電機及電力拖動第06章-三相感應(yīng)電動機的運行原理課件

1、第六章 三相感應(yīng)電動機的運行原理 6.1 三相感應(yīng)電動機的空載運行 6.2 三相感應(yīng)電動機的負(fù)載運行 6.3 感應(yīng)電動機的功率和電磁轉(zhuǎn)距 6.4 三相感應(yīng)電動機的工作特性 6.5 三相感應(yīng)電動機的參數(shù)測定 6.1 三相感應(yīng)電動機的空載運行三相感應(yīng)電動機的定轉(zhuǎn)子電路間沒有直接的電的聯(lián)系，它們之間的聯(lián)系是通過電磁感應(yīng)關(guān)系而實現(xiàn)的，這一點和變壓器相似。定子繞組相當(dāng)于變壓器的一次繞組 轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于變壓器的二次繞組6.1.1 空載電流和空載磁動勢空載電流 :電動機空載，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。定子空載磁動勢的幅值：若不計諧波磁動勢，三相空載電流所產(chǎn)生的合成磁動勢的基波

2、分量的幅值它以同步速n1的速度旋轉(zhuǎn)。勵磁磁動勢：空載時的定子磁動勢F0勵磁電流：空載時的定子電流有功分量無功分量用來供給空載損耗，包括空載時的定子銅損耗、定子鐵心損耗和機械損耗。用來產(chǎn)生氣隙磁場，也稱為磁化電流空載電流 主磁通m：定子漏磁通：不同參與能量轉(zhuǎn)換受飽和的影響磁路主磁通m參與較大非線性磁路定子漏磁通不參與較小一定條件下可以看作線性磁路勵磁磁動勢產(chǎn)生的磁通絕大部分同時與定轉(zhuǎn)子繞組相交鏈電動機中產(chǎn)生有用的電磁轉(zhuǎn)矩一小部分磁通僅與定子繞組相交鏈磁路由定轉(zhuǎn)子鐵心和氣隙組成6.1.2 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m在定子繞組中感應(yīng)的每相電動勢為

3、 ，定子漏磁通在每相繞組中感應(yīng)的電動勢為 ，定子繞組的每相電阻為R1電動機空載時每相定子電壓平衡方程式：式中 勵磁阻抗，其中Rm為勵磁電阻，是反映鐵耗的等效電阻，Xm為勵磁電抗，與主磁通m相對應(yīng)。式中 定子漏磁電抗，與漏磁通1相對應(yīng)。與變壓器的分析方法相似電壓方程式可改寫為： 式中 Z1定子漏阻抗，因為 ，可近似地認(rèn)為或 對于一定的電動機，當(dāng)頻率f1一定時，U1m。由此可見，在感應(yīng)電動機中，若外施電壓一定，主磁通m大體上也為一定值，這和變壓器的情況不同。 電動機的空載電流則較大在小型感應(yīng)電動機中，I0甚至可達(dá)到額定電流的60%。感應(yīng)電動機空載時的等效電路 6.2 三相感應(yīng)電動機的負(fù)載運行6.2

4、.1 負(fù)載運行時的物理情況負(fù)載運行時：電動機將以低于同步速n1的速度n旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)向則仍與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同氣隙磁場與轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速為 也就是氣隙旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組的速度轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電動勢，產(chǎn)生電流，其頻率為感應(yīng)電動機，一般s=0.02-0.06，當(dāng)f1=50Hz時，f=僅為（1-3）Hz除了定子電流 產(chǎn)生一個定子磁動勢F1外，轉(zhuǎn)子電流 還產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)子磁動勢F2， 而總的氣隙磁動勢則是F1和F2的合成。一、 轉(zhuǎn)子磁動勢的分析感應(yīng)電動機其轉(zhuǎn)子繞組都是一個對稱的多相系統(tǒng)電機其定轉(zhuǎn)子極數(shù)必須相等，這樣才能產(chǎn)生恒定的平均電磁轉(zhuǎn)矩對稱多相系統(tǒng)：由氣隙磁場感應(yīng)所產(chǎn)生的導(dǎo)條電動勢和導(dǎo)條電流 也就構(gòu)成相

