电机和拖动基础课件全课件.ppt

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=,/,A(,面积,),类型,矢量,量纲,Wb/m,2,面积,A,磁力线,单位面积,1-1,磁路的基本定律（一）,磁势（磁动势）,描述,衡量磁场源的基本强度,符号,F,F=,i,N,类型,矢量,量纲,Aturn(,安匝,),磁场强度,描述,在单位长度的磁力线上磁场源所分配的励磁磁势大小,符号,H,B=,H,类型,矢量,量纲,T,（特斯拉）或,A,/m,或,A,turn,/m,磁导率,描述,衡量指定物质导磁能力大小的物理量,符号,类型,标量,量纲,H/m,在真空介质中,o,=4,10,-7,H/m,1-1,磁路的基本定律,1-1,磁路的基本定律（三）,提示：,磁势不仅与流过电流载体的安培强度有关，还与电流载体围绕磁路的匝数有关,提示：,此量纲称为：亨每米,1-1,磁路的基本定律（四）,1-1,磁路的基本定律,三、磁与电的联系,磁场与电流,安培环路定律,P 7,右手定则,+,_,绕组,N,匝,磁性铁心,横截面,A,铁心平均长度,lc,i,磁势的大小：,F=i N=H,c,l,c,磁路的基本定律（六）,1-1,磁路的基本定律,磁路与电路,磁路欧姆定律,P 7,磁路与电路的区别,P 9,+,_,V,R,I,F,+,_,Rm,电路,磁路,思考（一）,1-1,磁路的基本定律,磁导率,（,H/m,）,的量纲,H,是即电感量的量纲，解释,1H,的物理含义是什么,?,预测电磁元件的电感量受哪些参量的影响,？,在假定每种磁介质的 为常数的前提下，,如何解释磁导率,（,H/m,）的物理意义？试写出可能的物理描述。,思考题,常用的铁磁材料及其特性,1-2,常用的铁磁材料及其特性,一、铁磁物质的磁化,很多铁磁材料在常态下不显磁性，只有通过外磁场的激励，才表现出很强的磁性。,磁畴,未加激励状态,激励磁化状态,一般用于电机的铁磁材料其,Fe,=(2000,6000),0,，,因而采用铁磁材料构成磁路,铁心，再由电场激励磁场成为产生电机电磁场的必然途径。,、铁磁材料的磁化特性,1-2,常用的铁磁材料及其特性,二、铁磁材料的磁化特性,磁化曲线,P10,铁磁材料的磁化特性具有非线性的特点，当磁化强度达到一定临界值，磁感应能力开始下降,磁滞回线,P10,当铁磁材料受到周期性的交变磁化时，磁化特性具有滞后回环特点。,三、铁磁材料的分类和损耗,1-2,常用的铁磁材料及其特性,三、铁磁材料的分类和损耗,铁心损耗,P12,磁滞损耗：铁心的磁能热耗散,涡流损耗：铁心的电热损耗,软磁和硬磁材料的分类,P12,第二章 直流电机,原理与构造,基本物理量与工作特性,数学描述,第二章 直流电机,一、直流电动机的电磁力运动现象左手定则）,2-1,工作原理及结构,2-1,工作原理及结构,恒定磁场，带电导体（相互垂直）,f=Bil,皮,萨电磁力定律,ax,、,by,段虽然有电流，由于其平行于磁力线，无切割运动，故不会产生感应力而影响旋转运动,N,S,l,a,x,b,y,通电后，导体,ab,段受到向左的电磁力作用，导体,ab,段受到向右的电磁力作用，整个导体框产生以虚线为轴心得逆时针旋转运动。,换向器,连续转动,2-1,工作原理及结构,由于通电导线的空间位置不断变化，如何保证旋转方向恒定不变,？