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1、电机及拖动第六章本讲稿第一页，共四十四页26.1.1 6.1.1 空载运行时的电磁关系空载运行时的电磁关系6.1 6.1 三相异步电动机的空载运行三相异步电动机的空载运行本讲稿第二页，共四十四页3 6.1.2 6.1.2 空载运行时的基本方程式空载运行时的基本方程式空载时的等效电路空载时的等效电路空载电流空载电流I0主要成份是建立旋转磁场的感性无功电流，空载时功率因数主要成份是建立旋转磁场的感性无功电流，空载时功率因数很低，一般很低，一般cos 00.2如果将定子感应电动势看作是励磁电流如果将定子感应电动势看作是励磁电流IO 在励磁电路上的压降，在励磁电路上的压降，则则励磁电阻励磁电阻表征铁心
2、损耗表征铁心损耗励磁电抗励磁电抗 表征主磁通作用表征主磁通作用 励磁阻抗励磁阻抗本讲稿第三页，共四十四页4异步电动机与变压器的差别：1 1）主磁场性质不同：异步电动机为）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场旋转磁场，变压器为，变压器为脉动磁场脉动磁场.3 3）由于存在气隙）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大异步电动机漏抗较变压器的大.5)5)异步电动机通常采用异步电动机通常采用短距和分布绕组短距和分布绕组,计算时需考虑计算时需考虑绕组系数绕组系数,变压器则变压器则为为整距集中绕组整距集中绕组,可认为绕组系数为可认为绕组系数为1.本讲稿第四页，共四十四页56.2.1 负载运行时的电磁关系6
3、.2 6.2 三相异步电动机的负载运行三相异步电动机的负载运行本讲稿第五页，共四十四页66.2.2 转子各物理量与转子各物理量与s的关系的关系 1 转子绕组感应电动势及电流的频率转子绕组感应电动势及电流的频率f f2 可见：转子电动势及电流的频率可见：转子电动势及电流的频率f f2 2与转差率与转差率s s成正比。成正比。当当n n=0=0，s s=1=1，f f2 2=f f1 1=f f2max2max；nns sf f2 2当当n n=n nN N，由于，由于s sN N=0.015=0.0150.050.05，所以，所以f f2N 2N=f f1 1s sN N lHz lHz3Hz3
4、Hz。2 转子旋转时转子绕组的电动势转子旋转时转子绕组的电动势E2s E2s=4.44f2kw2N21=4.44sflkw2N21=sE2 当当n n=0,=0,s s=1=1，静止时的，静止时的E2s=E2为最大为最大，nns s E2s 转子转动后，转子绕组的电势和电流的电势和电流的频率频率与转子的与转子的转转速速有关取决于气隙旋转磁场与转子的相对速度相对速度。本讲稿第六页，共四十四页73.转子电抗转子电抗X2s X2s=2f2L2=2f1sL2=sX2 4.转子电流转子电流I I2s 当电动机起动瞬间，s=1，I2s 为最大；ns I2s5.转子的旋转磁动势转子的旋转磁动势F2相对定子的
5、转速相对定子的转速 注意注意:转子转动时，在上面的分析中转子转动时，在上面的分析中f f2、E2s、X2s、I I2s均是转差率均是转差率s s的函数，而转子的函数，而转子绕组的磁动势绕组的磁动势F2的转速的转速ns却是一个与却是一个与s s无关的量。无关的量。当n=0,s=1，静止时的X2s=X2为最大，ns X2sF2相对于转子的相对于转子的转速为转速为 F2相对定相对定子的转速子的转速本讲稿第七页，共四十四页81.定、转子合成磁动势定、转子合成磁动势 6.2.3 负载运行时的基本方程式负载运行时的基本方程式 ns12ns本讲稿第八页，共四十四页92.磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式F1+
