电机学辜承林(第三版)第5章

1、第五章第五章 感应电机的稳态分析感应电机的稳态分析5.1 感应电机的感应电机的结构和运行状态结构和运行状态5.2 三相感应三相感应电动机的磁场电动机的磁场5.3 转子静转子静止时的异步止时的异步电机电机5.5 感应电动机参数的测定感应电动机参数的测定5.4 转子旋转时转子旋转时的异步电机及等的异步电机及等效电路效电路第五章第五章 感应电机的稳态分析感应电机的稳态分析5.10 感应电感应电动机的工作动机的工作特性特性5.7 笼型转子笼型转子的参数计算的参数计算5.8 异步电动异步电动机功率、转矩机功率、转矩平衡方程式平衡方程式5.9 电磁电磁转矩的三转矩的三种表达式种表达式5.11 启动、制动、

2、启动、制动、调速及其他调速及其他 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接的感应电机。以实现机电能量转接的感应电机。 感应电机一般都用作电动机，在少数场合下，亦感应电机一般都用作电动机，在少数场合下，亦有用作发电机的。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动势和磁场，然后导出感应电动机的基本方程和等效电路，接着分析它的运行特性和起动，调速等效电路，接着分析它的运行特性和起动，调速问题。问题。 感应

3、电机感应电机也叫也叫异步电机异步电机，是一种交流电机，是一种交流电机。 应用：应用：广泛，主要作电动机使用。广泛，主要作电动机使用。 优点：优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用，有较高的效率和较好的工作特性。廉、坚固耐用，有较高的效率和较好的工作特性。 缺点：缺点：目前尚不能在较大范围内平滑调速，其必目前尚不能在较大范围内平滑调速，其必须从电网吸受滞后的无功功率，增加了线损。须从电网吸受滞后的无功功率，增加了线损。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按定子绕组供电电源相数按定子绕组供电电源相数按转子绕组的结构按转子

4、绕组的结构单相单相感应电动机感应电动机三相三相感应电动机感应电动机两相两相感应电动机感应电动机异步电机异步电机鼠笼式鼠笼式异步电动机异步电动机绕线式绕线式异步电动机异步电动机结构简单，坚固，结构简单，坚固，成本低，运行性能成本低，运行性能不如绕线式不如绕线式通过外串电阻改善电机通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能的起动，调速等性能一、感应电机的分类一、感应电机的分类感应电机的结构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型笼型，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，结构结构定子定子三相感应电动机的结构三相感应电动机的结构定子铁心定

5、子铁心定子绕组定子绕组: 鼠笼转子照片鼠笼转子照片绕线转子照片绕线转子照片其他部件：其他部件： 气隙气隙：定转子之间的间隙，很小，定转子之间的间隙，很小，0.2-1mm.对电机对电机的性能影响很大。为了降低电机的空载电流和提高电的性能影响很大。为了降低电机的空载电流和提高电机电功率，气隙应尽可能小，但气隙太小可能造成定、机电功率，气隙应尽可能小，但气隙太小可能造成定、转子在运行中发生磨檫。转子在运行中发生磨檫。 对称绕组通以对称电流便会产生圆形旋转磁对称绕组通以对称电流便会产生圆形旋转磁势，其转速为：势，其转速为：n1= 60f1/p ；这个基波旋转磁场；这个基波旋转磁场在短路的转子绕组中感应

6、电动势。在短路的转子绕组中感应电动势。iTe ,从而实现能量转换，从而实现能量转换，故称之为感应电机。故称之为感应电机。 为了较好的分析电机的运行状态，我们引入为了较好的分析电机的运行状态，我们引入转差转差率率的概念。的概念。二、感应电机的运行状态二、感应电机的运行状态 旋转磁场的转速旋转磁场的转速n1与转子转速与转子转速n之差称为转差。转之差称为转差。转差差n与同步转速与同步转速n1的比值称为的比值称为转差率转差率，用，用s表示，表示，即：即： n为转子转速，为转子转速，n不等于不等于n1 ,否则否则,不可能产生感应不可能产生感应电势。由于电势。由于n不等于不等于n1，所以称之为异步电机。所

7、以称之为异步电机。 s = (n1-n) / n1 转差率是表征感应电机运行状态的一个基本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，感应电机有电变量。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，动机、发电机和电磁制动三种运行状态，如图如图5-5所示所示 * 起动瞬间，起动瞬间，n = 0,s=1 * 理想空载运行时：理想空载运行时：n=n1,s=0 * 作为电动机运行时，作为电动机运行时，s 的范围在的范围在0-1之间。之间。 转差率一般很小，如转差率一般很小，如 s = 0.03。 * 制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即制动运行时

8、，电磁转矩方向与转速方向相反，即n1与与n 反向，反向，s1 * 发电运行时，发电运行时，n 高于同步转速高于同步转速n1, s0。 例题例题 额定功率额定功率PN：单位为千瓦：单位为千瓦(kw) 定子额定电压定子额定电压UN：单位为伏：单位为伏(v) 定子额定电流定子额定电流IN ：单位为安：单位为安(A) 额定频率额定频率fN ：我国工频规定为：我国工频规定为50赫赫(Hz) 额定转速额定转速nN ：单位为转分：单位为转分(rmin) 额定效率等额定效率等N三、额定值三、额定值1. 型号型号 Y 132M4 磁极数磁极数(极对数极对数 p=2)同步转速同步转速1500转转/分分分）转/(

