第五章异步电机

第五章异步电机感应电动机优点：结构简单、运行可靠、效率高、制造容易、成本低。感应电动机缺点：不能平滑调速、调速范围窄、降低电网功率因数（对电网来讲是感性负载）。5．1异步电机的基本类型和基本结构基本类型：单相鼠笼式异步电机；三相鼠笼式异步电机；三相绕线式异步电机异步电机主要结构包括：静止的定子，旋转的转子，气隙。基本类型中就是指转子的结构形式。1．定子------定子铁心、定子三相或单相绕组、机座2．转子-----转子铁心、转子绕线或鼠笼绕组、轴3．气隙---0.2mm~1.5mm因为磁势大部分都消耗在气隙上，气隙小则电机的空载磁化电流就小，功率因数高。考虑到机械的原因，气隙又不能太小。部件名称作用材料结构定子铁心形成磁路0.5mm硅钢片叠制。直径大于1米的铁心用扇形片拼成半闭口槽（小型电机）、半开口槽（低压中型）、开口槽（大型）定子绕组电路部分，感应电势圆铜线或扁铜线导线线径小于1.53mm，散下线；成形线圈（大电机）机座机械支撑中小型电机铸铁；大型用钢板焊接转子铁心磁路的一部分0.5mm硅钢片叠制。中小型电机转子铁心直接叠装在轴上；大电机则用转子支架转子绕组感应电势、流过电流产生转矩中小型电机用铸铝转子鼠笼结构；绕线电机用铜导线绕线转子要利用滑环和电刷气隙磁场耦合5．2异步电机的基本工作原理1．电动机状态（0nn1,0s1）p214图(1)定子三相对称绕组通入三相对称电流，产生同步转速旋转的气隙磁场。(2)转子导体运动（相对磁场，磁场转速快）切割磁力线，产生感应电动势，进而产生电流。电流与气隙磁场的相互作用产生与转子转向相同的拖动转矩。(3)电机从电网吸收电功率，经过气隙的耦合作用从轴上输出机械功率。2．发电机状态（nn1,s0）（1）原动机拖动转子以n(n1)转速旋转。(2)转子导体运动（相对磁场，磁场转速慢）切割磁力线，产生感应电动势，进而产生电流。电流与气隙磁场的相互作用产生与转子转向相反的制动转矩。(3)电机从轴上吸收机械功率，经过气隙耦合再向电网输出电功率。3．电磁制动状态(n0,s1)转子逆着磁场方向旋转，此时电机既从电网吸收电功率又从轴上吸收机械功率，它们都消耗在电机内部变成损耗。5．3异步电动机的额定值额定功率：电机轴上输出的机械功率W,kW额定电压：定子绕组线电压V额定电流：定子绕组线电流A额定频率：电网频率即工频50HZ额定转速：额定工况下的转子转速r/min另外有：额定运行时的效率N和额定运行时的功率因数Ncos关系式：NNNNNIUPcos3定子三相绕组Y接时NNNNUUII3；定子绕组Δ接时NNNNUUII35．4转子静止时的异步电机5.4.1转子绕组开路定子三相绕组中依次通入三相电流CBAIII0.0.0.,,（对称，互差1200,p216Fig.5.9）。产生气隙旋转磁势，转向由电流相序决定。前面学习了单相绕组产生的磁势位于相绕组轴线上，所以通入的电流有A，B，C顺序时，磁势将由A相绕组轴线到B相绕组轴线再到C相绕组轴线。转速为同步速度n1,基波磁势幅值为：011023IpkNFN，其产生磁通为m.。该磁通与定子某相绕组交链产生感应电动势为：mNkNfjE.1111.44.4感应电动势滞后磁通90度电角度。相电压平衡方程式10.1.1.ZIEUZ1=R1+jX1σ定子相绕组漏阻抗，包括绕组电阻和漏电抗，是常数。由于感应电动机磁场是由定子绕组电流建立的，仿照变压器由励磁参数表示励磁（感应）电势，有：)(0.0.1.mmmjXRIZIE整理得mZZIU10.1.如果转子绕组每相串联匝数N2，基波绕组系数kN2，感应电动势频率f2=sf1=f1，主磁通m.在转子绕组中产生的相电动势有效值为：mNmNkNfkNfE221222244.444.4电动势变比：221121NNekNkNEEk5．4．3电动势平衡方程式（图5.11p219）2122.2.211.1.1.)(EkEjXRIEZIEUe5．4．4磁动势平衡方程式021FFF该合成磁势产生气隙旋转磁场Bm。与变压器中的分析结论相类似，如果不考虑铁心中的磁滞和涡流损耗，F0与Bm在空间上同相位。而实际上，在交流磁场中，铁心中总存在磁滞和涡流损耗，Bm总是在空间上滞后F0一个铁耗角。LFFFFF10201222221111122IpkNmFIpkNmFNLNL电流变比22211112NNLikNmkNmIIk上式说明，定子电流产生的磁势一部分用于建立磁场F0一部分用来平衡转子磁势（对应负载磁势）。用电流表示的磁势平衡方程式有：.1.0.1LIII.2.0.1)(III5．4．5转子绕组的折算等效绕组：用一个与定子绕组匝数、相数、绕组系数相同的绕组代替实际的转子绕组。折算条件：1）磁势平衡关系不变；2）能量传递关系不变物理量包括：折算前2,22,2,2,2,2,2.,2.,NkmNZXRFIE折算后1,11,'2,'2,'2,'2,.'2,.'2,NkmNZXRFIE过程推导：1）折算前后转子磁势保持不变，有2222'211122IpkNmIpkNmNNiNNkIkNmkNmI2111222'2=-LI12）由于磁势平衡关系不变，主磁通不变，感应电动势不变（转子静止）mNmNkNfEkNfE2212111'244.444.4因此1222211'2EEkEkNkNEeNN3）能量传递关系不变有2222'22'21RImRIm2'2RkkRie2222'22'21XImXIm2'2XkkXie同样'2'22'2jXRZkkZie转子静止时异步电动机平衡方程式：mZIEEEIIIjXRIEZIEU.01.'21.'2.1.0'2'2.'2.'211.1.1.)