第五章感应电机的稳态分析

南通大学备课用纸电气工程学院秦岭1第五章感应电机前言：①定义：感应电机（也叫异步电机）是一种交流旋转电机，它的转速除与电网频率有关外，还随负载而变。②应用：主要作电动机使用，如：机床；水泵；家用电器；③它的功率因数永远是滞后的。5.1感应电机的结构和运行状态一、感应电机的结构1.定子：定子铁心：0.5mm厚硅钢片叠压而成,磁路的一部分定子绕组：电磁线制而成,电路一部分机座：铸铁或钢板焊接而成2.转子：转轴:支撑转子转子铁心：0.5mm硅钢片叠压而成,磁路一部分转子绕组：笼型绕组铸铝铜条绕线式绕组:电线绕制而成,Y接,滑环引出,外接电阻3.气隙(gap)：磁路的一部分,δ↓→Im↓→Ncos↑但易发生扫膛现象δ↑→Im↑→Ncos↓二、感应电机的运行状态(见P133图5-5)1.转差率定义：11nnns式中n1—旋转磁场的转速(同步转速)n—转子的转速当0nn1时,即0s1时,电机为电动运行状态(电能→机械能)当nn1时,即0s时,电机为发电运行状态(机械能→电能)当n0时,即s1时,电机为电磁制动运行状态(机械能和电能→热能)2.分析:(i1a的方向必与i2a的方向相反)(1)电机运行状态:nn1,e1与e2同方向,i2a与e2同方向,i2a→Te与n同方向(驱动性质),i1a与i2a反向→i1a与e1反方向,因i1a由u1产生,即i1a与u1同方向,所以从电网吸南通大学备课用纸电气工程学院秦岭2收电能.(2)发电运行状态若原动机使nn1→s为负→e2和i2a反向(与电机比)→Te反向(Te与n反方向)(制动性质),又因i2a反向→i1a反向→i1a与e1同方向(注e1未变)→i1ae1为正→输出电能(3)电磁制动运行状态若T1驱动转子以反方向旋转,则切割方向同电动运行状态→e1,e2,i1a,i2a,Te同电机运行状态,因Te与n1同方向,但与n反方向(制动性质),所以T1必须输入机械功率.又因e1与i1a反向→i1ae1为负→从电网吸收电功率.三、感应电动机的型号和额定值1.型号例如：Y112S-6极数6极短机座规格代号：中心高112mm产品代号：异步电动机2.额定值①额定功率PN:电动机在额定情况下运行，由轴端输出的机械功率，单位为W或kW。②额定电压UN:电动机在额定情况下运行,施加在定子绕组上的线电压，单位为V。③额定频率fN：50Hz。④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。⑤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。⑥其他额定值ηNτN(或θN)⑦其他数据:绝缘等级:A,E,B,H,F(极限工作温度:105,120,130,155,180)防护等级:IP23-防护式,IP44-封闭式(分别表示防尘,防水)工作制:S1-连续工作制;S2-段是工作制;S3-断续周期工作制接法:(Y或△).对于三相异步电动机，额定功率：南通大学备课用纸电气工程学院秦岭3NNNNNIUPcos35.2三相感应电动机的磁动势和磁场一、空载运行时的磁动势和磁场1.主磁通Φ0：①作用：传递能量的媒介作用；②路径：定子—气隙—转子—气隙—定子。2.漏磁通Φσ：①不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的作用；②包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次谐波。二、负载运行时的磁动势和磁场1.转子电动势的频率：12sff；2.转子绕组的感应电动势：2222244.4sEkNfEwS；3.转子绕组的电阻和漏抗：忽略集肤效应，认为2r不变；22122222sxLsfLfxS；4.转子绕组的电流：正常运行时，转子端电压U2=0，2222222jsxrEsjxrEISS；有效值：222222)(sxrsEI；*结论：转子电流I2随S的增加而增加。5.转子绕组的功率因数：222222)(cossxrr*结论：转子功率因数随S的增加而减小。6.转子磁动势的转速：2F相对转子速度：11226060snpsfpfn2F相对定子速度：112nnsnnn**1F与2F相对静止。三、磁动势平衡方程1.磁动势形式：021FFF2.电流形式：LIII101南通大学备课用纸电气工程学院秦岭45.3三相感应电动机的电压方程和等效电路一、电动势平衡方程1.方程：)(11111jxrIEU)(02222SSjxrIEmmmZIjxrIE001)(2.mZ的物理意义与变压器的相同，但由于气隙的存在，比变压器的小。举例：已知：一台三相异步电动机，在额定转速下运行，min/1470rnN，电源频率Hzf501，试求：1）转子电流频率2f；2）定子电流产生的旋转磁动势以什么速度切割定子？又以什么速度切割转子？3）由转子电流产生的转子磁动势以什么速度切割定子？又以什么速度切割转子？二、等效电路1、折算折算原则：①保持F2不变，只要使等效前后转子电流的大小和相位相等即可；②等效前后转子电路的功率和损耗相等。折算方法：222222222222221rssjxrEjxsrEjsxrEsjxrEISS**①附加电阻21rss的物理意义：模拟转轴上总的机械功率；②转子方程为：)(22222jxrIEU2221rssIU2、转子绕组折算说明：原则和方法与变压器相同。