9、600pfn 转差率转差率0.04 150014401500s2. 转速转速: 电机轴上的转速（电机轴上的转速（n)。 如：如： n =1440 转转/分分3. 联接方式联接方式 ： Y/ 接法接法 Y 接法：接法： 接法：接法：AB CZX YA B CZX YABCXYZAZBYXCABCXYZ接线盒：接线盒：4. 额定电压：额定电压：定子绕组在定子绕组在指定接法指定接法下应加的下应加的线电压线电压.说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的 5 。线线电电压压AZBYXC线线电电压压ABCXYZ例：例：380/220 Y/ 是

10、指：线电压为是指：线电压为380V时采用时采用Y接法；接法； 当线电压为当线电压为220V时采用时采用 接法。接法。5. 额定电流：额定电流：定子绕组在定子绕组在指定接法指定接法下的下的线电流。线电流。如：如：A48. 6/A2 .11/ 表示三角接法下，电机的线电流为表示三角接法下，电机的线电流为11.2A，相电流为，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为；星形接法时线、相电流均为6.48A。6. 额定功率：额定功率： 额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率（ ），不等于从电源吸收的功率（），不等于从电源吸收的功率（ ）。两者的）。两者的 关系

11、为：关系为： 2P1P12PPcos31NNIUP 其中其中鼠笼电机鼠笼电机 =7293UN和和IN为额定线电压和线电流为额定线电压和线电流 额定负载时一般为额定负载时一般为0.7 0.9 ， 空载时功率因数很空载时功率因数很低约为低约为0.2 0.3。额定负载时，功率因数最大。额定负载时，功率因数最大。注意：实用中应选择合适容量的电机，防止注意：实用中应选择合适容量的电机，防止“大马大马” 拉拉“小车小车”的现象。的现象。7. 功率因数功率因数(cos 1)：P2PN此外还有绝缘等级等参数，不一此外还有绝缘等级等参数，不一 一介绍。一介绍。cos 15.2 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感

12、应电动机的磁动势和磁场一、空载运行时的磁动势和磁场一、空载运行时的磁动势和磁场 空载运行时的磁动势空载运行时的磁动势 空载运行时空载运行时,定子磁动势基本上就是产生气隙主磁场定子磁动势基本上就是产生气隙主磁场的激磁磁动势，空载时的定子电流就近似等于激磁电的激磁磁动势，空载时的定子电流就近似等于激磁电流。流。 计及铁心损耗时，磁场在空间滞后于磁动势以铁心损计及铁心损耗时，磁场在空间滞后于磁动势以铁心损耗角，耗角，如图如图5-6所示。所示。 气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通中气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通中m将在定子每相绕组中感生电动势将在定子每相绕组中感生电动势E1 主磁通是通过气

13、隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通，主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通，它经过的磁路它经过的磁路(称为主磁路称为主磁路)包括气隙、定子齿、定子轭、包括气隙、定子齿、定子轭、转于齿、转子轭等五部分转于齿、转子轭等五部分如如图图5-7所示所示。若主磁路的磁。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；于是可认为磁电流成正比；于是可认为E1与与Im之间具有下列关系：之间具有下列关系： 1111144. 4NkNfjE)(1mmmmmjXRIZIE 主磁通和激磁阻抗主磁通和激磁阻抗 定子漏磁通又可分为定子漏

14、磁通又可分为槽漏磁、端部漏磁和谐波漏槽漏磁、端部漏磁和谐波漏磁磁等三部分，等三部分，图图5-8a和和b分别示出了槽漏磁和端部分别示出了槽漏磁和端部漏磁的示意图。定子漏磁通漏磁的示意图。定子漏磁通1将在定子绕组中感将在定子绕组中感应漏磁电动势应漏磁电动势E1。把。把E1作为负漏抗压降来处理，作为负漏抗压降来处理，可得可得 121111111122NfLfXXIjE定子漏磁通和漏抗定子漏磁通和漏抗电抗公式：电抗公式： mmRNfRNiiNfiNffLX2 2)( 2)( 2 2影响漏电抗大小的因素影响漏电抗大小的因素漏电抗对电机的性能有很大的影响。漏电抗对电机的性能有很大的影响。电流频率，绕阻匝数

15、，漏磁路的磁阻是决定漏磁电流频率，绕阻匝数，漏磁路的磁阻是决定漏磁通大小的主要因素。通大小的主要因素。 比如，槽口宽，在槽口漏磁通小；端部长，则比如，槽口宽，在槽口漏磁通小；端部长，则端部漏磁通大。端部漏磁通大。 转子磁动势转子磁动势 转子切割磁场的速度为转子切割磁场的速度为 1111126060)(sfnnnpnnnpf转子感应电动势和电流的频率转子感应电动势和电流的频率f2应为应为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相对于转子的转速相对于转子的转速为为nsnpsfpfn11226060二、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 而转子本身又

