退 出第五章 感应电机的稳态分析感应电机(也叫异步电机)是一种交流旋转电机,它的转速除与电网频率有关外,还随负载而变。
主要作电动机使用,如:机床;水泵;家用电器;
退 出
5.1异步电动机的结构和运行状态一、感应电机的结构
1,定子:
定子铁心,0.5mm厚硅钢片叠压而成,磁路的一部分定子绕组:电磁线制而成,电路一部分机 座,铸铁或钢板焊接而成退 出
2,转子:
转轴,支撑转子转子铁心,0.5mm硅钢片叠压而成,磁路一部分转子绕组,笼型绕组 铸铜 铜条绕线式绕组,电磁线制而成,
Y接,滑环引出,外接电阻。
3,气隙:
磁路的一部分,δ↓→Im↓,但易发生扫膛现象。
退 出二、感应电机的运行状态
1.转差率定义
当 0<n<n1时,即 0<s<1时,电机为电动运行状态 (电能 →机械能 )
当 n>n1时,即 0>s时,电机为发电运行状态
(机械能 →电能 )
当 n<0时,即 s >0 时,电机为电磁制动运行状态 (机械能和电能 →热能 )
1
1
n
nn
s
退 出
2.分析电机运行状态发电运行状态电磁制动运行状态
例如,Y 112S-6
极数 6极
短机座
规格代号:中心高 112mm
产品代号:异步电动机退 出
2.额定值
①额定功率 Pn,电动机在额定情况下运行,由轴端输出的机械功率,单位为 W,kW。
②额定电压 Un,电动机在额定情况下运行,施加在定子绕组上的线电压,单位为 V。
③额定频率 fn,50Hz。
④额定电流 In:电动机在额定电压、额定频率下轴端输出额定功率时,定子绕组的线电流,单位为
A。
⑤额定转速 nn:电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定功率时,转子的转速,单位为 r/min。
退 出
5.2 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
1.主磁通 Φ0:
①作用:传递能量的媒介作用;
②路径:定子 — 气隙 — 转子 — 气隙 — 定子。
2.漏磁通 Φσ:
①不起传递能量的媒介作用,只起电抗压降的作用;
②包括:槽部漏磁通、端部漏磁通和高次谐波。
退 出二、负载运行时的磁动势和磁场
1.转子电动势的频率:
2.转子绕组的感应电动势
3.转子绕组的电阻和漏抗:忽略集肤效应,认为 不变;
12 sff?
22222 44.4 sEkNfE wS
2r
221222 22 sxLsfLfx S
退 出
4.转子绕组的电流:
正常运行时,转子端电压 U2=0,
有效值:
*结论:转子电流 I2随 S的增加而增加。
22
2
22
2
2
js xr
Es
jxr
E
I
S
S

2
2
2
2
2
2
)( sxr
sEI
退 出
5.转子绕组的功率因数:
结论:转子功率因数随 S的增加而减小。
6.转子磁动势的转速:
相对转子速度:
相对定子速度:
2F
2F
2
2
2
2
2
2 )(c o s sxr
r

1
12
2
6060 sn
p
sf
p
fn
112 nnsnnn
退 出三、磁动势平衡方程
1.磁动势形式:
2.电流形式:
021 FFF
LIII 101

退 出
5.3三相感应电动机的电压方程和等效电路一、电动势平衡方程
)( 11111 jxrIEU

)(0 2222 SS jxrIE

mmm ZIjxrIE 001 )(


退 出二、等效电路
1、折算折算原则:①保持 F2不变,只要使等效前后转子电流的大小和相位相等即可;
②等效前后转子电路的功率和损耗相等。
折算方法:
222
2
2
2
2
22
2
22
2
2
1
r
s
s
jxr
E
jx
s
r
E
js xr
Es
jxr
E
I
S
S



退 出电流折算:
电动势折算:
电阻和电抗折算:
iw
w
k
I
I
kNm
kNm
I 22
111
222'
2
22
22
11'
2 EkEkN
kwNE
e
w

2
'
2 rkkr ie?
2
'
2 xkkx ie?
退 出
3.T型等效电路三、近似等效电路与变压器的近似等效电路相同,但须引入一修正系数 C1,对于 40kW以上,可取 C1=1。
mx
xC 1
1 1
退 出
1r 1x '2r '2x
'
2
1 r
s
s?
1
U
1
I
0
I
'
2
I
mr
mx
1cup
Fep
2cup
mecP
emP
1P
5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程功率平衡关系退 出输入功率
11111 c os?IUmP?
定子铜损
1
2
111 rImp cu?
定子铁损
mFe rImp
2
01?
电磁功率
s
rImppPP
Fecuem
'
22'
2111
转子铜损
'
2
2'
212
2
222 rImrImp cu
机械功率
'
2
2'
212
2
22
11 r
s
sImr
s
sImP
m e c