电流折算：iwwkIIkNmkNmI22111222'2电动势折算：222211'2EkEkNkwNEew电阻和电抗折算：2'2rkkrie南通大学备课用纸电气工程学院秦岭52'2xkkxie3、T型等效电路折算后的基本方程组：)(11111jxrIEU)('2'2'2'2'2jxrIEU'2221sUIrs120III12EE)(01mmjxrIET形等效电路1Ir1X1σr2’X2σ’2I0Irm'21rss1U12EEXm2U分析：①堵转：01,1,0'2rsssn，相当于短路；②空载：'211,0,rsssnn，相当于开路。三、近似等效电路与变压器的近似等效电路相同，但须引入一修正系数C1mxxC111，对于40kW以上，可取C1=1。**注意：异步电动机的等效电路与变压器的区别。南通大学备课用纸电气工程学院秦岭65.4感应电动机的功率方程和转矩方程一、功率平衡和转矩平衡1.功率平衡：能量转换：电能→机械能P1PemPmecP2pCu1pFepCu2pmec+pad电源输入功率：11111cosIUmP定子铜损：12111rImpCu定子铁损：mFerImp201电磁功率：srImppPPFeCuem222111转子铜损：emCusPrImp22212总机械功率：emCuemmecPsrssImpPP)1(122212输出功率：admecmecppPP2可见：)(21112admecCuFeCupppppPpPP2.转矩平衡：)(2admecmecppPP，即02TTTem602n------机械角速度rad/s；式中：Tem—电磁转矩（驱动）；T2—负载转矩（制动）；T0—空载转矩（制动）；式中：1emmecemPPT60211n二、电磁转矩1.物理表达式：602cos''122211nIEmPTemem南通大学备课用纸电气工程学院秦岭7=2201111221111cos'244.42cos'44.4IkpNmpfIkNfmww2'2'2cosICICTaT(CT为转矩常数)说明：上式描述了电磁转矩与主磁通、转子有功电流的关系。2.参数表达式：由简化等效电路可得：2'212'211'2)()(xxsrrUI可得：2'21211'22111'22'211)(22'2xxsrrfsrpUmpfsrImPTemem*结论：emT与电源参数、电机参数和运行参数的关系。南通大学备课用纸电气工程学院秦岭85.7感应电动机的转矩-转差率曲线一、转矩-转差率特性1.转矩特性：其他参数一定，)(sfTem分析：异步电动机转差率s在0～1之间，但实际上s在0～sm（临界转差率）时，0dsdTem稳定；s在1～sm之间，0dsdTem不稳定；0dsdTem，s=sm，处于临界状态。电磁制动状态电动机状态发电机状态TemTNTmaxTst+∞S=1SmSN0-∞Tmax转矩特性2.三个特征转矩①额定转矩TN：额定负载时)(1055.93mNnPPTNNNNN**注：NP的单位为kW。②最大电磁转矩Tmax：)(4])([42112112212111211maxxxfpUmxxrrfpUmT212221212)(xxrxxrrsm特点：⑴Tmax与21U成正比；而Sm与21U无关；⑵Tmax与转子电阻无关；而Sm与转子电阻有关；⑶f1一定时，21xx越大，Tmax越小。南通大学备课用纸电气工程学院秦岭9⑷过载能力（或最大转矩倍数）NMTTkmax一般为1.6～2.5，越大，过载能力越强。③起动转矩Tstn=0,S=1，得])()[(222122112211xxrrfrpUmTst当转子回路电阻为：212xxrrst时，起动转矩达到最大电磁转矩。起动转矩倍数：NststTTk，stk↑，stT↑，起动能力强。JO2：1.0～1.8；Y：1.4～2.2；特殊电机：4.0以上。二、归一化转矩-转差率表达式mmemssssTTmax2此表达式主要用于求机械特性曲线。5.8感应电动机的工作特性定义：是指在额定电压和频率下，电动机的转速n(s)、输出转矩T2、定子电流I1、功率因数cosφ1、效率η与输出功率P2之间的关系。一、转速特性)(2Pfn或)(2Pfs由Pcu2=sPem得s=2'2'212'2'212cosIEmIrmPPemCu)(2Pfn是一条稍向下倾斜的曲线。二、输出转矩特性)(22PfT异步电动机的输出转矩：602222nPPT南通大学备课用纸电气工程学院秦岭10)(22PfT是一条过原点稍向上翘的曲线。三、定子电流特性)(21PfI由102()III知，空载时：2100,III，很小；负载时，P2增加，'2I也增加，I1也增加。四、定子功率因数特性)(cos21Pf空载：1cos很小；负载时，随2P↑，1cos↑。五、效率特性)(2Pf根据η=PPPPP2121空载时，P2=0，η=0；负载时，随着P2的增加，η也增加，当负载增大到可变损耗与不变损耗相等时，η最大；负载继续增大，铜损增加很快，η反而下降。**说明：电机在额定负载附近的1cos和η较高，希望在PN附近运行。I1T21cosηSP2异步电动机工作特性图南通大学备课用纸电气工程学院秦岭115.9三相异步电动机的起动，深槽和双笼电动机一、三相异步电动机的起动（一）、概述1.起动定义：电动机接到电源上，从静止状态到稳定运行状态的过程；2.起动电流：n=0,S=1时的电流。kstZUxxrrUI12212211)()(起动电流倍数：7~5NstiIIk3.起动转矩：n=0，s=1时的电磁转矩。221()212111stemstststrmIPmsTIr4.起动电流大的原因：此时处于短路。5.起动转矩不大的原因：1）m减少；使Tst不大。2）2cos减小；6.起动要求：①起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；②起动转矩尽量大，以缩短起动时间；③起动设备简单，可靠。