電機與電力拖動基礎(chǔ)教程第5章.ppt

寧波工程學(xué)院 電機原理與拖動基礎(chǔ) 下頁 主講人 包蕾 第5章 第5章三相異步電動機 下頁 上頁 第5章 本章教學(xué)基本要求 熟悉鼠籠式和繞線式異步電動機的基本構(gòu)造及主要結(jié)構(gòu)部件的作用 掌握三相異步電動機的基本工作原理 了解交流電機繞組的構(gòu)成原則及其基本知識 了解短距系數(shù) 分布系數(shù)及繞組系數(shù)的物理意義 掌握三相交流繞組的類別及常用三相繞組的連接規(guī)律和特點 了解單相繞組磁動勢性質(zhì) 理解三相繞組磁動勢性質(zhì)及特點 理解交流電機繞組的感應(yīng)電勢公式 掌握感應(yīng)電勢的計算 了解異步電動機空載運行的物理過程 了解異步電動機負(fù)載運行的物理過程 了解三相異步電動機的工作特性 理解異步電動機空載運行時的基本方程式 等值電路 理解轉(zhuǎn)差率對轉(zhuǎn)子回路各物理量的影響 理解異步電動機負(fù)載運行時的基本方程式 等值電路 理解異步電動機負(fù)載運行時的功率 轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系 理解電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式及其物理意義 掌握異步電動機功率 轉(zhuǎn)矩計算 掌握三相異步電動機的參數(shù)測定方法 下頁 上頁 返回 第5章 本章教學(xué)重點和難點 重點 1 旋轉(zhuǎn)磁場 三相異步電動機的基本工作原理 2 交流電機繞組構(gòu)成 感應(yīng)電勢計算 三相繞組磁動勢性質(zhì)及特點 3 轉(zhuǎn)差率對轉(zhuǎn)子回路各物理量的影響 等值電路 功率 轉(zhuǎn)矩計算 4 三相異步電動機參數(shù)測定 難點 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生原理 三相繞組的連接規(guī)律 三相繞組磁動勢性質(zhì)及特點 感應(yīng)電勢 功率及轉(zhuǎn)矩計算 下頁 上頁 返回 第5章 本次課程內(nèi)容 重點和難點 內(nèi)容 電動機空載時的電磁關(guān)系 電動機負(fù)載時的電磁關(guān)系 基本方程式 等效電路和相量圖重點 電動機負(fù)載時的電磁關(guān)系 基本方程式 等效電路和相量圖 繞組折算和頻率折算方法難點 電動機負(fù)載時的電磁關(guān)系 下頁 上頁 返回 第5章 異步電動機定子與轉(zhuǎn)子之間只有磁的耦合 無電的直接聯(lián)系 異步電動機定子繞組從電源吸取的能量借助于電磁感應(yīng)作用傳遞給轉(zhuǎn)子 異步電動機的定子繞組相當(dāng)于變壓器的一次繞組 轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于二次繞組 從電磁感應(yīng)原理和能量傳遞來看 異步電動機與變壓器有很多相似之處 故分析變壓器內(nèi)部電磁關(guān)系的基本方法也適應(yīng)于異步電動機 異步電動機正常運行時通常是旋轉(zhuǎn)的 隨轉(zhuǎn)速變化 轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動勢及電流的頻率也要隨之變化 與定子電動勢及電流頻率不相等 同時 轉(zhuǎn)子回路各物理量也會相應(yīng)變化 故異步電動機分析與計算比變壓器復(fù)雜 5 6三相異步電動機的電磁分析 下頁 上頁 返回 與變壓器相比 異步電動機在磁路上與變壓器有什么區(qū)別 第5章 1 主 漏磁通的分布 根據(jù)磁通路徑和性質(zhì)不同 異步電動機的磁通分為主磁通和漏磁通 主磁通 m同時交鏈定 轉(zhuǎn)子繞組 其路徑為 定子鐵心 氣隙 轉(zhuǎn)子鐵心 氣隙 定子鐵心 主磁通起傳遞能量的媒介作用 除了主磁通以外的磁通稱為漏磁通 漏磁通 包括槽漏磁通 端漏磁通和高次諧波磁通 