电机学电子讲稿2010-5感应电机

第五章感应电机二○一○年电机学课程讲稿胡雪松[e-mail]5.1感应电机概述5.2转子开路的感应电机5.3堵转运行的感应电机5.4正常运行的感应电机5.5功率和转矩平衡方程5.6参数测定5.7笼型转子参数计算5.8电磁转矩5.9工作特性5.10起动、制动和调速第五章感应电机5.1.1感应电动机的分类与特点5.1.2感应电机工作原理简析5.1.3感应电机的结构5.1.4三相感应电动机的额定值5.1感应电机概述5.1.1感应电动机的分类与特点感应电动机的分类1/2按定子绕组相数——有单相、两相、三相感应电动机按转子结构——有绕线型感应电动机和鼠笼型感应电动机；鼠笼型感应电动机又有单鼠笼、双鼠笼、深槽感应电动机等。5.1.1感应电动机的分类与特点感应电动机的特点2/2主要优点结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠，运行效率较高，有适用的工作特性。主要缺点运行时必须从电网吸收滞后的无功功率，使其功率因数较差；变频调速造价较高，而其他调速方式的性能又不太好。5.1.2感应电机工作原理简析电动状态1/4n与ns同向，且nns；电磁转矩与转向相同；电机从电网吸收电功率并将其转换为机械功率由轴上输出。5.1.2感应电机工作原理简析发电状态2/4n与ns同向，且nns；电磁转矩与转向相反；电机从轴上吸收机械功率并转换为电功率由定子输出到电网。5.1.2感应电机工作原理简析电磁制动状态3/4n与ns反向；电磁转矩与拖动转矩方向相反，互相平衡；电机从轴上吸收机械功率，同时从电网吸收电功率，将它们变为热量散发。5.1.2感应电机工作原理简析转差率4/4ssnnns电动状态10s发电状态0s电磁制动1s5.1.3感应电机的结构主要结构部件演示5.1.4三相感应电动机的额定值主要额定数据1/3额定功率PN（W、kW）额定电压UN（V）额定电压IN（A）额定频率fN（Hz）额定转速nN（r/min或rpm）额定功率因数绝缘等级、防护等级、温升5.1.4三相感应电动机的额定值其他铭牌数据2/3绝缘等级、防护等级、温升定子绕组联结法（对绕线型转子）转子绕组联结法、转子额定电动势E2N、转子额定线电流I2N5.1.4三相感应电动机的额定值重要关系3/3NNNNNNNIUPPcos31NNNNNNNnPnPPT55.960225.2.1内部电磁量5.2.2磁动势与磁通5.2.3感应电动势5.2转子开路的感应电动机5.2.4时-空矢量图5.2.5电压平衡方程5.2.6等效电路5.2.1转子开路时感应电动机的内部电磁量基本约定1/3假设三相绕组完全对称，三相电流也完全对称。以后在无特别需要时，只需考虑其中一相，所有量都取A相的，并且下标中也不注明“A”。5.2.1转子开路时感应电动机的内部电磁量主要电磁量2/35.2.1转子开路时感应电动机的内部电磁量正方向规定3/35.2.2磁动势与磁通激磁磁动势1/3圆形旋转磁动势旋转方向旋转速度幅值5.2.2磁动势与磁通主磁通2/3在电机中产生电磁转矩，起能量传递的作用；主磁路受饱和影响比较明显。5.2.2磁动势与磁通漏磁通3/3不起能量传递的作用，仅产生电动势；漏磁路基本不受饱和影响。5.2.3感应电动势定、转子感应电动势有效值1/2mwkNfE111144.4mwkNfE221244.4601spnf5.2.3感应电动势电动势变比（电压比）2/2221121wwekNkNEEk5.2.4时-空矢量图定、转子相量图和矢量图1/35.2.4时-空矢量图定、转子时-空矢量图2/3mwkNfjE111144.40121jeeEkE5.2.4时-空矢量图考虑铁耗的影响3/3FemIII5.2.5电压平衡方程定子漏电势的参数表达1/3111XIjE12111112NfLX5.2.5电压平衡方程定子（相）电压平衡方程2/3111111111111ZIEjXRIEEERIU5.2.5电压平衡方程转子（相）电压平衡方程3/322EU5.2.6等效电路磁场作用的电路简化表达1/2mmmmmZIjXRIE1203mFemIpRmmNfX21125.2.6等效电路转子开路时的等效电路2/25.3.1内部电磁量5.3.2转子电压方程5.3.3磁动势5.3堵转运行的感应电动机5.3.4转子绕组归算5.3.5基本方程式5.3.6等效电路5.3.1内部电磁量5.3.2转子电压平衡方程转子漏电动势1/3222XIjE22212122NfLX5.3.2转子电压平衡方程转子（相）电压平衡方程2/32222222222220ZIEjXRIERIEEU5.3.2转子电压平衡方程转子内功率因数角3/32222222222XReEjXREIj222arctanRX5.3.3磁动势定子磁动势1/5圆形旋转磁动势旋转方向旋转速度幅值5.3.3磁动势转子磁动势2/5圆形旋转磁动势旋转方向旋转速度幅值5.3.3磁动势时-空矢量图3/5转子位置角α0的存在使后续处理比较复杂5.3.3磁动势转子位置角的处理4/5不管转子位置角α0的存在，将定、转子的时轴和相轴都取在同一轴线，以后就简称时轴或相轴。