感應電機v4綜述

1、第五章第五章 感應電機感應電機感應電機在工農業(yè)生產和日常生活中應用廣泛轉速與電源頻率之間沒有嚴格的固定關系，而是隨負載的變化而變化，但轉速范圍變化不大。感應電機的定子和轉子之間沒有電的聯(lián)系，能量的傳遞是靠電磁感應實現(xiàn)的。感應電機主要作為電動機運行，具有以下優(yōu)點：結構簡單、制造方便、價格低廉、運行可靠、成本低、堅固耐用。但它從電網(wǎng)吸取滯后的無功功率，使電網(wǎng)功率因數(shù)變壞，且調速性能差從電磁關系上看，感應電機與變壓器十分相似。在定子鐵心內圓上，均勻的沖有許多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組。小型感應電動機通常采用半閉口槽半閉口槽和由高強度漆包線繞成的單層(散下式)繞組，線圈與鐵心之間墊有槽絕緣。半閉口

2、槽可以減小主磁路的磁阻，但嵌線不方便。中型感應電機通常采用半開口槽半開口槽，大型高壓感應電機都采用開口槽開口槽，以便于嵌線。為得到較好電磁性能，中大型感應電機都采用雙層短距繞組。定子繞組是電機的電路部分，三相定子繞組可接成星形接法或三角形接法。U1,V1,W1 為三相繞組的首端U2,V2,W2 為三相繞組的尾端氣隙氣隙在定、轉子之間有一氣隙，氣隙大小對感應機的性能有很大的影響。氣隙大磁阻大，要產生同樣大小的旋轉磁場就需較大的勵磁電流，由于激磁電流激磁電流基本上是無功電流無功電流，所以為了降低電機的空載電流，提高功率因數(shù)，氣隙應盡量減少。一般氣隙長度應為機械條件所容許達到的最小值。中小型電機氣隙

3、一般為0.2-2mm。2 2 感應電動機工作原理和運行狀態(tài)感應電動機工作原理和運行狀態(tài)2.1工作原理工作原理定子繞組三相對稱電流圓形旋轉磁場(ns)轉子繞組感應電動勢(右手定則)轉子繞組產生電流轉子電流與旋轉磁場作用產生力與轉矩(左手定則)%100ssnnns2.2 感應電機的運行狀態(tài)感應電機的運行狀態(tài)感應電機是利用電磁感應原理，通過定子的三相電流產生旋轉磁場，并與轉子繞組中的感應電流相互作用產生電磁轉矩，以進行能量轉換。正常情況下，感應電機的轉子轉速總是略低或略高于旋轉磁場的轉速(同步轉速ns)(如果轉速相同會出現(xiàn)什么情況？)，因此感應電機又稱為“異步電機異步電機”。旋轉磁場的轉速ns與轉子

4、轉速n之差稱為轉差n ，轉差n與同步轉速的比值稱為轉差率轉差率，用s表示按照轉差率的大小和正負，感應電機有電動機、發(fā)電機和電電動機、發(fā)電機和電磁制動磁制動三種工作狀態(tài)。圖中nS表示氣隙旋轉磁場。電動機狀態(tài)電動機狀態(tài)：轉子轉速低于旋轉磁場轉速(nsn0)，轉差率0sns)，轉差率s0。此時轉子導體內的感應電動勢及電流的有功分量用右手定則判斷。根據(jù)左手定則，可判斷電磁轉矩的方向與旋轉磁場和電機轉向相反，電磁轉矩為制制動性質動性質的轉矩。為使轉子轉速高于旋轉磁場轉速，原動機必須克服電磁轉矩，轉子輸入機械功率輸入機械功率，通過電磁感應定子定子輸出電功率，電機處于發(fā)電機狀態(tài)。電磁制動狀態(tài)：電磁制動狀態(tài)：

5、若由機械或其他外因使轉子逆著旋轉磁場方向旋轉(n1。根據(jù)右手定則可判斷轉子感應電動勢方向，根據(jù)左手定則可判斷電磁轉矩方向。電磁轉矩方向與轉向相反，為制動性質。此狀態(tài)時，一方面從外界輸入機械功率，同時從電網(wǎng)吸取電功率，兩者都變?yōu)殡姍C內部損耗。min/rpfns60033. 0150014501500sNsNnnns例例5-1 有一臺50Hz感應電動機，其額定轉速nN=1450 r/min，空載轉差率為0.003，試求該電機的額定轉差率。解：已知額定轉速為1450r/min，因其額定轉速略低于同步轉速，根據(jù)同步轉速的公式極對數(shù)p=2，同步轉速為1500r/min。額定轉差率為：2.3 額定值額定值

6、感應電動機的額定值有：1、額定功率PN ：指額定運行時輸出的機械功率機械功率。2、額定電壓U1N ：指額定運行狀態(tài)下，定子繞組應加的線電壓線電壓。3、額定電流I1N ：指額定運行狀態(tài)下，輸出額定功率時，定子繞組中的線電流線電流。4、額定功率因素cosN：電機在額定狀態(tài)下運行時，定子邊的功率因數(shù)。5、額定功率fN：工頻規(guī)定為50Hz。6、額定轉速nN ：指電機在額定運行時的轉速。除上述數(shù)據(jù)外，銘牌上還標有額定運行時的功率因數(shù)、效率、溫升、定額等。對繞線型還標出轉子電壓和轉子額定電流等數(shù)據(jù)。旋轉磁場是交流電機工作的基礎，磁場是由磁動勢產生的。在感應電機定子與轉子之間的氣隙中，總存在旋轉磁場，該磁場

7、既可以由定子磁動勢單獨產生，也可以由定、轉子磁動勢共同產生，其轉速為同步轉速。本節(jié)分析空載和負載時感應電機的磁動勢和磁場。 3 3 三相感應電動機的磁動勢和磁場三相感應電動機的磁動勢和磁場3.1 3.1 空載運行時的磁動勢和磁場空載運行時的磁動勢和磁場3.1.13.1.1空載磁動勢和空載電流空載磁動勢和空載電流三相感應電動機的定子接到正序對稱三相電壓 定子繞組流過三相電流定子繞組產生正向同步旋轉基波磁動勢在F F1 1的作用下，產生通過氣隙的主磁場Bm以同步速旋轉，切割轉子繞組，產生三相感應電動勢和電流氣隙磁場與轉子電流作用產生電磁轉矩，使轉子沿磁場方向轉起來CBAIII111、cbaEEE2