漏磁通不起能量的傳遞作用 只起電抗壓降作用 5 6 1三相異步電動機空載時的電磁關(guān)系 下頁 上頁 返回 第5章 主磁通與漏磁通 下頁 上頁 返回 第5章 槽漏磁通和端部漏磁通 下頁 上頁 返回 第5章 說明 諧波漏磁通是由定子三相合成磁勢中的高次諧波磁勢產(chǎn)生的 嚴(yán)格說 它是通過氣隙與轉(zhuǎn)子繞組相鏈繞的磁通 與槽漏磁通和端部漏磁通是有差別的 為了表明這種差別 諧波漏磁通又稱差別漏磁通 將諧波磁通歸為漏磁通中是為了計算上的方便 下頁 上頁 返回 第5章 2 空載電流和空載磁動勢 異步電動機空載運行時的定子電流稱為空載電流 下頁 上頁 返回 第5章 3 電磁關(guān)系 4 空載運行時的電壓平衡方程 感應(yīng)電動勢 與變壓器一樣 主 漏磁通在定子繞組上感應(yīng)的電動勢 異步電動機空載時的電磁關(guān)系與變壓器非常相似 下頁 上頁 返回 第5章 電壓平衡方程與等效電路 與變壓器一樣 根據(jù)基爾霍夫電壓定律 可列出空載時定子每相電壓方程式 同樣也有 根據(jù)上兩式 可以作出空載時等效電路 下頁 上頁 返回 第5章 盡管異步電動機的電磁關(guān)系與變壓器相似 但它們之間還是有差別的 1 主磁場性質(zhì)不同 異步電動機為旋轉(zhuǎn)磁場 變壓器為脈動磁場 4 由于存在氣隙 異步電動機漏抗較變壓器的大 5 異步電動機通常采用短距和分布繞組 計算時需考慮繞組系數(shù) 變壓器則為整距集中繞組 可認(rèn)為繞組系數(shù)為1 下頁 上頁 返回 第5章 異步電動機帶上機械負(fù)載時 電動機以低于同步轉(zhuǎn)速的速度旋轉(zhuǎn) 其轉(zhuǎn)向與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同 定子旋轉(zhuǎn)磁場以相對速度 n n1 n切割轉(zhuǎn)子繞組 轉(zhuǎn)子繞組中將感應(yīng)電動勢 2和電流 2 轉(zhuǎn)子電流 2還將產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)子磁勢 2 總的氣隙磁勢則是 1與 2的合成 由它們來共同建立氣隙磁場 5 6 2三相異步電動機的轉(zhuǎn)子磁勢 負(fù)載運行時物理狀況 下頁 上頁 返回 第5章 無論是繞線式異步電動機還是鼠籠式異步電動機 轉(zhuǎn)子磁勢都是一個旋轉(zhuǎn)磁勢 這個磁勢所產(chǎn)生的磁場也是一個旋轉(zhuǎn)磁場 由于轉(zhuǎn)子磁勢產(chǎn)生于定子磁勢 故轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)p2與定子繞組極對數(shù)p相同 轉(zhuǎn)子磁勢分析 1 轉(zhuǎn)子磁勢性質(zhì) 三相對稱交流電通入三相對稱繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢 可以證明多相對稱交流電通入多相對稱繞組產(chǎn)生的也是旋轉(zhuǎn)磁勢 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子繞組為對稱三相繞組 流過繞組的電流是三相對稱電流 其轉(zhuǎn)子磁勢是一旋轉(zhuǎn)磁勢 鼠籠式異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組是多相對稱繞組 流過繞組的電流為多相對稱電流 其轉(zhuǎn)子磁勢也是一個旋轉(zhuǎn)磁勢 結(jié)論 幅值 下頁 上頁 返回 第5章 轉(zhuǎn)子電流與定子電流相序一致 轉(zhuǎn)子磁勢 2與定子磁勢 1同方向旋轉(zhuǎn) 2 轉(zhuǎn)子磁勢的轉(zhuǎn)向 定子旋轉(zhuǎn)磁勢轉(zhuǎn)向與定子繞組三相電流相序有關(guān) 若定子旋轉(zhuǎn)磁場沿A B C相序順時針方向旋轉(zhuǎn) 因為n n1 