电力拖动与控制――交流电动机

第二章交流电动机第二章交流电动机的工作原理及特性交流电动机分为单相交流电动机、三相异步电动机、同步电动机。异步电动机的优势：结构简单、维护容易、运行可靠、重量轻、体积小、价格便宜、具有较好的稳态和动态特性。在工业中极为应用广泛，同步电动机作为发电机和电动机使用。§2.1三相异步电动机的结构和工作原理§2.1.1三相异步电动机的基本结构三相交流电动机主要由定子、转子构成。定子是静止不动的部分，主要产生旋转磁场；转子是旋转部分，产生电磁转矩或感应电势。三相异步电动机的基本结构1、定子定子由铁心、绕组、机座三部分组成。定子铁心：磁路。0.5mm的硅钢片叠压而成，有槽、绝缘、减少涡流损耗，槽内安放定子绕组、铁心固定于机座。定子绕组：电动机的电路，三相对称，绕组AX、BY、CZ，绕组有三角形、星型接法。机座：固定、支撑作用。2、转子转子由铁心、转子绕组组成。转子铁心：压装在转轴上，由硅钢片叠压而成，磁路。定子铁心、气隙、转子铁心构成电机完整的磁路转子绕组：有鼠笼式、线绕式两种。鼠笼式的绕组是在转子铁心槽里插入铜条，将铜条的两端用铜环焊连在一起，类似鼠笼，小电动机的转子绕组用铝离心浇铸而成。线绕式绕组也称绕线式绕组。线绕式绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组，嵌放在转子铁心的槽内。可接成三角形（Δ）、星型方式（Y），转子绕组为ax、by、cz。§2.1.2三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理，是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用，产生电磁转矩，驱动电动机旋转。定子的三相对称绕组接三相电源电压；三相定子绕组的电压产生三相对称电流；三相对称电流产生旋转磁场，磁场方向沿着定子内园周方向旋转；三相异步电动机的工作原理在旋转磁场中，转子绕组的导体切割磁场，产生感应电势e2；如旋转磁场顺时针方向，转子导体相当于逆时针方向旋转，根据右手定则，转子绕组中产生的感应电压在N极下方向向外；感应电势e2在转子回路中产生转子电流i2；转子电流在旋转磁场的作用下，根据安培电磁力定律（左手定则），产生电磁力F；电磁力方向向右（顺时针）；电磁力在转子轴上形成电磁转矩T，方向与旋转磁场的方向相同；三相异步电动机的工作原理转子旋转的速度n与旋转磁场的旋转速度n0不同，一般n＜n0，正因为如此，称为异步电动机。如果n＝n0，则转子与旋转磁场之间没有相对运动速度，就不会产生感应电势，以及电流和电磁转矩。异步电动机的转差率s：s＝（n0－n）/n0转差率是异步电动机的主要参数。运行段上的转差率很小s＝1.5％～6％异步电动机的原理中，电能从定子绕组输入，通过电磁感应的形式，以旋转磁场为媒介，通过气隙传递到转子绕组，转子中的电能通过电磁力的作用变换成机械能输出。其中，转子中的产生的感应电压、感应电流、电磁力均基于电磁感应原理，所以，异步电动机又称为感应电动机。§2.1.3三相异步电动机的旋转磁场1、旋转磁场的产生旋转磁场：异步电动机定子绕组通以三相正弦交流电流时，三相绕组中分别产生磁场，由于定子电流按正弦规律变化，产生的磁场也将随时间变化，三相电流产生的总磁场(合成磁场)，因此随时间变化，且在空间上旋转，故称旋转磁场。定子三相绕组各相电流的瞬时值为：iA＝ImsinωtiB＝Imsin(ωt－2π/3)iC＝Imsin(ωt＋2π/3)旋转磁场的产生定子电流的相序上相差120°电流按正弦变化，也可以认为一个电流向量根据时间的变化在空间的某点按正弦的大小在变化。或者，该电流向量旋转，在某点所对应的轴上的投影的大小，按正弦规律变化，此时电流向量以ω的角速度旋转。旋转磁场产生的图示t＝0，iA＝0，iB＜0，iC＞0；如图（a）t＝T/6，ωt＝π/3，iA＞0，iB＜0，iC＝0，如图（b）t＝T/3，ωt＝2π/3，iA＞0，iB＝0，iC＜0，如图（c）t＝T/2，ωt＝π，iA＝0，iB＞0，iC＜0，如图（d）三相电流随时间变化，合成磁场的方向在空间上也不断变化，即合成磁场在空间上旋转，因此，交流电动机的定子磁场为旋转磁场。