电机与电力拖动基础教程第5章 4 .ppt

1、宁波工程学院,电机原理与拖动基础,下 页,主讲人：包 蕾,第5章,第5章 三相异步电动机,下 页,上 页,第5章,本章教学基本要求,熟悉鼠笼式和绕线式异步电动机的基本构造及主要结构部件的作用，掌握三相异步电动机的基本工作原理。 了解交流电机绕组的构成原则及其基本知识，了解短距系数、分布系数及绕组系数的物理意义，掌握三相交流绕组的类别及常用三相绕组的连接规律和特点。 了解单相绕组磁动势性质，理解三相绕组磁动势性质及特点，理解交流电机绕组的感应电势公式，掌握感应电势的计算。 了解异步电动机空载运行的物理过程，了解异步电动机负载运行的物理过程，了解三相异步电动机的工作特性。 理解异步电动机空载运行时

2、的基本方程式、等值电路；理解转差率对转子回路各物理量的影响；理解异步电动机负载运行时的基本方程式、等值电路，理解异步电动机负载运行时的功率，转矩平衡关系；理解电磁转矩表达式及其物理意义。掌握异步电动机功率、转矩计算；掌握三相异步电动机的参数测定方法。,下 页,上 页,返 回,第5章,本章教学重点和难点,重点： 1.旋转磁场，三相异步电动机的基本工作原理； 2.交流电机绕组构成，感应电势计算，三相绕组磁动势性质及特点 ； 3. 转差率对转子回路各物理量的影响，等值电路，功率、转矩计算； 4.三相异步电动机参数测定； 难点：旋转磁场的产生原理，三相绕组的连接规律，三相绕组磁动势性质及特点 ，感应电

3、势、功率及转矩计算。,下 页,上 页,返 回,第5章,本次课程内容、重点和难点,内容： 电动机功率与转矩平衡关系、异步电动机参数测定、 异步电动机工作特性 重点： 掌握电动机功率与转矩平衡方程式，电磁转矩的物理 表达式，异步电动机参数测定方法 难点： 能量传递与功率平衡,下 页,上 页,返 回,第5章,异步电动机运行时，把输入到定子绕组中的电功率转化为转子轴上输出的机械功率。电机在实现机电能量的转换过程中，必然会产生各种损耗。根据能量守恒定律，输出功率应等于输入功率减去总损耗。,5.8 三相异步电动机的功率与转矩,下 页,上 页,返 回,1.能量传递与功率关系,电源输入的电功率为：,式中U1、

4、I1定子绕组的相电压、相电流； cosj1异步电动机的功率因数。,定子铁损,定子铜损,第5章,定义：输入电功率扣除定子铜耗和铁耗后，所余功率为由气隙旋转磁场通过电磁感应传递到转子的电磁功率,下 页,上 页,返 回,第5章,分析：,从定子传递到转子的电 磁功率PM中，一部分消耗在 转子电阻上，用pCu2表示，剩 下的就是全部转换成总机械 功率，用Pm表示，而总机械 功率中扣除电动机因旋转而 产生的机械摩擦损耗pm以及 成因较复杂的附加损耗ps之 后，剩下的就是电动机轴上 输出的机械功率，用P2表示。,电机转轴上总的机械功率：,转子绕组中的铜损耗为：,输出功率：,下 页,上 页,返 回,第5章,重

5、要关系式,可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。,下 页,上 页,返 回,第5章,功率平衡方程式,下 页,上 页,返 回,第5章,附加损耗,ps为附加损耗，一般很难用公式计 算，通常根据经验估算，对于大型异步 电动机约为0.5%PN；对于中、小型异步 电动机约为(13)%PN。值得一提的是， 由于转子铁芯中的磁通变化频率f2在电 动机额定运行时很低，转子铁损很小， 故可忽略不计。,下 页,上 页,返 回,第5章,功率流程图,异步机功率流程图,下 页,上 页,返

