課題四三相感應(yīng)電動機(jī)的運(yùn)行原理

1、課題四 三相感應(yīng)電動機(jī)的運(yùn)行原理教學(xué)目的及要求：通過教學(xué)使學(xué)生會分析交流電動機(jī)空載和負(fù)載運(yùn)行時的電壓平衡方程式，會繪制交流電動機(jī)的等效電路和相量圖；明確功率平衡關(guān)系和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，掌握轉(zhuǎn)矩公式；熟悉交流電動機(jī)空載實(shí)驗(yàn)和堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的方法和目的。教學(xué)方式：理論講解實(shí)驗(yàn)演示演示操作：電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置重點(diǎn)難點(diǎn)：三相感應(yīng)電動機(jī)的電壓平衡方程；轉(zhuǎn)矩公式；功率平衡關(guān)系、轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系；三相感應(yīng)電動機(jī)的試驗(yàn)4.1三相感應(yīng)電動機(jī)的空載運(yùn)行一、空載電流和空載磁動勢當(dāng)電機(jī)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I0 。I0也稱為勵磁電流，它的有功分量用來供給空載損耗，包括空載時的定子銅

2、損耗、定子鐵心損耗和機(jī)械損耗。無功分量用來產(chǎn)生氣隙磁場，也稱磁化電流，它是空載電流的主要部分。也可寫為：=+。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： 它以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。二、空載時的定子電壓平衡關(guān)系設(shè)定子繞組上每相所加的端電壓為，相電流為，主磁通在定子繞組中感應(yīng)的每相電動勢為，定子漏磁通在每相繞組中感應(yīng)的電動勢為，定子的每相電阻為，則電動機(jī)空載時每相的定子電壓平衡方程式為與變壓器類似于是電壓平衡方程可改寫為由上式可畫出感應(yīng)電動機(jī)空載時的等效電路和相量圖如圖4.1所示。圖4.1感應(yīng)電動機(jī)空載時的等效電路和相量圖4.2三相感應(yīng)電動機(jī)的負(fù)載運(yùn)行一、負(fù)載運(yùn)行時的物理情況負(fù)載運(yùn)行時，電機(jī)將

3、以低于同步轉(zhuǎn)速的速度n旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)向仍與n1的方向相同，因此，氣隙磁場與轉(zhuǎn)子的相對速度為,n也就是氣隙磁場切割轉(zhuǎn)子繞組的速度，于是在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電勢，產(chǎn)生電流，其頻率為：對感應(yīng)電機(jī)，一般s =0.020.06，當(dāng)f1=50Hz時，f2僅為（13 HZ）。負(fù)載運(yùn)行時，除了定子電流產(chǎn)生一個磁勢，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁勢作一說明。1. 轉(zhuǎn)子磁動勢的分析無論是籠型電機(jī)還是繞線型轉(zhuǎn)子電機(jī)，其轉(zhuǎn)子繞組都是一個對稱的多相系統(tǒng)。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁勢，其幅值為: 轉(zhuǎn)子磁動勢F2在空間的（相對于定子）旋轉(zhuǎn)速度為n2+n=sn1

4、+n=n1,即等于定子磁勢F1在空間的旋轉(zhuǎn)速度。上面的式子是在任意轉(zhuǎn)速下得到的，這就說明，無論電機(jī)的轉(zhuǎn)速如何變化，定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相對靜止。這是一切電機(jī)正常運(yùn)行的必要條件。2. 電動勢平衡方程式負(fù)載時，定子電流為，則負(fù)載時定子的電動勢平衡方程式為負(fù)載時，轉(zhuǎn)子電動勢的頻率為，轉(zhuǎn)子電動勢的大小為轉(zhuǎn)子的電動勢平衡方程為轉(zhuǎn)子電流的有效值為3. 磁動勢平衡由于定、轉(zhuǎn)子磁動勢相對靜止，因此可以合并成一個磁動勢Fm 。即： F1+F2=FmFm 也稱為勵磁磁動勢，它產(chǎn)生氣隙中的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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，

5、使這一分量產(chǎn)生磁勢 - F2抵消轉(zhuǎn)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F0。二、感應(yīng)電動機(jī)的相量圖根據(jù)變壓器負(fù)載運(yùn)行時的定、轉(zhuǎn)子電勢激磁勢平衡方程可以繪制出感應(yīng)電動機(jī)的相量圖如圖4.2（b）所示三、感應(yīng)電機(jī)的等效電路1.用靜止的轉(zhuǎn)子代替轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子頻率折算通過對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的分析可知,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后,轉(zhuǎn)子頻率的大小僅僅影響轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢相對于轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速 n2,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢相對于定子的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)為同步轉(zhuǎn)速,與轉(zhuǎn)子電流的頻率無關(guān),另外,定轉(zhuǎn)子之間是通過磁動勢相聯(lián)系的,所以只要保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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,我們對下式進(jìn)