16、以转速而转子本身又以转速n在旋转，因此从定子侧观察时，在旋转，因此从定子侧观察时，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，定子和转子磁动势之间的速度关系，如图如图5-9所示。所示。图图5-10表示三相绕线型转子的转子磁动势的空间相位。表示三相绕线型转子的转子磁动势的空间相位。11)(nnnnnn例题例题 转子反应转子反应 负载时转子磁动势的基波对气隙磁场的影响，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。称为转子反应。 转子反应有两个作用：转子反应有两个作用： 其一是使气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从而引起其一是使气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从

17、而引起定子感应电动势和定子电流发生变化。定子感应电动势和定子电流发生变化。 转子磁动势的另一个作用是，它与主磁场相互作用，产转子磁动势的另一个作用是，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。这两个作生所需要的电磁转矩，以带动轴上的机械负载。这两个作用合在一起，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。换的机理。 负载时的磁动势方程负载时的磁动势方程 负载时，定子磁动势负载时，定子磁动势F1，可以分成，可以分成两部分：一部分是产生主磁通的激磁磁动势两部分：一部分是产生主磁通的激磁磁动势Fm ,另一部分是另一部分是抵消

18、转子磁动势的负载分量抵消转子磁动势的负载分量- F2，即，即 负载时电动机的激磁磁动势是定、转子绕组的合成磁动势。负载时电动机的激磁磁动势是定、转子绕组的合成磁动势。上式亦可以改写为上式亦可以改写为 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于电流的关系。流与激磁电流和转于电流的关系。kIiI.22 kNmkNmkwwi222111 1、转子绕组开路时、转子绕组开路时（I2=0) 定子侧通以三相对称电流定子侧通以三相对称电流 基波旋转磁势基波旋转磁势 在定子绕组在定子绕组中便会产生感应电势，其值为：中便会产生感应电势

19、，其值为： E1= 4.44f1N1KN1m（指相值）（指相值） 每相定子绕组中的电压平衡方程式为每相定子绕组中的电压平衡方程式为(与变压器相似与变压器相似)： i2定、转子电路定、转子电路R1R2i1u1e1e 1e2e 25.3 转子静止时的异步电机转子静止时的异步电机 U1=I0(Z1+Zm) 由于其由于其Zm值比变压器的小，故值比变压器的小，故I0*值比变压器值比变压器的大。转子相电势的大。转子相电势 E2=4.44f2N2KN2 m (f2=f1)电动势变比为：电动势变比为：Ke = E1/E2 = N1KN1/N2KN2 2、转子绕组短路时（使、转子绕组短路时（使 n=0) 1)定

20、转子磁势相对静止定转子磁势相对静止 旋转磁势旋转磁势F1切割转子绕组感应产生切割转子绕组感应产生ea、 eb、 ec ia 、 ib 、 ic 旋转磁势旋转磁势F F2 2 ，其相对转子转速为：，其相对转子转速为： n n2 2= =60f2/p 与与n1同向且相等。同向且相等。 合成磁势：合成磁势： 仍以仍以 n1 的速度旋转。的速度旋转。 2)转子磁势的空间转速与转子转速无关转子磁势的空间转速与转子转速无关 *转子频率：转子频率：设转子转速为设转子转速为 n , 定子磁场切割转子的相对速度为定子磁场切割转子的相对速度为 n = n1-n ; f2 = p n/60 = sf1 *F2的空间

21、转速：的空间转速：F2相对于转子的转速为：相对于转子的转速为： n2= 60f2/p = sn1 = n 所以所以F2的空间转速为：的空间转速为：n + n =n1 由此可知转子磁势由此可知转子磁势的空间转速与转子转速无关的空间转速与转子转速无关,即即F2与与F1总是相对静止。总是相对静止。3. 磁势方程式磁势方程式 由于由于F1与与F2相对静止，它们叠加成励磁磁势：相对静止，它们叠加成励磁磁势： ；若略铁损，则；若略铁损，则F0与旋转磁场与旋转磁场Bm在空间同相位。在空间同相位。 此式说明此式说明F0用以产生旋转磁场，负载分量用以产生旋转磁场，负载分量F1L用以平衡转子磁势。用以平衡转子磁势

22、。由前面分析知：由前面分析知：0.45m1N1KN1I1L/P =0.45m2N2KN2I2/PKi=I2/I1L=m1N1kN1/m2N2KN2 同理不难证明：同理不难证明： 4. 转子绕组的折算转子绕组的折算 与变压器的折算相似，将电机的与变压器的折算相似，将电机的 m2 .N2 . KN2 折算成折算成 m1 . N1 . KN1 。 折算的原则：折算的原则： 1）折算前后磁势不变；）折算前后磁势不变； 2) 折算前后功率不变。折算前后功率不变。 折算的方法：折算的方法：*电流：电流： 0.45m2N2KN2I2/P = 0.45m1N1KN1I2/P I2= I2/Ki*电势：电势：