8、22、cbaIII222、，轉子轉速n非常接近于同步速ns，因此旋轉磁場切割轉子導體的相對速度接近于零，轉子電流很小，可近似認為可認為，空載時的氣隙磁密僅由定子電流產生。空載運行時，定子磁動勢F1基本上就是產生氣隙主磁場Bm的激磁磁動勢Fm，空載時定子電流 就近似等于激磁電流 ?？紤]鐵耗時，Bm在空間比Fm滯后鐵心損耗角 ?？蓞⒖聪聢D變壓器空載相量圖。Bm在空間比Fm的夾角就是Im與m的夾角。02I10ImIm1EmwkNf.jE11114443.1.2主磁通、定子漏磁通和感應電動勢氣隙中的主磁場Bm以同步速旋轉時，主磁通 將在定子繞組內感生電動勢 (三相對稱，取一相分析)主磁通是指通過氣隙并

9、同時與定轉子繞組相交鏈的磁通，它經(jīng)過的磁路(稱為主磁路)包括氣隙、定子齒、定子軛、轉子齒、氣隙、定子齒、定子軛、轉子齒、轉子軛轉子軛等五部分。除產生m 外，定子電流還產生僅與定子繞組交鏈，而與轉子無交鏈的定子漏磁通 ，這部分磁通不能進行能量轉換，但也會在定子中產生感應電動勢，這一感應電動勢頻率與基頻電動勢相同，都為f1。1端部漏磁端漏磁通漏磁通分類：槽漏磁、端部漏磁槽漏磁、端部漏磁和諧波漏磁和諧波漏磁。定子漏磁通 將在定子繞組中感應漏磁電動勢 。把 作為負漏抗壓降來處理，111XI jEI1：定子電流X1 ：定子漏電抗 11E1E參看P158，三相合成磁動勢中的諧波氣隙中的高次諧波磁場高次諧波

10、磁場(空間諧波)它們也通過氣隙，但是在轉子繞組轉子繞組中感應的電動勢和電流的頻率與主磁通產生的不不同同，不會產生有用的電磁轉矩。另一方面，它們將在定子繞組定子繞組中感應基波頻率基波頻率的電動勢，其效果與定子漏磁相似，當作漏磁處理。(v次諧波的極對數(shù)為vp，轉速為n1/v，所以頻率fv=vpn1/(60v)=f1)(1)作用不同，主磁通直接關系到能量轉換。(2)路徑不同，主磁路為非線性磁路，受磁飽和的影響大，漏磁磁路主要經(jīng)過空氣閉合，受飽和影響小。工程分析中，常把電機內的磁通分為主磁通和漏磁通兩部分來處理3.2 負載運行時的轉子磁動勢和磁動勢方程負載運行時的轉子磁動勢和磁動勢方程3.2.1轉子磁

11、動勢：電動機帶上負載時，電機轉速從空載n0下降到n，轉子電流將增大。若定子旋轉磁場正向旋轉(從A相-B相-C相)，則轉子感應電動勢和電流的相序也是正相序，那么轉子繞組將產生正向旋轉的轉子磁動勢F2。126060sfnnnpnnnpfssss轉子電流產生的旋轉磁動勢F2F2相對于轉子的轉速為n2(參照物為轉子)nsnpsfpfns1226060轉子轉速為n 定子旋轉磁場轉速為ns定子旋轉磁場切割轉子的速度為n=ns-n=sns轉子感應電動勢和電流的頻率f2以定子為參照物磁動勢F F2 2的轉速snnn無論轉子的實際轉速是多少，轉子磁動勢F2在空間的轉速總是等于同步轉速，并與定子磁動勢F1保持相對

12、靜止。定轉子磁動勢保持相對靜止是產生恒定電磁轉矩的必要條件。例有一臺50Hz三相四極感應電動機，其轉子轉差率s=5%，求(1)轉子電流的頻率；(2)轉子磁動勢相對于轉子的轉速；(3)轉子磁動勢在空間的轉速。解：轉子電流頻率：轉子磁動勢相對于轉子的速度：轉子轉速為轉子磁動勢在空間轉速為同步速：例一臺三相6極50Hz的異步電動機，其轉差率s=0.05，轉子轉速_r/min，轉子磁動勢相對于轉子轉速_r/min，轉子磁動勢相對于定子轉速_r/min，定子磁動勢相對于轉子轉速_r/min，定子磁動勢相對于轉子磁動勢的轉速_r/min。 Hz.Hz.sff525005012min/rmin/r.pfn7

13、5252606022min/r.snns1425050115001min/rn1ImILI1LmIII11 LI121FFLLI13.2.2轉子反應轉子反應負載時轉子磁動勢的基波對氣隙磁場的影響，稱為轉子反應。(1)使氣隙磁場的大小和空間相位發(fā)生變化，從而引起定子感應電動勢 和定子電流 發(fā)生變化。與兩繞組變壓器相似，定子電流除激磁分量 外，還將出現(xiàn)一個補償轉子磁動勢的“負載分量” ，即 產生的磁動勢F1L與轉子磁動勢F2大小相等、方向相反，以保持氣隙內主磁通基本不變，即由于負載分量 的出現(xiàn)，感應電動機將從電源吸取一定的電功率。(2)轉子反應的另一個作用是，轉子磁動勢與

14、氣隙主磁場相互作用，產生所需要的電磁轉矩，以帶動軸上的機械負載。這兩個作用合在一起，體現(xiàn)了通過電磁感應作用，實線機電能量的轉換。氣隙磁場以同步速ns旋轉，轉子轉速為n，磁場切割轉子繞組的速度為n。如果不計轉子漏抗，轉子為純電阻電路，當a相感應電動勢最大時該相電流亦為最大。以繞線型感應電動機為例研究定轉子磁動勢的相位關系在圖示時刻，a相感應電動勢達到最大值。三相對稱繞組中，a相電流達到最大值，那么三相基波磁動勢的軸線將恰好與a相繞組軸線相繞組軸線重合。轉子繞組從a-z-b-x-c-y-a，正好是一對極，電角度是360，從下圖可很容易判斷，兩者夾角是90。那么氣隙磁場Bm與轉子基波磁動勢F2之間夾

