第五章 感应电机-4.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,第八节 感应电动机的工作特性,一、工作特性,输出功率变化时，电动机转速变化的曲线 称为转速特性。,1、转速特性,在额定电压和额定频率下，电动机的,及效率,与输出功率,P,2,的关系曲线 ，称为感应电动机的工作特性。,负载时：,空载时：,10kW,电机转速特性和定子电流特性,负载时：,空载时：,输出功率变化时，电动机定子电流的变化曲线 称为定子电流特性。,2、定子电流特性,10kW,电动机的转速特性和定子电流特性,空载时：,3、功率因数特性,负载时：,输出功率变化时，定子功率因数的变化曲线 称为功率因数特性感应电动机,负载时：,空载时：,输出功率变化时，电磁转矩的变化曲线 。,4、转矩特性,感应电动机,负载时：,空载时：,输出功率变化时，电动机效率的变化曲线,称为效率特性。,5、效率特性,一般，电动机的最大效率发生在 。这一范围内，额定效率 约在7494 之间，容量越大，一般 越高。,感应电动机,二、工作特性的求取,结果：,方法：改变负载,P,2,，,记录不同负载时,条件：,方法：先用空载试验测出电动机的铁耗,p,Fe,、,机械损耗,p,，,并用电桥测,出定子电阻,R,1,。,然后进行负载试验，求取不同负载下电动机输出,功率与转速、定子电流、功率因数、转矩和效率的关系。,用直接负载法测取工作特性,从而：,或,主要适用于中、小型感应电机。,第九节 感应电动机的起动、深槽和双笼电动机,定义：异步电动机与电源接通以后，如果电动机的起动转矩大于负载,转矩，则转子从静止开始转动，转速逐渐升高至稳定运行，这,个过程称为,起动,。,起动性能,1,起动电流,:,一般直接起动起动电流约为额定电流的,7,倍。,2,起动转矩,:,直接起动转矩约为额定转矩的,0.9,2,倍。,3,起动时间。,4,绕组发热。,起动要求,1.,减少起动电流，并使起动转矩满足负载要求；,2,起动方法应可靠、正确，起动设备应简单、经济，便于操作。,3,起动过程中，功率损耗应尽量小。,起动方法：笼型电动机的起动有直接起动和降压起动两种；绕线型电,动机的起动采 用转子串接电阻起动。,1、直接起动,一、笼型感应电动机的起动,起动方法：利用闸刀开关或接触器等将电动机直接接,到具有额定电压的电源上。,S=1,，所以笼,形感应电动机 的启动电 流就是额定电压,下的堵转电流。,特点：主要优点是简单、方便、经济，起动,过程快；,缺点是起动电流大。,适用对象：适用于中、小型笼型异步电动机的起动。当电源容量相对,于电动机的功率足够大时，应尽量采用直接起动。,原则：电动机能否直接起动，受电网容量、电网允许干扰程度、,电动机容量和单位时间内起动次数等影响。,2、降压起动,起动原理：利用起动设备将电压降低后加到异步电动机的定子绕组,上，以限制起动电流。待起动过程结束后，再去掉起动,设备，恢复全压供电，使电动机进入正常运行。,同时，由于 ，故起动转矩也相应减小。,具体方法主要有三种：,(1)Y-,起动；,(2),自耦降压起动,;,(3),定子电路串联电阻（电抗器）降压起动,.,1）星三角（,Y,）,起动法,（,YD）,起动法的接线图,方法：大、中型三相异步电动机在正常运行时，其定子绕组都是三角形联接。起动时，先将定子绕组接成星形，待电动机转速升高到接近额定转速时，再将绕组换成三角形联结。,特点：,（,1,）起动时，每相定子绕组所承受的电压降到正,常工作电压的 。,（,2,）起动电流减少为直接起动电流的,1/3,。,（,3,）起动转矩亦减小，只有直接起动时起动转,矩的,1/3,。,适用对象：只适合于正常运行时定子绕组为三角,形联结的笼型电动机，且应空载或轻,载起动。