三相異步電動(dòng)機(jī)

1、torque 轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)力矩 定義：轉(zhuǎn)矩是各種工作機(jī)械傳動(dòng)軸的基本載荷形式，與動(dòng)力機(jī)械的工作能力、能源消耗、效率、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命及安全性能等因素緊密聯(lián)系，轉(zhuǎn)矩的測(cè)量對(duì)傳動(dòng)軸載荷的確定與控制、傳動(dòng)系統(tǒng)工作零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及原動(dòng)機(jī)容量的選擇等都具有重要的意義。 直流電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式TK=9.55KeIK 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為： S R2 M=C U12 公式 2 R22+（S X20）2 C：為常數(shù)同電機(jī)本身的特性有關(guān)； U1 ：輸入電壓 ； R2 ：轉(zhuǎn)子電阻； X20 ：轉(zhuǎn)子漏感抗； S：轉(zhuǎn)差率 可以知道MU12 轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，設(shè)正常輸入電壓時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為M2 ，電壓下降使電磁轉(zhuǎn)

2、矩M下降很多；由于M2不變，所以M小于M2平衡關(guān)系受到破壞，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，轉(zhuǎn)差率S上升；它又引起轉(zhuǎn)子電壓平衡方程式的變化，使轉(zhuǎn)子電流I2上升。也就是定子電流I1隨之增加（由變壓器關(guān)系可以知道）；同時(shí)I2增加也是電動(dòng)機(jī)軸上送出的轉(zhuǎn)矩M又回升，直到與M2相等為止。這時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速又趨于新的穩(wěn)定值。三相異步電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程和直流電動(dòng)機(jī)相似。其機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵在于作為耦合介質(zhì)的磁場(chǎng)對(duì)電系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的作用和反作用。在直流電機(jī)中，這種磁場(chǎng)由定、轉(zhuǎn)子雙邊的電流共同激勵(lì)，而異步電機(jī)的耦合介質(zhì)磁場(chǎng)僅由定子一邊的電流來建立。這種特殊性表現(xiàn)為直流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是隨負(fù)載而變化

3、，由此發(fā)生了所謂電樞反應(yīng)的問題，而異步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)基本上與負(fù)載無關(guān)，故無電樞反應(yīng)可言。盡管如此，異步電動(dòng)機(jī)由定子繞組輸入電功率，從轉(zhuǎn)子軸輸出機(jī)械功率的總過程和直流電動(dòng)機(jī)還是一樣的。不過在異步電動(dòng)機(jī)中的電磁功率卻在定子繞組中發(fā)生，然后經(jīng)由氣隙送給轉(zhuǎn)子，扣除一些損耗以后，在軸上輸出。在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中，不可避免地要產(chǎn)生一些損耗，其種類和性質(zhì)也和直流電機(jī)相似，這里不再分析。 下面僅就功率轉(zhuǎn)換過程加以說明，然后導(dǎo)出功率方程式和相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩方程式。一、功率轉(zhuǎn)換過程 異步電動(dòng)機(jī)在負(fù)載時(shí)，由電源供給的、從定子繞組輸入電動(dòng)機(jī)的功率為P1，從圖412所示的等值電路可看出，P1的一小部分消耗于定子電阻上的定于銅

4、耗PCu1，又一小部分消耗于定子鐵心中的鐵耗，余下的大部分電功率借助于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由定子傳送到轉(zhuǎn)子，這部分功率就是異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率。它和直流電機(jī)中的電磁功率稍有不同。前者是靠電磁作用而傳遞的功率，后者由電磁作用而轉(zhuǎn)換的功率。異步電動(dòng)機(jī)中的電磁功率傳送到轉(zhuǎn)子以后，必伴生轉(zhuǎn)子電流，有電流在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)通過，在轉(zhuǎn)子電阻上又發(fā)生了轉(zhuǎn)子銅耗Cu2。在氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)傳遞電磁功率的過程中，與轉(zhuǎn)子鐵心存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割著轉(zhuǎn)子鐵心，理應(yīng)引起轉(zhuǎn)子的鐵心中的鐵耗，但實(shí)際上由于異步電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，即氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子鐵心相對(duì)運(yùn)動(dòng)很小，以致轉(zhuǎn)子鐵心中磁通變化頻率很低，通常僅13Hzs，所以轉(zhuǎn)子

