异步电动机基本理论.doc

《异步电动机基本理论.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《异步电动机基本理论.doc（14页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第 12 章 异步电机的基本理论 工作原理、等效电路、功率平衡 转矩平衡、机械特性、工作特性 12-1 异步电动机的结构和工作原理 异步电机（Asynchronous Machines）的主要运行方式是电动机(Motor)运行。一.异步电动机（Asynchronous Motor)的结构 1.定子 定子铁心（1,2） 定子冲片（圆形冲片，扇形冲片），径向通风沟（风道），槽，槽型。 定子绕组：成型线圈（2），散嵌线圈，单层，双层，绕组联结方法。 其他部件：机座，端盖，风罩，铭牌等。 问题：定、转子铁心为什么必须用硅钢片叠压而成？ 2.转子 转子铁心（1，2）：转子冲片。 转子绕组： 1. 鼠笼式

2、(squirrel cage)绕组) 铸铝转子 2. 绕线式绕组 其他部件：轴，风扇等 3.气隙 定转子之间的间隙，很小，0.2-1mm.对电机的性能影响很大。 按结构分类： 鼠笼式异步电动机：结构简单，坚固耐用，制造容易，成本低廉； 启动、运行性能不如以下的绕线式。 绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的启动、调速等性能。 二.异步电动机的工作原理1.异步电动机的物理模型演示 模型图演示现象：一旦摇动手柄使磁铁以n1旋转，则鼠笼会跟着以转速 n 旋转，而且nn1。 异步电动机定子上有m(一般m=3或2)相对称的交流绕组。2.异步电动机的工作原理 （1）m相电流通入m相绕组在电机内部可自动产

3、生一个以n1为转速的旋转磁场； （2）转子导体在旋转磁场中（照片，鼠笼转子 照片，示意图）被磁力线切割将感应电势 e=Blv（e方向用右手定则判断）。 （3）自成闭路的转子导体在磁场中将有电流流过，载流的转子导体在旋转磁场中受到电磁力 f=Bli 的作用（f的方向用左手定则判断）。 （4）电磁力作用于转子将产生电磁转矩 T，T驱动转子以转速n旋转。 注： i. 根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机（英文为：Induction Motor);ii.n不等于n2 / 141, n1 发电机运行时，n高于同步转速n1, s0. 根据转差率可以区分异步电机的属何种运行状态：（看图1200-1

4、）五.电势平衡方程式1.定子绕组电势平衡方程式定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压降）包括： 主电势（感应电势）： 定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。有效值为： E1= 4.44 f1 N11kw1 漏磁电势（漏抗压降） 定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。 漏抗压降：E1=-jI1X1 电阻压降：R1I1 定子边方程式：U1=-E1+I1(R1+jX1) =-E1+I1Z1 2.转子绕组的电势及电流转子绕组的感应电势 转子绕组切割主磁通的转速 主磁通以同步速度n1旋转 转子以转速n旋转 转子绕组导体切割主磁通的

5、相对转速为(n1-n)=sn1 频率公式：f2=p.sn1/60=f1s (Hz) 结论：由于s很小，转子感应电势频率很低。一般 1-3 Hz 有效值 公式：E2s=4.44sf1N21kw2=E2s 感应电势与转差率成正比。 对绕线式三相异步电动机: 转子绕组每相串联匝数的计算方法同定子绕组的计算，相数也等于3。 对笼型转子来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，1根导条即为1相，可见相数=导条数=转子槽数*；每相串联匝数为半匝即1/2匝。 注意转子不动（s=1)时的感应电势与转子旋转时感应电势的关系。 转子绕组的阻抗 闭合的转子绕组中有电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。 漏抗公式：X2

6、s=2f2L2=2sf1L2=sX2 漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。 计入转子电阻后：Z2s=R2+jX2s 转子绕组中的电流 转子绕组短路，转子电压为0，感应电势全部加在转子阻抗上 转子回路方程：E2s=I2Z2s 转子电流：I2=E2s/Z2s=sE2/(R2+jsX2s)I2=sE2/sqrt(R22+(sX2)2) 讨论:转子电流随s的变化。(1200-2) 六.异步电动机的磁势平衡1.定子绕组的磁势幅值：F1=(m1/2).(0.9*I1N1./p)kw1 转速： n1=60f1/p 2.转子绕组磁势有效值：F2=(m2/2).(0.9*I2N2/p)kw2 转速： 转子电

