电机学之异步电机

电机学ElectricMachinery西安交通大学电气工程学院苏少平2011.8（异步电机基本理论）就数量而言，异步电机是产量最大、应用领域最广泛的机种。异步电机结构简单、成本低、操作方便、坚固耐用，是电动机家族中最为实用的类型。近年来，随着风电等可再生能源的大力发展，异步电机作为发电机运行又有了用武之地。电力电子技术的发展更使得异步电机脱掉了“调速性能不好”的帽子，应用将更加广泛。本章主要介绍：异步电机的工作原理、结构、方程式、相量图、等效电路、电磁转矩、工作特性等基本理论知识。概述13-1异步电机的工作原理及运行状态一、异步电动机的工作原理模型图：定子有三相对称交流绕组，转子有对称多相短路绕组。定子绕组接三相对称交流电时产生圆形旋转磁场。转子导体切割旋转磁场，能感应出电势和电流。载流的转子绕组在磁场受到电磁力的作用，产生电磁转矩拖动转子旋转。异步电机又称感应电机。BAXYCZ二、异步电机的转差率111nnnnnsn-=-=异步电机转子转速n与定子旋转磁场转速n1之间存在着转速差n=n1－n,n与n1的比值称为转差率s。转子不动时s=1;理想空载时s=0;电动运行时0s1。BAXYCZnnNS1n1n三、异步电机的三种运行状态电动机运行状态：定子旋转磁场(等效为旋转磁极)“拖动”转子旋转，转子转速n低于旋转磁场的转速n1。1001nns判断电磁转矩的方向0,1ns制动运行状态：定子旋转磁场与转子转向相反，即n0，电磁转矩与转子转向相反，起阻碍作用。nnNS1n1nnnNS1n1n发电运行状态：原动机拖动转子致其转速n高于定子磁场的转速n1,电磁转矩与转子转向相反，起阻碍作用。1,0nns13－2异步电动机的基本结构一、异步电机的大致结构定子与同步电机定子结构类似：圆筒形叠片结构，内圆有槽，槽内嵌放三相对称交流绕组，用来产生旋转磁场。转子是圆柱体叠片结构，表面有槽，槽内嵌放短路的多相绕组，产生电流和电磁转矩。还有一些结构部件：机座、端盖、风扇、轴、轴承等。定转子之间的气隙很小，但对电机的性能影响很大。气隙定子转子二、异步电机的按结构分类鼠笼式异步电动机：结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式。绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。三、异步电动机铭牌数据型号举例：Y132S－4，中心高为132mm；短机座；4极。额定电压:UN额定电流:IN额定功率:PN额定转速:nN额定频率:fN额定效率:hN额定功率因数:cosjN3cos3cosNNPNPNNNNPUIUIhjhj例13-1一台异步电动机，铭牌丢失，已知其容量为11kW，额定电压为380V，测得负载时转速为1460r/min，试：(1)判断其极数；(2)求转差率；(3)估算工作电流解：(1)从转速判断，同步转速为1500r/min,其极数为：126024fpn(2)转差率：110.0267nnsnA3co22sNNNNNPIUjh(3)工作电流估算:(cosj=0.8,h=0.9)13－3异步电动机磁势平衡一、异步电动机运行时的电磁过程定子磁场：交流电产生的电气旋转磁场，设转向顺时针。1160fnp转速为转子磁场：转子中交流电的频率为1216060psnpnfsf转速为21216060fsfnsnpp转子本身转速为n转子磁场的绝对转速为211nnnsnn结论：异步电机定转子产生的电气旋转磁场同步。电机中的实际旋转磁场(合成磁场)为定转子磁场的矢量和。合成磁场对应的合成磁通量(主磁通F)、合成磁动势(激磁磁势Fm)大小由电源电压U1决定，保持不变。理想空转时，转子转速与定子磁场同步，不切割磁力线，转子电流为0，Fm全部为空载时的定子磁势F0。加载后，转子减速并且切割定子磁场，感应出转子电流I2并产生转子磁势F2，瞬间改变了电机内的合成磁势Fm。