電機學 Electric Machinery （第 5章 異步電機） 異步電機的基本工作原理 異步電機的三種運行狀態(tài) 異步電機的基本結構 異步電動機的額定值 5.1 概述 電氣工程與自動化學院 3 三相異步電機主要用作電動機，拖動各種生產(chǎn)機械，例 如：風機、泵、壓縮機、機床、輕工及礦山機械、農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 中的脫粒機和粉碎機、農(nóng)副產(chǎn)品中的加工機械等等。 在民用生活中，電扇、洗衣機、電冰箱和空調(diào)器等一 般由單相異步電動機來拖動。 電氣工程與自動化學院 4 優(yōu)點： 結構簡單、制造容易、價格低廉、運行可靠、堅固耐 用、運行效率較高并具有適用的工作特性。 缺點： 功率因數(shù)較差，電機在運行過程中必須從電網(wǎng)吸收感性 無功功率，因此它的功率因數(shù)總小于 1； 目前尚不能經(jīng)濟地 在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。 異步電機優(yōu)缺點 電氣工程與自動化學院 5 異步電機分類 定子相數(shù) 單相異步電動機 兩相異步電動機 三相異步電動機 繞線型異步電動機 鼠籠型異步電動機 轉(zhuǎn)子結構 電氣工程與自動化學院 6 一、異步電機的基本結構 異步電機外形圖 異步電機結構圖 電氣工程與自動化學院 7 1. 定子 定子鐵心： 電機 主磁路 的組成部分 ， 并嵌放定子繞組 。 由厚度為 0.5mm的硅鋼片疊裝而成 。 為了嵌放定子繞組 ， 在定子沖片內(nèi)圓周上均勻地沖制若干 個形狀相同的槽 。 電氣工程與自動化學院 8 定子槽形： 半閉口槽 適用于小型異步電機 ， 其繞組是用圓導線繞成 。 半開口槽 適用于低壓中型異步電機 ， 其繞組是成型線圈 。 開口槽 適用于高壓大中型異步電機 ， 其繞組是用絕緣帶包扎并 浸漆處理過的成型線圈 。 電氣工程與自動化學院 9 定子繞組： 構成 電路部分 ， 用來感應電動勢 、 流過電流 、 實 現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換 。 通常采用 雙層短距繞組 ， 小型電機可采用單層繞組； 對中 、 小容量的低壓異步電動機 ， 通常定子三相繞組的六個 出線頭都引出 ， 可根據(jù)需要靈活地接成 “ Y”形或 “ D”形 。 U1 V1 W1 U1 V1 W1 W2 U 2 V2 W2 U2 V2 D聯(lián)結 Y聯(lián)結 電氣工程與自動化學院 10 機座： 固定和支撐定子鐵心 。 要求有足夠的機械強度 。 電氣工程與自動化學院 11 2. 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子鐵心： 電機 主磁路 的組成部分 ， 并放置 轉(zhuǎn)子繞組 。 由厚度為 0.5mm的硅鋼片疊裝而成； 在轉(zhuǎn)子外圓周上沖制均勻分布的形狀相同的槽 。 電氣工程與自動化學院 12 轉(zhuǎn)子槽形 槽形的選擇主要決定于對 運行性能 和 起動性能 的要求 。 常見轉(zhuǎn)子槽型 電氣工程與自動化學院 13 鼠籠型轉(zhuǎn)子鐵心和繞組結構示意圖 籠型繞組 ：在轉(zhuǎn)子鐵心每個槽內(nèi)各放置一根導體 ， 在鐵心兩 端放置兩個 端環(huán) ， 分別把所有的導體伸出槽外部分與端環(huán)聯(lián) 接起來 。 籠型繞組一般為 鋁澆鑄 的 ， 對中大型電機為減小損耗 、 提高 效率 ， 往往采用 銅條焊接 而成 。 轉(zhuǎn)子繞組： 構成電路部分，有 籠型 和 繞線型 兩種繞組型式。 斜槽形式 電氣工程與自動化學院 14 繞線型繞組 ：與 定子繞組具有相同相數(shù) 、 極數(shù)的三相對稱 繞 組 ， 一般采用雙層波繞組或疊繞組 。 一般接成 星形 ， 將三相繞組的三個引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上三 個 滑環(huán) 上 ， 再通過 電刷 與外電路接通 。 繞線型轉(zhuǎn)子特點是可以通過滑環(huán)電刷在轉(zhuǎn)子回路中 接入附加 電阻 ， 以改善電動機的起動性能 、 調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速 。 電氣工程與自動化學院 15 支撐轉(zhuǎn)子鐵心 和輸出、輸入機械轉(zhuǎn)矩。 轉(zhuǎn)軸 電氣工程與自動化學院 16 定義： 定 、 轉(zhuǎn)子之間的間隙 ， 也 是電機主磁路的組成部分 。 氣隙大小對異步電機的性能影響 很大 。 為了減小電機主磁路的磁阻 ， 降 低電機的勵磁電流 ， 提高電機的 功率因數(shù) ， 氣隙應盡可能小 。 異步電機氣隙長度應為定 、 轉(zhuǎn)子 在運行中不發(fā)生機械摩擦所允許 的最小值 。 中 、 小型異步電機中 ， 氣隙長度 一般為 0.2 1.5mm。 3、氣隙 氣隙大：磁阻大 ， 勵磁電流 （ 空載電流 ） 大 ， 功率因數(shù)低 ；氣隙磁場諧波含量 （ 漏磁引 起附加損耗 ） 減少 ， 改善起動 性能 。 氣隙?。菏芗庸た赡芗皺C械 安全所限制 。 電氣工程與自動化學院 17 二 、 異步電機的基本工作原理 異步電機定子三相對稱繞組接在三 相對稱交流電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子繞組對稱 短路。 定子繞組中流過三相對稱電流，在 氣隙中產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場。 氣隙旋轉(zhuǎn)磁場在短路的轉(zhuǎn)子繞組中 感應電動勢并產(chǎn)生電流。 該感應電流與氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場相 互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)，實現(xiàn)異步電機的運行。 兩極異步電動機示意圖 1 n n 1n S N 電氣工程與自動化學院 18 三、異步電機的三種運行狀態(tài) 1、 異步電機的轉(zhuǎn)差率 同步轉(zhuǎn)速 n1 定子繞組中流過頻率為 f1的三相對稱電流，在氣 隙中產(chǎn)生的基波旋轉(zhuǎn)磁場相對于定子繞組的轉(zhuǎn)速 為同步轉(zhuǎn)速，記為 n1。 同步轉(zhuǎn)速大小取決于電流頻率 f1和繞組極對數(shù) p， 轉(zhuǎn)向為從超前電流相繞組轉(zhuǎn)向滯后電流相繞組。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，記為 n 。 p fn 1 1 60 1 1 n nn s 轉(zhuǎn)差率 s：同步轉(zhuǎn)速 n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n之差對 同步轉(zhuǎn)速 n1之比值，記為 s。 電氣工程與自動化學院 19 異步電機的轉(zhuǎn)子可以是帶負載機 ， 也可以是由原動機驅(qū) 動 ， 在不同的轉(zhuǎn)子外部條件下 ， 異步電機將運行于不同的轉(zhuǎn) 速和不同的轉(zhuǎn)差率 ， 對應不同的運行狀態(tài) 。 根據(jù)轉(zhuǎn)差率的正 負 、 大小 ， 異步電機分別對應于 電動機 、 發(fā)電機 、 電磁制動 等三種不同運行狀態(tài) 。 