固定

11、圆形旋转磁场切割转子绕组，产生频率为f2的三相对称感应电动势（ f2pn1/60， f2 =f1 ）；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；转子绕组在气隙空间中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；圆形旋转基波磁动势F2转向为从超前电流相绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线（A-B-C），即与定子旋转磁动势F1同转向。 F2与F1同转速、同转向（n2 n1），故定、转子基波磁动势空间保持相对静止,29,2内部电磁关系,气隙中的旋转磁场由F2与F1共同建立，即F2与F1空间矢量可以合成为一个等效励磁磁动势Fm：,30,3电压平衡方程式,正方向

12、规定：电流流入为正，且电势方向与电流方向相同。,R1、R2和X1、X2分别为定、转子绕组的电阻和漏电抗。,31,定、转子绕组感应电动势电动势变比ke：定、转子绕组电动势之比定、转子侧电动势平衡方程,从电路分析角度来看，转子静止时的异步电机电压方程与二次级侧短路时的变压器电压方程相似,32,由于定、转子磁动势F1与F2空间保持相对静止，故可以合成为一等效的励磁磁动势：,3. 磁动势平衡方程式,类似于变压器磁动势，将上式改写为：,异步电机气隙中，全部磁动势由定子产生；Fm为励磁分量，用以产生气隙旋转基波磁场；F1L为负载分量，用以平衡转子磁动势的作用，它与转子磁动势大小相等方向相反。,33,选择F

13、1与I1同相位、 F2与I2同相位， Fm与Im同相位，用电流在时间上的相位关系表示磁动势在空间上的相位关系，则磁动势平衡方程 可改写为：,定义电流比,则磁动势平衡方程式可表示为：,异步电动机定子电流I1分成Im和I1L两个分量；Im是励磁分量，用于建立电机铁心中的主磁通m；I1L是负载分量，用于建立磁动势F1L去平衡转子磁势F2。,34,转子静止时的基本方程,定子侧：,转子侧：,定、转子关联方程：,感应电动势方程：,Zm=Rm+jXm为励磁阻抗；Rm为励磁电阻，代表铁耗的等效电阻；Xm为励磁电抗，反映主磁通在电路中的作用。,4. 绕组折算与等效电路,35,绕组折算,转子绕组折算把实际相数为m

14、2、绕组匝数为N2、绕组系数为kN2的转子绕组，折算成与定子绕组有相同相数m1、相同匝数N1和相同绕组系数kN1转子绕组。折算原则：气隙主磁通不变；定子各种物理量均不变，对电网等效；转子磁动势不变，各种功率均不变（功率因数不变）。绕组折算主要有电流折算、电动势折算和阻抗折算。,36,电流折算 根据折算前后转子磁动势应保持不变原则电动势折算 根据折算前后转子磁动势不变原则,37,阻抗折算 根据折算前后转子铜耗保持不变原则 根据折算前后转子功率因数保持不变原则,38,折算到定子侧的异步电机基本方程式组为,39,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。,40,参数

15、的物理意义,异步电动机中，磁通由三相绕组联合产生；变压器中，磁通由一相绕组产生。,为定/转子漏抗，由定/转子三相电流联合产生的漏磁通，在定/转子每一相上引起的电抗；,Rm为励磁电阻，代表铁心损耗的等效电阻；Xm为励磁电抗，反映主磁通在电路中的作用，非线性。,R1/ R2为定/转子绕组电阻；,折算后，转子静止时的异步电机等效电路与二次级侧短路时的变压器等效电路相同。,定、转子基波磁动势空间相对静止,5.2 三相异步电动机运行原理,转子静止时的异步电机,转子旋转时的异步电机,异步电机参数测定,内部电磁关系与基本方程,频率折算与绕组折算,转子旋转对转子侧各量的影响,等效电路,42,转子旋转时的异步电

