电机学第五章课件.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第五章 感应电机,5.1,感应电机的结构和运行状态,5.2,三相感应电动机的磁动势和磁场,5.3,三相感应电动机的电压方程和等效电路,5.4,感应电动机的功率方程和转矩方程,5.7,感应动机 的转矩,转差率曲线,临沂师范学院,5.5,笼型转子的极数、相数和参数计算,5.6,感应电动机参数的测定,5.8,感应电动机的工作特性,5.9,感应电动机的起动，深槽和双笼感应电动机,5.10,感应电动机的调速,5.11,单相感应电动机,5.13,感应发电机和直线感应电动机,本章主要研究：,定、转子间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转,换,的感应电机。感应电机一般都用作电动机，在少数场合下，亦有用作发电机的。,本章先说明空载和负载时三相感应电动机内的磁动势和磁场，然后导出感应电动机的基本方程和等效电路，,最后,分析它的运行特性和起动、调速,等,问题。,一、感应电机的结构,感应电机,定子绕组,（,图片,）,定子铁心,（,图片,、,槽形,）,转子,机座,（,图片,）,笼型,结构,转子铁心,（,图片,）,转轴（,图片,）,转子绕组,绕线型,结构,定子,5.1,感应电机的结构和运行状态,二、,感应电机的运行状态,旋转磁场的转速 与转子转速 之差称为转差。转差 与同步转速 的比值称为转差率，用 表示，即：,转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态，,如图,5-5,所示,例题,额定功率,P,N,(kW),：额定运行时轴端输出的机械功率；,额定电压,U,N,(V),：额定运行时定子绕组的线电压；,额定电流,I,N,(A),：额定电压下运行，输出功率为额定值时，定子绕组的线电流；,额定频率,f,N,(Hz),：定子的电源频率；,额定转速,n,N,(r/min),：额定运行时转子的转速。,三、额定值,返回,空载运行时，定子磁动势基本上就是产生气隙主磁场的激磁磁动势，定子电流就近似等于激磁电流。计及铁心损耗时，磁场在空间滞后于磁动势以铁心损耗角，,如图,5-6,所示,。,5.2,三相感应电动机的磁动势和磁场,一、空载运行时的磁动势和磁场,1.,空载运行时的磁动势,2.,主磁通和激磁阻抗,主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通，它经过的磁路,(,称为主磁路,),包括气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭等五部分（,如图,5-7,所示,）。,气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通 将在定子每相绕组中感生电动势,若主磁路的磁化曲线用一条线性化的磁化曲线来代替，则主磁通将与激磁电流成正比；于是可认为,与,之间具有下列关系：,3.,定子漏磁通和定子漏抗,定子漏磁通又可分为,槽漏磁,、,端部漏磁,和,谐波漏磁,等三部分，槽漏磁和端部漏磁,如图,5-8a,和,b,所示。,定子漏磁通 将在定子绕组中感应漏磁电动势 。把 作为负漏抗压降来处理，可得,二、负载运行时的转子磁动势和磁动势方程,当电动机带上负载时，转子感应电动势和电流的频率 应为,转子电流产生的旋转磁动势 相对于转子的转速为 ：,1.,转子磁动势,转子本身又以转速 在旋转，因此从定子侧观察时，在空间的转速应为,定子和转子磁动势之间的速度关系，,如图,5-9,所示。,图,5-10,表示三相绕线型转子的转子磁动势的空间相位。,例题,负载时转子磁动势的基波对气隙磁场的影响，称为转子反应。转子反应有两个作用：,使气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从而引,起定子感应电动势和定子电流发生变化。,它与主磁场相互作用，产生所需要的电磁转矩，,以带动轴上的机械负载。,2.,转子反应,转子反应的两个作用合在一起，体现了通过电磁感应作用，实现机电能量转换的机理。由此可以进一步导出负载时的磁动势方程：,图,5-11,示出了负载时定、转子磁动势间的关系，以及定子电流与激磁电流和转子电流的关系。