5.3.3磁动势磁动势平衡关系5/5mFFF21mFFF215.3.4转子绕组的归算归算条件1/722FF2222ZIEU2222ZIEU5.3.4转子绕组的归算磁动势平衡关系的电流表达2/7pIkNmpIkNmpIkNmm111222211119.029.029.025.3.4转子绕组的归算电流归算3/7mwwIIkNmkNmI21112221iwwkIIkNmkNmI2211122225.3.4转子绕组的归算电流比4/7222111wwikNmkNmk5.3.4转子绕组的归算电势归算5/721222211122244.444.4EkfkNjkNkNfkNjEem5.3.4转子绕组的归算阻抗归算6/722ZkkZie5.3.4转子绕组的归算转子绕组归算方法总结7/7电压和电动势——乘以ke电流——除以ki阻抗——乘以(keki)5.3.5基本方程式转子绕组归算后的基本方程式组1111ZIEU22220ZIEUmmZIEE12mIII215.3.6等效电路堵转运行时的等效电路5.4.1旋转的影响5.4.2磁动势关系5.4.3转子频率归算5.4正常运行的感应电动机5.4.4基本方程式5.4.5等效电路5.4.1转子旋转对转子电量的影响转子感应电动势的频率1/4旋转磁场相对于转子的速度sssnnnn2转子绕组感应电动势的频率1226060sfpnspnfs5.4.1转子旋转对转子电量的影响转子（相）电压平衡方程2/4stjstjsjXReIeE2222220转子旋转后的转子电角频率12222sff5.4.1转子旋转对转子电量的影响转子（相）电动势有效值3/42221222244.444.4sEkNsfkNfEmwmwsE2并非堵转时的转子（相）电势5.4.1转子旋转对转子电量的影响转子（相）漏电抗4/4222212222222sXNsfNfXs为堵转时的转子（相）漏电抗值2X5.4.2磁动势关系转子磁动势的幅值1/5swIpkNmF222229.025.4.2磁动势关系转子磁动势的转向2/5假设转子A、B、C三相绕组按逆时针方向排列，当气隙磁场按逆时针方向旋转时，转子感应电动势的相序为A-B-C，电流的相序也与此相同，从而转子磁动势的旋转方向也应为逆时针方向，与定子磁场的转向相同。5.4.2磁动势关系转子磁动势相对于转子的速度3/5ssnpsfpfn12260605.4.2磁动势关系转子磁动势相对于定子的速度4/5sssssnnnnnnsnnnn2定、转子磁动势以相同的转速沿相同的方向旋转，稳定运行时，二者在空间的相对位置始终不变。5.4.2磁动势关系磁动势平衡5/5mFFF215.4.3转子频率归算归算关系1/5stjstjsjXReIeE222222222211jsXReIeEstjstj222211jXsReIeEtjtj5.4.3转子频率归算频率归算的物理含义2/5用一个静止的“等效转子”去代替实际旋转的转子，等效转子一相绕组的电阻为实际转子一相绕组电阻的1/s倍。等效转子的电流与实际转子相同；等效转子产生的磁动势也与实际转子相同。5.4.3转子频率归算频率归算后的转子内功率因数角3/5ssRXRsXsRX22222222arctanarctanarctan5.4.3转子频率归算频率归算对转子磁动势的影响4/5转向、转速与折算前相同；由于电流有效值不变，幅值也不会变；由于转子回路阻抗角（Ψ2）相同，则电流相位相同，从而磁动势的空间位置不受折算影响；由于转子磁动势完全不变，所以定子侧的所有物理量以及由定子传递到转子的功率也不变。5.4.3转子频率归算频率归算后转子侧的功率关系5/52222222221RssmIRmIsRmI第一项代表转子绕组自身电阻消耗的功率；第二项代表实际电机中通过磁场耦合在转轴上产生的总机械功率。5.4.4基本方程式频率归算和绕组归算后的基本方程式组1111ZIEU222220XjsRIEUmIII21mmZIEE125.4.5等效电路感应电动机的T形等效电路1/95.4.5等效电路不同工况下的主磁通和功率因数2/9空载时，s非常小，定子电流几乎就是励磁电流，功率因数很低；主磁通值最大。额定负载时，s≈0.05，功率因数较高（可达0.8-0.85）；由于端电压不变，定子漏阻抗压降不大，基本可认为主磁通和励磁电流都与空载时差不多。5.4.5等效电路不同工况下的主磁通和功率因数（续）3/9若因负载过大或起动阶段低速运行时，s较大，功率因数较低；定子漏阻抗压降较大，主磁通明显下降；起动瞬间或堵转时，定子额定电压降落在定、转子漏阻抗上，功率因数很低，主磁通约为空载时的一半。5.4.5等效电路以电源电压和阻抗参数表达的定子电流4/922111ZZZZZUImm5.4.5等效电路以电源电压和阻抗参数表达的转子电流5/9211212ZcZUZZZIImmcXXZZcmm11115.4.5等效电路以电源电压和阻抗参数表达的激磁电流6/9211221ZZcZUZZZIImmm5.4.5等效电路T形等效电路的简化7/9mmmZZUZcUI11121ZZ正常运行时s很小5.4.5等效电路近似Γ形等效电路8/95.4.5等效电路简化等效电路9/95.5.1电磁功率5.5.2功率平衡关系5.5.3转矩平衡关系5.5功率和转矩平衡方程例5-35.5.1电磁功率定义感应电动机定子侧从电网吸收的电功率中，绝大部分将会借助于气隙旋转磁场的作用，由定子通过气隙传送到转子，这部分功率称为电磁功率。sRImIEmIEmPem222122212222coscos5.5.2功率平衡关系定子侧的功率平衡FeCuemppPP1112111RImpCummFeRImp2111111cosIUmP