2、旋转磁场的旋转方向iA超前iB2π/3，iB超前iC2π/3。即A→B→C；据此旋转磁场的旋转方向为A→B→C，顺时针方向；旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致；改变三相锭子电流的相序，相应改变旋转磁场的旋转方向。旋转磁场的旋转方向3、旋转磁场的旋转速度磁极对数p＝1时，电流变化一个周期（360°电角度），旋转磁场在空间上也旋转一转（360°机械角度）；p＝1时，若电流的频率为f，旋转磁场的速度是每分钟旋转60f转。即n0＝60f(r/min)p＝2时，电流变化半个周期，旋转磁场在空间旋转1/4转，则n0＝60f/2(r/min)极对数为p时，电流变化一个周期的电角度，旋转磁场在空间上旋转1/p转的机械角度。则：n0＝60f/pp＝1，2，3，4时，且电流频率f＝50Hz,旋转磁场的同步转速n0＝3000rpm，1500rpm，1000rpm，750rpm。四对极旋转磁场§2.2三相异步电动机的定子电路和转子电路§2.2.1定子电路的分析三相异步电动机的电磁关系与变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组（原边），转子绕组相当于变压器副绕组（副边）。定子绕组接三相电源电压（u1）；绕组中产生三相定子电流（i1）；定子电流产生旋转磁场；旋转磁场中的定子、转子绕组中分别感应出定子感应电势e1、转子感应电势e2（右手定则），转子感应电势产生转子电流；NSn0e1e2定子和转子电路的感应电势转子电流一方面也产生旋转磁场（与定子合成产生）,一方面转子电流在磁场中产生电磁转矩。定子电路的分析旋转磁场的磁感应强度是沿着气隙,近似的按正弦规律分布磁场旋转时，通过定子每相绕组的磁通也符合正弦规律，即φ＝Φmsinωt，Φm是通过每相绕组的磁通最大值，在数值上等于旋转磁场的每极磁通Φ，即气隙中磁感应强度的平均值与每极面积的乘积。定子绕组中产生的感应电势为：其有效值为：E1＝4.44Kf1N1Φ其中，E1——定子感应电势的有效值；K——绕组系数；f1——定子感应电势的频率。f1＝f(定子频率)u1i1i2e2e1R1X1R2X2三相异步电动机的一相电路图dtdNe11Hzpnf6001定子电路的分析漏磁通及漏磁电动势。漏磁通ΦL1，是不经过磁路的，与定子绕组和转子绕组不交链的磁通。漏磁通相应产生的电动势为：定子电压方程：u1＝i1R1＋（－eL1）＋(－e1)u1＝i1R1＋LL1di1/dt＋(－e1)电压方程的向量表示：dtdiLeLL111)()(1111EERIUL111111()UIRjIXE1112LLfX由于R1和X1较小，11UEU1＝E1§2.2.2转子电路分析异步电动机的转子在定子接正弦交流电后，产生旋转磁场，在定子和转子中感应电势，从而在转子中产生转子电流，转子电流在旋转磁场的作用下，产生电磁转矩。转子电动势e2、转子电流i2、转子电流频率f2、转子电路功率因数cosφ2、转子绕组的感抗X2以及它们之间的相互关系：转子电势e2：其有效值为：E2＝4.44Kf2N2Φ其中，f2——转子电势或转子电流的频率。dtdNe22)(6060)(100002Hzsfpnnnnnnpf转子电路分析转子频率与转差率有关，即与转速n有关。n=0时，s=1（电动机启动），转子与旋转磁场之间的相对转速最大。f2=f1，异步电动机额定负载时，s=1.5%~6%,f2=(0.75~3Hz)n＝0，s＝1时，转子电势为：漏磁电动势eL2：21244.4NKsfE212044.4NKfE202sEEdtdiLeLL222转子电压方程：转子漏抗：n=0，s=1时，dtdiLRieRieLL22222222)(22222222)(XIjRIERIEL2122222LLLsfLfX21202LLfX此时，12ff转子感抗最大，202SXX转子感抗与转差率有关。