,实现：,Y-,换接起动可采用星三角起动器来实现。,比较起动转矩：,Y-,起动：定子绕组,Y,接,设起动时定子每相等效阻抗为 ，电源线电压 ，当绕组接成星形（,Y,）形时，其线电流为：,当绕组接成三角形（）形时，其线电流为：,故两种联结方式下线电流之比为：,因为：,星三角起动时起动电流和起动转矩的比较,而,Y,接时定子绕组相电压只有形联结时的,电网电压 ，电压比 ，,则加在电机上电压为,降压起动与直接起动相比：,2）自耦变压器减压起动,起动 运行,定子绕组,自耦变压器降压起动接法,自耦变压器,方法：利用自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，随转,速升高，提高端电压，直到正常运行时退出自耦变压器。,特点：电动机的起动电流和起动转矩减小，是低电压下的直接起动。,适用对象：适用于容量较大的或正常运行时联,成星形不能采用星三角起动器的笼,型电动机。,3）定子串电抗器或电阻起动,串联电抗器起动与直接起动相比：,串电抗器起动：,直接起动：,串电抗起动等效电路,方法：定子电路串入电阻或电抗器限制起动电流，待转速升高、,电流下降后，再除去串接的电阻或电抗器，使电动机在额,定电压下工作。,适用对象：不频繁起动的电动机。,二、绕线型感应电动机的起动,转子串电阻后转子电流减小，而启动转矩增大。,要求起动转矩为最大转矩，则,1、转子回路串电阻,笼型电动机降压起动时，在降低起动电流的同时，也使起动转矩减小。若要求在减小起动电流同时又要增大起动转矩，则应采用绕线型异步电动机的起动。,在转子电路串入电阻起动，起动后，随着转速的上升将起动电阻逐段切除，最后,转子绕组通过集电环短接,。,绕线型感应电机转子串入起动电阻,定子,转子,集电环,电刷,起动电阻,2、转子串频敏变阻器起动,频敏变阻器每相阻抗：,绕线型感应电动机转子串频敏变阻器,频敏变阻器实际上是一个特殊的三相铁心电感线圈，铁心由铸铁或厚钢板构成。由于铁心中的涡流损耗大，故频敏变阻器的等效电阻比普通的电感线圈的电阻大得多，且与电流频率的高低有关（频率愈高，铁心的涡流损耗愈大，其等效电阻也愈大）。,:,包括绕组电阻和代表铁心损耗的等效电阻（铁心损耗包括涡流损耗和与频率大小有关的磁滞损耗）；,绕线型感应电动机转子串频敏变阻器,起动时：,起动过程中：,起动过程中电动机可以近似地得到恒转矩起动特性，从而实现电动机的无级起动。起动完毕后，频敏变阻器应短路切除。,1,、深槽笼型异步电动机,关注槽底导体,1,；和槽口导体,2,；其中均流过电流,i,。,起动时，,s,1,，,f,2,=f,1,说明：越靠近槽底，漏抗,X,越大。起动时，,f,2,=f,1,转子频率很高，电流分配将主要地决定于漏电抗。在由气隙主磁通所感应的相同的电势的作用下，导条中靠近槽底处的电流密度将很小。,深槽感应电机的集肤效应,三、深槽和双笼感应电动机,起动时由于趋肤效应（集肤效应），起动时转子电流频率大，漏电抗大，转子导体漏磁电抗从槽口到槽底依次增大，各股线的电流将按其漏抗的大小成反比分配。起动时大部分电流将集中到导条的上部，形成电流的集肤效应。电流集中到导条上部，相当于导条的有效截面积减小，从而使转子的有效电阻增大，起动时产生较大的起动转矩。,正常运行时，转子电流频率很低，电流分配主要取决于电阻，因各小导条电阻相等，电流均匀分布。电阻自动恢复正常值。稳态运行时，,s,仍然很小。,深槽感应电动机是利用转子槽漏磁在导条内所引起的电流集肤效应来改善起动性能。为增加集肤效应，转子槽形做得深而窄，通常槽深,h,与糟宽,b,之比：,但深槽异步电机转子槽形较深，,转子漏抗比普通笼型转子漏抗要大,，故其运行时功率因数和最大转矩比普通笼型转子要低。