电机学第5章 ppt课件 汤蕴璆 机械工业出版社

1、第五章第五章 感应电机感应电机 5.1 感应电机感应电机 的结构和运行状的结构和运行状 态态 5.2 三相感应三相感应 电动机的磁动电动机的磁动 势和磁场势和磁场 5.3 三相感三相感 应电动机的电应电动机的电 压方程和等效压方程和等效 电路电路 5.4 感应电感应电 动机的功率方动机的功率方 程和转矩方程程和转矩方程 5.5 感应感应 电动机参电动机参 数的测定数的测定 5.8 感应电动机的工作特性感应电动机的工作特性 5.6 感应动机感应动机 的转矩的转矩转差率曲线转差率曲线 l本章主要研究本章主要研究定、转子间靠电磁感应作用，在转 子内感应电流以实现机电能量转换的感应电机。 感应电机一般

2、都用作电动机，在少数场合下，亦 有用作发电机的。本章先说明空载和负载时三相 感应电动机内的磁动势和磁场，然后导出感应电 动机的基本方程和等效电路，最后分析它的运行 特性和起动，调速等问题。 一、感应电机的结构一、感应电机的结构 感应电机感应电机 定子绕组定子绕组 定子铁心定子铁心 转子转子 机座机座 笼笼 型型 结构结构 转子铁心转子铁心 转轴转轴 转子绕组转子绕组 绕线型绕线型 结构结构 定子定子 5.15.1 感应电机的结构和运行状态感应电机的结构和运行状态 二、感应电机的运行状态二、感应电机的运行状态 l旋转磁场的转速旋转磁场的转速ns与转子转速与转子转速n之差称为转差转之差称为转差转

3、差差n与同步转速与同步转速ns的比值称为转差率，用的比值称为转差率，用s表示，表示， 即：即： l转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。 按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发 电机和电磁制动三种运行状态，如图电机和电磁制动三种运行状态，如图5-5所示所示 例题例题 s s nn s n u额定功率额定功率PN (kW) ：额定运行时轴端输出的机械功率；：额定运行时轴端输出的机械功率； u额定电压额定电压UN (V) ：额定运行时定子绕组的线电压；：额定运行时定子绕组的线电压； u额定电流额定电

4、流IN (A)：额定电压下运行，输出功率为额定值：额定电压下运行，输出功率为额定值 时，定子绕组的线电流；时，定子绕组的线电流； u额定频率额定频率fN (Hz) ：定子的电源频率；：定子的电源频率； u额定转速额定转速nN (r/min) ：额定运行时转子的转速。：额定运行时转子的转速。 三、额定值三、额定值 返回返回 空载运行时， 定子磁动势基本上就是产生气隙主磁 场的激磁磁动势，定子电流就近似等于激磁电流。 计及铁心损耗时，磁场在空间滞后于磁动势以铁心 损耗角，如图如图5-65-6所示。所示。 5.2 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场 一、空载运行时的磁动势和磁场

5、一、空载运行时的磁动势和磁场 1.空载运行时的磁动势空载运行时的磁动势 2. 主磁通和激磁阻抗主磁通和激磁阻抗 l主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通， 它经过的磁路(称为主磁路)包括气隙、定子齿、定子轭、 转子齿、转子轭等五部分如图5-7所示。 l气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通 将在定子 每相绕组中感生电动势 1 E 111mw1 j4.44Ef Nk m l若主磁路的磁化曲线用一条线性化的磁化曲若主磁路的磁化曲线用一条线性化的磁化曲 线来代替，则主磁通将与激磁电流成正比；线来代替，则主磁通将与激磁电流成正比； 于是可认为于是可认为 与与 之间具有下列关系：之间具有下列关

6、系： 11mmmm jEI ZIRX () 1 E m I 3. 定子漏磁通和漏抗定子漏磁通和漏抗 l定子漏磁通又可分为槽漏磁、端部漏磁和谐波定子漏磁通又可分为槽漏磁、端部漏磁和谐波 漏磁等三部分，槽漏磁和端部漏磁漏磁等三部分，槽漏磁和端部漏磁如图如图5-8a和和b 所示。所示。 l定子漏磁通定子漏磁通 将在定子绕组中感应漏磁电动将在定子绕组中感应漏磁电动 势势 。把。把 作为负漏抗压降来处理，可得作为负漏抗压降来处理，可得 111 2 111111 j 22 EI X Xf Lf N 1 E 1 1 E 二、负载运行时的转子磁动势和磁动势方程二、负载运行时的转子磁动势和磁动势方程 l当电动机