6、F2=F0 F1=F0+(-F2)或负载分量，用于抵消F2的去磁作用，保证主磁通基本不变。励磁分量TLnI2sTeI1Te=TL本讲稿第九页，共四十四页103.电动势平衡方程式电动势平衡方程式 实际电路定子侧：转子侧：定子、转子在频率上不一致，定子、转子在频率上不一致，故仍不能使异步电动机形成统一的等效电路，故仍不能使异步电动机形成统一的等效电路，其主要问题就在于转子电压方程式中转子感应电动势和漏电抗的值与转子频率有关。其主要问题就在于转子电压方程式中转子感应电动势和漏电抗的值与转子频率有关。本讲稿第十页，共四十四页116.2.4 负载运行时的等效电路负载运行时的等效电路 频率折算频率折算 因
7、为因为f2=sf1，所以只有当，所以只有当s=1时，才有时，才有f2=f1。折算的原则是要保持折算前后的磁动势及功率关系不变。折算的原则是要保持折算前后的磁动势及功率关系不变。要保证折算前后要保证折算前后转子磁动势不变，也就必需保证折算前后转子电流的大小和相位均不变。转子磁动势不变，也就必需保证折算前后转子电流的大小和相位均不变。电流的数值仍是相等的，因此频率折算前后保证电流的数值仍是相等的，因此频率折算前后保证F2不变。不变。频率为频率为f2频率为频率为f1实际运行的转子电流静止的转子电流。本讲稿第十一页，共四十四页12频率折算后的异步电动机电路 为了等效地将旋转着的转子折算成不动的转子，为
8、了等效地将旋转着的转子折算成不动的转子，就必需在转子就必需在转子回路中串入一个实际上并不存在的回路中串入一个实际上并不存在的虚拟电阻虚拟电阻 。这个虚拟电阻的这个虚拟电阻的损耗，实质上表征了异步电动机的机械功率。损耗，实质上表征了异步电动机的机械功率。本讲稿第十二页，共四十四页13 “新转子新转子”，它的绕组相数、每相串联总匝数及绕组系数，它的绕组相数、每相串联总匝数及绕组系数都分别和定子绕组的一样，并且所产生的都分别和定子绕组的一样，并且所产生的转子旋转磁动势转子旋转磁动势F2保持不变。同时保持保持不变。同时保持功率守恒关系功率守恒关系-绕组折算的基本依据。绕组折算的基本依据。绕组折算绕组折
9、算 用绕组（用绕组（m m1 1、N N1 1、k kw1w1）等效替代绕组（）等效替代绕组（m m2 2、N N2 2、k kw2w2 ）本讲稿第十三页，共四十四页14 电流折算：根据磁动势不变原则电流折算：根据磁动势不变原则 电动势折算：电动势折算：阻抗折算：功率不变。阻抗折算：功率不变。电抗和漏阻抗可同样折算。电抗和漏阻抗可同样折算。本讲稿第十四页，共四十四页15T型等效电路型等效电路 频率折算 绕组 折算 T型等效电路基本方程式基本方程式本讲稿第十五页，共四十四页16等效电路的简化等效电路的简化 本讲稿第十六页，共四十四页17附加附加电阻电阻 的物理意义的物理意义u在实际转动的电机中，
10、在转子回路中并无此项电阻，但有机械功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。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，但却串入附加电阻输出，但却串入附加电阻 其电功率为其电功率为 电功率电功率 模拟轴上的机械功率。模拟轴上的机械功率。本讲稿第十七页，共四十四页18 有一台有一台UN=380V，fN=50Hz，nN=1440r/min，Y联结的三相绕联结的三相绕线转子异步电动机，其参数为线转子异步电动机，其参数为Xm=40 ，r1=r r2=0.4，X1=X2=1，忽略，忽略rm。已知
