聊城大学机械与汽车工程学院机电传动第4章2

4.2三相异步电动机的定子电路和转子电路4.2.1定子电路的分析定子绕组：相当于变压器的原绕组，匝数N1转子绕组：相当于变压器的副绕组，一般是短路的，匝数N2定子绕组接三相电源，相电压u1，相电流i1。定子三相电流产生旋转磁场，磁力线通过定子和转子铁心而闭合，旋转磁场在转子每相绕组中感应e2和i2，i2和i1共同产生旋转磁场，在定子每相绕组中产生e1。旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布，近于正弦规律，当其旋转时，通过定子每相绕组的磁通也是随时间按正弦规律变化，即φ=Φmsinωt，其中Φm是通过每相绕组的磁通最大值，等于旋转磁场的每极磁通Φ，即为空气隙中磁感应强度的平均值与每极面积的乘积。定子每相绕组中产生的感应电动势：有效值：dttdNdtdNesin111tNcos111111144.4222NffNNE有效值：E1=4.44Kf1N1Φ绕组系数K≈1，常略去，故E1=4.44f1N1Φf1──e1的频率。fPnf6001f──电流频率n0──旋转磁场和定子间的相对转速P──旋转磁场极对数实际每相绕组是分布开的，而不是集中的；还有，绕组一般是短距的，而不是整距的，所以电动势的有效值还必须乘以短矩分布系数K，故定子电流还要产生漏磁通φL1(只环链定子绕组)，→漏电动势eL1：dtdiLeLL111定子绕组电压平衡方程式：)()()(1111111111edtdiLRieeRiuLL用复数表示：)()()(111111111EXIjRIEERIUL式中，R1和X1(X1=2πf1LL1)──定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。∵R1和X1较小，∴11EU，U1E14.2.2转子电路的分析旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势：dtdNe22其有效值为：E2=4.44f2N2Φ式中，f2──转子e2或i2的频率。旋转磁场和转子间的相对转速：n0–n0002106060pnnnnpnfsfns──转差率启动时，n=0，s=1，f2=f1，这时f2最大；当n=0，s=1时，转子电动势最大，即：额定负载时，s=1.5％～6％，f2=(0.75～3)Hz，(因f1=50Hz)。可以看出：E2=sE20转子电流还要产生漏磁通φL2(只环链转子绕组)，→漏电动势eL2：∴E2=4.44sf1N2ΦE20=4.44f1N2ΦdtdiLeLL222转子绕组电压平衡方程式：22222222()LLdieiReiRLdt用复数表示：22222222()LEIREIRjIX式中：R2和X2(X2=2πf2LL2=2πsf1LL2)──转子每相绕组的电阻和漏磁感抗当n=0，s=1时，转子感抗：X20=2πf1LL2，最大。可以看出：X2=sX20转子每相电路的电流：2202220222222SXRSEXREI转子电路的功率因数：220222222222cosSXRRXRRI2、cosφ2与S的关系刚启动时，电流很大，功率因数很小4.2.3三相异步电动机的额定参数●型号●额定功率PN：●额定电压UN：额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压。若标有两种电压，如220/380V，则对应△/Ｙ连接时应加的线压值。●额定频率f：●额定电流IN：额定运行情况下，定子外加电压的频率(f=50Hz)在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子的线电流值。●额定转速nN：额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，电动机的转速。与此车速相对应的转差率称为额定转差率sN。●工作方式(定额)●温升(绝缘等级)●电机重量▲额定负载转矩TN：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载转矩。▲绕线式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。●一般不标在电动机铭牌上的几个额定值：▲额定功率因数cosφN：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。▲额定效率：%100cos3NNNNNIUP机械功率Pm4.2.4三相异步电动机的能流图从电源输送到定子电路的电功率：1111cos3IUP定子绕组铜损△PCu1定子铁心的铁损△PFe1电磁功率Pe转子绕组铜损△PCu2∵f2很低，∴转子铁损忽略不计机械损耗功率△Pm电动机的输出功率P2轻载：η很低；负载↑→η↑；接近额定负载，η达最大。