電機與電力拖動基礎教程第5章.ppt

寧波工程學院 電機原理與拖動基礎 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 本章教學基本要求 熟悉鼠籠式和繞線式異步電動機的基本構造及主要結構部件的作用 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電勢公式 掌握感應電勢的計算 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 理解轉差率對轉子回路各物理量的影響 理解異步電動機負載運行時的基本方程式 等值電路 理解異步電動機負載運行時的功率 轉矩平衡關系 理解電磁轉矩表達式及其物理意義 掌握異步電動機功率 轉矩計算 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 本章教學重點和難點 重點 1 旋轉磁場 三相異步電動機的基本工作原理 2 交流電機繞組構成 感應電勢計算 三相繞組磁動勢性質(zhì)及特點 3 轉差率對轉子回路各物理量的影響 等值電路 功率 轉矩計算 4 三相異步電動機參數(shù)測定 難點 旋轉磁場的產(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 感應電勢 功率及轉矩計算 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系 電動機負載時的電磁關系 基本方程式 等效電路和相量圖重點 電動機負載時的電磁關系 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 電動機負載時的電磁關系 下頁 上頁 返回 第5章 異步電動機定子與轉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作用傳遞給轉子 異步電動機的定子繞組相當于變壓器的一次繞組 轉子繞組相當于二次繞組 從電磁感應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)部電磁關系的基本方法也適應于異步電動機 異步電動機正常運行時通常是旋轉的 隨轉速變化 轉子中感應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 轉子回路各物理量也會相應變化 故異步電動機分析與計算比變壓器復雜 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 轉子繞組 其路徑為 定子鐵心 氣隙 轉子鐵心 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 嚴格說 它是通過氣隙與轉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 電磁關系 4 空載運行時的電壓平衡方程 感應電動勢 與變壓器一樣 主 漏磁通在定子繞組上感應的電動勢 異步電動機空載時的電磁關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載時 電動機以低于同步轉速的速度旋轉 其轉向與氣隙旋轉磁場的方向相同 定子旋轉磁場以相對速度 n n1 n切割轉子繞組 轉子繞組中將感應電動勢 2和電流 2 轉子電流 2還將產(chǎn)生一個轉子磁勢 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子磁勢 負載運行時物理狀況 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 轉子磁勢都是一個旋轉磁勢 這個磁勢所產(chǎn)生的磁場也是一個旋轉磁場 由于轉子磁勢產(chǎn)生于定子磁勢 故轉子繞組極對數(shù)p2與定子繞組極對數(shù)p相同 轉子磁勢分析 1 轉子磁勢性質(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)生的也是旋轉磁勢 繞線式異步電動機轉子繞組為對稱三相繞組 流過繞組的電流是三相對稱電流 其轉子磁勢是一旋轉磁勢 鼠籠式異步電動機的轉子繞組是多相對稱繞組 流過繞組的電流為多相對稱電流 其轉子磁勢也是一個旋轉磁勢 結論 幅值 下頁 上頁 返回 第5章 轉子電流與定子電流相序一致 轉子磁勢 2與定子磁勢 1同方向旋轉 2 轉子磁勢的轉向 定子旋轉磁勢轉向與定子繞組三相電流相序有關 若定子旋轉磁場沿A B C相序順時針方向旋轉 因為n n1 因此在轉子繞組中感應電動勢和感應電流的相序也必然為a b c 轉子磁勢轉向取決于轉子繞組中電流的相序 始終從超前電流相轉向滯后電流相 故轉子磁勢的轉向也是從a b c沿順時針方向轉動 結論 下頁 上頁 返回 第5章 轉子轉速為n 氣隙旋轉磁場以 n n1 n sn1的相對速度切割轉子繞組 在轉子繞組中感應電動勢和電流 其頻率為 3 轉子旋轉磁勢的轉速 轉子繞組的極對數(shù)p2 p 轉子磁勢相對于轉子的轉速為 轉子本身以轉速n轉速 故轉子磁勢相對于定子的轉速為 轉子磁勢與定子磁勢在氣隙中的轉速相同 結論 無論異步電動機的轉速n如何變化 定子磁勢 1與轉子磁勢 2總是相對靜止的 定 轉子磁勢相對靜止也是一切旋轉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矩 從而實現(xiàn)機電能量轉換 