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1、电机学第五章第1页，共67页，编辑于2022年，星期一l本章主要研究本章主要研究定、转子间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转换的感应电机。感应电机一般都用作电动机，在少数场合下，亦有用作发电机的。本章先说明空载和负载时三相感应电动机内的磁动势和磁场，然后导出感应电动机的基本方程和等效电路，最后分析它的运行特性和起动，调速等问题。第2页，共67页，编辑于2022年，星期一一、感应电机的结构一、感应电机的结构感应电机感应电机定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心转子转子机座机座笼笼型型结构结构转子铁心转子铁心转轴转轴转子绕组转子绕组绕线型绕线型结构结构定子定子5.15.1 感应电机的结构和
2、运行状态感应电机的结构和运行状态第3页，共67页，编辑于2022年，星期一二、感应电机的运行状态二、感应电机的运行状态l旋转磁场的转速旋转磁场的转速ns与转子转速与转子转速n之差称为转差转之差称为转差转差差n与同步转速与同步转速ns的比值称为转差率，用的比值称为转差率，用s表示，表示，即：即：l转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态，如图电机和电磁制动三种运行状态，如图5-5所示所示 例题例题第4页，共67页，编辑于2022年，星期
3、一u额定功率额定功率PN(kW)：额定运行时轴端输出的机械功率；：额定运行时轴端输出的机械功率；u额定电压额定电压UN(V)：额定运行时定子绕组的线电压；：额定运行时定子绕组的线电压；u额定电流额定电流IN(A)：额定电压下运行，输出功率为额定值：额定电压下运行，输出功率为额定值 时，定子绕组的线电流；时，定子绕组的线电流；u额定频率额定频率fN(Hz)：定子的电源频率；：定子的电源频率；u额定转速额定转速nN(r/min)：额定运行时转子的转速。：额定运行时转子的转速。三、额定值三、额定值返回返回第5页，共67页，编辑于2022年，星期一空载运行时，定子磁动势基本上就是产生气隙主磁场的激磁磁
4、动势，定子电流就近似等于激磁电流。计及铁心损耗时，磁场在空间滞后于磁动势以铁心损耗角，如图如图5-65-6所示。所示。5.2三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场一、空载运行时的磁动势和磁场一、空载运行时的磁动势和磁场1.空载运行时的磁动势空载运行时的磁动势第6页，共67页，编辑于2022年，星期一2.主磁通和激磁阻抗主磁通和激磁阻抗l主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通，它经过的磁路(称为主磁路)包括气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭等五部分如图5-7所示。l气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通将在定子每相绕组中感生电动势第7页，共67页，编辑于2022年，
5、星期一l若主磁路的磁化曲线用一条线性化的磁化曲线若主磁路的磁化曲线用一条线性化的磁化曲线来代替，则主磁通将与激磁电流成正比；于是来代替，则主磁通将与激磁电流成正比；于是可认为可认为与与 之间具有下列关系：之间具有下列关系：第8页，共67页，编辑于2022年，星期一3.定子漏磁通和漏抗定子漏磁通和漏抗l定子漏磁通又可分为槽漏磁、端部漏磁和谐波定子漏磁通又可分为槽漏磁、端部漏磁和谐波漏磁等三部分，槽漏磁和端部漏磁漏磁等三部分，槽漏磁和端部漏磁如图如图5-8a和和b所示。所示。l定子漏磁通定子漏磁通将在定子绕组中感应漏磁电动势将在定子绕组中感应漏磁电动势。把。把作为负漏抗压降来处理，可得作为负漏抗压
6、降来处理，可得第9页，共67页，编辑于2022年，星期一二、负载运行时的转子磁动势和磁动势方程二、负载运行时的转子磁动势和磁动势方程l当电动机带上负载时，转子感应电动势和电流当电动机带上负载时，转子感应电动势和电流的频率的频率f2 应为应为l转子电流产生的旋转磁动势转子电流产生的旋转磁动势F2 相对于转子的相对于转子的转速为转速为n2：1.转子磁动势转子磁动势第10页，共67页，编辑于2022年，星期一转子本身又以转速转子本身又以转速n在旋转，因此从定子侧观察在旋转，因此从定子侧观察时，时，F2在空间的转速应为在空间的转速应为定子和转子磁动势之间的速度关系，如图定子和转子磁动势之间的速度关系，