11、定转子。已知定转子有效匝比有效匝比为为4()，试求额定负载时，试求额定负载时,1)额额定转差率定转差率sN；2)根据简化等效电路求出根据简化等效电路求出I I1、I I2、I I0和和cos 1；3)转子转子相电动势相电动势E2s的大小；的大小；4)转子电动势的频率转子电动势的频率f2N；5)总机械功率总机械功率Pm 解解 1)转差率转差率sN2)求出I2、I0、I1和cos1 转子回路阻抗 例例本讲稿第十八页，共四十四页19Z 2 与Z1串联阻抗 设相电压为参考相量，则转子电流 励磁电流 定子电流 本讲稿第十九页，共四十四页20于是各电流的有效值为 绕线转子异步电动机的定、转子相数相等，所以
12、该电动机的 功率因数 3)转子相电动势E2s的大小 转子实际电动势 4)转子电动势的频率f2N 5)总机械功率Pm本讲稿第二十页，共四十四页216.3.3 相量图本讲稿第二十一页，共四十四页226.4.1 6.4.1 功率平衡和转矩平衡功率平衡和转矩平衡6.4.2 6.4.2 三相异步电动机的工作特性三相异步电动机的工作特性6.4 6.4 三相异步电动机的三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡及工作特性功率平衡、转矩平衡及工作特性本讲稿第二十二页，共四十四页23一、功率平衡方程式一、功率平衡方程式6.4.1 6.4.1 功率平衡和转矩平衡功率平衡和转矩平衡三相异步电动机功率流程图 本讲稿第二十三页
13、，共四十四页24 总机械功率；总机械功率；机械损耗和附加损耗 其余功率为输出的机械功率 异步电动机的功率平衡方程式：效率=P2/P1本讲稿第二十四页，共四十四页25转矩平衡方程为转矩平衡方程为电磁转矩从转子方面看，它等于电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率总机械功率除以除以转子转子机械角速度机械角速度；从定子方面看，它又等于从定子方面看，它又等于电磁功率电磁功率除以除以同步同步机械角速度。机械角速度。电磁转矩二、转矩平衡方程式二、转矩平衡方程式本讲稿第二十五页，共四十四页26电磁转矩物理电磁转矩物理表达式推导表达式推导转矩常数转矩常数 异步电动机的电磁转矩与每极磁通和转子电流有功分量的乘积成
14、正比。异步电动机的电磁转矩与每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比。本讲稿第二十六页，共四十四页27例例一台一台2对极的三相异步电动机，有关数据如下：对极的三相异步电动机，有关数据如下：电动机的机械损耗电动机的机械损耗100W 100W，额定负载时的附加损耗，额定负载时的附加损耗50W50W。转子铜耗。转子铜耗335W335W，试计算额定负载时，试计算额定负载时总机械功率、电磁功率，负载总机械功率、电磁功率，负载转矩、空转矩、空载转矩和电磁转矩。载转矩和电磁转矩。转子机械角速度转子机械角速度总机械功率总机械功率电磁功率电磁功率负载转矩负载转矩解：解：空载转矩空载转矩mss本讲稿第二十七页，共四
15、十四页28电磁转矩电磁转矩:mee10485Nm=66.78Nm157SPT=Wmmm同步角速度同步角速度方法一方法一方法二方法二方法四方法四方法三方法三本讲稿第二十八页，共四十四页291 1）转速特性转速特性工作特性工作特性工作特性工作特性:6.4.2 6.4.2 三相异步电动机的工作特性三相异步电动机的工作特性 电动机在额定电压和额定频率下运行时电动机在额定电压和额定频率下运行时,电动机的电动机的转速转速n、定子电流定子电流Is、功率因数功率因数 、效率、效率、输出转、输出转矩矩T2与输出功率与输出功率P2之间的关系之间的关系.空载时空载时P2 0,I2 0，由上列关系所以，由上列关系所以