23、E2=4.44f2N2KN2m E2 = 4.44f1N1KN1m E2 =(N1KN1/N2KN2)E2 = keE2 = E1 *阻抗：阻抗： m2I22R = m1I22R2 R2=kekiR2 同理可得同理可得 X2= keki X2 ; Z2= kekiZ2 *折算前后功率因数不变。折算前后功率因数不变。 tg 2= x2/R2= x2/R2 = tg 2 *折算前后公式形式不变。折算前后公式形式不变。 1、电磁关系、电磁关系 U1 I1 F11 I2s F2Fm Bm mE1E2sE 1I1R12E 2sI2sR2+U2(=0)一、方程式一、方程式5.4 转子旋转时的异步电机极其等

24、效电路转子旋转时的异步电机极其等效电路2. 转子旋转时对转子侧各量的影响转子旋转时对转子侧各量的影响 f2s = f2 = sf1 E2s= 4.44f2sN2KN2 m= sE2 X 2S = 2f2sL 2 = sX 2 I2s = E2s/(R2+jx 2S) (以上均属于以上均属于f2s频率下）频率下）3、基本方程式、基本方程式 定子电压方程定子电压方程 （f1下）下） 转子电压方程转子电压方程 （f2下）下）mNskNsfE221244. 4mNkNfE221244. 422sEEs 22122222sXLsfLfXs)(2222 jsXRIEss注意：注意：转子静止时：转子静止时：

25、 E1=KeE2转子旋转时：转子旋转时： E1KeE2S ； E2s=s E2*磁势方程式磁势方程式 注意：注意： 静止时静止时： I1L =-I2/Ki 旋转时旋转时: : I1L -I2s/Ki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 )( E E )( ssssssmmXIjEEIFFFXIjEEI1222222211111111 转转子子定定子子如何得到等效电路？如何得到等效电路？1. 频率的折算频率的折算 目的：目的：简化分析计算简化分析计算 ，得到定转子连通一体的，得到定转子连通一体的等效电路。等效电路。 折算原则：折算原则：对转子侧

26、进行折算对转子侧进行折算 1）定子侧各量均保持不变；）定子侧各量均保持不变；2）转子侧的功率）转子侧的功率关系不变。关系不变。 f2s 折算后折算后 = f1二、等效电路二、等效电路 从电路上：从电路上：以以f1的电路代替实际的的电路代替实际的f2s电路。电路。 从物理意义上：从物理意义上：相当于把转动的转子转换为等效相当于把转动的转子转换为等效静止的转子。图示如下：静止的转子。图示如下：折算前我们知道：折算前我们知道：I2s=E2s/(R2+jx 2S)若分子分母若分子分母同乘同乘1/s则得：则得：I2s=(E2s/s)/(R2/s)+(jx 2S /s) 请看如下规律：请看如下规律： 折算

27、前折算前 （乘（乘1/s） 折算后折算后 f2s=sf1 f2=f1 E2s=sE2 E2=E2s/s x 2S =s x 2 x 2 = x 2 /s代入上式可得代入上式可得nI2s=E2/(R2/s)+j x 2 =I2n 特别注意上式已转换成频率为特别注意上式已转换成频率为f1下的表达式。下的表达式。 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、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。)(222211jXsReIeEtjt

28、j)(2222 jXsRIE 频率归算频率归算* 等效静止与实际静止转子的差别：等效静止与实际静止转子的差别： 实际静止时转子电阻为实际静止时转子电阻为 R2 等效静止时转子电阻为等效静止时转子电阻为 R2/s= R2 + （1-s）R2/s （1-s）R2/s 的物理意义：的物理意义： 因为电阻消耗的是有功功率，故从功率方面来分析因为电阻消耗的是有功功率，故从功率方面来分析其物理意义。其物理意义。 转子的总功率：转子的总功率：= 转子总有功电功转子总有功电功 + 转子总机功转子总机功 折算前折算前 = m2I2s2R2 + 转子总机功转子总机功 (n 0) 折算后折算后 = m2I22R2

29、/s (n=0，机功为，机功为0) = m2I22R2 + m2I22(1-s)R2/s 根据折算前后功率相等的原则根据折算前后功率相等的原则: 因为因为 I2S=I2 ，所以，所以 (1-s)R2/s 消耗的功率代表消耗的功率代表总机械功率：总机械功率： P =T = m2I22(1-s)R2/s 故称故称 (1-s)R2/s 为转子总机械功率的为转子总机械功率的等效电阻等效电阻。图图5-14表示频率和绕组归算后定、转子的表示频率和绕组归算后定、转子的耦合电路图耦合电路图 。 2222112221112222 EkEkNkNEkIIkNmkNmIeNNiNN 221222IEmIEm2221

30、2222RImRIm 222122222121XImXIm回顾绕组归算：回顾绕组归算： 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，形等效电路，如如图图5-15 所示。所示。 图图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 。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为：为：T型等效电路和相量图型等效电路和相量图由此即可画出由此即可画出形近似等效电路，如图形近似等效电路，如图517所示。所示。 211221211212221111,ZZcZUZZZIIZcZUZZZIIZZZZZUImmmmmmm 021

