第九章 异步电动机运行原理.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,*,*,*,定转子基波磁势空间相对静止,转子静止时的异步电动机,转子旋转时的异步电动机,难点：频率折算与等效电路的理解,电磁关系,电压、磁势平衡方程式、等效电路,第九章 三相异步电动机的运行原理,1,概述,异步电机与变压器,一样属于,单边励磁,的电机，转子边电流由感应产生。,从电磁关系看，异步电机与变压器相似，其定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组相当于变压器的二次绕组。,因此，可以把分析变压器的理论用到分析异步电机中来。异步电机三相定、转子绕组都是对称的，正常对称运行时，,各相发生的电磁过程完全相同，在分析时可只讨论一相,，如电动势方程、等效电路等，根据一相计算结果，再考虑相位后推广到其它两相。,2,分析前提：,把异步电机的磁通分成主磁通和漏磁通，并把谐波磁通归并到漏磁通,假设：气隙中只有基波磁通，定、转子绕组上感应有基波电势,漏磁感应电势用漏抗压降表示,三相对称电机只讨论其中一相即可,分析基本原理、导出基本方程式、等效电路、相量图,第一节 转子不动时的异步电动机,3,以外力阻止转子旋转,定子（三相对称电流,I,通入三相对称绕组）,圆形旋转磁场,(,n,1,=60,f,1,/,P,),以,n,1,切割定子绕组;,以,n,1,切割转子绕组,谐波，漏磁,转子不动的电磁关系,4,主磁通、漏磁通和漏电抗,主磁通,mutual,flux,1,主磁通,1,由基波磁势产生，是,每极的基波磁通量,。,交链定子绕组与转子绕组，实现能量的传递。,以同步速旋转,主磁通途经五段磁路：空气隙、定子齿、转子齿、定子轭和转子轭。,5,异步电机主磁通与变压器主磁通比较,变压器：,主磁通，脉动磁通，,m,表示振幅,原、副绕组静止，磁通幅值按正弦变化，产生感应电势。,异步电机,：,主磁通，旋转磁通，沿气隙按正弦分布且以同步速旋转,主磁通与转子有相对运动，（磁通幅值不变化），转子中交链磁链变化，产生感应电势。,6,漏磁通,leakage flux,漏磁通,除去主磁通以外的磁通。,漏磁通包含三个部分：槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通（,按路径区分,）。,槽漏磁通和端部漏磁通。仅只交链定子绕组，与转子绕组没有互感作用，不传递能量。,谐波漏磁通,由高次谐波磁势所产生的谐波磁通，穿过空气隙，交链转子绕组并在其中感应电势，产生转矩（,无用,）。,（气隙总磁通,气隙基波磁通）,7,横穿定子槽,交链定子绕组端部,定子的槽漏磁通和端部漏磁通，只交链定子绕组，与转子绕组没有互感作用，不传递能量。,8,谐波漏磁通,谐波磁场极对数 ，旋转速度,在定子绕组上的感应电势,频率仍为基波频率，与其它定子漏磁通感应的电势频率一样，归为定子漏磁通。,9,漏电抗：,定子,I,交变,定子谐波，漏磁通交变,和变压器一样，漏电势可用漏电抗压降来表示转子谐波，漏磁通交变,10,一、参考方向的规定,图,9,1,三相绕线式异步电机参考方向规定,当三相异步电机定子绕组接交流电源时，其转子不动可分为,转子堵转转子绕组开路和转子堵转,(,转子绕组闭合,),两种情况。,11,以外力阻止转子旋转,定子（三相对称电流,I,通入三相对称绕组）,F,0,(,n,1,=60,f,1,/,P,),以,n,1,切割定子绕组;,以,n,1,切割转子绕组,谐波，漏磁,二,.,转子堵转且转子绕组开路时异步电机的电磁关系,12,转子绕组开路时，转子回路没有电流，不产生磁动势。此时，电机气隙中的磁动势只有定子磁动势,F,0,，因此称其为励磁磁动势，相应的定子电流,I,0称为励磁电流。