第五章-异步电机教学提纲.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 异步电机,异步电机主要作电动机使用。,主要优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用，有较高的效率和相当好的工作特性。,缺点：目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速，以及必须从电网吸收滞后的无功功率。,分类：,一、基本类型,5.1异步电机的基本类型和基本结构,二、基本结构,1.定子,定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。,定子铁心的槽形主要有三种：半闭口槽适用于小型异步电机，其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适用于低压中型异步电机，其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电机，其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。,定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。,机座：固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。,三相对称的单层或双层绕组。,2、转子,鼠笼式转子,转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。,转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼型绕组和绕线型绕组。,笼型绕组：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。这种笼型绕组一般为铝浇铸的，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。,绕线型绕组：与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速。,转轴：支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。,3、气隙,定、转子之间的间隙，也是电机主磁路的组成部分。,气隙大小对异步电机的性能影响很大。,为了减小电机主磁路的磁阻，降低电机的励磁电流，提高电机的功率因数，气隙应尽可能小。异步电机气隙长度应为定、转子在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值。,中、小型异步电机中，气隙长度一般为0.21.5mm。,5.2异步电机的基本工作原理,一、异步电机的基本工作原理,异步电机定子三相对称绕组接在三相对称交流电网上，转子绕组对称短路。定子绕组中流过三相对称电流，在气隙中产生基波旋转磁场。定子磁动势的同步转速为,定子磁场在转子绕组感应的电动势和电流的方向如图所示。由左手定律可判定转子所受电磁转矩与定子磁场的旋转方向相同。在此电磁转矩作用转子与定子磁场同方向旋转。,三、转差率与异步电机运行状态之间的关系,二、转差率：,转子转速与同步转速之差与同步转速的比值,2、,时，电机为发电机运行状态；,时，电机为电磁制动状态。,3、,1、,时，电机为电动机运行状态；,5.3异步电动机的额定值,一、额定功率,（W，kW）,二、额定电压,（V）三相电机为定子绕组上的额定线电压,三、额定电流,（A）三相电机为定子绕组上的额定线电流,四、额定频率,我国电网频率为50Hz,五、额定转速,额定功率、额定电压、额定电流之间的关系为：,（r/min）,5.4转子静止时的异步电机,一、转子开路时,1、电磁物理过程,2、感应电动势,定子绕组的漏阻抗。