轉子不轉時 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載時的電磁關系 下頁 上頁 返回 第5章 重點討論負載時轉子繞組各電磁量 轉子電動勢的頻率 感應電動勢的頻率正比于導體與磁場的相對切割速度 故轉子電動勢的頻率為 轉子繞組的感應電動勢 轉子旋轉時的感應電動勢 轉子不轉時的感應電動勢 二者關系為 相量表達式為 下頁 上頁 返回 第5章 轉子繞組的漏阻抗 電抗與頻率成正比 轉子旋轉時轉子漏電抗 二者關系 x2s sx2 轉子繞組的漏阻抗 轉子繞組的電流 轉子繞組為閉合繞組 轉子電流為 轉子不轉時轉子漏電抗 當轉速降低時 轉差率增大 轉子電流也增大 下頁 上頁 返回 第5章 轉子繞組的功率因數(shù) 轉子功率因數(shù)與轉差率有關 當轉差率增大時 轉子功率因數(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 電流的正方向按關聯(lián)參考方向 磁動勢 磁通的正方向為從定子側穿過氣隙進入轉子 如 三相異步電動機定子 轉子均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 轉子側電動勢平衡方程 下頁 上頁 返回 第5章 異步電動機負載時的基本方程式 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 即設法將電磁耦合的定 轉子電路變?yōu)橛兄苯与娐?lián)系的電路 根據(jù)定 轉子電動勢平衡方程 可畫出異步電動機旋轉時定 轉子電路圖 但由于異步電動機定 轉子繞組的有效匝數(shù) 繞組系數(shù)不相等 因此在推導等效電路時 與變壓器相仿 必須要進行相應的繞組折算 此外 由于定 轉子電流頻率也不相等 還要進行頻率折算 在折算時 必須保證轉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子電路代替實際旋轉的轉子系統(tǒng) 而等效的轉子回路應與定子電路有相同的頻率 定轉子頻率相等的條件是保持轉子不動 頻率折算就是用一個靜止的轉子作為新的 等效 轉子 在折算的過程中 電機的電磁效應不變 因而有兩個條件 一個是保持轉子磁動勢不變 二是轉子回路的功率和損耗不變 轉子回路電流 下頁 上頁 返回 第5章 式中 2s x2s分別為異步電動機轉動時轉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時的轉子每相電流 電勢和漏阻抗 它們的頻率為 1 轉子回路的阻抗角為 下頁 上頁 返回 第5章 說明 只要用r2 s代替r2 就可使轉子電流的大小和相位保持不變 即轉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的轉子電路 電阻r2 s稱為等效靜止轉子電阻 可表示成 式中稱為附加電阻 下頁 上頁 返回 第5章 分析 實際的旋轉轉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 轉子回路電阻由兩部分組成 第一部分r2是轉子繞組一相的實際電阻 其上產(chǎn)生的損耗就是轉子電路的銅損 第二部分是附加電阻 轉子靜止 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 不動的轉子電流和轉子磁動勢的大小 相位與轉動時完全一樣 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 轉子電路變換成純電路的等值電路 就要進行轉子繞組的折算 5 7 2定子 轉子交流耦合電路之間的繞組折算 轉子繞組折算就是 用一個相數(shù)為m1 匝數(shù)為N1kw1的繞組 代替原來的轉子繞組 轉子繞組原來的相數(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 折算前轉子電勢為 轉子電勢的折算 折算后轉子電勢為 為異步電動機的電動勢比 下頁 上頁 返回 第5章 轉子電阻 轉子電抗 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)永遠滯后 5 在等效電路中負載的變化是用轉差率s來體現(xiàn)的 下頁 上頁 返回 第5章 設參考正弦量 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 課后復習要點 電機旋轉時的電磁關系 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 則轉子轉速為 r min 轉子磁動勢相對于轉子轉速為 r min 轉子磁動勢相對于定子轉速為 r min 定子磁動勢相對轉子的轉速為 r min 定子磁動勢相對轉子磁動勢的轉速為 r min 2 當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 定子繞組感應電勢的頻率為 如轉差率為s 此時轉子繞組感應電勢的頻率 轉子電流的頻率為 3 異步電動機的頻率折算 就是用一個 等效轉子來代替實際 的轉子 使轉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 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子磁動勢的轉速就是同步轉速 6 異步電動機的頻率折算