,励磁磁动势,二,.,转子堵转,转子绕组开路时异步电机的电磁关系,(1).,磁动势和磁通,电机中合成基波旋转磁动势,13,转子不动时，以频率,f,1,交变的主磁通,0,将在定、转子相绕组中感应同频率的感应电动势,E,1,和,E,20,，其有效值为：,（,2,）感应电动势,定、转子一相感应电动势有效值的比值，称为电动势比，用,k,e,表示,:,二,.,转子堵转且转子绕组开路时异步电机的电磁关系,14,与变压器类似,:,漏电动势可以用漏抗压降来表示，有：,x,1,定子每相绕组漏电抗，用简化符号,x,1,表示，定子漏电抗主要有定子槽漏电抗和端部漏电抗。,二,.,转子堵转且转子绕组开路时异步电机的电磁关系,i,0,1,e,1,15,为励磁阻抗；,为励磁电抗，对应于主磁通的电抗；,为励磁电阻，对应于铁心铁耗的等效电阻，即有：,与变压器类似,:,i,0,e,1,，,感应电势可看成为空载电流在阻抗上的阻抗压降，即：,二,.,转子堵转且转子绕组开路时异步电机的电磁关系,16,（,3,）电压平衡方程,转子一相绕组的电压方程为：,定子一相绕组的电压方程为：,二,.,转子堵转且转子绕组开路时异步电机的电磁关系,17,二,.,转子堵转且转子绕组开路时异步电机的电磁关系,图,9,4,转子绕组开路时三相异步电机等效电路,(4),等效电路,r,1,x,r,m,x,m,18,三,.,转子堵转时异步电机的电磁关系,(,转子绕组闭合,),以外力阻止转子旋转,定子（三相对称电流,I,通入三相对称绕组）,F,1,(,n,1,=60,f,1,/,p,),气隙磁场,(,以,n,1,切割定子绕组;,以,n,1,切割转子绕组,),谐波，漏磁,F,2,(,n,1,=60,f,2,/,p,),19,(1),磁势平衡方程式,转子绕组是一对称多相绕组，与定子绕组有相同极数。,绕线式转子有明显的相数和极对数，设计转子绕组时，必须使转子极数等于定子极数。,鼠笼转子的转子有鼠笼加端环组成。所有导条在两头被端环短路，整个结构是对称的，实质上是一个对称的多相绕组。,鼠笼转子的极数恒等于定子绕组的极数,三,.,转子堵转时异步电机的电磁关系,(,转子绕组闭合,),20,保持相对静止，此时,n,1,=,n,2,（,满足电机正常运行条件）,(,旋转,),n,1,=60,f,1,/,P,f,2,=,Pn,/60=,Pn,1,/60=,f,1,n,2,=60,f,2,/,P,=,n,1,n,为转子绕组与磁场相对速度,气隙中的磁势：,要有一个平均合成磁势,必须满足,:,与,(1),磁势平衡方程式,三,.,转子堵转时异步电机的电磁关系,(,转子绕组闭合,),21,三,.,转子堵转时异步电机的电磁关系,(,转子绕组闭合,),22,其中，电流变比：,I,1L,称为定子电流的负载分量。在负载运行时，异步电动机定子电流,I,1,分成,I,m,和,I,1L,两个分量：,I,m,是励磁电流用于建立电机铁心中的主磁通,m,，,I,1L,是负载分量用于建立磁势,F,1L,去抵消转子磁势,F,2,。,三,.,转子堵转时异步电机的电磁关系,(,转子绕组闭合,),23,(2),电势平衡方程式,定、转子回路的电压方程式：,m,1,N,1,K,w,1,m,2,N,2,K,w2,r,1,x,1,r,2,x,2,三,.,转子堵转时异步电机的电磁关系,(,转子绕组闭合,),24,定、转子回路的电压方程式：,r,1,定子绕组；,r,2,转子电阻；,x,1,定子漏电抗；,x,2,转子漏电抗；,r,m,激磁电阻,代表铁耗；,x,m,定子每相绕组与主磁通对应的电抗，,电机中有气隙，磁阻较大，磁导较小，,x,m,小。