16、机：定子绕组施加三相对称电压；转子绕组短路；,假设：气隙中只有基波磁通，定、转子绕组上只感应有基波电势。,二、转子旋转时的异步电动机,43,1、转子旋转对转子各物理量的影响 转子频率转子旋转时，转子绕组的电动势和电流的频率与转子的转速有关，取决于气隙旋转磁场与转子的相对速度（n1-n）。转子电动势和电流的频率称为转子频率，有因转子频率与转差率成正比，又称为转差频率。异步电动机额定负载时，s通常在0.020.05范围内，即当f1=50Hz时，f2=12.5Hz，由此可知转子旋转时转子感应电势和电流的频率很低，因而转子铁耗可以忽略。,44, 转子相绕组感应电动势 转子相绕组漏阻抗 转子相电流,45

17、,转子转动后，由转子电流所产生的转子基波旋转磁动势 相对于转子绕组的转速为转子基波旋转磁势 相对于定子绕组的转速为转子基波旋转磁动势 和定子基波旋转磁动势 没有相对运动，即定、转子磁动势空间仍相对静止。,2、定、转子磁动势空间仍相对静止,46,不论转子静止还是旋转，定、转子磁动势 与 在空间上总相对静止，都以同步速n1旋转； 和 仍可空间矢量合成，等效为合成的激磁磁动势 ，即磁势平衡方程式不变,47,转子回路的频率 。,3、内部电磁关系与基本方程,气隙中的旋转磁场由F2与F1共同建立；F2与F1空间相对静止，转速同为n1；，,48,转子旋转时的基本方程式, 电压平衡方程式,定子侧：,转子侧：,

18、 磁动势平衡方程式,转子回路的频率 ；转子电阻 ；转子漏电抗和频率成正比，因此有 ；转子电动势大小和频率成正比，因此有 。,49,通过分析可以得到定、转子回路的电动势方程和等效电路：,4、频率折算与绕组折算,转子回路频率与定子回路频率不相同，导致二者基本方程式和等效电路均无法实现直接连通，无法得到统一的等效电路。因此，需寻求“等效静止转子” ，将转子系统的频率折算为定子系统的频率。,50, 转子频率折算,频率折算定义：用一等效的静止转子回路替代实际转动的转子回路，使转子电路与定子电路有相同频率。频率折算原则：频率归算前后，保持转子磁动势不变，从而保持磁动势平衡关系不变，进而定子电流的大小和相位

19、不变，且损耗和功率不变（对电网等效）。,转子旋转与否影响了转子绕组的频率，但是对转子磁动势相对定子的转速（即同步速 ）不会产生影响。现在寻求一个所谓的“等效”静止转子，它产生的磁动势肯定和转子旋转时候的磁动势相比是不变的，只是转子绕组的频率就由 改变为 而已，这就是转子绕组频率折算的思路。,51,转子磁动势是由转子电流产生的，那么要保持折算前后转子磁动势不变，只需折算前后转子电流有效值和相位不变（只是频率改变）：,转子旋转时和转子静止时相比，等效电路只在转子绕组中多了,52,电阻 的物理意义,在实际转动的电机中，转子回路中并无此项电阻，但有机械功率输出。频率折算后的转子电路中，因已等效成静止转

20、子，电机没有机械功率输出，但却串入附加电阻 ，其消耗电功率为该电功率 用来模拟轴上的机械功率。,53,进一步讨论,不论静止或者旋转的转子，其转子磁动势总以同步转速旋转，即转子磁动势的绝对转速不变，又因频率折算不涉及大小及相位的变化，故频率折算前后电机的磁动势平衡依然维持。 频率折算后，静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一项机械功率。 同时，静止的转子回路中多了一个附加电阻，而转子电流又没有变，所以多了一项电阻功率。 因此，附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率,54,频率折算后的基本方程,频率折算仅用静止转子回路代替旋转转子回路，而转子绕组（匝数、相数）保持不变。,55,

