第五章感應(yīng)電動(dòng)機(jī)2008

第五章

感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析5.1感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)5.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)5.3三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電壓方程和等效電路5.4感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程5.5感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的測(cè)定5.8感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作特性5.6感應(yīng)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率曲線本章主要研究定、轉(zhuǎn)子間靠電磁感應(yīng)作用，在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)電流以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)接的感應(yīng)電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)一般都用作電動(dòng)機(jī)，在少數(shù)場(chǎng)合下，亦有用作發(fā)電機(jī)的。本章先說(shuō)明空載和負(fù)載時(shí)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)，然后導(dǎo)出感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本方程和等效電路，接著分析它的運(yùn)行特性和起動(dòng)，調(diào)速問題。

5.1

感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)一、感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)感應(yīng)電機(jī)定子繞組定子鐵心轉(zhuǎn)子機(jī)座籠型，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子繞組繞線型，結(jié)構(gòu)定子二、感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速ns與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差．轉(zhuǎn)差Δn與同步轉(zhuǎn)速ns的比值稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即：

轉(zhuǎn)差率是表征感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)基本變量。按照轉(zhuǎn)差率的正負(fù)和大小，感應(yīng)電機(jī)有電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電磁制動(dòng)三種運(yùn)行狀態(tài)，

s=(ns-n)/ns例題三、額定值額定功率PN：?jiǎn)挝粸榍?kw)

定子額定電壓UN：?jiǎn)挝粸榉?v)

定子額定電流IN：?jiǎn)挝粸榘?A)

額定頻率fN

：我國(guó)工頻規(guī)定為50赫(Hz)

額定轉(zhuǎn)速nN

：?jiǎn)挝粸檗D(zhuǎn)／分(r／min)5.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)一、空載運(yùn)行時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)空載運(yùn)行時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)空載運(yùn)行時(shí)。定子磁動(dòng)勢(shì)基本上就是產(chǎn)生氣隙主磁場(chǎng)的激磁磁動(dòng)勢(shì)，空載時(shí)的定子電流就近似等于激磁電流。計(jì)及鐵心損耗時(shí)，磁場(chǎng)在空間滯后于磁動(dòng)勢(shì)以鐵心損耗角，如圖5-6所示。主磁通和激磁阻抗氣隙中的主磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁通中Φm將在定子每相繞組中感生電動(dòng)勢(shì)E1

主磁通是通過(guò)氣隙并同時(shí)與定、轉(zhuǎn)子繞組相交鏈的磁通，它經(jīng)過(guò)的磁路(稱為主磁路)包括氣隙、定子齒、定子軛、轉(zhuǎn)于齒、轉(zhuǎn)子軛等五部分．如圖5-7所示。若主磁路的磁化曲線用一條線性化的磁化曲線來(lái)代替，則主磁通將與激磁電流成正比；于是可認(rèn)為E1與Im之間具有下列關(guān)系：

定子漏磁通和漏抗定子漏磁通又可分為槽漏磁、端部漏磁和諧波漏磁等三部分，圖5-8a和b分別示出了槽漏磁和端部漏磁的示意圖。定子漏磁通Φ1σ將在定子繞組中感應(yīng)漏磁電動(dòng)勢(shì)E1σ。把E1σ作為負(fù)漏抗壓降來(lái)處理，可得

二、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)方程

轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶上負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流的頻率f2應(yīng)為

轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F2相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n：，而轉(zhuǎn)子本身又以轉(zhuǎn)速n在旋轉(zhuǎn)，因此從定子側(cè)觀察時(shí)，F(xiàn)2在空間的轉(zhuǎn)速應(yīng)為

定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之間的速度關(guān)系，如圖5-9所示。圖5-10表示三相繞線型轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的空間相位。轉(zhuǎn)子反應(yīng)

負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的基波對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響，稱為轉(zhuǎn)子反應(yīng).轉(zhuǎn)子反應(yīng)有兩個(gè)作用：其一是使氣隙磁場(chǎng)的大小和空間相位發(fā)生變化，從而引起定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和定子電流發(fā)生變化。

轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的另一個(gè)作用是，它與主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)矩，以帶動(dòng)軸上的機(jī)械負(fù)載．這兩個(gè)作用合在一起，體現(xiàn)了通過(guò)電磁感應(yīng)作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)理。負(fù)載時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)方程

負(fù)載時(shí)，定子磁動(dòng)勢(shì)F1，可以分成兩部分：一部分是產(chǎn)生主磁通的激磁磁動(dòng)勢(shì)Fm,另一部分是抵消轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的負(fù)載分量-F2，即

負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的激磁磁動(dòng)勢(shì)是定、轉(zhuǎn)子繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)。上式亦可以改寫為

圖5-11示出了負(fù)載時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)間的關(guān)系，以及定子電流與激磁電流和轉(zhuǎn)于電流的關(guān)系。5.3三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電壓方程和等效電路一、電壓方程定子電壓方程

轉(zhuǎn)子電壓方程

圖5-12表示電壓方程相應(yīng)的定、轉(zhuǎn)子的耦合電路圖

二、等效電路

圖5-13表示頻率歸算后，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子的等效電路圖；圖中定子和轉(zhuǎn)子的頻率均為f1，轉(zhuǎn)子電路中出現(xiàn)了一個(gè)表征機(jī)械負(fù)載的等效電阻。頻率歸算

圖5-14表示頻率和繞組歸算后定、轉(zhuǎn)子的耦合電路圖。繞組歸算T型等效電路和相量圖

根據(jù)上式即可畫出感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的T形等效電路，如圖5-15所示。圖5-16表示與基本方程相對(duì)應(yīng)的相量圖。經(jīng)過(guò)歸算，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電壓方程和磁動(dòng)勢(shì)方程成為，近似等效電路由此即可畫出Γ形近似等效電路，如圖5—17所示。5.4感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程一、功率方程，電磁功率和轉(zhuǎn)換功率

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)從電源輸人的電功率：消耗于定子繞組的電阻而變成銅耗：消耗于定子鐵心變?yōu)殍F耗：借助于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用，從定子通過(guò)氣隙傳送到轉(zhuǎn)子，這部分功率稱為電磁功率：

寫成方程式時(shí)有：

正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，轉(zhuǎn)于中磁通的變化頻率很低，通常僅1～3Hz，所以轉(zhuǎn)子鐵耗一般可略去不計(jì)。因此，從傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率中扣除轉(zhuǎn)子銅耗后，可得轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的總機(jī)械功率(即轉(zhuǎn)換功率）

用電磁功率表示時(shí)，上式亦可改寫成

從PΩ中再扣除轉(zhuǎn)子的機(jī)械損耗pΩ和雜散損耗pΔ，可得轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械功率P2，即

圖5-18表示相應(yīng)的功率圖。二、轉(zhuǎn)矩方程和電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩例題一、空載試驗(yàn)等效電路一、空載試驗(yàn)

空載試驗(yàn)的目的是確定電動(dòng)機(jī)的激磁參數(shù)Rm、Xm，以及鐵耗pFe和機(jī)械損耗pΩ.如圖鐵耗和機(jī)械損耗分離如圖空載功率減去定子銅耗，即得鐵耗和機(jī)械損耗兩項(xiàng)之和

鐵耗與電壓的平方成正比機(jī)械損耗與電壓無(wú)關(guān)R1用萬(wàn)用表測(cè)5.5感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的測(cè)定

參數(shù)計(jì)算

激磁電阻

空載電抗

激磁電抗

計(jì)算所采用的值是在額定電壓下的值二、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)短路特性短路特性計(jì)算所采用的值是在額定電流下的值堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)等效電路短路特性短路參數(shù)計(jì)算堵轉(zhuǎn)(ｓ＝1)時(shí)的等效電路如圖所示參數(shù)計(jì)算堵轉(zhuǎn)(ｓ＝1)時(shí)的等效電路5.6感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率曲線一、轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率特性