7、带上负载时，转子感应电动势和电流当电动机带上负载时，转子感应电动势和电流 的频率的频率 f2 应为应为 l转子电流产生的旋转磁动势转子电流产生的旋转磁动势 F2 相对于转子的相对于转子的 转速为转速为n2： sss 21 s 6060 p(nn)pn nn fsf n 1. 转子磁动势转子磁动势 21 2s 6060 fsf nsnn pp 转子本身又以转速转子本身又以转速n在旋转，因此从定子侧观察在旋转，因此从定子侧观察 时，时，F2在空间的转速应为在空间的转速应为 定子和转子磁动势之间的速度关系，如图定子和转子磁动势之间的速度关系，如图5-9所示。所示。 图图5-10表示三相绕线型转子的转

8、子磁动势的空间相表示三相绕线型转子的转子磁动势的空间相 位。位。 例题例题 ss ()nnnnnn 负载时转子磁动势的基波对气隙磁场的影响，称 为转子反应。转子反应有两个作用： l使气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从而引 起定子感应电动势和定子电流发生变化。 l它与主磁场相互作用，产生所需要的电磁转矩， 以带动轴上的机械负载。 2. 转子反应转子反应 转子反应的两个作用合在一起，体现了通过电磁感 应作用，实现机电能量转换的机理。由此可以进一 步导出负载时的磁动势方程： 图图5-11示出了负载时定、转子磁动势间的关系，以 及定子电流与激磁电流和转子电流的关系。 12m FFF 12m III

9、2 2 i I I k 11w1 i 22w2 m N k k m N k 3.3.负载时的磁动势方程负载时的磁动势方程 1m1L III 1L2 FF 返回返回 1. 定子电压方程定子电压方程 111 jtjtjt 11111 11111 1mm (j) (j) U eI eRXE e UI RXE EI Z 5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路 一、电压方程 2. 2. 转子电压方程转子电压方程 2s12w2m 4.44Esf N k 212w2m 4.44Ef N k 2s2 EsE jj 2s2s22 j 22 t t E eI e(RsX) 2s22122 22Xf Lsf L

10、sX 2s2s22 j EI (RsX ) 1 I 1 1111 (j)EEI X 定子定子 2 2 F m m F 1 F 2s2s2s2s (j)EEI X 2s I 1 E 1s E 转子转子 图图5-12表示电压方程相应的定、转子的耦合电路图表示电压方程相应的定、转子的耦合电路图 定子绕定子绕 组内组内 转子绕转子绕 组内组内 二、等效电路二、等效电路 11 jj 2 222 j t t R E eI e(X) s 2 222 j R EI (X) s 1. 频率归算频率归算 2 22 R1s RR ss 图图5-13表示频率归算后，感应电动机定、转子的等表示频率归算后，感应电动机定、

11、转子的等 效电路图；图中定子和转子的频率均为效电路图；图中定子和转子的频率均为f1，转子电，转子电 路中出现了一个表征机械负载的等效电阻。路中出现了一个表征机械负载的等效电阻。 图图5-14表示频率和绕组归算后定、转子的耦合电路图表示频率和绕组归算后定、转子的耦合电路图 。 1 w122w2212 0.90.9 2 N kIN kImm 2pp 22w21w12 2222e2 11w1i2w2 m N kN kI II EEk E m N kkN k * 222122 m E Im E I 22 2 221 22 m I RmI R 22 2221 22 11 22 m I Xm I X 2.