,3.,负载时的磁动势方程,返回,5.3,三相感应电动机的电压方程和等效电路,1.,定子电压方程,一、电压方程,2.,转子电压方程,定,子,转,子,图,5-12,表示电压方程相应的定、转子的耦合电路图,定子绕,组内,转子绕,组内,二、等效电路,1.,频率归算,图,5-13,表示频率归算后，感应电动机定、转子的等效电路图；图中定子和转子的频率均为,f,1,，转子电路中出现了一个表征机械负载的等效电阻。,式（,5,16,）两端乘以,2.,绕组归算,注意绕组归算的方法,：,（,1,）转子电压和电动势；（,2,）转子电流；（,3,）转子电阻和漏抗。,图,5-14,表示频率和绕组归算后定、转子的耦合电路图。,不难验证，归算前、后转子侧的总视在功率、转子铜耗、漏磁场储能均保持不变。,3.T,型等效电路和相量图,根据上式即可画出感应电动机的,T,形等效电路，,如图,5-15,所示。,图,5-16,表示与基本方程相对应的,相量图,。,经过归算，感应电动机的电压方程和磁动势方程成为,4.,近似等效电路,(,图,5-15,),由此即可画出,形近似等效电路,，,如图,5-17,所示。,感应电动机从电源输入的电功率：,消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗：,消耗于定子铁心变为铁耗：,从定子通过气隙传送到转子的电磁功率：,5.4,感应电动机的功率方程和转矩方程,一、功率方程，电磁功率和转换功率,功率方程为：,其中,图,5-18,表示相应的功率图。,二、转矩方程和电磁转矩,转矩方程,电磁转矩,例题,5.5,笼型转子极数、相数和参数归算,1.,笼型转子的极数和相数,极数,(,图,5-19,),相数,(,图,5-30,),1.,试验目的,:,确定电动机的激磁参数,、,铁耗和机械损耗。,一、空载试验,5.6,感应电动机参数的测定,空载特性曲线,2.,铁耗和机械损耗分离,3,.,空载试验,参数计算,(,图,5,22,和图,5,23,),激磁电阻,空载电抗,激磁电抗,短路特性,二、堵转试验,1.,试验目的：确定感应电动机的漏阻抗。,等效电路,2.,参数计算,若不计铁耗,则认为,有,由（,5,52,）式的第二式可得,代入（,5,52,）式的第一式，可解得,对于大型感应电动机，,于是,(,用,形等效电路,计算,),5.7,感应电动机的转矩,转差率曲线,转矩,转差率特性曲线,如图,5,25,所示。,一、转矩,转差率特性（特性）,二、最大转矩和起动转矩,1.,最大转矩,过载能力：,2.,起动转矩,（临界转差率）,3.,讨论,感应电机的最大转矩与电源电压的平方成正比，与定、转子漏抗之和近似成反比；,最大转矩的大小与转子电阻值无关，临界转差率则与转子电阻成正比：转子电阻增大时，临界转差率增大，但最大转矩保持不变，此时,曲线的最大值将向左偏移,如图,5-26,所示,；,起动转矩随转子电阻值的增加而增加，直到达到最大转矩为止。,三、机械特性,(,转矩,-,转速特性,),工程中将感应电动机的转速随电磁转矩的变化曲线称为机械特性。,电动机的机械特性与负载机械特性的交点称为电动机的运行点。,两者之间的关系,如图,5-27,所示。,例题,5.8,感应电动机的工作特性,在额定电压和额定频率下，电动机的,称为感应电动机的工作特性。,分别讨论：,（,1,）,转速；（,2,）定子电流；（,3,）功率因数；,（,4,）电磁转矩；（,5,）效率。,图,5-29,表示一台,10kW,的三相感应电动机的转速特性和定子电流特性。电磁转矩、功率因数和效率特性,如图,5-30,所示,。,由于感应电动机的效率和功率因数都在额定负载附近达到最大值，因此选用电动机时应使电动机的容量与负载相匹配，以使电动机经济、合理和安全地使用。,一、工作特性,先用空载试验测出电动机的铁耗、机械损耗和定子电阻，再进行负载试验求取工作特性。,二、工作特性的求取,1.,直接负载法,2.,由参数算出电动机的主要运行数据,在参数已知的情况下，给定转差率，利用等效电路求出工作特性。,5.9,感应电动机的起动，深槽和双笼电动机,起动性能的主要指标：起动转矩倍数和起动电流倍数,1.,笼型感应电机的起动,直接起动：方法及优、缺点。,降压起动：星三角（）（,图,5,31,）方法及优、缺点。,自耦变压器起动法（,图,5,32,）方法及优、缺点。,2.,绕线型感应电动机的起动（,串阻起动原理图,）,方法及优、缺点。,3.,深槽和双笼感应电动机,深槽感应电动机（,图,5,33,）,双笼感应电动机（,图,5,34,）,调速方法：,（,1,）改变定子绕组的极对数 ；,（,2,）改变电源频率 ；,（,3,）改变电动机的转差率 。