15、角是多少？實際上轉子總有漏抗，此時轉子電流滯后于感應電動勢一個阻抗角2，所以a相電流將在該相電動勢達到最大值以后再經(jīng)過相當于2電角度時間才能達到最大值。因此，氣隙磁場和轉子磁動勢之間的空間夾角=90+2 。分析籠型感應電動機的轉子磁動勢和磁場氣隙磁場為正弦形，某一瞬間，導條所在位置不同，感應電動勢的大小也不同，但是所有導條電動勢的分布也是正弦形。不計轉子漏抗，轉子電流波形與電動勢相同。轉子磁動勢幅值與氣隙磁場幅值夾角為90電角度。考慮轉子漏抗，電流滯后于電動勢2電角度，則轉子磁動勢幅值與氣隙磁場幅值夾角為90+ 23.2.3負載運行時的電磁關系負載運行時，感應電動勢、電流、磁動勢和磁通的關系m

16、wkNf.jE1111444通過磁路計算，可得電機的磁化曲線，即主磁通 與激磁電流 之間的關系 ，由于額定相電壓通常在磁化曲線的膝點附近，所以膝點以下的磁化曲線，通常可以用一條通過原點O和額定相電壓點A的直線去代替，于是主磁通 與激磁電流 成正比。 mIm)(f)E(1mmI或mmIANUmmI)XR(I- ZI-mmmmm1jE3.3勵磁阻抗及漏抗3.3勵磁阻抗及漏抗與變壓器分析類似，引入勵磁阻抗表征主磁通對電路的電磁效應，定子感應電動勢和勵磁電流的關系為)(1mmmmmjXRIZIEmZmRmX為激磁阻抗，為激磁電阻，表征鐵損的等效電阻，為激磁電抗。 1Em.mwkNfjE.111144.

17、 4在相位上滯后于90，所以用相量表示為mZmE1mZ的大小將隨鐵心飽和程度的不同而變化，在已制成的電機中，如頻率恒定，則當外加電壓恒定時，可視為常值。 mmNfX211mX，所以氣隙越小，越大，在同一外加電壓下，所需激磁電流就越小。 采用漏電抗表征漏磁通對電路的電磁效應。 121EsE2定、轉子漏磁通分別在定、轉子繞組中感應出漏電動勢可分別引入定、轉子漏電抗來表征 sssXI jEXI jE222111因漏磁通絕大部分經(jīng)空氣隙閉合，漏磁路的磁阻可認為是常數(shù)，因此漏電抗可認為基本不變。 雖然感應電機的電抗參數(shù)和變壓器有相似的性質和意義，但兩者在結構上相差很大。感應電機定、轉子之間存在氣隙，使電

18、抗參數(shù)在數(shù)值范圍上有較大差別。感應電機的激磁阻抗比變壓器小得多，而漏電抗通常比變壓器的大。 4三相感應電動機的基本方程、相量圖和等效電路三相感應電動機的基本方程、相量圖和等效電路4.14.1磁動勢方程磁動勢方程負載運行時，氣隙磁動勢為定子磁動勢和轉子磁動勢的合成定子磁動勢可分為兩部分，一部分是用來產生主磁通的勵磁磁動勢F Fm m 另一部分用來抵消轉子磁動勢的負載分量 F F2 2 mwmwwIpkNmFIpkNmFIpkNmF111222221111129 . 029 . 029 . 0miIkII21mIII21222111wwikNmkNmk 為定、轉子繞組的電流變比 221112222

19、1IkIkNmkNmIiww為歸算到定子邊的轉子電流 LmIII11LII12因為定子電流由激磁分量和負載分量組成，即所以 感應電動機的磁動勢矢量圖和電流相量圖 4.2 電壓方程感應電動機負載運行時，主磁通 分別在定轉子繞組產生感應電動勢m.mwmwskNfjEkNfjE1111222244. 444. 4定轉子漏磁通分別交鏈各自繞組，并產生漏電動勢111112222244. 444. 4wwskNfjEkNfjE11RI22RI定、轉子繞組電阻分別產生電阻壓降和 采用變壓器中各物理量正方向的規(guī)定，根據(jù)基爾霍夫第二定律可分別列寫出定、轉子電路的電壓方程式 222211111RIEERIEEUs

20、sssssXI jEXI jE222111和代入為便于區(qū)分，將轉子電路中與頻率有關的物理量都注有下標s，用以表示轉子轉動時的參數(shù)，它們與轉差率的關系為 sssssZIjXRIEZIEjXRIEU22222211111111因感應電動機的旋轉磁場以同步速ns切割定子繞組，以 (ns-n)的速度切割轉子繞組，所以定、轉子繞組中感應電動勢的頻率不同，定子繞組感應電動勢的頻率為 f1=pns/60，轉子繞組感應電動勢的頻率為 f2=p(ns-n)/60=sf1。22221222222212222221222244. 444. 42244. 444. 4sEksNfkNfEsXsLfLfXsEksNfk

21、NfEwwssmwmwsmwkNfE221244. 4為轉子靜止時的轉子感應電動勢 定轉子電路的電壓平衡方程222221111jsXRIEsEZIEUss4.3等效電路與相量圖定、轉子電路之間只有磁的耦合，沒有電的聯(lián)系，定轉子繞組的頻率、相數(shù)、匝數(shù)和繞組因數(shù)不同，要尋求感應電動機定、轉子電路之間有電的聯(lián)系的等效電路，需要進行相應的頻率和繞組歸算，即把一個電路歸算到另一個電路中去。通常將轉子側物理量歸算到定子側。 感應電動機定、轉子耦合電路示意圖轉子電壓方程氣隙主磁場除在定子繞組感生電動勢 外，還將在轉子繞組內感生轉差頻率f2=sf1的電動勢 ，其有效值為當轉子不轉時(s=1)，轉子每相感應電動