但Fm在U1不变时最终还要回到原值。结果是定子磁势发生了改变，由空载时的F0变为F1，变化量称为负载分量F1L。F1L应该刚好抵消F2，以维持合成磁势不变。F2对应于转子电流I2，F1L对应于定子电流的负载分量I1L。即I1L随着I2的改变而改变。运行状态转子转速转子电流转子磁势定子电流定子磁势合成磁势理想空载n100I0F0Fm=F0负载运行nI2F2I1=I0+I1LF1=F0+F1LFm=F1+F2=F0nI2F2I1L=I2/kiF1L=F20二、异步电动机的磁势平衡12mFFF+=vvv112211121120.90.90.9222=&&&21miIIIk+=&&&111222wiwmNkkmNk=21LiIIk=-&&nnNS1n1nNS1n1nnn0FmF2F1F1LF13－4异步电动机电势平衡一、定子电势平衡方程1U1ImF1F111114.44wENfkF1F11111114.44wENfkXIF2I11RI()11111111UERjXIEZI=-++=-+s&&&&&二、转子电势平衡方程2222222222ssEsEEIRRjXRjsXjXssss===+++&&&&2InnmF1I1F222214.44swENfkF2F22221224.44swsENfkXIF22RI21fsfs22221212124.444.44swwENfksNfksEFF222212121224.444.44swwENfksNfksXIFF()22220ssERjXIs=-++&&例13－2一台50Hz下运行的4极异步电动机，额定转速nN=1425r/min，转子电路参数R2=0.02W，X2=0.08W，定转子每相有效匝数比ke=10，当E1=200V时，求：（1）起动时，转子绕组每相的E2、I2、cosj2及转子频率f2;（2）额定转速下转子绕组每相的E2s、I2、cosj2及转子频率f2。解：（1）起动时s=12150Hzfsf==1220VeEEk==222222242.5356AEIRXss==骣÷ç+÷ç÷÷ç桫222222cos0.2425RsRXssj==骣÷ç+÷ç÷÷ç桫（2）额定运行时110.0500Nnnsn-==221VsEsE==22222249.0290AEIRXss==骣÷ç+÷ç÷÷ç桫212H5z.fsf==222222cos0.9806RsRXssj==骣÷ç+÷ç÷÷ç桫13－5异步电动机等效电路和相量图(1)定转子电路的频率不相同；(2)定转子边的相数、匝数、绕组系数均不相等，与变压器类似，定转子等效电路无法连接在一起。频率折算和绕组折算是解决以上问题的途径。一、绘制异步电动机等效电路时遇到的问题1R1Xs2R2sXs1E&2sE&2I&1U&1I&1111,,,wmNkf2222,,,wmNkf二、频率折算转子不动时时s=1，f2=f1。用一个不动的转子等效代替一个转差率为s的实际旋转转子，就可以统一频率。222222222221sssEsEEIsRjXRjsXRRjXssss===骣-++÷ç++÷ç÷÷ç桫&&&&旋转电机等效不动电机频率折算的方法：给转子电路增加一个附加电阻。附加电阻上消耗的电功率等于原来旋转电机的机械功率。1R1Xs2R2Xs1E&2E&1U&1I&1111,,,wmNkf2221,,,wmNkf21sRs-2I&三、绕组折算遵循磁势不变原则，用一个与定子绕组(m1/N1/kw1)相同的等效绕组来替代实际的转子绕组(m2/N2/kw2)11221222220.90.9,22wwiNkNkmmIIIIppk骣骣鼢珑ⅱ鼢==珑鼢珑鼢珑桫桫21112212224.44,4.44,wweENfkENfkEkEⅱ=F=F=1122wewNkkNk=111222wiwmNkkmNk=zeikkk=222222/eeizikEEEZkkkZIIkI¢¢====¢折算前后转子电路电势方程具有相同的形式，磁势平衡转换为电流关系。