第5章 三相异步电动机的运行原理.ppt

第五章 异步电机（二）三相异步电动机运行原理及单相异步电动机,第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程,一、异步电动机负载时的物理情况,当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过三相交流电流。若不计谐波和齿槽影响，这个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布、并且以同步转速n0旋转的旋转磁动势F1，由旋转磁动势F1建立旋转的气隙主磁场Bm。这个旋转磁场切割定子、转子绕组，分别在定子、转子绕组内感应出定子电动势和转子电动势。在转子电动势作用下转子回路中有对称三相电流流过。于是，在气隙磁场和转子电流的相互作用下，产生了电磁转矩，转子就顺着旋转磁场的方向转动。,感应电机中旋转磁场,感应电动机的空载磁动势和磁场,A,C,B,Y,Z,F1,n0,感应电动机的空载磁动势和磁场,A,C,B,Y,Z,F10,n0,Fmo,空载的情况下：nn0,I20,当电机带有机械负载后：nn0,I2增大。,不论转子是绕线型还是笼型，转子磁动势F2都是一种旋转磁动势。,（一）转子磁动势分析,如果相序为A-B-C的异步电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋转，因为nn0，则转子电流相序为a-b-c。则转子磁动势F2的旋转方向也按照相序a-b-c，即：按逆时针方向。,1、转子磁动势F2的旋转方向,A-B-C,a-b-c,2、F2转速的大小,转子绕组内感应电动势和电流的频率为,转子电流形成的转子磁动势F2的旋转方向与F1的旋转方向相同，它相对于转子的转速为n，而相对于定子的转速为,f2为转差频率,n+n=n0nnn0,（二）磁动势平衡,转子磁动势F2与定子磁动势F1相对静止，得到合成磁动势F1+F2,负载时,空载时,电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小，差不多和电源电压相平衡。所以，可以近似认为,于是,负载时,空载时,转子电动势波,气隙磁场Bm,转子,转子磁动势波F2,气隙磁场Bm,转子,转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置,（三）电磁关系,有效值,相量表达式,定、转子的漏磁通在各自绕组中感应产生漏电动势,二、基本方程式,（一）磁动势平衡方程式,式中m1、m2为定子、转子的相数；Im为对应于励磁磁动势的励磁电流。,令,则,异步电动机的电流比,（二）电动势平衡方程式,R为转子电阻的外加电阻,Zm为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻抗；xm称为励磁电抗；rm为反映铁耗的励磁电阻。,因此,异步电动机负载时的基本方程式列出如下,感应电动机定、转子耦合电路图,令,则,异步电动机的电流比,第二节 三相异步电动机的等效电路及相量图,为电动势比,一、异步电动机的等效电路,（一）频率归算,频率归算 保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在这里，就是用一个具有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路。所谓“等效”是指：1）进行代换后，转子电路对定子电路的电磁效应不变。2）等效的转子电路的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等）必须和实际转子电路一样。,若R=0,异步电动机负载时的基本方程式列出如下,而静止转子电路中电流,在附加电阻 上产生的功耗，实质上表征了异步电动机的机械功率,频率归算后感应电动机的定、转子电路图,（二）绕组归算,由转子磁动势不变,由转子总的视在功率不变,式中,由转子铜耗和漏磁通储能不变,频率和绕组归算后感应电动机的定、转子电路图,（三）异步电动机 的等效电路,经过归算后，定子、转子的电动势方程式,磁动势方程式,励磁支路的电动势方程式,感应电动机的T形等效电路,几种异步电动机的典型运行情况,1、空载运行,2、额度负载下运行,转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。,3、起动时的情况,附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。,几种异步电动机的典型运行情况,4、异步发电运行,转差率为负，附加电阻也为负值。表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。,5、电磁制动状态运行,，附加电阻为负值，表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。