电动机的效率1112PPPPPΣΔP──电动机的总功率损耗。忽略△PCu2和△Pm，则P2=T2ω≈Pe=Tω一般异步电动机：ηN=0.7～0.9，容量越大，效率越高。T──电动机的电磁转矩。T2──电动机轴上的输出转矩nPPT22255.94.3三相异步电动机的转矩与机械特性T由Φ和I2相互作用产生，T∝ΦI2，还和cosφ2有关。cosφ2＝1，即I2与E2同相，转子导体的力将产生同一方向的转矩；4.3.1三相异步电动机的转矩cosφ21为实际情况，T=KmΦI2cosφ2Km──与电动机结构有关的常数cosφ2＝0，即I2比E2滞后90°，作用于各导体的力正好抵消，转矩为0；2202221244.4SXRNfSI转子电路的功率因数：220222222222cosSXRRXRR又U1≈E1=4.44Kf1N1Φ22022222202221222cosSXRUSRKSXRUSRKIKTm∴22022222202221222cosSXRUSRKSXRUSRKIKTmU1、U──定子绕组相电压、电源相电压；R2──转子每相绕组的电阻；X20──电动机不动(n=0)时转子每相绕组的感抗。K──与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数，K∝1/f1；式中:4.3.2三相异步电动机的机械特性即T-S曲线或n-T曲线。●固有机械特性在额定电压、额定频率、规定的接线方式、定子和转子不串电阻或电抗的机械特性四个特殊点：▲理想空载工作点T=0，n=n0(S=0)▲额定工作点T=TN，n=nN(s=sN)NNNnPT55.900nnnSNN▲启动工作点T=Tst，n=0(s=1)2202222XRURKTST可以看出Tmax∝U2；Tmax与R2无关；Sm∝R2，与U无关，即在转子电路串接电阻，可使Sm↑，而Tmax不变。当U↓，→Tst明显↓；适当↑R2，→Tst↑；↑X20，→Tst大为↓，这是不希望的启动系数λst=Tst/TN，衡量起动能力的一个重要数据，一般λst=1.0~1.2。▲临界工作点T=Tmax，n=nm(S=Sm)令dT/dS=0，得202max2XUKTSm=R2/X20★机械特性实用公式：过载系数λm=Tmax/TN，为电动机的过载能力系数。普通的Y系列鼠笼式异步电动机λm=2.0~2.2，供起重机械和冶金机械用的YZ和YZR型绕线式异步电动机λm=2.5~2.8。SSSSTTmmmax2用公式22022222202221222cosSXRUSRKSXRUSRKIKTm除以202max2XUKT并带入Sm=R2/X20即可得实用公式SSSSTTmmmax2●人为机械特性▲降低电动机电源电压的人为特性U对n0和sm都没影响，而Tmax∝U2，Tst∝U2，↓电压，会大大↓Tmax和Tst，使特性曲线左移，即过载能力和启动转矩大大降低。又U1≈E1=4.44Kf1N1Φ因为T=KmΦI2cosφ2当U1↓，→Φ↓→I2↓，而cosφ2不变，所以→T↓。TN当电压由UN减小到0.8UN时，电动机立即运行在该点，电磁转矩为何减小？2202221244.4SXRNfSITN最后稳定运行在该点时，和前一个稳定运行点比较，电流I2大小如何？由上可知，↓U→Φ↓，而在稳定点运行时，n↓→S↑→cosφ2↓，从T=KmΦI2cosφ2=TN=TL=常数，可知，当U=UN时，I2会是额定值，而当U↓时，I2要增大，并且I2大于其额定值，→电机发热、烧坏。这时动转矩0,因此→n↓→S↑→I2↑→T↑，直到T=TN为止。▲定子电路外串电阻或电抗时的人为特性外串电阻R1s和电抗X1s→电动机端电压↓，曲线2，∵随n↑→I1↓→R1s和X1s上的压降↓→电动机端电压↑，而曲线1的电动机端电压在启动过程始终不变。和降低电源电压时的曲线1相比，最大转矩要大些，▲改变定子电源频率时的人为特性由U≈E1=4.44KfN1Φ：当↓f时，必须同时↓U，即保持U/f=常数，才能使Φ不变。各条曲线近似平行常数202max2XUKT常数PfXRnsnnmm6020200随f↓，→n0↓，Sm↑，Tmax基本不变，Tst↑，因为X20↓。因为各条曲线近似平行，所以在T＝TL时，各条曲线当T=KmΦI2cosφ2＝TL＝常数时，I2不变。即变频调速属于恒转矩调速方式。常数00Snnn常数20002222202222cosXnnnRRSXRRU≈E1=4.44KfN1Φ,保持U/f=常数时，Φ＝常数绕线式异步电动机转子电路串入电阻R2r，Tmax不变，Sm↑，特性较软。▲转子电路串电阻时的人为特性作业：4.6，4.7