《感应电机》PPT课件.ppt

第5章 感应电机,感应电动机的主要用途：,感应电机主要用作电动机使用，特殊场合也可作为发电机使用。感应电动机的优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、环境适应性强。感应电动机的缺点:功率因数较差。感应电动机运行时，必须从电网里吸收滞后的无功功率，它的功率因数总是小于。,感应电动机的分类方法：（1）按定子相数分有单相；三相；多相。（2）按转子结构分有 绕线式；鼠笼式。后者又包括单鼠笼感应电动机、双鼠笼感应电动机和深槽式感应电动机。（3）按机壳的不同防护方式分：开启式、防漏式、封闭式，防暴式。（4）按电机的容量分：微电机；小型（0.6-100千瓦）；中型（100-1000千瓦）；大型（1000千瓦以上）。此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压和低压感应电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩感应电机、高转差率感应电机、高转速感应电机等等。,5.1 感应电机的结构和运行状态1、感应电机的结构 感应电机在结构上主要由定子、转子、气隙组成。,1、定子：定子由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。定子铁心：电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心损耗，定子铁心用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应涂上绝缘漆。下图为定子槽,其中(a)是开口槽，用于大中型容量的高压感应电动机；(b)是半开口槽，用于中型500V以下的感应电动机；(c)是半闭口槽，用于低压小型感应电动机中，另外还有闭口槽。,机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。端盖轴承还要支撑电机的转子部分。因此，机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小型感应电动机，通常用铸铁或铸铝机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机座。,定子绕组：定子绕组用绝缘的铜或铝导线（电磁线）绕成，嵌在定子槽内。高压大、中型容量的感应电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，如图(a)所示。对中、小容量低压感应电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形或形，如图(b)所示。,定子铁心,散嵌线圈,三相对称交流绕组模型,2、转子：转子主要由转子铁心、转子绕组和转子轴组成。转子铁心：磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，固定在转轴上，整个转子的外表呈圆柱形。转子绕组：分为笼型和绕线型两类。1）笼型转子：在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个闭合的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个松鼠笼子。导条的材料有用铜的，也有用铸铝的。,2）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个集电环（滑环）上，用一套电刷装置引出来，如图所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。,与笼型转子相比，绕线型转子的结构较复杂，价格稍贵，可靠性也低，因此只在要求起动电流小，起动转矩大，或需平滑调速的场合使用。,3、气隙：感应电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中、小型感应电动机中，气隙一般为0.22.0mm左右。,三相感应电动机的工作原理,对称三相绕组通入对称三相电流,旋转磁场(磁场能量),旋转磁场切割转子绕组,转子绕组中产生 e 和 i,转子绕组在磁场中受到电磁力的作用,转子旋转起来,机械负载旋转起来,三相交流电能,输出机械能量,19,三相感应电动机的工作原理,三相电源给定子绕组供电，产生以同步转速旋转的磁场，磁场相对于转子绕组转动，在转子绕组中感应电动势。转子绕组闭合，有电流流过，转子电流在磁场中受力并产生电磁转矩，带动转子和负载旋转。