第五章 感應電機

1、第五章：感應電機第五章：感應電機 第第1 1節(jié)節(jié): : 感應電機的結構感應電機的結構 第第2 2節(jié)：節(jié)：感應電機的工作原理和運行狀態(tài)感應電機的工作原理和運行狀態(tài) 第第3 3節(jié)節(jié): : 三相感應電動機的磁動勢和磁場三相感應電動機的磁動勢和磁場 第第4 4節(jié)節(jié)：三相感應電動機的基本方程、相量圖和等效電路：三相感應電動機的基本方程、相量圖和等效電路 第第5 5節(jié)節(jié)：三相感應電動機的參數(shù)測定：三相感應電動機的參數(shù)測定 第第6 6節(jié)：節(jié)：鼠籠轉子參數(shù)的計算鼠籠轉子參數(shù)的計算 第第7 7節(jié)：節(jié)：感應電動機的功率關系、功率方程和轉矩方程感應電動機的功率關系、功率方程和轉矩方程 第第8 8節(jié)：節(jié)： 感應電動機

2、的電磁轉矩及機械特性感應電動機的電磁轉矩及機械特性 第第9 9節(jié)：節(jié)： 感應電動機的工作特性及其計算感應電動機的工作特性及其計算 第第1010節(jié)節(jié): : 感應電動機的起動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙籠電機 第第1111節(jié)：感應電動機的調速節(jié)：感應電動機的調速 第第1212節(jié)：特殊感應電動機節(jié)：特殊感應電動機 第第1313節(jié)：感應發(fā)電機節(jié)：感應發(fā)電機 第第1414節(jié)：感應電動機在不對稱電壓下的運行分析節(jié)：感應電動機在不對稱電壓下的運行分析 5-1 感應電機的結構感應電機的結構感應電機主要由靜止的定子和轉動的轉子兩大部分組成，定、轉子之間有一很小的空氣隙。 一、定子一、定子(a) 半

3、閉口槽 (b) 半開口槽 (c) 開口槽感應電動機的定子槽形 定子鐵心是主磁路的一部分，鐵心由0.5mm厚的硅鋼片疊成，在定子鐵心內圓上有均勻分布的槽，用來嵌放定子繞組。定子鐵心采用的槽形主要有：半閉口槽、半開口槽和開口槽. 感應電動機的定子三相定子繞組可接成星形接法或三角形接法 (a) 星形接法 ( b)三角形接法感應電動機接線板 二、轉子二、轉子 轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸等組成，轉子繞組也是電路的一部分，有鼠籠式和繞線式兩種形式 。根據(jù)加工工藝的不同，鼠籠轉子分為鑄鋁式和焊接式兩種 鼠籠式焊接轉子 (b) 鼠籠式鑄鋁轉子 (c)鼠籠鼠籠轉子 繞線式轉子繞組和定子繞組相似，在轉子槽內嵌

4、有三相繞組，通過滑環(huán)、電刷與外部接通 。繞線式轉子 一、感應電動機的工作原理一、感應電動機的工作原理5-2 感應電機的工作原理和運行狀態(tài)感應電機的工作原理和運行狀態(tài) 感應電動機工作原理 感應電動機工作原理是建立在電磁感應定律和電磁力定律基礎上 二、感應電機的運行狀態(tài)二、感應電機的運行狀態(tài) 設感應電機的轉速為n，旋轉磁場的轉速為同步速ns，二者之間的相對速度 稱為轉差速度，定義轉差速度與同步速之比為轉差率s ssnnns 轉差率是感應電機的一個重要參數(shù)，根據(jù)其正負和大小可以判斷電機的運行狀態(tài)，感應電機的運行狀態(tài)分為電動機運行狀態(tài)、發(fā)電機運行狀態(tài)和電磁制動運行狀態(tài)三種 。感應電機的三種運行狀態(tài) 三

5、、感應電動機的額定值三、感應電動機的額定值感應電動機的額定值及有關技術數(shù)據(jù)主要有： （1）額定功率：指額定運行時輸出的機械功率，單位為瓦（W）或千瓦 （kW）；（2）額定電壓：指額定運行狀態(tài)下定子繞組應加的線電壓，單位為伏 （V）或千伏（kV）；（3）額定電流：指額定電壓和額定功率下運行時的定子繞組線電流，單 位為安（A）或千安（kA）；（4）額定功率：指電動機供電電壓的頻率。我國規(guī)定工頻為50赫茲 （Hz）；（5）額定轉速：指電機額定運行時的轉速，單位為 轉/分（r/min）。 除此以外，銘牌上還標出額定運行狀態(tài)下的功率因數(shù)、效率、相數(shù)、接線方式和溫升等。對繞線式電機，還應標出定子外加額定電

6、壓時的轉子開路電壓和轉子額定電流等。 對于三相感應電動機，額定功率為 NNNNNIUPcos3N式中 、 分別為額定運行時的功率因數(shù)和效率 NcosN 1953年參照前蘇聯(lián)的A、AO系列設計了J、JO系列電機。1961年全國統(tǒng)一設計了J2、JO2系列，采用了E級絕緣，提高了性能。1971年起，設計了JO3系列電機，與老產(chǎn)品相比，重量平均減輕25.2%，起動轉矩提高34.5%。1979年開始，組織了Y系列電動機的統(tǒng)一設計，采用B級別絕緣。上世紀90年代，又設計了替代Y系列電動機的Y2系列，與Y系列相比，Y2系列提高了防護等級和絕緣等級，安裝尺寸及功率等級符合IEC標準。目前已完成了Y3系列的設計