7、流的频率 f2=sf1 转子磁势F2相对于转子的转速： n2= 60f2/p = 60 sf1/p= sn1= n1-n 转子磁势F2相对于空间的转速为 n2+n=（n1-n）+n=n1 结论：定、转子磁势在空间相对静止，均以同步速n1旋转。 3.磁势平衡方程式激磁电流Im产生激磁磁势Fm 建立主磁通1所需要的电流为激磁电流Im 。激磁磁势的幅值为：Fm=（m1/2）.(0.9*ImN1/p)kw1 激磁磁势近似不变 由电势方程式：U1=-E1+I1(R1+jX1)= -E1+I1Z1电源电压不变，阻抗压降很小，电势近似不变； 由公式：U1=4.44f1N11kw1，1近似不变； 可见，励磁磁

8、势和励磁电流几乎不变。 空载运行时，励磁磁势全部由定子磁势F0提供，即：F0=Fm 负载运行时，转子绕组中有电流I2流过，产生一个同步旋转磁势F2，为了保持原Fm不变，定子磁势F1除了提供激磁磁势Fm外，还必须抵消转子磁势Fm的影响，即：F1=F1F+Fm=(-F2+Fm) 异步电动机的磁势平衡方程： F1 + F2 = Fm; 即 (m1/2)(0.9*I1N1/p)kw1+(m2/2)(0.9*I2N2/p)kw2 =(m1/2)(0.9*ImN1/p)kw1 I1+(m2N2kw2)/(m1N1kw1)I2=I1+I2/ki=Im 结论：空载运行时，转子电流近似为0，定子电流等于励磁电流

9、；负载时，定子电流随负载增大而增大。 12.2 异步电动机的等效电路 等效电路(Equivalent circuit)法是分析异步电动机的重要手段。在异步电动机中，作出等效电路需要进行两个折算：(1)转子电路的频率折算；(2)与定子方面具有同样相数、匝数、绕组系数的转子绕组折算。 一.频率折算1.在什么情况下转子电路频率等于定子电路频率? 转子旋转时, 转差率为s，转子电路频率：f2=sf1 转子堵转时s=1，f2=sf1=f1, E2s=E2 ,X2s=X2故：转子堵转时 f2=f1 2.如何使转子电路的频率等于定子电路的频率? 频率折算后，希望磁势平衡不变，即转子电流不变: I2=sE2/

10、(R2+jsX2)不变。 将上式略作变化：I2=E2/(R2/s +jX2),此式就相当于转子堵转时的情况， 而转子电阻为 R2/s=（1-s)R2/s+R2结论：用一个堵转着的等效转子来代替一个以s为转差率实际旋转着的转子，这时只需要将异步电动机的转子电阻增加到R2/s即可，这就是频率折算的过程。 堵转的转子中多了一个附加电阻，而电流确没有变化，相当于多了一个电阻功率。 分析证明：附加电阻上消耗的电功率等于电机的总机械功率P。 二.绕组折算1.定义:用一个与定子方面具有同样相数m1、匝数N1和绕组系数kw1的等效转子绕组来替代实际的转子绕组(m2、N2、kw2)。 折算条件是：磁势幅值不变；

11、功率大小不变。 电流折算：根据磁势不变: (m1/2)(0.9*I2N1/p)kw1= (m2/2)(0.9*I2N2/p)kw2 I2=I2.(m2N2kw2)/(m1N1kw1)=I2/ki 电势折算：磁通应不变: E2=4.44f1N11kw1 E2=4.44f1N21kw2 E2=E2 ( N1kw1)/( N2kw2) = E2 ke 阻抗折算：功率不变:m1I22R2=m2I22R2R2=R2 m2/m1(I2/I2)2=R2 m2/m1(m2N2kw2/m1N1kw1)2=R2 keki=R2kz 漏电抗折算: X2= X2 kz 折算后转子电路方程式：E2/ke= kiI2 R