因此在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的相序也必然為a b c 轉(zhuǎn)子磁勢轉(zhuǎn)向取決于轉(zhuǎn)子繞組中電流的相序 始終從超前電流相轉(zhuǎn)向滯后電流相 故轉(zhuǎn)子磁勢的轉(zhuǎn)向也是從a b c沿順時針方向轉(zhuǎn)動 結(jié)論 下頁 上頁 返回 第5章 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n 氣隙旋轉(zhuǎn)磁場以 n n1 n sn1的相對速度切割轉(zhuǎn)子繞組 在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢和電流 其頻率為 3 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)p2 p 轉(zhuǎn)子磁勢相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為 轉(zhuǎn)子本身以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)速 故轉(zhuǎn)子磁勢相對于定子的轉(zhuǎn)速為 轉(zhuǎn)子磁勢與定子磁勢在氣隙中的轉(zhuǎn)速相同 結(jié)論 無論異步電動機的轉(zhuǎn)速n如何變化 定子磁勢 1與轉(zhuǎn)子磁勢 2總是相對靜止的 定 轉(zhuǎn)子磁勢相對靜止也是一切旋轉(zhuǎn)電機能夠正常運行的必要條件 因為只有這樣 才能產(chǎn)生恒定的平均電磁轉(zhuǎn)矩 從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時 理想空載時 下頁 上頁 返回 第5章 三相 多相 5 6 3三相異步電動機負(fù)載時的電磁關(guān)系 下頁 上頁 返回 第5章 重點討論負(fù)載時轉(zhuǎn)子繞組各電磁量 轉(zhuǎn)子電動勢的頻率 感應(yīng)電動勢的頻率正比于導(dǎo)體與磁場的相對切割速度 故轉(zhuǎn)子電動勢的頻率為 轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電動勢 轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電動勢 二者關(guān)系為 相量表達(dá)式為 下頁 上頁 返回 第5章 轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗 電抗與頻率成正比 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子漏電抗 二者關(guān)系 x2s sx2 轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗 轉(zhuǎn)子繞組的電流 轉(zhuǎn)子繞組為閉合繞組 轉(zhuǎn)子電流為 轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子漏電抗 當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時 轉(zhuǎn)差率增大 轉(zhuǎn)子電流也增大 下頁 上頁 返回 第5章 轉(zhuǎn)子繞組的功率因數(shù) 轉(zhuǎn)子功率因數(shù)與轉(zhuǎn)差率有關(guān) 當(dāng)轉(zhuǎn)差率增大時 轉(zhuǎn)子功率因數(shù)則減小 下頁 上頁 返回 第5章 5 6 4三相異步電動機負(fù)載時的方程式 規(guī)定 三相異步電動機的電動勢 電壓 電流的正方向按關(guān)聯(lián)參考方向 磁動勢 磁通的正方向為從定子側(cè)穿過氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子 如 三相異步電動機定子 