,由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度n0（同步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是感应电动机的由来。,注意：转子旋转的转速不能与定子绕组产生的磁场转速相同，两者没有固定的严格关系，故也称为异步电机。,2、感应电机的运行状态 转差率：转差率是指同步转速与实际转速的转差与同步转速的比值，通常用百分数表示。,转差率是感应电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,感应电机的三种运行状态:,异步电机正常运行时，转差率s很小。通常s0.010.05,3、额定值感应电动机的额定值包含下列内容：（1）额定功率PN：指电动机在额定运行时转轴输出的机械功率，单位是kW。（2）额定电压UN：指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V。（3）额定电流IN：指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。（4）额定频率fN：指我国规定工业用电的频率是50Hz。（5）额定转速nN：指电动机施加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时的电动机转速，单位为r/min。（6）额定功率因数：指电动机施加额定电压，输出额定功率时，定子边的功率因数。,另外，铭牌上还标注有产品型号、相数、接法、绝缘等级以及允许温升。,5.2 三相感应电动机的磁动势和磁场1、空载运行时的磁动势和磁场 u1i10F1FmmE1,1E1 当定子接入对称三相电压u1后，定子中便流过对称三相电流I10(空载电流)产生一基波合成旋转磁场F1。,因空载运行时，nns，所以E2=0，I2=0，所以空载运行时定子磁动势F1基本上为产生气隙主磁场的激磁磁动势Fm，空载时电流就近似等于激磁电流Im，考虑铁心损耗时，Bm滞后Fm铁心损耗角Fe。,定、转子磁动势的空间矢量图,当气隙中主磁场以同步转速旋转时，m将在定子绕组中感应电势E1，因在相位上E1滞后m 900电角度，所以用向量表示有：,与变压器分析一样，我们引入Zm，把E1作为电压降来处理。,Zm激磁阻抗，它是表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数。Xm激磁电抗，表征气隙主磁通的电抗。Rm激磁电阻，表征铁耗的一个等效电阻。,定子漏磁通和定子漏电抗：除产生m外，定子电流还产生仅与定子绕组交链的漏磁通 1，漏磁通将在定子绕组中感应漏电动势E1。,，,I1：定子电流 X1：定子漏电抗,漏磁通主要是通过空气而闭和，受磁路饱和的影响较小，在电机分析时把两种磁通分开处理。,2、负载运行时的转子磁动势和磁动势方程转子磁动势：当负载运行时nns，E2 I2F2,F2也为旋转磁势。若定子旋转磁场顺时针旋转，则转子感应电流的相序也为顺时针，产生的磁动势F2即为顺时针旋转，即F2与F1转向相同。如定子旋转磁场的转速为ns，转子转速为n，此时定子旋转磁场以n=ns-n=sns的速度切割转子，所以在转子中感应电动势的频率：,转子磁动势相对转子的转速：转子磁动势相对定子的转速：n+n=sns+(1-s)ns=ns 转子磁动势相对定子磁动势的转速：0,定、转子磁动势之间的速度关系,即无论转子的实际转速为多少，转子磁势F2和定子磁势F1在空间的转速总是等于ns，它们之间没有相对运动。由于F1与F2相对静止，就可以把F1和F2合成起来，所以感应电机负载时在气隙内产生的旋转磁场是定、转子合成磁势即：,或：,转子反应：负载时感应电动机的转子磁势对气隙磁场的影响称为转子反应。其作用：1）使气隙磁场的大小和空间相位发生变化。2）转子磁势与主磁场相互作用，产生所需电磁转矩。定子磁势F1包含两个分量，一个是产生主磁通的激磁磁动势Fm，另一个是抵消转子磁动势（-F2)的F1L。,因Fm基本不变，当F2增加时，F1也相应的增加以补偿F2，对应的电流：,.,负载时的磁势方程式：F1=Fm+（-F2）考虑到：,代入,得：,现在我们将I2前面的系数加以变换(用定子绕组参数取代转子绕组参数），使其与I1、Im前面的系数一样，并令I2=I2/ki,则磁动势的矢量关系就可变成对应电流的相量关系。,电流比,定、转子磁动势的空间矢量图和定、转子电流相量图,36,定、转子中的感应电动势,5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路,37,定子电压方程：取其中一相进行分析。