5、的鐵耗可以略去不計(jì)。這樣從定子傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率僅須扣除轉(zhuǎn)子鋼耗，便是使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的總機(jī)械功率pmec?？倷C(jī)械功率補(bǔ)償了機(jī)械損耗p，。和附加損耗p，就由軸上輸出凈機(jī)械功率戶：。這個(gè)異步電動(dòng)機(jī)功率和能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系，可形象地用功率圖來表示，如圖417所示。 如果異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率較大，則f2較大，那就應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)子鐵耗，鐵耗包括渦流損耗和磁滯損耗兩部分。鐵心中的渦流，除引起損耗之外，還與主磁場(chǎng)相作用產(chǎn)生拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩和機(jī)械功率，正如轉(zhuǎn)子上             

6、60;                                     點(diǎn)擊演示的導(dǎo)條中的電流一樣。轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)的磁滯現(xiàn)象也會(huì)形成微弱的磁滯轉(zhuǎn)矩和機(jī)械功率。有些微型電動(dòng)機(jī)和控制電動(dòng)機(jī)就是用這種渦流與磁滯的作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩與功率的(見第六章

7、磁滯同步電動(dòng)機(jī))。附加損耗亦產(chǎn)生制動(dòng)的附加轉(zhuǎn)矩，因而消耗電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械功率。P的大小與氣隙大小及一些工藝因素關(guān)系極大，和直流機(jī)一樣，是堆于準(zhǔn)確計(jì)算的。在小型異步電動(dòng)機(jī)中，滿載時(shí)P可達(dá)輸出功率的13%，或更大些。在大型異步電動(dòng)機(jī)中約為輸出功率的0.5。二、功率方程式根據(jù)上述功率轉(zhuǎn)換過程，可建立功率方程式如下：P1 - pCu1 - pFe = Pem P1=m1U1cos1pCu1=m1I21r1 pFe=m1I2mrm Pem=m1E2I2cos2=m1I22r2 / s 式中 U1定子相電壓， I1定子相電流， 1一定子功率因數(shù)角， 2轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角。  由pCu2 = s Pe

8、m可知，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n愈低，轉(zhuǎn)差率c愈大，或者說轉(zhuǎn)差功率s Pem，愈大，轉(zhuǎn)子銅耗就愈大。當(dāng)異步電機(jī)處于電磁制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，s > 1轉(zhuǎn)子銅耗大于電磁功率，故由定子傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率都消耗于轉(zhuǎn)子銅耗還不夠，還應(yīng)從軸上輸入機(jī)械功率去補(bǔ)償。這里再次說明，異步電機(jī)處于電磁制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，從電源和轉(zhuǎn)軸兩方面輸入功率，而消耗于轉(zhuǎn)子電阻上?？倷C(jī)械功率Pmwc為Pmec = Pem P Cu2=m1I22r2 / s - m1 I22 r2 = (1 s ) Pem 三、轉(zhuǎn)矩方程式 由于在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，機(jī)械功率等于相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩與機(jī)械角速度的乘積。把機(jī)械功率的方程式Pmec=P2+ pmec+P，兩邊除以轉(zhuǎn)

9、子的機(jī)械角速度就可以得出相應(yīng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩方程式Tem=T2+Tmec+ TT2+T0 這也是穩(wěn)態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡規(guī)律。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩減去對(duì)應(yīng)的機(jī)械損耗和附加損耗的轉(zhuǎn)矩，或者稍微粗略地說減去空載轉(zhuǎn)矩T0-之后，就是電動(dòng)機(jī)軸上的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩。但這里必須注意到異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)矩與功率對(duì)應(yīng)情況稍有不同。在直流電機(jī)中總機(jī)械功率由全部電磁功率轉(zhuǎn)換而來，所以總的機(jī)械轉(zhuǎn)矩(負(fù)載轉(zhuǎn)矩加空載轉(zhuǎn)矩)就是與電磁轉(zhuǎn)矩相平衡，轉(zhuǎn)矩與功率一一對(duì)應(yīng)是無疑的，但在異步電動(dòng)機(jī)中，一方面總機(jī)械功率與電磁功率還相差一個(gè)數(shù)值不大的轉(zhuǎn)子銅損耗，另一方面，又必須符合穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)矩平衡規(guī)律，即電磁轉(zhuǎn)矩與總的機(jī)械轉(zhuǎn)矩相平衡。這樣就找不