轉(zhuǎn)子均Y連接 相電路的正方向 下頁 上頁 返回 第5章 1 磁動勢平衡方程式 磁動勢的平衡方程為 可以改寫為 寫成磁動勢幅值公式 下頁 上頁 返回 第5章 2 電動勢平衡方程式 根據(jù)基爾霍夫電壓定律可寫出定 轉(zhuǎn)子側(cè)電動勢平衡方程 下頁 上頁 返回 第5章 異步電動機負(fù)載時的基本方程式 下頁 上頁 返回 第5章 下頁 上頁 返回 5 7三相異步電動機的等效電路及相量圖 異步電動機與變壓器一樣 定子電路與轉(zhuǎn)子電路之間只有磁的耦合而無電的直接聯(lián)系 為了便于分析和簡化計算 采用與變壓器相似的等效電路的方法 即設(shè)法將電磁耦合的定 轉(zhuǎn)子電路變?yōu)橛兄苯与娐?lián)系的電路 根據(jù)定 轉(zhuǎn)子電動勢平衡方程 可畫出異步電動機旋轉(zhuǎn)時定 轉(zhuǎn)子電路圖 但由于異步電動機定 轉(zhuǎn)子繞組的有效匝數(shù) 繞組系數(shù)不相等 因此在推導(dǎo)等效電路時 與變壓器相仿 必須要進(jìn)行相應(yīng)的繞組折算 此外 由于定 轉(zhuǎn)子電流頻率也不相等 還要進(jìn)行頻率折算 在折算時 必須保證轉(zhuǎn)子對定子繞組的電磁作用和異步電動機的電磁性能不變 第5章 5 7 1定子 轉(zhuǎn)子交流耦合電路之間的頻率折算 頻率折算就是用一個等效的轉(zhuǎn)子電路代替實際旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 而等效的轉(zhuǎn)子回路應(yīng)與定子電路有相同的頻率 定轉(zhuǎn)子頻率相等的條件是保持轉(zhuǎn)子不動 頻率折算就是用一個靜止的轉(zhuǎn)子作為新的 等效 轉(zhuǎn)子 在折算的過程中 電機的電磁效應(yīng)不變 因而有兩個條件 一個是保持轉(zhuǎn)子磁動勢不變 二是轉(zhuǎn)子回路的功率和損耗不變 轉(zhuǎn)子回路電流 下頁 上頁 返回 第5章 式中 2s x2s分別為異步電動機轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)子的每相電勢和漏阻抗 它們的頻率為 2 2 2 x2分別為異步電動機不轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)子每相電流 電勢和漏阻抗 它們的頻率為 1 轉(zhuǎn)子回路的阻抗角為 下頁 上頁 返回 第5章 說明 只要用r2 s代替r2 就可使轉(zhuǎn)子電流的大小和相位保持不變 即轉(zhuǎn)子磁勢的大小和空間相位保持不變 實現(xiàn)用靜止電路代替實際旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子電路 電阻r2 s稱為等效靜止轉(zhuǎn)子電阻 可表示成 式中稱為附加電阻 下頁 上頁 返回 第5章 分析 實際的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子軸上有機械損耗和機械功率輸出 頻率折算后 頻率折算后 轉(zhuǎn)子回路電阻由兩部分組成 第一部分r2是轉(zhuǎn)子繞組一相的實際電阻 其上產(chǎn)生的損耗就是轉(zhuǎn)子電路的銅損 第二部分是附加電阻 轉(zhuǎn)子靜止 沒有機械損耗和機械功率輸出 但電路中多了一個附加電阻 根據(jù)能量守恒關(guān)系 該電阻消耗的功率等效機械損耗和機械功率之和 總的機械功率 下頁 上頁 返回 第5章 頻率折算后異步機的等值電路 不動的轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子磁動勢的大小 相位與轉(zhuǎn)動時完全一樣 也就是說 這臺靜止不動的異步電動機可以等效地代替實際旋轉(zhuǎn)的異步電動機 下頁 上頁 返回 第5章 與變壓器相似 異步電動機定 轉(zhuǎn)子之間沒有電的聯(lián)系 只有磁的耦合 為了工程計算方便 