2、異步電機的三種運行狀態(tài) 0ns0：電動機狀態(tài) 右手定則 - e2產(chǎn)生 - i2與 e2同方向 左手定則 - Tem產(chǎn)生 - Tem與 n同轉(zhuǎn)向， Tem為 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 旋轉(zhuǎn)磁場拖動轉(zhuǎn)子：電動機 電氣工程與自動化學院 20 nn1 s e2產(chǎn)生 - i2與 e2同方向 左手定則 - Tem產(chǎn)生 - Tem與 n反轉(zhuǎn)向， Tem 為制動轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)子拖動旋轉(zhuǎn)磁場：發(fā)電機 n1：電磁制動狀態(tài) 右手定則 - e2產(chǎn)生 - i2與 e2同方向 左手定則 - Tem產(chǎn)生 - Tem與 n反轉(zhuǎn)向， Tem為 制動轉(zhuǎn)矩 旋轉(zhuǎn)磁場阻礙轉(zhuǎn)子運動：電磁制動狀態(tài) 電氣工程與自動化學院 21 狀 態(tài) 電動機 發(fā)電機 電磁制動 n與 s關系 nn1 0sn1 s0 n1 Tem的性質(zhì) 電磁驅(qū)動力矩 電磁阻力矩 電磁阻力矩 能量轉(zhuǎn)換 電能 機械能 機械能 電能 電能 +機械能 內(nèi)部損耗（短路） 異步電機只有在定子側(cè)外加電源的情況下，轉(zhuǎn)子側(cè)電動勢和 電流由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場感應產(chǎn)生，因此也稱為“感應電機”；而此 感應作用，只有在轉(zhuǎn)子與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場不同步，即“異步”（ s 不等于 0），才可以產(chǎn)生，因此“感應電機”又稱“異步電機” 。 總結 電氣工程與自動化學院 22 四、異步電動機的額定值 電氣工程與自動化學院 23 額定功率 PN：是轉(zhuǎn)軸上輸出的 機械功率 ， 單位為 W或 kW。 額定電壓 UN：施加在定子繞組上的 線電壓 ， 單位為 V。 額定電流 IN：電動機在額定電壓 、 額定頻率下 ， 軸端輸出額 定功率時 ， 定子繞組的 線電流 ， 單位為 A。 額定頻率 fN：我國電網(wǎng)頻率 fN=50Hz。 額定轉(zhuǎn)速 nN：電動機在額定電壓 、 額定頻率 、 軸端輸出額定 功率時 ， 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 ， 單位為 r/min。 額定效率 N。 額定功率因數(shù) cosN。 三相異步電動機額定值之間的關系 NNNNN c o s3 IUP 電氣工程與自動化學院 24 2）如銘牌上標有“ 380V、 D聯(lián)結”時，表示電機正常運行時只 能采用“ D”聯(lián)結，但是在電動機起動過程中可接 380V電源，繞 組采用“ Y”聯(lián)結，起動完畢，恢復“ D”聯(lián)結。 2、對于中低壓電動機 1）如銘牌上標有“ 380/220V、 Y/D聯(lián)結”時，表示電源電壓為 380V時，電機繞組采用“ Y”聯(lián)結；電源電壓為 220V時，采用 “ D”聯(lián)結。 提示： 1、 對于高壓電動機 定子繞組只有三根出線，只要電源電壓符合電動機銘牌電壓值便 可使用。 定 、 轉(zhuǎn)子基波磁動勢空間相對靜止 5.2 三相異步電動機運行原理 轉(zhuǎn)子靜止時的異步電機 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的異步電機 異步電機參數(shù)測定 內(nèi)部電磁關系 電壓平衡方程式 磁動勢平衡方程式 繞組折算與等效電路 電氣工程與自動化學院 26 一、 轉(zhuǎn)子靜止時的異步電動機 轉(zhuǎn)子靜止時的異步電機： 將異步電動機轉(zhuǎn)軸卡住； 轉(zhuǎn)子繞組短路； 定子繞組施加三相對稱電壓。 假設：氣隙中只有基波磁通，定、轉(zhuǎn)子繞組上只感應有基波電勢 電氣工程與自動化學院 27 1定、轉(zhuǎn)子基波磁動勢空間相對靜止 定子側(cè)：定子繞組施加三相對稱電壓 定子三相對稱繞組中 ， 流過頻率為 f1的三相對稱電流 I1； 定子繞組在氣隙空間中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)基波磁動勢 F1， 相對 于定子繞組的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速 n1， n1 60f1/p； 圓形旋轉(zhuǎn)基波磁動勢 F1轉(zhuǎn)向為從超前電流相繞組軸線轉(zhuǎn)向 滯后電流相繞組軸線 （ A-B-C） 。 電氣工程與自動化學院 28 轉(zhuǎn)子側(cè)：轉(zhuǎn)子繞組短路 ， 轉(zhuǎn)軸固定 圓形旋轉(zhuǎn)磁場 切割轉(zhuǎn)子繞組 ， 產(chǎn)生頻率為 f2的三相對稱 感應電動勢 （ f2 pn1/60， f2 =f1 ） ； 三相對稱感應電動勢在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生三相對稱電 流 I2； 轉(zhuǎn)子繞組在氣隙空間中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)基波磁動勢 F2， 相對 于轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速為 n2， n2 60f2/p n1； 圓形旋轉(zhuǎn)基波磁動勢 F2轉(zhuǎn)向為從超前電流相繞組軸線轉(zhuǎn)向 滯后電流相繞組軸線 （ A-B-C） ， 即與定子旋轉(zhuǎn)磁動勢 F1 同轉(zhuǎn)向 。 F2與 F1同轉(zhuǎn)速 、 同轉(zhuǎn)向 （ n2 n1） ， 故定 、 轉(zhuǎn)子基波磁動 勢空間保持相對靜止 電氣工程與自動化學院 29 2內(nèi)部電磁關系 U 1 . I 1 . F 1 I 2 . F 2 F m B m . m E 1 . E 2 . N 1 N 2 . 1 E . 1 . 2 E . 2 + I 1 R 1 . + I 2 R 2 . 氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場由 F2與 F1共同建立 ， 即 F2與 F1空間矢 量可以合成為一個等效勵磁磁動勢 Fm： 12 mF F F 電氣工程與自動化學院 30 3電壓平衡方程式 正方向規(guī)定：電流流入為正，且電勢方向與電流方向相同。 R1、 R2和 X1、 X2分別為定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏電抗。 電氣工程與自動化學院 31 定 、 轉(zhuǎn)子繞組感應電動勢 電動勢變比 ke：定 、 轉(zhuǎn)子繞組電動勢之比 定 、 轉(zhuǎn)子側(cè)電動勢平衡方程 m1111 44.4 kNfjE N m2212 44.4 kNfjE N . 111 12 2 2 2 N ee N NkEk E k E E N k ， )( 11111 jXRIEU 2 222 jXRIE 從電路分析角度來看，轉(zhuǎn)子 靜止時的異步電機電壓方程 與二次級側(cè)短路時的變壓器 電壓方程相似 電氣工程與自動化學院 32 由于定 、 轉(zhuǎn)子磁動勢 F1與 F2空間保持相對靜止 ， 故 可以合成為一等效的勵磁磁動勢： 12 mF F F 3. 