电机学-课件2第五章电管

第五章感应电机的稳感应电应用：感应电是在工农业生产中应用最广泛的电机。椐统计在电网的负载中，感应电占总动力负载的85%。例如中小型轧都采用感应电。感应电的优点：结构简单，制造方便，价格低廉，运行可靠，坚固感应电的缺点：从电网吸取滞后的无功电流，使电网功率因数变 应用广泛，需求量大，而且随着电气化自动化的发展它在工农业生产中的重要性日益增5-1．感应电机的结构和运行状 主要由静止的定子和转动的转子两大部分组成，定、1由定子铁心，定子绕组和机座定子铁心是主磁路的一部分，为了减少磁滞损耗和内圆上均匀的冲有一定槽形的槽，用来嵌放定子绕组。根据槽口的大小，槽可分为：半闭口槽，半开定子绕组为三相对称绕组，是电机的电路部分，由机座起支撑和固定作用，中小型电机机座由铸铁铸造而成 半闭 半开 开定子铁定子铁定、转子冲定子冲扇形冲成型线散嵌线2、转由转子铁心、转子绕组和转轴组成转子铁心也是主磁路的一部分，由厚0.5m的硅钢片叠成，外表面成圆柱形。转子绕组分为笼型：一般采用铸铝工艺，结构简单，制造方便，应用广泛绕线型：转子上嵌有三相对称绕组，通过集电环和电刷与外电路接通。这样可以在转子绕组中接入外加电阻，改善起动和调速性能。转轴由圆钢或锻钢加工而成，支撑转子图5-鼠笼型转子铁绕线式转子铁绕线式电机转轴定、转子铁心及气感应电机结构3、气在定、转子之间有一气隙，气隙大小对感应电机的性能有很大的影响。从电机性能考虑气隙越小越好。但受到机械加工的限制。中小二、感应电的工作原当对称三相绕组中通入对称三相电流后，产生旋转磁场，转速为ns,该磁场切割转子导体，导体内会产生电势 N感应电势的方向：由右手定则判定 n由e产生的电流i方向与e相同载流导体在磁场受力，方向由左手定则S

F三、感应电机的运行状关键在于转子导条与旋转磁场之间存在相对运动，而感应电势产生电流，从而产生电磁力。如n=ns，不存在磁场与转子之间的相对运动，在转子导条中就不感应电势，不产生转矩，电机就不能转动，所以n所以我们也称感应电为异步电。定义相对速度（n-ns）与同步速ns之比为转差snsnN S

s

n

n电磁制 发电1、 的运行状 2n>ns(即s<0)；电磁转矩为制动转矩；原 3n<0（即s>1）；电磁转矩为电磁转矩为制动转矩；转子输入机械功率， 四、额定1、额定功率PN:指额定运行时输出的机械功率，W,kW2、额定电压U1N线电压,V3、额定电流I1N:指额定运行状态下，输出额定功率时，定子绕组4、额定频率fN:我国工频规定为50Hz5、额定转速nN:指电机额定运行时的转速，r/min6、型号除此以外，有时还标明功率因数，效率，温升，，接法，绝缘等级等。据。五、感应 的分从定子相数分类：单相、三从转子结构上分笼式（普通笼、深槽鼠笼、双鼠笼绕线按电机的容量分：小型（0.6-100kW）；中型（100-1000kW）大型（1000kW以上）；微电机例5-1：一台50Hz的感应 ，nN=730r/min，空载转速差率0.003，求该机的空载转速及额定负载时的转差率解 则n0=ns(1-s0）=750（1- ns 750730ns ns5-2．三相感应 的磁动势和磁一、空载运行时的磁动势和磁1当定子接入对称三相电压U1后，定子中便流过对称三相电流I10(生一基波合成旋转磁场F1。因空载运行时，nns,所以E2=0,所以空载运行时定子磁动势F1

