感应电机的稳态分析

1、第5章 感应电机的稳态分析5.1 感应电机的结构和运行状态5.2 三相感应电动机的磁势和磁场5.3三相感应电动机的电压方程和等效电路5.4三相感应电动机的功率方程和转矩方程5.6 三相感应电动机的参数的测定5.7感应电动机的转矩转差率曲线5.8感应电动机的工作特性.5.9感应电动机的起动、深槽和双笼电动机 三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。5.10感应电动机的调速5.11单相感应电动机第5章 感应电机的稳态分析本章重点：1.通过学习电机的基本结构，掌握电机主要的两大类：笼型和

2、绕线转子型，它们定子结构相同，转子结构不同，性能有些差异。2.掌握转差率S=(nsn)/ns的计算方法，熟练运用S与异步电机三种运行状态的关系。3.通过学习转子静止时到转子旋转时，异步电机运行物理过程，从电磁本质上掌握异步电机的方程式。4.掌握定，转子之间的磁势应始终相对静止的本质是什么？为什么归算？归算的根据是什么，通过方程式掌握电机的等效 5.掌握异步电机参数的测定。第5章 感应电机的稳态分析本章重点：6.了解笼型异步电机的转子匝数，相数和极数。7.掌握感应电动机的转速功率关系，功率关系式。转矩平衡关系式。8.掌握感应电动机的机械特性。9.掌握感应电动机的起动方法和工作原理，了解深槽式和双

3、笼型电动机的工作原理。10.由转速公式掌握可改变什么参数来调速。掌握几种常用的方法及调速过程中各自的特点。11.了解单相异步电机的基本工作原理及启动方法。第5章 感应电机的稳态分析5.1 感应电机的结构和运行状态用途用途：异步电机主要用作电动机，应用最广泛最广泛的一种电动机，厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。类型类型：异步电机主要分为：鼠笼式鼠笼式异步电动机，绕线式绕线式异步电动机和各种控制用电动机控制用电动机三大类。第5章 感应电机的稳态分析5.1 感应电机的结构和运行状态5.1.1感应电机的基本结构一、定子部分：1、定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导

4、磁部分。第5章 感应电机的稳态分析5.1.1感应电机的基本结构一、定子部分：1、定子铁心：叠片结构叠片结构，定子冲片定子冲片（圆形冲片圆形冲片，扇形冲片扇形冲片），），径向通风沟（风道）径向通风沟（风道），槽槽，槽型槽型。第5章 感应电机的稳态分析5.1 感应电机的结构和运行状态一、定子部分：2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。成型线圈，散嵌线圈，单层，双层，绕组联结方法。第5章 感应电机的稳态分析5.1.1感应电机的基本结构一、定子部分：3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。其他部件：机座，端盖，风罩，铭牌等。第5章 感应电机的稳态分析5.1.1感应电机的基本结构一

5、、定子部分：3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。其他部件：机座，端盖，风罩，铭牌等。第5章 感应电机的稳态分析5.1.1感应电机的基本结构二、转子部分：1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。第5章 感应电机的稳态分析5.1.1感应电机的基本结构二、转子部分：2、转子绕组： 1）笼型转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。第5章 感应电机的稳态分析5.1.1感应电机的基本结构二、转子部分：其他部件：轴，轴承，风扇等第5章 感应电机的稳态分析5.1.1感应电机的基本结构三、气隙：异步电动

6、机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。第5章 感应电机的稳态分析5.1.2三相异步电动机的基本工作原理一、基本工作原理1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。U2U1W2V1W1V21nn5.1 感应电机的结构和运行状态第5章 感应电机的稳态分析5.1.2三相异步电动机的基本工作原理二、转差率:)(111snnnnn为转差率的比值称和同步转速之差转子转速同步电机的转速11nnns转差率是异步电机的一个基本物理量,它反映

