課題四三相感應電動機的運行原理10452

1、課題四三相感應電動機的運行原理教學目的及要求： 通過教學使學生會分析交流電動機空載和負載運行時的電壓平衡方程式，會繪制交流電動機的等效電路和相量圖；明確功率平衡關系和轉矩平衡關系，掌握轉矩公式;熟悉交流電動機空載實驗和堵轉實驗的方法和目的。教學方式：理論講解實驗演示演示操作：電機系統(tǒng)試驗裝置重點難點：三相感應電動機的電壓平衡方程；轉矩公式；功率平衡關系、轉矩平衡關系；三相感應電動機的試驗4.1三相感應電動機的空載運行一、空載電流和空載磁動勢當電機空載，定子三相繞組接到對稱的三相電源時，在定子繞組中流過的電流成為空載電流I。丨0也稱為勵磁電流，它的有功分量lop用來供給空載損耗，包括空載時的定子

2、銅損耗、定子鐵心損耗和機械損耗。無功分量loq用來產(chǎn)生氣隙磁場，也稱磁化電流，它是空載電流的主要部分。Io也可寫為：lo=lop + lop。三相空載電流所產(chǎn)生的合成磁動勢的基波分量的幅值為：Fo =1.35上凹Kwip它以同步轉速ni旋轉。二、空載時的定子電壓平衡關系設定子繞組上每相所加的端電壓為U1，相電流為Io,主磁通叮；m在定子繞組中感應的每相電動勢為Ei，定子漏磁通在每相繞組中感應的電動勢為E；：.，定子的每相電阻為 R1，則電動機空載時每相的定子電壓平衡方程式為Ui 二Ei - E1 ToRi與變壓器類似E-lo Rm jXmE；：.i 二jloXj于是電壓平衡方程可改寫為U -E

3、i lo Ri jX -：i =-Ei loZi4.i所示。由上式可畫出感應電動機空載時的等效電路和相量圖如圖Ux、jUGZio（a）等效電路! F,(b)相量圖圖4.1 感應電動機空載時的等效電路和相量圖4.2三相感應電動機的負載運行一、負載運行時的物理情況負載運行時，電機將以低于同步轉速的速度 n旋轉，其轉向仍與n1的方向相同，因此， 氣隙磁場與轉子的相對速度為 .訥=n 1 -n =sni , n也就是氣隙磁場切割轉子繞組的速度， 于 是在轉子繞組中感應出電勢，產(chǎn)生電流，其頻率為：60 60對感應電機，一般 s =0.020.06，當fi=50Hz時，f2僅為（13 HZ ）。負載運行時

4、， 除了定子電流產(chǎn)生一個磁勢，轉子電流也產(chǎn)生一個磁勢，總的磁勢是由它們合成，因此必須對轉子磁勢作一說明。1. 轉子磁動勢的分析無論是籠型電機還是繞線型轉子電機，其轉子繞組都是一個對稱的多相系統(tǒng)。轉子中的電流也一定是一個對稱的多相電流，產(chǎn)生的磁勢必是一個旋轉磁勢，其幅值為：F2 =0.9 m2N2Kw2I22p轉子磁動勢F2在空間的（相對于定子）旋轉速度為n2+n=sn1+n=n1,即等于定子磁勢 F1在空間的旋轉速度。上面的式子是在任意轉速下得到的，這就說明，無論電機的轉速如何變化，定子磁勢與轉子磁勢相對靜止。這是一切電機正常運行的必要條件。2. 電動勢平衡方程式負載時，定子電流為I1，貝恢載

5、時定子的電動勢平衡方程式為5 - £ Ii Ri jX ,-i 二-Ei 1憶1Ei =4.44fiNiKw怦 m負載時，轉子電動勢的頻率為E2 =4.44f2 N 2K w2 "m轉子的電動勢平衡方程為轉子電流的有效值為"詈”黔貉，轉子電動勢的大小為E2s - I2 Rr jX ；：2sIE2S_R2 X?2S3. 磁動勢平衡由于定、轉子磁動勢相對靜止，因此可以合并成一個磁動勢Fm。即:i+F2=FmFm也稱為勵磁磁動勢，它產(chǎn)生氣隙中的旋轉磁場。對上述公式其物理意義如下：在平衡方程式中，表現(xiàn)出：在轉子繞組中通過電流產(chǎn)生磁勢F2的同時，定子繞組中必然要增加一個分量