21、 绕组折算,为了简化计算，便于导出一体化的等效电路，须将频率折算后的转子回路再通过绕组折算。绕组折算方法：把转子绕组折算到定子侧，用一个相数为m1、匝数为N1、绕组系数为kN1(与定子绕组相同的)的等效转子绕组来替代实际的转子绕组。 绕组折算原则：折算前后转子磁动势F2不变，且转子的各种功率不变。,各物理量的折算值：转子绕组的电压、感应电动势乘以电动势变比ke，电流除以电流变比ki，阻抗乘以电动势变比ke和电流变比ki，即,56,绕组折算后的基本方程组,57,5、异步电机等效电路, T型等效电路,经过转子的频率折算和绕组折算，转子绕组电动势和定子绕组电动势就完全相同了，因而可将定、转子回路分离

22、的等效电路统一，得到异步电动机的“T”型等效电路如下：,m,58,参数的物理意义,为定子漏抗，由定子三相电流联合产生的漏磁通，在定子每一相上引起的电抗；,Rm为励磁电阻，代表铁心损耗的等效电阻； Xm为励磁电抗，反映主磁通在电路中的作用，非线性。,R1/为定子绕组电阻；R2 为绕组折算后转子电阻；,为转子漏抗，由转子三相电流联合产生的漏磁通，在转子每一相上引起的电抗；,为附加电阻，由频率折算产生，代表机械负载等效电阻；,m,59,相量图,60,利用T型等效电路可以分析异步电机不同的运行情况,空载（电动机运行）： 转速接近同步速，s-0，附加电阻-，转子处于开路； 功率因数滞后，且很小。,额定负

23、载（电动机运行）： sN5%，附加电阻为19R2，转子回路接近电阻性； 功率因数较高（0.8-0.85），且滞后。,发电机状态： 转速大于同步速，s0，附加电阻0，表明机械功率为负； 输入机械功率发电机。,起动（电动机运行）： 转子处于堵转，s=1，附加电阻=0，转子回路处于短路； 起动电流很大，功率因数滞后，且较小。,电磁制动状态： 转向与磁场同步速相反，s1，机械功率0，吸收机械功率。 同时吸收电功率，对机械运行起制动作用。,m,61,变压器：励磁阻抗大，标幺值Rm*=1-5，Xm*=10-50；漏抗小，标幺值约为0.014-0.08异步电机： 存在气隙，励磁阻抗较小，标幺值Rm*= 0.

24、08-0.35， Xm*= 2-5漏抗较大，标幺值约为0.07-0.15异步电机T型等效电路中励磁支路不能直接前移，需引入校正系数，并进行相应修改，形成型近似等效电路。, 型近似等效电路图,62,m,63,近似计算转子电流,近似计算定子电流,c1,c1,c12,c12,/c1,m,c12,64, 简化等效电路,较大容量电机，XmX1，c11。,65,小结,异步电机从基本电磁原理和分析方法来看与变压器很相似，其电动势、磁动势平衡方程式、等效电路和相量图的形式相同，但有明显差别，主要是磁场性质不同。因定、转子感应电动势大小、频率不同，异步电机的等效电路必须要同时进行绕组归算和频率归算。,T型等效电

25、路中，异步电动机输出的机械功率在等效电路中用模拟电阻（ ）表示。异步电机有气隙存在，激磁电流较变压器的大，等效电路的简化应作修正（C1）。,5.2 三相异步电动机运行原理,转子静止时的异步电机,转子旋转时的异步电机,异步电机参数测定,空载实验,短路实验,67,异步电机待测参数：基本参数：R1、X1、R2、X2、Rm、Xm运行参数：转差率s,m,同变压器，异步电机可以通过空载试验和堵转试验测定参数。,68,m,一、空载试验1）试验目的：测取 、 、 。2）试验条件：异步电动机空载，转子转速接近同步速，则s0，转子相当于开路。,69,3）试验方法：试验时异步电动机空载（轴上不带负载），用三相调压器