7、，Y3系列電機全部采用冷軋硅鋼片，具有效率高、噪音低、起動性能好等優(yōu)點。 四、國產(chǎn)電動機簡介四、國產(chǎn)電動機簡介本節(jié)分析空載和負載時感應電機的磁動勢和磁場本節(jié)分析空載和負載時感應電機的磁動勢和磁場 一、空載運行時的磁動勢和磁場一、空載運行時的磁動勢和磁場5-3 三相感應電動機的磁動勢和磁場三相感應電動機的磁動勢和磁場1、空載磁動勢和空載電流、空載磁動勢和空載電流 感應電動機空載時，將定子繞組接至對稱三相電壓，便有對稱三相電流 在定子繞組中流過，該電流稱為空載電流。若不計諧波磁動勢，則該定子電流建立一基波旋轉磁動勢F1，其幅值為 10I1011135. 1IpkNFw在F1作用下產(chǎn)生氣隙磁場Bm，

8、Bm沿氣隙圓周正弦分布并以同步轉速旋轉 空載運行時定子磁動勢空載運行時定子磁動勢F1近似為產(chǎn)生氣隙主磁場的激磁近似為產(chǎn)生氣隙主磁場的激磁磁動勢磁動勢Fm，空載電流，空載電流 近似等于激磁電流近似等于激磁電流 。10ImI空載磁動勢和磁場 空載電流包括兩部分，絕大部分是用來產(chǎn)生旋轉磁場，稱為磁化電流，為無功分量，小部分用以供給空載損耗，為有功分量。 2、主磁通、定子漏磁通和感應電動勢、主磁通、定子漏磁通和感應電動勢 根據(jù)磁通通過的路徑的不同，將磁通分為兩部分：主磁通和漏磁通。由基波旋轉磁動勢產(chǎn)生的通過氣隙并與定子繞由基波旋轉磁動勢產(chǎn)生的通過氣隙并與定子繞組和轉子繞組同時交鏈的磁通稱為主磁通。組和

9、轉子繞組同時交鏈的磁通稱為主磁通。主磁通為每極下的磁通量，用 表示 。m四極感應電機主磁通分布圖 定子三相電流除產(chǎn)生主磁通 外，還產(chǎn)生僅與定子繞組交鏈而不與轉子繞組交鏈的磁通稱為定子漏磁通，用 表示。漏磁通包括三部分：即槽漏磁通、端部漏磁通和諧波漏磁通。 1 槽漏磁通和端部漏磁通 主磁路主要由定、轉子鐵心和氣隙組成是一個非線性磁路，主磁路主要由定、轉子鐵心和氣隙組成是一個非線性磁路，受磁路飽和程度影響較大受磁路飽和程度影響較大；而漏磁路的磁阻可認為是常值而漏磁路的磁阻可認為是常值。 感應電動機空載運行時的電磁關系如下圖所示 感應電動機空載運行時的電磁關系 主磁通在定子中感應出對稱三相感應電動勢

10、，其表達式為 mwkNfjE111144. 4111XI jE漏磁通將在定子三相繞組中感應的電動勢，其表達式為 111112LfIEX式中稱為定子漏抗，1L稱為定子漏電感 二、負載運行時的磁動勢和磁場二、負載運行時的磁動勢和磁場 當感應電動機帶負載時，轉速低于空載轉速，因而定子旋轉磁場與轉子的相對速度增加，轉子感應電動勢增大，電機內部電磁關系發(fā)生變化。 1、負載時的轉子磁動勢、負載時的轉子磁動勢 感應電動機負載運行時轉子繞組中產(chǎn)生感應電動勢，進而產(chǎn)生轉子電流，產(chǎn)生轉子磁動勢F2。 12606060sfnnnpnnnpnpfssss轉子感應電動勢的頻率為： 分析可知 F1與F2轉速相等，轉向相同

11、，在空間始終保持相對靜止 ，感應電機在任何轉速下均能產(chǎn)生恒定的電磁轉矩。感應電機負載時氣隙內的磁場由定、轉子磁動勢共同產(chǎn)生的。感應電機負載時氣隙內的磁場由定、轉子磁動勢共同產(chǎn)生的。 當負載運行時，轉子磁動勢除了與定子磁動勢共同產(chǎn)生主磁場外，還產(chǎn)生僅與轉子繞組交鏈的漏磁通，轉子漏磁通也包括槽漏磁通、端部漏磁通和諧波漏磁通三種。 2、轉子反應、轉子反應負載時感應電動機轉子磁動勢對氣隙磁場的影響稱為轉子反應。負載時感應電動機轉子磁動勢對氣隙磁場的影響稱為轉子反應。 LmIII11mI負載后定子電流中除激磁分量外，還有一個補償轉子磁動勢的負載分量 LI1 所產(chǎn)生的磁動勢F1L與轉子磁動勢F2大小相等，

12、方向相反，以維持氣隙內主磁通基本不變。 負載變化對定子的影負載變化對定子的影響是通過響是通過F2起作用的起作用的LI1即 F1L=F2 轉子磁動勢與主磁場轉子磁動勢與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉矩，相互作用產(chǎn)生電磁轉矩，02X繞線式電機的轉子磁動勢及磁場分布 轉子磁動勢幅值與氣隙磁場幅值之間的夾角為 90 02X繞線式電機的轉子磁動勢及磁場分布 轉子磁動勢幅值與氣隙磁場幅值之間的夾角為29002X籠型電動機的的轉子磁動勢及磁場分布 轉子磁動勢幅值與氣隙磁場幅值之間的夾角為 90籠型電動機的的轉子磁動勢及磁場分布 02X轉子磁動勢幅值與氣隙磁場幅值之間的夾角為2903、負載運行時的電磁關系、負載運行