,外电源固定极性电流,三维图示,+,_,2-1,工作原理及结构,外电源固定极性电流,换向片,一个电枢,绕组,电机旋转体,电枢,换向电刷,电枢结构示意,2-1,工作原理及结构,2-1,工作原理及结构,直流电源,导电体,电磁场,左手定则,瞬间,旋转运动,换向器,持续,旋转运动,输出转矩,产生,电磁转矩,直流电动机的能量变换途径：,2-1,工作原理及结构,二、直流发电机的电磁感应现象（右手定则）,恒定磁场，运动的导体（单方向运动）,借助换向器，保证输出为直流电压,直流电源,导电体,电磁场,右手定则,交变,感应电势,换向器,直流,感应电势,输入转矩,产生,感应电势,2-1,工作原理及结构,2-1,+,U,_,+,Ea,_,+,_,+,Ea,_,+,_,电动运行,发电运行,2-1,工作原理及结构,直流电机电气原理图,2-1,工作原理及结构,三、直流电机的基本结构,机械结构,定子部分,转子部分,主磁极 换向极 机座 电刷装置,电枢铁心 电枢绕组 换向器,电气结构,励磁回路,电枢回路,主磁极 换向极 电刷装置,电枢绕组 换向器,三、直流电机结构,2-1,工作原理及结构,电枢（绕组）,电刷,换向器,电源接线端,机械连结轴,主磁极，励磁绕组,2-1,工作原理及结构,N,S,1,2,3,7,8,4,6 5,2-3,直流电机的绕组结构特征,直流电机电枢绕组的基本结构特征,2-3,直流电机的绕组,为产生足够的电磁力或发电电动势,需要将均匀分布的多个电枢线圈相互并串联，形成绕组。,+,单绕组结构,:,优：增加线圈数量，在旋转一周过程中始终有一个绕组产生均衡的电磁力或发电电势。,劣：任何时刻只有一个绕组产生电磁效应，结构利用率低，效能差。,多绕组结构,N,S,1,4,3,2,8,5,6,7,+,该绕组结构工作时有几条电流支路？图示状态的电流路径如何，以绕组端排序表示。,多绕组结构,:,绕组,1-2,，,3-4,，,5-6,，,7-8,共四组。,利用换向片将绕组端,1,和,8,，,3,和,2,，,4,和,5,，,6,和,7,永久短接。,优：通过绕组串并联，增加通电线圈的数量（匝数），大大提高了在旋转一周过程中产生的电磁力或发电电势。,2-3,直流电机的绕组,多对极励磁,1,2,3,7,8,4,6 5,+,+,N,N,S,S极对数：,P=2,2-3,直流电机的绕组,多对励磁极结构,:,2-4,直流电机的励磁方式和磁场,+,+,+,+,并励方式,他励方式,串励方式,2-4,励磁方式,复励方式,一、直流电机的基本励磁结构,空载和负载励磁状态,2-4,直流电机的励磁方式和磁场,二、直流电机的空载励磁状态,P30,直流电机的空载状态定义：无负载的运行状态,主磁通取决于励磁电流强度,三、直流电机的负载励磁状态,P32,直流电机的负载达到一定强度后，其电枢电流的励磁作用不可忽略,电枢反应：去磁作用,2-6,感应电动势和电磁转矩,在电机的物理量中：,感应电动势,主要的电气特征量,电磁转矩,主要的机械特征量,一、感应电动势,Ea,量纲：伏特,无论导体是否带电，只要按一定方向切割磁力线，导体都将产生感应电动势。,直流电机的感应电动势,；,Ce,电动势常数,E,a,=C,e,n,；,合成磁通,；,n,电机转速,2-6,感应电动势和电磁转矩,i,a,t,0,2,P=2,的直流电动机感应电动势分析,2-6,感应电动势和电磁转矩,元件的指定支路边电流变化波形,N,N,S S,1,4,3,2,8,5,6,7,+,+,_ _,电枢空间位置与电角度的关系,由于磁极与换向电刷的配合,使电枢元件边的电流极性与磁极极性总保持相对一致性。当电流相角度发生半周变化即,时，元件边切割的磁通也正好发生半周变化即,。,电角度,+,-,2-6,感应电动势和电磁转矩,P=1,：,设定电枢绕组每一边支路经过磁通变化半个周期,时，需要的时间为,t,：,P=2,：,导出,P38(2-18),式,电枢支路边电流的电角速度,与电枢的机械转速,n,的关系：,n,：转,/,分（,rpm,）,2-6,感应电动势和电磁转矩,求,t,时间内最后感应电势平均值，最后考虑电枢绕组总有效元件电势总量值。,式,2-21,由电磁感应定律，匝数为,Ny,的元件的感应电势瞬时值表达结果：,磁链,感应电动势,推导线索,电磁感应定律,单位绕组以速度,n,旋转时的平均感应电动势,考虑总量,2-6,感应电动势和电磁转矩,电磁转矩,二、电磁转矩,Tm,2-6,感应电动势和电磁转矩,量纲：牛顿米,具有矢量特征（顺反两种方向）。