7、如图5-9所示。所示。图图5-10表示三相绕线型转子的转子磁动势的空间相位。表示三相绕线型转子的转子磁动势的空间相位。例题例题第11页，共67页，编辑于2022年，星期一负载时转子磁动势的基波对气隙磁场的影响，称为转子反应。转子反应有两个作用：l使气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从而引起定子感应电动势和定子电流发生变化。l它与主磁场相互作用，产生所需要的电磁转矩，以带动轴上的机械负载。2.转子反应转子反应第12页，共67页，编辑于2022年，星期一转子反应的两个作用合在一起，体现了通过电磁感应作用，实现机电能量转换的机理。由此可以进一步导出负载时的磁动势方程：图图5-11示出了负载时定、转子
8、磁动势间的关系，以及定子电流与激磁电流和转子电流的关系。3.3.负载时的磁动势方程负载时的磁动势方程返回返回第13页，共67页，编辑于2022年，星期一1.定子电压方程定子电压方程5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路一、电压方程第14页，共67页，编辑于2022年，星期一2.2.转子电压方程转子电压方程第15页，共67页，编辑于2022年，星期一定子定子转子转子图图5-12表示电压方程相应的定、转子的耦合电路图表示电压方程相应的定、转子的耦合电路图定子绕定子绕组内组内转子绕转子绕组内组内第16页，共67页，编辑于2022年，星期一二、等效电路二、等效电路1.频率归算频率归算图图5-13表
9、示频率归算后，感应电动机定、转子的等效电路表示频率归算后，感应电动机定、转子的等效电路图；图中定子和转子的频率均为图；图中定子和转子的频率均为f1，转子电路中出现了一，转子电路中出现了一个表征机械负载的等效电阻。个表征机械负载的等效电阻。第17页，共67页，编辑于2022年，星期一图图5-14表示频率和绕组归算后定、转子的耦合电路图表示频率和绕组归算后定、转子的耦合电路图。2.绕组归算绕组归算第18页，共67页，编辑于2022年，星期一根据上式即可画出感应电动机的根据上式即可画出感应电动机的T形等效电路，如图形等效电路，如图5-15所示。图所示。图5-16表示与基本方程相对应的相量图表示与基本
10、方程相对应的相量图。经过归算，感应电动机的电压方程和磁动势方程成为经过归算，感应电动机的电压方程和磁动势方程成为3.T型等效电路和相量图型等效电路和相量图第19页，共67页，编辑于2022年，星期一4.4.近似等效电路近似等效电路由此即可画出形近似等效电路，如图如图5-17所示。返回返回第20页，共67页，编辑于2022年，星期一感应电动机从电源输入的电功率：感应电动机从电源输入的电功率：消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗：消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗：消耗于定子铁心变为铁耗：消耗于定子铁心变为铁耗：从定子通过气隙传送到转子的电磁功率：从定子通过气隙传送到转子的电磁功率：5.4 5.4 感应电动
11、机的功率方程和转矩方程感应电动机的功率方程和转矩方程一、功率方程，电磁功率和转换功率一、功率方程，电磁功率和转换功率第21页，共67页，编辑于2022年，星期一l功率方程为：功率方程为：其中其中图图5-185-18表示相应的功率图。表示相应的功率图。第22页，共67页，编辑于2022年，星期一二、转矩方程和电磁转矩二、转矩方程和电磁转矩l转矩方程转矩方程l电磁转矩电磁转矩例题例题返回返回第23页，共67页，编辑于2022年，星期一1.试验试验目的目的:确定确定电动电动机的激磁参数机的激磁参数、铁铁耗和机械耗和机械损损耗。耗。一、空载试验一、空载试验5.5 5.5 感应电动机参数的测定感应电动机
12、参数的测定空载特性曲线空载特性曲线第24页，共67页，编辑于2022年，星期一2.铁耗和机械损耗分离铁耗和机械损耗分离返回返回第25页，共67页，编辑于2022年，星期一参数计算参数计算激磁电阻激磁电阻空载电抗空载电抗激磁电抗激磁电抗5.5感应电动机参数的测定第26页，共67页，编辑于2022年，星期一 短路特性短路特性二、堵转试验二、堵转试验1.试验目的：确定感应电动机的漏阻抗。试验目的：确定感应电动机的漏阻抗。等效电路等效电路第27页，共67页，编辑于2022年，星期一2.参数参数计计算算返回第28页，共67页，编辑于2022年，星期一转矩转矩转差率特性曲线转差率特性曲线 如图如图5 52