5、應(yīng)的對稱多相系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子合成磁動勢F2：是一個旋轉(zhuǎn)磁動勢， 若不計諧波磁動勢，則轉(zhuǎn)子磁動勢的幅值為：式中 m2轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)； N2轉(zhuǎn)子繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)； K2轉(zhuǎn)子繞組的基波繞組因數(shù)；轉(zhuǎn)子電流的頻率為sf1，轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)p2=p1轉(zhuǎn)子合成磁動勢相對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度：合成磁動勢F2的轉(zhuǎn)向與定子磁動勢F1的轉(zhuǎn)向相同為順時針方向轉(zhuǎn)子磁動勢F2在空間的（即相對于定子）的旋轉(zhuǎn)速度為 n2+n=sn1+n=n1 即等于定子磁動勢F1在空間的旋轉(zhuǎn)速度。無論感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速n如何變化，定子磁動勢F1與轉(zhuǎn)子磁動勢F2總是相對靜止的。旋轉(zhuǎn)電機能夠正常運行的必要條件：定轉(zhuǎn)子磁動勢相對靜止二、 電動勢平衡方程式負(fù)載

6、時定子的電動勢平衡方程式：注意：負(fù)載時主磁通m乃是由定轉(zhuǎn)子磁動勢共同作用所產(chǎn)生負(fù)載時轉(zhuǎn)子電動勢 的頻率為 ，大小為感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子電路自成閉路，端電壓U2=0，所以轉(zhuǎn)子的電動勢平衡方程式：式中 轉(zhuǎn)子每相電流； 轉(zhuǎn)子每相電阻，對繞線型轉(zhuǎn)子還應(yīng)包括外加電阻； 轉(zhuǎn)子每相漏電抗， 。其中 為轉(zhuǎn)子每相漏電感； 為轉(zhuǎn)子每相漏阻抗轉(zhuǎn)子電流的有效值：三、 磁動勢平衡感應(yīng)電動機的磁動勢平衡方程式： F1=-F+Fm 定子磁動勢F1和轉(zhuǎn)子磁動勢F2在空間相對靜止，合并為一個合成磁動勢FmFm勵磁磁動勢，它產(chǎn)生氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場Fm等于空載時的定子磁動勢F0 轉(zhuǎn)子繞組中通過電流產(chǎn)生磁動勢F2的同時，定子繞組中就必然要

7、增加一個電流分量，使這一電流分量產(chǎn)生磁動勢-F2抵消轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁動勢F2，從而保持總磁動勢Fm近似不變 當(dāng)頻率一定時，電動勢 與主磁通m成正比。當(dāng)E1值近似不變時，m也近似不變，勵磁磁動勢也應(yīng)不變。物理意義：6.2.2 感應(yīng)電動勢的相量圖一、 時間相量與空間矢量時間相量：如電流 、電壓 空間矢量：如定、轉(zhuǎn)子磁動勢F1、F2單時軸-多相量法相量圖多時軸- 單相量法一般在電工中畫三相電流采用時間相量和空間矢量統(tǒng)一圖二、 感應(yīng)電動機的時-空相量圖繪制感應(yīng)電動機的時-空相量圖時，應(yīng)注意下列三個關(guān)系（對單相量-多時軸而言） 1）每一相都取自己的相軸作為時軸。2）相電流相量 （時間相量）與該電流系統(tǒng)產(chǎn)

8、生的合成磁動勢矢量F（空間矢量）重合。 3）主磁通與任意一相繞組交鏈的磁通相量m（時間時量）與主磁通的磁通密度波矢量Bm（空間矢量）重合。三個關(guān)系不僅用于分析感應(yīng)電動機，也適用于同步電動機定、轉(zhuǎn)子的時間相量圖轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的時空相量圖定、轉(zhuǎn)子畫在一起的時間相量圖a)定子U相b)轉(zhuǎn)子U相優(yōu)點：較全面地描述了感應(yīng)電動機的基本方程式，明確了各物理量之間的關(guān)系缺點：用它來對感應(yīng)電動機進(jìn)行分析和計算相當(dāng)麻煩時-空相量圖6.2.3 感應(yīng)電動機的等效電路折算目的：將折算后的轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組直接聯(lián)系起來，得到感應(yīng)電動機的等效電路。折算原則：轉(zhuǎn)子對定子繞組的電磁作用和感應(yīng)電動機的電磁性能不變。一、 用靜止的轉(zhuǎn)子代