磁動勢平衡方程式 1 2 1 L()mmF F F F F 類似于變壓器磁動勢 ， 將上式改寫為： 異步電機氣隙中，全部磁動勢由定子產(chǎn)生； Fm為勵磁分量，用以產(chǎn)生氣隙旋轉(zhuǎn)基波磁場； F1L為負載分量，用以平衡轉(zhuǎn)子磁動勢的作用，它與轉(zhuǎn)子 磁動勢大小相等方向相反。 電氣工程與自動化學院 33 選擇 F1與 I1同相位 、 F2與 I2同相位 ， Fm與 Im同相位 ， 用電流在時間上的相位關系表示磁動勢在空間上的相位關 系 ， 則磁動勢平衡方程 可改寫為： 12()mF F F 1 N 1 1 N 1 2 N 21 1 2 12 2 2 2() m N k N k N km m mI I I p p p 2 1 m m 1 i () LII I I Ik 1 1 1 2 2 2 N i N m N kk m N k 定義電流比 則磁動勢平衡方程式可表示為： 異步電動機定子電流 I1分成 Im和 I1L兩個分量； Im是勵磁分量，用于建立電 機鐵心中的主磁通 m； I1L是負載分量，用于建立磁 動勢 F1L去平衡轉(zhuǎn)子磁勢 F2。 電氣工程與自動化學院 34 轉(zhuǎn)子靜止時的基本方程 定子側(cè)： 轉(zhuǎn)子側(cè)： 定、轉(zhuǎn)子關聯(lián)方程： 感應電動勢方程： Zm=Rm+jXm為勵磁阻抗； Rm為勵磁電阻 ， 代表鐵耗的等效電阻； Xm為勵磁電抗 ， 反映主磁通在電路中的作用 。 4. 繞組折算與等效電路 電氣工程與自動化學院 35 繞組折算 轉(zhuǎn)子繞組折算 把實際相數(shù)為 m2、 繞組匝數(shù)為 N2、 繞組 系數(shù)為 kN2的轉(zhuǎn)子繞組 ， 折算成與定子繞組有相同相數(shù) m1、 相同匝數(shù) N1和相同繞組系數(shù) kN1轉(zhuǎn)子繞組 。 折算原則： 氣隙主磁通不變； 定子各種物理量均不變，對電網(wǎng)等效； 轉(zhuǎn)子磁動勢不變，各種功率均不變（功率因數(shù)不變）。 繞組折算主要有電流折算 、 電動勢折算和阻抗折算 。 電氣工程與自動化學院 36 電流折算 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子磁動勢應保持不變原則 電動勢折算 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子磁動勢不變原則 2 222 2 111 22 I p kNmI p kNm NN 2 22 11 221 22 11 1112 )44.4(44.4 EkN kNkNfj kN kNkNfjE N N mN N N mN 2 11 22 1 2 2 IkN kN m mI N N 22 1 I kI i 22 EkE e 電氣工程與自動化學院 37 阻抗折算 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子銅耗保持不變原則 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子功率因數(shù)保持不變原則 22222221 RImRIm 2 2 2 2 2 R X R Xtg 2 22 11 222 111 22 21 2 22 2 RkN kN kNm kNmR Im ImR N N N N 22 RkkR ie 2 2 2 2 XR RX 22 XkkX ie 電氣工程與自動化學院 38 折算到定子側(cè)的異步電機基本方程式組為 1 1 1 1 2 2 2 2 m 1 2 12 1 m m U E I Z E I R jX I I I EE E I Z 電氣工程與自動化學院 39 等效電路 經(jīng)折算后 ， 同變壓器類似 ， 可得異步電動機在轉(zhuǎn)子靜止時 的 T型等效電路 。 1 1 1 1 1 1 1 1 ()U E I R jX E I Z 2 2 2 2 E I R j X m 1 2I I I 1 m m m()mmE I R jX I Z 12EE 電氣工程與自動化學院 40 參數(shù)的物理意義 異步電動機中 ， 磁通由 三相繞組 聯(lián)合產(chǎn)生；變壓器中 ， 磁通由 一相繞組 產(chǎn)生 。 為定 /轉(zhuǎn)子漏抗， 由定 /轉(zhuǎn)子三相電流聯(lián)合產(chǎn) 生的漏磁通，在定 /轉(zhuǎn)子每 一相上引起的電抗； 12/XX Rm為勵磁電阻 ， 代表鐵心損耗的等效電阻； Xm為勵磁電抗 ， 反映主磁通在電路中的作用 ， 非線性 。 R1/ R2為定 /轉(zhuǎn)子繞組電阻； 折算后，轉(zhuǎn)子靜止時的異步電機等效電路與二次級側(cè)短路時的 變壓器等效電路相同。 定 、 轉(zhuǎn)子基波磁動勢空間相對靜止 5.2 三相異步電動機運行原理 轉(zhuǎn)子靜止時的異步電機 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的異步電機 異步電機參數(shù)測定 內(nèi)部電磁關系與基本方程 頻率折算與繞組折算 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)子側(cè)各量的影響 等效電路 電氣工程與自動化學院 42 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的異步電機： 定子繞組施加三相對稱電壓； 轉(zhuǎn)子繞組短路； 假設：氣隙中只有基波磁通，定、轉(zhuǎn)子繞組上只感應有基波電勢。 二、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的異步電動機 電氣工程與自動化學院 43 1、 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)子各物理量的影響 轉(zhuǎn)子頻率 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時 ， 轉(zhuǎn)子繞組的電動勢和電流的頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn) 速有關 ， 取決于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對速度 （ n1-n） 。 轉(zhuǎn)子電動勢和電流的頻率稱為轉(zhuǎn)子頻率 ， 有 因轉(zhuǎn)子頻率與轉(zhuǎn)差率成正比 ， 又稱為轉(zhuǎn)差頻率 。 異步電動機額定負載時 ， s通常在 0.02 0.05范圍內(nèi) ， 即當 f1=50Hz時 ， f2=1 2.5Hz， 由此可知轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子感應電 勢和電流的頻率很低 ， 因而轉(zhuǎn)子鐵耗可以忽略 。 1 1 1 11 2 6060 sf np n nnnnpf 電氣工程與自動化學院 44 轉(zhuǎn)子相繞組感應電動勢 轉(zhuǎn)子相繞組漏阻抗 轉(zhuǎn)子相電流 2 2 22 s s s EI R jX 電氣工程與自動化學院 45 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后 ， 由轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子基波旋轉(zhuǎn)磁動勢 相 對于轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速為 轉(zhuǎn)子基波旋轉(zhuǎn)磁勢 相對于定子繞組的轉(zhuǎn)速為 轉(zhuǎn)子基波旋轉(zhuǎn)磁動勢 和定子基波旋轉(zhuǎn)磁動勢 沒有相對 運動 ， 即 定 、 轉(zhuǎn)子磁動勢空間仍相對靜止 。 