22、勢為E2數(shù)值上 E2s=sE2即轉子的感應電動勢與轉差率s成正比，s越大，主磁場切割轉子繞組的相對速度就越大，E2s越大。轉子每相繞組有電阻和漏抗，由于轉子頻率f2=sf1，轉子漏抗為 為轉子頻率等于f1(轉子不轉)時的漏抗。 1EsE2mwskNsf.E2212444mwkNf.E221244422122222sXLsfLfXs2X感應電機的轉子繞組通常為短接，即端電壓U2=0，轉子一相電壓方程為其中， 為轉子電流；R2為轉子每相電阻。定轉子的磁通和感應電動勢可歸納如下：222222jsXReIeEtjwstjws2222jsXRIEsssI2感應電動機定轉子耦合電路，其中定子頻率為f1，轉

23、子頻率為f2，定子電路和旋轉的轉子電路通過氣隙旋轉磁場相耦合。 試分析感應電機和變壓器 的耦合電路圖的不同點。 (1)感應電機定轉子頻率不同。 (原因是轉子旋轉) (2)感應電機的轉子側短路。4.3.1 頻率歸算頻率歸算是指在保持電磁系統(tǒng)的電磁性能不變的前提下，把一種頻率的物理頻率歸算是指在保持電磁系統(tǒng)的電磁性能不變的前提下，把一種頻率的物理量換算成另一種頻率的物理量。量換算成另一種頻率的物理量。 對感應電機進行頻率的歸算是將轉子電路的頻率歸算成定子電路的頻率。要使轉子電路的頻率等于定子電路的頻率，應該用一個靜止的轉子代替實際轉動的轉子。22222222222/IjXsREjsXREsjXRE

24、Isss等效電路等效電路定、轉子頻率不同頻率不同，相數(shù)和有效匝數(shù)也不同相數(shù)和有效匝數(shù)也不同，因此定轉子電路無法聯(lián)在一起。為得到定轉子統(tǒng)一的等效電路，必須把轉子頻率變化為定子頻率，轉子相數(shù)、有效匝數(shù)變換為定子相數(shù)和有效匝數(shù)，即進行頻率頻率歸算和繞組歸算歸算和繞組歸算。(變壓器等效電路時只進行了繞組歸算)頻率歸算頻率歸算定子頻率為f1，轉子頻率為f2，只需把轉子頻率變?yōu)槎ㄗ宇l率即可。只需把轉子電壓方程兩邊同乘以相量 ，其中為轉子旋轉引起的定轉子電壓和電流的差頻相量。 222222jsXReIeEtjwstjwstjwtjwtjweEjXReIeU11111111twwjes211twwje2122

25、2211XJsReIeEtjwtjw2222XJsRIE對比兩式：從大小上，sE2=E2s，從相量上看， 的頻率為f1， 的頻率為f2;從大小上， I2 =I2s，從相量上看， 的頻率為f1， 的頻率為f2。通過這種變換，頻率從f2變?yōu)閒1，這一步就稱為頻率歸算頻率歸算。其物理含義物理含義可表示為：用一個靜止的、電阻為R2/s的等效轉子取代替電阻為R2的實際旋轉的轉子，等效轉子與實際轉子具有相同的轉子磁動勢F2(同空間轉速、同幅值、同空間相位同空間轉速、同幅值、同空間相位)。(與變壓器相同了)同空間轉速：實際轉子產生磁動勢在空間以同步速旋轉；頻率歸算后，轉子變靜止轉子電流的頻率變?yōu)閒1，因此磁

26、動勢的轉速也為同步轉速。同幅值：頻率歸算前后轉子電流的幅值沒有變化，因此轉子磁動勢幅值也不變2222XJsRIE2222jsXRIEss2EsE22IsI2同空間相位：空間相位取決于轉子阻抗角2，歸算之后改變了轉子阻抗的大小，但是電阻和電抗大小之比沒有變化，所以轉子阻抗角不變。因此，頻率歸算前后，轉子反應是相同的；由于轉子反應相同，所以定子所有物理量以及定子傳送到轉子的功率定子傳送到轉子的功率亦將保持不變。頻率歸算后，轉子電阻變?yōu)镽2/s，可將其分為兩部分第一項R2就是轉子本身電阻，第二項 將代表與轉子所產生的機械功率對應的等效電阻，消耗在此電阻上的功率將代表實際電機中所產生的總機械功率。電阻

27、 與轉差率s有關，在電動機狀態(tài)下，s增大時， 減小，意味著轉子電流增大。 2221RssRsR21Rss22221RssIm21Rss21Rss頻率歸算后的定轉子電路圖，歸算后兩側頻率均為f1。繞組歸算繞組歸算為把定子和轉子的相數(shù)、有效匝數(shù)變?yōu)橄嗤?，需要進行“繞組歸算”。所謂繞組歸算，就是用一個與定子繞組的相數(shù)、有效匝數(shù)完全相同的等效轉子繞組，取代替相數(shù)為m2、有效匝數(shù)為N2kw2的實際轉子繞組。繞組歸算時，同樣應當保持轉子繞組具有同樣的磁動勢(同幅值、同相位)。繞組歸算值用加“”表示。設歸算后的電流為 ，為使歸算前后轉子磁動勢的幅值和相位不變于是ki為電流比。歸算后，轉子有效匝數(shù)已經(jīng)換成定子

28、有效匝數(shù)，所以轉子電動勢電壓變比：2I22222111290290IpKNm.IpKNm.ww2211122221IkIKNmKNmIiww222111wwiKNmKNmk 12EE 221122wwKNKNEE2222112EkEKNKNEeww2211wweKNKNK 轉子電壓方程變?yōu)椋?為轉子電阻和漏抗的歸算值。22222222222XjsRIjXsRkIkkjXsRIkEkEiieee22XR 、2222112122RKNKNmmRkkRwwei2222112122XKNKNmmXkkXwwei歸算前后轉子總視在功率保持不變歸算前后轉子銅耗和漏磁場儲能亦保持不變繞組歸算時，轉子電動勢和

29、電壓乘以ke，轉子電流應除以ki，轉子電阻和漏抗應乘以keki；歸算前后轉子的總視在功率、有功功率、轉子的銅耗和漏磁場儲能均保持不變。*IEmIEm22122222222221RImRIm222222212121XImXIm頻率和繞組歸算后的定轉子耦合電路圖把主磁路的作用用激磁阻抗Zm表示，考慮到激磁電流即可得到T形等效電路。21IIImT形等效電路和相量圖形等效電路和相量圖經(jīng)過歸算，感應電動機定轉子電路的頻率都變成f1，定轉子相數(shù)和有效匝數(shù)都變?yōu)閙1和N1kw1，因此有 ，定轉子電壓方程和磁動勢方程為21EEmmmIIIZIEEXjsRIEEjXRIU2121222211111左邊的回路(定