13、時的電磁關系感應電動機負載運行時的電磁關系 三、激磁阻抗及漏抗三、激磁阻抗及漏抗 與變壓器中的分析方法類似，引入激磁阻抗表征主磁通對電路的電磁效應，則定子感應電動勢與激磁電流之間具有以下關系 )(1mmmmmjXRIZIEsssXI jEXI jE222111定、轉子漏磁通感應電勢與定、轉子電流之間有以下關系5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 、磁動勢方程、磁動勢方程 即負載時的定子磁動勢可分為兩部分，一部分是用來產(chǎn)生主磁通的激磁磁動勢Fm，另一部分用來抵消轉子磁動勢的負載分量-F2。mwmwwIpkNmFIpkNmFIpkNmF111222221111

14、129 . 029 . 029 . 0考慮到 5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 222111wwikNmkNmk 式中為定、轉子繞組的電流變比 2211122221IkIkNmkNmIiww為歸算到定子邊的轉子電流 miIkII21則：則：mIII21或：或：5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 磁動勢矢量圖及電流相量圖 該圖為感應電動機的磁動勢矢量圖和電流相量圖，考慮轉子漏阻抗時，轉子磁動勢F2滯后于激磁磁場Bm的角度為2905-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 二、電壓方程

15、二、電壓方程 感應電動機負載運行時，主磁通分別在定、轉子繞組中產(chǎn)生感應電動勢 mwmwskNfjEkNfjE1111222244. 444. 4定、轉子漏磁通分別在定、轉子繞組中產(chǎn)生漏電動勢 111112222244. 444. 4wwskNfjEkNfjE定、轉子繞組電阻分別產(chǎn)生電阻壓降 22RI11RI和5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 采用變壓器中各物理量正方向的規(guī)定，根據(jù)基爾霍夫第二定律可分別列寫出定、轉子電路的電壓方程式 222211111RIEERIEEUssssssssZIjXRIEZIEjXRIEU22222211111111或或111

16、jXRZssjXRZ222式中5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 將轉子電路中與頻率有關的物理量都注有下標s，用以表示轉子轉動時的參數(shù)，它們與轉差率的關系為 22221222222212222221222244. 444. 42244. 444. 4sEksNfkNfEsXsLfLfXsEksNfkNfEwwssmwmws則定、轉子電路的電壓平衡方程式可改寫為 222221111jsXRIEsEZIEUss5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 ( a) 定子等效電路 (b) 轉子等效電路定、轉子等效電路 5-4電動機

17、的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 三、感應電動機的等效電路及相量圖三、感應電動機的等效電路及相量圖定、轉子耦合電路示意圖 由上圖可見定、轉子電路之間只有磁的耦合，沒有電的聯(lián)系需要進行相應的頻率和繞組歸算，即把一個電路歸算到另一個電路中去。通常將轉子側物理量歸算到定子側。 5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 1、頻率歸算、頻率歸算 頻率歸算是指在保持電磁系統(tǒng)的電磁性能不變的前提頻率歸算是指在保持電磁系統(tǒng)的電磁性能不變的前提下，把一種頻率的物理量換算成另一種頻率的物理量。下，把一種頻率的物理量換算成另一種頻率的物理量。 2222

18、2222222/IjXsREjsXREsjXREIsss 對感應電機進行頻率的歸算是將轉子電路的頻率歸算成定子電路的頻率。要使轉子電路的頻率等于定子電路的頻率，應該用一個靜止的轉子代替實際轉動的轉子 5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 靜止電動機定、轉子耦合電路示意圖 21Rss電阻電阻 為表征機械功率的電阻為表征機械功率的電阻 5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 2、繞組歸算、繞組歸算 對感應電機進行了頻率歸算后，雖然解決了定、轉子頻率不同的問題，但不能把定、轉子電路連接起來。因此還要像變壓器中那樣進行繞組歸算。

19、 在歸算中必須保證歸算前后轉子的電磁效應不變，歸算后轉子各物理量斜上方標符號。由歸算前后轉子磁動勢不變得：2222211129 . 029 . 0IpkNmIpkNmww5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 2211122221IkIkNmkNmIiww歸算后轉子電流為 由感應電動勢與匝數(shù)、繞組因數(shù)的關系得：12222112EEkEkNkNEeww2211wwekNkNk 式中為電壓變比 由歸算前后轉子銅耗和漏磁場儲能保持不變得: 22222221222222212121XImXImRImRIm22222222121122222222212112XkkXk

20、NmkNmXRkkRkNmkNmReiwweiww則：則：5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 經(jīng)過繞組歸算，可得到轉子各物理量的歸算值 222222221XkkXRkkREkEIkIieieei經(jīng)頻率和繞組歸算后，感應電動機的基本方程為 mmmIIIZIEEXjsRIEZIEU2121222211115-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 歸算后的定、轉子等效電路 5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 3、感應電機的等效電路、感應電機的等效電路歸算后 ，可將定、轉子電路連接在一起，