1 12 2 6060 sn p sf p fn 112 nnsnnn 2、定、轉(zhuǎn)子磁動勢空間仍相對靜止 電氣工程與自動化學院 46 不論轉(zhuǎn)子靜止還是旋轉(zhuǎn) ， 定 、 轉(zhuǎn)子磁動勢 與 在空間上總 相對靜止 ， 都以同步速 n1旋轉(zhuǎn)； 和 仍可空間矢量合成 ， 等效為合成的激磁磁動勢 ， 即 磁勢平衡方程式不變 m21 FFF s L1m1 FFF 電氣工程與自動化學院 47 轉(zhuǎn)子回路的頻率 。 21f sf 3、內(nèi)部電磁關系與基本方程 11()If 22sIf() 21()Fn 11()Fn m1()Fn 11()n 21()n m1()Bn 11()Ef 22()sEf 22()sEf 11()Ef 1 1 1 1 1U E E I R 2 2 2 2s s s sE E I R m1()n 氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場由 F2與 F1共同建立； F2與 F1空間相對靜止，轉(zhuǎn)速同為 n1； ， 電氣工程與自動化學院 48 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的基本方程式 ssss XRIE 2222 j 11111 j XRIEU 電壓平衡方程式 定子側(cè)： 轉(zhuǎn)子側(cè)： 磁動勢平衡方程式 m21 FFF s 轉(zhuǎn)子回路的頻率 ； 轉(zhuǎn)子電阻 ； 轉(zhuǎn)子漏電抗和頻率成正比，因此有 ； 轉(zhuǎn)子電動勢大小和頻率成正比，因此有 。 21f sf 22sRR 22sX s X 22sE sE 電氣工程與自動化學院 49 通過分析可以得到定、轉(zhuǎn)子回路的電動勢方程和等效電路： 1 1 1 1 1()U E I R jX 2 2 2 2()s s s sE I R jX 1U 1I 1R 1jX 1E 2sE 2sI 2sR 2 sjX 21f sf1f 4、頻率折算與繞組折算 轉(zhuǎn)子回路頻率與定子回 路頻率不相同，導致二者基 本方程式和等效電路均無法 實現(xiàn)直接連通，無法得到統(tǒng) 一的等效電路。因此，需 尋 求 “ 等效靜止轉(zhuǎn)子 ” ，將 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的頻率折算為定子 系統(tǒng)的頻率。 電氣工程與自動化學院 50 轉(zhuǎn)子頻率折算 頻率折算定義：用一等效的靜止轉(zhuǎn)子回路替代實際轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn) 子回路 ， 使轉(zhuǎn)子電路與定子電路有相同頻率 。 頻率折算原則：頻率歸算前后 ， 保持轉(zhuǎn)子磁動勢不變 ， 從而 保持磁動勢平衡關系不變 ， 進而定子電流的大小和相位不變 ， 且損耗和功率不變 （ 對電網(wǎng)等效 ） 。 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與否影響了轉(zhuǎn)子繞組的頻率，但是對轉(zhuǎn)子磁動勢相 對定子的轉(zhuǎn)速（即同步速 ）不會產(chǎn)生影響。現(xiàn)在尋求一個所 謂的 “ 等效 ” 靜止轉(zhuǎn)子，它產(chǎn)生的磁動勢肯定和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時候的 磁動勢相比是不變的，只是轉(zhuǎn)子繞組的頻率就由 改變?yōu)?而已，這就是轉(zhuǎn)子繞組頻率折算的思路。 2 f 1f 1n 電氣工程與自動化學院 51 轉(zhuǎn)子磁動勢是由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的，那么要保持折算前后轉(zhuǎn)子 磁動勢不變，只需折算前后轉(zhuǎn)子電流有效值和相位不變（只是頻 率改變）： 11()s f f 2 22 1R sRR ss 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時和轉(zhuǎn)子靜止時相 比，等效電路只在轉(zhuǎn)子繞組 中多了 2 1 s R s . 2 2 1 2 2 2 2 1( ) ( )s s sI f s f F F I f f 2 2 22 /j EI R s X 2 2 22 2 22 2 22 / / / s s s s s E I R jX Es R s jX s E R s jX 電氣工程與自動化學院 52 電阻 的物理意義 在實際轉(zhuǎn)動的電機中 ， 轉(zhuǎn)子回路中并無此項電阻 ， 但有機械功 率輸出 。 頻率折算后的轉(zhuǎn)子電路中 ， 因已等效成靜止轉(zhuǎn)子 ， 電機沒有機 械功率輸出 ， 但卻串入附加電阻 ， 其消耗電功率為 該電功率 用來模擬軸上的機械功率 。 2 1 R s s 2 1 R s s s sRImP R 1 2 2 22 s sRIm 1 2 2 22 電氣工程與自動化學院 53 進一步討論 不論靜止或者旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子 ， 其轉(zhuǎn)子磁動勢總以同步轉(zhuǎn)速旋 轉(zhuǎn) ， 即轉(zhuǎn)子磁動勢的絕對轉(zhuǎn)速不變 ， 又因頻率折算不涉及 大小及相位的變化 ， 故頻率折算前后電機的磁動勢平衡依 然維持 。 頻率折算后 ， 靜止的轉(zhuǎn)子不再輸出機械功率 ， 即電機的功 率平衡中少了一項 機械功率 。 同時 ， 靜止的轉(zhuǎn)子回路中多了一個附加電阻 ， 而轉(zhuǎn)子電流 又沒有變 ， 所以多了一項電阻功率 。 因此 ， 附加電阻上消耗的電功率等于電機輸出的機械功率 電氣工程與自動化學院 54 頻率折算后的基本方程 1 1 1 1 2 2 2 2 2 m1 12 1 m m i e U E I Z R E I j X s I II k E k E E I Z 11 22 N e N Nkk Nk 頻率折算僅用靜止轉(zhuǎn)子回路代替旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子回路 ， 而轉(zhuǎn)子 繞組 （ 匝數(shù) 、 相數(shù) ） 保持不變 。 1 1 1 2 2 2 N i N m N kk m N k 電氣工程與自動化學院 55 繞組折算 為了簡化計算 ， 便于導出一體化的等效電路 ， 須將頻率 折算后的轉(zhuǎn)子回路再通過繞組折算 。 繞組折算方法：把轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè) ， 用一個相數(shù)為 m1、 匝數(shù)為 N1、 繞組系數(shù)為 kN1(與定子繞組相同的 )的等效轉(zhuǎn)子繞組 來替代實際的轉(zhuǎn)子繞組 。 繞組折算原則：折算前后轉(zhuǎn)子磁動勢 F2不變 ， 且轉(zhuǎn)子的各種功 率不變 。 