6、回,第5章,在等效电路上表示功率和损耗：,下 页,上 页,返 回,第5章,三相异步电动机的效率,异步电动机的总损耗：,下 页,上 页,返 回,第5章,2. 转矩平衡方程式,两边同时除以机械角速度,转矩平衡方程式为:,T2=P2/为电动机轴上输出转矩； T0=(pm+ps)/为电动机的空载转矩； T=Pm/W为旋转主磁场与转子感应电流相互作用产生的电磁转矩； 转矩的单位为：牛米（Nm）。,下 页,上 页,返 回,第5章,电磁转矩,电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械角速度。,各转矩表达式,为同步机械角速度。,下 页,上 页,返 回,

7、第5章,式中 ： 是一常数，叫转矩系数,电磁转矩的物理表达式,电磁转矩是转子电流的有功分量与气隙主磁场相互作用产生的。若电源电压不变，每极磁通为一定值，电磁转矩大小与转子电流的有功分量成正比。电磁转矩的物理表达式可用来定性地分析异步电动机的工作特点。,下 页,上 页,返 回,第5章,输出转矩和空载转矩,下 页,上 页,返 回,第5章,补充：鼠笼式转子的极数和相数(自学),(1)鼠笼式转子的极数 设气隙磁场以转速n1旋转，转子转速为n，转向与n1相同，则气隙磁场切割鼠笼转子的相对速度为n=n1-n，转子导条中就会有感应电势e2s产生，其大小与切割它的气隙磁通密度b成正比，气隙磁通密度b沿圆周按正

8、弦规律分布如图所示。,下 页,上 页,返 回,第5章,分析,不同导条中的感应电势瞬时值与磁通密度一样，在空间按正弦规律分布。为了分析问题方便，设转子漏阻抗x2s为零，则转子电流i2s与电势e2s同相位，电流瞬时值在空间也按正弦规律分布，转子电流所产生的转子磁势的极对数必然与定子相同，即p1=p2。因此，鼠笼式转子与定子绕组的极对数总是保持一致，鼠笼转子本身无固定极数，要按照气隙旋转磁场的极数来确定。,下 页,上 页,返 回,第5章,(2)鼠笼式转子的相数,鼠笼式转子每槽安放一根导条，转子导条数与转子槽数Z2相等。相邻两导条相差的槽距角为： 每根导条在气隙磁场中的位置不同，导条中产生的电流时间相

9、位也不同。而在交流电机中每相绕组中电流相位应是相同的，所以可认为每根导条就构成一相，鼠笼转子相数与转子槽数相等，即有：,下 页,上 页,返 回,第5章,鼠笼式转子每相绕组匝数,每相绕组匝数为： 每相只有一根导条，不存在短距和分布问题，所以绕组系数为：,下 页,上 页,返 回,第5章,5.9 三相异步电动机的参数测定,1.空载试验 通过空载试验可测得励 磁参数（rm、xm、Zm）、铁 损pFe、机械损耗pm。,下 页,上 页,返 回,第5章,试验过程,试验时，异步电动机定子通过调压器接三相交 流电源，转子轴上不带负载，加额定电压使电动机 运行在空载状态，稳定运行一段时间后，电动机的 机械损耗达到

10、稳定值，然后调节调压器使定子电压 从(1.11.2)UN开始，逐渐下调直至电动机转速有明 显变化为止，同时测取电动机的相电压U1、空载电 流I0、空载功率P0和电动机转速n，接线图是用二功 率法测取功率所以两功率表P1、P2的读数之和为空 载功率，即有P0= P1+ P2。注意试验时一定要含U1N 这一点。根据试验数据作出P0=(U1)和I0=(U1)曲线,下 页,上 页,返 回,第5章,三相异步电动机空载特性,下 页,上 页,返 回,第5章,说明1：功率平衡,由于电动机空载时，转速nn1，转子电流I20，转子铜损pCu20，可忽略转子铜损，这时电动机的空载损耗为： 在输入功率P0中扣除定子铜

