電機(jī)學(xué) 第五章.ppt

第五章感應(yīng)電機(jī),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)勢和磁場,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)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)勢和磁場，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。,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),二、感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速ns與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)差n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,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,空載運(yùn)行時(shí)，定子磁動(dòng)勢基本上就是產(chǎn)生氣隙主磁場的激磁磁動(dòng)勢，定子電流就近似等于激磁電流。計(jì)及鐵心損耗時(shí)，磁場在空間滯后于磁動(dòng)勢以鐵心損耗角，如圖5-6所示。,5.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢和磁場,一、空載運(yùn)行時(shí)的磁動(dòng)勢和磁場,1.空載運(yùn)行時(shí)的磁動(dòng)勢,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,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：,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。把作為負(fù)漏抗壓降來處理，可得,二、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢和磁動(dòng)勢方程,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F2相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n2：,1.轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢,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)勢的空間相位。,例題,負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢的基波對(duì)氣隙磁場的影響，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)勢和定子電流發(fā)生變化。它與主磁場相互作用，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),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)勢方程：圖5-11示出了負(fù)載時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢間的關(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)勢方程,返回,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,2.轉(zhuǎn)子電壓方程,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),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。,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,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)勢方程成為,3.T型等效電路和相量圖,4.近似等效電路,由此即可畫出形近似等效電路，如圖5-17所示。,返回,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,功率方程為：,其中,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,返回,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)的測定,空載特性曲線,2.鐵耗和機(jī)械損耗分離,返回,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)的測定,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,2.參數(shù)計(jì)算,返回,轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率特性曲線如圖525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,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,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)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。,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,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,先用空載試驗(yàn)測出電動(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,返回,導(dǎo)條,端環(huán),籠型繞組,返回,風(fēng)葉,鐵心,繞組,滑環(huán),軸承,返回,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的空載磁動(dòng)勢和磁場,返回,A,C,B,X,Y,Z,返回,感應(yīng)電機(jī)中主磁通所經(jīng)過的磁路,返回,端部漏磁,槽漏磁,返回,定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢之間的速度關(guān)系,返回,轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢波F2,氣隙磁場Bm,轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢波F2,氣隙磁場Bm,轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢與氣隙磁場在空間的相對(duì)位置,定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢的空間矢量圖和定、轉(zhuǎn)子電流相量圖,返回,返回,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子耦合電路圖,頻率歸算后感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電路圖,返回,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,返回,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的T形等效電路,異步電動(dòng)機(jī)相量圖,返回,形近似等效電路,返回,返回,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率圖,轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率特性曲線,返回,返回,1.00.80.60.40.20,300250200150100500,轉(zhuǎn)子電阻變化時(shí)的Te-s曲線,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,返回,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性,返回,24201612840,121086420,1.000.950.900.850.800.750,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的,返回,0.10.80.60.40.20,100806040200,24681012,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的,例51有一臺(tái)50Hz的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速nN730rmin，試求該機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率,解：s=(ns-nN)/ns=750-730/750=0.02667,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)勢相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；（3）轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢在空間的轉(zhuǎn)速。,解(1)轉(zhuǎn)子電流的頻率f2=sf1=0.0550=2.5Hz(2)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n2=60f2/p=(602.5)/2=75r/min(3)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢在空間的轉(zhuǎn)速n2+n=n2+ns(1-s)=1500r/min,例53已知一臺(tái)三相四極的籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，額定功率PNl0kW，額定電壓UN380V(三角形聯(lián)結(jié))，定子每相電阻R1=1.33,漏抗X12.43，轉(zhuǎn)子電阻的歸算值R2=1.12，漏抗歸算值X2=4.4，激磁阻抗Rm712，Xm900，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗p=100W，額定負(fù)載時(shí)的雜散損耗p=100W。試求額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩，定子和轉(zhuǎn)子相電流，定子功率因數(shù)和電動(dòng)機(jī)的效率。,定子功