,1、电压方程,转子电压方程：,带下标s的为转子旋转时（或频率为f2）的量不带下标s的为转子静止时（或频率为f1）的量,感应电动机定、转子耦合电路图,2、等效电路,由上图可见，两个电路只有磁的耦合，没有电的联系，且定、转子的相数、匝数、绕组系数不同，两电路频率也不同，因此需要归算，把一个电路归算到另一个电路中去，得出所谓的等效电路。,频率归算：频率归算是指在保持整个电磁系统的电磁性能不变的前提下，用一个具有定子电路频率的等效转子电路去取代实际的转子电路。频率归算的原则：(1)归算前后的电磁效应不变。(2)归算前后的电磁性能不变。（转子磁动势不变：同空间转速、同幅值、空间相位）频率归算的依据：(1)f2=s f1(2)F1与F2相对静止。,频率归算的方法：转子静止时，转子电路具有定子电路的频率，所以我们用一个静止的转子电路去取代实际的转子电路。,E2ssE2X2s sX2,从以上推导可看出，与频率有关的转子参数都具有了定子频率，但此时转子电阻由R2变为R2/s。,可看出：只要用R2/s去代替R2，就可认为转子电路具有了定子电路的频率，且转子电流没有变化，从而保证了归算前后转子电路的电磁关系和电磁性能不变。分析R2/s：电阻（1-s)R2/s 在实际电路中并不存在，实质上他产生的损耗 I22（1-s)R2/s表征了异步电动机的机械功率，我们称（1-s)R2/s为附加电阻。,频率归算后的感应电动机定、转子耦合电路图,（二）绕组归算 对异步电机进行了频率归算后，还不能把定、转子电路联系起来,还需要进行绕组归算。所谓绕组的归算，就是人为的用一个相数、匝数以及绕组因数和定子一样的绕组去代替原来的转子绕组，在归算中必须保证归算前后转子的电磁效应不变。由转子磁势不变 得出归算后转子电流,由电动势与匝数和绕组因数成正比，得出：,由转子铜耗和漏磁场储能不变，得出：,频率和绕组归算后的感应电动机定、转子耦合电路图,T形等效电路和向量图：,归算后的相关定、转子电压方程为：,异步电动机的T形等效电路,等效电路中参数的特点：Zm Z1、Z2 X R,用等效电路分析几种典型的运行情况：1、异步电动机空载时，转子的转速接近同步转速，转差率s0，附加电阻（1-s)R2/s 趋于，相当于转子电路开路，由于回路中电抗Xm、X1 Rm、R1这时电路呈感性，电动机的功率因数很低。（此时定子电流就是励磁电流，仅仅建立了磁场。）,2、异步电动机在额定负载下运行时，转差率sN大约5，附加电阻（1-s)R2/s 约为R2的20倍左右，此时转子电路呈电阻性，功率因数较高。这时定子边的功率因数COS可达0.80.85（滞后）。,3、电动机启动时，n=0，s=1，附加电阻（1-s)R2/s=0，相当于转子电路短路，所以启动电流 Ist大。一般情况下Ist=(58)IN。由于转子回路中电抗X2 R2，此时转子电流的有功分量不大，故异步电动机的启动转矩Tst不大。,异步电动机的近似等效电路,近似等效电路（也称“”型等效电路）：“T”型等效电路是一个串、并联电路，计算和分析都比较复杂，因此在实际应用中可以简化计算。,相量图：,5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程 感应电动机的能量转换过程与直流电动机相似。功率转换过程:感应电动机从电源输入的电功率P1扣除定子绕组的铜损耗pCu1定子铁损耗pFe，就是电磁功率Pe,电磁功率借助气隙磁场由定子传送到转子，扣除转子铜耗pcu2，转子铁耗忽略不计（因f2很小）。得到总机械功率P,再扣除机械损耗p和杂散损耗p即为电机轴输出的功率P2。,杂散损耗p与气隙大小及一些制造工艺等因素有关，很难准确计算。通常对于中、小型电动机额定输出时为输出功率的1%3%；对大型电机为0.5%。,56,功率流程图,感应电动机从电源输入的电功率：消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗：消耗于定子铁心变为铁耗：从定子通过气隙传送到转子的电磁功率：,1、电磁功率和转换功率,功率方程为：,其中：,重要公式：P=(1-s)Pe pcu2=sPe Pe=P+pcu2 以上表明，电磁功率Pe中，一部分变为转子铜耗sPe 一部分转换为机械功率(1-s)pe,sPe为转差功率。,2、转矩方程和电磁转矩,转矩方程：电磁转矩：,61,计算题一台三相4极感应电动机，额定功率7.5kW，额定电压为380V，定子绕组为接法。额定频率为50Hz，额定转速为1425 r/min，额定功率因数为 0.86，定子铜耗为500 W，铁耗为230 W，机械损耗为50W，附加损耗忽略不计。求该电动机额定运行时（1）转差率；（2）转子电流频率；（3）转子铜耗；（4）效率；（5）定子线电流。