,5.10,感应电动机的调速,1.,变极调速,2.,变频调速,3.,改变转差来调速,（,1,）转子外加电阻来调速,（,2,）串级调速,（,3,）双馈电机,5.11,单相感应电动机,1.,结构特点,定子上装两个绕组：主绕组、起动绕组；,笼型转子,Q,主绕组,起动绕组,2.,工作原理,双旋转磁场理论,正向,反向,正向旋转,磁动势,反向旋转,磁动势,脉振,磁动势,2,1.5,1,0.5,0,正向转矩,合成转矩,反向转矩,单相感应电动机的 曲线,3.,起动方法：裂相起动（图）、罩极起动（图）,定转子电流、电磁转矩（,参见公式,）,等效电路,5.13,感应发电机和直线感应电动机,1.,感应发电机,工作原理,单机运行时电压的建立,2.,直线感应电动机,基本结构,工作原理,返回,导条,端环,笼型绕组,返回,风叶,铁心,绕组,滑环,轴承,返回,感应电动机的空载磁动势和磁场,返回,A,C,B,X,Y,Z,返回,感应电机中主磁通所经过的磁路,返回,端部漏磁,槽漏磁,返回,定转子磁动势之间的速度关系,返回,转子磁动势波,F,2,气隙磁场,B,m,转子,转子磁动势波,F,2,气隙磁场,B,m,转子,转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置,定、转子磁动势的空间矢量图和定、转子电流相量图,返回,感应电动机定、转子耦合电路图,频率归算后感应电动机的定、转子电路图,频率和绕组归算后感应电动机的定、转子电路图,感应电动机的,T,形等效电路,异步电动机相量图,形近似等效电路,感应电动机的功率图,转矩,转差率特性曲线,1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0,300,250,200,150,100,50,0,转子电阻变化时的,Te-s,曲线,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,感应电动机的转矩,-,转速特性,24,20,16,12,8,4,0,12,10,8,6,4,2,0,1.00,0.95,0.90,0.85,0.80,0.75,0,感应电动机的,0.1,0.8,0.6,0.4,0.2,0,100,80,60,40,20,0,2 4 6 8 10 12,感应电动机的,例,51,有一台,50Hz,的感应电动机，其额定转速,n,N,730r,min,，试求该机的额定转差率。,解：,例,5-2,有一台,50Hz,、三相、四极的感应电动机转子的转差率,s=5%,，试求：,（,1,）转子电流的频率；,（,2,）转子磁动势相对于转子的转速；,（,3,）转子磁动势在空间的转速。,解,:,(1),转子电流的频率,(2),转子磁动势相对于转子的转速,(3),转子磁动势在空间的转速,例,53,已知一台三相四极的笼型感应电动机，额定功率,P,N,l0kW,，额定电压,U,N,380V(,三角形联结,),，定子每相电阻,R,1,=1.33,漏抗,X,1,2.43,，转子电阻的归算值,R,2,=1.12,，漏抗归算值,X,2,=4.4,，激磁阻抗,R,m,7,，,X,m,90,，电动机的机械损耗,p,=100W,，额定负载时的杂散损耗,p,=100W,。试求额定负载时电动机的转速、电磁转矩、输出转矩、定子和转子相电流，定子功率因数和,电动机的效率。,解,:,（,1,）定子电流和定子输入功率,设额定负载时的转差率 （试探值），则转子的等效电阻为,激磁阻抗为,与 的并联值等于,于是定子相电流 为,定子线电流为,定子功率因数为：,（,2,）转子电流和激磁电流,（,3,）定，转子损耗,（,4,）输出功率和效率,（,5,）额定负载时的转速,（,6,）电磁转矩和输出转矩,例,55,一台四极、,380V,、三角形联结的感应电动机，其参数为,1,=4.47,，,2,=3.18,，,X,1,=6.7,，,X,2,=9.85,，,X,=188,m,忽略不计。试求该电动机的最大转矩,max,及临界转差,，起动电流,I,st,及起动转矩,st,。,解：,起动时,s=1,，起动电流和起动转矩分别为：,异步电机的的定子槽形,a),半闭口槽,b),半开口槽,c),开口槽,返回,图,5-20,一对极下导条的电动势星形图,(,为整数时,),图,5,22,空载特性,图,5,23,铁耗和机械损耗的分离,形近似等效电路,图,5,31 Y/,起动法的接线图,图,5,32,用自耦变压器来降压起动,图,5-32,深槽感应电动机的集肤效应,a),转子槽漏磁,b),导条内电流密度的分布,定、转子电流,正向电磁转矩 和反向电磁转矩,