,（四）等效电路的简化,二、异步电动机的相量图,解,（1）用T形等效电路计算,设，定子电流,定子线电流有效值,定子功率因数,定子输入功率,转子电流 和励磁电流,效率,（2）用近似等效电路计算,负载支路阻抗,励磁支路阻抗,转子电流（即负载电流）,励磁电流,定子电流,定子线电流有效值,定子功率因数,定子输入功率,效率,第三节 三相异步电动机的功率和转矩,一、功率转换过程,二、功率方程式,式中，U1定子相电压；I1 定子相电流；定子功率因数角；转子功率因数角；,总机械功率,三、转矩方程式,式中 电动机输出的机械转矩；机械损耗转矩；附加损耗转矩；空载转矩；电磁转矩。,四、电磁转矩公式,转矩常数,例5-2 根据例5-1中的数据，还知道电动机的机械损耗，额定负载时的附加损耗，试计算各种功率和转矩。,总机械功率,电磁功率,负载制动转矩,空载制动转矩,电磁转矩,或者,同步角速度,转子机械角速度,第四节 三相异步电动机的工作特性及其测取方法,一、工作特性的分析,1、转速特性,2、定子电流特性,3、功率因数特性,4、电磁转矩特性,5、效率特性,二、工作特性的求取,工作特性的求取 可以用直接负载法，通过做实验求取；也可以利用等效电路进行计算。p149,第五节 三相异步电动机参数的测定,一、空载试验与励磁参数的确定,试验目的:确定电动机的励磁参数、铁耗和机械损耗。,空载实验:试验过程:转轴上不加任何负载，即电动机处于空载运行，把定子绕组接到频率为额定的三相对称电源上，当电源电压为额定值时，让电动机运行一段时间，使其机械损耗达到稳定值。用调压器改变加在电动机定于绕组上的电压，使其从（1.11.3）开始，逐渐降低电压,直到电动机的转速发生明显的变化为止。记录电动机的端电压、空载电流、空载功率P。和转速n，并画成曲线。如图所示，即异步电动机的空载特性。,2、励磁参数与铁耗及机械损耗的确定,1)机械损耗和铁耗的分离,由于异步电动机处于空载状态，转子电流很小，转子里的铜损耗可忽略不计。所以这个时候的空载损耗全部消耗在定子铜耗,铁耗,机械损耗中,2)励磁参数的确定,短路试验又叫堵转试验，即把绕线式异步电机的转于绕组短路，并把转子卡住，不使其旋转，鼠笼式电机转子本身已短路。验过程:从 开始,然后逐渐降低电压。实验过程:记录定子绕组加的端电压、定子电流 和定子输入功率。试验时，还应量测定子绕组每相电阻 的大小。根据试验的数据，画出异步电动机的短路特性、,如图所示。,二、堵转试验及堵转时参数的确定,因电压低铁损耗可忽略，为了简单起见，可认为 由于试验时，转速n0，机械损耗,定子全部的输入功率 都损耗在定、转子的电阻上，即,由于,所以,二、堵转试验及堵转时参数的确定,第六节 三相异步电动机的转矩与转差率的关系,电动机的电磁转矩方程式,由近似等效电路得,临界转差率sm,最大转矩,第六节 三相异步电动机的转矩与转差率的关系,通常r1x1+x2，所以sm,最大转矩,第七节 单相异步电动机,一、由单相电源供电的异步电动机的运行单相异步电动机的工作原理,结构：定子放单相绕组（其中通220V单相交流电）转子一般用鼠笼式。,N,S,当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。,转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动。其原理分析如下：,定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：,脉动磁场的分解,正反向旋转磁场的合成转矩特性,合成转矩,（正向）,（反向）,单相异步电动机特性：1）电动机静止时，合成转矩为零，电动机无起动转矩；2）若外力拖动电动机正向或反向转动，撤去外力后，电动机将继续加速到接近同步转速。,则每极脉振磁通为,设脉振磁场按正弦发布,式中，为极距；l为定子铁心长度。,二、单相异步电动机的主要类型和起动方法,分相式电动机的主绕组和辅助绕组空间上相差90电角度，接在同一单相电源上。在辅助绕组中串入适当的电容、电阻或电感，使两个绕组电流的相位不同。这样就可以在电动机内形成一种旋转磁场，从而产生起动转矩。,1、分相式电动机,2）、电容分相电动机,如果电容选择恰当，电动机辅助绕组中的电流相位超前主绕组电流相位90，从而起动转矩较大，起动电流较小。,电容分相式起动,接近90,电容分相式单相异步 电动机起动原理,磁场逆时针方向旋转,t=t0,t=t1,启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。,工作原理,罩极式单相电机,定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。,图中电机的转动方向：顺时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。,2、罩极式电动机,穿过短路铜环的总磁通是由两部分磁通合成的，与未穿过铜环部分的磁通形成一定的相位差。,单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。,三、单相电机的使用,三相异步电动机的单相运行,三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。,第八节 直线异步电动机,一、工作原理,二、结构形式及其特点,1、结构形式,（1）扁平形,（2）管形,（3）圆盘形,2、结构特点,导条,端环,笼型绕组,定、转子磁动势的空间矢量图和定、转子电流相量图,