,直流电机的电磁转矩,；合成磁通,T,m,=C,M,I,a,；,C,M,转矩常数,；,Ia,电机电枢电流,推导线索,电磁力定律,单个元件所受电磁力,；,Ny,每个元件的匝数,电磁转矩,元件所受电磁转矩,2-6,感应电动势和电磁转矩,；,Da,电枢转轴直径,每极下的电磁转矩,由于每个磁极下的磁通为,电磁转矩,电枢（,P,对磁极）总电磁转矩为,2-6,感应电动势和电磁转矩,电磁转矩,T,em,的大小与每极磁通和电枢电流的乘积成正比,思考,当电枢回路电流为零时，是否能确定,Ea,为零？,当机转速为零时，是否能断定,Tem,为零？,机电能量的关系,三机电能量的关系,2-6,感应电动势和电磁转矩,E,a,I,a,：通过电磁感应输送到电机的电功率,T,em,：通过电枢转轴输送的机械功率,转矩常数,C,T,电动势常数,C,e,见,P3839,2-7,直流电机的运行原理,2-7,直流电机的运行原理,一、描述运行规律的一般数学表达,1.,电动势平衡方程式,(,以电枢回路为主,),电动运行状态,发电运行状态,+,U,_,+,Ea,_,+,Uf,_,La,Ra,i,a,电,动,运,行,稳态时为零,T,em,T,2,T,l,思考,一台直流电机，励磁磁场恒定,，电枢电阻,Ra=1,，当作为电动机稳定运行时，外加,Ua=200V,直流电压，电枢电流为,10A,；当作为发电机运行时，外力拖动其稳定运行于同一转速，发电输出电流为,20A,。,估算其输出的发电电压,U,F,=,？,转矩平衡方程式,2.,转矩平衡方程式,电动运行状态,发电运行状态,2-7,直流电机的运行原理,+,U,_,+,Uf,_,i,a,电,动,运,行,T,em,T,2,T,l,稳态时为零,能量平衡方程式,2-7,直流电机的运行原理,3.,能量平衡方程式,(,以电动机为例,),P,Cuf,P,Cua,P,Fe,P,C,P,mec,P,1,P,em,P,2,电功率,机械功率,转速特性,2-7,直流电机的运行原理,二、直流电动机的工作特性,电机为使用者提供的典型运行规律,P4345,定义：在,U=U,N,，,I,f,=I,fN,，电枢回路无外串电阻时，电动机的,n,，,T,em,，,=f(P,2,或,Ia,),关系。,转速特性,(,以并励电动机为例,),n=f(Ia,),负斜率项,n,0,n,I,aN,I,a,转速特性的特殊工作点,2-7,直流电机的运行原理,n,0,n,I,N,I,a,n,0,：电机在电枢电流为,0,时的转速，称为电机在该工作条件下的理想空载转速。,当,n=n,N,I,a,=I,N,时：电机工作在额定工作点。,理想空载点,额定工作载点,转矩特性,2-7,直流电机的运行原理,思考,电动机处于稳定空载运行时，大致在该特性的哪个位置点？,转矩特性,(,以并励电动机为例,),T,em,=f(I,a,),正斜率项,T,em,0,T,em,I,aN,I,a,效率特性,效率特性,(,以并励电动机为例,),=f(Ia,),所有的损耗和,2-7,直流电机的运行原理,思考题,2-7,直流电机的运行原理,（并励）直流电动机工作特性,n,T,em,0,n,T,em,I,aN,I,a,第八章 动力学基础,第八章 电力拖动系统的动力学基础,运动方程式,负载转矩特性,8-1,运动方程式,8-1,电力拖动系统的运动方程式,一、电力拖动系统的一般结构,电网电源,受控电源,电动机,机械负载,二、运动方程式,直线运动：,旋转运动：,；,J=GD,2,/4g,运动方程式,电动机运动方程式：,8-1,电力拖动系统的运动方程式,运动方程与运动状态,T=T,Z,时，,dn/dt=0,，稳定运动，无加速度，稳态,T,T,Z,时，,dn/dt 