11、损后，剩下的功率为P0，则有： 式中有三部分：铁损、机械损耗和附加损耗，其中机械损耗pm只与转速大小有关，而与电压U1大小无关。,下 页,上 页,返 回,第5章,说明2：如何求得铁耗,铁损pFe和空载附加损耗ps则与磁通的平方成正比，即与U12成正比。为了从P0中分离机械损耗pm，作P0=(U12)曲线，将图中的曲线延长与纵坐标轴相交与O点，再通过O点作与横坐标轴的水平虚线，将与电压无关的机械损耗pm从P0中分离，虚线之上是pFe+ps，虚线之下是pm。若想精确测得励磁参数，还需将铁损和空载附加损耗分离。一般可近似认为：,三相异步电动机的P0=f(U12)曲线,下 页,上 页,返 回,第5章,

12、说明3：求各参数,根据电压U1=U1N时，测得的空载试验数据P0和I0可计算参数： 式中U1N、I0分别为额定相电压和相电流；P0为测得的三相功率；P0、I0应取额定电压所对应的数据。,下 页,上 页,返 回,第5章,电动机空载时，转速nn1，转差率s0， “T”形等值电路中的附加电阻 ，转子可认为开路，这样就有： 式中r1为定子电阻，可用电桥测得；x1为定子漏电抗，可从堵转试验测得。,下 页,上 页,返 回,第5章,2. 短路试验,短路试验是在电动机转子堵住不转动的条件下进行的，故又称堵转试验。试验接线与空载实验相同，只是电流表和功率表的电流线圈量程要变大，对于绕线式转子，应将转子绕组短路。

13、堵转实验可测得短路参数（rk、xk、Zk）、定转子铜损。试验时，由于转子堵转，加在定子绕组上的电压要降低，与变压器短路试验相似，所加电压应使电动机的短路电流为额定电流，因此一般应从U1=(0.30.4)UN开始，监视电流表读数，逐渐加压，使电流为额定值为止，然后在逐渐降低电压，同时记录定子相电压Uk、定子相电流Ik和输入的三相功率Pk。根据试验数据作出短路特性Ik=(Uk)、Pk=(Uk) 。,三相异步电动机短路特性,下 页,上 页,返 回,第5章,根据堵转时的等值电路，机械损耗pm=0，铁损pFe和附加损耗ps都很小，可忽略，则输入功率Pk都消耗在定、转子的电阻上，即： 式中rk=r1+r2

14、为短路电阻，从而有：,下 页,上 页,返 回,第5章,对于大、中型异步电动机，一般可近似认为：,注意：堵转试验在常温 进行，短路电阻应折算到电动机正常运行温度时的数值，以基准工作温度75oC,下 页,上 页,返 回,第5章,5.10 三相异步电动机的工作特性,1.异步电动机工作特性 工作特性，它能反映异步电动机的运行 情况，是合理选择、使用电动机的依据。异 步电动机的工作特性是指电动机在额定电压 U1N、额定频率1N运行时，转子转速n、定子 电流I1、定子功率因数cosj1、电磁转矩T、效 率随输出功率P2的变化曲线。,下 页,上 页,返 回,第5章,曲线,三相异步电动机工作性,下 页,上 页

15、,返 回,第5章,1.转速特性n=(P2),定性分析： 异步电动机空载时，转速nn1 当随着负载P2增大转速n略降转 子感应电势E2s增大转子电流I2s增大 电磁转矩增大以平衡负载转矩。转 速特性n=(P2)如图曲线1所示为一条 略微下降的曲线。,下 页,上 页,返 回,第5章,2.定子电流特性I1=(P2),定性分析： 异步电动机空载时，转速nn1，转 差率s0，转子电流I20，I1I0较 小，当随着负载P2增大转速n下降转子 电流I2增大定子电流I1增大以补偿转 子电流所产生磁势的影响，维持磁势平 衡。定子电流特性I1=(P2)如图曲线2所 示为一条由I0开始逐渐上升的曲线。,下 页,上