26、对电机供电，使定子端电压从(1.11.3)UN开始，逐渐降低电压，空载电流逐渐减少，直到电动机转速发生明显下降，空载电流明显回升为止；在这个过程中，记录电动机的端电压U1、空载电流I0、空载损耗p0、转速n，并绘制空载特性曲线如图所示。,空载时从电源吸收的功率：,从定子功率中减去定子铜耗：,70,损耗分离：机械损耗pmec与电压U1无关，在电动机转速变化不大时，可以认为是常数。 pFe+pad0可以近似认为与磁密的平方成正比，因而可近似认为与电压的平方成正比。 曲线近似为直线。,机械损耗 和铁耗 的测定,延长线与纵轴交点即为机械损耗pmec；空载附加损耗相对较小，可用其它试验将之与铁耗分离，也

27、可根据统计值估计pad0，从而得到铁耗pFe。,71,根据空载时的等效电路和试验测得的数据可以算出:,是测得的三相输入功率； 、 分别为相电流和相电压。,励磁阻抗参数的计算,由此求出励磁阻抗：,72,二、短路试验,1）试验目的：测定短路阻抗、转子电阻、定、转子漏抗。2）试验方法：将转子堵住，在定子端施加电压，从0.4UN开始逐渐降低，记录定子绕组端电压Uk、定子电流Ik、定子端输入功率Pk，作出异步电机的短路特性曲线Ik=f(Uk)，Pk=f(Uk)。,异步电动机堵转时等效电路图,m,73,是测得的三相输入功率 ； 、 分别为相电压和相电流。,短路阻抗参数的计算,根据短路特性曲线，取额定电流点

28、的Uk(相电压)、Ik(相电流)、Pk(三相短路损耗)。,74,由于XmRm，忽略Rm，并近似认为X1=X2。考虑到X0=Xm+X1(空载试验)，可推导出 对于大中型异步电机，由于Xm很大，励磁支路可以近似认为开路，这时,异步电机的电磁转矩,异步电动机的功率平衡方程式,异步电动机的工作特性,5.3 三相异步电动机运行特性,异步电动机的转矩平衡方程式,76,一、异步电动机功率平衡方程式 异步电动机的功率和损耗在T型等效电路中的反映如图所示。,77,输入电功率：P1=m1U1I1cos1 在定子绕组中产生定子铜耗： pCu1=m1I12R1旋转磁场在铁心中产生铁耗： 转子铁心与磁场相对转速为sn1

29、很小，忽略转子铁耗定子铁心与磁场相对转速为n1较大，铁耗主要为定子铁耗 pFe=m1I02Rm通过气隙磁场感应到转子绕组的功率称为电磁功率： Pem=P1-pCu1-pFe,Pem= m1I222/s,78,电磁功率首先提供转子铜耗： pCu2= m1I222=sPem剩余的电磁功率全部转化为 机械功率： Pmec= m1I222(1-s)/s=(1-s) Pem机械功率一部分克服机械损耗pmec 和附加损耗pad 其余机械功率为输出的机械功率： P2=Pmec-pmec-pad,79,80,功率平衡方程为： P1= Pem+pcu1 + pFe Pem=pcu2+Pmec 机械功率平衡方程式

30、： Pmec=P2+pmec+pad电磁功率、转子绕组回路铜耗、总机械功率三者之间的关系为： Pem： pcu2 ：Pmec=1：s：(1-s),81,由机械功率平衡式Pmec=P2+pmec+pad两边除以转子机械角速度，得到转矩平衡方程为机械角速度（rad/s）转轴上总的机械转矩，即电磁转矩转轴上输出机械转矩，即T2为负载转矩；Tmec为机械损耗转矩；Tad为附加损耗转矩；T0=Tmec+Tad为空载转矩。,二、异步电动机转矩平衡方程式,旋转磁场运动角速度,82,1、物理表达式 异步电机电磁转矩的物理表达式描述了电磁转矩与主磁通、转子有功电流的关系。,三、异步电机的电磁转矩,83,异步电动