30、子回路)對應于第一個電壓方程；右邊的回路(轉子回路)對應于第二個電壓方程；中間的激磁支路對應于第三和第四式。感應電動機空載時，轉子轉速接近于同步速，s0，轉子相當于開路，此時轉子電流接近于零，定子電流基本上是激磁電流。電動機加上負載時，轉差率增大， 減小，使轉子和定子電流增大，負載時，由于定子電流和漏阻抗壓降增加，E1和相應的主磁通比空載時略小。s/R2s/R2起動時，s=1， ，轉子和定子電流都很大，由于定子的漏阻抗壓降較大，此時E1和主磁通將顯著減小，約為空載時的50%60%。根據(jù)電壓方程和磁動勢方程，可得到感應電動機相量圖。上部分對應于定子側電壓方程；下部分對應于轉子側電壓方程；幾個夾角

31、：定子電壓和定子電流；轉子電動勢和轉子電流；激磁電流Im和磁通m，F(xiàn)e。22Rs/R感應電動機的定子電流 總是滯后于電源電壓 ，這是因為產生氣隙中的主磁場和定轉子的漏磁場都要從電源輸入一定的感性無功功率；激磁電流越大、定轉子漏抗越大，則電機的功率因數(shù)越低。由等效電路算出的所有定子側的量均為電機中的實際量，而轉子電轉子電動勢、電流則是歸算值而不是實際值動勢、電流則是歸算值而不是實際值。由于歸算是在有功功率不變的條件下進行的，所以用歸算值算出的轉子有功功率、損耗和轉矩轉子有功功率、損耗和轉矩均與實際值相同均與實際值相同。等效電路是分析和計算感應電動機性能的主要工具。給定參數(shù)和電源電壓的情況下，若已

32、知轉差率，可計算得到1I1U22111ZZZZZUImm2112212112121ZZCZUZZZIIZCZUZZZIImmmmm式中， 為定子漏阻抗， ； 為轉子的等效阻抗 是一個系數(shù)，近似等效電路近似等效電路 正常工作時， ，近似取 激磁電流簡化為電流 則分別為1Z111jXRZ2Z222XjsRZc mmXXZZc11112111ZZcZUImm21ZZ021Z/Z mmmZZUZcUI11112II、2112ZcZUI21IIIm 近似等效電路主要用來計算感應電動機的起動性能,以及對某些問題進行定性分析時使用。R1R2CX1&X2&cI1ImCZm-I2U1CS1-SR

33、24 4感應電動機的功率方程和轉矩方程感應電動機的功率方程和轉矩方程功率方程，電磁功率和轉換功率從T形等效電路可見，感應電動機從電源輸入的電功率為P1，其中一小部分將消耗于定子繞組電阻變?yōu)殂~耗Pcu1，一小部分將消耗于定子鐵心變?yōu)殍F耗pFe；余下的大部分功率將借助于氣隙旋轉磁場的作用，從定子通過氣隙傳送到轉子，這部分功率稱為電磁功率，用Pe表示。其中 為定子的功率因數(shù)。P1PePP2Cu1FeCu2P+PPPPeFeCuPppP1111111cosIUmP 12111RImpCummFeRImp211cos從等效電路，電磁功率Pe為其中 為轉子的內功率因數(shù)，sRImIEmPe22212221c

34、os2cossRXtgsRXtg/22122122轉子鐵耗：由于轉子轉速不等于同步速，因此轉子中也存在鐵耗，但是正常運行時，轉差率很小，轉子中磁通的變化率很低，通常只有13Hz，根據(jù)鐵耗計算公式可知，轉子鐵耗很低，一般略去不計。因此從傳送到轉子的電磁功率Pe中扣除轉子銅耗pCu2后，就得到了轉換為機械能的總機械功率(轉換功率)P傳送到轉子的電磁功率Pe中，s部分變?yōu)檗D子銅耗，(1-s)部分轉換為機械功率。由于轉子銅耗等于sPe，所以又被稱為轉差功率。從機械功率P中扣除轉子的機械損耗p和雜散損耗p，可得軸上輸出的機械功率P2eCusPRImp22212eCuePsRssImpPP1122212p

35、pPP24.24.2轉矩方程和電磁轉矩轉矩方程和電磁轉矩把轉子輸出功率方程除以機械角速度，可得轉子轉矩方程Te為電磁轉矩；T0為機械損耗和雜散損耗對應的阻力轉矩，若忽略雜散損耗，它就是空載轉矩；T2為電動機的輸出轉矩。為機械角速度，或稱為機械角頻率，轉子總機械功率P=(1-s)Pe，轉子機械角速度=(1-s)s，所以 s為同步角速度，22020PTppTPTTTTee602 nseePPT602ssnpfns60電磁轉矩既可用機械功率、亦可電磁轉矩既可用機械功率、亦可用電磁功率算出用電磁功率算出。用機械功率求電磁轉矩時，應除以轉子的機械角速度；用電磁功率去求電磁轉矩時，應除以旋轉磁場的同步角速

36、度s，因為電磁功率是通過氣隙旋轉磁場傳送到轉子的?？紤]到： 電磁轉矩與氣隙主磁通量m和轉子電流 有功分量成正比。2221cosIEmPemwkNfE1112221112222INkmNkmIwwp/fs12222222221cosICcosIkNpmTmTmwe22221wTkNpmC seePT例5-3有一臺三相四級的籠型感應電動機，額定功率PN=10KW，額定電壓U1N=380V(三角形連接)，定子每相電阻R1=1.33,漏抗X1=2.43 ,轉子電阻的歸算值R2=1.12 ,漏抗歸算值X2=4.4 ,激磁阻抗Rm=7 ，Xm=90 。電動機的機械損耗p =100W，額定負載時的雜散損耗p

