三相異步電動機

1、torque 轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)力矩 定義：轉(zhuǎn)矩是各種工作機械傳動軸的基本載荷形式，與動力機械的工作能力、能源消耗、效率、運轉(zhuǎn)壽命及安全性能等因素緊密聯(lián)系，轉(zhuǎn)矩的測量對傳動軸載荷的確定與控制、傳動系統(tǒng)工作零件的強度設(shè)計以及原動機容量的選擇等都具有重要的意義。 直流電動機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩計算公式TK=9.55KeIK 三相異步電動機的轉(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)正常輸入電壓時負載轉(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，導致電動機轉(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I2增加也是電動機軸上送出的轉(zhuǎn)矩M又回升，直到與M2相等為止。這時電動機轉(zhuǎn)速又趨于新的穩(wěn)定值。三相異步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩 異步電動機的機電能量轉(zhuǎn)換過程和直流電動機相似。其機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵在于作為耦合介質(zhì)的磁場對電系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的作用和反作用。在直流電機中，這種磁場由定、轉(zhuǎn)子雙邊的電流共同激勵，而異步電機的耦合介質(zhì)磁場僅由定子一邊的電流來建立。這種特殊性表現(xiàn)為直流電機的氣隙磁場是隨負載而變化

3、，由此發(fā)生了所謂電樞反應的問題，而異步電機的氣隙磁場基本上與負載無關(guān)，故無電樞反應可言。盡管如此，異步電動機由定子繞組輸入電功率，從轉(zhuǎn)子軸輸出機械功率的總過程和直流電動機還是一樣的。不過在異步電動機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，然后導出功率方程式和相應的轉(zhuǎn)矩方程式。一、功率轉(zhuǎn)換過程 異步電動機在負載時，由電源供給的、從定子繞組輸入電動機的功率為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)磁場由定子傳送到轉(zhuǎn)子，這部分功率就是異步電動機的電磁功率。它和直流電機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。異步電動機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)磁場傳遞電磁功率的過程中，與轉(zhuǎn)子鐵心存在著相對運動，旋轉(zhuǎn)磁場切割著轉(zhuǎn)子鐵心，理應引起轉(zhuǎn)子的鐵心中的鐵耗，但實際上由于異步電動機在正常運行時，轉(zhuǎn)差率很小，即氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子鐵心相對運動很小，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。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)運動的總機械功率pmec?？倷C械功率補償了機械損耗p，。和附加損耗p，就由軸上輸出凈機械功率戶：。這個異步電動機功率和能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系，可形象地用功率圖來表示，如圖417所示。 如果異步電動機的轉(zhuǎn)差率較大，則f2較大，那就應該考慮轉(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，還與主磁場相作用產(chǎn)生拖動轉(zhuǎn)矩和機械功率，正如轉(zhuǎn)子上             

6、60;                                     點擊演示的導條中的電流一樣。轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)的磁滯現(xiàn)象也會形成微弱的磁滯轉(zhuǎn)矩和機械功率。有些微型電動機和控制電動機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、磁滯同步電動機)。附加損耗亦產(chǎn)生制動的附加轉(zhuǎn)矩，因而消耗電動機軸上的機械功率。P的大小與氣隙大小及一些工藝因素關(guān)系極大，和直流機一樣，是堆于準確計算的。在小型異步電動機中，滿載時P可達輸出功率的13%，或更大些。在大型異步電動機中約為輸出功率的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。當異步電機處于電磁制動狀態(tài)時，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，還應從軸上輸入機械功率去補償。這里再次說明，異步電機處于電磁制動狀態(tài)時，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 由于在電機穩(wěn)態(tài)運行時，機械功率等于相應的轉(zhuǎn)矩與機械角速度的乘積。把機械功率的方程式Pmec=P2+ pmec+P，兩邊除以轉(zhuǎn)