,其起动性能的改善是牺牲正常运行时的性能换来的。,2、双笼感应电机,正常运行时，转子电流频率很低，漏抗减小，上、下笼的漏阻抗中电阻起主要作用，下笼电阻较小，电流主要集中在下笼，产生电机的工作转矩。,起动时，转子频率较高，转子的漏阻抗中漏抗起主要作用，下笼漏抗较大，下笼电流很小，电流多挤集于上笼，而上笼的电阻较大，因此上笼可产生较大的起动转矩。,双笼感应电动机的转子上笼称为起动笼，下笼称为工作笼。,上笼：起动笼，截面积小，用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制成，电阻较大。下笼：工作笼，截面积大，用电阻系数较小的紫铜制成，电阻较小。上笼的电阻大、漏抗小；而下笼的电阻小、漏抗大。,起动时，,f,2,高，集肤效应显著，漏抗起主要作用，电流多被挤到上笼，而上笼电阻大，可产生较大启动转矩，所以上笼又称为起动笼，机械特性对应,1,。,正常运行时，,f,2,小，漏抗成分甚微，,上、下笼电流分配主要取决于电阻，,电阻起主要作用。转子电流流入电阻小的下笼，所以下笼又称工作笼，机械特性对应,2,。,1,与,2,叠加得合成机械特性,3,，双笼型转子异步电机具有较好的起动特性。,双笼电动机的等效电路,双笼电动机的,Tes,曲线,优缺点,双笼电动机有较大的,T,st,，一般可以带额定负载起动；额定负载下运行时也有较高的转速,(,即较小的转差率,),，因而有较好的运行性能。,可以改变上下笼的几何尺寸、所用的材料以及上下笼之间的缝隙尺寸而灵活地改变上下笼的参数，从而得到各种不同的,T,s,转矩特性，以满足不同负载的需要，这是双笼电动机一个,突出优点,。,但比普通的笼型电动机，双笼的转子漏抗稍大，因而功率因数和最大转矩稍低。,第十节 感应电动机调速,定义：所谓调速，就是指电动机在同一负载下能得到不同的转,速，以满足实际需要。,方法：由转速公式 ，表明改变电动机转速,的三种可能：,2,、变频调速,-,改变电源频率,1,、变极调速,-,改变极对数,3,、变转差率调速,-,改变转差率,适用于笼型电动机调速,适用于绕线型电动机调速,4极电机一相绕组的接法,4极电机改为2极电机时一相绕组的接法,一、变极调速,原理：由于 ，极对数减小一半，旋转磁场的同步转速提高一倍，转子转速也近似提高一倍。,特点：有级调速。,适用对象：多速电动机中的调速。,改变极对数。,欲使极对数改变一倍，只要改变定子绕组的接线，使每相绕组的两组线圈中有一组电流反向流通即可。,变极调速,方法：,定义：改变供电电源的频率可以使旋转磁场的转速随着改变，电,动机的转速也跟着改变，这种调速方法称为变频调速。,原理：利用变频调速装置。整流器先将频率为,50Hz,的三相交流电,变换为直流电，再由逆变器变换为频率可调、电压有效值,也可调的三相交流，供给笼型电动机。,二、变频调速,特点：可实现无级调速，并具有硬的机械特性。,变频调速装置,调速方式：,1.,在 应保持 的比值近似不变，即两者成比例,同时调节,-,这是,恒转矩调速,。,2.,在 ，应保持 ，这是,恒功率调速,。,不变，则必须,忽略定子漏阻抗压降：,1、恒转矩调速,变频调速时，一般要求 基本保持不变。,保持 ，则调速中 将基本保持不变，最大转矩保持不变,称为恒转矩调速。,恒转矩调速是从额定转速往下调。,恒转矩调速时感应电机,Ten,曲线,2、恒功率调速,恒功率调速一般用于频率,f1,从50,Hz,往上调，转矩将随频率的上升而下降。但转速的上升幅度要大于电压的上升幅度。,恒功率调速必须保证 ，即,在调速前后保持输出功率不变，应保持,适用对象：广泛应用于起重设备中。,方法：在绕线型电动机的转子电路中接入调速电阻（和起动电阻一样接入）。,特点：改变调速电阻大小，可得到平滑调速。