31、21ZZZZ，近似取)(,212112 IIIZcZUImmmmZZUZcUI111近似等效电路近似等效电路总结：总结： 频率折算频率折算 绕组折算绕组折算 f2s f2=f1 f1 m2.N2.KN2 m2.N2.KN2 m1.N1.KN1F2s F2 F2I2s I2 I2=I2/Ki E2s E2 E2=KeE22s 2 2与变压器的比较：与变压器的比较：变压器数模变压器数模 异步电机数模异步电机数模 由以上数学模型便可得到如书中的由以上数学模型便可得到如书中的“T”型等效电路。型等效电路。与变压器与变压器相比，电机的相比，电机的 Xm(正比于正比于N2）值较小，不能象变压器一样进行简）

32、值较小，不能象变压器一样进行简化，须引用修正系数，方法和例题见书中。化，须引用修正系数，方法和例题见书中。 为了利用等效电路去分析异步电机的运行特性，必为了利用等效电路去分析异步电机的运行特性，必须先知道参数须先知道参数R1、X1 、R2、X2 、Rm、Xm 。和。和变压器一样，对于已制成的异步电机可以通过变压器一样，对于已制成的异步电机可以通过空载空载实验实验和和短路实验短路实验测定其参数。测定其参数。 为何说空转实验即为空载实验？为何说空转实验即为空载实验？ 从等效电路图可知，空载便是相当于转子侧开从等效电路图可知，空载便是相当于转子侧开路，亦即等效消耗机械功率的电阻（路，亦即等效消耗机械

33、功率的电阻（1-s）R2/s很大，很大，即即s很小，很小，n 与与 n1约相等，我们知道空转时，约相等，我们知道空转时，TL=T0，n 约等于约等于n1 。5.5 异步电机的参数测定异步电机的参数测定一、空载试验一、空载试验 空载试验的目的是确定电动机的激磁参数空载试验的目的是确定电动机的激磁参数Rm、Xm，以及铁耗，以及铁耗pFe和机械损耗和机械损耗p. 如图如图)(110UfP )(110UfI 1010,PI1UOl铁耗和机械损耗铁耗和机械损耗 分离分离 如图如图FeP P1210103RIP 21UO 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 ppRImP

34、Fe12101110XXXm2101ImpRFem20210220200RIURZX 二、堵转试验二、堵转试验为何说堵转实验即为短载实验？为何说堵转实验即为短载实验？ 从等效电路图可知，短路便是相当于转子侧等效消耗机械功率的电阻（1-s）R2/s很小，即 =1，n =0 短路特性短路特性kI1kP1kkPI11,1U)(1Uf 短路特性短路特性kkPI11, 参数计算参数计算 堵转堵转(1)时的等效电路如图所示时的等效电路如图所示kkmmkkkkkkkkkjXRXXjRjXRjXjXRZRZXImPRIUZ )()( , ,222211222111111R 1X 2X2R mRmX222222

35、22212222221)()( XXRXXXRXXXXXRXRRRmmmkmmk 绕线式转子有明显的相数和极对数，必须使转子绕线式转子有明显的相数和极对数，必须使转子定子的极对数相等，否则定、转子磁势就不能定子的极对数相等，否则定、转子磁势就不能相对静止，就不能转换平均功率，电机就不能相对静止，就不能转换平均功率，电机就不能工作。工作。笼型转子绕组由导条、端环构成，其相数具有特笼型转子绕组由导条、端环构成，其相数具有特殊性。殊性。 5.6 笼型转子的参数计算笼型转子的参数计算 相数：相数： 当一极对数为当一极对数为 p 的旋转磁场的旋转磁场 B 在气隙在气隙中旋转时，它依次切割转子各导条，在每

36、个导条中旋转时，它依次切割转子各导条，在每个导条中感应相同大小的电势，相邻两导条中感应电势中感应相同大小的电势，相邻两导条中感应电势在时间上相差的电角度为：在时间上相差的电角度为：2 p/Z2 (Z2转子总导转子总导条数），于是构成了一个对称的条数），于是构成了一个对称的Z2电动势系统，电动势系统，该电动势作用在结构对称的笼型绕组上，产生对该电动势作用在结构对称的笼型绕组上，产生对称的称的Z2相电流，所以笼型转子相数：相电流，所以笼型转子相数： m2= Z2 每相只有一根导条，即每相只有一根导条，即 匝，绕组系数为匝，绕组系数为 1。 极对数：极对数： P2=P15.7 感应电动机的功率方程和

37、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 1r1x2r2x21rss1U1I0I2Imrmx1cupFep2cupmecPemP1P 写成方程式时有：写成方程式时有： 12111RImPcu11111cosIUmP mmFeRImP21 sRImIEmPe22212221cos 11CuFeemPPPP感应电动机从电源输人的电功率：感应电动机从电源输人的电功率：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：借助于气隙旋转磁场的作用，从定子通过气隙借助于气隙旋转磁场的作