21、所得等效電路稱為 “T”型等效電路型等效電路。 21EE感應電動機的 “T”型等效電路 5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 211221211212221111ZZcZUZZZIIZcZUZZZIIZZZZZUImmmmmmm由等效電路可得222Xj sRZmXXZZc1m111式中：為轉子等效阻抗 為修正系數(shù) 5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效電路 對“T”型等效電路簡化后可得到感應電動機的“”型等效電路 感應電動機的“”型等效電路 021ZZ可取5-4電動機的基本方程、相量圖和等效電路電動機的基本方程、相量圖和等效

22、電路 4、感應電機的相量圖、感應電機的相量圖相量圖畫法如下 感應電動機的相量圖 5-5 三相感應電動機的參數(shù)測定三相感應電動機的參數(shù)測定 、空載試驗與激磁參數(shù)的測定、空載試驗與激磁參數(shù)的測定1、空載試驗、空載試驗空載試驗的目的是測取激磁參數(shù)，并分離出鐵耗和機械損耗。 試驗時電機軸上不帶負載，定子繞組接到額定頻率的對稱三相電源，先將電機空載運行一段時間（約20分鐘左右）使其機械損耗達到穩(wěn)定，然后調節(jié)定子端電壓從1.11.2開始逐步降低至0.3U1N為止，測 79組數(shù)據(jù) 繪制成空載特性曲線11010UfpI、 空載特性曲線 5-5 三相感應電動機的參數(shù)測定三相感應電動機的參數(shù)測定 鐵耗和機械損耗的

23、確定 2、鐵耗與機械損耗的分離、鐵耗與機械損耗的分離空載輸入功率為 mecFeppRImp1210110mecFeppRImp1210110把不同電壓下的mecFepp以端電壓平方為橫坐標繪成曲線，即可分離額定電壓下的鐵耗和機械損耗 5-5 三相感應電動機的參數(shù)測定三相感應電動機的參數(shù)測定 3、激磁參數(shù)的確定、激磁參數(shù)的確定mZZZIU101012101100ImpR 20200RZX由空載時的等效電路得 2101ImpRFem已知額定電壓下的鐵耗Fep即可求得激磁電阻 10XXXm而空載運行時的等效電路 5-5 三相感應電動機的參數(shù)測定三相感應電動機的參數(shù)測定 二、短路試驗及短路參數(shù)的測定二

24、、短路試驗及短路參數(shù)的測定1、短路試驗、短路試驗 短路試驗也稱為堵轉試驗，試驗時將轉子堵轉,試驗應在較低的電壓下進行，一般從0.4U1N開始，逐漸降低電壓記錄一組數(shù)據(jù)繪制短路特性曲線I1k、kp1=f（U1） 短路特性曲線 5-5 三相感應電動機的參數(shù)測定三相感應電動機的參數(shù)測定 2、短路參數(shù)的確定、短路參數(shù)的確定短路時的等效電路 由短路時的等效電路可得 22211111kkkkkkkkRZXImpRIUZ鐵耗可略去不計， 則0mRkkmmkjXRXXjRXjRjXjXRZ222211)(5-5 三相感應電動機的參數(shù)測定三相感應電動機的參數(shù)測定 從上式解得22222222212222221XX

25、RXXXRXXXXXRXRRRmmmkmmk為簡化計算，假定21XX 20220122101202221021XRXXRXXXXXRXXRRRkk5-5 三相感應電動機的參數(shù)測定三相感應電動機的參數(shù)測定 經(jīng)整理后得到 002022210XXXXRXXkkkXXXRRR0012則202200021XRXXXXXXk 對于中、大型感應電動機，由于Xm很大，可將激磁支路去掉，則由短路時的近似等效電路可得 短路時的近似等效電路 22112kkXXXRRR5-6 鼠籠轉子參數(shù)的計算鼠籠轉子參數(shù)的計算一、鼠籠轉子的極數(shù)一、鼠籠轉子的極數(shù) 下圖為一籠型轉子處于兩極氣隙磁場的情況，可見，籠型轉子繞組本身沒有固

26、定的極數(shù)，它的極數(shù)完全取決于定子繞組所產(chǎn)生的氣隙磁場的極數(shù)，即總是與定子極數(shù)相同。 (a) 感應電動勢和電流5-6 鼠籠轉子參數(shù)的計算鼠籠轉子參數(shù)的計算(b)磁動勢鼠籠轉子導條中電動勢、電流及磁動勢5-6 鼠籠轉子參數(shù)的計算鼠籠轉子參數(shù)的計算二、鼠籠轉子的相數(shù)二、鼠籠轉子的相數(shù)鼠籠轉子的相數(shù)2m取決于轉子導條感應電動勢的相位 若 為整數(shù)，則一對極下所有導條的電動勢相量組成一個均勻分布的電動勢星形，籠型繞組是一個對稱多相繞組，其中每對極下的每一根導條構成一相。即鼠籠轉子的相數(shù)為 pQ /2pQm/2222Qm pQ /2若 為分數(shù)，則轉子相數(shù)為 每相串聯(lián)匝數(shù)為N2=1/2，繞組因數(shù) =12wk5