设备简单，投资少，,但能量损耗大。,电动机的机械特性变软，负载变化时电动机,的转速将发 生显著变化。,R,2,+R,s3,T,st2,s,m2,R,2,+R,s,2,T,st1,s,m1,R,2,+R,s1,1 0,T,st,T,m,T,e,0,n,1,s,m,R,2,3.,改变转差率来调速,s,nT,0,+T,L,转子外加电阻调速,串极调速,在转子回路中接入一个转差频率的功率变换装置，将转子一部分能量回馈到电网，即能达到转子串电阻一样的调速性能，又能将电机效率保持较高。转差功率的传递为单方向，只能由转子反馈给电网，所以电动机只能在低于同步速的范围内进行调整。,转子带变频器的调速系统,整流,逆变,感应电动机,3）改变变频器输出电压相序，把,sf,1,从0增大，电机在超同步转速下运行。,2）时，变频器向转子输出直流，电机为同步电动机运行。,1）时,，,转子转差功率由变频器回馈给电源，调节变频器的输出频率调转速，调转子电流幅值和相位，改变定子边功率因数。,即绕线型电机，定转子两边均由交流电源供电。,双馈电机,感应电动机,双馈电机调速,交交变频器,感应电动机几种调速方法的对比,调速方法,主要优点,主要缺点,变极调速,调速成本低,有级调速,运行性能稍差,变频调速,无极调速,运行性能好,调速成本高,变,R,2,调速,调速成本低,操作简单,损耗大,调速范围小,双馈电机,调速范围大，性能好，,无极调速，节能,调速成本高,控制复杂,第十一节 单相感应电动机,一、结构特点,5、转子都是普通的笼型转子。,4、在电容起动的单相电机中，工作绕组占定子总槽数的23，起动绕组占13。,3、定子内径较小，嵌线比较困难，故大多采用单层绕组。,2、定子上通常装有两个绕组，即工作绕组和起动绕组。,1、铁心除罩极电机一般具有凸出的磁极外，其余与普通三相电机类似。,工作绕组,起动绕组,裂相起动电动机,二、工作原理和等效电路,1、,双旋转磁场理论,单相电机定子主绕组接电源，主绕组产生一个脉振磁动势；,将脉振磁动势分解为大小相同、转向相反、转速相同的正向旋转磁动势,F,f,和反向旋转磁动势,F,b,；,若磁路为线性，把,F,f,和,F,b,产生的磁场与转子作用后产生的效果叠加起来，就得到原来脉振磁动势所产生磁场与转子作用的结果。,正向旋转,磁动势,F,f,反向旋转,磁动势,F,b,脉振磁动势,单相电机定子主绕组接同电源，主绕组产生一个脉振磁动势；靠单个主绕组无法产生起动电磁转矩，但起动后电机又能连续旋转。单相感应电机的,Tes,曲线,正向转矩,合成转矩,反向转矩,电机转矩：,对于反向旋转磁场：,对于正向旋转磁场：,转子转速为,n,：,2、等效电路,1）,S=1,时,正向转矩,合成转矩,反向转矩,单相感应电动机的等效电路图,2）,S1,时,正向转矩,合成转矩,反向转矩,单相感应电动机的等效电路图,正向转矩,合成转矩,反向转矩,单相感应电动机的等效电路图,3）正常运行时，,S,很小，,气隙合成磁场接近于圆形旋转磁场，影响不大。,电机参数和电源已知时：,单相感应电动机的等效电路图,三、起动方法,1,）裂相电动机：靠起动绕组的电阻增大以造成“裂相”作用的电动机。,1、裂相起动,起动绕组和工作绕组阻抗角不相同，电流相位也,不相同，相当于两相电机。,裂相起动电机分三种：,工作绕组,起动绕组,裂相起动电动机,3,）电容运行电动机：如果电动机起动完毕后，起动绕组不断开，一,直接入电容运行。,2,）电容起动电动机：为了增加起动转矩，可在起动绕组回路中串入,一 个电容,C，,使起动绕组电流超前工作绕组,相位较大，气隙旋转磁场椭圆度小，起动转矩,大。起 动后断开电容。,工作绕组,起动绕组,裂相起动电动机,起动电流与工作电流,电容起动,TS,曲线,为了获得所需的起动转矩，单相异步电动机的,定子进行了特殊设计。