0,，加速运动，正加速度，动态,T,T,Z,时，,dn/dt T,z1,),dn/dt,U,1,),I,T,T Tz dn/dt 0,直到,T=Tz dn/dt=0 n=n,2,n,Tz Tem,o,第一工作点,(,T,z,，,n,1,),第二工作点,(T,z,，,n,2,),当,U,2,又变回到,U,1,(U,2,U,1,),I T T Tz dn/dt 0,直到,T=Tz,dn/dt=0 n=n,1,分析前提：,电枢的电气惯性,大大小于机械惯性,电动机机械特性具有：,交点以上同一速度有,TTz,9-2,启动问题,一、他励直流电动机的安全起动要求,9-2,他励直流电动机的起动,问题的存在,在电枢回路中：,忽略,L,，起动时，,Ea=0:,结果,i,a,往往过大,超越电气和机械强度的极限,改善方案：,降,压启动,电阻分压分级起动,可变电源降压起动,直流电动机,1.5KW,，,220V,，,8.7A,，,0.8,，,1450rpm,275A 8.7A,起动方法,9-2,他励直流电动机的起动,Ra,+,U,_,+,Ea,_,+,U,f,_,R,1,R,2,R,3,Ra,s1,s2,s3,i,a,n,Iz I,1,I,2,Ia,o,负载点,(T,z,，,n,z,),电枢电阻分级起动：,第一级,s1,，,s2,，,s3,开路,第二级,s1,闭合，,s2,，,s3,开路,第三级,s1,，,s2,闭合，,s3,开路,第四级,s1,，,s2,，,s3,闭合,转折点,(T,2,，,0,）,转折点,(T,1,，,n,1,）,案例,案例,已知：,U=200v,，,Ce,=0.2v/rpm,，,Ra=1,要求：,电动机从,n=0,开始起动，每增加,300rpm,切换一次起动电阻，尽可能使每次切换后的最大加速电流为,10A,，直到完全除掉外串电阻，使电动机稳定运行于空载点（,Io=1A,）。,设计各级分级电阻；,画出起动过程的机械特性,n=fIa)(,并标注各转折点坐标,),；,画出电动机电枢回路原理图，说明分级控制步骤。,9-2,他励直流电动机的起动,n,900,600,300,Iz 10A Ia,o,案例解析,1,在约定工作条件下,电动机理想空载转速：,实际空载转速：,9-2,他励直流电动机的起动,参考解答：,(1A,，,995rpm),(0A,，,1000rpm),R1=20,n,900,600,300,Iz 10A Ia,o,案例解析,2,设第一级总电阻为,R,1,(,含,R,a,),，切换后分别为,R,2,，,R,3,，,R,4,对应外串电阻为,R,1,，,R,2,，,R,3,，,R,4,9-2,他励直流电动机的起动,此后电机加速，当转速达到,300rpm,时：,（,7,300,）,一般认为：动态过程中，电枢电流的响应远快于转速的响应,电机通电后，第一级总电阻为,R,1,R2=14,n,900,600,300,Iz 10A Ia,o,（,7,300,）,案例解析,4,9-2,他励直流电动机的起动,切换电阻由,R1,R2,，速度不变，电流增加再次达,10A,：,（,5.7,600,）,此后电机加速，当转速达到,600 rpm,时：,R3=8,（,7,300,）,（,5.7,600,）,n,900,600,300,Iz 10A Ia,o,案例解析,5,9-2,他励直流电动机的起动,切换电阻由,R2,R3,，速度不变，电流增加再次达,10A,：,此后电机加速，当转速达到,900 rpm,时：,（,2.5,900,）,案例解析,6,9-2,他励直流电动机的起动,切换电阻由,R3,R4,，速度不变，电流增加再次达,10A,：,此后速度已没有,300 rpm,的增加余地，为保证切除最后一级外串电阻时电流能达到,10A,，,切换点的坐标如何确定？