16、s 0，n ns 当负载增大时，转速略有下降当负载增大时，转速略有下降E2sI2T 随着输出功率随着输出功率P2的增大，转差率的增大，转差率s 也增大，也增大，则转速稍有下降。则转速稍有下降。本讲稿第二十九页，共四十四页30空载时空载时P2 0,转子的转速转子的转速n ns负载时，当负载时，当P2n n本讲稿第三十页，共四十四页312 2）定子电流特性）定子电流特性空载时空载时P P2 2 0,0,转子电流转子电流I I2 2 0(T=T0(T=T0 0),I),I1 1=I=Io.o.当负载增大，当负载增大，P P2 2 n n I I2 2 I I1 1 定子电流几乎随定子电流几乎随 P2
17、 按正比例增加。按正比例增加。本讲稿第三十一页，共四十四页32本讲稿第三十二页，共四十四页333 3）定子功率因数特性）定子功率因数特性空载时，定子电流基本上是励磁电流，主要用于无功励磁，空载时，定子电流基本上是励磁电流，主要用于无功励磁，所以功率因数很低，约为所以功率因数很低，约为0.10.2。当负载增加时，当负载增加时，P P2 2 coscos1 1 .由于在空载到额定负载范围内，电动机的转差率由于在空载到额定负载范围内，电动机的转差率s很小，而且变很小，而且变化很小，所以转子功率因数角化很小，所以转子功率因数角 几乎不变，但负载超过几乎不变，但负载超过额定值时，额定值时，s 值就会变得
18、较大，因此值就会变得较大，因此 变大，转子电流中的无功分量增变大，转子电流中的无功分量增加，因而使电动机定子功率因数又重新下降。加，因而使电动机定子功率因数又重新下降。当负载增加时，转子电流的有功分量增加，定子电流的有功分量当负载增加时，转子电流的有功分量增加，定子电流的有功分量也随之增加，即可使功率因数提高。在接近额定负载时，功率因数达也随之增加，即可使功率因数提高。在接近额定负载时，功率因数达到最大。到最大。本讲稿第三十三页，共四十四页34本讲稿第三十四页，共四十四页35空载时空载时P P2 2 0,T0,T2 2 0 04 4）转矩特性）转矩特性 异步电动机的负载不超过额定值时，转速异步
19、电动机的负载不超过额定值时，转速n和角速度和角速度 变化变化很小。很小。当负载当负载P2增加时，增加时，T T2 2近似直线增加。近似直线增加。本讲稿第三十五页，共四十四页36 转矩特性近似为转矩特性近似为一条斜率为一条斜率为 1/的直的直线。线。本讲稿第三十六页，共四十四页375 5）效率特性）效率特性 =f(P=f(P2 2)当可变损耗小，负载增加时，当可变损耗小，负载增加时，增加。增加。当当可变损耗等于不变损耗时，可变损耗等于不变损耗时，最大，最大，当当可变损耗大于不变损耗时，可变损耗大于不变损耗时，减少。减少。空载时空载时P P2 2=0,=0,=0=0不变损耗可变损耗本讲稿第三十七页
20、，共四十四页38本讲稿第三十八页，共四十四页39思考：思考：1、为什么说三相异步电动机的主磁通基本保持不变？、为什么说三相异步电动机的主磁通基本保持不变？是否在任何情况下都保持不变？是否在任何情况下都保持不变？【答答】：在正常负载范围内，异步电动机定子绕组的漏阻抗压降较小，绕组感应的在正常负载范围内，异步电动机定子绕组的漏阻抗压降较小，绕组感应的电动势约等于电源电压；而异步电动机的主磁通与绕组电动势成正比，因而也就电动势约等于电源电压；而异步电动机的主磁通与绕组电动势成正比，因而也就与电源电压成正比。所以说三相异步电动机的主磁通基本不变。与电源电压成正比。所以说三相异步电动机的主磁通基本不变。