Fe1)Φm将在定子绕组中感应电势E1相位上E1滞后Φm90度，所以用向量表

Fm XXAnj4.44fN 1W1图5-6感应 的空载磁动势和磁与变压器分析一样，把E1作为电压降处理，引入Zm E1ImZmImRmjXm Xm

f1(kw1

)2

(LN

Xm气隙mXmImU一定m定子电流除产生ΦmΦ1бΦ1б将在定子绕组中感应漏电势E1бI1X1σ2主磁通：由基波旋转磁动势产生的通隙并与定子绕组和转子绕组同时交路径：从定子轭经定子齿，空气隙到转子齿，转子轭，再经过转子齿，空气隙，定子齿回到定子轭，形成闭和磁路。主磁路是一个非线性磁路，受磁路定子三相电流除产生主磁通Φm

端部漏在定子绕组中感应电势的频率P

p

(

P,

nsf2

p

p60

n而基波磁动势在转子绕组中感应电动势f2

pns

f2f2谐波磁场仅影响定子基波电动势，所以把谐波磁场作用漏磁场来处理。

n

出现

I

s如定子旋转磁场的转速为ns，转子转速为nnnsf2

pn

pns

ns

转子 生的磁动势F2相对于转子的转速n2

60f2p

p

而转子本身有以nn

n

F1F2转子反应：负载时感应 的转子磁动势对气隙磁场的影响称为转子12由

Fm

F2可知：定子磁动势F1包含两个分量，一个是产生主磁通磁动势，另一个是抵消转子磁动势作用的分量。因Fm基本不变，当负载增加即F2F1也相应的增加以补偿F2。F1

F2对应的负载后定子电流中除Im外，还有一个补偿转子磁动势的负载分量I1L 的磁动势、电动势方程及等效电

F1 2

N1KW1

ns- N

0.9

W2 0.9

X N1KW1 X 0.9

N2KW2

0.9

N1KW1

m2N2KW2

1

KW,

22

2m2N2KW22

1I

m1N1KW

2K2KW 2K2

WmNK与 mNK

2S2

mm1mm1

Zm

Rm

jXm1 1

X22

X2S

E2

f2

KW

m

KW

mE2当n=0s=1

fN fN

X

2f2

X2

f2

KW

2

KW

2

E2

11

e

e2 2

ej2t

ej2t

jSX2由上图可见，定、转子两个电路只有磁的偶合，没有电的联系。定转子的相数、匝数、绕组系数不同，且两电路频率不同。因此需要归算，把一个电路 12222

JSX2 R22S R2

R2 与 与

1，即由f变为f

2为使f2=f1需由一个静止的转子代替实际旋转的的转子。上式前后比较初看起来，好象是一种数学变换，其实它们具有不同的物理意义。前者代表转子转动时的实际情况，其频率为f2=sf 2为f1，与频率有关的物理量下注都没有s了，只是电阻有R2R2

R2R

1S 1S

1

I21S I2 R

1SR

S22122如在电动运行时 为正

2

如在发电运行时：S

2

211

0.92

N1KW I I

0.92

N2KW2 I

m2N2KW2

1

I2

m1N1KW mN

I

mN

（电流变比 W

WE2

f1

KW 2E2

f1

KW

mE

N1KW1

K

KN1KW

（电压变比NKe NKeW

N2KWmI2RmI2

m2N2 22R 2 W KKR22Km1m2K

W

mI2X mI2 X KK 阻和电抗应乘以KiKe´”，则转子电路电压方程为 2

2

RXRIE1X

X

3U经过频率和绕组的归算，就可将U1两个电路合并为一个电路来研究，

1S T型等效电IR

jX I

2

S

2 在给定参数和电源电压的情况下，若已知S，则电机的转速，电流，转矩， I

jX ZZ ZZm

ZI

Zm

Zm

1

Z

ZZ

Z

ZZZ

2

ZZm

Zm m

Z

Z

X

Z

C：修正系数

1Z

1X

C)1

m

XR1R

X

滞后

I

1S

E UXRUX223、 滞后22

2的大小

2jXS

决定 4

T型等效电2 m5m

m

2m 滞后2m

一电角

1 1

jIjI

2 从相量图可见，定子电流总是滞后定子电压的，这是由于磁化电流和定、转反映感应电机的运行情况，下面用T型等效电路分析感应电的典型运行情

nns.s

.