,从电路分析角度来看，转子不动时的异步电机的电路方程与次级侧短路时的变压器的电路方程相似,三,.,转子堵转时异步电机的电磁关系,(,转子绕组闭合,),25,将,m,2,、,N,2,、,K,W,2,的转子折算到,m,1,、,N,1,、,K,W,1,的等效定子绕组,(1),电流的折算,（折算前后 不变）,转子绕组的折算,三,.,转子堵转时异步电机的电磁关系,(,转子绕组闭合,),26,(2),电势及电压的折算,（保持功率不变,),同理,转子绕组的折算,27,(3),阻抗的折算,（保持转子铜耗不变,),保持折算前后功率因数不变,转子绕组的折算,28,折算后异步电动机的基本方程式：,29,四、等效电路,single-phase equivalent circuit,r,1,x,x,m,r,m,30,参数的物理意义,r,m,铁耗等效电阻,core-less resistance,x,m,magnetizing reactance,定子每相绕组与主磁通对应的电抗，随铁芯的饱和不同而变化。,异步电机中，磁通由三相联合产生,；,变压器中，磁通由一相绕组产生,定子漏抗，由定子三相电流联合产生的漏磁通，在定子每一相上引起的电抗。,31,异步电动机转子不动与变压器的比较,异步电动机,变压器,定子,原边,转子,副边,磁势,旋转,脉动,气隙,定、转子间有,原、副边无,激磁电流,大,小,激磁阻抗标么值,小,大,绕组结构,分布绕组,集中绕组,32,定子（三相对称电流,I,通入三相对称绕组）,F,1,(,n,1,=60,f,1,/,P,),以,n,1,切割定子绕组;,以,n,1,-,n,切割转子绕组,谐波，漏磁,转子转速为,n,，,异步电动机的电磁关系,转差率,:,s,=(,n,1,-,n,)/,n,1,第二节 转子旋转时的异步电动机,F,2,(,n,2,=?,33,转子感应电势与电流的频率,f,2s,设转子旋转速度为,n,转子相对与定子旋转速度为,n,1,-,n,则转子,E,2s,及,I,2s,频率,:,故,f,2,又称,转差频率,电动机正常运行时，,S,往往很小,，由此可见,f,2,很小。,所以正常运行时，转子频率很低，为,1-3Hz,。,一,.,转子感应电动势,E,2,s,(,大小与频率,),34,由于频率改变，所以,转子感应电动势,也变化，有效值为：,一,.,转子感应电动势,E,2,s,(,大小与频率,),35,二,.,转子电动势平衡方程,因为转子回路不变，所以电动势方程形式不变，为：,此时，转子漏抗为：,36,转子转动后，由转子电流所产生的转子基波旋转磁势相对于转子的转速为：,转子基波旋转磁势相对于定子的转速为：,由转子电流所产生的,转子基波旋转磁势,和由定子电流所产生的,定子基波旋转磁势,没有相对运动,。（磁势平衡式不变）,三,.,磁动势平衡方程,(,转子电流产生的旋转磁势的转速,),37,n,1,n,2,n,F,1,F,2,磁场,F,2,的转速：,n,2,=60,f,2,/,P,=,sn,1,=,n,1,-,n,需要注意的是,：,n,2,为转子电流产生的,F,2,的转速，亦即,F,2,相对与转子速度，则,F,2,相对与定子的速度为：,n,2,+n=n,1,F,1,与,F,2,旋转方向相同，速度相同，保持相对静止。,满足交流电机稳定运行的条件。,三,.,磁动势平衡方程,(,转子电流产生的旋转磁势的转速,),38,转子磁动波,F2,定子磁场,F1,转子,转子磁势波,F,2,定子磁场,F1,转子,转子磁势与气隙磁场在空间的相对位置,39,转子旋转时，,转子磁动势相对于定子的旋转速度不变，定子磁动势和转子磁动势仍然保持相对静止,，,这说明转子旋转时内部电磁过程和转子不动时相似，不同的是转子回路的频率，由,f,1,变为,sf,1,。,转子旋转时，磁动势平衡方程仍为：,三,.,磁动势平衡方程,40,1.,转子起动后的基本方程式,(1),转子绕组感应电势,（,E,2,转子静止时的感应电势）,(2),（,x,2,转子静止时的电抗）,四,.,频率折算,41,(3),转子电势方程：定子电势方程：,r,1,定子绕组电阻，,x,1,漏抗，,E,1,：,磁场在定子绕组感应电势,合成磁势：,转子起动后的基本方程式,四,.,频率折算,42,绕组折算,转子绕组的相数、每相有效串联匝数与定子绕组一样；,频率折算,使转子绕组的频率与定子绕组一致,频率归算,用一等效的转子电路替代实际转动的转子电路，使与定子电路有相同频率。