6、，使這一分量產(chǎn)生磁勢-F2抵消轉子電流產(chǎn)生的磁勢F2,從而保持總磁 動勢Fm近似不變，顯然Fm等于空載時的定子磁動勢 F。二、感應電動機的相量圖根據(jù)變壓器負載運行時的定、 轉子電勢激磁勢平衡方程可以繪制出感應電動機的相量圖如圖4.2 (b)所示三、感應電機的等效電路i. 用靜止的轉子代替轉動的轉子一頻率折算通過對轉子旋轉的分析可知，轉子旋轉后，轉子頻率的大小僅僅影響轉子旋轉磁動勢相對于轉子本身的轉速 n 2,轉子旋轉磁動勢相對于定子的轉速永遠為同步轉速，與轉子電流的頻率無關，另外,定轉子之間是通過磁動勢相聯(lián)系的，所以只要保持轉子旋轉磁動勢的大小不變，至于電流的頻率是多少無所謂.根據(jù)這個概念，我

7、們對下式進行變換e2e2s二sE2.R22 X22;：.sR2r （s：2）2上述公式說明，進行頻率折算后，只要用Rr代替Rr,就可以保持轉子電流的大小不變。而s轉子電流滯后電動勢的角度為：2 =arctg X-2s -arg RrRrRr s說明頻率折算后，轉子對定子的影響不變。由此可見，頻率折算是用一個靜止的電阻為口 Rr的等效轉子去代替電阻為Rr的實際s旋轉的轉子，等效轉子將與實際轉子具有相同的轉子磁動勢。用靜止的轉子等效轉動的轉子時，轉子上的動能就用消耗在電阻口 Rr上的電能來表示了。s2. 繞組的折算為了得到電機的等效電路以方便計算，我們仿照變壓器對電機進行繞組的折算。折算后得值在右

8、上角加表示(1)電流的折算根據(jù)折算前后轉子磁動勢不變mi 09 Ng 兀.pI2 號9N2Kw2m2N2Kw212I2miNiKwimi NiKwiK im2N2Kw2電流變比心。(2)電壓的折算E2=KeE2 二 KeE2 二 Ei電壓變比Ke。(3)阻抗的的折算a)電阻的折算根據(jù)折算前后轉子銅耗不變mi | 2 R' =m212Rrmdj_mG2Rr = KeKiRrb)電抗的折算根據(jù)折算前后電路的功率因數(shù)角不變X c2R'rX；2 -RrR rX ；一2X；2 =KeKiX；2Rrc）阻抗的折算Z； =KeKiZ23. 感應電動機的等效電路經(jīng)過繞組折算后，感應電動機的基本

9、方程可寫為：由基本方程可作出感應電動機的等效電路如圖4.2 （a）所示。UiRE-Ef-E2 = 12 + jx2 sCj)11 +i 2 = 10=-E Ii rijxi，-rm +jxm)2）等效電路（b）相量圖圖4.2三相感應電動機的等效電路及相量圖4.3感應電動機的功率和電磁轉矩異步電動機是一種機電能量轉換元件，是通過電磁感應作用把電能傳送到轉子再轉化為軸輸出機械能。本節(jié)從能量觀點出發(fā)闡述電動機的能量轉換過程，分析其功率和轉矩的平衡 關系。、功率轉換過程和功率平衡方程式感應電機運行時，不可避免地存在著一定的損耗，本節(jié)著重分析各種損耗之間的關系。由氣隙旋轉磁場通過電磁感應傳遞到轉子的功率