37、 =100W。分析：本題要求額定狀態(tài)下的各量，但是只是已知額定功率，額定轉速(額定轉差率)未知。求解時，采用試探法，假定一個額定轉差率；根據(jù)該轉差率和等效電路，就可以求得定子電流和轉子電動勢和電流；根據(jù)公式，可分別求出輸入功率和各種損耗；最終可求得輸出功率(額定功率)，與已知的額定功率對比，如果兩者相符說明假定的轉差率正確，反之重復上述步驟，直到找到正確的轉差率。本題需大家掌握，額定轉差率已知時，的求解。解：(1)定子電流和定子功率設額定負載時的轉差率Sn= 0.032(初探值），則轉子的等效阻抗為：16728354435440320121222.).j().j.(Xjs/RZ55852790

38、907.jjXRZmmm）（1X2X2R1R21RSSmRmX1U21EE1I2IImT型等效電路注意定子為三角形聯(lián)結，線電壓等于相電壓U1N=U1N=380V(有效值)計算得到的I1為相電流，線電流為其 倍。根據(jù)定子電壓和電流的相位關系可得到定子功率因數(shù)和輸入功率。907443555852790167283522j.j.ZZZZmm)85.1353.27(7 .2682.30j43.2947.1185.1353.2743. 233. 1038022111jjZZZZZUImm3871043291.coscosWW.cosIU1138987104711380331111A.A.ZZZIIA.A

39、.ZZZIImmmm9173321032835471102103210327904711221212W.W.RIpW.W.RIpW.W.RIpcummFecu3337121021033232279173339524331471133222222221211ppppppcuFecu21WW4 .1384)1001003 .3372 .3229 .524(可見在所設轉差率下，輸出功率P210kW，即電動機在額定負載下運行，符合題目要求。(2)額定負載時的轉速(3)電磁轉矩和輸出轉矩額定角速度同步角速度%84.87113894 4 .138411389112PpWWpPP（

40、min/rmin/r ).()s(nnNSN14520320115001s/rad.s/radnss11576015002602s/rad.s/radn11526014522602輸出轉矩：電磁轉矩的求解可采用兩種方法：總機械功率除以額定角速度電磁功率除以同步角速度mNmNPT79.6560145221000422WW).(.RssIP10204350320102103132222NmPTe1 .671 .15210204mNmNPTsee1 .671 .15710542WWsRIPe10542032. 012. 102.1033222 25 5籠型轉子的極數(shù)、相數(shù)和參數(shù)歸算籠型轉子的極數(shù)、相

41、數(shù)和參數(shù)歸算在第三節(jié)中已經(jīng)說明了繞線型異步電動機轉子的頻率，繞組歸算，并導出了等效電路，上述結果對籠型轉子與繞線型轉子同樣適用。但由于籠型轉子與繞線型轉子結構不同所以其極數(shù)、相數(shù)和參數(shù)的歸算具有自己的特點，下面對其進行研究。5.1籠型轉子的極數(shù)和相數(shù)任何電機的定子和轉子應有相同的極數(shù)，鼠籠轉子繞組本身沒有固定的極數(shù)，它的極數(shù)取決于氣隙磁場的極數(shù)。下圖為一籠型轉子處于兩極氣隙磁場的情況下轉子導條中感應電勢、電流及磁場的分布。籠型轉子的相數(shù)取決于一對極下有多少根不同相位的導條。如果轉子導條數(shù)為Q2(即轉子槽數(shù))，相鄰導條的電動勢相量之間互差2，2=p360/Q2。若Q2/p為整數(shù)，則一對極下導條電

42、動勢相量將組成一個均勻分布的電動勢星形?；\型繞組是一個對稱多相繞組，其中每對極下的每一根導條就構成一相。所以轉子相數(shù) m2=Q2/p各對極下占有相同位置的導體，屬并聯(lián)導體，即每相有p根并聯(lián)導體。一根導體屬于半匝，所以每相串聯(lián)匝數(shù)N2=1/2。由于每相只有一根導體，不存在短距和分布的問題，因此籠型繞組的節(jié)距因數(shù)和分布因數(shù)都等于1。1212222wk/Np/Qm6 6 三相感應電動機參數(shù)的測定三相感應電動機參數(shù)的測定 這兩種參數(shù)可由空載試驗和短路這兩種參數(shù)可由空載試驗和短路( (堵轉堵轉) )試驗測取試驗測取. .6.1空載實驗及激磁參數(shù)的測定 和變壓器一樣,異步電動機也有兩種參數(shù)：222111,

43、XRZXRZ一為短路參數(shù)：一為激磁參數(shù)：Zm ,Rm ,Xm ；mmXR ,ppFe,測取 ,分離實驗目的:試驗條件：NNffUU111,軸上不帶負載運行.1、空載實驗試驗過程：10101,IPU然后調節(jié)電壓從(1.1-1.2)U1N降到0.3U1N左右,作7-9組,記錄110ufP繪制空載特性曲線 I10、先將電機空載運行一段時間(30分鐘)使其機械消耗達到穩(wěn)定值ppRImPFe1210110ppRImPFe1210110 空載時I2=0 輸入功率用來補償p,p,pFeCu1 21ufppFe鐵耗基本上與端電壓平方成正比，機械損耗僅與轉速有關，而與電壓無關，因此把鐵耗和機械損耗之和與端電壓平

44、方畫成曲線該線近似為一直線。把該線延長到U1=0處，該處的縱坐標即為機械損耗。鐵耗與機械耗的分離空載時0s21Rss激磁參數(shù)的確定轉子呈開路狀態(tài)回路總阻抗Z0可表示為：mmXXjRRjXRZIUZ110001010X1由短路試驗測得1X2X2R1R21RSSmRmX1U21EE1I2IImT型等效電路根據(jù)得到的鐵耗和電流，可得到激磁電阻2101ImpRFem電阻R1可實測得到，因此R1+Rm已知212010mmRRZXXX短路短路( (堵轉堵轉) )試驗及短路參數(shù)的測定試驗及短路參數(shù)的測定 實驗目的:測取漏阻抗21,XX試驗條件：在n=0,s=1的情況下進行，將轉子堵轉，加電壓試驗過程： 將電