27、-6 鼠籠轉子參數(shù)的計算鼠籠轉子參數(shù)的計算三、鼠籠轉子參數(shù)的計算三、鼠籠轉子參數(shù)的計算 鼠籠轉子參數(shù)的計算分兩步：第一步求出轉子每相的電阻R2和漏電抗 ，第二步將他們歸算到定子邊，求出每相漏阻抗的歸算值。 2X1、轉子每相的漏阻抗、轉子每相的漏阻抗 每根導條的漏阻抗 ， 是每根端環(huán)的漏阻抗，導條中流過的電流是 ，端環(huán)中流過的電流是 ,各導條內電流的幅值相等，相鄰導條內電流在相位上相差 電角度 。 BZRZBIRI25-6 鼠籠轉子參數(shù)的計算鼠籠轉子參數(shù)的計算電路圖 (b) 電流相量圖鼠籠轉子的電路圖和電流相量圖 5-6 鼠籠轉子參數(shù)的計算鼠籠轉子參數(shù)的計算由相量圖得322211:b:aRBRR

28、BRIIIIII節(jié)點節(jié)點2sin22RBII根據(jù)幾何關系得 則一根導條和兩段端環(huán)的銅損耗為 RBBRBBRRBBRBcuRIRRIRIRIP222222222222sin22 2sin222222RBRBRRR整理上式得 5-6 鼠籠轉子參數(shù)的計算鼠籠轉子參數(shù)的計算 2sin22sin222sin222222222222222222RBRBRBBRBBRRBBRBCURBRRRRIRRIRIRIPII的銅耗為：則一根導條和兩段端環(huán)根據(jù)幾何關系可得：5-6 鼠籠轉子參數(shù)的計算鼠籠轉子參數(shù)的計算考慮到各對極下屬于同一相的 根導條是并聯(lián)的，所以轉子每相電阻為 2R 2sin21222222RBRBR

29、RppRR同理，由導條和端環(huán)的漏磁場儲能得轉子每相漏抗為 2X 2sin2122)(222RBXXpX5-6 鼠籠轉子參數(shù)的計算鼠籠轉子參數(shù)的計算2、轉子漏阻抗歸算值、轉子漏阻抗歸算值求出轉子每相的電阻和電抗后，將其歸算到定子邊得： 2221112221122211122222111222112221112244XQkNpmXkNkNkNmkNmXkkXRQkNpmRkNkNkNmkNmRkkRwwwwweiwwwwwei5-7 感應電動功率關系、功率方程和轉矩方程感應電動功率關系、功率方程和轉矩方程 感應電動機從外部電源吸收電能，經(jīng)電磁作用轉換為轉子軸上的機械能。本節(jié)將依據(jù)等效電路分析其能量

30、關系，推出功率方程和轉矩方程。 一、功率關系一、功率關系 感應電動機功率流程圖 5-7 感應電動功率關系、功率方程和轉矩方程感應電動功率關系、功率方程和轉矩方程二、功率方程二、功率方程 根據(jù)上述功率轉換過程，可得到感應電動機的功率方程式如下 admeccueFecueppPPpPPppPP2211 上述各種功率可在感應電動機“T”型等效電路中利用各種電阻上的損耗來表示 等效電路表示各種功率5-7 感應電動功率關系、功率方程和轉矩方程感應電動功率關系、功率方程和轉矩方程2221222122112111111111cosRssImPRImpRImpRImpIUmPcummFecu由上圖可知 sRI

31、mppPFecu222111eecuPsPsPp)1 (2經(jīng)推到得上式表明，電磁功率的s部分轉換為轉子銅耗，1-s部分轉換為機械功率。轉子銅損耗等于電磁功率與轉差率的乘積轉子銅損耗等于電磁功率與轉差率的乘積。5-7 感應電動功率關系、功率方程和轉矩方程感應電動功率關系、功率方程和轉矩方程三、轉矩方程三、轉矩方程02pPP將功率方程 兩端同除于機械角速度得轉矩方程如下：02TTTePTe22PT0p式中 ，為電磁轉矩， 為輸出轉矩， 為空載轉矩 ePsP1由于 則 eseTPP可見上述兩種方法均可計算電磁轉矩5-8 感應電動機的電磁轉矩及機械特性感應電動機的電磁轉矩及機械特性 電磁轉矩是感應電動

32、機的重要物理量，下面分別推出其三種不同的表達形式。 一、電磁轉矩的物理表達式一、電磁轉矩的物理表達式2221cosIEmPemwkNfE11122ikII22pf12因為電磁功率 , , ,電磁轉矩可表示為2222222coscos21ICIkNpmPTmTmwsee 上式即為物理表達式，表明感應電動機的電磁轉矩與感應電動機的電磁轉矩與氣隙合成磁場的磁通量及轉子電流的有功分量成正比氣隙合成磁場的磁通量及轉子電流的有功分量成正比。 5-8 感應電動機的電磁轉矩及機械特性感應電動機的電磁轉矩及機械特性二、電磁轉矩的參數(shù)表達式（機械特性）二、電磁轉矩的參數(shù)表達式（機械特性） 根據(jù)感應電動機 “”型等

33、效電路，并設 得 cXXcm11222212211222111XcXsRcRsRUmsRImPTsssee 若電機的外加電壓、極對數(shù)、角頻率、相數(shù)和等效電路參數(shù)已知，則上式唯一地表達了電磁轉矩和轉差率之間的函數(shù)關系，可用曲線表示，稱為轉矩轉差率曲線，又稱為機械特性 。5-8 感應電動機的電磁轉矩及機械特性感應電動機的電磁轉矩及機械特性感應電機的 曲線 sTe5-8 感應電動機的電磁轉矩及機械特性感應電動機的電磁轉矩及機械特性 在轉矩轉差率曲線中，有兩個對電機運行非常重要的轉矩參數(shù)，一是最大轉矩，另一個是起動轉矩。最大轉矩和起動轉矩是表征電機性能的重要指標，下面分別介紹。 1、最大轉矩、最大轉矩