各物理量的折算值：轉(zhuǎn)子繞組的電壓 、 感應電動勢乘以電 動勢變比 ke， 電流除以電流變比 ki， 阻抗乘以電動勢變比 ke 和電流變比 ki， 即 22 EkE e ikII /22 22 RkkR ie 22 XkkX ie 電氣工程與自動化學院 56 繞組折算后的基本方程組 1 1 1 1 2 2 2 2 1 m 2 12 1 m m j U E I Z R E I X s I I I EE E I Z 電氣工程與自動化學院 57 5、 異步電機等效電路 T型等效電路 經(jīng)過 轉(zhuǎn)子的頻率折算和繞組折算， 轉(zhuǎn)子繞組電動勢和定子 繞組電動勢就完全相同了，因而可將定、轉(zhuǎn)子回路分離的等效電 路統(tǒng)一，得到異步電動機的 “ T”型等效電路如下： m 電氣工程與自動化學院 58 參數(shù)的物理意義 為定子漏抗，由定子三 相電流聯(lián)合產(chǎn)生的漏磁通，在 定子每一相上引起的電抗； 1X Rm為勵磁電阻 ， 代表鐵心損耗的等效電阻； Xm為勵磁電抗 ， 反映主磁通在電路中的作用 ， 非線性 。 R1/為定子繞組電阻； R2 為繞組折算后轉(zhuǎn)子電阻； 為轉(zhuǎn)子漏抗，由轉(zhuǎn)子三相電流聯(lián)合產(chǎn)生的漏磁通，在轉(zhuǎn)子每 一相上引起的電抗； 2X 為附加電阻 ， 由頻率折算產(chǎn)生 ， 代表機械負載等效電阻； 2 1 R s s m 電氣工程與自動化學院 59 相量圖 1 1 1 1 2 2 2 2 1 m 2 12 1 m m j U E I Z R E I X s I I I EE E I Z 電氣工程與自動化學院 60 利用 T型等效電路可以分析異步電機不同的運行情況 空載（電動機運行）： 轉(zhuǎn)速接近同步速， s-0，附加電阻 -，轉(zhuǎn)子處于開路； 功率因數(shù)滯后，且很小。 額定負載（電動機運行）： sN5%，附加電阻為 19R2 ，轉(zhuǎn)子回路接近電阻性； 功率因數(shù)較高（ 0.8-0.85），且滯后。 發(fā)電機狀態(tài)： 轉(zhuǎn)速大于同步速， s0，附加電阻 1，機械功率 X1， c11。 電氣工程與自動化學院 65 小結 異步電機從基本電磁原理和分析方法來看與變壓器很相似 ， 其電動勢 、 磁動勢平衡方程式 、 等效電路和相量圖的形式相 同 ， 但有明顯差別 ， 主要是磁場性質(zhì)不同 。 因定 、 轉(zhuǎn)子感應電動勢大小 、 頻率不同 ， 異步電機的等效電 路必須要同時進行繞組歸算和頻率歸算 。 T型等效電路中 ， 異步電動機輸出的機械功率在等效電路中 用 模擬電阻 （ ） 表示 。 異步電機有氣隙存在 ， 激磁電流較變壓器的大 ， 等效電路的 簡化應作修正 （ C1） 。 2 1 R s s 5.2 三相異步電動機運行原理 轉(zhuǎn)子靜止時的異步電機 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的異步電機 異步電機參數(shù)測定 空載實驗 短路實驗 電氣工程與自動化學院 67 異步電機待測參數(shù)： 基本參數(shù)： R1、 X1、 R2、 X2、 Rm、 Xm 運行參數(shù)：轉(zhuǎn)差率 s m 同變壓器，異步電機可以通過 空載試驗 和 堵轉(zhuǎn)試驗 測定參數(shù)。 電氣工程與自動化學院 68 m 一、空載試驗 1）試驗目的：測取 、 、 。 2）試驗條件：異步電動機空載，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步速，則 s0， 轉(zhuǎn)子相當于開路。 m m mZ R j X mec pFep 0I 1R 1X mR mX 1U 12EE 電氣工程與自動化學院 69 3）試驗方法：試驗時異步電動機空載（軸上不帶負載），用三相 調(diào)壓器對電機供電，使定子端電壓從 (1.1 1.3)UN開始，逐漸降低 電壓，空載電流逐漸減少，直到電動機轉(zhuǎn)速發(fā)生明顯下降，空載 電流明顯回升為止；在這個過程中，記錄電動機的端電壓 U1、空 載電流 I0、空載損耗 p0、轉(zhuǎn)速 n，并繪制空載特性曲線如圖所示。 空載時從電源吸收的功率： 0 1 0C u F e m e c a dP p p p p 從定子功率中減去定子銅耗： 0 0 1 0 Cu F e m e c a d P P p p p p 電氣工程與自動化學院 70 損耗分離： 機械損耗 pmec與電壓 U1無關 ， 在電動機轉(zhuǎn)速變化不大時 ， 可 以認為是常數(shù) 。 pFe+pad0可以近似認為與磁密 的平方成正比 ， 因而可近似認 為與電壓的平方成正比 。 曲線近似為直線 。 機械損耗 和鐵耗 的測定 mecp Fep 00F e m e c a dP p p p 延長線與縱軸交點即為機械損耗 pmec； 空載附加損耗相對較小 ， 可用其它試驗將之與鐵耗分離 ， 也可根據(jù)統(tǒng)計值估計 pad0， 從而得到鐵耗 pFe。 201()P f U 201()P f U 電氣工程與自動化學院 71 根據(jù)空載時的等效電路和試驗測得的數(shù)據(jù)可以算出 : 是測得的三相輸入功率； 、 分別為相電流和相電壓。 0 0 2 03 m e cPpR I 2 20 0 0X Z R1 0 0 UZ I 0P 0I 1U 01mX X X 01mR R R 勵磁阻抗參數(shù)的計算 0I 1R 1X mR mX 1U 12EE 由此求出勵磁阻抗 ： 電氣工程與自動化學院 72 二、短路試驗 1） 試驗目的：測定短路阻抗 、 轉(zhuǎn)子電阻 、 定 、 轉(zhuǎn)子漏抗 。 2） 試驗方法：將轉(zhuǎn)子堵住 ， 在定子端施加電壓 ， 從 0.4UN開始 逐漸降低 ， 記錄定子繞組端電壓 Uk、 定子電流 Ik、 定子端輸入 功率 Pk， 作出異步電機的短路特性曲線 Ik=f(Uk)， Pk=f(Uk)。 異步電動機堵轉(zhuǎn)時等效電路圖 m 電氣工程與自動化學院 73 是測得的三相輸入功率 ； 、 分別為相電壓和相電流。 短路阻抗參數(shù)的計算 1 1 k k k UZ I 1 2 13 k k k PR I 2 2 k k kX Z R 1kP 1kI1kU 根據(jù)短路特性曲線，取額定電流點的 Uk(相電壓 )、 Ik(相電流 ) 、 Pk(三相短路損耗 )。 電氣工程與自動化學院 74 由于 XmRm， 忽略 Rm， 并近似認為 X1=X2。 考慮到 X0=Xm+X1(空載試驗 )， 可推導出 對于大中型異步電機 ， 由于 Xm很大 ， 勵磁支路可以 近似認為開路 ， 這時 k0 0 1k2 XX XRRR k2 1 2 1 XXX 異步電動機堵轉(zhuǎn)時等效電路圖 m 21k RRR )( 2022 0 0 02 1 XRX XXXXX k 異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩 異步電動機的功率平衡方程式 異步電動機的工作特性 5.3 三相異步電動機運行特性 異步電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式 電氣工程與自動化學院 76 一 、 異步電動機功率平衡方程式 異步電動機的功率和損耗在 T型等效電路中的反映如圖 所示 。 