16、页,返 回,第5章,3.定子功率因数特性cosj1=(P2),定性分析： 异步电动机空载时，由于空载电流中主 要是无功电流分量，此时的功率因数很低， cosj1=cosj00.2左右，当随着负载P2增大 定子电流I1有功电流分量增大功率因数 提高，直至P2=PN，功率因数达最高 cosj1=cosj1max；当负载P2PN继续增大转 速下降较多，转差率s增大转子漏抗增大 转子感应电势与电流的相位角j2增大转子 电流无功分量增大定子电流无功分量增大 定子功率因数cosj1开始减小。定子功率因数特 性cosj1=(P2)如图曲线3所示的曲线。,下 页,上 页,返 回,第5章,4.输出转矩特性T2=

17、(P2),定性分析： 异步电动机空载时，输出转矩 T2=0，当负载P2增大，由于转速变化 不大(略下降)，P2T2输出转矩随 着P2增大而增大，输出转矩特性 T2=(P2)如图曲线4所示为一条过原 点的近似直线的曲线。,下 页,上 页,返 回,第5章,5.效率特性=(P2),定性分析： 异步电动机从空载到负载运行时，主磁 通m和转速n变化较小，所以铁损pFe和机械 损耗pm变化很小，这两种损耗之和是异步电 动机的不变损耗，而定、转子铜损pCu与负载 电流平方成正比，它随负载变化而变化，是 异步电动机的可变损耗。与变压器相似，当 不变损耗与可变损耗相等时，效率为最高。,下 页,上 页,返 回,第

18、5章,效率特性,空载时，输出功率P2=0，所以效 率=0，当随着负载P2增大效率增 大，普通异步电动机在P2=0.75时效率 最大=max；当负载P2继续增大效 率反而下降，效率特性=(P2)如图 曲线5所示的曲线。,下 页,上 页,返 回,第5章,说明：,对中、小型异步电动机，工作特性可用 直接负载法测出，对大容量异步电动机由于 受设备等因数的限制，工作特性的取得可通 过空载、短路实验测出电动机参数，再利用 等值电路计算求得。,下 页,上 页,返 回,第5章,课后复习要点：,自学鼠笼式转子的极数和相数 电动机功率与转矩平衡关系、异步电动机参数测定、异步机机械特性和工作特性。 作业：P168

19、5.30、5.32,上 页,返 回,第5章,本章小结1,异步电动机运行时，转子与旋转磁场存 在转差，因而能在转子中感应电势和电流， 产生电磁转矩，使电动机旋转，可见转差率 s是异步电动机的重要参量。通过频率和绕 组折算，可得到反映实际运行电动机各量关 系的等值电路，等值电路中的各种参数可通 过空载和短路试验测取。,下 页,上 页,返 回,第5章,本章小结2,与变压器一样，基本方程式、等值电 路、相量图也是描述电动机负载运行时的 基本电磁关系的工具。 工作特性反映了异步电动机在额定电 压、额定频率时的使用性能。,上 页,返 回,第5章,1、异步电动机转子绕组的电流是依靠（ ）原理产生的，电机转子

20、电流（ ）与（ ）磁场相互作用，产生（ ），使电动机旋转，实现了能量转换。,2、如果感应电机运行时转差率为s，则电磁功率，机械功率和转子铜耗之间的比例是 PM:Pm:pcu2=（ ）。,3、异步电动机的电磁转矩是由（ ）和（ ）共同作用产生的。 4、三相异步电动机电源电压一定，当负载转矩增加，则转速（ ），定子电流（ ）。 5、当异步电动机的（ ）等于（ ）时，效率为最高。,6、当电压为额定电压时，异步电动机的效率最大。（ ）,电磁感应,有功分量,气隙旋转,电磁转矩,1：(1-s)：s,气隙旋转磁场,转子电流有功分量,减小,增加,可变损耗,不变损耗,第5章,7、画出异步电动机的T型等效电路图并说明各参数的意义及代表的