,5.6 感应电动机参数的测定 空载试验 电动机空载运行，当电源电压、频率为额定值时，让电动机运行一段时间，使其机械损耗达到稳定值。用调压器调节电动机定子绕组上的电压，使其从（1.11.2）U1N开始，逐渐降低电压至 0.3U1N，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U1、空载电流I10、空载功率P0和转速 n，并画成曲线。,励磁参数与铁耗及机械损耗的确定 电动机空载运行时，s0，I20，即转子电路开路，可得：P10m1I102R1+pFe+p P10-m1I102R1pFe+p 其中R1可实测（伏安法或电桥），铁耗及机械损耗可用曲线求得。励磁参数的确定,X1可由堵转试验确定。,2.短路实验(堵转实验）,试验时将电动机转子卡住，一般从U10.4U1N开始，逐渐降低输入电压。记录定子绕组的端电压U1、定子电流I1k和定子输入功率P1k。,根据测得的数据，可以算出短路阻抗、短路电阻和短路电抗。即：,大中型电动机：,100kW以下的小型异步电动机：X20.67Xk(2、4、6极)；X20.57Xk(8、10极)。,5.7 感应电动机的转矩-转差率曲线,1、转矩-转差率特性,三相感应电动机在电压、频率均为额定值，定、转子回路不串入任何元件时的机械特性称为固有机械特性。T-s曲线：,固有机械特性曲线:,转速与转矩的关系：（T-n曲线）,从曲线可看出，有三个点就能确定特性曲线的形状。只要改变了特性曲线的形状就能改变异步电动机的机械特性。,68,三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T 与转速n 或转差率s 之间的函数关系Tf(n)。用曲线表示时，常以转速n 或转差率s 为纵坐标，以电磁转矩T 为横坐标，简称 T-s曲线。,69,机械特性的参数表达式,电磁转矩T 与转差率s 的关系,电磁转矩T与转差率s（或转速n）之间不是线性关系。当定子相电压U1 和频率f1 一定时，电机参数可视为常数，电磁转矩T 仅和转差率 s 有关。,70,固有机械特性,固有机械特性：电压、频率均为额定值不变，定、转子回路不串任何电路元件时的机械特性（T-s曲线）。,71,固有机械特性,固有机械特性,电动机状态,发电机状态,电制动状态,72,固有机械特性,C点：额定运行点,B点：最大转矩点,A点：堵转点（最初起动点）,固有机械特性的关键点,73,额定电磁转矩TN：额定运行时的电磁转矩。,固有机械特性,额定运行点C,额定输出转矩T2N：,（kW）,74,堵转转矩Ts：在额定电压和额定频率下堵转时（s1）的电磁转矩。,固有机械特性,堵转点A,堵转转矩倍数kst：堵转转矩Ts与额定转矩TN之比。反映电动机带负载起动的能力。,堵转电流 Is，堵转电流倍数ksi,75,固有机械特性,堵转点A,Ts与电压U1的平方成正比。漏电抗增大，Ts 减小。,76,最大转矩Tm：在额定电压和额定频率下稳态运行时能产生的最大电磁转矩。,固有机械特性,最大转矩点B,过载能力km：最大转矩Tm与额定转矩TN之比。反映电动机的短时过载能力。,77,固有机械特性,最大转矩点B,临界转差率sm：产生最大电磁转矩时的转差率。,令，得：,正、负号分别对应为电动机、发电机状态。,78,固有机械特性,最大转矩点B,忽略定子电阻R1，c1时：,最大转矩Tm与电压U1的平方成正比。Tm近似与定、转子漏电抗之和成反比。Tm与转子电阻R2无关。临界转差率sm与R2成正比，与定、转子漏电抗之和成反比，与电压U1无关。,79,人为机械特性,人为机械特性：在外施电压或频率不是额定值，或定、转子回路串入电路元件时的机械特性。,n1与U1无关；sm与U1无关；电磁转矩T 与U1的平方成正比。,改变定子端电压的人为机械特性,降低定子电压U1，其他量不变时的机械特性。,80,人为机械特性,转子串接电阻的人为机械特性,n1与U1无关；sm与转子回路电阻成正比；Tm与转子回路电阻无关。,三相绕线转子异步电动机转子回路串接对称电阻。,Rs2 Rs1,转子回路串接适当的电阻可以增大堵转转矩。,81,机械特性,稳定运行问题,电动机能稳定运行,电动机不能稳定运行,1电动机2负载,分析：Tm近似与定、转子漏电抗之和成反比。Tm与转子电阻R2无关。最大转矩Tm与电压U1的平方成正比。临界转差率sm与R2成正比，与定、转子漏电抗之和成反比，与电压U1无关。,简易记法：,异步电动机的工作特性是指，时电动机的转速n、定子电流I1、功率因数、电磁转矩T、效率等与输出功率P2的关系。可以通过直接给异步电动机带负载测得，也可以利用等效电路计算而得。,一、转速特性：三相异步电动机空载时，转子的转速 n 接近于同步转速ns。