12、 绕组归算绕组归算 根据上式即可画出感应电动机的根据上式即可画出感应电动机的T形等效电路，如图形等效电路，如图 5-15 所示。图所示。图5-16表示与基本方程相对应的相量图表示与基本方程相对应的相量图 。 11111 2 122 12mm 12m jUIRXE R EIX EEI Z III () (j) s 经过归算，感应电动机的电压方程和磁动势方程经过归算，感应电动机的电压方程和磁动势方程 成为成为 3. T型等效电路和相量图型等效电路和相量图 4. 4. 近似等效电路近似等效电路 由此即可画出形近似等效电路，如图如图5-17所示。 1 1 m2 1 m2 m1 21 m212 21 m

13、1 1 m2m 2 1 U I ZZ ZZ ZU II ZZZcZ ZU II Z ZZZ c Z Z 1 m 1 m 2 1 2 12 1m2 1 () U I Z Z Z U I ZcZ III c 12 1 2 0 ZZ Z Z 返回返回 感应电动机从电源输入的电功率：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：消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗： 消耗于定子铁心变为铁耗：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：从定子通过气隙传送到转子的电磁功率： 2 cu11 11 pm I R 111 11 cosPmU I 2 Fe1 mm pm I R 2

14、2 e12 221 2 R PmE I cosmI s 5.4 5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程感应电动机的功率方程和转矩方程 一、功率方程，电磁功率和转换功率一、功率方程，电磁功率和转换功率 l功率方程为：功率方程为： Cu1Fee ecu2 2 1 PppP PpP PPpp 其中其中 2 Cu2122e 2 122e pm IRsP 1s Pm IR(1s)P s 图图5-185-18表示相应的功率图。表示相应的功率图。 二、转矩方程和电磁转矩二、转矩方程和电磁转矩 l转矩方程转矩方程 l电磁转矩电磁转矩 e02 2 e02 TTT PppP T, T, T e e s e22w2

15、m22m22 22w2 1 coscos 2 1 2 PP T Tpm N kICI Cpm N k 例题例题 返回返回 1. 试验目的试验目的: 确定电动机的激磁参数确定电动机的激磁参数、铁耗和机械损耗。铁耗和机械损耗。 一、空载试验一、空载试验 5.5 5.5 感应电动机参数的测定感应电动机参数的测定 空载特性曲线空载特性曲线 2. 铁耗和机械损耗分离铁耗和机械损耗分离 Fe p p 1 2 1010 3RIP 2 1 UO 返回返回 参数计算参数计算 激磁电阻激磁电阻 空载电抗空载电抗 激磁电抗激磁电抗 2 101 101Fe Pm I Rpp m01 XXX Fe m2 110 p R

16、 m I 2 0 2 10 22 0 2 00 R I U RZX 5.5 感应电动机参数的测定 短路特性短路特性 1k1k ,IP 二、堵转试验二、堵转试验 1.试验目的：确定感应电动机的漏阻抗。试验目的：确定感应电动机的漏阻抗。 1 U 等效电路等效电路 2. 参数计算参数计算 2 21k kkkkk2 1k11k m22 k11kk m2 j j 1 2 UP Z, R, XZR Im I X (RjX) ZRjXRX Rj(XX) 2 2m k1222 2m2 22 222m k1m22 2m2 () () X RRR RXX RXXX XXX RXX 返回 转矩转矩转差率特性曲线转差

17、率特性曲线 如图如图5 525 25 所示。所示。 2 2 1 1 e2 2 s 2 112 R U m s T R RcXcX s 5.6 5.6 感应电动机的转矩感应电动机的转矩转差率曲线转差率曲线 一、转矩一、转矩转差率特性转差率特性 二、最大转矩和起动转矩二、最大转矩和起动转矩 1. 最大转矩最大转矩 2. 起动转矩起动转矩 22 m 22 12 112 22 1111 max 22 ss12 1112 () 2() 2 () cRR s XX RXcX mUm U T XX cRRXcX 2 112 st22 s1212 ()() mU R T RcRXcX 3. 3. 讨论讨论 l

18、感应电机的最大转矩与电源电压的平方成正比，与定、转感应电机的最大转矩与电源电压的平方成正比，与定、转 子漏抗之和近似成反比；子漏抗之和近似成反比； l最大转矩的大小与转子电阻值无关，临界转差率则与转子最大转矩的大小与转子电阻值无关，临界转差率则与转子 电阻成正比：转子电阻增大时，临界转差率增大，但最大电阻成正比：转子电阻增大时，临界转差率增大，但最大 转矩保持不变，此时转矩保持不变，此时 曲线的最大值将向左偏移曲线的最大值将向左偏移, ,如如 图图5-265-26所示；所示； l起动转矩随转子电阻值的增加而增加，直到达到最大转矩起动转矩随转子电阻值的增加而增加，直到达到最大转矩 为止。为止。