電氣工程與自動化學院 77 輸入電功率： P1=m1U1I1cos1 在定子繞組中產(chǎn)生定子銅耗： pCu1=m1I12R1 旋轉(zhuǎn)磁場在鐵心中產(chǎn)生鐵耗： 轉(zhuǎn)子鐵心與磁場相對轉(zhuǎn)速為 sn1很小，忽略轉(zhuǎn)子鐵耗 定子鐵心與磁場相對轉(zhuǎn)速為 n1較大，鐵耗主要為定子鐵耗 pFe=m1I02Rm 通過氣隙磁場感應到轉(zhuǎn)子繞組的功率稱為電磁功率： Pem=P1-pCu1-pFe Pem= m1I 22 2/s 電氣工程與自動化學院 78 電磁功率首先提供轉(zhuǎn)子銅耗： pCu2= m1I 22 2=sPem 剩余的電磁功率全部轉(zhuǎn)化為 機械功率： Pmec= m1I 22 2(1-s)/s=(1-s) Pem 機械功率一部分克服機械損耗 pmec 和附加損耗 pad 其余機械功率為輸出的機械功率： P2=Pmec-pmec-pad 電氣工程與自動化學院 79 名稱 符號 計算公式 輸入電功率 P1 P1=m1U1I1cos1 電磁功率 Pem Pem= P1-pCu1-pFe =pCu2+Pmec=m1 I2 2 R2 s 借助于氣隙中旋轉(zhuǎn)磁場由定子傳遞給轉(zhuǎn)子的功率 總機械功率 Pmec Pmec=m1 I22 R2(1-s) s 輸出機械功率 P2 轉(zhuǎn)子軸上輸出的機械功率 定子繞組銅耗 pCu1 pCu1 =m1 I12 R1 轉(zhuǎn)子繞組銅耗 pCu2 pCu2=m1 I22 R2 鐵耗 pFe pFe=m1 I02 Rm 正常運行時，異步電動機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子電 流頻率很低 (0.5 2Hz)，轉(zhuǎn)子鐵耗可以忽略，異步電動 機的鐵耗可近似認為等于定子鐵耗。 機械損耗 pmec 包括軸承摩擦損耗和通風損耗，主要與轉(zhuǎn)速有關 附加損耗 pad 難以準確計算，通常估算約為電機額定功率的 0.5%1%。 電氣工程與自動化學院 80 功率平衡方程為： P1= Pem+pcu1 + pFe Pem=pcu2+Pmec 機械功率平衡方程式： Pmec=P2+pmec+pad 電磁功率 、 轉(zhuǎn)子繞組回路銅耗 、 總機械功率三者之間的關 系為： Pem： pcu2 ： Pmec=1： s： (1-s) 電氣工程與自動化學院 81 由機械功率平衡式 Pmec=P2+pmec+pad兩邊除以轉(zhuǎn)子機械角 速度 ， 得到轉(zhuǎn)矩平衡方程為 機械角速度 （ rad/s） 轉(zhuǎn)軸上總的機械轉(zhuǎn)矩 ， 即電磁轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)軸上輸出機械轉(zhuǎn)矩 ， 即 T2為負載轉(zhuǎn)矩； Tmec為機械損耗轉(zhuǎn)矩； Tad為附加損耗轉(zhuǎn)矩； T0=Tmec+Tad為空載轉(zhuǎn)矩 。 022 TTTTTT adm e cem 二、異步電動機轉(zhuǎn)矩平衡方程式 11( 1 ) m e c m e c e m em P P PT s 1 122 ( 1 ) ( 1 )6 0 6 0nn ss 旋轉(zhuǎn)磁場運 動角速度 電氣工程與自動化學院 82 1、 物理表達式 異步電機電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式描述了電磁轉(zhuǎn)矩與主磁 通 、 轉(zhuǎn)子有功電流的關系 。 2 2 2 2 2c o s2 Nm m p N k I 2 2 2 2 2 2 2 2 111 c o s c o s 2 2 60 M em P pm E IT m E I n f 2 1 1 1 14 . 4 4 NmE E f N k 三、異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩 22c o sTmCI 1 1 1 2 2c o s2 Nm m p N k I 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 N iN m N kI I I k m N k 電氣工程與自動化學院 83 異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩的大小與氣隙每極磁通量 、轉(zhuǎn) 子每相電流 以及轉(zhuǎn)子功率因數(shù) 三者的乘積有關。 m 2I 2cos 22c o se m T mT C I 異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩物理表達式 2 222TN mC p N k 是與電機結構有關的常數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩因數(shù) 是轉(zhuǎn)子電流的有功分量 22co sI 電氣工程與自動化學院 84 2、參數(shù)表達式 異步電機電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式描述了電磁轉(zhuǎn)矩與參數(shù)的 關系，由簡化等效電路推導出表達式如下 2 2 1 2 2 11 22 11 1 em em 2 XX s R Rf s R pUm P T 1. Tem與 U12成正比； 2. Tem與 f1成反比； 3. Tem與漏電抗 Xk 成反比。 22 1 2 2 1 2 12 2 XX s R R U I sRImP 2221em p fn 111 2602 電氣工程與自動化學院 85 1） Tem-s曲線 在電壓 U1、 頻率 f1為常數(shù)時 ，電機的參數(shù)可 以認為是常數(shù)， 電磁轉(zhuǎn)矩僅與 s有 關，其關系曲線 Tem=f(s)如圖所 示。 2 2 1 2 2 11 22 11 em 2 XX s R Rf s R pUm T 電氣工程與自動化學院 86 2） 三個特殊點 同步點： s=0， n=n1， 旋 轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子靜止 ， Tem=0。 最大轉(zhuǎn)矩點： s=sm， sm稱 為臨界轉(zhuǎn)差率 。 f1一定時 ， Tmax與 U12成正比； f1一定時 ， Tmax與 Xk成反比； sm與 R2成正比 ， Tmax與 R2無關 ， R2增大時 ， sm增大 ， 而 Tmax 不變 ， 曲線左移； TN=PN/N為額定負載轉(zhuǎn)矩 Tmax越大，過載能力越強 一般異步電動機 kM=1.6 2.5 kM=Tmax TN 過載能力 22 1 21 2 m XXR Rs 2 2 1 2 111 2 11 m a x 4 XXRRf pUmT 0dd sT em 2 1 2 XX R 2 1 1 2 11 4 XXf pUm 2 1 2 XX Rs m 21 1 2 11 m a x 4 XXf pUmT + 電動機 - 發(fā)電機 電氣工程與自動化學院 87 2） 三個特殊點 起動點： s=1 ， n=0， 轉(zhuǎn)子 靜止 ， Tem= Tst 。 2 1 1 2 st 22 1 1 2 1 2 2 m p U RT f R R X X 若要求起動時電磁轉(zhuǎn)矩達到最大，令 sm=1得 即轉(zhuǎn)子回路中串入 Rst，可使得起動轉(zhuǎn)矩等于最大電磁轉(zhuǎn)矩。 