随着负载的增加，转速 n 要略微降低，这时转子电动势E2S增大，转子电流I2也增大，以产生大的电磁转矩来平衡负载转矩。因此，随着P2 的增加，转子转速n下降，转差率s增大。二、定子电流特性：空载时,转子电流基本上为零,此时的定子电流就是励磁电流 I0,随着负载的增加,转速降低,转子电流增大,定子电流也增大。,5.8 感应电动机的工作特性,三、功率因数特性：空载时定子侧的功率因数很低，不超过0.2，额定负载时，定子电流中的有功电流增加，使功率因数提高，但是如果进一步增大负载，由于转差率的增大，使功率因数角增大，则功率因数减小。,四、电磁转矩特性：稳定运行时异步电动机的转矩平衡方程为Te=T0+T2，输出功率P2=T2。电动机空载时T=T0，随着负载增加，T 增大，由于变化不大，电磁转矩T 随P2 的变化近似地为一条直线。,五、效率特性：,空载时，P2=0，=0，随着输出功率的增加，效率也增加。当不变损耗等于可变损耗时，电动机的效率达到最大。对中、小型异步电动机，大约P2=0.75PN时，效率最高。如果负载继续增大，效率反而要降低。一般来说，电动机的容量越大，效率越高。,5.9 感应电动机的的起动，深槽和双笼电动机,起动要求：（1）能产生足够大的起动转矩Tst，使电动机顺利地转动起来。（2）起动电流Ist不要太大，避免起动时大电流在电网上产生较大的压降而影响电网上的其它电气设备和电动机的正常运行。（3）起动的经济性：包括设备简单和低起动损耗等。,直接起动：将定子三相绕组直接接在三相电源上起动，称为直接起动。一般7.5kW以下的小容量鼠笼感应电动机都可以直接起动。如果变压器容量足够大，直接起动的电动机容量还可相应增大，一般按经验公式核定：式中：kI为起动电流倍数；I1st为电动机的起动电流；I1N为电动机的额定电流；SN为电源变压器总容量；PN为电动机的额定功率。,1.笼型感应电动机的启动,例：有一台要求经常启动的鼠笼式感应电动机，其 PN=20kW,Ist/IN=6.5，如果供电变压器（电源）容量为560kVA，且有照明负载，问可否直接启动？同样的Ist/IN 比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动？,解：根据经验公式算出,满足上述关系，故允许直接启动。,可算出，额定功率大于24kW的电动机不允许直接启动。,说明：,起动电流大，对电动机本身无太大影响（因为是短时的，且现代设计的鼠笼电机都按直接起动电磁力和发热来考虑机械强度和热稳定的），主要对电网有影响，如果电源容量较大，可以直接起动。一般7.5千瓦以下容量电动机可以直接起动。注意：容量大小不是绝对的，只要直接起动时起动电流在电网中引起电压降不超过电网额定电压的（1015）%就允许直接起动。,89,降压起动,星三角起动：,正常运行时接成形的鼠笼感应电动机，在起动时接成Y形，起动完毕后再接成形，称为星三角起动。,91,Y型起动的起动转矩：,Y型的定子线电流：,适用星三角起动的条件：1.只适用于空载或轻载起动。2.只限于正常运行时定子绕组为三角形接线的电机。3.限于在500V以下的低压电机(因高压电机定子出6个端头有困难)。星三角起动的优点：不需要专用设备，价格便宜，故在轻载起动时应优先采用。星三角起动的缺点：应用时要受一定条件的限制。,93,自耦减压起动：,优点:不受定子绕组接线方式的限制，可根据允许的起动电流和所需的起动转矩选择起动电压。缺点：起动设备成本高。,启动电流和启动转矩均减小为原来的,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成 Y形不能采用Y起动的笼型异步电动机。,94,2.绕线转子感应电动机的起动,转子串接电阻起动转子串接频敏变阻器起动,95,转子串接电阻起动,96,分级起动过程：起动时，电动机在串入全部电阻情况下起动，然后逐级切掉起动电阻，一直加速到稳定运行为止，起动过程结束。起动的快速性和平稳性与起动级数、每级起动转矩Tst的大小有关。,97,转子串接频敏变阻器起动,频敏变阻器的结构：频敏变阻器的铁心由厚钢板或铁板迭成，有三相绕组，接成Y形，出线为a、b、c去接转子。,a,b,c,x,y,z,(b)等效电路,a,b,c,(a)结构示意图,x,y,z,固有特性,串频敏电阻器,n,ns,0,T,（c)机械特性,从第一章知道，叠片的厚度越大，涡流损耗越大。频率越高，涡流损耗和磁滞损耗越大。转子频率越高电抗Xm越大。,转子回路串入频敏变阻器起动的工作原理：,起动时，n=0，s=1，f2=f1，Xmf2和Rm f22都增大，由于铁耗很大，所以RmXm,限制了起动电流，相当于串电阻起动；当nsf2Rm相当于连续自动切除电阻。