7、电机的各种运行情况.转子未转动时，; 1,0sn电机理想空载时，.0,1snn作为电动机，转速在10n范围内变化，转差率在01范围内变。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：1)1 (nsn正常运行时，转差率一般在0.010.06之间，即电机转速接近同步速。5.1 感应电机的结构和运行状态第5章 感应电机的稳态分析5.1.2三相异步电动机的基本工作原理三、异步电机的三种运行状态根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态机械能转变为电能电能和机械能变成内能电能转变为机械能能量关系制动制动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快

8、速旋转外力使电机沿磁场反方向旋转定子绕组接对称电源实现发电机电磁制动电动机状态10nn0n1nn 10 s1s0s5.1 感应电机的结构和运行状态第5章 感应电机的稳态分析5.1.3 型号和额定值一、型号例:5.1 感应电机的结构和运行状态第5章 感应电机的稳态分析5.1.3 型号和额定值额定值关系有：NNNNNIUPcos3)(VkVUN或额定电压额定运行状态时加在定子绕组上的线电压.)(kWPN额定功率额定条件下转轴上输出的机械功率。)(AIN额定电流在额定运行状态下流入定子绕组的线电流.min)/(rnN额定转速额定运行时电动机的转速.NNf额定效率额定频率额定功率因数Ncos二、额定值

9、5.1 感应电机的结构和运行状态第5章 感应电机的稳态分析5.2.1 空载运行时的电磁关系5.2三相感应电动机的磁势和磁场一、主、漏磁通的分布 为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的磁通分为主磁通和漏磁通。 主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心气隙转子铁心气隙定子铁心。主磁通起传递能量的作用。基波旋转磁场产生的经过气隙，同时匝链定子和转子绕组的磁通叫主磁通。 转子绕组切割主磁通并在产生感应电流； 感应的转子电流在磁场中受到电磁力的作用而形成驱动转矩，使电机旋转。第5章 感应电机的稳态分析5.2.1 空载运行时的电磁关系一、主、漏磁通的分布 除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，

10、它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。第5章 感应电机的稳态分析一、主、漏磁通的分布槽漏磁通：由槽的一壁横越至槽的另一壁的漏磁通。（看图） 端部漏磁通：匝联绕组端部的漏磁通。（看图） 谐波漏磁通：谐波磁势会产生谐波磁通。电机正常运转时，谐波磁通不会产生有用的转矩。尽管谐波磁通也能同时匝链定子和转子绕组，也将其归入漏磁通。 漏电抗：漏磁通在定子绕组中会感应漏磁电势，该电势用漏抗压降表示： 其中 称为漏电抗。 转子绕组通过电流时，也会有漏磁通。对应的漏抗电势： 第5章 感应电机的稳态分析影响漏电抗电小的因素漏电抗对电机的性能有很大的影响。 电抗公式： 电流频率，绕阻匝数，

11、漏磁路的磁阻是决定漏磁通大小的主要因素。 比如，槽口宽在槽口漏磁通小；端部长，则端部漏磁通大。 第5章 感应电机的稳态分析5.2.1 空载运行时的电磁关系二、空载电流和空载磁动势 异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。.,:,0000arIII损耗的有功分量另一个是用来供给铁心的无功分量主磁通一是用来产生由两部分组成异步电动机空载电流与变压器一样:,00基波幅值为载磁动势产生的旋转磁动势为空三相空载电流FI011109 . 02IpkNmFw.000arIII:即. 000,22F，I，E，、于是乎为零转子之间相对速度几定接近同步速转子转速很高空载运行时.,00000rarIIIII即基

12、本为一无功性质电流所以由于5.2三相感应电动机的磁势和磁场第5章 感应电机的稳态分析5.2.1 空载运行时的电磁关系三、电磁关系10RI)(1三相系统U)(0三相系统I)(0三相合成F1E011E02E四、感应电动势与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势分别为：0111144. 4wkNfjE101XI jE可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。5.2三相感应电动机的磁势和磁场第5章 感应电机的稳态分析五、空载运行时的电压平衡方程与等效电路与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：0111010110111IZEXI jRIERIEEU同样也有：