（转子静止）,保持频率折算后的转子电流的大小和相位不变,，可保持磁势平衡不变，保持定子电流的大小和相位不变保持了损耗和功率不变,四,.,频率折算,43,折算原因：,转子转动时，转子边频率为,f,2,，,定子边频率为,f,1,，,不同频率，故而不能直接将定转子连在一起得到等效电路。,折算原则：,折算不应影响定子边各量,四,.,频率折算,磁势 不变。,44,磁势 不变。,由上式可见，频率折算的含义是一个静止的电阻,r,2,/,S,代替电阻为,r,2,的实际旋转转子，折算前后转子电流大小未变，相位,为 所产生 的未变。,由 可见，只要折算前后 的相位、大小不变，就不会对定子量造成影响，就不会影响合成磁势,四,.,频率折算,45,(1),一些技术处理,现在转子电阻为,r,2,/,s,和静止时转子电阻相比，转子电阻多了一项 此电阻与电机的转差率有关,(2),分析一下,当电机所带负载变化时，电机的转速随之变化，,S,变化,变化，所以 反应了电机机械负载变化的大小，而此电阻上消耗的功率 代表了,电机产生的总的机械功率,46,通过频率和绕组折算后的基本方程式,转子不动时的等效电路,转子旋转时的等效电路,四,.,频率折算,47,T,等效电路,各参数的物理意义：,定子绕组的电阻,r,1,、,漏抗,x,1,转子绕组归算后的电阻,r,2,、,漏抗,x,2,对应主磁通的励磁电抗,定子铁耗的等效电阻,模拟轴上的机械功率,附加电阻,r,1,x,x,m,r,m,五,.,等效电路,48,感应电动机的,T,形等效电路,由上述电路可见，异步电机为感性电路,r,m,x,m,五,.,等效电路,49,电阻 的物理意义,在实际转动的电机中，在转子回路中并无此项电阻，但有机械功率输出。,在频率归算后的转子电路中，因已等效成静止转子，没有机械功率输出，但却串入附加电阻 ，其电功率为,电功率 模拟轴上的机械功率,。,50,进一步讨论,不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。,静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率。,静止的转子中多了一个附加电阻，而电流没有变，所以多了一个电阻功率。,分析证明：附加电阻上消耗的电功率等于电机轴上产生的机械功率,51,等效电路分析异步电动机的三种运行情况,(1),轻载时,定子电流全部用于激磁，功率因素较低,(2),起动时,cos,2,低，,cos,1,低,(3),额定负载时，,S,小，大，转子电路基本为电阻性。,cos,2,高，,cos,1,亦高,r,1,x,x,m,r,m,521),以 为参考量,(2),六,.,相量图,53,六,.,相量图,54,approximative,equivalent circuit,变压器：,激磁阻抗大，,r,m,=1-5,、,x,m,=1050,漏抗小，约为,0.014-0.08,异步电机：,存在气隙，激磁阻抗较小，,标幺值,r,m,=0.08-0.35,、,x,m,=2-5,漏抗较大，,x,1,x,2,约为,0.07-0.15,七,.T,型等效电路的简化,55,修正系数,一近似等效电路,正常运行时,型近似等效电路,二简化等效电路 令,C,1,=1,简化电路,七,.T,型等效电路的简化,56,近似计算转子电流,近似计算定子电流,57,等效电路,C,1,C,1,七,.T,型等效电路的简化,58,简化等效电路,r,1,x,1,r,m,x,m,-,七,.T,型等效电路的简化,59,