同时f2sXm当n=nN时，f2很小，f2(13)Hz，Xm 0，故起动完毕，阻抗器被自动切除。,从以上分析可知，频敏变阻器是一种无触点的变阻器。它结构简单，并且因没有触点和易磨损元件，寿命长，使用和维护方便，有较好的起动特性。,3、深槽和双笼感应电动机深槽感应电动机：结构特点：槽深h，槽宽b，h b，即h=(1012)b，与普通笼型异步电动机相比，这种电机的主要结构特点是转子槽形窄而深，转子导体或是整根的铜条或是铝熔液浇铸而成。,分析：若假想沿槽高把转子导体分成若干并联小导条，它们两端为端环短接，其电压相等，则各小导条中的电流将按其阻抗的反比例来分配。由上图(a)可见槽底部磁路短、磁阻小，所以导条交链的漏磁通多，则底部漏抗大。槽顶部导条链的漏磁通少，则顶部漏抗小。由于槽很深，则槽底与槽顶漏抗相差甚远，且X2f2。,102,起动时：n=0，s=1，f2=sf1=f1，f2较高，则X2s=sX2 较大，X2s R2，槽内电流的分布主要取决于漏抗的大小。槽顶部漏抗X2s小，则电流密度大，槽底部漏抗大，则电流密度小。这种把导体中的电流排挤到槽顶部的作用称趋表效应(集肤效应)。频率越高，槽形越深，肌肤效应越明显。,103,电流密度分布，它是自下而上逐渐增大，槽底部分导体在流通电流时所起作用很小，就相当于导体有效高度及截面积缩小，导体电阻变大，从而减小了起动电流，增大了起动转矩。见图(c)所示，导体有效截面缩小，故起动时，转子有效电阻增加，起动性能得改善。,104,正常运行时，s很小，f2=sf1 很小，X2s=sX2很小，这时转子电流的大小主要由电阻决定。R2 X2s，因各处电阻相等，则电流的分布是均匀的，导体截面积全部得以利用，而使转子电阻自动减小到较低的正常数值。(集肤效应不明显),优点：起动时转子电阻加大，改善了起动性能，而运行时为正常值，转子电阻仍然较小，不致于影响电动机的运行效率。缺点：转子槽的漏抗较大，功率因数稍低，最大转矩倍数稍小。它的体积也比普通感应电动机稍大。,双笼感应电动机：,结构特点：电动机转子上有两套笼型绕组。下笼：导体截面大，用电阻系数较小的紫铜制成，电阻较小。上笼：导体截面小，用电阻系数较大的黄铜制成，电阻较大。,1上笼,2下笼,3合成,n,ns,0,T,(b),机械特性,上笼,下笼,(a),漏磁通分布,工作原理：上笼交链的漏磁通少，所以电抗小，而下笼的漏磁通多，故漏电抗大。起动时：n=0，s=1，f2=sf1=f1，f2较高，则sX2 较大，槽内电流的分布主要取决于漏抗的大小。由于下笼漏电抗大，不利于电流流过，所以电流主要通过上笼，而上笼本身电阻大，起动时，电流减小，转矩增大，故上笼又称为起动笼。正常运行时：s很小，f2 13HZ很小，下笼漏电抗减小，电流分配主要取决于转子电阻R2，上笼电流小，下笼电流大，下笼起主要作用，故又称下笼为工作笼。,曲线3为曲线1（启动笼）和2（工作笼）的合成曲线，即为双笼感应电动机的机械特性。可见双笼型感应电动机起动转矩较大，具有较好的起动性能。通过改变上、下笼的尺寸、材料及其缝隙，便可改变其参数，可满足不同负载的需求。缺点：转子漏抗较大，功率因数稍低，过载能力比普通型感应机低，而且用铜量较多，工艺复杂，价格较高。,说明：由于深槽感应电动机及双笼型感应电动机不需要另外采用起动措施，所以系统可靠性较高，一般用于频繁起动或起动转矩要求较高的生产机械上。,110,为什么深槽异步电动机能减少堵转电流的同时增大堵转转矩，且效率并不低？,思考题,111,5.10 感应电动机的调速,调节电动机转速方法：改变定子绕组极对数p 变极调速改变供电电源的频率f1_ 变频调速改变电动机的转差率 s 调速,由感应电动机转速公式,112,1.变极调速,改变定子极对数，通常采用改变定子绕组接法的方法，使一套定子绕组具备两种极对数而得到两个同步转速达到调速的目的。这种电机只能采用笼型转子，因笼型转子的极对数能自动的与定子极对数等。（定子、转子极数相等是产生恒定电磁转矩的条件）,113,变极原理,设每相有两组线圈A1X1和A2X2，串联如图2p=4,2p=2,电流反向变极方法,114,变极调速的优缺点,缺点：电机出线端较多，并要装设换接开关；只能有极变速，不能平滑调速。优点：是一种较经济的调速方法，常用于不需要平滑调速的场合，如洗衣机电机，洗涤和甩干。,115,2.变频调速,采用改变电源频率f1的调速方法，可以得到很大的调速范围和调速性能（无极调速，可以平滑调速）,f 1变化，则m变化,116,从基频向下调节,若电压U1不变，则m增大，将引起磁路过饱和，激磁电流将急剧增大，导致功率因数降低；,在降低频率f1的同时，必须降低电压U1,117,若能保持U1/f1=常值，则最大转矩亦保持不变 恒转矩调速,118,从基频向上调节,电源电压不能高于额定电压，即U1不变，若 f1变大，则m降低，最大转矩降低，不适合拖动恒转矩负载。