12、2 / (s keki)+j X2 / (keki)E2=I2 R2/s + jX2 三.等效电路 (Equivalent circuit) 激磁回路: Zm=Rm+jXm 折算后的磁势方程式: I1+(m2N2kw2/m1N1kw1)I2=I1+I2/ki=Im I1+I2=Im 经过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式: U1= -E1+I1(R1+jX1) E2= E1=I2(R2/s+jX2) Im = I1+I2 -E1=Im(Rm+jXm) 对应的等效电路： 简化等效电路： 四.相量图(Phasor diagram) 类似于绘制变压器相量图的方法 假设电动机的参数（1200-4）

13、和感应电势 E2= E1为已知，从转子电路方程出发可以一步一步作出异步电动机相量图。（看动画） 参考相量：水平方向为1，垂直方向为E（=E1）。 步骤： 在垂直方向做出E2相量 滞后arctan(s X2/R2)角度做出I2相量 根据E2=I2R2/s+jX2I2做出电阻压降和漏抗压降相量 在水平方向做出主磁通1相量 超前某一角度做出激磁电流Im相量 根据I1=Im+(-I2)做出I1相量 做出-E1=-E2相量 根据U1= -E1+I1(R1+jX1)做出U1相量，并标出公率因数角。 12-3 功率平衡和转矩平衡一.功率平衡方程及效率 功率流程图。（等效电路：1200-4） 输入功率: P1

14、= m1 U1 I1 cos1 定子铜耗: pCu1= m1 I12 R1 铁耗：定子铁心与旋转磁场相对转速为n1 较大，故铁耗主要为定子铁耗: pFe= m1 Im2 Rm 转子铁心与旋转磁场相对转速为sn1较小，故转子铁耗可以忽略不计。 电磁功率: PM= P1- pCu1- pFe= m1 E2 I2 cos2 转子铜耗: pCu2= m1 I22 R2 总机械功率: P=m1 I22 R2 (1-s) / s 机械损耗和附加损耗:p+p 式中： p= (0.5-3)% PN 输出功率: P2=P-p-p 故异步电动机的功率平衡方程式为: P2=P1 -pCu1-pFe-pCu2-p-p

15、=P1-p 功率流程图 (Power-flow diagram)： 几个常用的关系式:PM=m1I22 R2 /s = pCu2 / s 故： pCu2= s PMP= (1-s) PM 电机效率(efficiency): =P2/P1 = (P1-p) / P1 (100%) 二.稳态时转矩平衡方程 电磁转矩由机械功率产生:P=P2+p+p转矩平衡方程为:P/=P2/+(p+p)/T =T2+ p0 /= T2 + T0 12-5 异步电动机的工作特性分析 异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量转差率、转矩、电流、效率、功率因数分别随输出功率变化的关系曲线。 一.

16、转差率特性 s=f(P2) s = pCu2/PM=(m1R2I22)/(1T)=(m1R2I22)/(1CM1I2cos2)=(m1R2I2)/(1CM1cos2) 随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。 二.转矩特性T2=f(P2) 异步电动机的输出转矩:T 2=P 2/ 转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降。因为 sN=0.0150.06 转矩曲线为一个微微上翘的曲线。 三.电流特性I1= f(P2) I1 = - I2 + Im空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大（微微上翘）。 四.效率特性 = f(P2) =P2/(P2+pCu1+

17、pFe+pCu2+p+p)其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变； 效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。 异步电动机额定效率在（74-94）%之间；最大效率发生在(0.7-1.0)倍额定效率处。 五.功率因数特性 cos1= f(P2) 空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低； 随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高； 在额定功率附近，功率因数达到最大值。 如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率成正比），从而引起功率因数下降。 友情提示：方案范本是经验性极强的领域，本范文无法思考和涵盖全面，供参考!最好找专业人士起草或审核后使用。