第四章异步电机

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 2 空载的情况下 n ns I2 0 当电机带有机械负载后 n ns 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 3 2 F2转速的大小 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n n0 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 转子绕组内感应电动势和电流的频率为 f2为转差频率 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 n n ns转子磁动势与定子磁动势的转速是相 4 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 同的 即F2与F1在空间保持相对静止 无相对运动 负载时磁动势包含两个分量 F2 抵消转子磁动势F2的作用 另一个是产生气隙主磁通 m的磁动势Fm 5 相矢图 异步电动机的磁动势和磁场是以同步角速度旋转的矢量 与磁动势对应的电流是以数值上以等于同步角速度的角速度旋转的相量 图5 6 所示瞬间 A相电流到最大值 在相量图中与时间参考值重合 磁动势矢量就表示在A相绕组轴线上 6 矢量和相量在各自的图形中 以相同的角速度旋转 人为地把时间参考轴放在A相绕组的轴线上 将矢量图与相量图合在一起 则与始终是重合的 把矢量图和相量图混合在一起 即相量 矢量图 或时空矢量图 以主磁场矢量在A相绕组轴线上这个瞬间分析 如果不考虑磁滞损耗和涡流损耗 产生主磁场的励磁磁动势与在空间的位置是相同的 由于磁滞 涡流现象的存在 致使在空间位置上滞后于一个电角度 当在A相绕组轴线上时 则在前面一个电角度 这时通过A相绕组的主磁链有最大值 因为是定子绕组每相有效匝数 是确定的 所以这时通过A相绕组的主磁通也有最大值 磁密波 7 为正弦空间函数时 匝链绕组的磁链与磁通必然是正弦时间函数 前者用矢量表示 后者用相量表示 而且的空间位移与和的时间相位是一致的 故相矢图中 及与画在一起 合成磁动势在旋转过程中幅值是不变的 而对应磁动势的电流相量也是不变的 但电流的瞬时值是随时间变化的 从电磁感应定律可知 绕组中的感应电动势在相位上滞后于绕组磁链900电角度 故在在A相绕组轴线上的瞬间 A X中的感应电动势的瞬时值等于零 在矢相图中 在这个相量应位于水平位置 从旋转磁场理论及图5 2b知 在空间上滞后于的角度为相量与矢量重合 则滞后于的角度也是 为转子电流对转子电动势的相位差角 由此可知 这时转子绕组a相的电动势在转子向量图中也在水平位置 8 由产生的转子电流在相量图中也在水平位置 在相位上滞后于一个电角度 与 在空间上相对静止 以及转子磁动势与对应的对称转子电流有严格的相量矢量关系 画出把与相加 就得到 即 9 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 与在相位上均滞后电角度 所以 10 二 基本方程式 一 磁动势平衡方程式 见式 4 33 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 由于在空间的相位差就等于在时间上的相位差 在矢相图中 磁动势与所对应电流相量方向一致 11 5 13 的物理意义 负载时异步电动机的定子电流可以看成由两部分组成 一部分为励磁分量 其作用是产生气隙主磁通 另一部分是负载分量 也称负载电流 其作用是为抵消转子电流所产生的磁效应 12 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 13 异步电动机负载时的基本方程式列出如下 14 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 15 就转子磁动势的转速而言 实际转子电流所产生的转子磁动势的绝对转速是同步转速 而实际的转子电路被静止转子电路代换后 转子的频率就是定子频率f1 转子电流所产生的磁动势的绝对转速还是同步转速 所以代换不影响转子磁动势的转速 转子磁动势的幅值与空间位移角 合成磁动势与对应电流之间存在严格不变的关系 所以的幅值与空间位移角完全取决于对应相电流的有效值和时间相位角 如果用静止的转子电路取代换实际转子电路 而转子电流的相量不变的话 则可保证的这个矢量大小不变 若R 0 分子分母都除以s 16 上式的物理意义 表示静止转子电路中的电动势和漏电抗 所以代表静止转子中的电流 而的有效值和相位角均与相等 所以用静止转子电路代换实际的转子电路 处改变与频率有关的参数和电动势外 要用取代替 就可达到保持不变的目的 异步电机作电动机运行时 转子电阻由变为 相当转子电路串入了一个附加电阻 17 二 绕组归算人为地用一个相数 每相串联匝数以及绕组因数和定子绕组一样的绕组取代替相数每相串联匝数为 绕组因数为 经过频率归算的转子绕组 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 实际转子电路中不存在这种损耗 而只产生机械功率 因此静止转子中的这部分虚拟损耗 实质上是表征了异步电动机的机械功率 用静止转子代换实际转子 无论从转子对定子的电磁效应看 还是就功率而言都是等效的 频率归算后的定子电动势 电流 功率等物理量不会发生变化 由转子磁动势不变 18 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 19 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 20 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 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 21 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 二 异步电动机的相量图 