输出功率
02 pPppPP m e cadm e cm e c
退 出在式 的两边同时除以机械角速度 得:
02 pPP m e c
60
2 n
02 pPP m e c
即,
02 TTT em 02 TTT em

11)1(
)1(

ememm e cem
P
s
PsP
T
电磁转矩转矩平衡关系退 出
1.物理表达式
2
'
2 c o s?ICT Tem
表明,三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的 。
2
'
2 co s?I
转矩平衡关系退 出
2.参数表达式,
说明,电磁转矩与电源参数 (U、
f),结构参数 ( r,x,m,p) 和运行参数 ( s) 有关。

2'
21
2
'
2
11
'
22
11
)()(2 xx
s
r
rf
s
r
Upm
T
em
退 出临界转差率 sm 和最大电磁转矩 Tmax
'
21
'
2
2'
21
2
1
'
2
)( xx
r
xxr
r
s m

)(4
])([4
'
211
2
11
2'
21
2
111
2
11
m a x
xxf
pUm
xxrrf
pUm
T

退 出由两个表达式可见当其它参数一定时,
1、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 。
3,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 ;
2,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 。
N
m
m T
T
K?
4、过载能力退 出起动转矩 Tst和起动转矩倍数 Kst
2'212'211
'
2
2
11
)()(2 xxrrf
rpUmT
st
当其它参数一定时,
1、起动转矩与电源电压平方成正比;
2、频率越高,起动转矩越小;
漏抗越大,起动转矩越小 ;
3、绕线式电动机,转子回路电阻越大,起动转矩先增后减。
N
st
st T
TK?4、起动转矩倍数退 出
3.实用表达式
s
s
s
s
T
T
m
m
m
em
2
已知电机的额定功率、额定转速、过载能力
N
N
N n
PT 9550? NTm TT
1
1
n
nns N
N

)1( 2 TTNm ss
忽略空载转矩,有
N
m
m
N
m
N
s
s
s
s
T
T
2
将 Tm和 sm代入即可得到机械特性方程式退 出
5.7感应电动机的转矩 -转差率曲线
s n
0
nNsN
nmsm
1 0 T
N Tst Tmax
TemA
B
C
D
退 出感应电动机降压时的人为机械特性
s n
sm
1 0
TL
UN
0 n1 A
0.8UN
退 出转子回路串电阻时的机械特性
r2+Rs3
Tst2
sm2 r2+Rs2
Tst1
sm1 r2+Rs1
1 0 Tst Tm Tem
s n
0 n1
sm r2
退 出定子串接电抗器时的机械特性
1 0 Tm Tem
sm
s n
0 n1
Tm’
xst
sm’
退 出
5.8 感应电动机的工作特性一、转速特性由 Pcu2= s Pem得
)( 2Pfn?
2
'
2
'
21
2'
2
'
212
c o s
s
IEm
Irm
P
P
em
Cu

)( 2Pfn? 是一条稍向下倾斜的曲线。
退 出二、输出转矩特性 )(
22 PfT?
60
2
22
2 n
PP
T
异步电动机的输出转矩:
)( 22 PfT? 是一条过原点稍向上翘的曲线。
三、定子功率因数特性空载,很小;负载时,随 ↑,↑。
)(co s 21 Pf
1cos?
2P
1cos?
退 出四、效率特性空载时,P2=0,η=0;
负载时,随着 P2的增加,η也增加,当负载增大到可变损耗与不变损耗相等时,η最大;
负载继续增大,铜损增加很快,η反而下降。
)( 2Pf
PP
P
P
P


21
2 1?
退 出退 出
5.9 三相异步电动机的起动,深槽和双笼电动机一,三相异步电动机的起动
(一)、概述
1.起动定义:电动机接到电源上,从静止状态到稳定运行状态的过程;
2.起动电流,n=0,S=1时的电流。
k
st Z
U
xxrr
U
I 1
2
21
2
21
1
)()(