,（,7,300,）,（,5.7,600,）,n,900,600,300,Iz 10A Ia,o,（,2.5,900,）,R,4,=2,（,2.5,900,）,n,1000,900,Iz 10A Ia,o,案例解析,7,9-2,他励直流电动机的起动,切出最后一级电阻时速度应等于自然特性在,Ia=10A,点：,切换点电流,I4,：,（,5,950,）,最后，电机进入自然特性直至稳定于（,1A,995 rpm,）,(1A,，,995rpm),案例解析,3,n,900,600,300,Iz 10A Ia,o,（,7,300,）,（,5.7,600,）,（,2.5,900,）,（,1,995,）,（,5,950,）,9-2,他励直流电动机的起动,Ra,+,U,_,+,Ea,_,Ra,s1,s2,s3,S4,i,a,6,6,6,1,9-3,制动,9-3,他励直流电动机的制动,一、电机制动状态的定义,当电磁转矩,T,与转速,n,方向相反时，电机处于制动状态,提示：,制动过程不一定是减速过程,制动过程是外部机械能进入电机转变为电能的过程,二、电机制动状态的分类,能耗制动,回馈制动,反接制动,电枢反接,制动,转速反接,制动,n,T,能耗制动,9-3,他励直流电动机的制动,能耗制动,应用：减速，刹车或抑制速度,案例：当,K,左端，电动运行，,T,与,n,同向,当,K,右端，,U=0 n,，,Ea,大小、方向不变,T,与,n,反向，处于制动运行，,+,U,_,+,Ea,_,+,Uf,_,R,z,Ra,n,K,能耗制动,9-3,他励直流电动机的制动,由于机械能最终转变为电功率以,Ia,2,(Ra+Rz),方式消耗掉，所以称之为,能 耗 制 动,机械特性方程,提示：特性为斜率等于,（,Ra+Rz,）,/Ce,的斜线,最大制动转矩,T,1,可调节,Ra+Rz,T,1,o Iz Ia,Ra,n,n,o,o I,z1,I,z2,Ia,案例二,9-3,他励直流电动机的制动,Ra,Ra+R,z,n,n,o,案例分析,如图：电动机在两种不同强度的反作用负载下稳定运行，若配以相同能耗制动电阻,Rz,，能否判断两者停车的快慢？,负载,1,负载,2,反接制动,9-3,他励直流电动机的制动,反接制动,应用：吊车重物下放等,案例：,电动运行，,R,=0,，重物向上提升；,制动运行，,R,增大，使,T 0,，,i,1,0,及电路的纯感性特征；,确立电路工作时段,t,1,t,2Di,1,/dt 0,，,d,/dt 0,及的方向为顺时针；,二次绕组感生电流产生的磁通方向阻碍的变化；,判断出,i,2,，,u,2,的方向。,2-2,空载运行,e,1,3-2,单相变压器的空载运行,一、空载运行的物理分析,1,其中存在少量只与一次绕组交链的，经过非磁性物质（空气或绝缘油）的漏磁通,1,m,e,1,e,2,u,2,i,0,u,1,N,1,N,2,空载运行,当一次绕组施加电压,u,1,；,i,0,一次绕组空载电流,；,e,1,一次绕组漏磁通对应的电动势,；,r,1,一次绕组电阻,变压器总磁通量：,=,m,+,1,3-2,单相变压器的空载运行,感应电动势和主磁通,近似假定：,m,=,m,sint,则：,；,I,m,励磁电流,；,I,磁化（励磁）电流,；,I,Fe,铁耗电流,感应电动势和主磁通,3-2,单相变压器的空载运行,空载电流分析,实际空载时，铜耗,P,cu1,相对很小，若忽略则有：,一般由于,I,I,Fe,，,I,是,I,m,的主要分量,推导见,P57,如何转换为相量图？,m,e,1,e,2,u,2,i,0,u,1,N,1,N,2,漏电抗的引入,3-2,单相变压器的空载运行,1,e,1,如何将电磁效应表达为由,电气参数,组成的方程式？,3-2,单相变压器的空载运行,漏磁通与漏电抗,漏磁通与漏电抗,；定义,x,1,为一次绕组的漏电抗，以表征漏磁通对一次绕组的电磁效应。