1SR

U1与

的相位差近90

n

s大约为3%—5%

S为

的20倍-30起动n

S

0

1

1 41“T”型等效电路是一个复联电路，计算和分析都比较复杂。因此在实际应用1

ZmZm

22Z

c2Z12

1--2

1 1U1

1- Sm m

Zm22

m2m2

122

“Γ”11

的功率方程及转矩方感应电机从电源输入的电功率P1，扣除定子绕组的铜损耗pcu1、定子铁损耗pFe，就是电磁功率Pe。电磁功率Pe,除转子绕组的铜损耗pcu2（转子铁耗忽略不计）得到总机械功率

p和杂散损

p即为电机轴上输出的功率须加说明：当S较大时，应考虑转子铁损耗。p与气隙大小及一些制造工

pP2

P

P+P

pcu1

P1m1U1I1P

PP+PRI2R2pcu1PP+PRI2R2

m1Im P

EIcos

mI

2

1

tg

X

tg

XRS RS SS

I1

P

I

mI

I

1 mI2R

1

1 Pp 上组方程表明，电磁功率Pe中，一部分变为转子铜耗sPe一部分转换为机械功率(1-s)Pe,sPe为转差功率。nssPe

pcu2P2

由功率方程式P

P两边同除即0TeT20STPS

P2，输

mEI

mEI 21T 2 21

2 2

PmN I

CI21S 2f/21S

2f/

W m

m E24.44f1

KW

2 f12

KW

CT

1

2

KW

CTΦmI2cos2与直流机电直流机

CTΦIa相比可知：在感应电机只有电流的有功分量I2cos2产生电磁转矩。TeCTΦmI2cos2为电磁转的物理表达物。它描述了转子导体中电流的电流的有功分量在磁场中产生转转

380V

2.43Ω,

1.12Ω,X

4.4Ω,

7.0Ω,Xm

90Ω;

22设

(试探值

jX

j4.435j4.435.287.160(Zm

jX

7j90Z2与Zm并联

35.287.160

27.53

Z2

35j4.47 Z Z

3m 3m

11.47

338011.47

ZmZm

3I2R311.4721.33 3I2 33.91727 3I2R310.0221.12 P2P1p11389 ppcu1pFepcu2pΩpΔ524.9322.2337.3