34、可對轉矩轉差率公式求導數(shù) ，且令 ，即可求出產(chǎn)生最大轉矩時的轉差率 0dsdTedsdTe221212XcXRRcsmms為臨界傳差率，對應的最大轉矩為221211211max2XcXRRcUmTs5-8 感應電動機的電磁轉矩及機械特性感應電動機的電磁轉矩及機械特性當 ， 時，可得到如下簡化公式211XXR1c21211max2122XXUmTXXRssmNTTTKmax 為保證電動機不因短時過載而停轉，要求電動機具有一定的過載能力。將最大轉矩與額定轉矩之比稱為過載能力，用 表示TK5 . 26 . 1TK7 . 37 . 2TK通常 ，對于起重和冶金用感應電動機，。 5-8 感應電動機的電磁

35、轉矩及機械特性感應電動機的電磁轉矩及機械特性2、起動轉矩、起動轉矩 在感應電動機的轉矩轉差率曲線中， 所對應的轉矩稱為起動轉矩。1s2212212211XcXRcRRUmTsst 由上式可以看出，增大轉子電阻起動轉矩增大。對繞線式感應電動機，在轉子電路中串入電阻可改變起動轉矩。 2212121cXXRcRRst5-8 感應電動機的電磁轉矩及機械特性感應電動機的電磁轉矩及機械特性 對于籠型感應電動機，不能采用串電阻的方法提高起動轉矩，因此在進行電機設計時必須保證起動轉矩。通常將起動轉矩與額定轉矩的比值稱為起動轉矩倍數(shù)，用 表示 stKNststTTK三、電磁轉矩的實用表達式三、電磁轉矩的實用表達

36、式對于一般鼠籠式感應電動機，為 在2 左右 stK 下面推出較為實用的電磁轉矩表達式，即簡化的轉矩轉差率曲線。 5-8 感應電動機的電磁轉矩及機械特性感應電動機的電磁轉矩及機械特性2212212221211max2XcXsRcRsRXcXRRcTTe上式經(jīng)整理后得 mmmmmmesRcRsssssRcRsRcRsRcsRcssRcRRcTT2121212222212max212225-8 感應電動機的電磁轉矩及機械特性感應電動機的電磁轉矩及機械特性由于 和 很小，若忽略 不計，則 ms1R212RcsRmssssTTmme2max 上式為電磁轉矩的簡化計算公式，或稱為電磁轉矩的實用表達式。 5

37、-9 感應電動機的工作特性及其計算感應電動機的工作特性及其計算一、工作特性一、工作特性1、轉速特性、轉速特性 222122 212cosIEmRImPpsecu感應電動機工作特性曲線 可見感應電動機的轉速特性是一條略微向下傾斜的曲線，如圖所示。 )(2Pfn 轉速特性是指轉速與輸出功率之間的關系 。 由下式 5-9 感應電動機的工作特性及其計算感應電動機的工作特性及其計算2、定子電流特性、定子電流特性定子電流特性是指定子電流與輸出功率之間的關系 。 )(21PfI 21IIIm隨著負載的增加，轉子電流 加大，定子電流 隨之增加，其變化規(guī)律如圖所示 2I1I3、功率因數(shù)特性、功率因數(shù)特性功率因數(shù)

38、特性指功率因數(shù)與輸出功率之間的關系 )(cos21Pf5-9 感應電動機的工作特性及其計算感應電動機的工作特性及其計算 感應電動機的功率因數(shù)總是滯后的?？蛰d運行時，感應電動機的定子電流基本上是用以建立磁場的無功磁化電流，所以很小，通常小于0.2。隨著負載的增加，轉子電流有功分量增加，定子電流有功分量隨之增加，使功率因數(shù)逐漸上升，在額定負載附近，功率因數(shù)達到最大值。當負載增加到一定程度時，轉速較低，轉差率s較大，使功率因數(shù)下降，如圖中曲線所示 。5-9 感應電動機的工作特性及其計算感應電動機的工作特性及其計算4、轉矩特性、轉矩特性轉矩特性是指電磁轉矩與輸出功率的關系 )(2PfTe0202TPT

39、TTe 從空載到額定負載范圍內，轉速變化很小，若忽略轉速的變化，且T0可認為基本不變，所以可近似認為是一條斜率為 的直線。 15、效率特性、效率特性效率特性是指效率與輸出功率之間的關系 )(2Pf5-9 感應電動機的工作特性及其計算感應電動機的工作特性及其計算1121PpPP 從空載運行到滿載運行，由于主磁通和轉速變化很小，所以鐵耗和機械損耗基本不變，可視為不變損耗。而定、轉子銅耗和附加損耗隨負載變化而變化，為可變損耗?？蛰d時 ，所以=0，當不變損耗與可變損耗相等時效率達到最大值，之后繼續(xù)增大負載時，定、轉子銅損耗增加較快，效率反而下降。一般最大效率出現(xiàn)在額定負載的70100范圍內。 02P5

40、-9 感應電動機的工作特性及其計算感應電動機的工作特性及其計算二、用直接負載法計算工作特性二、用直接負載法計算工作特性 由試驗測得的 、 、 、 及 可得到電磁功率和電磁轉矩分別為 1P1I1RmecpFep、及 seeFeFecuePTpRImPppPP751211111轉子銅耗和雜散損耗分別為 2112%25 . 0NNadecuIIPpsPp5-9 感應電動機的工作特性及其計算感應電動機的工作特性及其計算輸出功率和率分別為1222PPppsPPpppPPadmeceeadmeccue11111cosIUmP功率因數(shù)為直接負載法主要適用于中、小型感應電機。如因條件所限不能做負載試驗時，一般