,119,频率增大、同步速增大、转速提高，最高转矩降低。因m降低，称为弱磁恒功率调速。,120,变频调速的优缺点,优点：变频调速具有优异的性能，调速范围大；可实现恒转矩或恒功率调速以适应不同的负载要求。是最有发展前途的一种。缺点：必须有专用变频电源，造价高。,121,3.改变转差率的调速,调压调速改变定子电压转子串电阻调速（仅适用绕线式异步电动机）,122,转子串接电阻调速（绕线式）,转子电阻增大，电机转速降低,转子串电阻的瞬间，使转子电流降低,123,优点：方法简单，调速范围广。,缺点：,串电阻转速降低后，机械特性变软,在调速过程中要消耗一定能量,转子所串电阻增大,转速降低,s增大,转子铜耗增加,调速特点：转速只能向低于额定转速的方向调速,124,串级调速（双馈调速）,绕线式异步电动机的串级调速是在转子回路串入一个与转子电势频率相同、相位相反的外加电动势，对转差功率加以吸收，实现调速和节能。,串级调速原理图,由于电动机定子和转子两路同时输入电能，也称为双馈调速。,125,在转子中串联反电势，同样可以使转子电流降低，从而同转子串电阻一样，使转速降低。,串反电势调速的动态过程：,126,串级调速特点：,即可以向低于额定转速的方向调速，又可以向高于额定转速的方向调速；转子串电阻调速是改变s的调速方法，存在转差功率pcu2=sPem损耗大，效率低的缺点，是很大的浪费;而串极调速外接的是电动势，而不是电阻因而没有损耗。,127,5.11 单相感应电动机,由单相电源供电的电动机既为单相感应电动机，由于使用方便，所以在家用电器和医疗器械中得到广泛用应。与同容量的三相感应电动机相比，单相感应电动机的体积较大，运行性能稍差，因此只做成几十到几百瓦的小容量电机。单相感应电动机的基本原理是建立在三相感应电动机的基础上，但在结构和性能上有不少差别。,128,单相感应电动机的接线示意图,单相感应电动机的定子铁心与普通三相感应电动机相同。定子上通常装有两个绕组，一个为工作绕组，另一个为起动绕组，起动绕组一般只在起动时接入，当转速接近正常转速时，离心开关式继电器触点就将起动绕组从电源断开，所以正常工作时，只有工作绕组接在电源上。,为何必须有起动绕组？,单相感应电机的转子为一般的 鼠笼式转子,一、结 构特点,129,单相交流电所建立的磁势为脉振磁动势。,二、工作原理,双旋转磁场理论,一个脉振磁势可分解为两个旋转磁势，这两个磁势幅值相等为脉振磁势幅值的一半，转向相反，转速相同。,130,两旋转磁势分别产生正，反转旋转磁场，并同时在转子绕组中分别感应产生相应的电势和电流，从而产生正，反转电磁转矩。,合成电磁转矩转差率曲线Tes。如红线所示。,对于正向旋转磁场,与三相感应电动机相同，产生转矩转差率曲线Tef s,对于反向旋转磁场,形成转矩转差率曲线 Teb s,131,2、起动时，s=1，合成电磁转矩为零，即无起动转矩，必须采取措施起动（从脉振磁势也可以看出，单相感应电机无起动转矩）,3、起动时，施以外力，则电机会自动并加速到接近同步速，显然电机转动的方向决定于施加外力的方向，即工作时的转向由起动时的转向决定,1、正常工作时，s较小，反向电磁转矩影响较小,132,三、起动方法,单相感应电动机之所以无起动转矩，是由于当处于静止状态时，磁势是脉振的,由上述分析单相感应电动机的特性可见，如何解决起动问题是单相电机的关键问题。,解决起动问题的关键在于如何使电机在起动时磁势由脉振的变为旋转的，,其根本措施就是设法使电机中再建立一个脉振磁势。且相位和空间位置不同于原脉振磁势。,起动方法：裂相起动（分相起动）罩极起动,单相电动机分类：分相式电动机 罩极式电动机,133,1、分相式电动机（裂相起动）,单相感应电动机的接线示意图,定子有两套绕组：主绕组、起动绕组,两绕组空间互差90度电角度,两绕组中电流具有一定的相位差,起动时的两个绕组所产生磁势特点：,脉振磁势,两脉振磁势在空间上差90度电角度,在时间上有一定的角度,电机起动时为旋转磁势（不一定为圆形旋转磁势），也就有起动转矩,当电机起动后，转速达到一定值时，由离心开关将辅助绕组从电源切断，这种单相电机称为分相式单相感应电动机,圆型旋转磁势具有最高的起动转矩，需要对称绕组通入对称电流才能产生圆形旋转磁势,由单一电源引起两绕组电流相位的方法，分相又分为电阻分相和电容分相,幅值一般不相等,134,a、电阻分相电动机,采用电阻分相，其电流相位差远小于90度，使气隙磁场的椭圆度较大，所以产生的起动转矩小,起动绕组回路的电阻较大，从而使起动绕组电流相位超前工作绕组。