6、行變換:上述公式說明，進(jìn)行頻率折算后，只要用代替Rr,就可以保持轉(zhuǎn)子電流的大小不變。而轉(zhuǎn)子電流滯后電動勢的角度為：說明頻率折算后，轉(zhuǎn)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Rr的等效轉(zhuǎn)子去代替電阻為Rr的實(shí)際旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,等效轉(zhuǎn)子將與實(shí)際轉(zhuǎn)子具有相同的轉(zhuǎn)子磁動勢。用靜止的轉(zhuǎn)子等效轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子時，轉(zhuǎn)子上的動能就用消耗在電阻 Rr上的電能來表示了。2.繞組的折算為了得到電機(jī)的等效電路以方便計算，我們仿照變壓器對電機(jī)進(jìn)行繞組的折算。折算后得值在右上角加“´”表示（1）電流的折算根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子磁動勢不變電流變比。（2）電壓的折算電壓變比Ke。（3）阻抗的的折算a)電阻的折算根

7、據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子銅耗不變b)電抗的折算根據(jù)折算前后電路的功率因數(shù)角不變c)阻抗的折算3.感應(yīng)電動機(jī)的等效電路經(jīng)過繞組折算后，感應(yīng)電動機(jī)的基本方程可寫為：由基本方程可作出感應(yīng)電動機(jī)的等效電路如圖4.2（a）所示。圖4.2三相感應(yīng)電動機(jī)的等效電路及相量圖4.3 感應(yīng)電動機(jī)的功率和電磁轉(zhuǎn)矩異步電動機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件，是通過電磁感應(yīng)作用把電能傳送到轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)化為軸輸出機(jī)械能。本節(jié)從能量觀點(diǎn)出發(fā)闡述電動機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過程，分析其功率和轉(zhuǎn)矩的平衡關(guān)系。一、功率轉(zhuǎn)換過程和功率平衡方程式感應(yīng)電機(jī)運(yùn)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(guān)系。由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場通過電磁感應(yīng)傳遞到轉(zhuǎn)子的功率，稱為

8、電磁功率。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的總機(jī)械功率轉(zhuǎn)子軸端輸出的機(jī)械功率P2感應(yīng)電動機(jī)的功率平衡方程為：功率變換過程可用功率圖（圖4.3）表示。圖4.3感應(yīng)電動機(jī)的功率圖從電路的觀點(diǎn)看這是在分析感應(yīng)電動機(jī)的特性中很重要的公式。它說明轉(zhuǎn)差s越大，電磁功率消耗在轉(zhuǎn)子銅耗中的比重就越大，電動機(jī)的效率就越低，所以感應(yīng)電動機(jī)一般都運(yùn)行在s=0.020.06的范圍內(nèi)。同時也說明，只要知道了感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子銅耗和轉(zhuǎn)速，就可求出電磁功率和總機(jī)械功率。二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，作用在電機(jī)上有三個轉(zhuǎn)矩。1）使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩Tem。2）由電機(jī)的機(jī)械損耗和附加損耗引起的空載制動轉(zhuǎn)矩T0。3)由電機(jī)所拖動的負(fù)載的反作用轉(zhuǎn)矩T2。

9、顯然Tem = T0 + T2三、電磁轉(zhuǎn)矩公式1.電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式上式表明，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與主磁通及轉(zhuǎn)子電流的有功分量的乘積成正比，即電磁轉(zhuǎn)矩是由氣隙磁場與轉(zhuǎn)子電流有功分量共同作用產(chǎn)生的。電動機(jī)中電流、磁通與作用力這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(dá)式。主要用于定性分析異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩大小。2.電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式根據(jù)感應(yīng)電動機(jī)的簡化等效電路考慮，可得因?yàn)槭街斜硎玖宿D(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系，所以也稱為Ts曲線方程。4.4三相感應(yīng)電動機(jī)的工作特性和參數(shù)測定一、三相感應(yīng)電動機(jī)的工作特性三相異步電動機(jī)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(jī)的定子電流、轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)差率

10、)、功率因數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩、效率與輸出功率的關(guān)系，即在、時，、的關(guān)系曲線。工作特性指標(biāo)在國家標(biāo)準(zhǔn)中都有具體規(guī)定，設(shè)計和制造都必須滿足這些性能指標(biāo)。工作特性曲線可用等值電路計算，也可以通過實(shí)驗(yàn)和作圖方法求得。圖4.4所示是一臺電動機(jī)的典型工作特性曲線。1.定子電流特性輸出功率變化時，定子電流變化情況如圖4.4所示。空載時，P2=0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，即nn1，此時定子電流就是空載電流，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流，所以，幾乎全部為勵磁電流。隨著負(fù)載的增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略有降低，轉(zhuǎn)子電流增大，為了磁動勢平衡，定子電流的負(fù)載分量也相應(yīng)的增大，I1隨著P2增大而增大。2. 轉(zhuǎn)速特性由可知，當(dāng)P2增加時，T2也增加，T2增