31、机电磁转矩的大小与气隙每极磁通量 、转子每相电流 以及转子功率因数 三者的乘积有关。,异步电动机的电磁转矩物理表达式,是与电机结构有关的常数，称为转矩因数,是转子电流的有功分量,84,2、参数表达式 异步电机电磁转矩的参数表达式描述了电磁转矩与参数的关系，由简化等效电路推导出表达式如下,1. Tem与U12成正比；2. Tem与f1成反比；3. Tem与漏电抗Xk 成反比。,85,1） Tem-s曲线 在电压U1、频率f1为常数时，电机的参数可以认为是常数，电磁转矩仅与s有关，其关系曲线Tem=f(s)如图所示。,86,2）三个特殊点 同步点：s=0，n=n1，旋转磁场相对于转子静止，Tem=

32、0。 最大转矩点：s=sm，sm称为临界转差率。f1一定时， Tmax与U12成正比；f1一定时， Tmax与Xk成反比；sm与R2成正比， Tmax与R2无关， R2增大时，sm增大，而Tmax不变，曲线左移；,TN=PN/N为额定负载转矩Tmax越大，过载能力越强一般异步电动机kM=1.62.5,+ 电动机- 发电机,87,2）三个特殊点 起动点：s=1 ，n=0，转子静止，Tem= Tst 。,若要求起动时电磁转矩达到最大，令sm=1得即转子回路中串入Rst，可使得起动转矩等于最大电磁转矩。,起动转矩倍数kst=TstTN,一般kst=0.91.3，特殊用途kst=2.84.0,88,3

33、）电磁转矩的简化计算,条件：忽略R1,89,由产品名牌计算异步电动机Tmax和sm,通常产品名牌参数给出异步电动机额定功率PN、额定转速nN和过载倍数km,把,s=sN,，,Tem=TN,代入到,求出,sm,。,由,PN,和,nN,求出额定转矩,由,TN,和,km,求出最大转矩,由,nN,可求出额定转差率,90,1、三相异步电动机的性能指标,1）效率：异步电动机输出功率和输入功率之比，即 2）功率因数 ：异步电动机的功率因数永远小于1；3）起动转矩 ：异步电动机应该有足够大的起动转矩，否则可能出现无法拖动机械负载起动的情况；4）起动电流 ：起动时，由于s=1，转子回路相当于短路，导致定子电流很

34、大，这个电流称为起动电流；5）过载能力 ：异步电动机额定运行时，其过载能力不应小于技术标准规定数据。,四、异步电动机的工作特性,91,2、异步电动机的工作特性,异步电动机的工作特性是指在额定电压、额定频率下异步电动机的转速n、效率、功率因数cos1、输出转矩T2、定子电流I1与输出功率P2的关系曲线。条件：额定电压、额定频率曲线：转速n、效率、功率因数cos1、输出转矩T2、定子电流I1与输出功率P2的关系曲线。异步电动机的工作特性可以用计算方法获得，即在已知等效电路各参数、机械损耗、附加损耗的情况下，给定一系列的转差s，可以由计算得到工作特性；对于已制成的异步电动机，其工作特性也可以通过试验

35、求得。,92,工作特性曲线定性分析,转速随输出功率增加略有下降；负载转矩近似与输出功率成正比；定子电流随输出功率增加而增加；效率和功率因数随负载有不同的变化。,93,起动时：功率因数很低,94, 转速特性,电动机稳态运行时必须满足转矩平衡Tem=T0+T2,空载时，T20，TemT0，只需较小转子电动势产生较小转子电流产生较小的电磁转矩，因此空载转速很接近同步转速，转差率很小。随着负载增大，为维持转矩平衡需较大电磁转矩，转差率随之增大，转速随之下降；整个运行范围内转差率和转速变化不大，额定转差率SN=0.01 0.05。,（硬特性）,95, 负载转矩特性,异步电动机从空载到额定负载，转速n变化