9、子的機械角速度就可以得出相應穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩方程式Tem=T2+Tmec+ TT2+T0 這也是穩(wěn)態(tài)時電動機轉(zhuǎn)矩平衡規(guī)律。電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩減去對應的機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，就是電動機軸上的輸出機械轉(zhuǎn)矩。但這里必須注意到異步電動機與直流電動機中轉(zhuǎn)矩與功率對應情況稍有不同。在直流電機中總機械功率由全部電磁功率轉(zhuǎn)換而來，所以總的機械轉(zhuǎn)矩(負載轉(zhuǎn)矩加空載轉(zhuǎn)矩)就是與電磁轉(zhuǎn)矩相平衡，轉(zhuǎn)矩與功率一一對應是無疑的，但在異步電動機中，一方面總機械功率與電磁功率還相差一個數(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)矩與總的機械轉(zhuǎn)矩相平衡。這樣就找不

10、到一一對應的關(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。實質(zhì)只要注意到異步電動機的特性，即其中存在著兩個轉(zhuǎn)速，一個是旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，另一個是轉(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，下面說明這個問題：由總機械功率公式可知Pmec=(1-s)Pem=nPem / n0=Pem / 說明，總機械功率除以轉(zhuǎn)子的機械角速度與電磁功率除以旋轉(zhuǎn)磁場的同步角速度相等?？傻眠@種關(guān)系表明，電磁轉(zhuǎn)矩Tem既可以用轉(zhuǎn)子的總機械功率除以轉(zhuǎn)子機械角速度來計算，也可以用電磁功率除以同步角速度來計算。前者從轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生機械功率這一概念導出，由于轉(zhuǎn)子本身的機械角速度為，所以Tem= Pem /，后者則從旋轉(zhuǎn)磁

11、場對轉(zhuǎn)子作功這一概念出發(fā)，由于旋轉(zhuǎn)磁場以同步角速度0旋轉(zhuǎn)而拖動轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)磁場每秒所作的功，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)由電磁功率導出 關(guān)于異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩公式，也可以象直流電動機那樣，根據(jù)電磁力定律，用積分方法導出。這種方法讀者可參閱有關(guān)電機學的書籍。這里我們首先十分簡單地從等效電路和相量圖來推導。由式前面的結(jié)果，可得把歸算過的轉(zhuǎn)子電動勢公式代入上式，則上式CM1和直流電動機一樣，對已制成的電機是一個常數(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)分異步電機和同步電機?   異步電機(感應電機)的工作原理是通過定子的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應電流,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子中并不直接產(chǎn)生磁場.因此,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于同步速的(沒有這個差值,即轉(zhuǎn)差率,就沒有轉(zhuǎn)子感應電流),也因此叫做異步電機.       而同步電機轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(用永磁鐵或直流電流產(chǎn)生),定子旋轉(zhuǎn)磁場"拖著"轉(zhuǎn)子磁場(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)動,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.作為電動機時,大部分是用異步機;發(fā)電機都是同步機。結(jié)構(gòu) n  

13、60;      同步電機和異步電機的定子繞組是相同的，主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。同步電機的轉(zhuǎn)子上有直流勵磁繞組，所以需要外加勵磁電源，通過滑環(huán)引入電流；而異步電機的轉(zhuǎn)子是短路的繞組，靠電磁感應產(chǎn)生電流。相比之下，同步電機較復雜，造價高。l         用途n         同步電機大多用在大型發(fā)電機的場合。而異步電機則幾乎全用在電動機場合。同步電機可以通過勵磁靈活調(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，異步電機應用較多時，可附加一臺同步電機做調(diào)相機用，用來調(diào)節(jié)工廠與電網(wǎng)接口處的功率因數(shù)。但是，由于同步電機造價高，維護工作量大，現(xiàn)在一般都采用電容補償功率因數(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，需要依靠負載換流，這時需要用到同步電機。n         同步電機效率較異步電機稍高，在2000KW以上的電動機選型時，一般要考慮是否選用同步電機。但是，同步機因為有勵磁繞組和滑環(huán)，需要操作工人有較高的水平來控制勵磁，另外，比起異步電機的免維護來，維護工作量較大；所以，現(xiàn)在2500KW以下的電動機，現(xiàn)在大多選擇異步電機。在功率較小時，效率的差別已經(jīng)變得微不足道了。l