9、替實際轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子頻率折算靜止不動的轉(zhuǎn)子代替實際轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子必要條件：b、 轉(zhuǎn)子對定子的作用也僅僅是通過磁動勢F2產(chǎn)生的。a、 F2總是在空間以同步速旋轉(zhuǎn)。1） 轉(zhuǎn)子位置角的折算 12的大小在變化，但轉(zhuǎn)子磁動勢F2總是與磁通密度波矢量Bm相差 電角度，而與12的大小無關(guān)。因可以簡單認(rèn)為u相相軸與U相相軸重合，即12=0，這就是轉(zhuǎn)子位置角的折算。2）頻率折算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電動勢轉(zhuǎn)子不動時，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電動勢 的頻率為 ，大小為式中 轉(zhuǎn)子不動時的轉(zhuǎn)子電動勢。 轉(zhuǎn)子不動時，轉(zhuǎn)子漏抗 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子漏抗 所以式中 轉(zhuǎn)子不動時的轉(zhuǎn)子漏抗上式代入轉(zhuǎn)子電流的有效值方程式：說明：頻率折算后，只要用 就

10、可保持轉(zhuǎn)子電流的大小不變，而轉(zhuǎn)子電流滯后電動勢的角度（即轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)角）為說明：頻率折算后，轉(zhuǎn)子電流的相位移沒有發(fā)生變化，這樣轉(zhuǎn)子磁動勢F2的幅值和空間位置也就保持不變。 說明頻率折算時，轉(zhuǎn)子電路應(yīng)串入一個附加電阻 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子具有動能（轉(zhuǎn)化為輸出的機械功率），當(dāng)用靜止的轉(zhuǎn)子代替實際轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子時，這部分動能就用消耗在電阻 上的電能來表示。 頻率折算后，轉(zhuǎn)子電流 具有相同的頻率。于是磁動勢平衡方程式也可用電流的形式表示，則得式中 定子電流的負(fù)載分量，空載時， ，所以 ；而負(fù)載時，隨著 的增大，定子電流也隨之增大。得二、 繞組折算 把實際上相數(shù)為m2、每相匝數(shù)為N2、繞組因數(shù)為K2的轉(zhuǎn)子繞組

11、折算成與定子繞組完全相同的一個等效繞組。折算后轉(zhuǎn)子各量稱為折算量，都加上符號“”表示。若折算后的轉(zhuǎn)子電流為 ，因折算前后轉(zhuǎn)子磁動勢不變，所以式中 Ki電流變比，磁動勢平衡方程式也就可以寫成：即：折算后轉(zhuǎn)子的每相電阻為Rr，因折算前后轉(zhuǎn)子銅耗不變，所以折算后的轉(zhuǎn)子電動勢為 ，因折算前后主磁通不變，所以電動勢與有效匝數(shù)成正比，即折算后轉(zhuǎn)子的每相電抗為X2，因折算前后轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)角不變，所以折算后轉(zhuǎn)子的每相阻抗 三、 感應(yīng)電動機的等效電路1） 基本方程式經(jīng)過頻率折算和繞組折算后感應(yīng)電動機的基本方程式為：2） 等效電路根據(jù)基本方程式，再仿照變壓器的分析方法，可以畫出感應(yīng)電動機的T型等效電路把T型

12、等效電路中的勵磁支路移到電源端，以簡化計算，得到簡化等效電路四、 感應(yīng)電動機的相量圖轉(zhuǎn)子繞組折算后的相量圖時-空相量圖經(jīng)折算，轉(zhuǎn)子u相相軸不再旋轉(zhuǎn)，并與定子U相相軸重合，轉(zhuǎn)子各量都用折算量表示，而且用電流關(guān)系代替了磁動勢關(guān)系 6.3 感應(yīng)電動機的功率和電磁轉(zhuǎn)矩6.3.1 功率轉(zhuǎn)換過程和功率平衡方程式感應(yīng)電動機運行時損耗的種類和性質(zhì)都與直流電動機相似電磁功率Pem:輸入的電功率P1扣除了定子繞組的銅耗PCU1和定子鐵耗PFe1后，余下的功率Pem=P1-PFe-Pcu1 總機械功率P:電磁功率減去轉(zhuǎn)子繞組的銅耗Pcu2 P=Pem-Pcu2 轉(zhuǎn)子軸端輸出的機械功率P2: 總機械功率減去機械損耗P

13、和附加損耗Ps P2=P-（P+Ps）感應(yīng)電動機的功率平衡方程式:P1輸入電功率Pem電磁功率P2輸出機械功率pcu1定子損耗pFe鐵損pcu2轉(zhuǎn)子銅損p機械損耗P 總機械功率ps附加損耗定子銅耗：電動機鐵耗（即定子鐵耗）：從電路的觀點來看，輸入功率P1減去R=和Rm上的損耗Pcu1和pFe后，應(yīng)等于在電阻 上所消耗的功率，即頻率折算后，必需引入電阻 的物理意義感應(yīng)電動機的特性中兩個重要的公式：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，電動機效率就越低，所以感應(yīng)電動機一般都運行在s=0.02-0.06的范圍內(nèi)。 只要知道了感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子銅耗和轉(zhuǎn)速，就可求出電磁功率Pem和總機械