36、不大（硬特性）。负载转矩与输出功率近似 为一条直线。转矩特性曲线是一条过 （0，0）和（1，1）点的 斜线。,96, 定子电流特性,随着负载增加，定子电流的负载分量I1L相应增大，即转子电流I2增大，因而定子电流I1相应增大；由于输出功率P2与转子电流 I22成正比，定子电流I1与输 出功率P2呈非线性关系。定子电流特性曲线为一条 上升曲线。,97, 功率因数特性,空载运行时，定子电流是励磁电流，主要用于建立磁场，作用在Xm上，因此功率因数很低，cos10.2负载时，转子功率因数角2=arctg(sX2/R2) 。轻载时，s很小，2很小，cos21，转子电流主要成分是有功电流；随着负载的增大，

37、转子电流有功分量随之增加，导致定子电流有功分量增加，cos1迅速增大。负载进一步增加时，s明显增大，2增大， cos2减小，即转子电流的无功分量增加较快，定子电流的无功分量也随之增大，cos1反趋于减小。设计电机时，通常使在额定负载或略低于额定负载时有最大功率因数。,98, 效率特性,不变损耗与可变损耗机械损耗pmec ：与转速有关，因转速呈现硬特性，基本不变；铁耗pFe ：与磁通密度有关；若电源电压和频率保持不变，则铁耗基本保持不变；将机械损耗和铁耗合称为不变损耗。铜耗正比于电流的平方，而电流随负载增加而增加，因此定、转子铜耗合称为可变损耗。效率随负载变化的规律决定于损耗的分配比例空载时，P

38、20，=0。随着P2增大，总损耗增加较慢，效率迅速增大，直到某一负载时，其可变损耗等于不变损耗，效率达到最大。P2继续增加，铜耗急剧增大，效率反而降低。最大效率出现在0.7-1范围内，且在此范围内效率变化不大,99,小结,异步电动机将电能转换成机械能，电磁转矩是关键量。机械特性：电磁转矩与转差率之间的关系曲线。工作特性：指随着负载变化，其转速、输出转矩、定子电流、功率因数、效率等的变化曲线。从使用的观点看，定子电流是关键量，效率和功率因数是重要的力能指标，应掌握计算方法和变化规律。,5.4 三相异步电动机起动与调速,异步电动机的制动,异步电动机的起动,异步电动机的调速,101,5.4.1 三相

39、异步电动机的起动,起动：异步电动机转子从静止不动到加速到工作转速的过程。,起动要求：在起动时有较大的起动转矩（倍数），较小的起动电流（倍数）,102,直接起动：起动时，将定子绕组直接接入额定电压电网上。起动特点 ：起动电流很大（kI=47），而起动转矩并不大（kst=0.91.3）。起动电流很大：从等效电路看，起动瞬时s=1，转子回路相当于短路，异步电动机等效阻抗较小，故起动电流大；起动转矩并不大：从电磁转矩物理表达式 看，因起动时转子的功率因数很低，因而转子电流的有功分量并不大，同时起动时的感应电动势为定子电压的一半，因而主磁通是正常工作时一半，故起动转矩不大。适用范围：小容量电动机带轻载的

40、情况，对于经常起动的电动机，起动时引起的母线电压降不大于10%，对于偶尔起动的电动机，此压降不大于15%。对于额定电压为380V的电机，PN7.5kW时可直接起动。,1、直接起动,103,2、降压起动,异步电动机起动时等效电路图,当电网容量不能承受异步电动机直接起动的电流时，可以采用降低定子绕组相电压的方法，即降压起动来减小起动电流；但相应地起动转矩也将减小，因此降压起动一般用于轻载起动工况。,异步电动机起动电流：,异步电动机起动转矩：,104,1）定子串电抗器（电阻器）起动在定子绕组中串联电抗或电阻都能降低起动电流，但串电阻起动能耗较大，只用于小容量电机中。一般都采用定子串电抗降压起动。 电