10、，稱為電磁功率Pem。"em R pFe Pcul轉子旋轉的總機械功率R 亠 Rm 一 Pcu2轉子軸端輸出的機械功率P2P2 =P.Ps感應電動機的功率平衡方程為:Pl =Pem 亠 Pcul 亠 PFePem = R pcu2R = F2 pPs功率變換過程可用功率圖（圖 4.3 ）表示。從電路的觀點看Pem 二P PCulPFeS%2*Pcu2 二sFem R i =（i）Pem這是在分析感應電動機的特性中很重要的公式。它說明轉差s越大，電磁功率消耗在轉子銅耗中的比重就越大，電動機的效率就越低， 所以感應電動機一般都運行在s=0.020.06的范圍內(nèi)。同時也說明，只要知道了感應

11、電動機的轉子銅耗和轉速，就可求出電磁功率和總機械功率。二、轉矩平衡方程式當電機穩(wěn)定運行時，作用在電機上有三個轉矩。1）使電機旋轉的轉矩 Tem2） 由電機的機械損耗和附加損耗引起的空載制動轉矩TO。3）由電機所拖動的負載的反作用轉矩T2。顯然Tem = TO + T2Tem 二T2 =P2TO 二Pem1 sPem=百三、電磁轉矩公式1. 電磁轉矩的物理表達式Tem 二缶 mi e2i 2cos 2“m=PmiNKl- 口12跡2 其中cPm1N1C .2即電磁轉矩是由上式表明，電磁轉矩的大小與主磁通及轉子電流的有功分量的乘積成正比,氣隙磁場與轉子電流有功分量共同作用產(chǎn)生的。電動機中電流、磁通

12、與作用力這3個量的方向符合左手定則這一物理規(guī)則，故稱物理表達式。主要用于定性分析異步電動機電磁轉矩大 小。2. 電磁轉矩的參數(shù)表達式根據(jù)感應電動機的簡化等效電路12 二5 R1考慮Ui : E2，可得Tem =mipUi2-RrIR|IR1 + 丄七 Xb +X®)2S因為式中表示了轉矩 T與轉差率s的關系，所以也稱為 Ts曲線方程。4.4三相感應電動機的工作特性和參數(shù)測定、三相感應電動機的工作特性三相異步電動機的工作特性是指電源電壓、頻率均為額定值的情況下，電動機的定子電流、轉速（或轉差率）、功率因數(shù)、電磁轉矩、效率與輸出功率的關系，即在5 =U1N、f =f N時，Il、n、CO

13、S i、Tem、匚-f P2的關系曲線。工作特性指標在國家標準中都有具體規(guī)定,設計和制造都必須滿足這些性能指標。工作特性曲線可用等值電路計算，也可以通過實驗和作圖方法求得。圖 4.4所示是一臺電動機的典型工作特性曲線。1.定子電流特性li =f P2輸出功率變化時，定子電流變化情況如圖4.4所示?？蛰d時，P2=0,轉子轉速接近同步轉速，即n n1,此時定子電流就是空載電流，因為轉子電流I2 ： 0 ,所以h =i0:-10 ,幾乎全部為勵磁電流。隨著負載的增大，轉子轉速略有降低， 轉子電流增大，為了磁動勢平衡，定子電流的負載分量也相應的增大，I 1隨著P2增大而增大。2.轉速特性n =f P2

14、由TP2可知，當P2增加時，T2也增加，T2增加會使轉速n降低，但是異步電動機 轉速變化范圍較小，所以轉速特性是一條稍有下降的曲線。3. 轉矩特性Tem二f P2異步電動機穩(wěn)定運行時， 電磁轉矩應與負載 制動轉矩TL相平衡，即T=TL=T2+T0，電動機從 空載到額定負載運行，其轉速變化不大，可以認 為是常數(shù)。所以，T2與P2成比例關系。而空載 轉矩T0可以近似認為不變，這樣，T和P2的關系曲線也近似為一直線，如圖4.4所示。4. 功率因數(shù)特性 cosFuf F2圖4.4 異步電動機的工作特性異步電動機空載運行時，定子電流基本上是產(chǎn)生主磁通的勵磁電流，功率因數(shù)很低，約為0.10.2。隨著負載的