额定负载时转

s

032)2eP3I2e

ΩS

2π

Te

67.1N

XR1R

X

I

2jX

2

2

I

m2mm11m2mm12121

X

E1

PP

P+P

T型等效电 -

c

1- SPe

mI

21 21

I2

Γ 感应 有 激磁参 Zm,

,Z,R,X

RXR1

XI

1S

E X1作空载实验时,先将电机空载运行30分钟左右，使其机械消耗达到稳定值。然后调节电压从(1.1-1.2)U1N降到0.3U1N左右,记录7-9组数据,记

f(U1

I10

R22R2空载时，输入功

1

pFeP

m 2R 11 11

1

U

p

U

S

0 0

R0

jXR0

X0

Xm

m1mIm1X0

2R2Z00XmX0Z001短路实验也称堵转实验，即在n=0,S=1的情况下进行。堵转时T

1S

0，堵转时因电流过大，引起电机发热，所以降低电源电压进行。一般从0.4U1N开始，逐点降低(从0.9U1N做起)记录U1、I1K、P1KI1K2堵转时

1s

RK

2K 2K2K

XK 1

0

jXm(R2

1R1

jXmR2

jX

2 2

jX2 2

R

X

R 22 22

R

X

R2X2X

m2 m2

X X0XmX

Xm

X

Xm

X0

R 2X0 2X0

R2 2XXXX 0 R22XXXX 0X X

R2 2XK2

X

X1

R

X1X

两端同乘R

220 X 2202K 2K

X

2X

X

X200X0

X0

X

22222X2X022222X2222

2X1X2

X0

X X2330X02330222

X20XX

2X1X

X212X02222

X20X

X100X 00

2R22X

X2X0

X

,

XR2 X

R

X

2X200 2X200

R2

R2 2KR2K

R1

X22X0XK22XX1X

2X0

X0XX

X0 ，由Xm很大，即XmZ2，可将激磁支去掉，RKR1XK

X

X

XK2注意

X1,X

处数据外 （用该数据计算工作特性U1

处数 （用该数据计算起动特性

处数据，（用该数据计算最大转矩感应 感应 的输出主要表现在转矩和转速上，即电机发出多大的转矩以么转速带动负载。在电源电压额定情况下电磁转矩与转差率之间的关系Te

f

，就称为转矩-

TeS22

-

C

Pe

I

1- S

R2RC2

CX eTe

S U2U RRRRs C2

CX S 出不同的S，即可计算出一组Te数据，从而绘制出Te-S曲线。由

-S

0 ,S

R21X CX Sm带入Te-S U R2R2

s2CR

注：式中正号对应 状态，负号对应发电机状1 1

1

且

2S

1

1、当参数及电源频率不变时 U2

无关

SmR2

Tmax通

将S1n

代入Te-S方程，得感应 的起动转 U

RCR2 CX

（既在起动时产生最大转矩

R

1

T T N

nfTe

eTee

nfT

nf

T0

f(TZ)

nf(Te

22

TeT2

n

TeCTmI2

2

Te

R2sRC2 CX S ，其参数为

6.7Ω，X

解：

c

Xm

smm

1.036R2R2( cX14.472(6.71.036

R2( R2( cX1

21.036[4.47

4.472(6.71.0369.85)2(RR)2((RR)2(12cXUUXm380m

U

(4.471.036(4.471.0363.18)2(6.71.036Tst

s(R1cR2

(

cX23802

(4.471.0363.18)2(6.71.036

0 0

R0

jX

R0

X0

Xm

Rm

mI

X0

XmX

Uk、Ik、

ZZ2R200

RK

2K 2K2K

XK 1X0、Xk、

X二、转矩-U

Te

R2sRC2 CX S

U

R21R21X 2 X2 21

s2CR 、感应 的工作特感应 的工作特性：当

fN,U1

nI,cos,T,

f(P2 标志感应 工作性能的主要指标有

,cos

TmaxTN转速特U1U1N,

fNn

因n=ns(1-S)所以可讨论转差率与输出功率的关系，理想空载时，I2=0，S=0，n=ns；空载时，空载阻转T0矩很小，转速接近同步速；随着负载增P2↑→T2↑→I2↑→S↑→n↓。2、电流特U1U1N,

fN

I1

2 2

2m1负载时，P2I2↑→I1↑2m1流I1几乎随P23、功率因U1U1N,

f

f(P21由于感应电机等值电路求得的总阻抗是电感性的，所以它对电源来说相当于一个感性负载，因而其功率因数总是滞后的，它必须从电网吸取感性无1P2=0时I1=Im主要用于无功激磁。cos1很低。P2

1

x 从空载到满载范围内，S

tg

2 2

2不变，在此范围内 基本是上升的。当负载继续增大，S较大 2cos14、转矩特U1U1N,

fNTe

Te

因此可认为T0基本不变。所以可近似5、效率特U f f(P

1p

pcu1

pcu2

pFe

P2=0,η=0；当P2开始增加时，可变损耗增加较慢，η上升很快；当负载继

pCU1

pCU

p时，η最大；负载再继续加大时可变损耗增加很快，η反而下降。最大效率一般发生在（0.7~1.1）PN注：因感应电的效率和功率因数都在额定负载附近达到最大值。因此选用电时应使电的额定功率与负载匹配。使电经济、合理和

再做负载实验U

U1N,

fN

PeP1

pcu1

m1 1

RI2TeRI2SP2Pe

2p0.5

1I

1N

mU 1n、I1、T2cos1、

f(P2nf(Te如由于条件所限，不能做负载实验，可利用等效电路计算工作特性给出电机的参数和机械损耗，对于不同的转差率，分别求出n,I1 感应 的起起动转矩大，起动电流小，另外起动设备应尽量简单，便于操作和维一、笼型感应电的起动方法1、直接起1起动时将额定电压直接加到定子绕组，显然这时起动电流较大 R0) KI

IstIN

Tst 优点缺点 一般规定感应电 的功率小于7.5kW时允许直接起动。对于大于7.5kWKIst1

电源总容量I4 I4N

容量如不能满足上式，必须采用降压起动，以便将ISt2、降压起用降低电端电压的方法来减少起动电流。因起动转矩与电压的平方成星-三角电机正常运行时定子绕组D接，起动时定子绕组YD