转子电流：220222222222)(sXRsEXREI转子功率因数：220222222222)(cossXRRXRR11sI2和与转差率s的关系2cosI22cos2I2cos§2.2.3三相异步电动机的额定值电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定运行，通常用额定值来表示其运行条件。这些数据大部分表明在电动机的铭牌上。使用时，必须看懂铭牌。电动机的铭牌上通常有以下9个数据：型号额定功率PN：在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。额定电压UN：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。额定频率f：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（f=50Hz）额定电流IN：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，定子的线电流值。如标有两种电流值（10.35A/5.9A），则对应定子绕组为Δ/Y连接的线电流值。额定转速nN：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机的转速。与此转速相对应的转差率称为额定转差率SN。工作方式（定额）温升（或绝缘等级）电机重量三相异步电动机的额定值一般不标在电动机铭牌上的额定值有4个：额定功率因数：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ηN：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，表达式：额定负载转矩TN：电动机额定转速下输出额定功率时轴上的负载转矩。线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电压。通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。%1003NNNNNCOSIUP§2.2.4三相异步电动机的能流图三相异步电动机的能量流程图反映了异步电动机的功率和损耗之间的关系。输入功率P1：定子铁耗和定子铜耗ΔPFe1和ΔPCu1P1-ΔPCu1-ΔPFe1=Pe电动机的输入功率P1，在定子中损耗了定子铜耗ΔPCu1和定子铁心的铁耗ΔPFe1，剩下的电功率Pe，借助于旋转磁场，通过气隙从定子电路传递到转子电路，该功率Pe称为电磁功率。P1PePmP2ΔPFe1ΔPCu1ΔPmΔPCu2三相异步电动机的能流图1111cos3IUP率因数。的线电压、线电流和功定子绕组—、、式中，111cosIU三相异步电动机的能流图转子铜耗ΔPCu2：Pe-ΔPCu2=Pm电磁功率在转子中，消耗了转子铜耗，剩下为电动机的机械功率Pm。转子的频率较低，转子铁心中交变磁化的损耗即转子铜耗很小，可以忽略不计。机械损耗功率ΔPm：Pm-ΔPm=P2机械功率减去机械损耗功率之后，为电动机的输出功率P2，即电动机的铭牌所标的额定功率。电动机的效率η：ΣΔP——电动机的总功率损失。电动机轻载时，效率很低，随着负载的增加，效率逐渐最高，通常在额定负载时，电动机的效率最高。一般异步电动机额定负载时的效率为0.7～0.9。容量越大，其效率越高。1112PPPPP三相异步电动机的能流图电动机的输出功率P2：忽略转子铜耗ΔPCu2和机械损耗ΔPm，则忽略定子铜耗和铁耗，Pe＝P1忽略机械损耗，P2＝PmΔPCu2＝sPe＝PsP2＝P1－Ps＝（1－s）P1η＝1－sTPTPe22nPPT22255.9其中，T——电动机的电磁转矩；T2——电动机轴上的输出转矩。§2.3三相异步电动机的转矩与机械特性§2.3.1三相异步电动机的电磁转矩电磁转矩是电动机的最重要的物理量，机械特性是它的主要特性三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I2相互作用产生的。T与Φ和I2的乘积成正比。T与转子电路的功率因数有关。所有作用于转子导体的力将产生同一方向的转矩2cos12cos0作用于转子各导