41、先測取電機參數(shù)，然后用等效電路間接計算工作特性。 5-10 感應電動機的起動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙籠電機一、籠型感應電動機的起動方法一、籠型感應電動機的起動方法籠型感應電動機的起動分直接起動和降壓起動兩種方法 1、直接起動、直接起動起動時一般電動機應滿足下列經(jīng)驗公式 電機容量電源總容量341NstIIIKIK為起動電流倍數(shù) 此方法簡單，無需任何起動設備5-10 感應電動機的起動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙籠電機2、降壓起動、降壓起動 （1）星）星三角起動三角起動 只適用于正常運行時定子繞組為三角形連接的電機，起動線路如圖所示。 星三角起動 5-10 感應電動機

42、的起動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙籠電機3133ZUZUIIDY可見采用星可見采用星三角起動（三角起動（Y/D）起動時，起動電流減為原來的起動時，起動電流減為原來的1/3，而起動轉矩也降低到原來的而起動轉矩也降低到原來的1/3。故只可用于輕載起動的場合。 5-10 感應電動機的起動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙籠電機（2）自耦變壓器起動）自耦變壓器起動 自耦變壓器起動法是利用自耦變壓器把電源電壓降低后再加到電動機定子繞組上，以減少起動電流。正常運行時，將自耦變壓器從電源切除，電動機直接接到電網(wǎng)上。圖為自耦變壓器降壓起動接線圖。 自耦變壓器起動 5-10 感應電動機的起

43、動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙籠電機 設自耦變壓器的變比為ak stastastIkIkI22111可見，自耦變壓器降壓起動法的自耦變壓器降壓起動法的電壓降低電壓降低 到，電網(wǎng)負擔的到，電網(wǎng)負擔的起動電流降低起動電流降低 到，起動轉到，起動轉矩也降低到矩也降低到 。 akU12astkI2astkT原理圖 5-10 感應電動機的起動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙籠電機二、繞線式感應電動機的起動二、繞線式感應電動機的起動1、轉子串接電阻起動、轉子串接電阻起動繞線式電機串阻起動 要使起動轉矩達到電機的最大轉矩，可使臨界轉差率sm=1，得到要串入的電阻為 222121)(R

44、kckcXXRReist5-10 感應電動機的起動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙籠電機2、轉子串頻敏變阻器起動、轉子串頻敏變阻器起動 頻敏變阻器的結構及等效電路 （a）結構示意圖 （b） 等效電路 轉子串頻敏變阻器起動的優(yōu)點是結構簡單，能自動平滑地減小電阻，無沖擊轉矩，壽命長，是一種無觸點變阻器，目前已獲得大量推廣和應用。缺點是電機結構復雜（與籠型相比），價格高。 5-10 感應電動機的起動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙籠電機三、三、 深槽和雙鼠籠感應電動機深槽和雙鼠籠感應電動機1、深槽式感應電機、深槽式感應電機 （a) 槽漏磁分布 （ b) 電流密度分布 （ c) 導

45、條有效截面積深槽式轉子導條中電流的集膚效應5-10 感應電動機的起動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙籠電機 深槽式感應電機的特點是槽深與槽寬之比達1012。槽漏磁通分布如圖（a）所示，交鏈槽底部分的漏磁通遠大于交鏈槽口部分的漏磁通，使得槽底漏抗大于槽口漏抗。電流密度沿槽高的分布曲線如圖（b）所示，這種現(xiàn)象稱為電流的集膚效應，其效果相當于導體的有效截面積減小，如圖（c）所示，轉子電阻增大從而滿足了起動要求。當起動結束后，電機正常運行時轉子電流頻率很低（一般為13Hz），集膚效應消失，轉子電阻自動變小接近等于直流電阻。 5-10 感應電動機的起動及深槽和雙籠電機感應電動機的起動及深槽和雙

46、籠電機2、雙鼠籠感應電動機、雙鼠籠感應電動機雙鼠籠轉子槽 雙鼠籠電動機的轉矩轉差率曲線 起動時，轉子頻率高集膚效應顯著，電流多被擠到電抗小電阻大的上籠，上籠又稱為起動籠；正常運行時，轉子頻率很低，集膚效應消失漏抗較小，電流多被擠到電阻小的下籠，下籠又稱工作籠 。5-11 感應電動機的調速感應電動機的調速 由感應電動機轉速表達式 可知，感應電動機的調速方法有以下三種 spfsnns16011一、變極調速一、變極調速 當改變定子繞組的極對數(shù)時，改變了旋轉磁場的轉速，即可改變電機的轉速，若極對數(shù)增加一倍，則同步速下降一半。顯然該調速方法只能做到一級一級地改變轉速，屬于有級調速。 改變定子繞組接線，使

