电机学 第3篇 异步电机

2020/1/201电机学主讲：马宏忠2020/1/20河海大学电气学院2目录第一篇变压器第一章绪论第四篇同步电机第三篇异步电机第二篇交流电机的共同问题2020/1/20河海大学电气学院3第三篇异步电机第十章三相异步电动机的启动和调速第十一章单相意图电动机及异步电机的其他运行方式第九章异步电机的理论分析与工作特性2020/1/20河海大学电气学院4第九章异步电机的理论分析与工作特性第二节异步电机的基本原理第三节三相异步电机的等效电路第四节异步电机的参数第五节异步电动机的功率平衡式和转矩平衡式第六节异步电动机的机械特性第一节异步电机的基本结构第七节异步电动机的工作特性2020/1/20河海大学电气学院5第一节异步电机的基本结构前言异步电机又称感应电机是交流电机的一种。优点：结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，效率较高、价格较低。缺点：1.调速和起动性能不佳;2.功率因数总是滞后的，增加了电力系统的无功负担。应用：总的来说：主要作为电动机使用，是当今应用最广，需要量最大的一种电机。结构：定子、转子、空气隙、端盖、轴承和机座等部件。2020/1/20河海大学电气学院6第一节异步电机的基本结构一、定子异步电机定子主要包括定子绕组、铁芯和机座三部分。二、转子异步电机转子主要包括转子绕组、铁芯和转轴三部分。异步电机的转子结构可以分为笼型和绕线型两大类。2020/1/20河海大学电气学院7绕组转子异步电机2020/1/20河海大学电气学院8第一节异步电机的基本结构三、铭牌的额定值（1）型号（2）额定功率（PN）：指电动机在额定方式下运行时，转轴上输出的机械功率。单位为W和kW。（3）额定电压（UN）：指电动机在额定方式下运行时，定子绕组应加的线电压。单位为V和kV。2020/1/20河海大学电气学院9第一节异步电机的基本结构（4）额定电流（IN）：指电动机在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的线电流。单位为A。（5）额定频率（fN）：额定状态下电源的交变频率，我国的电网频率为50Hz。（6）额定转速（nN）：指在额定状态下运行时的转子转速。单位为rpm。除上述数据外，还标出额定运行时，电机的功率因素以及相数、接线法、防护等级、绝缘等级与温升、工作方式等有关项目。2020/1/20河海大学电气学院10第二节异步电机的基本原理一、异步电机的运行状态当对称三相电流流入异步电机三相定子绕组在气隙中便产生一旋转磁场，以同步速旋转转子绕组与其有相对运动（切割）在闭合的转子绕组产生感应电动势和感应电流，旋转磁场与转子导体中的电流互相作用产生电磁转矩。1n2020/1/20河海大学电气学院11第二节异步电机的基本原理异步电机的转子转速n总是略低于（电动机）或略高于（发电机）旋转磁场转速他们之间的差，称为转差速度定义转差速度与同步转速的比值为转差率，即1n)(1nn11nnns2020/1/20河海大学电气学院12第二节异步电机的基本原理转差率是决定异步电机运行状态的重要变量：异步电动机的负载情况发生变化，转子导体中的电动势电流和电磁转矩相应变化则转子转速和转差率随之变化。2020/1/20河海大学电气学院132020/1/20河海大学电气学院14第二节异步电机的基本原理按照转差率大小正负，电机可分为三种状态：电动机运行发电机运行电磁制动1、电动机运行转速低于同步转速0nn11S0bxn1FnFe02020/1/20河海大学电气学院15第二节异步电机的基本原理2、发电机运行发电机状态转速大于同步转速nn0S02020/1/20河海大学电气学院16第二节异步电机的基本原理3、电磁制动相对转速大于同步转速n0S1（实际上异步电机主要作为电动机运行）bxn1FnFe02020/1/20河海大学电气学院17第二节异步电机的基本原理二、异步电机的主磁通和漏磁通主磁通：穿过气隙，与定转子绕组交链漏磁通不属于主磁通的磁通（槽、端部，谐波）2020/1/20河海大学电气学院18第三节三相异步电机的等效电路（一）转子不动时的异步电机从电路的角度来看，转子不动时异步电机的电路方程与次级短路时的变压器的电路方程相似变压器的初级相当于异步电机的定子绕组次级绕组相当于转子绕组。尽管异步电机与变压器的的磁场性质、结构和运行方式不相同，但他们内部的电磁关系时相通的。所以在研究异步电机的等效电路时，可以借助变压器的电磁理论。2020/1/20河海大学电气学院19第三节三相异步电机的等效电路转子不动时的定、转子电路1r1x1I2I0n1E2E1f12ff111,,NKNm222,,NKNm1U2r2x2020/1/20河海大学电气学院20第三节三相异步电机的等效电路转子不动时的异步电机与变压器的等效2020/1/20河海大学电气学院21第三节三相异步电机的等效电路1、电压平衡方程定子绕组的电压平衡式和转子不动时转子绕组的电压平衡式分别为（与变压器类比解释各参量的意义）)(11111jxrIEU)(02222jxrIE2020/1/20河海大学电气学院22第三节三相异步电机的等效电路2、磁动势平衡方程定子绕组磁动势转子绕组磁动势合成磁动势磁动平衡式为111119.02IpKNmFN222229.02IpKNmFNmNmIpKNmF1119.02mFFF212020/1/20河海大学电气学院23第三节三相异步电机的等效电路3、绕组的归算一般将转子方面的各物理量归算到定子方面。（1）电流的归算根据归算前后转子磁动势保持不变，即：式中为电流变比。