13、5 25 所示。所示。5.6 5.6 感应电动机的转矩感应电动机的转矩转差率曲线转差率曲线一、转矩一、转矩转差率特性转差率特性第29页，共67页，编辑于2022年，星期一二、最大转矩和起动转矩二、最大转矩和起动转矩1.最大转矩最大转矩2.起动转矩起动转矩第30页，共67页，编辑于2022年，星期一3.3.讨论讨论l感感应电应电机的最大机的最大转转矩与矩与电电源源电压电压的平方成正比，与定、的平方成正比，与定、转转子漏抗之和子漏抗之和近似成反比；近似成反比；l最大最大转转矩的大小与矩的大小与转转子子电电阻阻值值无关，无关，临临界界转转差率差率则则与与转转子子电电阻阻成正比：成正比：转转子子电电阻
14、增大阻增大时时，临临界界转转差率增大，但最大差率增大，但最大转转矩保持矩保持不不变变，此，此时时曲曲线线的最大的最大值值将向左偏移将向左偏移,如如图图5-265-26所示所示；l起起动转动转矩随矩随转转子子电电阻阻值值的增加而增加，直到达到最大的增加而增加，直到达到最大转转矩矩为为止。止。第31页，共67页，编辑于2022年，星期一三、机械特性三、机械特性 (转矩转矩-转速特性转速特性)工程中将感工程中将感应电动应电动机的机的转转速随速随电电磁磁转转矩的矩的变变化曲化曲线线成成为为机械特性。机械特性。电动电动机机械特性与机机械特性与负载负载机械特性的交点称机械特性的交点称为为电动电动机的运行点
15、。机的运行点。两者之两者之间间的关系如的关系如图图5-27所示。所示。例题例题返回返回第32页，共67页，编辑于2022年，星期一在额定电压和额定频率下，电动机的转速、电磁转矩、定子电流、在额定电压和额定频率下，电动机的转速、电磁转矩、定子电流、功率因数、效率与输出功率的关系曲线称为感应电动机的工作特功率因数、效率与输出功率的关系曲线称为感应电动机的工作特性。性。图图5-285-28表示一台表示一台10kW10kW的三相感应电动机的转速特性和定子电流特性。的三相感应电动机的转速特性和定子电流特性。电磁转矩、功率因数和效率特性电磁转矩、功率因数和效率特性如图如图5-295-29所示。所示。由于感
16、应电动机的效率和功率因数都在额定负载附近达到最大值，因由于感应电动机的效率和功率因数都在额定负载附近达到最大值，因此选用电动机时应使电动机的容量与负载相匹配，以使电动机经济、此选用电动机时应使电动机的容量与负载相匹配，以使电动机经济、合理和安全地使用。合理和安全地使用。5.7 5.7 感应电动机的工作特性感应电动机的工作特性一、工作特性一、工作特性第33页，共67页，编辑于2022年，星期一先用空载试验测出电动机的铁耗、机械损耗和定子电阻，再先用空载试验测出电动机的铁耗、机械损耗和定子电阻，再进行负载试验求取工作特性。进行负载试验求取工作特性。二、工作特性的求取二、工作特性的求取1.直接负载法
17、直接负载法2.由参数算出电动机的主要运行数据由参数算出电动机的主要运行数据在参数已知的情况下，给定转差率，利用等效电路求出工作在参数已知的情况下，给定转差率，利用等效电路求出工作特性。特性。返回返回第34页，共67页，编辑于2022年，星期一返回导条导条端环端环笼型绕组笼型绕组第35页，共67页，编辑于2022年，星期一返回风叶风叶铁心铁心绕组绕组滑环滑环轴承轴承第36页，共67页，编辑于2022年，星期一返回第37页，共67页，编辑于2022年，星期一感应电动机的空载磁动势和磁场返回ACBXYZ第38页，共67页，编辑于2022年，星期一返回感应电机中主磁通所经过的磁路第39页，共67页，编
18、辑于2022年，星期一返回端部漏磁端部漏磁槽漏磁槽漏磁第40页，共67页，编辑于2022年，星期一返回定转子磁动势之间的速度关系定转子磁动势之间的速度关系第41页，共67页，编辑于2022年，星期一返回转子磁动势波转子磁动势波F2气隙磁场气隙磁场Bm转子转子转子磁动势波转子磁动势波F2气隙磁场气隙磁场Bm转子转子转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置第42页，共67页，编辑于2022年，星期一定、转子磁动势的空间矢量图和定、转子电流相量图定、转子磁动势的空间矢量图和定、转子电流相量图返回第43页，共67页，编辑于2022年，星期一返回感应电动机定、转子耦合电路