41、抗器起到了分压作用，作用在定子绕组上的电压降低了，绕组中起动电流和电压成正比，当然起动电流减小了，以满足对起动电流的要求。起动时闭合K1，起动完毕后闭合 ，电机进入正常运行。,105,设串电抗起动时定子电压 与直接起动时定子额定电压 的比值为1/a，则,定子串电抗器起动等效电路,串电抗起动时，若电机端电压降为电网电压的1/a，则起动电流降为直接起动的1/a，起动转矩降为直接起动的1/a2 ，比起动电流降得更厉害。在选择a值使起动电流满足要求时，必须校核起动转矩。,106,只有正常运行时定子绕组采用“D”连接（ 接 ），且三相绕组首尾六个端子全部引出来的电动机才能采用Y-起动。,2）星-三角起动

42、器起动,起动时定子“Y”连接，起动完毕后换成“D”联结。Y-起动器时，每相起动电压大小和直接起动时每相电压大小之间的关系：,107,每相起动电流为:,起动线电流为:,起动转矩为:,Y-起动时，起动电流和起动转矩均降为直接起动的1/3。,108,三相鼠笼型电动机采用自耦变压器降压起动时，开关 K投向起动侧，起动完毕后开关 K投向运行侧。自耦降压起动时，电动机相电压下降为 与直接起动时相电压 的关系为,3） 自耦变压器降压起动,即a为自耦变压器的变比。,109,电动机自耦变压器降压起动时的相电流为Ix 与直接起动时的相电流IstN之间关系为,自耦变压器高压侧的起动电流Ist与低压侧的起动电流Ix关

43、系为,110,自耦变压器降压起动与直接起动相比，电网供给的起动电流之间关系为,自耦变压器降压起动与直接起动相比，起动转矩之间关系为,自耦变压器降压起动时，起动电流和起动转矩均降为直接起动的1/a2。在选择a值使起动电流满足要求时，必须校核起动转矩。,111,异步电动机降压起动的主要目的是限制起动电流，但同时起动转矩也不同程度降低，因此只适用于异步电动机空载或轻载起动。,异步电动机降压起动方法比较,112,3、绕线型异步电动机转子串电阻起动,电动机容量较大时，起动电流对电网的冲击较大；又因带重载，负载要求电机提供较大的起动转矩；对于这种电动机带重载起动的工况，绕线型异步电动机由于转子回路可以连接

44、外电路，就显示出明显的优势。,绕线式异步电动机转子回路串电阻起动，只要串入的电阻合适，就既可减少起动电流又可增加起动转矩，因而可同时满足电机容量大、重载起动这两个要求。,113,转子回路串电阻可以减小起动电流；串入电阻阻值合适，可以增大起动转矩。,起动转矩分析,若sm=1，可使起动转矩等于最大转矩,即有,则转子回路串入电阻,起动电流,Tem-s曲线,114,1起动开始时，使全部电阻均串入转子回路，随着转速的上升，电磁转矩将减小。2为了缩短起动时间，通常随转速上升分级切除部分电阻，使在整个起动过程中电动机保持有较大的电磁转矩。3待起动完毕后，转子绕组便被短路，转入正常运行。,随着转速升高，逐级切

45、除电阻,为了有较大平均起动转矩，减小电流和转矩冲击，常采用电阻逐级切除法。,Tem-s曲线,115,小结,鼠笼式异步电动机起动性能较差，起动电流很大，而起动转矩不大。电机起动方式取决于供电系统的容量、负载的要求和电机的性能。在不允许全压起动时，常用降压起动方法，有自耦变压器降压、星形一三角形换接开关降压等。当电机容量较大，起动要求较高时，选用线绕转子异步电动机。,116,二、异步电动机的制动,三相异步电动机的电动状态：电磁转矩Tem与转速n同方向，电机从电源吸收电功率，并对外输出机械功率；三相异步电动机的制动状态：电磁转矩Tem与转速n方向相反，电动机转轴从外部吸收机械功率而转换成电功率。,异