画相量图时 先把主磁通画在垂直位置 或水平位置 定为参考相量 四 等效电路的简化 励磁电流占总负载电流的比例并不很小 不能略去 将励磁支路移到输入端 得简化等效电路 这样算出的定 转子电流比用T形电路稍大 22 定子绕组中的电动势和归算后的转子绕组电动势均滞后于电角度 产生主磁通的励磁电流相量则超前于一个电角度 据此画出相量 归算后的转子电流相量的大小和相位有相量和归算后转子绕组的总阻抗决定 画出相量 23 画出相量 根据磁动势方程式 得出定子电流相量 根据定子电动势方程式 画出相量 24 解 25 1 用T形等效电路计算 设 定子电流 定子线电流有效值 26 定子功率因数 定子输入功率 转子电流和励磁电流 效率 27 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 28 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 29 第三节三相异步电动机的功率和转矩 一 功率转换过程 通过气隙旋转磁场 由定子传送到转子的电功率 就是异步电动机的电磁功率 与直流电动机不同 直流电动机是在转子 电枢 中 由电磁作用转换的 轴上净输出功率附加损耗机械功率铜损铁损 30 31 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 32 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 5 43 5 44 33 同步角速度 转子机械角速度 总机械功率 电磁功率 负载制动功率 空载制动功率 电磁转矩 或者 34 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 转差率与大致成正比 在一般异步电动机中 转子铜耗很小 额定负载时转差率为1 5 5 空载时 定子电流几乎全部为励磁电流 负载时 随着转子电流增大 定子电流及其磁动势也随之增大 抵消转子电流产生的磁动势 所以定子电流几乎随按正比例增加 35 4 电磁转矩特性 3 功率因数特性 轻载时 定子电流基本上是励磁电流 所以功率因数低 0 1 0 2 负载增加 转子 定子电流的有功分量增大 功率因数增大 接近额定负载时 功率因数达到最大 在空载到额定负载范围内转差率很小 转子功率因数角几乎不变 但负荷超过额定值时 值变大因此变大 使电动机功率因数又降低 电磁转矩特性近似一条斜率为的直线 5 效率特性 可变损耗等于不变损耗时 异步电动机效率达到最大值 负 36 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 电动机在空载到额定负载时气隙磁场几乎不变 故认为励磁阻抗是常数 在电动机漏磁通的磁路中 存在很大气隙 所以漏磁通对绕组的电磁效应特性的漏电抗也是常数 这样反映异步电动机电磁过程的等效电路中的参数 在额定电压和额定频率下是基本不变的 利用给定参数的等效电路 再给定机械损耗和附加损耗 按不同的转差率 对转速 定子电流 功率因数 电磁转矩 效率等进行计算 算到输出功率达到或超过额定值为止 载进一步增加 可变损耗增加的快 效率降低 最大效率出现在额定负荷的3 4时 37 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 2 励磁参数与铁耗及机械损耗的确定 1 机械损耗和铁损的分离作曲线 延长交纵轴于 作水平虚线将曲线纵坐标分为两部分 在空载下 机械损耗认为是恒值 所以虚线下即为机械损耗 虚线上部表示对应于电压大小的铁损 38 2 励磁参数的确定空载时 转差率 则T形等效电路中的附加电阻 有 39 二 堵转试验及堵转时参数的确定 在T形等效电路中 此时 认为励磁回路开路 铁耗可忽略不计 此时全部输入功率都变成定子铜耗和转子铜耗 40 对于大中型异步电机 100kW小型异步电动机 41 第五节三相异步电动机的转矩与转差率的关系 由三相异步电动机的近似等效电路得 5 57 代入 5 43 得 5 58 令 可求出时的 42 最大转矩 临界转差率sm 通常 5 59 5 60 由式 5 59 到 5 62 可知 43 1 当电动机各参数及电源频率不变时 与成正比 则保持不变 与无关 2 当电源频率与电压不变时 与近似地与成反比 3 与之值无关 则与成正比 对于绕线转子异步电动机 当转子电路串联一恰当的电阻 可使 相当于 即起动时转矩达最大值 此时转子电路的总电阻为 5 63 44 第六节单相异步电动机 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由单相交流电流所建立的磁动势是一种脉振磁动势 若仅考虑其基波分量 表达式为 上式说明 脉振磁动势可以分解为两个幅值相等 且幅值等于脉振磁动势幅值一半 旋转速度相同但方向相反的旋转磁动势 45 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 正转磁动势 向正方向旋转 用空间矢量表示 反转磁动势 向反方向旋转 用空间矢量表示 所建磁场磁通分别为 产生正转 反转转矩 电动机的合成转矩为曲线为曲线3 46 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 及由建立的脉振磁动势在时间上滞后于和建立的定子脉振磁动势电角度 单相电动机在转动时 其中存在着空间和时间上均相差的两种磁动势 47 如两脉振磁动势的幅值相等 合成磁动势为 是一正转圆形旋转磁动势 如两脉振磁动势的幅值不相等 即 若 合成磁动势为正弦分布 幅值变动 非恒速旋转的磁动势 其矢量矢端的轨迹为一椭圆 长轴 最大幅值 是正转和反转磁动势幅值之和 短轴 最小幅值 是正转和反转磁动势之差 单相电动机一经转动 其磁动势由脉振磁动势变为旋转磁动势 便能产生电磁转矩使电动机继续旋转 48 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 辅助绕组一般按短时工作制设计 当转速达到一定值时 由离心开关将辅助线圈断开电源 1 分相式电动机 单相异步电动机无起动转矩 脉振磁动势