,与变压器类似，感应电动势可以用阻抗压降来代替：,为异步电机的激磁阻抗,为模拟铁芯铁耗的激磁电阻,为激磁电抗,为定子绕组的漏抗,3、电动势比,由于转子静止不动，定子磁动势切割转子的转速与切割定子的转速相同，因此转子电动势以及电流的频率也为,转子磁动势的转速为：,转向与定子相同，因此,定、转子磁动势相对静止,二、转子短路时,1、定、转子磁动势相对静止,如异步电机的极对数为,p,，电源频率为 ，定子磁动势的转速为：,2、转子磁动势与定、转子绕组轴线间的夹角无关,设转子,a,相绕组中的电动势和电流分别为：,为转子相绕组的功率因数角,则：,2）,设转子,a,相轴线顺旋转磁动势的方向转过角度,，如图所示,1）,为转子的空间坐标，,为定子的空间坐标，两者的关系为：,两者时间坐标之间的关系为：,a,相绕组中的电动势和电流分别为：,转子绕组转过,角度后，,在新的坐标系中转子磁动势为：,代入定、转子坐标系之间的关系可得：,即转子磁动势与定、转子绕组之间的相对位置无关,3、转子不动时电磁物理过程,4、电动势平衡方程式,转子不动时的定、转子电路图,5、磁动势平衡方程式,由定子的电动势平衡方程式可知：,当电源电压不变时，气隙中的主磁通也基本不变，因此定、转子的合成磁动势也基本不变，与转子绕组开路时定子绕组的磁动势基本相等。,各磁动势分别为：,由磁动势平衡方程式可得：,为定子磁动势中的磁励分量,为定子磁动势中的负载分量,为异步电机的电流比,用电流形式表示的磁动势方程式为,6、转子绕组的折算,1）折算的定义,将转子绕组用一个与定子绕组具有相同相数、相同的匝数和相同的绕组系数的等效绕组来代替。,2）折算原则,折算前后磁动势不变，功率、损耗不变。,3）方法,a）电流的折算,折算前后磁动势不变,经过绕组折算后的磁动势平衡方程式为：,b)电动势的折算,c)阻抗的折算,折算前后功率、损耗不变,同理，漏抗的折算为：,总结：,7、折算后的基本方程式,绕组折算后的定、转子电路图,根据基本方程式可得转子静止时的等效电路为如下：,8、转子静止时的T型等效电路,5.5 转子旋转时的异步电机及其等效电路,一、转子绕组的电动势和电流,转子以转速,n,旋转时旋转磁场相对于转子的转速为：,，转子绕组中的感应电动势和电流的频率为：,转子旋转时的感应电动势和漏抗分别为：,二、定、转子磁动势仍然相对静止,定子电流的频率为，定子磁动势的转速为,转子的转速为,n,，转子电流的频率为，则转子磁动势的相对于转子的转速为：,转子相对于定子的转速为,则转子磁动势相对于定子的转速为：,因此，当转子旋转时，,定、转子磁动势仍然相对静止,。,三、转子旋转时电磁物理过程,四、频率折算,用静止的转子代替旋转的转子使定、转子电路的频率相等。,折算原则：折算前后磁动势的大小和相位不变。,如果要保持磁动势的大小和相位不变，必须保证折算前后电流的大小和相位不变。,折算前转子电流为：,等式右边分子、分母同除以s可得,折算前后转子电流的大小和相位,因此折算前后转子电流的大小和相位均未改变，磁动势不变。,转子回路的电阻由变为,的物理意义：模拟总的机械功率的模拟电阻。,五、,等效电路,转子转动后定、转子的电路图以及经过频率折算以后的定、转子的电路图为：,转子旋转时的定、转子电路图,经过频率折算后的的定、转子电路图,c)经过绕组折算后定、转子电路,经过频率折算、,绕组,折算后，异步电机的基本方程式为：,由此可得异步电机的T型等效电路：,六、相量图,已知 、和 ，作出异步电动机的相量图。,5.6 异步电机等效电路的简化,由T型等效电路可得：,定子电流为,定子电压,为校正系数。,根据定子电动势平衡方程式可得：,经过整理后可得,其中：,于是可得异步电机的形等效电路,由于,当电机容量大于100 kW时，,，等效电路又可以简化为：,5.7 异步电机的参数测定,一、通过空载实验测定激磁参数,1、空载实验,空载实验的目的：测定励磁电阻、励磁电抗、铁耗和机械损耗。