電機(jī)學(xué)第五章感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析

電機(jī)學(xué)第五章感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要研究定、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)換的感應(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，最后分析它的運(yùn)行特性和起動(dòng)，調(diào)速等問題。

第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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5.1

感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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)，如圖5-5所示

例題第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月額定功率PN

(kW)

：額定運(yùn)行時(shí)軸端輸出的機(jī)械功率；額定電壓UN

(V)

：額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的線電壓；額定電流IN

(A)：額定電壓下運(yùn)行，輸出功率為額定值時(shí)，定子繞組的線電流；額定頻率fN

(Hz)：定子的電源頻率；額定轉(zhuǎn)速nN

(r/min)

：額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。三、額定值返回第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)，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。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)

1.空載運(yùn)行時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)

第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.主磁通和激磁阻抗主磁通是通過氣隙并同時(shí)與定、轉(zhuǎn)子繞組相交鏈的磁通，它經(jīng)過的磁路(稱為主磁路)包括氣隙、定子齒、定子軛、轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子軛等五部分．如圖5-7所示。氣隙中的主磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁通將在定子每相繞組中感生電動(dòng)勢(shì)

第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月若主磁路的磁化曲線用一條線性化的磁化曲線來代替，則主磁通將與激磁電流成正比；于是可認(rèn)為與之間具有下列關(guān)系：第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.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，槽漏磁和端部漏磁如圖5-8a和b所示。定子漏磁通將在定子繞組中感應(yīng)漏磁電動(dòng)勢(shì)。把作為負(fù)漏抗壓降來處理，可得

第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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n2：

1.轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(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。例題第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

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：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。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。2.轉(zhuǎn)子反應(yīng)

第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

轉(zhuǎn)子反應(yīng)的兩個(gè)作用合在一起，體現(xiàn)了通過電磁感應(yīng)作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)理。由此可以進(jìn)一步導(dǎo)出負(fù)載時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)方程：

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)子電流的關(guān)系。3.負(fù)載時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)方程

→返回第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1.定子電壓方程

5.3三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電壓方程和等效電路一、電壓方程第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.轉(zhuǎn)子電壓方程

第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月定子轉(zhuǎn)子圖5-12表示電壓方程相應(yīng)的定、轉(zhuǎn)子的耦合電路圖定子繞組內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、等效電路

1.頻率歸算圖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。第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5-14表示頻率和繞組歸算后定、轉(zhuǎn)子的耦合電路圖。

2.繞組歸算第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

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3.T型等效電路和相量圖第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月4.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。返回第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)從電源輸入的電功率：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：

從定子通過氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率：

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)換功率第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月功率方程為：其中圖5-18表示相應(yīng)的功率圖。第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、轉(zhuǎn)矩方程和電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩例題返回第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1.試驗(yàn)?zāi)康?確定電動(dòng)機(jī)的激磁參數(shù)、鐵耗和機(jī)械損耗。一、空載試驗(yàn)5.5感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的測(cè)定空載特性曲線第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.鐵耗和機(jī)械損耗分離返回第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

參數(shù)計(jì)算

激磁電阻

空載電抗

激磁電抗5.5感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的測(cè)定第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

短路特性二、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)1.試驗(yàn)?zāi)康模捍_定感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的漏阻抗。等效電路第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.參數(shù)計(jì)算返回第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率特性曲線如圖5－25所示。

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)差率特性第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、最大轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩1.最大轉(zhuǎn)矩

2.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.討論感應(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)子電阻值無關(guān)，臨界轉(zhuǎn)差率則與轉(zhuǎn)子電阻成正比：轉(zhuǎn)子電阻增大時(shí)，臨界轉(zhuǎn)差率增大，但最大轉(zhuǎn)矩保持不變，此時(shí)Ｔｅ－ｓ曲線的最大值將向左偏移,如圖5-26所示；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子電阻值的增加而增加，直到達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩為止。第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三、機(jī)械特性(轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性)

工程中將感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線成為機(jī)械特性。電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載機(jī)械特性的交點(diǎn)稱為電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)。兩者之間的關(guān)系如圖5-27所示。

例題返回第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

在額定電壓和額定頻率下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、功率因數(shù)、效率與輸出功率的關(guān)系曲線稱為感應(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。5.7感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作特性一、工作特性第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

先用空載試驗(yàn)測(cè)出電動(dòng)機(jī)的鐵耗、機(jī)械損耗和定子電阻，再進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)求取工作特性。二、工作特性的求取1.直接負(fù)載法2.由參數(shù)算出電動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)在參數(shù)已知的情況下，給定轉(zhuǎn)差率，利用等效電路求出工作特性。

返回第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回導(dǎo)條端環(huán)籠型繞組第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回風(fēng)葉鐵心繞組滑環(huán)軸承第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的空載磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)返回ACBXYZ第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回感應(yīng)電機(jī)中主磁通所經(jīng)過的磁路第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回端部漏磁槽漏磁第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之間的速度關(guān)系第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回轉(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)位置第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量圖和定、轉(zhuǎn)子電流相量圖返回第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子耦合電路圖第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率歸算后感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電路圖返回第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回頻率和繞組歸算后感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電路圖第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的T形等效電路第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月異步電動(dòng)機(jī)相量圖

返回第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月形近似等效電路返回第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率圖第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率特性曲線返回第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回1.00.80.60.40.20

300250200150100500轉(zhuǎn)子電阻變化時(shí)的Te-s曲線11111111111111111111第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回242016128401210864201.000.950.900.850.800.750感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月返回0.10.80.60.40.2010080604020024681012感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月[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

第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

解：

s=(ns-nN)/ns

=

750-730/750=0.02667

第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月[例5-2]

有一臺(tái)50HZ、三相、四極的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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。

第58頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月解

(1)轉(zhuǎn)子電流的頻率

f2=sf1=0.05×50=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)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)在空間的轉(zhuǎn)速

n2+n=n2+ns(1-s)=1500r/min第59頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月例[5—3]

已知一臺(tái)三相四極的籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，額定功率

PN＝l0kW，額定電壓UN＝380V(三角形聯(lián)結(jié))，定子每相電阻R1