47、每相的繞組中有一半繞組反向，改變定子繞組接線，使每相的繞組中有一半繞組反向，即可實現(xiàn)變極。即可實現(xiàn)變極。 5-11 感應電動機的調速感應電動機的調速 （a) 連接圖 （ b) 展開圖四極時一相繞組的連接5-11 感應電動機的調速感應電動機的調速 （a）連接圖 （b）展開圖兩極時一相繞組的連接5-11 感應電動機的調速感應電動機的調速二、變頻調速二、變頻調速在變頻調速時，通常希望電機的主磁通保持不變，則。常數(shù)mwkNfU111144. 4212121211max2fUKXXUmTs電動機的最大轉矩 TTNKfUKKTT2121max額定轉矩應為 5-11 感應電動機的調速感應電動機的調速TTee

48、KKffUUTT21212121eeTTffUU1111 若變頻前后電機的過載能力不變，則 ，定子電壓應按照下列規(guī)律進行調節(jié)TTKK 根據(jù)各種生產(chǎn)機械的不同要求，常采用恒轉矩調速和恒功率調速兩種方法，下面分別討論它們所對應的電壓調節(jié)規(guī)律。 5-11 感應電動機的調速感應電動機的調速1、恒轉矩變頻調速、恒轉矩變頻調速 恒轉矩調速是指整個調速過程中電機的輸出轉矩維持恒定，可得 常數(shù)1111fUfU恒轉矩變頻調速時電機的最大轉矩保持不變。 2、恒功率變頻調速、恒功率變頻調速 CfUfU1111由CTTPsesee得：最大轉矩將隨頻率的上升而下降 5-11 感應電動機的調速感應電動機的調速三、改變轉差

49、率調速三、改變轉差率調速改變轉差率實現(xiàn)調速的方法有多種，下面介紹幾種常用的方法。1、改變定子電壓調速、改變定子電壓調速改變定子電壓調速 這種調速方法的調速范圍小，且輕載時幾乎沒有調節(jié)作用；電機在額定負載下降壓時，電機電流將高于額定值，使電機過載運行。主要用于拖動風機類負載的小型感應電動機。 5-11 感應電動機的調速感應電動機的調速2、轉子串電阻調速、轉子串電阻調速這種調速方法僅適用于繞線式感應電動機sRRsR22改變轉子電阻調速 此種調速方法的優(yōu)點是：初期投資小、方法簡單、調速范圍較寬廣；缺點是：串入電阻越大，能量損耗越大，且機械特性斜率加大，動態(tài)精度變差，主要用于起重機等場合。 5-11

50、感應電動機的調速感應電動機的調速3、串級調速、串級調速 串級調速是在轉子回路中接入功率變換裝置，引入一附加感應電動勢實現(xiàn)調速，并將原本消耗于電阻上的電能轉化為機械能或回送電網(wǎng)的電能。 轉子帶變頻器的串級調速系統(tǒng) 整流器將轉差頻率的電流變?yōu)橹绷?，再?jīng)逆變器將直流變?yōu)楣ゎl交流，將電能送回電網(wǎng)，控制逆變器的逆變角，可改變逆變器的電壓，從而達到調速的目的。 5-11 感應電動機的調速感應電動機的調速4、雙饋電機調速、雙饋電機調速雙饋電動機調速系統(tǒng) 雙饋調速轉子外接電源為頻率、幅值、相位和相序均可調的三相交流電源。 當改變變頻器的頻率可實現(xiàn)調速，改變變頻器輸出相序時電機在超同步速下運行。調節(jié)變頻器輸出電

51、壓的大小和相位可以實現(xiàn)功率因數(shù)的調節(jié)。 5-12 特殊感應電動機特殊感應電動機一、單相感應電動機一、單相感應電動機1、單相感應電動機的工作原理、單相感應電動機的工作原理 單相感應電機接線圖 單相感應電動機的工作原理可利用雙旋轉磁場理論來說明。單相交流電所建立的磁動勢為脈振磁動勢，其基波分量可表示為 ),(),(cos21cos21coscos),(1111tftftFtFtFtfssssss對于正向旋轉磁場轉差率為 snnnsss112sffsf正向旋轉磁場轉子繞組產(chǎn)生的感應電動勢和電流的頻率為 5-12 特殊感應電動機特殊感應電動機對于反向旋轉磁場轉差率為 ssnnnsss22反向旋轉磁場在

52、轉子繞組中產(chǎn)生的感應電動勢和電流的頻率為 12)2(fsf正、反轉磁場分別產(chǎn)生正、反向電磁轉矩，如圖虛線所示 s單相感應電動機的 曲線eT 5-12 特殊感應電動機特殊感應電動機單相感應電動機的等效電路 2、等效電路、等效電路5-12 特殊感應電動機特殊感應電動機221222121115 . 025 . 05 . 05 . 0XjsRZIIXjsRZIIZZZUI由等效電路可得到定、轉子電流為222222221115 . 025 . 05 . 05 . 025 . 05 . 05 . 05 . 05 . 05 . 05 . 05 . 0XjsRZXjsRZZXjsRZXjsRZZjXRZmmmm，式中：5-12 特殊感應電動機特殊感應電動機正向電磁轉矩和反向電磁轉矩為sRITsRITsese25 . 015 . 0122 222 2合成電磁轉矩為 sRIsRITTTsseee25 . 015 . 0122 222 2 由于單相感應電動機始終存在一個反向轉矩，因此這種電機的性能要比三相感應電動機差，效率和功率因數(shù)較低。 5-12 特殊感應電動機特殊感應電動機3、起動方法、起動方法 根據(jù)起動方法及相應結構上的不同，單相感應電動機常用的起動方法有分相起動和罩極起動兩種。(1) 分相式電動機分相式電動機 （a） 電阻分相起動電動機 （b） 電容分相起動電動機5-