45、機堵住，不至于在加電壓時電機轉起來 從0.4U1N開始，逐點降低，記錄U1，I1K，P1K(小型電機如條件具備可以0.9U1N做起) 繪制短路特性曲線I1K,P1K=f(U1)1X2X2R1R21RSSmRmX1U21EE1I2IImT型等效電路1R1X2X2RmRmX1R1X2X2RmRmXI1kP1k由堵轉時等效電路可知，由于激磁參數(shù)Zm比 大得多，所以堵轉時的定子電流主要由定轉子的漏阻抗所限制。因此即使在0.4U1N下進行堵轉試驗，電流仍然很大，可達額定電流的2.53.5倍。為避免定子繞組過熱，試驗應盡快進行。2ZkkIUZ112111kkkImPR 22kkkRZX根據(jù)試驗結果可計算得

46、到：若不計鐵耗(Rm=0) 則 2222222211222211XXRXXjRXjRjXjXRXXjR)XjR(jXjXRZmmmmmK2222222212222221XXRXXXRXXXXXRXRRRmmmkmmk左式中Rk、Xk已知，R1已知，Xm+X1已知21XX210XXXXXmm10XXXm對于通常的籠型和繞線型電機，可設 于是將 帶入，得到20220122101202221021XRXXRXXXXXRXXRRRkk由上組方程第二式兩端同乘2022XR022210122100222XRXXXRXXXRXk30302102012202XXXXXXRX2101200202202XXXXX

47、XRX210020220XXXXRX20121210221120220XXRXXXRXXXRX由上式得： 002022210XXXXRXXk將上式帶入上組方程第一式得：202221021XRXXRRRk前式kkXXXRRR0012根據(jù)得到Rk和Xk已知，X0也由空載試驗得到，因此可計算得到2R21XX002022210XXXXRXXk202200021XRXXXXXXk對于大型感應電動機，由于Xm很大，即 ，可將激磁支路忽略 2ZXm221122121kKkkXXXRRRXXXRRR注意：在正常工作范圍內 基本為一常數(shù)，但當電流較額定值高出很多時(如起動時)。則漏磁磁路的鐵磁部分將達到飽和，使

48、漏磁阻變大，漏抗變小，所以在進行堵轉實驗時： 測 處數(shù)據(jù)(不飽和漏抗) ，用該數(shù)據(jù)計算工作特性； 測 處數(shù)據(jù)(飽和漏抗) ，用該數(shù)據(jù)計算起動特性 ； 測 處數(shù)據(jù)，用該數(shù)據(jù)計算最大轉矩特性。21, XXNKII11NKUU11NKII1132 7 感應電動機的轉矩感應電動機的轉矩-轉差率曲線轉差率曲線感應電動機的輸出主要表現(xiàn)在轉矩和轉速上，即電機發(fā)出多大的轉矩以什么轉速帶動負載，在電源電壓額定的情況電磁轉矩與轉差率之間的關系 ，就稱為轉矩轉差率曲線，或 曲線。該曲線是電機的最主要特性。 sfTesTe7.1轉矩轉矩轉差率特性轉差率特性 sRImPTssee2221由右邊近似等效電路圖得：2212

49、21221122122112XcXsRcRs/RUmTXcXsRcRUIseR1R2CX1&X2&cI1ImCZm-I2U1CS1-SR2當電源電壓恒定且參數(shù)已知，給出不同的s，即可計算出一組Te數(shù)據(jù)，從而繪制出Te -s曲線 如果不計激磁支路，定子電流I1與轉子電流的折算值相同 記住電流、轉矩與何量有關221221221122122112XcXsRcRs/RUmTXcXsRcRUIse最大轉矩和起動轉矩最大轉矩和起動轉矩由Te -s方程可見，為二次方程，該曲線有一最大值，令 ，即可求出產生最大轉矩的臨界轉差率 sm為臨界轉差率0dsdTe221212XcXRRcsm將sm帶入

50、Te -s方程得： 2212112112XcXRRcUmTsmax注：式中正號對應電動機狀態(tài)，負號對應發(fā)電機狀態(tài) 212112122XXUmTXXRsSmaxm當 由上組方程得出以下結論：由上組方程得出以下結論：1USm與21maxUT 當參數(shù)及電源頻率不變時， 而 無關 當參數(shù)及電源頻率不變時maxT21XX與反比，則且1211c,XXR2Rsm2R 最大轉矩的大小與轉子電阻的數(shù)值無關；臨界轉差率sm與轉子電阻 成正比，即轉子電阻變化對轉矩-轉速特性曲線的影響。轉子電阻 增大時，sm增大，但Tmax保持不變，此時Te-s曲線的最大值將向左移。電動機的最大轉矩與額定轉矩之比稱為過載能力，用kT

51、表示，kT=Tmax/TN。如果負載轉矩大于電動機的最大轉矩，電動機就會停轉。為保證電動機不因短時過載而停轉，通常kT=1.62.5。2R起動轉矩起動轉矩將s=1(n=0) 代入Te -s方程，得異步起動轉矩 若增大轉子電阻 ，sm就增大，起動轉矩Tst將隨之增大，直到達到最大轉矩位置。對繞線式轉子異步機，在轉子電路中串附加電阻來實現(xiàn)這一點。2212212211XcXRcRRUmTsst2R221212XcXRRcsm機械特性（轉速機械特性（轉速- -轉矩特性）轉矩特性） 把轉矩-轉差率曲線Te=f(s)的橫縱坐標對調，并利用n=ns(1-s)把轉差率轉換為對應的轉速n，就可以得到機械特性n=

52、f(Te)。把電動機的機械特性n=f(Te)和負載的機械特性n=f(T2+T0)畫在一起，在交點處，電動機的電磁轉矩與負載轉矩相平衡，該點即為電動機組的運行點。例5-5一臺四級，380V，三角形連接的感應電動機，其參數(shù)為R1=4.47, R2=3.18, X1=6.7, X2=9.85, Xm=188, Rm忽略不計，試求該電動機的最大轉矩Tmax和臨界轉差率sm，起動電流Ist和起動轉矩Tst1884. 0)85. 9036. 17 . 6(47. 418. 3036. 1)(036. 11887 . 6112222121211XcXRRcsXXccmm臨界轉差率為：為解：系數(shù)N.mN).(