,电阻不同的方法：,起动绕组用较细的导线制成，工作绕组用较粗的导线组成,起动绕组中串入特殊的电阻元件,135,一般主绕组由较粗截面的导线绕制，且主绕组匝数较多，嵌在定子槽的外层；副绕组由较细截面的导线绕制，匝数较少，嵌在定子槽的内层。因此，主绕组的电阻值小，感抗值大；而副绕组的电阻值大，感抗值小。所以，主辅绕组电流存在相位差。,136,b、电容分相电动机,在起动绕组中串入电容，如电容选的恰当，使起动绕组中电流超前主绕组电流90度，使建立一椭圆度较小的旋转磁场，并产生较大的起动转矩。,接线图,相量图,Tes曲线,137,由于起动绕组串入电容后，不仅解决起动问题，而且运行时还能改善功率因数，这样辅助绕组投入后，就成为一台两相电动机，这种电机称为电容电动机。如起动完毕后，起动绕组不断开，一直串着电容运行，这种电机称为电容运行电动机。,电容运行电动机,138,2、罩极式电动机（罩极起动）,采用其他方法在起动时产生旋转磁场,转子同一般绕线式电机转子,电机结构：,定子：凸极式,磁极靴的一边开一小槽，用短路钢环（罩极线圈）把部分磁极罩起来,工作绕组,工作绕组通入电流i,脉振磁通,在短路环中感应电势EK，产生IK,在短路环中产生,罩极环中总磁通,罩极环中磁通在时间上与未罩部分磁通有一相角,罩极环中磁通在空间上与未罩部分磁通有一相角,139,由于短路环的作用使被罩部分的磁通与未罩部分磁通在空间上和时间上都有一定的相位差，于是产生椭圆形旋转磁场,由于旋转磁场椭圆度较大，所以起动矩小,但因结构简单，多用于小型电扇，电唱机和录音机中。（功率几十瓦以下）单相电机虽然功率因数、效率和过载能力比同容量三相电机低，体积大。但采用单相供电，所以在家用电器，医疗器械中广泛应用，功率小的用罩极式，功率较大的用分相式，如空调，电冰箱，洗衣机等。（功率几百瓦）,5.12 感应发电机和直线感应电机1、感应发电机工作原理：感应电动机作为电动机运行时 nns，则旋转磁场与转子相对运动的方向相反。E2s和I2s与电动机运行时相反，此时Te变为制动转矩。,感应电动机作为发电机运行有两种运行方式：1）接在电网上运行：此时，感应发电机所需的激磁无功电流由电网电压提供。2）单机运行时：在定子绕组并联一组对称三相电容，即感应发电机的自激。,141,单机运行时电压的建立：首先，转子中要有一定的剩磁，当原动机带动转子转动后，转子剩磁磁通切割定子绕组在其中感应电势E1，并向电容送出容性电流，该电流流过定子绕组产生与剩磁方向一致的定子磁动势，使气隙磁场得到加强，使发电机的电压逐步建立起来。感应发电机结构简单，运行可靠，但与电网并联时会降低电网的因数。单机运行时需加装电容，所以自激发电机只用于小容量情况下或风力发电机。,2、直线感应电动机直线感应电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的装置；结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种形式；可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作；直线电动机具有结构简单、反映速度快、灵敏度高、随动性好等特点。,扁平型直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的周围展成直线。,由感应式旋转电机演变为扁平型直线电机的过程a)沿径向剖开 b)把圆周展成直线,（1）扁平型直线电机,145,定子演变来的一侧称为初级，转子演变来的一侧称为次级。由旋转电机演变而来的最原始的直线电机初级和次级长度相等，运行中初级与次级的耦合不定，不能正常工作。为了保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变，实际应用时，将初级与次级制造成不同的长度。既可做成短初级长次级型，也可做成长初级短次级型。但短初级在制造成本上、运行费用上均比短次级低得多，因此目前除特殊场合外，一般采用短初级。,单边型直线电机a)短初级 b)短次级,146,双边型直线电机a)短初级 b)短次级,演变而来的原始直线电机仅一边安放初级，称为单边型直线电机。单边型电机的初级与次级之间存在着很大的法向吸力，约为推力的10倍左右，大多数场合下，这个力是不希望存在的。因此在次级两边都装上初级，做成双边型结构，以抵消法向吸力。,147,可以认为是将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形而来的。,（2）圆筒型（管型）结构,圆筒型直线电机的演变过程,148,（3）盘型结构把次级做成一片圆盘，将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上，次级可以是双面的也可以是单面的。,行波磁场的速度与旋转磁