19、图感应电动机定、转子耦合电路图第44页，共67页，编辑于2022年，星期一频率归算后感应电动机的定、转子电路图频率归算后感应电动机的定、转子电路图返回第45页，共67页，编辑于2022年，星期一返回频率和绕组归算后感应电动机的定、转子电路图频率和绕组归算后感应电动机的定、转子电路图第46页，共67页，编辑于2022年，星期一返回感应电动机的感应电动机的T形等效电路形等效电路第47页，共67页，编辑于2022年，星期一异异步步电电动动机机相相量量图图返回第48页，共67页，编辑于2022年，星期一形近似等效电路形近似等效电路返回第49页，共67页，编辑于2022年，星期一返回感应电动机的功率图感
20、应电动机的功率图第50页，共67页，编辑于2022年，星期一转矩转矩转差率特性曲线转差率特性曲线返回第51页，共67页，编辑于2022年，星期一返回1.00.80.60.40.20300250200150100500转子电阻变化时的转子电阻变化时的Te-s曲线曲线11111111111111111111第52页，共67页，编辑于2022年，星期一返回感应电动机的转矩感应电动机的转矩-转速特性转速特性第53页，共67页，编辑于2022年，星期一返回242016128401210864201.000.950.900.850.800.750感应电动机的感应电动机的第54页，共67页，编辑于2022年
21、，星期一返回0.10.80.60.40.2010080604020024681012感应电动机的感应电动机的第55页，共67页，编辑于2022年，星期一例例51 有一台有一台50Hz的感应电动机，其额定转速的感应电动机，其额定转速nN 730rmin，试求该机的额定转差率，试求该机的额定转差率 第56页，共67页，编辑于2022年，星期一 解：解：s=(ns-nN)/ns=750-730/750=0.02667第57页，共67页，编辑于2022年，星期一例例5-2 有一台有一台50HZ、三相、四极的感应电动机转子的转差率、三相、四极的感应电动机转子的转差率s=5%，试求：，试求：（1）转子电流
22、的频率；）转子电流的频率；（2）转子磁动势相对于转子的转速；）转子磁动势相对于转子的转速；（3）转子磁动势在空间的转速。）转子磁动势在空间的转速。第58页，共67页，编辑于2022年，星期一解解 (1)转子电流的频率转子电流的频率 f2=sf1=0.0550=2.5Hz (2)转子磁动势相对于转子的转速转子磁动势相对于转子的转速 n2=60f2/p=(602.5)/2=75r/min (3)转子磁动势在空间的转速转子磁动势在空间的转速 n2+n=n2+ns(1-s)=1500r/min第59页，共67页，编辑于2022年，星期一例例53 已知一台三相四极的笼型感应电动机，额定功率 PNl0kW
23、，额定电压UN380V(三角形联结)，定子每相电阻R1=1.33,漏抗X12.43，转子电阻的归算值R2=1.12，漏抗归算值X2=4.4，激磁阻抗Rm712，Xm900，电动机的机械损耗 p=100W，额定负载时的杂散损耗 p=100W。试求额定负载时电动机的转速，电磁转矩，输出转矩，定子和转子相电流，定子功率因数和电动机的效率。第60页，共67页，编辑于2022年，星期一第61页，共67页，编辑于2022年，星期一定子功率因数为：定子功率因数为：（2 2）转子电流和激磁电流）转子电流和激磁电流第62页，共67页，编辑于2022年，星期一（3）定，转子损耗）定，转子损耗（4）输出功率和效率）
24、输出功率和效率第63页，共67页，编辑于2022年，星期一（5）额定负载时的转速）额定负载时的转速（6）电磁转矩和输出转矩）电磁转矩和输出转矩第64页，共67页，编辑于2022年，星期一例例54 一一台台四四极极、380V、三三角角形形联联结结的的感感应应电电动动机机，其其参参数数为为1=4.47，2=3.18，X1=6.7，X2=9.85，X=188,m忽忽略略不不计计。试试求求该该电电动动机机的的最最大大转转矩矩max及及临临界界转转差差，起起动动电电流流Ist及起动转矩及起动转矩st。第65页，共67页，编辑于2022年，星期一解：解：第66页，共67页，编辑于2022年，星期一起动时起动时s=1，起动电流和起动转矩分别为：，起动电流和起动转矩分别为：第67页，共67页，编辑于2022年，星期一