14、功率P。6.3.2 轉(zhuǎn)矩平衡方程式電動機穩(wěn)定運行時，作用在電動機轉(zhuǎn)子上的有三個轉(zhuǎn)矩1）電磁轉(zhuǎn)矩Tem： 使電動機旋轉(zhuǎn)2）空載制動轉(zhuǎn)矩T0：機械損耗和附加損耗所引起3）反作用轉(zhuǎn)矩T2 ： 電動機所拖動的負(fù)載電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式：Tem=T2+T0 將式 代入式 ，得 感應(yīng)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩等于電磁功率除以同步角速度，也等于總機械功率除以轉(zhuǎn)子的機械角速度。6.3.3 電磁轉(zhuǎn)矩公式一、 電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式式中 CT轉(zhuǎn)矩常數(shù)， ，對已制成的電動機CT為一常數(shù)。 若取I2的單位為A，m的單位為Wb時， 轉(zhuǎn)矩Tem的單位為Nm。 感應(yīng)電動機電磁轉(zhuǎn)矩的重要性質(zhì)：感應(yīng)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩在磁通一定時，并不是與電

15、流I2成正比，而是與電流的有功分量 成正比。二、 電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式根據(jù)感應(yīng)電動機的簡化等效電路將上式代入式 ，單位為Nm。因為式中表示了轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系，所以也稱為T-s曲線方程?？紤]到此時U1E2，可得電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式： 6.4 三相感應(yīng)電動機的工作特性感應(yīng)電動機的工作特性：指在額定電壓、額定頻率下，電動機的轉(zhuǎn)速n、定子電流I1、功率因數(shù) 、電磁轉(zhuǎn)矩Tem、效率與輸出功率P2的關(guān)系曲線，即n、 、Tem、=f（P2）。 6.4.1 轉(zhuǎn)速特性 n=f（P2） sPem=pcu2感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速特性n=f（P2）是一根對橫軸稍微下降的曲線，與并勵直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)整特性相似。P2n

16、n空載時電流很小，隨著負(fù)載電流增大，電機的輸入電流增大。6.4.2 定子電流特性 I1f（P2）電流I1P26.4.3 功率因數(shù)特性功率因數(shù)cos1 空載時，定子電流基本上是個勵磁電流，功率因數(shù)很低， 僅為0.1-0.2 隨著負(fù)載的增加，定子電流的有功分量增加，功率因數(shù)逐 漸上升，在額定負(fù)載附近，功率因數(shù)達(dá)最大值. 超過額定負(fù)載后，由于轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)差 增大，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)下降較多，使定子 電流中與平衡的無功分量也增大，功率 因數(shù)反而有所下降。 轉(zhuǎn)速的變換范圍很小，從空載到滿載，轉(zhuǎn)速變化不大，可以認(rèn)為T2與P2成正比. 異步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 T2=f（P2）為一直線。而Tem=T2+T0，因T0近

17、似不變，所以Tem=f（P2）也為一直線.6.4.4 電磁轉(zhuǎn)矩特性 Temf（P2）電磁轉(zhuǎn)矩TemP26.4.5 效率特性 =f(P2)各種類型的電動機，其效率特性形狀是完全相同的。效率 6.5 三相感應(yīng)電動機的參數(shù)測定6.5.1 空載試驗要計算工作特性， 事先要知道電機參數(shù)。 和變壓器一樣， 通過做空載和短路試驗， 求出 、 、 、 、 和 。目的：測定勵磁支路的參數(shù)Rm、Xm以及鐵耗pFe和機械損耗P。方法：電動機空載、定子接到額定頻率的三相對稱電源，改變定子端電壓的大小可測得對應(yīng)的空載電流I0和空載輸入功率P0測定：相電壓U1、空載相電流I0、空載輸入總功率P0。計算：畫出 和 P0=P0-Pcu1=P+PFe I0、P0U120U1N2P0I0空載時，I2=0，從T型等效電路來看，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子開路，所以X0=Xm+X1 pFe的大小近似地與外施電壓的平方成正比 P則與電壓U1無關(guān) P近似為常值； 關(guān)系曲線基波是一條直線；延長直線與縱軸相交，交點以下部分， 即為機械損耗P， 額定電壓時的鐵耗即可從圖中對應(yīng)的 點求取。根據(jù)空