10、到一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，好象在功率與轉(zhuǎn)矩之間的平衡關(guān)系之間存在著矛盾。實(shí)質(zhì)只要注意到異步電動(dòng)機(jī)的特性，即其中存在著兩個(gè)轉(zhuǎn)速，一個(gè)是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，另一個(gè)是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，就可以洞悉其物理本質(zhì)而感到不足為奇了，下面說明這個(gè)問題：由總機(jī)械功率公式可知Pmec=(1-s)Pem=nPem / n0=Pem / 說明，總機(jī)械功率除以轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度與電磁功率除以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步角速度相等?？傻眠@種關(guān)系表明，電磁轉(zhuǎn)矩Tem既可以用轉(zhuǎn)子的總機(jī)械功率除以轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度來計(jì)算，也可以用電磁功率除以同步角速度來計(jì)算。前者從轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生機(jī)械功率這一概念導(dǎo)出，由于轉(zhuǎn)子本身的機(jī)械角速度為，所以Tem= Pem /，后者則從旋轉(zhuǎn)磁

11、場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子作功這一概念出發(fā)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步角速度0旋轉(zhuǎn)而拖動(dòng)轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每秒所作的功，即通過氣隙送到轉(zhuǎn)子的總功率為Pem，所以Tem= Pem /0。這種物理情況如圖4-18所示。四，電磁轉(zhuǎn)矩公式(一)由電磁功率導(dǎo)出 關(guān)于異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式，也可以象直流電動(dòng)機(jī)那樣，根據(jù)電磁力定律，用積分方法導(dǎo)出。這種方法讀者可參閱有關(guān)電機(jī)學(xué)的書籍。這里我們首先十分簡(jiǎn)單地從等效電路和相量圖來推導(dǎo)。由式前面的結(jié)果，可得把歸算過的轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)公式代入上式，則上式CM1和直流電動(dòng)機(jī)一樣，對(duì)已制成的電機(jī)是一個(gè)常數(shù)，亦稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。電流I2的單位為A，主磁通m的單位為Wb，則電磁轉(zhuǎn)矩M的單位為N·m。如何

12、區(qū)分異步電機(jī)和同步電機(jī)?   異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))的工作原理是通過定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子中并不直接產(chǎn)生磁場(chǎng).因此,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于同步速的(沒有這個(gè)差值,即轉(zhuǎn)差率,就沒有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流),也因此叫做異步電機(jī).       而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)(用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生),定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)"拖著"轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)動(dòng),因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速,也因此叫做同步電機(jī).作為電動(dòng)機(jī)時(shí),大部分是用異步機(jī);發(fā)電機(jī)都是同步機(jī)。結(jié)構(gòu) n  

13、60;      同步電機(jī)和異步電機(jī)的定子繞組是相同的，主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有直流勵(lì)磁繞組，所以需要外加勵(lì)磁電源，通過滑環(huán)引入電流；而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是短路的繞組，靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流。相比之下，同步電機(jī)較復(fù)雜，造價(jià)高。l         用途n         同步電機(jī)大多用在大型發(fā)電機(jī)的場(chǎng)合。而異步電機(jī)則幾乎全用在電動(dòng)機(jī)場(chǎng)合。同步電機(jī)可以通過勵(lì)磁靈活調(diào)節(jié)輸入側(cè)的電壓和

14、電流相位，即功率因數(shù)；異步電機(jī)的功率因數(shù)不可調(diào)，一般在0.75-0.85之間，因此在一些大的工廠，異步電機(jī)應(yīng)用較多時(shí)，可附加一臺(tái)同步電機(jī)做調(diào)相機(jī)用，用來調(diào)節(jié)工廠與電網(wǎng)接口處的功率因數(shù)。但是，由于同步電機(jī)造價(jià)高，維護(hù)工作量大，現(xiàn)在一般都采用電容補(bǔ)償功率因數(shù)。n         另外，一些早期采用晶閘管的變頻器，由于器件沒有自關(guān)斷能力，需要依靠負(fù)載換流，這時(shí)需要用到同步電機(jī)。n         同步電機(jī)效率較異步電機(jī)稍高，在2000KW以上的電動(dòng)機(jī)選型時(shí)，一般要考慮是否選用同步電機(jī)。但是，同步機(jī)因?yàn)橛袆?lì)磁繞組和滑環(huán)，需要操作工人有較高的水平來控制勵(lì)磁，另外，比起異步電機(jī)的免維護(hù)來，維護(hù)工作量較大；所以，現(xiàn)在2500KW以下的電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在大多選擇異步電機(jī)。在功率較小時(shí)，效率的差別已經(jīng)變得微不足道了。l