,电势平衡式、相量图,二、空载运行的电势平衡式、相量图和等效电路,P65,3-2,单相变压器的空载运行,在假定漏电抗为,x,1,的前提下，推算与二次绕组非耦合的等效阻抗,其中，将,Z,1,=r,1,+jx,1,认定为,考虑一次绕组的电阻,r,1,一次绕组漏阻抗,等效电路,3-2,单相变压器的空载运行,进一步定义 对应的阻抗,Z,m,为耦合于二次绕组的励磁电流和磁通,由 （铁耗分量）和 （励磁分量）组成,定义：,一次绕组的感应电动势,；其中复阻抗,Z,m,=r,m,+jx,m,重新表达电势平衡关系：,相量图及等效电路,3-2,单相变压器的空载运行,相量图,（忽略铜耗）,等效电路,r,1,x,1,r,m,x,m,思考题,3-2,单相变压器的空载运行,思考,1.,当不忽略一次绕组的电阻,r,1,时，,P58,(2-16),式是否适用？,2.,利用等效电路模型说明变压器空载运行时电源的功率分配情况,.,r,1,x,1,r,m,x,m,2-3,基本方程式,3-3,单相变压器的基本方程式,一、负载后的电磁变化,e,1,1,m,e,1,e,2,u,2,i,1,u,1,N,1,N,2,2,Z,F,i,2,物理分析,3-3,单相变压器的基本方程式,I,1,增量与输出电流,I,2,的关系：,；磁通势变化总量为,0,；总磁势不变,；一、二次绕组磁通势变化量相量和为,0,；一、二次绕组电流增量的关系,基本方程式,二、负载时的基本方程式,3-3,单相变压器的基本方程式,磁动势平衡方程,电动势平衡方程,r,m,x,m,r,1,x,1,r,2,x,2,r,m,x,m,Z,F,一次回路,二次回路,3-4,等效电路,3-4,单相变压器的等效电路及相量图,一、目的,等效电路,：便于工程计算的无电磁隔离的单纯电路,二、绕组归算,归算原则,：归算前的磁势平衡关系和能量平衡关系保持不变,归算方法,：将二次（或一次）绕组的匝数换算成一次（或二次）绕组的匝数,归算结果,：将一个匝数与一次绕组相等，电磁效应与二次绕组相同的并联绕组去代替实际的二次绕组,N,2,=N,1,归算电动势与电压,由（,3-15,）式知绕组归算,3-4,单相变压器的等效电路及相量图,归算电流,保持二次绕组折算前后磁动势不变：,归算阻抗,保持二次绕组折算前后有功功率、无功功率不变：,等效电路,三、等效电路,3-4,单相变压器的等效电路,由于感生电动势折算后相等，从电气效应的角度看，可将磁路屏蔽掉，直接连接一、二次绕组。,r,m,x,m,r,1,x,1,x,2,r,2,Z,F,简化等效电路,三、简化等效电路,3-4,单相变压器的等效电路,P66,思考,1.,一台单相变压器分两组输入端，额定电压分别为,380/220,伏，额定频率为,50Hz,，试问：,1),如误将,220,伏端接在,380,伏电源上，会有什么情况发生？,2)如果电源电压正常，电源频率提高,20%,，,x,m,，,I,0,，,P,Fe,将如何变化？,3),如果将变压器接在直流电源上，会有什么情况发生？,思考,3-4,单相变压器的等效电路,在变换功率一定的前提下：,1),变压器的励磁电抗,x,m,宜大还是宜小？,2),若变压器用空气心而不是铁心，,x,m,如何变化？若增大一次绕组匝数，,x,m,如何变化？,第四章 三相异步电动机的基本原理,结构和工作原理,基本物理量,4-1,三相异步电动机原理,4-1,三相异步电动机工作原理,一、旋转磁场,直流电动机：静止磁场,+,外部输入电流,异步电动机：旋转磁场,+,内部感生电流,电磁转矩,三相定子绕组,互差,120,o,空间分布,A B C,A,B,C,A,X,C,Z,B,Y,三相电源,互差,120,o,正弦励磁电流,i,A,i,C,i,B,i,0,t,i,A,i,B,i,C,4-1,三相异步电动机工作原理,i,0,t,单极旋转磁场,A,X,C,Z,B,Y,i,A,i,B,i,C,360,o,t=0,120,o,t=120,o,240,o,t=240,o,4-1,三相异步电动机工作原理,显然，由于三相交流相电流所在的三相绕组的对称分布规律，产生的合成磁通（或磁势）为,旋转,的。