,2、空载特性曲线,3、机械损耗与铁耗的分离,空载时电机的损耗有：定子绕组的铜耗,，定子铁芯的铁耗,，机械损耗,，和附加（杂散）损耗,，故,机械损耗的大小仅与转速有关，实验时转速基本不变，因此机械损耗可以看成常数。与磁密的平方成正比，而,，也即 与电压的平方成正比。,根据实验数据作出曲线,，,与纵轴的交点即为机械损耗。,4、计算激磁阻抗,空载时，,转子支路可看成开路，因此,激磁电阻,公式 中各项均为每相的值。,二、通过短路实验测定短路参数,1、短路实验（堵转实验）,2、堵转时的等效电路和短路特性,由于,，激磁支路可看成开路，则等效电路可简化如下：,3、短路特性,4、短路参数的计算,由等效电路可得：,注意：公式中的功率、电压和电流均为一相的值。,5.9电动机的功率、转矩平衡方程式,、异步电机的功率和损耗,1、输入功率,2、定子铜耗,3、定子铁耗,4、电磁功率,5、转子铜耗,6、总的机械功率,7、机械损耗,8、附加损耗,各种功率和损耗在T型等效电路的反映,二、功率平衡方程式,电磁功率、转子铜耗和总的机械功率之间的关系为,由功率平衡方程式,两边同时除以角速度,其中：,代入电磁转矩的计算公式可得：,5.10电磁转矩的三种表达式,、物理表达式,由电磁转矩的计算公式,代入上式可得：,式中,为转矩常数。,异步电机的电磁转矩与一个极距范围内的最大磁通成正比，与转子电流成正比，与转子的功率因数成正比，也即与转子电流中的有功分量成正比。,二、参数表达式,由简化的等效电路可知：,代入电磁功率的计算公式中,1、,参数表达式,电磁转矩,2、电机的机械特性,或,由参数表达式可做出异步电机的机械特性如下图所示：,a,),起动时，。将s=1代入电磁转矩计算公式可得,起动转矩倍数,b,)额定运行时，,c,)同步时，,d,)当,，电机处于发电机运行状态。,e,)当,，电机处于电磁制动状态。,f,),最大电磁转矩,由,可得，,代入电磁转矩的计算公式可得,称为临界转差率，正号时对应电动机状态，负号时对应发电机状态。,由于,结论：,成反比。,3、最大电磁转矩和临界转差率均近似与,2、最大电磁转矩与转子电阻无关，临界转差率与转子电阻成正比；,1、最大电磁转矩与电源电压的平方成正比，临界转差率与电压无关；,过载倍数,3、异步电机的人为机械特性,1）降低电源电压的人为特性,最大电磁转矩,T,m,和起动转矩,T,st,与定子电压的平方成正比，临界转差率,s,m,与定子电压无关，同步转速不变。,2）转子串电阻的人为特性,转子串电阻时电机的同步转速以及最大电磁转矩不变，临界转差率与转子回路的总电阻成正比。,3)定子电路串对称电阻或电抗,定子电路串对称电阻或电抗时异步电机的同步转速不变，但最大电磁转矩和临界转差率均减小。,三、实用表达式,由参数表达式可推得：,如果已知异步电机的,，则可以计算出,代入实用表达式可得,5.11异步电动机的工作特性,工作特性的定义：,定、转子回路不串附加阻抗时的,1、转差率特性,空载时，,。,额定负载时，,2、效率特性,空载时，,当不变损耗等于可变损耗时效率达到最大。,3、功率因数特性,，,空载时，,主要为无功分量，因此空载时异步电,动,机的功率因数很低，只有0.2左右。,负载时，,分量，故功率因数随负载的增大而增加。,4、转矩特性,随输出功率的增大而减小，,微微上翘。,5、定子电流特性,空载时，,负载时，,，大约额定电流的2040%。,随输出功率的增加而增大。,5.12三相异步电动机的起动,、三相异步电动机的起动性能,1、起动电流,异步电动机起动电流大,2、起动转矩,起动时,起动时的等效电路如图所示,由于,，所以,所以异步电动机的起动转矩并不大，,二、鼠笼式异步电动机的起动方法,1、直接起动,起动电流大，起动转矩也最大。,特点：设备简单，操作方便。,适用于小容量电动机轻载起动。异步电动机能否直接起动，决定于电源的容量，对于经常起动的电动机，起动时引起的母线压降不大于10%，对于偶尔起动的电动机，起动时引起的母线压降不大于15%，应选择直接起动。,2、降压起动,1）定子串电抗起动,如果已知,a,，根据等效电路可得,特点：起动设备简单，操作方便。