2 1 2 XXRR st 起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) kst=Tst TN 一般 kst=0.9 1.3，特殊用途 kst=2.8 4.0 電氣工程與自動化學院 88 2 21 2 2 1 2 1 2 11 2 XX s R R s R f pUm T em 3）電磁轉(zhuǎn)矩的簡化計算 m m m em s s s s T s R s R s R f pUm T 2 2 m a x2 2 2 2 2 1 2 11 條件：忽略 R1 ms Rf pUm T 21 2 11 m a x 2 1 2 ms RXX 2 2 1 電氣工程與自動化學院 89 由產(chǎn)品名牌計算異步電動機 Tmax和 sm 通常產(chǎn)品名牌參數(shù)給出異步電動機額定功率 PN、額定 轉(zhuǎn)速 nN和過載倍數(shù) km 把 s=sN ， Tem=TN 代入到 求出 sm 。 m m em s s s sTT 2 m a x 由 PN 和 nN 求出額定轉(zhuǎn)矩 60 2 N N N n PT 由 TN 和 km 求出最大轉(zhuǎn)矩 Nm TkT m a x 由 nN 可求出額定轉(zhuǎn)差率 1 1 n nnS N N 電氣工程與自動化學院 90 1、三相異步電動機的性能指標 1）效率：異步電動機輸出功率和輸入功率之比，即 2）功率因數(shù) ：異步電動機的功率因數(shù)永遠小于 1； 3）起動轉(zhuǎn)矩 ：異步電動機應該有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，否則 可能出現(xiàn)無法拖動機械負載起動的情況； 4）起動電流 ：起動時，由于 s=1，轉(zhuǎn)子回路相當于短路， 導致定子電流很大，這個電流稱為起動電流； 5）過載能力 ：異步電動機額定運行時，其過載能力不應小 于技術標準規(guī)定數(shù)據(jù)。 2 1 100%PP 1cos 四、異步電動機的工作特性 stT stI Mk 電氣工程與自動化學院 91 2、異步電動機的工作特性 異步電動機的工作特性是指在額定電壓 、 額定頻率下異 步電動機的轉(zhuǎn)速 n、 效率 、 功率因數(shù) cos1、 輸出轉(zhuǎn)矩 T2 、 定子電流 I1與輸出功率 P2的關系曲線 。 條件：額定電壓 、 額定頻率 曲線： 轉(zhuǎn)速 n、 效率 、 功率因數(shù) cos1、 輸出轉(zhuǎn)矩 T2、 定子電流 I1 與輸出功率 P2的關系曲線 。 異步電動機的工作特性可以用計算方法獲得 ， 即在已知 等效電路各參數(shù) 、 機械損耗 、 附加損耗的情況下 ， 給定 一系列的轉(zhuǎn)差 s， 可以由計算得到工作特性； 對于已制成的異步電動機 ， 其工作特性也可以通過試驗 求得 。 電氣工程與自動化學院 92 工作特性曲線定性分析 轉(zhuǎn)速隨輸出功率增加略 有下降； 負載轉(zhuǎn)矩近似與輸出功 率成正比； 定子電流隨輸出功率增 加而增加； 效率和功率因數(shù)隨負載 有不同的變化。 電氣工程與自動化學院 93 滿載時 ：轉(zhuǎn)速有下降， 效率和功率因數(shù)均較高 輕載時 ：轉(zhuǎn)速較高， 效率和功率因數(shù)均較低 起動時 ：功率因 數(shù)很低 電氣工程與自動化學院 94 轉(zhuǎn)速特性 電動機穩(wěn)態(tài)運行時必須滿足轉(zhuǎn)矩平衡 Tem=T0+T2 空載時 ， T2 0， Tem T0， 只 需較小轉(zhuǎn)子電動勢產(chǎn)生較小轉(zhuǎn)子 電流產(chǎn)生較小的電磁轉(zhuǎn)矩 ， 因此 空載轉(zhuǎn)速很接近同步轉(zhuǎn)速 ， 轉(zhuǎn)差 率很小 。 隨著負載增大 ， 為維持轉(zhuǎn)矩平 衡需較大電磁轉(zhuǎn)矩 ， 轉(zhuǎn)差率隨之 增大 ， 轉(zhuǎn)速隨之下降； 整個運行范圍內(nèi)轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速 變化不大 ， 額定轉(zhuǎn)差率 SN=0.01 0.05。 （硬特性） 電氣工程與自動化學院 95 負載轉(zhuǎn)矩特性 異步電動機從空載到額定負載 ， 轉(zhuǎn)速 n變化不大 （ 硬特性 ） 。 負載轉(zhuǎn)矩與輸出功率近似 為一條直線 。 轉(zhuǎn)矩特性曲線是一條過 （ 0， 0） 和 （ 1， 1） 點的 斜線 。 60 2 22 2 n PP T 電氣工程與自動化學院 96 定子電流特性 隨著負載增加 ， 定子電流的負載分量 I1L相應增大 ， 即轉(zhuǎn)子電 流 I2增大 ， 因而定子電流 I1相應增大； 由于輸出功率 P2與轉(zhuǎn)子電流 I22成正比 ， 定子電流 I1與輸 出功率 P2呈非線性 關系 。 定子電流特性曲線為一條 上升曲線 。 1 0 1 02 LI I I II 電氣工程與自動化學院 97 功率因數(shù)特性 空載運行時 ， 定子電流是勵磁電流 ， 主要用于建立磁場 ， 作用 在 Xm上 ， 因此功率因數(shù)很低 ， cos10.2 負載時 ， 轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角 2=arctg(sX2/R2) 。 輕載時 ， s很小 ， 2很小 ， cos21， 轉(zhuǎn)子電流主要成分是有功電流； 隨著負載的增大 ， 轉(zhuǎn)子電流有功分量隨之增加 ， 導致定子電流有功分 量增加 ， cos1迅速增大 。 負載進一步增加 時 ， s明顯增大 ， 2增大 ， cos2減小 ， 即轉(zhuǎn)子電流的 無功分量增加較快 ， 定子電流的無功分量也隨之增大 ， cos1反趨于減 小 。 設計電機時 ， 通常使在 額定負載 或略低于額定負載時有最大功 率因數(shù) 。 電氣工程與自動化學院 98 效率特性 不變損耗與可變損耗 機械損耗 pmec ：與轉(zhuǎn)速有關，因轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)硬特性，基本不變； 鐵耗 pFe ：與磁通密度有關；若電源電壓和頻率保持不變，則鐵耗基 本保持不變；將機械損耗和鐵耗合稱為 不變損耗 。 銅耗正比于電流的平方，而電流隨負載增加而增加，因此定、轉(zhuǎn)子 銅耗合稱為 可變損耗。 效率隨負載變化的規(guī)律決定于損耗的分配比例 空載時， P2 0， =0。 隨著 P2增大，總損耗增加較慢，效率迅速增大，直到某一負載時， 其可變損耗等于不變損耗，效率達到最大。 P2繼續(xù)增加，銅耗急劇增大，效率反而降低。 最大效率出現(xiàn)在 0.7-1范圍內(nèi) ， 且在此范圍內(nèi)效率變化不大 22 1 2 1 1()C u C u Fe m e c ad PP P P p p p p p 電氣工程與自動化學院 99 小結 異步電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能 ， 電磁轉(zhuǎn)矩是關鍵量 。 機械特性：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率之間的關系曲線 。 工作特性：指隨著負載變化 ， 其轉(zhuǎn)速 、 輸出轉(zhuǎn)矩 、 定子電 流 、 功率因數(shù) 、 效率等的變化曲線 。 從使用的觀點看 ， 定子電流是關鍵量 ， 效率和功率因數(shù)是 重要的力能指標 ， 應掌握 計算方法和變化規(guī)律 。 m m emmTem s s s sTTICT 2c o s m a x22 5.4 三相異步電動機起動與調(diào)速 異步電動機的制動 異步電動機的起動 異步電動機的調(diào)速 電氣工程與自動化學院 101 5.4.1 三相異步電動機的起動 起動：異步電動機轉(zhuǎn)子從靜止不動到加速到工作轉(zhuǎn)速的過程。 