在不改變電動機的電磁性能的條件下 將無電的聯(lián)系的定 轉(zhuǎn)子電路變換成純電路的等值電路 就要進(jìn)行轉(zhuǎn)子繞組的折算 5 7 2定子 轉(zhuǎn)子交流耦合電路之間的繞組折算 轉(zhuǎn)子繞組折算就是 用一個相數(shù)為m1 匝數(shù)為N1kw1的繞組 代替原來的轉(zhuǎn)子繞組 轉(zhuǎn)子繞組原來的相數(shù)為m2 匝數(shù)為N2kw2 下頁 上頁 返回 第5章 折算的原則 保持折算前后電動機磁勢平衡關(guān)系不變 即F2的大小以及與F1之間在空間位置不變 功率 損耗不變 下頁 上頁 返回 第5章 轉(zhuǎn)子繞組折算的方法 折算方法與變壓器基本相同 電流的折算 折算前后磁動勢不變 為異步電動機的電流比 經(jīng)過繞組折算后的磁動勢平衡方程式為 下頁 上頁 返回 第5章 折算前轉(zhuǎn)子電勢為 轉(zhuǎn)子電勢的折算 折算后轉(zhuǎn)子電勢為 為異步電動機的電動勢比 下頁 上頁 返回 第5章 轉(zhuǎn)子電阻 轉(zhuǎn)子電抗 折算前后功率 損耗不變 下頁 上頁 返回 第5章 折算后的電路 下頁 上頁 返回 轉(zhuǎn)子漏阻抗 第5章 折算后的基本方程式 下頁 上頁 返回 第5章 下頁 上頁 返回 5 7 3三相異步電動機的等效電路和相量圖 1 T形等效電路 對比變壓器 第5章 2 相量圖 下頁 上頁 返回 第5章 3 簡化等效電路 不計負(fù)載對勵磁的影響 T型等效電路 簡化等效電路 下頁 上頁 返回 第5章 幾點說明 3 附加電阻不能用電感或電容來代替 下頁 上頁 返回 附加電阻上消耗的功率等效機械損耗和機械功率之和 總的機械功率 第5章 4 三相異步電動機的功率因數(shù)永遠(yuǎn)滯后 5 在等效電路中負(fù)載的變化是用轉(zhuǎn)差率s來體現(xiàn)的 下頁 上頁 返回 第5章 設(shè)參考正弦量 在相電路中計算各參量 求出定子電流 各相電流與各相電壓的相位差就是功率因數(shù)角 下頁 上頁 返回 第5章 課后復(fù)習(xí)要點 電機旋轉(zhuǎn)時的電磁關(guān)系 基本方程式 等效電路和相量圖 繞組折算和頻率折算方法 思考題 P1675 25 5 26 上頁 返回 第5章 1 一臺三相6極50Hz的異步電動機 其s 0 05 則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 r min 轉(zhuǎn)子磁動勢相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 r min 轉(zhuǎn)子磁動勢相對于定子轉(zhuǎn)速為 r min 定子磁動勢相對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為 r min 定子磁動勢相對轉(zhuǎn)子磁動勢的轉(zhuǎn)速為 r min 2 當(dāng)三相異步電機定子繞組接于50Hz的電源上作電動機運行時 定子電流的頻率為 定子繞組感應(yīng)電勢的頻率為 如轉(zhuǎn)差率為s 此時轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢的頻率 轉(zhuǎn)子電流的頻率為 3 異步電動機的頻率折算 就是用一個 等效轉(zhuǎn)子來代替實際 的轉(zhuǎn)子 使轉(zhuǎn)子電路的頻率與定子電路的頻率 4 異步電動機的頻率折算是通過在電機的轉(zhuǎn)子繞組串一個電阻值為 的附加電阻來實現(xiàn)的 此串聯(lián)電阻所消耗的功率代表了電動機的 功率 950 50 1000 50 0 50 50Hz 50sHz 50sHz 靜止 旋轉(zhuǎn) 相等 1 s r 2 s 總的機械 第5章 5 三相異步電動機定子磁動勢相對轉(zhuǎn)子磁動勢的轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速 6 異步電動機的頻率折算