,起动电流与电压成一次方关系降低，而起动转矩与电压成平方倍降低。,2）用Y起动器,电路图,b.起动电流和起动转矩,c.起动特点,价格便宜，操作方便。起动电流和起动转矩均降为直接起动时三分之一。适用于正常运行为接，轻载或空载起动。,3)用自耦变压器起动,电路图,b.起动电流和起动转矩,如果自耦变压器的变比为,a,，则降低起动时的相电压和全压时的相电压之比为：,降压起动,直接起动,降低起动时的相电流和全压时的相电流之比为：,由于自耦变压器的原边电流为副边电流的,a,分之一，故降低起动时的起动电流（线电流）和直接起动时的起动电流（线电流）之比为：,c.起动特点,起动电流和起动转矩均按平方倍的降低。由于自耦变压器（补偿器）一般有三个抽头（55%，64%，73%或40%，60%，80%），因此可根据起动时的负载情况和电源的容量灵活选择。但自耦补偿器较贵。适用于不是经常起动的电动机。,三、改善起动性能的鼠笼式异步电动机,1、深槽式异步电动机,深槽式异步电动机的槽深和槽宽之比为1012，槽深而窄。槽中的导体可看成是无数根与槽底平行的导体并联而成。,对于槽底的导体1，其电感为：,而对于靠近槽口的导体2的电感为：,由于,，所以,，导体的电抗,也即越靠近槽底，导体的漏抗越大。,起动时，,，转子的漏抗远大于电阻，因此电流沿槽的分布决定于电抗，而槽底的远大于槽口的电抗，因此电流沿槽深的分布如图所示，槽底小，而槽口大。此现象称为集肤效应，或挤流效应，趋表效应。,起动完毕时，,转子的漏抗很小，电流的分布主要决定于电阻，因此电流沿槽深均匀分布，集肤效应基本消失。,2、双鼠笼式异步电动机,上笼：起动笼。黄铜或铝青铜。,下笼：运行笼。紫铜。,起动时，,运行时,转子电抗很小，电流主要从电阻较小的下笼流过。,双笼式异步电动机的机械特性如下图所示：,1为上笼的机械特性，2为下笼的机械特性，3为双笼式异步电动机的机械特性。,四、绕线式异步电动机的起动方法转子串电阻起动,绕线式异步电动机转子串电阻的等效电路为：,转子串电阻后起动电流减小，但转子的功率因数,增大，故起动转矩：,增大。,一般来说，所串电阻越大，起动转矩越大，但不绝对。绕线式异步电动机转子串电阻的机械特性如图所示：,当,起动转矩最大。,绕线式异步电动机转子串两级电阻起动时的机械特性,5.13异步电动机的制动,、反接制动,1、转速反向的反接制动,机械特性如图所示,对应于A点，转差率,。,2、两相反接的反接制动,机械特性,对应于B点，转差率,对应于以上两种情况，转差率,总的机械功率,二、反向回馈制动,电动机带位能性负载进行反接制动，当转速为零时，如果不断开电源，电机在负载转矩以及电磁转矩的作用下反向起动，当转速反向加速至时，电磁转矩为0，但在负载转矩的作用下，电动机继续加速，直至E点，电机进入反向回馈制动状态。,总的机械功率,回馈制动实际上是发电机状态。,三、能耗制动,能耗制动电路图,n,B,机械特性,5.14异步电动机的调速,异步电动机的转速为,因此异步电动机调速的方法有：,1改变同步转速调速,1）变极调速,2）变频调速,2改变转差率调速,1）降压调速,2）转子串电阻调速,、变极调速,倍极比2/44/8,非倍比 4/66/8,1、变极原理,2、变极绕组的联接方法,（a）Y接，2p对极，,A、B、C接电源,（b）YY接，p对极，,A1、B1、C1接电源,1)Y/YY,2）/YY接法,(a)接，2p对极，,A、B、C接电源,（b）YY接，p对极，,A1、B1、C1接电源,3、变极前后转矩、功率的变化,设定子相电压为,、相电流为,，输出功率为,另设变极前后电机的效率、功率因数,不变，且,电磁转矩,1)Y/YY,此方法适用于恒转矩调速。,2)/YY接法,接时相电压为,，Y接时的相电压则为,此方法近似为恒功率 调速。,ABC,4、变极前后的相序,设p对极时A、B、C三相在空间互差电角度，变极前后三相绕组在空中的相位关系如下所示：,2P对极0,P对极0,由于三相合成磁场是由电流超前相的相轴转向电流滞后相的相轴，如果变极后绕组的相序不变，则三相合成磁场的旋转方向改变。