38、用，从定子通过气隙传送到转子，这部分功率称为电磁功率：传送到转子，这部分功率称为电磁功率： 正常运行时，转差率很小，转于中磁通的变化频率正常运行时，转差率很小，转于中磁通的变化频率很低，通常仅很低，通常仅13Hz，所以，所以转子铁耗一般可略去不转子铁耗一般可略去不计计。因此，从传送到转子的电磁功率中扣除转子铜。因此，从传送到转子的电磁功率中扣除转子铜耗后，可得转换为机械能的总机械功率耗后，可得转换为机械能的总机械功率(即转换功率）即转换功率） 22122221221CuemCuPm I RsPPPm IRs 图图5-18表示相应的功率图。表示相应的功率图。2,(1)CuememPsPPs P2

39、()PPpp用电磁功率表示时，上式亦可改写成用电磁功率表示时，上式亦可改写成 从从P中再扣除转子的机械损耗中再扣除转子的机械损耗p和杂散损耗和杂散损耗p，可得转子轴上输出的机械功率，可得转子轴上输出的机械功率P2，即，即二、转矩方程和电磁转矩二、转矩方程和电磁转矩 转矩方程转矩方程 电磁转矩电磁转矩02202,eeTTTPppPTTT例题例题122222222221coscos212eeewmmwPPTTpm N kICICpm N k5.8 感应电动机的转矩表达式感应电动机的转矩表达式1. 物理表达式物理表达式机械特性的物理表达式：机械特性的物理表达式：112221122212221602

40、)1 (602)1 (602)1 (emPnSRImSnSSRImnSSRImPT22122111111coscos244.4ICIfkNpfmTMw反映了感应电动机的电磁转矩与气隙每极磁通和转子电反映了感应电动机的电磁转矩与气隙每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比的物理本质。流有功分量的乘积成正比的物理本质。 因为因为m 、I2 均较难测定，故此物理表达式一般用作定均较难测定，故此物理表达式一般用作定性分析。性分析。 同时同时 ： Pem = m1E2I2cos2 ；1 =p/1 ； E2=4.44f1N1kN1m 所以：所以： 说明：说明： cos2= cos2s = R2/(R22+s

41、2X 22)0.5 此式说明正常运行时此式说明正常运行时cos2约等于约等于1 , 即输出为有功功率。即输出为有功功率。2、机械特性的参数表达式、机械特性的参数表达式22222222211cosRXSXSRSR22111111cos244. 4IfkNpfmTw22122112)(XXSRRUI根据简化电路得到根据简化电路得到的转子电流的转子电流转子侧功率因数转子侧功率因数 如图如图525所示所示 22122122111cXXsRcRsRUmTe2、参数表达式、参数表达式说明说明：电磁转矩与电源参数电磁转矩与电源参数（、（、f f）、结构参数、结构参数（r r、x x、m m、p p）和运行参

42、数和运行参数（s s）有关。有关。临界转差率临界转差率 sm 和最大电磁转矩和最大电磁转矩Tmax212221212)(xxrxxrrsm)(4)(42112112212111211maxxxfpUmxxrrfpUmT由两个表达式可见由两个表达式可见当其它参数一定时当其它参数一定时：1 1、最大电磁转矩与电源电压平方成正比；、最大电磁转矩与电源电压平方成正比； 临界转差率与电源电压无关临界转差率与电源电压无关。3 3、频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小； 漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小；2 2、转子回路电

43、阻越大，临界转差率越大；、转子回路电阻越大，临界转差率越大； 最大电磁转矩与转子电阻无关最大电磁转矩与转子电阻无关。NmmTTK4、过载能力、过载能力起动转矩起动转矩T Tstst和起动转矩倍数和起动转矩倍数K Kstst22122112211)()(2xxrrfrpUmTst当其它参数一定时当其它参数一定时:1 1、起动转矩与电源电压平方成正比；、起动转矩与电源电压平方成正比；2 2、频率越高，起动转矩越小；、频率越高，起动转矩越小； 漏抗越大，起动转矩越小漏抗越大，起动转矩越小；3 3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。后减。N

44、ststTTK4 4、起动转矩倍数、起动转矩倍数221212)(XXRR起动转矩等于最大转矩。起动转矩等于最大转矩。对于绕线式转子可通过外串电阻达到。对于绕线式转子可通过外串电阻达到。若令若令sm = 1小结：小结：1U21220222)(UsXRsRKT 机械特性和电路参数的关系机械特性和电路参数的关系21UT和电压的关系和电压的关系0Tn0) 0(nnsSTTTUmax1结论：结论： 1.成几何关系成几何关系2.线性区变宽线性区变宽 最大转矩的大小与转子电阻值无关，临界转差最大转矩的大小与转子电阻值无关，临界转差则与转于电阻则与转于电阻 2成正比：成正比： 2增大增大 时，时，增大，增大，

45、但但max保持不变，此时保持不变，此时曲线的最大值将向曲线的最大值将向左偏移左偏移,如图如图5-26所示。所示。和转子电阻的关系和转子电阻的关系 22RR 2 RR2的的 改变改变 ： 鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电机外接鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电机外接电阻不同。电阻不同。 21220222)(UsXRsRKT0ST令：令：得：得：202XRSm0Tn2RmsmsstTstT mmssststTT结论：结论：Tm不变不变Tm2021max21XKUT特性变软，特性变软，转速变化大转速变化大3、实用表达式、实用表达式212221212)(xxrxxrrsm212mRX