如圖5－25所示

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的

轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率曲線-0.2-0.4-0.6-0.8-1.01.00.80.60.40.20

Tes電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)smTmax二、最大轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

最大轉(zhuǎn)矩

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩-0.2-0.4-0.6-0.8-1.01.00.80.60.40.20

TessmTmax臨界轉(zhuǎn)差率正比與轉(zhuǎn)子電阻Tmax正比與電壓的平方感應(yīng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，與定、轉(zhuǎn)子漏抗之和近似成反比；最大轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)子電阻值無(wú)關(guān)，臨界轉(zhuǎn)差ｓｍ則與轉(zhuǎn)于電阻Ｒ′2成正比：Ｒ′2增大

時(shí)，ｓｍ增大，但Ｔmax保持不變，此時(shí)Ｔｅ－ｓ曲線的最大值將向左偏移,如圖5-26所示。轉(zhuǎn)子電阻變化時(shí)的Te-s曲線1.00.80.60.40.20

300250200150100500起動(dòng)轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)差率正比與轉(zhuǎn)子電阻電壓變化-0.2-0.4-0.6-0.8-1.01.00.80.60.40.20

TesTmax正比與電壓的平方三、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性(機(jī)械特性)

把轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線T。=f(s)的縱、橫坐標(biāo)對(duì)調(diào)，井利用n=ns(1-s)把轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n,就可以得到轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性n=f(Ｔｅ)．如圖5-27所示。

例題5.8感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作特性一、工作特性

在額定電壓和額定頻率下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Ｔｅ、定于電流I1、功率因數(shù)cosФ1效率η與輸出功率P2的關(guān)系曲線n,

Ｔｅ，I1,cosФ1,η

=f(P2)稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作特性。

圖5-28表示一臺(tái)10kW的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性和定子電流特性．電磁轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)和效率特性如圖5-29所示。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)都在額定負(fù)載附近達(dá)到最大值，因此選用電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)使電動(dòng)機(jī)的容量與負(fù)載相匹配，以使電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、合理和安全地使用。一、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(1)改變供電電源的頻率f；(2)改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p——籠型轉(zhuǎn)子電機(jī)；(3)改變轉(zhuǎn)差率s：改變外施電壓U；

在轉(zhuǎn)子回路中引入外加電阻；在轉(zhuǎn)子回路中引入附加電勢(shì)。1、變極調(diào)速定子繞組需有特殊的繞法，使繞組的極對(duì)數(shù)能隨外部接線的改變而改變。屬于分級(jí)調(diào)速，具有兩種不同轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)稱為雙速電動(dòng)機(jī)。（轉(zhuǎn)子為鼠籠式）變極電機(jī)定子繞組的繞制有兩種方法：

1．雙繞組變極

2．單繞組變極2、變頻調(diào)速改變供電電源的頻率，可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，為無(wú)級(jí)調(diào)速變頻調(diào)速時(shí)，通常希望電動(dòng)機(jī)的主磁通m保持不變，因?yàn)樵龃髆將引起磁路過(guò)分飽和，激磁電流大大增加，功率因素降低。如m太小，則電機(jī)容量得不到充分利用。在改變頻率的同時(shí)，必須調(diào)節(jié)電壓，可根據(jù)不同負(fù)載要求，配以不同的U1/f1協(xié)調(diào)控制方式恒壓頻比時(shí)的機(jī)械特性sm210TstTmTems