11、加會使轉(zhuǎn)速n降低，但是異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍較小，所以轉(zhuǎn)速特性是一條稍有下降的曲線。3. 轉(zhuǎn)矩特性異步電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)與負(fù)載制動轉(zhuǎn)矩TL相平衡，即T=TL=T2+T0，電動機(jī)從空載到額定負(fù)載運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速變化不大，可以認(rèn)為是常數(shù)。所以，T2與P2成比例關(guān)系。而空載轉(zhuǎn)矩T0可以近似認(rèn)為不變，這樣，T和P2的關(guān)系曲線也近似為一直線，如圖4.4所示。4. 功率因數(shù)特性圖4.4異步電動機(jī)的工作特性異步電動機(jī)空載運(yùn)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(fù)載的增大，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(fù)載附近，功率因數(shù)達(dá)到最大值。如果負(fù)載

12、繼續(xù)增加，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降較快，轉(zhuǎn)子漏抗和轉(zhuǎn)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. 效率特性由于損耗有不變損耗(PFe+Pmec)和可變損耗(PCu1+PCu2+Ps)兩大部分，所以電動機(jī)效率不僅隨負(fù)載變化而變化時，也隨損耗增加較慢，效率特性上升較快。當(dāng)不變損耗等于可變損耗時，電動機(jī)的效率達(dá)到最大值。以后負(fù)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(jī)在空載和輕載時，效率和功率都很低；而接近滿載，即(0.71)PN時，和都很高。在選擇電動機(jī)容量時，不能使它長期處于輕載運(yùn)行。二、三相感應(yīng)電動機(jī)參數(shù)測定和變壓器一樣，異步電動機(jī)也有兩

13、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R1、R1、X1、X1。這兩種參數(shù)，不僅大小懸殊，而且性質(zhì)也不同。前者決定于電動機(jī)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(jī)的飽和程度無關(guān)，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(yàn)和短路試驗(yàn)測定。1.空載試驗(yàn)空載試驗(yàn)的目的是確定電動機(jī)的勵磁參數(shù)以及鐵損耗和機(jī)械損耗。試驗(yàn)時，電動機(jī)軸上不帶任何負(fù)載，定子接到額定頻率的對稱三相電源上，將電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間(30min)使其機(jī)械損耗達(dá)到穩(wěn)定值，然后用調(diào)壓器改變電源電壓的大小，使定子端電壓從(1.11.3

14、)U1N開始，逐漸降低到轉(zhuǎn)速開始波動，定子電流也開始波動時所示對應(yīng)的最低電壓(約為0.2UN)為止，測取810點(diǎn)。每次記錄電動機(jī)的端電壓U10，空載電流I10，空載輸入功率P0和轉(zhuǎn)速n，即可得電動機(jī)的空載特性I0、P0= f(U1)，如圖4.5所示。空載時，轉(zhuǎn)子銅損耗和附加損耗很小，可忽略不計。此時電動機(jī)的三相輸入功率全部用以補(bǔ)償定子銅損耗、鐵損耗和轉(zhuǎn)子的機(jī)械損耗，即所以從空載功率減去定子銅損耗，就可得到鐵損耗和機(jī)械功率損耗兩項之和由于鐵損耗與磁通密度的平方成正比，因圖4.5異步電動機(jī)的空載特性此可認(rèn)為它與成正比，而機(jī)械損耗的大小僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，與端電壓高低無關(guān)，可認(rèn)為是個常數(shù)。因此，把不同電壓

15、下的機(jī)械損耗和鐵損耗兩項之和與端電壓的平方值畫成曲線，并把這一曲線延長到U1=0處，如圖4.6虛線所示。則虛線以下部分就表示與電源電壓大小無關(guān)的機(jī)械損耗，虛線以上部分就是鐵損耗。勵磁參數(shù)按下面的方法確定：定子加額定電壓時，根據(jù)空載試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)I10和P0，可以算出圖4.6機(jī)械損耗與鐵耗的求法電動機(jī)空載時，轉(zhuǎn)差率s=0，等值電路中附加電阻，根據(jù)等效電路，定子的空載總電抗X0應(yīng)為式中，X1可由下面短路試驗(yàn)測得，通過堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)求得后，于是可求出勵磁電抗。勵磁電阻則為2.堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)是在轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)時，對定子繞組施加不同數(shù)值的電壓，故又稱堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)。為防止試驗(yàn)時發(fā)生過電流，定子繞組必須加低電壓，一般從開始，用電流表監(jiān)視，以電流不超過額定值為準(zhǔn)，然后逐漸降低電壓。記錄定子相電壓UK、定子相電流IK