46、Xs211max1124()m pUTf xx2212212211cXXsRcRsRUmTse 2211222212emRm pUsTRRfss由上可得如下实用表达式由上可得如下实用表达式ssssTTmmmem2已知电机的额定功率、额定转速、过载能力已知电机的额定功率、额定转速、过载能力NNNnPT9550NTmTT11nnnsNN)1(2TTNmss忽略空载转矩，有忽略空载转矩，有NmmNmNssssTT2将将Tm和和sm代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式 电动机的自适应负载能力电动机的自适应负载能力 电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，电动机的电磁转矩可以随负载的

47、变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。这种能力称为自适应负载能力。常用特常用特性段性段n0nT 自适应负载能力是自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点。（电动机区别于其它动力机械的重要特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。）的负载。）TISnTL2 直至新的平衡。此过程中，直至新的平衡。此过程中， 时，时， 电源提供的功率自动电源提供的功率自动增加。增加。2 I1 I只要不超过最大转矩则只要不超过最大转矩则可自动调节维持运转可自动调节维持运转M 机械特性的软硬机械特性的软硬 硬特性：硬特

48、性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起 动特性好。动特性好。 硬特性硬特性 （R2小）小）软特性软特性（R2大）大）0Tn 不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。重载起动则选软特性电机。转矩转矩- -转速特性转速特性( (机械特性机械特性) ) 把转矩把转矩-转差率曲线转差率曲线T。= f(s)的纵、横坐标对的纵、横坐标对调，井利用调，井利用n=n1(1-s)把转差率转换为

49、对应的转速把转差率转换为对应的转速n,就可以得到转矩就可以得到转矩转速特性转速特性n= f()。如图如图5-27所示所示。 例题例题5.9 感应电动机的工作特性感应电动机的工作特性一、工作特性一、工作特性在额定电压和额定频率下，电动机的转速在额定电压和额定频率下，电动机的转速n、电磁转矩、电磁转矩、定于电流定于电流I1、功率因数、功率因数cos1效率效率与输出功率与输出功率P2的关系的关系曲线曲线n, ，I1, cos1, = f(P2) 称为感应电动机的工作称为感应电动机的工作特性。特性。 图图5-28表示一台表示一台10kW的三相感应电动机的转速特性和定子的三相感应电动机的转速特性和定子电

50、流特性。电流特性。电磁转矩、功率因数和效率特性电磁转矩、功率因数和效率特性如图如图5-29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。二、工作特性的求取二、工作特性的求取 直接负载法直接负载法 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返回 一、起动性能指标：一、起动性能指标： Ist (n=0,s=1) ： 由等效电路可知，约等于由等效

51、电路可知，约等于U1/Zk=（47）IN Tst =m1pU12R2/1(Rk2+Xk2)=（12）TN *要求：要求： Tst尽可能大，尽可能大，Ist尽可能小，但两者互为矛盾尽可能小，但两者互为矛盾(由由Tem的物理表达的物理表达式式 =CM mI2cos2 可知可知)。 *特点：特点： 起动时起动时cos2 =R2/（R22+s2X 22）0.5较小；较小；E1约等于约等于U1/2，尽，尽管管Ist较大，但较大，但Tst不是很大。不是很大。 5. 10 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动0n定子电流定子电流 原因：起动时原因：起动时 ，转子导条切割磁力线速度很大。，转子导条切割磁力

52、线速度很大。转子感应电势转子感应电势转子电流转子电流大电流使电网电压降低大电流使电网电压降低 影响其他负载工作影响其他负载工作频繁起动时造成热量积累频繁起动时造成热量积累 电机过热电机过热影响：影响：中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的4 7 倍。倍。二、三相异步机的起动方法：二、三相异步机的起动方法：（1） 直接起动。十千瓦以下的异步电动机一般直接起动。十千瓦以下的异步电动机一般 采用直接起动。采用直接起动。（2） 降压起动。降压起动。（大电机）（大电机）Y 起动起动自耦降压起动自耦降压起动（3）转子串电阻起动。）转子串电阻起动。（1）小容量电动机轻载起动

53、直接起动）小容量电动机轻载起动直接起动不仅取决于电机本身的大小，不仅取决于电机本身的大小， 还与供电电网容量和供电还与供电电网容量和供电线路长短有关。线路长短有关。 （要求母线降落不大于（要求母线降落不大于10） 电动机容量与供电变压器的比值；电动机容量与供电变压器的比值； 起动是否频繁；起动是否频繁； 供电线路距离；供电线路距离； 同一台变压器其它用户的要求。同一台变压器其它用户的要求。一般一般7.5KW以下电机允许直接起动。以下电机允许直接起动。三相异步电动机的固有机械特性三相异步电动机的固有机械特性sn0nNsNnmsm10TNTstTmaxTemABCD（2）中、大容量电动机轻载起动降