为了保证变极前后磁场的旋转方向不变，在改变绕组的接法的同时，还需要将三相中的任意两相对调。,5、调速特点,适用于鼠笼式转子异步电动机,方法简单，运行可靠、机械特性较硬。有级调速，级数有限。,二、变频调速,1、调速原理,由,可知，转速近似与频率成正比。,如果频率连续可调，则转速也连续可调。,2、变频时的磁通和最大电磁转矩,如果希望变频调速时的主磁通保持不变，由,可知：,如欲保持主磁通不变，需保持,最大电磁转矩,假设变频后的各物理量变为,，变频前后额定电磁转矩之比为：,3、调速方式,恒转矩调速,调速前后,如果,则调速过程中，主磁通不变。过载倍数也不变。,b.恒功率调速,若电机的负载为恒功率负载，则调速电磁功率不变，即：,1）若令主磁通不变，即,，则,电机的过载能力与频率成正比,2）若令过载能力不变，,，则,4、调速特点,调速范围大，平滑性好，机械特性较硬，无级调速，且可按不同的负载性质实现恒转矩调速和恒功率调速。,控制装置较贵。,三、转子串电阻调速,由异步电动机的机械特性可知，异步电机的最大转矩与转子电阻无关，而临界转差率与转子电阻成正比。因此，转子回路所串电阻越大，电机的转速越低。,转子串电阻时的转子回路的等效电路如下所示：,由等效电路可知，当电机带额定负载，转子回路不串电阻时的电流为：,当转子回路串入电阻,时转子电流为：,令,，则有：,转子回路的功率因数为：,电磁转矩,因此转子串电阻调速为恒转矩调速。,调速特点：,方法简单、可靠、设备价格低廉，效率低。,改进的方法：采用串级调速,串级调速原理,四、降压调速,改变电源电压的机械特性如图所示：,由于降低电源电压时，临界转差率不变，最大电磁转矩与电压成平方倍降低，因此，调速范围小，实用价值低。,降压调速可与变频调速结合使用。,对于恒功率和恒转矩负载，调速范围有限，风机或泵类负载调速范围较大，但定、转子电流大。,5.15单相异步电动机,、单绕组工作的异步电动机的机械特性,当单相绕组通过交流电流，其产生的磁动势为一脉振磁动势。此脉振磁动势可以分解为幅值相等、转速相同、转向相反的两个园形旋转磁动势和。由于三相对称交流绕组流过三相交流电流时其合成磁动势的基波为一 园形旋转磁动势，因此，和用两个对称三相绕组通入对称三相交流电流（但两者相序相反）来等效。,单相异步电动机可以等效为两台同轴相连的三相异步电动机。如果转子的转速为,n,，则对于正向电动机来说，转差率为，对于反向电动机来说，转差率 。,单绕组通电时异步电动机的机械特性如图所示：,单绕组通电时的电动机的机械特性有如下特点：,。也即单相异步电动机没有起动转矩。,2.,1.,即单相异步电动机没有固定的转向；,3.,最大电磁转矩小于三相异步电动机的最大电磁转矩。,4.,理想空载转速低于磁场的同步转速。,二、单相异步电动机的起动方法,1.产生旋转磁场的两个必要条件,1）必须有两个或两个以上在空间有一定的相位差（但不能是180电角度）的绕组。,2）绕组中必须通入在时间上有一定相位差（但不能是180电角度）的交流电流。,2.裂相起动,a,.电容裂相起动,电路图如图所示：,相量图如下,b.电阻裂相起动,电路图同电容裂相起动，电容换作电阻,相量图如下：,3.罩极起动,当工作绕组中通入交流电流时，电流产生的磁通分为两部分，穿过未罩部分的 和穿过被罩部分的。在短路环中感应电动势，又在短路环中产生短路电流（滞后于电动势一短路阻抗角）。由短路电流产生的磁通不考虑磁滞时与同相位。短路环中的磁通应为和之和，感应电动势应滞后于短路环中的总磁通90电角度（如图所示）。旋转磁场的方向为由未罩部分转向被罩部分，转子的转向也,为由未罩部分转向被罩部分。,4.单相电容起动、运转电动机,起动时电容C和C,Q,并联后接入A支路，起动完毕后开关K断开，仅电容C串在A支路中。电容起动、运转电动机在起动以及运转时气隙磁场均基本为旋转磁场，具有较好的起动性能以及运行性能。,完,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,