2222REXIsss骣¢÷çⅱ?÷=+ç÷ç÷ç桫12mIII¢+=1R1Xs2R¢2Xs¢1E&2E¢&1U&1I&1111,,,wmNkf1111,,,wmNkf21sRs-¢2I¢&四、T形等效电路将感应电势用阻抗压降形式表示。将定转子电路合并起来，合成一个完整的T形等效电路。()12mmmmmEERjXIZI==+=1R1Xs2R¢2Xs¢21EE¢=&&2I¢&1U&1I&21sRs-¢mRmXmI&变压器相比较，异步机的Zm要小，Z1要大。五、近似等效电路2R¢2Xs¢2I¢-&1U&1I&21sRs-¢mRmXmI&1R1X1R1XF&mI&12EE¢=&&2I¢&22RIs¢¢&22jXIsⅱ&2I¢-&1I&11RI&11jXIs&1E-&1U&六、相量图13-6功率平衡和转矩平衡一、功率流程1R1X2R¢2Xs¢1U&21sRs-¢mRmX1P1CupFep2CupmppD+MPPW2P11111cosPmUIj=21111CuPmRI=21FemmPmRI=221112MCuFeRPPppmIs¢¢=--=22122CupmIRⅱ=21221sPmIRsW-ⅱ=2mPPppWD=--二、功率平衡方程12CuFeCumppppppD=++++å21PPp=-å1211100%PpPPPh-==?å2::1::(1)MCuPPPssW=-二、转矩平衡方程动力转矩(即电磁转矩)由机械功率产生220mppPTTWWPTWW阻力转矩由机械负载(输出功率)和机械损耗产生20TTT13-7电磁转矩和机械特性一、电磁转矩电磁功率中一部分被转子电阻消耗，其余转化为机械功率，产生电磁转矩：()()1111MMsPPPTsW-===W-WW111112212221221114.44coscoscos2wMMmNfkIPmEITCIfpjjjp¢F¢====FWW221211MrmIPsT¢¢==WW()12222112UIRRXXsss=骣¢÷ç¢+++÷ç÷÷çç桫()22112212112RmUsTRRXXsss¢=轾W骣¢犏÷çⅱ+++÷ç犏÷÷çç桫犏臌二、机械特性()22112212112RmUsTRRXXsss¢=W骣¢÷ç¢+++÷ç÷÷çç桫Ts1s=0msmaxTstTLT电磁转矩与转速之间的关系曲线称为机械特性。在异步电动机中，转速用s表示，所以其机械特性即为T-s曲线。NsMSNO异步电机正常稳定运行的区间在M(最大转矩点)-O(理想空载点)之间。0mNss三、最大转矩()222112mRsRXXss¢=¢++()211max221111212mUTRRXXss=轾W¢+++犏犏臌()211max1122mUTXXss»¢W+(1)最大转矩与电压平方成正比(2)最大转矩近似与漏电抗成反比。(3)最大转矩的值与转子电阻无关，但最大转矩对应的转差率可以由转子电阻控制。Ts1s=maxT0s=的值与转子电阻无关maxT()2msfR¢=由转子电阻控制maxMNTKT=过载能力四、起动转矩将s=1代入T-s公式就可求得起动转矩。(1)起动转矩与电压平方成正比；(2)漏电抗越小，起动转矩越大。(3)要增大起动转矩，可以增加转子回路电阻。当串入电阻后，如果sm=1，则起动转矩即为最大转矩。()()21122211212stmURTRRXXss¢=轾Wⅱ+++犏臌()221122stRRXXRssⅱ?=++-五、机械特性的估算()22112221112RmUsTRRXXsss¢=轾骣¢犏÷ç¢W+++÷ç犏÷ç÷ç桫犏臌()2211max2221112mmRmUsTRRXXsss¢=轾骣¢犏÷ç¢÷W+++ç犏÷ç÷÷ç桫犏臌()()()()222222112122222max22212211222mmmmmmRRsRXXsXXs