15、增大，電流中的有功分量逐漸增大，功率因數(shù)也逐漸提 高。在額定負載附近，功率因數(shù)cos 1達到最大值。如果負載繼續(xù)增加，電動機轉速下降較快，轉子漏抗和轉子電流中的無功分量迅速增加，反而使功率因數(shù)下降，這樣就形成了如圖4.4所示的功率因數(shù)特性曲線。5. 效率特性=f F2由于損耗有不變損耗（FFe+Fmec）和可變損耗（PCu1+PCu2+FS）兩大部分，所以電動機效率 不僅隨負載變化而變化時，也隨損耗增加較慢，效率特性上升較快。當不變損耗等于可變損 耗時，電動機的效率達到最大值。以后負載繼續(xù)增加，可變損耗增加很快，效率開始下降。異步電動機在空載和輕載時，效率和功率都很低；而接近滿載，即（0.71

16、）PN時，n和cos 1都很高。在選擇電動機容量時，不能使它長期處于輕載運行。二、三相感應電動機參數(shù)測定和變壓器一樣，異步電動機也有兩類參數(shù)，一類是表示空載狀態(tài)的勵磁參數(shù)，即Rm、Xm另一類是表示短路狀態(tài)的短路參數(shù)，即Rl、R1'、XI、X1'。這兩種參數(shù)，不僅大小懸殊，而且性質也不同。 前者決定于電動機主磁路的飽和程度，所以是一種非線性參數(shù)；后者基本上與電動機的飽和程度無關，是一種線性參數(shù)。和變壓器等值電路中的參數(shù)一樣，勵 磁參數(shù)、短路參數(shù)可分別通過簡便的空載試驗和短路試驗測定。1.空載試驗空載試驗的目的是確定電動機的勵磁參數(shù)以及鐵損耗和機械損耗。試驗時，電動機軸上不帶任何負

17、載，定子接到額定頻率的對稱三相電源上，將電動機運轉一段時間(30min)使其機械損耗達到穩(wěn)定值，然后用調壓器改變電源電壓的大小，使定子端電壓從(1.11.3) U1N開始，逐漸降低到轉速開始波動，定子電流也開始波動時所示對應的最低電壓(約為0.2 UN)為止，測取810點。每次記錄電動機的端電壓U10,空載電流I 10,空載輸入功率F0和轉速n,即可得電動機的空載特性10、F0= f(U1)，如圖4.5所示?？蛰d時，轉子銅損耗和附加損耗很小，可忽略不計。此時電動機的三相輸入功率全部用 以補償定子銅損耗、鐵損耗和轉子的機械損 耗，即卩P0 = Pcu1 ' pFe ' P I所以

18、從空載功率減去定子銅損耗，就可得到鐵損耗和機械功率損耗兩項之和Rd = pFe P；由于鐵損耗PFe與磁通密度的平方成正比，因是個常數(shù)。因此，把不同電壓下的機械損耗和鐵損耗兩項之和與端電壓的平方值畫成曲線定子加額定電壓時，根據(jù)空載試O驗測得的數(shù)據(jù)I 10和F0，可以算出圖4.6機械損耗與鐵耗的求法此可認為它與U1成正比，而機械損耗的大小僅與轉速有關，與端電壓高低無關，可認為pZ UiIoR PoRo 2miloX。=爐2 R2電動機空載時，轉差率 s=0,等值電路中附加電阻 R：，根據(jù)等效電路，定子的空載總電抗X0應為X。=Xm X-1式中，Xi可由下面短路試驗測得，通過堵轉試驗求得Xj后，于是可求出勵磁電抗 Xm。勵磁電阻則為Rm =衛(wèi)吏2milo2.堵轉試驗堵轉試驗是在轉子堵住不轉時，對定子繞組施加不同數(shù)值的電壓， 故又稱堵轉試驗。為防止試驗時發(fā)生過電流，定子繞組必須加低電壓，一般從 6 = 0.10.3 U1N開始，用電流表監(jiān)視，以電流不超過額定值為準，然后逐漸降低電壓。記錄定子相電壓UK定子相電流IK和定子輸入三相功率 PK。然后作出短路特性lk=f(UK)和R<=f(UK)，如圖4.7 所示。異步電動機堵轉時，