53、.)XcX(RRcUmTsmax61608590361764744740361238060150023222211211211可以得到最大轉矩為：AAXcXRcRUIsst43.20)85. 9036. 17 . 6()18. 3036. 147. 4(380)()(1222112211)(相，得到起動電流為：起動時2222112212211)85. 9036. 17 . 6()18. 3036. 147. 4(18. 338060150023)()(XcXRcRRUmTsst8 感應電動機的工作特性感應電動機的工作特性 標志感應電機工作性能的主要指標：力能指標：額定效率N；額定功率因數(shù)cos

54、 N過載能力：最大轉矩倍數(shù)Tmax/TN其他指標：起動轉矩倍數(shù)等8.1 工作特性的分析當工作特性包括轉速特性、定子電流、功率因數(shù)、電磁轉矩和效率特性。NUU11Nff 時 n 、I1、cos1、Te、=f(P2)轉速特性轉速特性)(,211PfnffUUNNn=ns(1-s)222122212cos I Em RImppsecu空載時P2=0，轉差率s0，轉子的轉速非常接近于同步轉速ns。隨著負載的增大，為使電磁轉矩足以克服負載轉矩，轉子電流將增大，轉差率s也將增大。當P2=PN時，s=(2-5)%，相應地n=ns(1-s)=(0.98-0.95)ns定子電流特性定子電流特性U1=U1N ，

55、f=fN , I1=f（P2）)(21IIIm P2 I2 I1定子電流I1幾乎隨P2按正比例增加當P2=0 ，I2=0，I1=ImmII1時02 I 功率因數(shù)特性功率因數(shù)特性 U1=U1N f=fN , cos1=f(P2)異步電機等值電路求得的總阻抗是電感性的，所以它對電源來說相當于一個感性阻抗。因而其功率因數(shù)總是滯后的，它必須從電網(wǎng)吸取感性無功功率。P2=0時I1=Im主要用于無功激磁1cos很低，約為0.10.2P2上升時，轉子電流有功分量增加定子電流有功分量隨之增加1cos上升1cos在額定功率附近達到最大值 最大值肯定小于1負載再增大時轉差率s增大2221Rsxtg轉子電動勢與電流

56、的相位角增大轉子功率因數(shù)降低較快1cos又重新下降轉矩特性轉矩特性U1=U1N f=fN Te=f（P2）0202TPTTTe從負載至滿載范圍內轉速幾乎不變，且T0認為基本不變。所以可近似認為是一條斜率為 的直線1P2/kW1cos負載繼續(xù)加大時，可變損耗增加很快，反而下降。最大效率一般發(fā)生在（0.7-1.1）PN這一范圍內異步機的效率一般約為74%-94%之間ppppPPPPPPFecucup12122112 效率特性效率特性)(2PfU1=U1N f=fN從空載到滿載運行，由于主磁通和轉速變化很小，鐵耗和機械損耗基本不變(不變損耗)。P2=0,=0當P2開始增加時，可變損耗增加較慢，上升很

57、快pppppCUCUFe21當 時最大而pcu1，pcu2，p隨負載變化而變化，稱為可變損耗。P2/kW1cos由于感應電機的效率和功率因數(shù)在額定負載附近達最大值，因此選用電動機時，應使電動機的容量和負載相匹配，以使電動機經(jīng)濟、合理和安全地運行。8.2工作特性的求取工作特性的求取 PPFe,先由空載實驗測出用電橋測R1NNff ,UU11再做負載實驗：nIP和11,改變負載，分別記錄下不同負載時的1cos,eT然后計算出不同負載下的直接負載法主要適用于中、小型感應電機。對于大型感應電機，在制造廠或現(xiàn)場進行負載試驗均有一定困難，因此常用等效電路，由電機的參數(shù)算出其工作特性和運行數(shù)據(jù)。計算穩(wěn)定點的

58、數(shù)據(jù)時先假設一個sN ，代入等效電路計算，看計算的輸出功率是否等于PN，如不等于PN ，修正sN。（利用PN近似正比于sN從新計算，直至相等為止）。由參數(shù)算出感應電動機的主要運行數(shù)據(jù)在參數(shù)已知的情況下(根據(jù)實驗)，給定s可根據(jù)等效電路圖計算工作特性。在分析感應電動機性能時，通常應計算出以下主要數(shù)據(jù)： 1 額定點的全部數(shù)據(jù)（電壓、電流、效率、功率因數(shù)、額定轉矩、額定）。 2 最大轉矩值。 3 起動電流和起動轉矩。在計算Tmax和Tst時，為得到較為準確的值，式中的漏抗應當用對應于s=sm，和s=1時的漏抗值代入。9感應電動機的起動、深槽和雙籠電動機感應電動機的起動、深槽和雙籠電動機 標志起動性能

59、的主要技術指標： 起動轉矩倍數(shù)和起動電流倍數(shù) 起動要求：起動轉矩大，起動電流小，另外起動設備應盡量簡單，便于操作和維修。9.1籠型感應電動機的起動起動方法主要有兩種：(1)直接起動(2)降壓起動對于經(jīng)常起動的電機，過大的起動電流會造成以下的不良影響：1)電機本身過熱，影響電機壽命2)嚴重時燒壞電機3)電網(wǎng)電壓顯著下降，影響其它用電設備正常工作運行。)01(2RSS21, 75NststNstITTKIIK直接起動直接起動即全壓起動，是一種最簡單的起動方法。起動時將全壓加入定子繞組。顯然這時起動電流較大(相當于全壓進行堵轉實驗)，起動電流相當于堵轉電流。優(yōu)缺點缺點：起動電流過大優(yōu)點：操作簡單R1

60、R2CX1&X2&cI1ImCZm-I2U1CS1-SR2采用此方法，起動轉矩減少，所以僅用于對起動轉矩要求不高的場合。 1）星三角起動此法只適用于正常運行時定子繞組為三角形連接的電機。 UIDUIY降壓起動降壓起動采用D接起動時： 線電壓為U1N線電流：kNzU1相電流：采用Y接起動時：起動時線電流Ist(Y)=相電流=kNDstzUI1)(3（假定電機的短路阻抗為zk）每相電壓為3/1NUkNzU3131)()(DstYstII2112211)()(XcXRcRUIst2112212211)()(XcXRcRRUmTsst起動方法:起動時，定子繞組為星型(Y)連接，當轉速上升到接近穩(wěn)定值時，將繞組接法換為三角型(D)接法優(yōu)點：設備