13、mmmZIjXRIE001)(根据上两式，可以作出空载时等效电路。5.2三相感应电动机的磁势和磁场第5章 感应电机的稳态分析 尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场.4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大.; 0, 0, 0, 0)22222IEIE变压器异步电动机空载时%.10%2%,30%20%,)30为而变压器的仅为异步电动机由于存在气隙I5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1.5.2三相感应电动机的磁势和磁场五、空载运行时的电压平衡方程

14、与等效电路第5章 感应电机的稳态分析5.2.2 负载运行时的电磁关系11IR11E22IR22E)(1三相系统U)(1三相系统I)(2多相系统I1F2F0F01EsE25.2三相感应电动机的磁势和磁场第5章 感应电机的稳态分析5.2.3 转子绕组各电磁量一、转子电动势的频率（P149例题5-2）感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度,故转子电动势的频率为:1111126060)(sfpnnnnnnpf转子不转时,., 1, 012ffsn理想空载时,. 0, 0,21fsnn二、转子绕组的感应电动势转子旋转时的感应电动势:0222244. 4wskNfE转子不转时的感应电动势:0221

15、244. 4wkNfE二者关系为:22sEEs5.2三相感应电动机的磁势和磁场第5章 感应电机的稳态分析5.2.3 转子绕组各电磁量三、转子绕组的漏阻抗电抗与频率正比于,转子旋转时转子漏电抗:2222LfXs二者关系:.22sXXs转子绕组的漏阻抗:.22222jsXRjXRZss四、转子绕组的电流转子绕组为闭合绕组,则转子电流为:222222222jsXREsjXREZEIssss转子不转时转子漏电抗:2122LfX当转速降低时,转差率增大,转子电流也增大.5.2三相感应电动机的磁势和磁场第5章 感应电机的稳态分析5.2.3 转子绕组各电磁量五、转子绕组的功率因数22222222222)(c

16、ossXRRXRRs转子功率因数与转差率有关,当转差率增大时,转子功率因数则减小.六、转子旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势.222229 .02IpkNmFw1)幅值2)转向转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同,转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致.112)(nnnnnn转子旋转磁动势相对定子的速度为 可见,无论转子转速怎样变化,定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。5.2三相感应电动机的磁势和磁场第5章 感应电机的稳态分析5.2.4 磁动势平衡方程021FFF磁动势的平衡方程为：可以改写为：LFFFFF10201)(.,;,:2

17、100主磁通的影响用来抵消转子磁动势对即它用平衡转子磁动势另一个是负载分量产生气隙磁通它用来一个是励磁磁动势个分量定子旋转磁动势包括两表明FFFL写成磁动势幅值公式：0111222211119 . 029 . 029 . 02IpkNmIpkNmIpkNmwww:222111有两边除以电流变比wwikNmkNmk 021IkIIi5.2三相感应电动机的磁势和磁场第5章 感应电机的稳态分析5.2.5 电动势平衡方程电动势的平衡方程为：根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：111111111ZIEXI jRIEUssssZIEXI jRIE222222220:21ekEE之比称为电动

18、势比与转子不转时电动势其中221121wwekNkNEEk5.2三相感应电动机的磁势和磁场第5章 感应电机的稳态分析5.3三相异步电动机的等效电路和相量图5.3.1电势平衡方程式1、定子绕组电势平衡方程式定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压降）包括： 主电势（感应电势）： 定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。 定子绕组感应电势的有效值： 漏磁电势（漏抗压降） 定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。 定子电势平衡方程式： 漏抗压降： 电阻压降： (画定子一相的等效电路图)1111144. 4wkNfE111XI jE1

19、1IR第5章 感应电机的稳态分析5.3三相异步电动机的等效电路和相量图5.3.1电势平衡方程式2、转子绕组的电势及电流（1）转子绕组的感应电势 A.转子绕组切割主磁通的转速 主磁通以同步速度旋转 转子以转速n旋转 转子绕组导体切割主磁通的相对转速为B.转子绕组中感应电势的频率： 公式： 结论：由于s很小，转子感应电势频率很低。0.5-3Hz 11snnn第5章 感应电机的稳态分析5.3三相异步电动机的等效电路和相量图5.3.1电势平衡方程式2、转子绕组的电势及电流（1）转子绕组的感应电势 C.转子感应电势的有效值 公式： 感应电势与转差率正比。 对绕线式异步电机，转子绕组每相串联匝数，相数计算