,4-1,三相异步电动机工作原理,那么，旋转磁场的,速度,能否确定？,当绕组产生的极对数大于,1,时,P=2,A,X,C,Z,B,Y,A,B,Y,C,Z,X,多极绕组旋转磁场,旋转的定子磁场,显然：旋转磁场的速率与励磁电流频率有关。,4-1,三相异步电动机工作原理,A,X,C,Z,B,Y,A,X,B,Y,C,Z,S,S,N,N,S,S,N,N,60,o,t=0,o,t=120,o,电磁感应现象,二、电磁感应现象,4-1,三相异步电动机工作原理,显然，,P=2,时励磁电流变化一个周期，磁场旋转,0.5,周。,静止的转子绕组被旋转磁场的磁力线切割（,右手定则,断定感生电流方向）；,拇指,导体运动方向,四指,感生电流方向,掌心,朝向磁场,N,极,S N,S N,n,o,n,称之为同步转速,感生电流与磁场作用产生电磁力（左手定则,断定电磁力方向）。,拇指,导体受力方向,四指,导体电流方向,掌心,朝向磁场,N,极,n,o,与,n,的大小关系如何,?,转差率,4-1,三相异步电动机工作原理,三、转差率概念,转子转速（即电动机转速）,n,与同步磁场转速,n,o,的比率关系,S,称为异步电动机的转差率,在电动运行时，由于,n n,o,，所以,0 s 1,四、结构,P98,转子绕线式：,结构较复杂，成本较高；易于控制。应用面窄,转子鼠笼式,:,制造成本低，寿命长，易维护；控制复杂。应用广泛,9-2,铭牌数据,4-2,三相异步电动机的铭牌数据,额定功率：,标准工况下输出的机械功率,额定电压：,定子绕组的标准线电压,额定电流：,定子绕组的标准线电流,额定频率：,定子绕组的励磁电源标准频率,额定转速：,标准工况下的转速,问题讨论,思考,从异步电动机的运行原理看，电动运行时是否一定存在,n n,o,?,电动时是否可能有,n=n,o,？,如何使异步电动机正反运转？试设计一简单电路实现对转向的控制。,列举异步电动机与变压器、直流电动机在运行原理方面的异同之处；,4-2,三相异步电动机的铭牌数据,第五章 三相异步电动机的基本工作原理,旋转磁动势,等效电路,基本方程式,5-1,电磁过程,5-1,三相异步电动机运行时的电磁过程,一、异步电动机负载运行的物理状况,空载时,：,由于空载时,n,0,n,，,负载时,：,A,X,CZ,B,Y,n,o,n,负载后，电机出现两个相对独立的励磁磁通势,F,1,、,F,2,，且均为运动的。,i,0,t,i,a,i,b,i,c,A,X,C,Z,B,Y,F2,的方向,5-1,三相异步电动机运行时的电磁过程,n,o,n,F,2,与,F,1,如何相互作用？,F,2,的旋转方向,a,y,z,b,x,c,1,2,转子电流相位,转子相对运动方向,i,0,t,i,a,i,b,i,c,F2,的方向,5-1,三相异步电动机运行时的电磁过程,A,X,C,Z,B,Y,a,y,z,b,x,c,n,o,2,转子磁场,2,也旋转,120,o,但转子感应电流（电势）的角速度小于,120,o,思考,如上例中定子电流频率,50Hz,，则转子感应电流的频率是多少？电机转速是多少？,假定当定子磁场,1,旋转,120,o,时，转子空间位置旋转,90,o,：,答案,5-1,三相异步电动机运行时的电磁过程,转子电流频率,：,=,（,30,o,/120,o,）*,50Hz=12.5Hz,电机转速：,=,（,90,o,/120,o,）*,3000rpm,=2250rpm,或,=(50Hz-12.5Hz)*60,=2250,rpm,n,o,=60f,1,/P,F2,的大小,F,2,的转速大小,当定子旋转磁场以,（,n,0,-n,）,的速率相对于转子（绕组）运动时，转子感生电流及电势的频率为：,5-1,三相异步电动机运行时的电磁过程,由,P94,式（,4-2,）知，三相以,f,2,为频率的转子电流将产生,相对于,转子绕组的旋转磁场，其速度为：,显然：,F,1,、,F,2,都以（,n,0,-n,）的速率相对于转子旋转，,则,F,2,的绝对速度也是,n,0,思考,P=1,的三相异步电动机，定子电流频率,50Hz,，当由于负载增大使转子速度由,2800 rpm,降到,2200rpm,后，转子磁势,F,2,的速度为多少？