19、三、机械特性三、机械特性 ( (转矩转矩- -转速特性转速特性) ) 工程中将感应电动机的转速随电磁转矩的变工程中将感应电动机的转速随电磁转矩的变 化曲线成为机械特性。化曲线成为机械特性。 电动机机械特性与负载机械特性的交点称为电动机机械特性与负载机械特性的交点称为 电动机的运行点。电动机的运行点。 两者之间的关系如图两者之间的关系如图5-27所示。所示。 例题例题返回返回 在额定电压和额定频率下，电动机的转速、电磁转矩、定子在额定电压和额定频率下，电动机的转速、电磁转矩、定子 电流、功率因数、效率与输出功率的关系曲线称为感应电动电流、功率因数、效率与输出功率的关系曲线称为感应电动 机的工作特

20、性。机的工作特性。 图图5-285-28表示一台表示一台10kW10kW的三相感应电动机的转速特性和定子电的三相感应电动机的转速特性和定子电 流特性。电磁转矩、功率因数和效率特性如图流特性。电磁转矩、功率因数和效率特性如图5-295-29所示。所示。 由于感应电动机的效率和功率因数都在额定负载附近达到最由于感应电动机的效率和功率因数都在额定负载附近达到最 大值，因此选用电动机时应使电动机的容量与负载相匹配，大值，因此选用电动机时应使电动机的容量与负载相匹配， 以使电动机经济、合理和安全地使用。以使电动机经济、合理和安全地使用。 5.7 5.7 感应电动机的工作特性感应电动机的工作特性 一、工作

21、特性一、工作特性 先用空载试验测出电动机的铁耗、机械损耗和定子电阻，先用空载试验测出电动机的铁耗、机械损耗和定子电阻， 再进行负载试验求取工作特性。再进行负载试验求取工作特性。 二、工作特性的求取二、工作特性的求取 1. 直接负载法直接负载法 2.由参数算出电动机的主要运行数据由参数算出电动机的主要运行数据 在参数已知的情况下，给定转差率，利用等效电路求出在参数已知的情况下，给定转差率，利用等效电路求出 工作特性。工作特性。 返回返回 返回 导条导条 端环端环 笼型绕组笼型绕组 返回 风叶风叶 铁心铁心绕组绕组 滑环滑环 轴承轴承 返回 感应电动机的空载磁动势和磁场 Bm Fm 返回 A C

22、B X Y Z ns n Fe 返回 感应电机中主磁通所经过的磁路 返回 端部漏磁端部漏磁槽漏磁槽漏磁 返回 ns nsn s nn s () 定转子磁动势之间的速度关系定转子磁动势之间的速度关系 返回 转子磁动势波转子磁动势波F2 气隙磁场气隙磁场Bm 转子转子 2 2 i e 2 2 i e n Te 转子磁动势波转子磁动势波F2 气隙磁场气隙磁场Bm 转子转子 n Te 转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置 定、转子磁动势的空间矢量图和定、转子电流相量图定、转子磁动势的空间矢量图和定、转子电流相量图 返回 1 F mm ()B s n m F m I

23、2 I 2 90 n A B C X Y Z s n a x 2 F I2 1 I 2 F 返回 1 f 1 R 1 X 2 R n 1 U 1 I 1 E I 2s 2 sX 2 f 2 sE 感应电动机定、转子耦合电路图感应电动机定、转子耦合电路图 频率归算后感应电动机的定、转子电路图频率归算后感应电动机的定、转子电路图 1 f 1 f 返回 R1X1 0 n 1 U 1 I 1 E 2 I m N kw 111 ,m ,N kw 222 1s R s 2 X 2 2 E R2 1 R 1 X 返回 2 R 0 n 1 U 1 I 1 E 21 EE 2 I 111, kwNm 111,

24、kwNm 2 1 R s s 2 X 频率和绕组归算后感应电动机的定、转子电路图频率和绕组归算后感应电动机的定、转子电路图 1 R 返回 1 X 2 X 2 R Rm 1 I 2 I 2 1 R s s 1 U m I Xm 12 EE 感应电动机的感应电动机的T形等效电路形等效电路 异异 步步 电电 动动 机机 相相 量量 图图 返回 形近似等效电路形近似等效电路 2 cR 1 R 返回 2 cX 1 X 2 1s cR s m cZ 1 U 1 I 2 I m I 返回 1 PP e P 2 P pCu1 pCu2 pFe pp 感应电动机的功率图感应电动机的功率图 转矩转矩转差率特性曲线