20、方法同定子绕组的计算。 对笼型转子来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，每个导条即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串联匝数为半匝即1/2。 注意转子不动时（s=1)时的感应电势与转子旋转是感应电势的关系。 第5章 感应电机的稳态分析5.3.1电势平衡方程式2、转子绕组的电势及电流（2）转子绕组的阻抗 由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。 漏抗公式：漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。 考虑到转子绕组的相电阻后： （3）转子绕组中的电流 转子绕组短路，转子电压为0，感应电势全部加在转子阻抗上 转子回路方程： 转子电流： ， 讨论：转子电流随s的变

21、化。(看图) 第5章 感应电机的稳态分析(画转子一相的等效电路图)第5章 感应电机的稳态分析5.3.2 等效电路5.3三相异步电动机的等效电路和相量图 频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。一、频率折算 在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。转子回路电流22222222222221RssjXREjsXREsjXREZEIssss.,1,22不变同时保持转子磁动势为定子频率就可以将转子频率折算电阻在转子回路中串联一个用一个不转的转子并且可见FRss第5章 感应电机的稳态分析

22、5.3.2等效电路5.3三相异步电动机的等效电路和相量图一、频率折算。Rss，。阻总的机械功率的等效电即附加电阻是模拟总的机械功率和机械损耗与机械功率之该电阻消耗的功率等效变原则根据能量守恒和功率不电阻附加但电路中多了一个电阻率输出没有机械损耗和机械功子静止转频率折算后出机械损耗和机械功率输实际的旋转转子轴上有,1,2:, 1,2路的端电压上的压降看成是转子回其电阻负载看成是异步电动机的可以把从等效电路角度Rss22222)(IjXREUs第5章 感应电机的稳态分析一、频率折算第5章 感应电机的稳态分析一、频率折算进一步讨论： 不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转

23、速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。 静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率。 静止的转子中多了一个附加电阻，而电流有没有变，所以多了一个电阻功率。 分析证明：附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。第5章 感应电机的稳态分析5.3.2等效电路5.3三相异步电动机的等效电路和相量图二、绕组折算。k、Nmk、Nmww同本相折算的方法与变压器基组的实际转子绕及取代等效转子及绕组相同的定子绕组折算就是用一个和222111122EEkEeikII222222XkkXRkkReiei5.3.2 等效电路三、绕组折算后的基本方程111111XI jRIEU2

24、22222XI jRIEU021III12EE01)(IjXREmm2221RssIU第5章 感应电机的稳态分析5.3.2 等效电路5.3三相异步电动机的等效电路和相量图四、T型等效电路和简化等效电路由基本方程可以作出等效电路:T型等效电路第5章 感应电机的稳态分析5.3.2 等效电路5.3三相异步电动机的等效电路和相量图四、T型等效电路和简化等效电路由基本方程可以作出等效电路:T型等效电路简化等效电路第5章 感应电机的稳态分析从等效电路分析可知:;, 0,1, 0,)2220电机相当于开路总机械功率近似为零理想空载时IRsssnn;, 01, 1, 0,) 12短路状态电机处于总机械功率为零电机不转时Rsssn5.3.2 等效电路5.3三相异步电动机的等效电路和相量图二、T型等效电路和简化等效电路3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；4)附加电阻不能用电感或电容来代替。5)在等效电路中负载的变化是用转差率s来体现的第5章 感应电机的稳态分析5.3.4 相量图5.3三相异步电动机的等效电路和相量图 按照基本方程和等效电路可以作出异步电动机的相量图。，、。UI后的因数总是滞所以异步电动机的功率率定的感性无功功电机需要从