46、步电动机制动方式： 反接制动； 回馈制动； 能耗制动；,117,1、反接制动,（1） 转向反向的反接制动（正接反转）,从机械特性分析：,重物下放的例子：,TL与转速n方向一致。 稳态时， 电磁转矩TemTL， 方向与n相反。,118,转差率：,性质：,等效电阻：,机械功率吸收机械功率：,电能从定子传向转子：,能量全部消耗在电阻上：,119,电机原运行于电动状态，两相对调后， 气隙磁密立即反向， 以-n1转速旋转； 电机机械特性从A到B；,反接的过程：从反接开始到转子为零的过程。,（2） 两相对调的反接制动（反接正转）,两种反接制动， 均有s1, 机械功率为输入。区别： 前者由负载提供机械功率

47、后者由整个转动部分提供储能。,120,把转轴上输入的机械功率 经异步电机转化为电功率送到电网。,轴上外施驱动转矩， 电机以同步方向旋转,能量流向：,Tem与n方向相反， 处于制动状态,2、回馈制动,121,制动时， 三相绕组脱离三相电源， 由直流电流过定子绕组，在气隙中形成恒定磁场。,过程分析：,由于惯性， 转子仍以n速度旋转,在制动转矩和负载转矩共同作用下， 转子减速至n0。,能耗制动可使反抗性负载准确停机， 使位能性负载匀速下放。 注意：恒定磁场获得， 需通过定子绕组的改接,3、能耗制动,122,三、异步电动机的调速,异步电动机的转速公式n=(1-s)n1=(1-s)60f1p 异步电动机

48、的调速方式有三种： (1) 变极调速：改变电机极对数p。 (2) 变频调速：改变供电电源频率f。 (3) 改变转差率s调速：改变外施电压U； 在转子回路中引入外加电阻； 在转子回路中引入附加电势。 (4) 其它：电磁调速、齿轮减速等,123,1、变极调速,异步电动机的同步速与极对数成反比，所以改变电机的极对数，就可以改变电机的同步速，从而达到调速的目的。定子绕组需有特殊的绕法，使绕组的极对数能随外部接线的改变而改变，绕法有两种：双绕组变极和单绕组变极；由于鼠笼型绕组的异步电机极对数能自动与定子磁场极对数相一致，变极调速一般适用于鼠笼型异步电动机。变极调速方法属于分级调速，具有方法简单、运行可靠

49、、机械特性较硬等优点，但只能实现有极调速。由于单绕组三速电机绕组接法已相当复杂，故变极调速不宜超过三种速度。,124,单绕组变极原理：通过改变一套绕组的连接方式而得到不同极对数的磁动势,四极电机,两极电机,125,双绕组变极：定子采用放置两套不同极对数绕组，每次运行只用其中一套，甚至这两套绕组本身又可以采用不同的连接，从而可以得到更多的极对数，即所谓的二速、三速甚至四速电机。双绕组变极电机绕组设计较方便，但材料利用率较差，很少使用。为了提高材料利用率，通常采用单绕组变极。把变速比为1：2的调速称为倍极比调速；把变速比不是1：2的，称为非倍极比调速；例如单绕组变极调速属于倍极比调速方式。 再次强

50、调：变极调速异步电动机的转子大多都是鼠笼型的，因鼠笼转子能自动适应定子的极对数，不必再采用其它措施。,126,2、变频调速,异步电动机的转速n= (1-s)(60f1/p)，当转差率变化不大时，转速n近似正比于频率f1，可见改变电源频率就能改变异步电动机的转速。变频调速方式有恒转矩调速和恒功率调速两种。恒转矩调速：电机变频前后额定电磁转矩相等恒功率调速：电机变频前后额定电磁功率相等，电机带有恒功率负载若主磁通增大，则磁路过饱和而使励磁电流增大，功率因数降低；若主磁通减小，则电机转矩下降。因此，在变频调速时，希望主磁通m保持不变。在忽略定子漏阻抗的情况下，有U1E1=4.44f1N1kN1m ，