退 出
3.起动电流大的原因:此时处于短路。
4.起动转矩不大的原因,1) 减少;
2) 减小;
使 Tst不大。
5.起动要求:①起动电流尽量小,以减小对电网的冲击;
②起动转矩尽量大,以缩短起动时间;
③起动设备简单,可靠。
m?
2cos?
退 出
(二)、鼠笼式异步电动机的起动
1.直接起动
①优点:设备简单,操作方便;
②缺点:起动电流大,须足够大的电源;
③适用条件:小容量电动机带轻载的情况起动。
2.降压起动如果电源容量不够大,可采用降压起动。即起动时,降低加在电动机定子绕组电压,起动时电压小于额定电压,待电动机转速上升到一定数值后,再使电动机承受额定电压,可限制起动电流。
退 出
定子回路串电抗器起动
用 Y-Δ起动
自耦补偿器(自耦变压器)起动
(三)、绕线式异步电动机的起动转子:一般均接成 Y形,正常三相绕组通过滑环短接,若转子绕组直接短接情况下起动,
与鼠笼一样,Ist大,Tst不大。
1.在转子回路串起动变阻器起动
2.在转子回路串接频敏变阻器起动退 出二,深槽和双笼感应电动机
1、深槽式异步电动机结构:定子:与普通鼠笼电动机一样;
转子:槽深而窄,
2、双鼠笼式异步电动机结构:定子:与普通鼠笼电动机一样;
转子:有两套鼠笼上层笼,ρ大,黄铜或青铜,截面小,∴ r2上大 →起动笼下层笼,ρ小,紫铜,截面大,∴ r2下小 →工作笼
12~10?bh
退 出运行原理
①起动时,s=1,f2最大,转子漏抗 x2大,电流分布取决于 x2,∵ x2下 >x2上,∴ 转子电流集中于上笼(趋肤效应) ----起动笼起主要作用,又 ∵ r2上大 → ↑→Tst↑;
②正常运行,Sn=0.01~ 0.06很小 →f2s很小
→x2很小 →电流取决于 r2,∵ r2下小 →电流分布在下笼,此时漏抗 x2小,↑→Tem↑
优缺点 ①优点:较大的 Tst和较小 Ist;
②缺点:漏抗较大,其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小。
2cos?
2cos?
退 出
5.10 感应电动机的调速一、变极调速可以采用两套绕组,但为了提高材料的利用率,一般采用单绕组变极,即通过改变一套绕组的连接方式而得到不同极对数的磁动势,以实现变极调速。
2.变极绕组的连接方法:
Δ→YY(2p→p);
顺串 Y→反串 Y( 2p→p);
Δ→YY(2p→p)。
说明:变极前后,三相绕组的相序发生改变,为保证电动机的转向不变,须对调定子两相绕组的出线端。
退 出二、变频调速
1.概述异步电动机的转速:
当转差率 S变化不大时,n近似正比于频率,
可见改变电源频率就可改变异步电动机的转速。
2.恒转矩调速电机变频调速前后额定电磁转矩相等,即恒转矩调速时,有
)1(60 1 Sp fn
1f

e m Ne m N TT
退 出
3.恒功率调速电机变频调速前后它的电磁功率相等,即三、转子回路串电阻调速串电阻前后保持转子电流不变,则有:
电磁转矩为:
保持不变,即属于恒转矩调速。

11 e m Ne m Nem TTP
S
RR
S
R
N
22 N22 co sco s
22 co s?ICT mMem
退 出
5.11单相异步电动机一,结构:定子为单相绕组(有起动和工作绕组);转子为鼠笼式。
二、工作原理单相交流绕组通入单相交流电流产生脉动磁动势,其可分解为 F+,F-,建立起正转和反转磁场 Φ+,Φ-,这两个磁场切割转子导体,产生感应电动势和感应电流,从而形成正反向电磁转矩 T+,T-,叠加后即为推动转子转动的合成转矩 T。
退 出设电动机转速为 n,则对正转磁场而言,转差率 s+为对反转磁场而言,转差率 s-为单相异步电动机的特点
转子静止时,合成转矩为 0,即单相异步电动机无起动转矩。
当 s≠1时,T≠0,且 T无固定方向,取决于 s的正负。
由于反向转矩的作用,合成转矩减小,过载能力低。
s
n
nns
1
1
s
n
nns
2
1
1
退 出三、起动方法
1.分相起动电动机
电容起动电动机:转向:由起动绕组转向工作绕组;
电容电动机:实为两相异步电动机;
电阻起动电动机:起动转矩小,只适用于比较容易起动的场合。
2.罩极电动机
结构特点:凸极定子,工作绕组为集中绕组,极靴表面的~处开槽,小极部分罩 — 短路环(即为罩极绕组);
工作特点:电动机起动转矩很小,只适用于小型风扇、电动模具及电唱机中,容量一般在 30~ 40瓦以下;转向:由未罩部分转向被罩部分。