21、若电动机起动或所带负载超过额定值较大时，由于电动机绕组流过的若电动机起动或所带负载超过额定值较大时，由于电动机绕组流过的电电流较大流较大，绕组的，绕组的漏阻抗压降较大漏阻抗压降较大，绕组电动势就比电源电压小很多，此时，绕组电动势就比电源电压小很多，此时的的主磁通就不能保持不变主磁通就不能保持不变。此外，当电动机的电源不为恒定值时，其主磁通。此外，当电动机的电源不为恒定值时，其主磁通也当然不能保持不变。因而并非在任何情况下主磁通都保持不变。也当然不能保持不变。因而并非在任何情况下主磁通都保持不变。本讲稿第三十九页，共四十四页402、为什么说三相异步电动机的定子电流、为什么说三相异步电动机的定子电
22、流是如何随机械负载的增加而增加的？是如何随机械负载的增加而增加的？【答答】：机械负载增加时，转速将随之下降，转子电动势增大，机械负载增加时，转速将随之下降，转子电动势增大，转子电流增加，转子磁动势也增加；由于转子磁动势具有去转子电流增加，转子磁动势也增加；由于转子磁动势具有去磁作用，气隙磁通出现下降趋势，定子绕组的感应电动势也磁作用，气隙磁通出现下降趋势，定子绕组的感应电动势也随之出现下降趋势；但是电源电压不变，因此定子电流应随随之出现下降趋势；但是电源电压不变，因此定子电流应随之增大。定子电流增大，定子磁动势也就增大，可以补偿转之增大。定子电流增大，定子磁动势也就增大，可以补偿转子电流随机械
23、负载的增加对磁通的影响，从而阻止定子电动子电流随机械负载的增加对磁通的影响，从而阻止定子电动势的进一步下降的趋势，以达到新的平衡。总之，机械负载势的进一步下降的趋势，以达到新的平衡。总之，机械负载的增加是通过转子电流、气隙磁通作用于异步电动机的定子的增加是通过转子电流、气隙磁通作用于异步电动机的定子绕组，而使定子电流随之增加的。绕组，而使定子电流随之增加的。本讲稿第四十页，共四十四页413、转子电路的频率与转差率有什么关系？转子不动时、转子电路的频率与转差率有什么关系？转子不动时和空载时转子频率各为多少？和空载时转子频率各为多少？【答答】：当电源电压频率不变时，转子电路的频率与转差：当电源电压
24、频率不变时，转子电路的频率与转差率成正比，即：率成正比，即：f f2 2=s=sf f1 1。转子不动时，由于转差率。转子不动时，由于转差率s=1s=1，转子频率就等于电源的频率；空载时，因转差率很小，转子频率就等于电源的频率；空载时，因转差率很小（可近似为零），因而转子频率也很小，接近于零。（可近似为零），因而转子频率也很小，接近于零。本讲稿第四十一页，共四十四页424 4、转子电路的感应电动势、转子电路的感应电动势E E2s2s如何随转子的转速而变？如何随转子的转速而变？【答答】：异步电动机的转速升高，转子绕组切割旋转异步电动机的转速升高，转子绕组切割旋转磁场的速度减小，转子电路的感应电动
25、势磁场的速度减小，转子电路的感应电动势E E2s2s随之减小。随之减小。E E2s2s=s=sE E2 2=E=E2 2(n(ns s-n)/n-n)/ns s=E=E2 2(1-n/n(1-n/ns s)；由此可见，由此可见，nEnE2s2s。若。若n=0n=0，则，则E E2s2s=E=E2 2 ；当当n=nn=ns s时；则时；则E E2s2s=0=0。本讲稿第四十二页，共四十四页435 5、转子漏抗、转子漏抗X X2 2与转差率有什么关系？在什么情况下与转差率有什么关系？在什么情况下X X2 2R R2 2，使转子电路接近于电阻电路？，使转子电路接近于电阻电路？【答答】：转子漏抗：转子漏抗X X2s2s与转差率成正比，与转差率成正比，X X2s2s=s=sX X2 2。当异。当异步电动机空载时，转差率很小（可近似为零），则步电动机空载时，转差率很小（可近似为零），则X X2s2s=s=sX X2 200。此时就有。此时就有X X2 2R R2 2，使转子电路接近于，使转子电路接近于电阻电路。电阻电路。本讲稿第四十三页，共四十四页44作业:5-4,5-9,5-13,5-15本讲稿第四十四页，共四十四页