电机学第九章异步电机的理论分析与运行特性.ppt
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1、第三篇 异步电机,第九章异步电机的理论分析与运行特性,第一节 异步电机的基本结构,异步电动机的特点:,异步电机,转子转速n与磁场同步转速n1间存在一定差异。优点:结构简单,制造、使用和维护方便,运行可靠,效率较高,价格低廉,坚固耐用。缺点:转速不易调节鼠笼式异步电动机的起动性能较差功率因数滞后,励磁电流由电网供给,一、异步电动机的定子,定子铁心磁路部分,放置定子绕组。一般采用导磁性能良好和比损耗小的电工硅钢片叠成。为了嵌放定子绕组,在定子铁心内圆冲出许多形状相同的槽定子槽。定子绕组电路部分感应电势。机座固定和支撑定子铁心。,1.定子铁心,2定子槽形,散嵌绕组,成型绕组,效率和功率因数较高绕组嵌
2、线工艺复杂小容量及中型低压电机,可嵌放成型线圈大型低压电动机,绝缘放置可靠、绕组下线方便高压电动机,3定子绕组,定子绕组通常应用双层短距绕组,小型电机可应用单层绕组。,3、机座,作用:主要起固定和支撑定子铁心,要求有足够的机械强度和刚度,二、转子,转子铁心磁路,一般由硅钢片叠成。在转子铁心上开有槽,以供放置或浇注转子绕组。转子绕组感应电势、流过电流和产生电磁转矩转轴,1.转子铁心:磁路,一般由硅钢片叠成。,2转子槽,槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。,3转子绕组特点:是一闭合的绕组,但其构成的型式不同,1)鼠笼式转子:焊接,铸铝。,斜槽形式,2)线绕转子:铁芯上绕有一对称绕组,和
3、定子绕组有相同的极数,且制成相同的相数。通常采用对称的三相绕组,连接成星形。转子的一端装有三个集电环,各与转子绕组的三个起始端相连接。每个集电环上各有一电刷,通过电刷把转子绕组与外接变阻器相接。安装变阻器的目的是改善起动特性(增加起动转短,减小起动电流)或用以调节电动机的转速。,4.转轴,三、气隙,特点气隙很小,在中、小型电机中,气隙一般为毫米。气隙大小对电机性能有很大的影响气隙大:磁阻大,励磁电流(空载电流)大,功率因数低;气隙磁场谐波含量(漏磁引起附加损耗)减少,改善启动性能。气隙小:按加工可能及机械安全所限制。,四、异步电机的铭牌,1、型号 我国电机的产品型号一般采用大型印刷体的汉语拼音
4、字母和阿拉伯数字组成。其中当头的字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉语拼音字母。如:Y 160 L 1-4,三相异步电动机,机座中心高,极数,铁芯长短代号,机座号长短代号,异步电动机的额定值:,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(W或kW)。3、额定电压UN:指电动机在额定方式运行时定子绕组应加的线电压(V或kV)。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,流入定子绕组的额定线电流(A)。5、额定频率f:我国工业频率为50HZ。6、额定转速nN:指在额定状态下运行时的转子转速(rmin)。,三相异步电动机的主要技术指标是指效率、功率因数、起
5、动性能(堵转转矩、堵转电流和起动过程中的最小转矩)、最大转矩和噪声、振动。,第二节 异步电机的运行状态和磁场,一、异步电机的运行状态,三相对称电流流入对称定子三相绕组旋转磁场,n1转子绕组切割磁力线中产生感应电势 闭合的转子绕组产生转子电流转子导体受电磁力作用形成转矩转子转动,n。转差速度:转差率,三种运行方式电动机运行发电机运行电磁制动分析时,从作用于转子上的电磁力或电磁转矩的方向,以及定子电势e和定子电流i有功分量所产生的电功率的正负来判断电机的运行状态。,异步电机的三种运行情况:,一、电动机运行,电动机运行:,当一对称的三相电流通入异步电机的定子绕组时,在空气隙中便产生一旋转磁场以同步转
6、速 n1 旋转。转子导体切割磁力线,并产生感应电势条件。转子导体中的感应电流与旋转磁场相互作用,使转子导体上受到一电磁力Fe,其方向与旋转磁场的旋转方向相同。在电磁力的作用下形成电磁转矩,拖动转子顺着旋转磁场方向旋转。,电磁力Fe为原动力,相应的电磁转矩为驱动转矩,负载力F为阻力,相应的转矩为阻力矩。,结论:异步电动机的转速常在同步转速以下。转子的转速在0nn1范围内,即在1s0范围内。从定子角度,定子上的电流有功分量与定子电势方向相反,电功率为负值,说明定子从电网吸收电功率。,二、发电机运行,发电机运行:,在转子上施加原动力矩拖动转子以大于同步转速顺着旋转磁场方向旋转,则旋转磁场切割转子的相
7、对速度便倒转方向。和电动机运行情况相比,转子导体中感应电势和电流的方向倒转,导体上所受到的电磁力的方向与转子旋转方向相反;这时机械功率为输入,电功率为输出,外施力F为原动力,电磁力Fe为阻力发电机运行。结论:异步电机作为发电机运行,转速需大于同步转速,即nn1,s0。,三、电磁制动,电磁制动:,转子在外力拖动下使其旋转方向与旋转磁场的旋转方向相反,则旋转磁场切割转子导体的相对转速大于同步转速。电磁力的方向与外施力方向相反,所起的作用是制动作用。定子从电网吸收电功率,外力供给机械功率,都转变为电机内部的损耗电磁制动状态。,电机的n应取负值,相对转速大于同步转速,即n0,sl。例如,当起重机下放重