54、压起动）中、大容量电动机轻载起动降压起动此时主要矛盾是电流。此时主要矛盾是电流。 降低电流的方法，降低电流的方法， 主要靠降低电压。主要靠降低电压。2212211)()(XXRRUIQ起动电流：起动电流：降压起动时，降压起动时， 起动电流与定子电压成比例降低。待转速起动电流与定子电压成比例降低。待转速升高到一定值，升高到一定值， 恢复全电压。恢复全电压。 注意：注意： 起动转矩与起动转矩与U2成正比，成正比， 降压起动后，降压起动后， 比起动电比起动电流降低得更厉害。流降低得更厉害。常用的降压起动方法常用的降压起动方法 定子串电阻或电抗降压起动；定子串电阻或电抗降压起动； 用自耦变压器降压起动

55、；用自耦变压器降压起动； Y 起动；起动； 延边三角形起动。延边三角形起动。三相异步电动机降压时的人为机械特性三相异步电动机降压时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmaxTemn1A0.8UN0.64Tst0.64Tmax 定子串电抗起动定子串电抗起动 接线图见书中图示。设定子串电抗后电机绕组上的电接线图见书中图示。设定子串电抗后电机绕组上的电压减为直接启动时的压减为直接启动时的1/k则：则： 电机绕组上的电流减为直接启动时的电机绕组上的电流减为直接启动时的1/k； 电网电流减为直接启动时的电网电流减为直接启动时的1/k； 电机的启动转矩减为直接启动时的电机的启动转矩减为直接启动时的

56、1/k2 。 自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动 接线图见书中图示。设降压后电机绕组上的电压减为直接线图见书中图示。设降压后电机绕组上的电压减为直接启动时的接启动时的1/k 则：则： 电机绕组上的电流减为直接启动时的电机绕组上的电流减为直接启动时的1/k； 电网电流减为直接启动时的电网电流减为直接启动时的1/k2； 电机的启动转矩减为直接启动时的电机的启动转矩减为直接启动时的1/k2 。 正常正常运行运行lUAZBYXClI 起动起动ABCXYZlUlYIZUIllY33ZUIll设：电机每相阻抗为设：电机每相阻抗为z31llYII星星-三角形启动器启动三角形启动器启动AZBYXC正常正常运

57、行运行UPABCXYZ起起动动UPStstYTT31PPUU31（2）Y 起动应注意的问题：起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。 所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合)(2UTSTY 起动起动也时ststTI,。 Y 降压后：降压后： 电机绕组上的电压减为直接启动时的电机绕组上的电压减为直接启动时的1/3 0.5 ； 电机绕组上的电流减为直接启动时的电机绕组上的电流减为直接启动时的1/ 3 0.5 ； 电网电流减为直接启动时的电网电流减为直接启动时的1/3； 电机的启动转矩减为直接启动时的电机

58、的启动转矩减为直接启动时的1/3。 适用于适用于正常运行时定子绕组为三角形接法的电机。正常运行时定子绕组为三角形接法的电机。 直接启动时：直接启动时： U N=UN ； 网流网流=3 0.5 I N 星形接法启动时：星形接法启动时： U N=UN /3 0.5 ；网流；网流=I N/ 3 0.5 IstY/I st = 1/3 ；TstY/T st = 1/3 由此可见，星由此可见，星-三角启动相当于三角启动相当于 k=3 0.5的自耦的自耦变压器，成本低，但只有一个降压档。变压器，成本低，但只有一个降压档。 降压启动适用于容量较大、启动转矩较低的场合。降压启动适用于容量较大、启动转矩较低的场

59、合。 例题见书中。例题见书中。（3）转子串电阻起动）转子串电阻起动定子定子RRR线绕式转子线绕式转子起动时将适当的起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将串入转子绕组中，起动后将R短路。短路。1222202202)(IIRXREIst转子回路串电阻时的机械特性转子回路串电阻时的机械特性r2+Rs3Tst2sm2r2+Rs2Tst1sm1r2+Rs11 0TstTmTems n0n1smr2转子串电阻起动的特点：转子串电阻起动的特点：适于转子为线绕式的电动机起动。适于转子为线绕式的电动机起动。（1） （2）R2选的选的适当适当，转子串电阻既可以降低起动电流，转子串电阻既可以降低起动电流， 又可以

60、增加起动力矩。又可以增加起动力矩。0Tn2R2R22RR ststTRXRURKT222022212三、高性能的笼型转子异步电动机三、高性能的笼型转子异步电动机小容量电动机重载起动小容量电动机重载起动主要矛盾是起动转矩不足。主要矛盾是起动转矩不足。解决的方法：解决的方法： 容量大一号的电动机；容量大一号的电动机； 高起动转矩的电动机。高起动转矩的电动机。 特殊电机获得高起动转矩的原因，特殊电机获得高起动转矩的原因， 主要是转子电阻的影主要是转子电阻的影响。转子参数自动随转速的变化而变化。响。转子参数自动随转速的变化而变化。 如双鼠笼电机和深槽电机。如双鼠笼电机和深槽电机。集肤效应集肤效应 漏磁