n0n1smr2Tst23、改變外施電壓調(diào)速負(fù)載轉(zhuǎn)矩T保持不變當(dāng)外施電壓U1下降為額定值的x倍時(shí)，s增加原有值的1/x2倍。例：當(dāng)U1從UN降低至0.8UN時(shí)，轉(zhuǎn)差率便由原來(lái)的s1=ab，增加至s2＝ac，s2應(yīng)為s1的1/0.82＝1.56倍。普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)差率很小，設(shè)s＝0.04．則s2＝0.0625，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速便由0.96n1，下降到0.9375n1，調(diào)速范圍很小。帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)不適宜采用調(diào)壓調(diào)速方法。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)降壓時(shí)的人為機(jī)械特性snsm10TLUN0TstTmaxTemn1A0.8UN0.64Tst0.64Tmax3、線繞轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速1.在轉(zhuǎn)子回路中接入變阻器調(diào)速線繞轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中接入變阻器可以改變異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2.串級(jí)調(diào)速線繞轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中接入附加電勢(shì)實(shí)現(xiàn)調(diào)速轉(zhuǎn)子回路串電阻時(shí)的機(jī)械特性r2+Rs3Tst2sm2r2+Rs2Tst1sm1r2+Rs110TstTmTems

n0n1smr21.在轉(zhuǎn)子回路中接入變阻器調(diào)速機(jī)械特性變軟部分功率消耗在轉(zhuǎn)子串聯(lián)的電阻上，效率降低。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變，接入變阻器后轉(zhuǎn)子電流及轉(zhuǎn)子電流的功率因數(shù)均保持不變，定子電流及輸入功率也保持不變，而轉(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子銅耗增大，輸出功率下降，效率也隨之降低。機(jī)械特性變軟,負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速將發(fā)生顯著變化.恒轉(zhuǎn)矩2.串級(jí)調(diào)速當(dāng)轉(zhuǎn)子回路串入與轉(zhuǎn)子電勢(shì)sE2頻率相同而相位相反的附加電勢(shì)Ef后，轉(zhuǎn)子電流I2感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線

sn0nNsNnmsm10TNTstTmaxTemABCD定子串接電抗器時(shí)的機(jī)械特性10TmTemsms

n0n1Tm’xstsm’籠型繞組返回導(dǎo)條端環(huán)返回返回風(fēng)葉鐵心繞組滑環(huán)軸承返回定子繞組轉(zhuǎn)子定子軸承端蓋轉(zhuǎn)子繞組定子繞組出線盒集電環(huán)返回感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的空載磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)返回ACBXYZ感應(yīng)電機(jī)中主磁通所經(jīng)過(guò)的磁路返回返回端部漏磁槽漏磁定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之間的速度關(guān)系返回返回轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)波F2氣隙磁場(chǎng)Bm轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)波F2氣隙磁場(chǎng)Bm轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與氣隙磁場(chǎng)在空間的相對(duì)位置定,轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量圖和定,轉(zhuǎn)子電流相量圖返回5-12感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定，轉(zhuǎn)子耦合電路圖返回5-13頻率歸算后感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定，轉(zhuǎn)子電路圖返回圖5-14頻率和繞組歸算后感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定，轉(zhuǎn)子電路圖返回感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的T形等效電路返回異步電動(dòng)機(jī)相量圖

返回形近似等效電路返回感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率圖返回返回轉(zhuǎn)子電阻變化時(shí)的Te-s曲線返回1.00.80.60.40.20

300250200150100500感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性返回感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的返回242016128401210864201.000.950.900.850.800.750感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的返回0.10.80.60.40.2010080604020024681012[例5-2]有一臺(tái)50HZ、三相、四極的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，若轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率s=5%，試求：（1)轉(zhuǎn)子電流的頻率；(2)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；(3)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)在空間的轉(zhuǎn)速。解

(1)轉(zhuǎn)子電流的頻率

f2=sf1=0.05×50Hz=2.5Hz

(2)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速

n2=60f2/p=(60×2.5)/2=75r/min

(3)由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n＝ns(1-s)＝1500(1-0.05)r／min=1425r／min，所以轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)在空間的轉(zhuǎn)速應(yīng)為(1425+75)r／min＝1500r／min，即為同步轉(zhuǎn)速．[例5—1]有一臺(tái)50Hz的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速nN＝730r／min，試求該機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率解s=(ns-nN