8、物时,如不采取任何措施,重物将加速下坠。这时如使电机运行在制动状态,由电磁转矩制止了转子的加速。,小结,s是反映异步电机运行状态和负载情况的一个基本变量。,二、异步电机的磁场,空载时:三相对称电流流入对称三相定子绕组中产生旋转磁场,n1,转子转速接近同步转速,转子中电流很小,气隙中仅此旋转磁场。n1=60f/p负载时:转子电势和电流的频率(转子频率,与转差率成正比,又称为转差频率)为,转子转动后,由转子电流所产生的转子基波旋转磁势相对于转子的转速为转子基波旋转磁势相对于定子的转速为由转子电流所产生的转子基波旋转磁势和由定子电流所产生的定子基波旋转磁势没有相对运动。(磁势平衡式不变),三、异步电
9、机的磁场,1、主磁通m主磁通由基波磁势产生,是每极的基波磁通量。交链定子绕组与转子绕组,实现能量的传递。以同步速旋转主磁通途经五段磁路:空气隙、定子齿、转子齿、定子轭和转子轭。,空气隙、定子齿、转子齿、定子轭、转子轭,2、漏磁通漏磁通除去主磁通以外的磁通。漏磁通包含三个部分:槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通(按路径区分)。槽漏磁通和端部漏磁通。仅只交链定子绕组,与转子绕组没有互感作用,不传递能量。谐波漏磁通由高次谐波磁势所产生的谐波磁通,穿过空气隙,交链转子绕组并在其中感应电势,产生转矩(无用)。(气隙总磁通气隙基波磁通),横穿定子槽,交链定子绕组端部,定子的槽漏磁通和端部漏磁通,只交链定子绕
10、组,与转子绕组没有互感作用,不传递能量。,3、谐波漏磁通,谐波磁场极对数,旋转速度 在定子绕组上的感应电势 频率仍为基波频率,与其它定子漏磁通感应的电势频率一样,归为定子漏磁通。,谐波磁场在转子绕组的感应电势基波磁场在转子绕组中感应电势频率为,与变压器比较,变压器:主磁通,脉动磁通,m表示振幅原、副绕组静止,磁通幅值按正弦变化,产生感应电势。异步电机:主磁通,旋转磁通,沿气隙按正弦分布且以同步速旋转主磁通与转子有相对运动,(磁通幅值不变化),转子中交链磁链变化,产生感应电势。,第三节三相异步电动机的等效电路,一、转子静止时的异步电机,分析前提:把异步电机的磁通分成主磁通和漏磁通,并把谐波磁通归
11、并到漏磁通假设:气隙中只有基波磁通,定、转子绕组上只感应有基波电势漏磁感应电势用漏抗压降表示,转子静止时的电路表示,正方向按变压器惯例,转子静止时的异步电机1、电压平衡式,以下标l和2区别定子和转子电路的各物理量,各种数量均取每相值。从电路分析角度来看,转子不动时的异步电机的电路方程与次级侧短路时的变压器的电路方程相似,2、磁势平衡式,转子绕组是一对称多相绕组,与定子绕组有相同极数。绕线式转子有明显的相数和极对数,设计转子绕组时,必须使转子极数等于定子极数。否则,没有平均电磁转矩。鼠笼转子的转子有鼠笼加端环组成。所有导条在两头被端环短路,整个结构是对称的,实质上是一个对称的多相绕组。鼠笼转子的
12、极数恒等于定子绕组的极数,在转子不动时,定、转子电势有相同频率,由转子电流所产生的基波旋转磁势与由定子电流所产生的基波旋转磁势有相同转速,没有相对运动。转子旋转磁势对定子旋转磁势产生去磁作用,二者共同作用在主磁路中产生主磁通,决定于定子电势ElE1受到定子电压平衡支配,决定了基波磁通m,从而决定了激磁电流Im。,当转子有电流时,定子电流应包含两个分量由定子电流所产生的磁势也包含两个分量第一项用以产生基波磁通;第二项为负载分量,用以抵消转子磁势去磁作用,它与转子磁势大小相等方向相反,设定子绕组有m1相,磁势的振幅转子绕组有m2相,磁势振幅励磁磁势静止时:f1=f2(磁势速度为同步速一致),磁势平
13、衡式,3、绕组归算,转子绕组的归算把实际相数为m2、绕组匝数为N2、绕组系数为kN2的转子绕组,归算成与定子绕组有相同相数、相同匝数和相同绕组系数的转子绕组。在进行归算时,有电压变比、电流变比和阻抗变比。,(一)电流的归算根据归算前后转子磁势应保持不变为条件(二)电势的归算根据归算前后转子视在功率保持不变为条件,(三)阻抗的归算根据归算前后转子上的铜耗保持不变为条件根据归算前后转子功率因数保持不变为条件,磁势平衡,4、等效电路,参数的物理意义,rm铁耗等效电阻xm定子每相绕组与主磁通对应的电抗,随的、铁芯的饱和不同而变化。异步电机中,磁通由三相联合产生;变压器中,磁通由一相绕组产生 定子漏抗,
14、由定子三相电流联合产生的漏磁通,在定子每一相上引起的电抗。,二、转子旋转时的异步电动机,1、转子旋转对转子各物理量的影响转子转动后,转子绕组的电势和电流的频率与转子的转速有关取决于气隙旋转磁场与转子的相对速度。转子电势和电流的频率(转子频率,与转差率成正比,又称为转差频率)为,转子转动后,由转子电流所产生的转子基波旋转磁势相对于转子的转速为转子基波旋转磁势相对于定子的转速为由转子电流所产生的转子基波旋转磁势和由定子电流所产生的定子基波旋转磁势没有相对运动。(磁势平衡式不变),2、转子转动后的基本方程式,电压平衡式,转子感应电势与转差率成正比,频率 f2=sf1,频率f1,2、频率归算,绕组归算
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