,F1,F2,FM,5-1,三相异步电动机运行时的电磁过程,F,1,、,F,2,、,F,m,的平衡关系,由于矢量,F,1,、,F,2,相对静止，,可作：,F,1,+F,2,=F,m,Bm,Fm,为定子和转子的合成磁势,n,o,A,X,C,Z,B,Y,Bm,Fm,F2,F1,Bm,F2,n,o,由于铁耗存在，,B,m,滞后,F,m,一定相角,Fe,由于转子相电流滞后转子相电势，,F,2,也滞后转子相电势一定相角,2,电磁关系,5-1,三相异步电动机运行时的电磁过程,电磁关系,基本方程式,5-1,三相异步电动机运行时的电磁过程,基本方程式,磁动势平衡方程,电动势平衡方程,转子漏抗,X2,的定义,5-1,三相异步电动机运行时的电磁过程,定子漏电势,转子漏电势,转子漏电抗,转子漏电势,代表什么物理状态？,电气模型,5-1,三相异步电动机运行时的电磁过程,异步电动机等效电路模型,r,1,x,1,sx,2,r,2,f,1,f,2,等效电路,5-2,三相异步电动机的等效电路及相量图,一、等效电路的建立,问题的提出,由基本方程式：,各感应电动势和电流的求解复杂；,联解含不同频率,f,1,，,f,2,的相量方程（组）无物理意义。,仿照变压器等效电路处理方式，对异步电机进行等效归算，达到定子、转子绕组频率相同并相互联接,如何保持归算后,F,2,的转速、幅值、空间相位角不变？,当令,f,2,=f,1,时，需,s=1,，即转子处于绝对静止状态，频率归算就是用静止的转子电路（,n=0,）替代实际的转子电路,可见：,F,2,的速度大小与,n,无关，所以，其速度仍为,n,o,频率归算,5-2,三相异步电动机的等效电路及相量图,二、频率归算（定子频率不变，转子频率由,f,2,归算成,f,1,，使电路模型中只存在一种频率）,前提：,保持转子电路对定子电路的电磁效应不变，即,F,2,不变；,等效转子电路的自身电磁性能不变。,转子电流归算,5-2,三相异步电动机的等效电路及相量图,r,1,x,1,sx,2,r,2,f,1,f,2,实际转子电流相量,F,2,的幅值、空间相位角由转子电流相量决定,5-2,三相异步电动机的等效电路及相量图,实际转子回路的感应电动势、电抗,静止转子回路的感应电动势、电抗,其中：,相位角不变,有效值不变,频率归算,5-2,三相异步电动机的等效电路及相量图,当转子电阻由,r,2变为,r,2,/s,后，完成转子电量的频率归算：,r,1,x,1,x,2,r,2,/s,f,1,f,1,转子速度恒为零,等值变换,r,1,x,1,x,2,r,2,f,1,f,1,转子速度恒为零,该项是否为常量？,5-2,三相异步电动机的等效电路及相量图,绕组归算,二、绕组归算（将具有,f,1,频率的转子绕组的相数、匝数、绕组因数变换为与定子绕组相同）,P140,前提：保证归算后转子磁通势、视在功率、铜耗及漏磁能不变,归算：令,m,2,=m,1,，,k,w2,=k,w1,，,N,2,=N,1,5-2,三相异步电动机的等效电路及相量图,r,m,x,m,r,1,x,1,x,2,r,2,异步电动机归算后的等效电路图,转差功率分析（,1,）,5-2,三相异步电动机的等效电路及相量图,三、关于转差功率,当异步电动机工作在如下状态时：,转差功率分析（,2,）,5-2,三相异步电动机的等效电路及相量图,