25、转差率特性曲线 返回 max T 返回 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 300 250 200 150 100 50 0 1 2 R 2 2 R 3 2 R 4 2 R 1 2 2 2 3 2 4 2 RRRR 转子电阻变化时的转子电阻变化时的Te-s曲线曲线 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 n 返回 s n A e T 02 TT e T 0 感应电动机的转矩感应电动机的转矩-转速特性转速特性 返回 2 /kWP 24 20 16 12 8 4 0 12 10 8 6 4 2 0 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0 1 A I

26、% s s n n n 1 I s 感应电动机的感应电动机的)(, 2 PfIn e 1 N ,cos T T 返回 0.1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 100 80 60 40 20 0 2 4 6 8 10 12 e N T T 1 cos % 2 / kWP 感应电动机的感应电动机的 e 12 N , ,cos() T f P T 例例51 有一台有一台50Hz的感应电动机，其额定转速的感应电动机，其额定转速nN 730rmin，试求该机的额定转差率，试求该机的额定转差率 解：解： s = (ns-nN) /ns = 750-730/750=0.02667 例例5-2 有一台有一

27、台50HZ、三相、四极的感应电动机转子的转、三相、四极的感应电动机转子的转 差率差率s=5%，试求：，试求： （1）转子电流的频率；）转子电流的频率； （2）转子磁动势相对于转子的转速；）转子磁动势相对于转子的转速； （3）转子磁动势在空间的转速。）转子磁动势在空间的转速。 解解 (1)转子电流的频率转子电流的频率 f2 = sf1 =0.0550=2.5Hz (2)转子磁动势相对于转子的转速转子磁动势相对于转子的转速 n2=60f2/p=(602.5)/2=75r/min (3) 转子磁动势在空间的转速转子磁动势在空间的转速 n2 + n = n2+ns(1-s)=1500r/min 例例5

28、3 已知一台三相四极的笼型感应电动机，额定功率 PNl0kW，额定电压UN380V(三角形联结)，定 子每相电阻R1=1.33,漏抗X12.43，转子电阻的 归算值R2=1.12，漏抗归算值X2=4.4，激磁阻 抗Rm712，Xm900，电动机的机械损耗 p=100W，额定负载时的杂散损耗 p=100W。试 求额定负载时电动机的转速，电磁转矩，输出转矩， 定子和转子相电流，定子功率因数和电动机的效率。 19.87A19.87A11.47A11.47A3 3定子线电流为定子线电流为 A A29.4329.4311.4711.47A A j13.85j13.8527.5327.53j2.43j2.

29、431.331.33 0 0380380 Z ZZ Z Z ZZ Z Z Z U U I I : :为为I I于是定子相电流于是定子相电流 j13.85)j13.85)(27.53(27.5326.726.730.8230.82 j90j907 7j14.4j14.43535 85.5585.5590.2790.2787.1687.1635.235.2 Z ZZ Z Z ZZ Z 的并联值是：的并联值是：与Z与ZZ Z 85.5585.5590.2790.27j90)j90)(7(7jXjXR RZ Z 激磁阻抗：激磁阻抗： 87.1687.1635.235.2j4.4)j4.4)3535j4

30、.4)j4.4) 0.0320.032 1.121.12 ( (jXjX s s R R Z Z ：，则转子的等效阻抗为，则转子的等效阻抗为0.032(试探值）0.032(试探值）s s设额定负载时的转差率设额定负载时的转差率 输入功率输入功率（1）定子电流和定子（1）定子电流和定子 解解 m m 2 2 m m 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 m m 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m mm mm m 2 2 2 2 2 2 N N 定子功率因数为：定子功率因数为： （2 2）转子电流和激磁电流）转子电流和激磁电流 WIU11389cos3P 871. 043.29coscos 1111 1 m 21 m2 2 m1 m2 Z90.27 II11.4710.02A ZZ103.32 Z35.28 II11.473.917