起動性能指標：起動電流倍數(shù) 、 起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) st I N Ik I st st N Tk T 起動時間、起動過程中的功率損耗及起動設備的簡單性和可靠 性等。 起動要求：在起動時有較大的起動轉(zhuǎn)矩 （ 倍數(shù) ） ， 較小的 起動電流 （ 倍數(shù) ） 1.起動轉(zhuǎn)矩必須大于負載轉(zhuǎn)矩； 2.起動轉(zhuǎn)矩越大，起動時間越短。 1.避免母線電壓下降大； 2.減少線路和電機發(fā)熱； 3.減小對電網(wǎng)的沖擊。 電氣工程與自動化學院 102 直接起動：起動時 ， 將定子繞組直接接入額定電壓電網(wǎng)上 。 起動特點 ：起動電流很大 （ kI=4 7） ， 而起動轉(zhuǎn)矩并不大 （ kst=0.9 1.3） 。 起動電流很大：從等效電路看 ， 起動瞬時 s=1， 轉(zhuǎn)子回路相當于短 路 ， 異步電動機等效阻抗較小 ， 故起動電流大； 起動轉(zhuǎn)矩并不大：從電磁轉(zhuǎn)矩物理表達式 看， 因起動時轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)很低，因而轉(zhuǎn)子電流的有功分量并不大 ，同時起動時的感應電動勢為定子電壓的一半，因而主磁通是正 常工作時一半，故起動轉(zhuǎn)矩不大。 適用范圍：小容量電動機帶輕載的情況 ， 對于經(jīng)常起動的電動機 ， 起動時引起的母線電壓降不大于 10%， 對于偶爾起動的電動機 ， 此 壓降不大于 15%。 對于額定電壓為 380V的電機 ， PN7.5kW時可直 接起動 。 22c o se m T mT C I 1、 直接起動 電氣工程與自動化學院 103 2、 降壓起動 異步電動機起動時等效電路圖 2 1 1 2 st 22 1 1 2 1 2 2 m p U RT f R R X X )/()()( 2211 1 st mm jXRXjRjXR UI 當電網(wǎng)容量不能承受異步電動機直接起動的電流時，可以采用 降低定子繞組相電壓的方法，即降壓起動來減小起動電流； 但相應地起動轉(zhuǎn)矩也將減小，因此降壓起動一般用于輕載起動 工況。 異步電動機起動電流： 異步電動機起動轉(zhuǎn)矩： 1UI st 21UT st 電氣工程與自動化學院 104 1）定子串電抗器（電阻器）起動 在定子繞組中串聯(lián)電抗或電阻都 能降低起動電流，但串電阻起動能 耗較大，只用于小容量電機中。一 般都采用定子串電抗降壓起動。 電抗器起到了分壓作用，作用在 定子繞組上的電壓降低了，繞組中 起動電流和電壓成正比，當然起動 電流減小了，以滿足對起動電流的 要求。 起動時閉合 K1，起動完畢后閉 合 ，電機進入正常運行。 2K jX 1K 2K M 電氣工程與自動化學院 105 設串電抗起動時定子電 壓 與直接起動時定子額定 電壓 的比值為 1/a， 則 定子串電抗器起動等效電路 NU xU 1 kx Nk ZU U a Z X 1 kst x st N N k ZIU I U a Z X 2 2 2 1 kst x stN N k ZTU T U a Z X s I U U X k R X st x N k 串電抗起動時 ， 若電機端電壓降 為電網(wǎng)電壓的 1/a， 則起動電流降 為直接起動的 1/a， 起動轉(zhuǎn)矩降為 直接起動的 1/a2 ， 比起動電流降得 更厲害 。 在選擇 a值使起動電流滿足要求 時 ， 必須校核起動轉(zhuǎn)矩 。 電氣工程與自動化學院 106 只有正常運行時定子繞組采用“ D”連接（ 接 ），且三相 繞組首尾六個端子全部引出來的電動機才能采用 Y- 起動。 33 N x U UU 2）星 -三角起動器起動 起動時定子“ Y”連接，起動完 畢后換成“ D”聯(lián)結。 Y- 起動器 時，每相起動電壓大 小和直接起動時每相電壓大小之 間的關系： 電氣工程與自動化學院 107 每相起動電流為 : 3 1 3 xNY N UUI I U U 1 3s t Y I I I 3 1 33 st s t N I I I I 2 1 3 st x stN N TU TU 起動線電流為 : 起動轉(zhuǎn)矩為 : XYZA ABBC CxUstI YINU X Y A B C AB C NU stNIIU Y- 起動時，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩 均降為直接起動的 1/3。 電氣工程與自動化學院 108 三相鼠籠型電動機采用自耦 變壓器降壓起動時，開關 K投 向起動側(cè)，起動完畢后開關 K 投向運行側(cè)。 自耦降壓起動時，電動機相 電壓下降為 與直接起動時 相電壓 的關系為 NU xU 2 1 1x N U N U N a 3） 自耦變壓器降壓起動 即 a為自耦變壓器的變比。 電氣工程與自動化學院 109 NU xU 1N 2N stI xI 電動機自耦變壓器降壓起動時的相電流為 Ix 與直接起動時 的相電流 IstN之間關系為 自耦變壓器高壓側(cè)的起動電流 Ist 與低壓側(cè)的起動電流 Ix關系為 2 1 1xx s t N N IU N I U N a 2 1 st x I N IN 電氣工程與自動化學院 110 自耦變壓器降壓起動與直接起動相 比，電網(wǎng)供給的起動電流之間關系為 自耦變壓器降壓起動與直接起動 相比，起動轉(zhuǎn)矩之間關系為 2 2 2 2 1 1st x st N N TU N T U N a 2 2 2 1 1st st x stN x stN I I I N I I I N a NU xU 1N 2N stI xI 自耦變壓器降壓起動時，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩均降為直接 起動的 1/a2。 在選擇 a值使起動電流滿足要求時，必須校核起動轉(zhuǎn)矩。 電氣工程與自動化學院 111 起動方法 起動電壓相對 值（電動機相 電壓） 起動電流相對值 （供電變壓器線 電流） 起動轉(zhuǎn)矩 相對值 起動設備 直接起動 1 1 1 最簡單 串電抗起動 一般 Y 起動 簡單，只適用于 D聯(lián)結 380V電機 自耦變壓器 起動 較復雜 a 2a 1 3 1 3 a 13 a 2a2a 異步電動機降壓起動的主要目的是限制起動電流，但同 時起動轉(zhuǎn)矩也不同程度降低，因此只適用于異步電動機空載 或輕載起動。 異步電動機降壓起動方法比較 電氣工程與自動化學院 112 3、繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻起動 電動機容量較大時 ， 起動電流對電網(wǎng)的沖擊較大；又因帶重 載 ， 負載要求電機提供較大的起動轉(zhuǎn)矩；對于這種電動機帶 重載起動的工況 ， 繞線型異步電動機由于轉(zhuǎn)子回路可以連接 外電路 ， 就顯示出明顯的優(yōu)勢 。 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回 路串電阻起動 ， 只要串入 的電阻合適 ， 就既可減少 起動電流又可增加起動轉(zhuǎn) 矩 ， 因而可同時滿足電機 容量大 、 重載起動這兩個 要求 。 電氣工程與自動化學院 113 轉(zhuǎn)子回路串電阻可以減小起動電流； 串入電阻阻值合適，可以增大起動轉(zhuǎn)矩。 n emTLT0 R 2 R 2 + R x 1 R 2 + R x 2 R 2 + R x