ISTYUUUISTD 3UISTY

,TSTY 缺点

TSTY

13自耦变利用自耦变压器降低加到 定子绕组的电压以减少起动电流由变压器原理UXN2 Ka

KISTIST

UX Ka1IST1KISTK

ISTKI

N2

→→→

STa

Ka

STK2U1aT

IK2Ka

K2Ka为满足不同负载要求，自耦变压器的副绕组一般有三个抽头，分别为电源电压的40%，60%，和80%（或55%，64%，73%）供选择使缺点：体积大，价格高， 检修二、绕线型感应电的起绕线型感应电转子中可串入外加电阻，不仅减小起动电流，而且增加1、转子串接电阻起

R'2( 2 XR 22 R22

R

缺点：电机结构较复杂，价格高优点：减小起动电流，增大了起动转矩，起动电路简单感应 的调

n

s

60p

改变绕组极对数调速方 改变电源频率改变转差率一、变极1 缺点：C4A4因在极数2P=2A、B、C的相位关系为0°、120°、240°2×0°=0°、2×120°=240°、2×240°=480°360二、变频性能（无级调速，机械特性有足够的硬度）nnn1s60p1sU1E14.44f1N1KW1为了使

即U与f成比例的变化f f U

1m U 1 X11 X 2 X11 mpU U K 1f182f L1f1K

LU

U2 f

1Nf

K 1f

1

1 若要实现恒功率调速，PT T

T T

T

则

T

即efe e fe1U U

U又T

K

K 1 T K

TK f

f2

1T U2f2

即e 11 U1 T若保证在变化前后电机具有同样的过载能力即KT

KT 2 2 U1f1 则：

U1

f1 U f1 f1U1

即 1定值由此可见在恒功率调速时，如能保 常值U

1常值变频调速具有优异的性能，调速范围大，平滑变频时，U1/f1按不同规 M三、改变转差率的调转子串电阻调速（仅适用绕线式感应电机串入R

CTmI2cos2

T2ns

T2运行于s2点转速计算：

S2

n2(1

pcu

串级串级调速的特点在于既可调速，又可获得较高的效

I2

R2SR2S222

E R2S2R2S222

ns

I

转子串电阻调速都是改变S的调速方法，存在转差功率损耗大、效率低SPe通过变换装置加以利用，以提高设备效率。 一、结构单相感应电的定子铁心与普通三相感应电相同。定子上通常装工作绕组与起动绕组在空间互转子与三相感应电机相同，为

二、工作原理和等效电1、工作原f1F1coss1Fcost1Fcost 对于正向旋转磁场产生的电磁转矩和三相感应 相

Tef

fS

Teb

fSb和

fS一样，不过Teb为负值Sb=0~1时，S=2-

由曲线可以看出单相感应 有两个特电机不转时无起动转矩,n0S

1,Te0若用外力拖动电机转动，n0,Te

—210s反向转矩n211当n0时,SfSbn211

SfSb，转子的负序电流大序电流，由于定转子磁动势基本上是反相的，所以合成正序磁场大于负序磁场，即 椭圆形旋转磁场2、等效电 的分析方法，可得出 由于存在反两个磁场，它的功率因数、效率和过载能力均比同容量三相感应E、

XX

RR RR 2

1Sb

1R 2Rb别在定子绕组中感应的电势，由

RXRXIIEE

0

0

05X

051s分别等于脉振磁动势的1/2，故 U对应的正转和反转电路中激磁阻抗各为0.5Zm转子电阻和漏抗的U归算值各 ，转5.5X

0E0E

05X

051s2s R0.52和0.5 2等效电路可知n

时，s

0.51sR

0.51

R均为

,2 2 2

1E;n

的作用互不相同n0时

0.5s

2

E

RRXI005XE0051ssUE00 1200随着n的上升，正向电磁转矩大于反向电磁转矩，使合成转矩为正值，如Te=f(s)曲线所示，正常运行时s很小，反向电磁转矩很小，合成磁

RIXRIXEE

0

0

05X

051s1I s1

ZfZbUU1I2' 1I2

Z

'

Zb11

E0E

0

1s2

j0.5X

2

j0.5X

0

05X

R1

jX1

j0.5X Zf

m

2

j0.5X

2

m2

j0.5X

始终 2 2

b

2

j0.5X 2

12s12

2S

I

2

合成电