(5．5转子旋转时的异步电机5．5．1转子绕组的电动势和电流转子转动时，三个速度及其关系有：转子（机械）转速n，气隙磁场转速n1，气隙磁场与转子相对转速n2（它决定了转子绕组感应电动势及电流的变化频率）。111122126060sfpnnnnpnfnnns在(0.01~0.04)范围f1=50HZ时f2在(0.5~2)HZ当转子旋转时，转子感应电动势和电流变化频率为f2，所有与频率有关的物理量都发生变化。转子绕组每相电动势2221222244.444.4sEkNsfkNfEmNmNs2212222222sXLfsLfLXs5．5．2定、转子磁动势仍然相对静止结论：不论s和n怎样变化，从定子坐标系看，转子旋转磁势与定子旋转磁势角频率相同、极对数相同、转速相同、转向相同。就是说定转子磁势在气隙中相对静止。因为：站在定子坐标系上看，定子磁势旋转速度为气隙磁场同步转速n1，气隙磁场与转子相对转速n2,转子转速n，所以站在定子坐标系上看转子磁势转速为n2+n=n1，所以定转子磁势在气隙中相对静止。例题p2235．5．3频率折算进行频率折算的目的是用一个等效的静止的转子来代替原来旋转的转子。条件是磁势平衡、功率守恒。根据（参考图5.13a）sssjXREI222.2.（频率为f2）=222.jsXRsE经过变换得：222.2.jsXsRsEI（频率为f1）=2222.2.)1(jsXRsRssEI经过数学的简单变换，得出结论是：用一个静止的转子来代替原来旋转的转子时，与频率有关得物理量乘以s（感应电动势和电抗），电阻要除以s。画出等效电路图5.13b，可知静止的转子回路中串入了一个附加电阻sRs2)1(。5．9异步电动机的功率、转矩平衡方程式1）功率平衡方程式（1）从等效电路中可以看出，电网输入电功率P1，一部分消耗在定子电阻R1，另一部分在Rm上。余下的功率便是通过气隙旋转磁场，利用电磁感应作用传递到转子上的电磁功率Pem。（2）再看转子回路，电磁功率除了部分消耗于转子铜耗外pcu2，剩下的就是总机械功率Pmec。（3）产生有效的机械功率以后，电机就会转动起来，自然产生机械摩擦损耗及附加损耗。2）功率流程图3）功率平衡关系2211PppPPpPppPPadmecmecmeccuemFecuem其中，sPspPsRImPRssImPRImpRImpRImpIEmPIUmPmeccuememmeccumFecuem11coscos2'222'1'222'1'222'12201121112'2'2111111emmecPsP1可见，1）转子回路中，'2R的损耗代表转子铜耗；'21Rss的损耗代表总机械功率；sR'2的损耗代表电磁功率2）从式'222'12RImpcu可以说明s大，转子铜耗大，电机效率受影响。4）电机产生的机械功率除以转子机械角速度Ω得到相应的转矩。作用在转子上的三个转矩Tem、T0、T2Tem：由转子电流和气隙主磁通相互作用引起的电磁力所产生-----电磁拖动转矩。T0：由电机的机械损耗和附加损耗引起的-----空载制动转矩。T2：负载反作用于转子的力矩-------负载制动转矩。关系：0222TTTppPPPppPemmecadmecadmecmec推导1116026021602ememememmecemPnPnPnnPsPTn式中，（1）电磁转矩等于电磁功率除以同步角速度，也等于总机械功率除以机械角速度（2）稳态时，电磁转矩与负载制动转矩和空载制动转矩平衡。例题5.4(p236)5．10电磁转矩三种表达式5.10.1物理表达式物理表达式描述了电磁转矩与磁通、转子有功电流的关系，即22cosICTmMem因为：222'211112'2111112'2'211coscos2602cos2cosICIkNpmnIkNfmIEmPTmmmNmNemem式中，'22222111212IkIkNpmkkNpmCiNiNM称为异步电动机转矩常数5．10．2参数表达式参数表达式描述了电磁转矩与参数的的关系，即2'212'21'221112XXsRRfsRpUmTem因为：pfXXsRRUIsRImPem112'212'211'2'222'12所以1ememPT得上式讨论)(sfTem曲线（1）电源电压、频率一定时，认为参数不变，电磁转矩只与转差率有关，曲线如右图示。（5.26Fig）(2)s=1起动时，电抗起主要作用，R2/s相对较小。（3）s接近零时，R2/s相对较大起主要作用.(4)s等于零时，到同步速n=n1时,Tem=01．最大电磁转矩令0dsdTem得：2'212111211max2'2121'24XXRRfpUmTXXRRsm正号为电动机，负号为发电机通常，电阻值远远小于电抗值，上式简化为：)(4'211211max'21'2XXfpUmTXXRsm讨论：（1）频率一定时，最大转矩与电源电压平方成正比。（2）最大转矩与转子电阻无关，但出现最大电磁转矩时得转差率s与'2R成比例。利用这个特点，可以在转子绕组（绕线式）中串电阻改变转差率（速度）。(3)频率一定，最大转矩与漏抗成反比。（4）电机过载能力NMTTkmaxkM=1.6~2.5范围，它是电机的重要性能指标之一。2．起动转矩令s=1得2'212'21'221112XXRRfR