iK2'2FFiNNkIIKNmKNmI22111222'22020/1/20河海大学电气学院24第三节三相异步电机的等效电路（2）电动势的归算根据归算前后转子视在功率保持不变，即式中为电动势变比。2222112EKEKNKNEeNNeK222'2'21IEmIEm2020/1/20河海大学电气学院25第三节三相异步电机的等效电路（3）阻抗的归算根据归算前后转子铜耗保持不变，即式中为阻抗变比。电阻变比也适用于转子电抗、阻抗的归算。222211212)(rKKKNKNmmrieNNieKK2222'22'21rImrIm2020/1/20河海大学电气学院26第三节三相异步电机的等效电路二、转子转动后的异步电机1、转子转动后对转子各物理量的影响从电路角度看，转子转动后转子频率的变化将影响转子电动势和漏抗等参数的变化。转子电流的频率转子电动势转子漏抗转子转动后转子回路电压平衡式22sEEs22sxxs)(02222ssjxrIE12sff2020/1/20河海大学电气学院27第三节三相异步电机的等效电路二、转子转动后的异步电机2、频率归算由以上分析可知，转子转动后转子回路的参数频率为而定子回路参数的频率仍为电路中频率应相同，所以进行频率归算：12sff1f2020/1/20河海大学电气学院282.频率归算222122122222222222222222222222222222:100rsxsrxjxrssrEjxsrEsjxrEsjxrEIxIjrIEjxrEIxIjrIEtgtgssss相位角相同转子转动：转子静止：2020/1/20河海大学电气学院29第三节三相异步电机的等效电路转动时的电路(频率归算前)转动时的电路(频率归算后)1r1r1x1x2r2x1U1U1I1I2I2I1f1f12sff120ffn111,,NKNm111,,NKNm1EsE2n111,,NKNm111,,NKNm'2r'2x'21rSS1E'2E2020/1/20河海大学电气学院30第三节三相异步电机的等效电路3、基本方程转子参数经频率归算后还应进行绕组归算，归算后异步电动机转子转动后的基本方程为)()()(0)(12121222211111mmmmmmjxrIZIEEEIIIxjsrIEjxrIEU2020/1/20河海大学电气学院31第三节三相异步电机的等效电路4、等效电路根据上式可画出异步电机的型等效电路T2020/1/20河海大学电气学院32第三节三相异步电机的等效电路4、向量图与接有纯电阻负载时的变压器向量图类似。异步电机的模拟电阻压降相当于变压器的次级侧电压，其余部分没什么区别。mmI1I2I11rI1E11xIj1U12EEssrI12222rI2I2'2xIj211'2'2'2'2'2'2'2'221EExIjrIrsII2020/1/20河海大学电气学院33第四节异步电机的参数异步电机的参数基本方程式、等效电路图和向量图分析交流电机普遍方法。通过等效电路可以算出电机的电流、功率、功率因数、效率以及转矩。mmxrxrxr,,,,,22112020/1/20河海大学电气学院34第四节异步电机的参数两种参数励磁参数:•决定于电机主磁路的饱和程度.•是一种非线性参数.短路参数:•基本上与电机的饱和程度无关,•是一种线性参数.测定方法：两种试验空载试验短路试验2020/1/20河海大学电气学院35一空载试验与励磁参数的确定(一)空载试验:在UN、fN下,轴上不带负载。将电动机运转一段时间(30min)使其机械损耗达到稳定值,然后调节电源电压从(1.10~1.20)UN开始,逐渐降低到可能达到的最低电压值(约0.3UN).测量7~9点,每次记录端电压,空载电流,空载功率和转速.根据记录数据,绘制电动机的空载特性曲线.2020/1/20河海大学电气学院36一空载试验与励磁参数的确定(二)机械损耗和铁耗的分离mecmecFemecFemecFepUfpppprImppprImpIs延长得画出曲线此时)(,0,0211210110121011022020/1/20河海大学电气学院37一空载试验与励磁参数的确定2101101101202101012/1,0)(ImprxxxxIUrIUxxxsrssFemmm可由短路实验确定。式中转子开路，有）附加电阻（空载时，励磁参数的确定三2020/1/20河海大学电气学院38二短路试验及短路参数之确定（1）短路试验:短路指T形电路中的附加电阻的状态.n=0,因此必须在电动机堵转情况下进行.故短路试验也称为堵转试验.试验方法一般从I1=1.2IN（或：U1=0.4UN）开始,逐步降低电压.到I1=0.3IN测量5~7点,每次记录端电压,定子短路电流和短路功率,测量定子绕组的电阻.根据记录数据,绘制异步电动机的短路特性I1s=f(U1),p1s=f(U1)0/)1(2srs2020/1/20河海大学电气学院39二短路试验及短路参数之确定（2）短路参数的确定(与变压器相同)由于励磁支路开路:全部输入功率都变成定子铜耗与转子铜耗.2ZZm00FempI2,,,)(,02121212221111121121211111222112111sssssssssssssssssmsxxxxxxrrrrzxImprIUzrImrrImpIIIIrImrImp可认为对大中型异步电动机，式中：则：；0;02mecpP且：2020/1/20河海大学电气学院40二、异步电机的等效电路及其简化令根据T型等效电路，可写出如下两个方程式。联立求解得mmmsjxrZjxrZxjsrZ,,1112220)()(21222111msmmZIIZIZIZZIUsmsZCZZZUI21121