,常用的单相异步电动机有电容分相式异步电动,机和罩极式异步电动机。他们都采用鼠笼式转子，但定子结构不同。,电容分相式异步电动机,电容分相式异步电动机的定子中放置有两个绕组，一个是工作绕组,A,A,，另一个是起动绕组,B,B ,两个绕组在空间相隔,90,。起动时，,B,B,绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相差近,90,，即可获得所需的旋转磁场。,定子铁心做成凸极式，每个极上装有工作绕组，在磁极极靴的一边开有一个小槽，槽内嵌有短路铜环，把部分磁极罩起来。铜环也叫罩极线圈，电机叫罩极电机。,2、罩极起动,工作绕组,罩极线圈,变化比 变化超前，产生气隙移动磁场。,当电流,i,流过定子绕组时，产生了一部分磁通,1,，同时产生的另一部分磁通与短路环作用生成了磁通,2,。由于短路环中感应电流的阻碍作用，使得,2,在相位上滞后,1,，从而在电动机定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。,罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变，故常用于洗衣机等电器中。,第十二节 感应发电机和直线感应电动机,一、感应发电机,当 时，,转子导体切割旋转磁场的方向与电动机相反,转子感应电动势和电流有功分量也随之反向，发电机运行。,1、并联电网上时的工作原理,感应电机定转子耦合电路示意图,接在电网上运行的感应电机,用原动机驱动电机转子，,1,）空载临界,2,）负载运行,2、单机运行时感应发电机电压的建立,1,）电机必须有剩磁；,2,）负载必须是电容性负载，或定子输出并电容；,3,）负载电容或并联电容要大于临界电容。,单机运行时感应电动机的自激,临界电容线,空载特性,电容线,负载,感应发电机,建立稳定工作电压需满足,3,个条件,与空载特性不饱和段相切的直线叫临界电容线，,临界电容线,与横坐标的夹角为,则：,空载运行点要满足空载特性和电容特性,电容特性：,空载特性：,负载电容作为无供电源，提供定子励磁需要的感性电流,单机运行时感应电动机的自激,临界电容线,空载特性,电容线,即：,空载时要建立正常电压，必须：,二、直线感应电机,1、基本结构,装三相绕组并与电源相连的一侧为原边,另一边为副边,.,原边即可作为定子,也可作为动子。实际应用中电机原边和副边长度不等，一般原边做成短的，以节约材料。,根据原边数目不同，分为单边型和双边型。,单边型结构当原边产生磁场时，原副边之间有很大的法向磁拉力，定子和转子间若没有滚珠支承将吸合为一体。,双边型只要结构对称，两边法向磁拉力将互相抵消。,原边铁心由硅钢片叠成，表面开槽，三相绕组嵌在槽内。,副边结构较多，有类似于笼型转子的短路绕组，也有只用铜或铝构成的非磁性副边。,2、工作原理,动子运动速度为,v,，则转差率：,直线电机一般为电动机用，所以,原边接三相交流电源，气隙内形成一个平行移动的行波磁场。行波磁场以同步速 推移,行波磁场在副边感应电动势和电流。电流与行波磁场作用产生切向电磁力，使动子做直线运动。,1）民用产品：直线窗帘、直线电动门、电动缝纫机。,3、直线电机的应用,3）计算机方面：磁盘定位系统，直线步进电机驱动的自动绘图仪。,2）一般工业：桥式起重机、电磁锤、冲压机、邮政分练机。,4）军事：电磁大炮、电磁泵驱动的潜艇等军舰、火箭发射。,电炮有能源简易、无污染、成本低、效率高、可控性好、性能稳定、后坐力小、发射时无烟雾火光及冲击波、隐蔽性强等优点，还可在一个多级发射器中同时推进几个射弹,5）交通运输：悬浮电机驱动的磁悬浮列车。,