電機(jī)學(xué)-第4章-異步電機(jī)

1第四章異步電機(jī)2第四章異步電機(jī)主要內(nèi)容4.1異步電機(jī)的基本類(lèi)型和基本結(jié)構(gòu)4.2異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理4.3轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的異步電機(jī)4.4轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的異步電機(jī)及其等效電路4.5異步電動(dòng)機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程

3第一節(jié)異步電機(jī)的基本類(lèi)型與結(jié)構(gòu)前言

異步電機(jī)又稱(chēng)感應(yīng)電機(jī)是交流電機(jī)的一種。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，效率較高、價(jià)格較低。缺點(diǎn)：1.調(diào)速和起動(dòng)性能不佳;

2.功率因數(shù)總是滯后的，增加了電力系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)擔(dān)。應(yīng)用：總的來(lái)說(shuō)：主要作為電動(dòng)機(jī)使用，是當(dāng)今應(yīng)用最廣，需要量最大的一種電機(jī)。結(jié)構(gòu)：定子、轉(zhuǎn)子、空氣隙、端蓋、軸承和機(jī)座等部件。456研究?jī)?nèi)容與方法定、轉(zhuǎn)子間靠電磁感應(yīng)作用，在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)電流以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的感應(yīng)電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)一般都用作電動(dòng)機(jī)，在少數(shù)場(chǎng)合下，亦有用作發(fā)電機(jī)的。本章先說(shuō)明空載和負(fù)載時(shí)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)，然后導(dǎo)出感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本方程和等效電路，最后分析它的運(yùn)行特性和起動(dòng)，調(diào)速等問(wèn)題。電磁關(guān)系——定性分析原理基本方程式——理論分析、推導(dǎo)等效電路——定量計(jì)算相量圖——各物理量間的相位關(guān)系7第一節(jié)異步電機(jī)的基本類(lèi)型與結(jié)構(gòu)1、三相異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

8910第一節(jié)異步電機(jī)的基本類(lèi)型與結(jié)構(gòu)繞組轉(zhuǎn)子異步電機(jī)11121314151617第一節(jié)異步電機(jī)的基本類(lèi)型與結(jié)構(gòu)三、銘牌的額定值（1）型號(hào)（2）額定功率（PN）：指電動(dòng)機(jī)在額定方式下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率。單位為W和kW。（3）額定電壓（UN）：指電動(dòng)機(jī)在額定方式下運(yùn)行時(shí)，定子繞組應(yīng)加的線電壓。單位為V和kV。18第一節(jié)異步電機(jī)的基本類(lèi)型與結(jié)構(gòu)（4）額定電流（IN）：指電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定功率狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，流入定子繞組的線電流。單位為A。（5）額定頻率（fN）：額定狀態(tài)下電源的交變頻率，我國(guó)的電網(wǎng)頻率為50Hz。（6）額定轉(zhuǎn)速（nN）：指在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。單位為r/min。除上述數(shù)據(jù)外，還標(biāo)出額定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的功率因素以及相數(shù)、接線法、防護(hù)等級(jí)、絕緣等級(jí)與溫升、工作方式等有關(guān)項(xiàng)目。1920第二節(jié)異步電機(jī)的基本原理一、異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)對(duì)稱(chēng)三相電流流入異步電機(jī)三相定子繞組在氣隙中便產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以同步速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子繞組與其有相對(duì)運(yùn)動(dòng)（切割）在閉合的轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流互相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。212223第二節(jié)異步電機(jī)的基本原理轉(zhuǎn)差率是決定異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要變量：異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電動(dòng)勢(shì)電流和電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變化則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率隨之變化。24

25第二節(jié)異步電機(jī)的基本原理按照轉(zhuǎn)差率大小正負(fù)，電機(jī)可分為三種狀態(tài)：電動(dòng)機(jī)運(yùn)行發(fā)電機(jī)運(yùn)行電磁制動(dòng)1、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速0<n<n0

1>S>0

bxn1FnFe026第二節(jié)異步電機(jī)的基本原理2、發(fā)電機(jī)運(yùn)行

發(fā)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速

n>n0

S<027第二節(jié)異步電機(jī)的基本原理3、電磁制動(dòng)相對(duì)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速n<0S>1（實(shí)際上異步電機(jī)主要作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行）bxn1FnFe02829第二節(jié)異步電機(jī)的基本原理二、異步電機(jī)的主磁通和漏磁通主磁通：穿過(guò)氣隙，與定轉(zhuǎn)子繞組交鏈漏磁通不屬于主磁通的磁通（槽、端部，諧波）30感應(yīng)電機(jī)中主磁通所經(jīng)過(guò)的磁路31端部漏磁槽漏磁32第三節(jié)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)從電路的角度來(lái)看，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)異步電機(jī)的電路方程與次級(jí)短路時(shí)的變壓器的電路方程相似變壓器的初級(jí)相當(dāng)于異步電機(jī)的定子繞組次級(jí)繞組相當(dāng)于轉(zhuǎn)子繞組。盡管異步電機(jī)與變壓器的的磁場(chǎng)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式不相同，但他們內(nèi)部的電磁關(guān)系時(shí)相通的。所以在研究異步電機(jī)的等效電路時(shí)，可以借助變壓器的電磁理論。

33第三節(jié)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)

轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的定、轉(zhuǎn)子電路34第三節(jié)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)

轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)與變壓器的等效35一、轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路36373839404142434445464748495051二、轉(zhuǎn)子繞組短路5253545556575859606162636465666768697071第三節(jié)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)1、電壓平衡方程定子繞組的電壓平衡式和轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子繞組的電壓平衡式分別為72第三節(jié)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)2、磁動(dòng)勢(shì)平衡方程

定子繞組磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子繞組磁動(dòng)勢(shì)合成磁動(dòng)勢(shì)

磁動(dòng)平衡式為73感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的空載磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)ACBXYZ74第三節(jié)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)3、繞組的歸算一般將轉(zhuǎn)子方面的各物理量歸算到定子方面。（1）電流的歸算根據(jù)歸算前后轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)保持不變，即：

式中為電流變比。

75第三節(jié)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)（2）電動(dòng)勢(shì)的歸算根據(jù)歸算前后轉(zhuǎn)子視在功率保持不變，即

式中為電動(dòng)勢(shì)變比。76第三節(jié)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)（3）阻抗的歸算根據(jù)歸算前后轉(zhuǎn)子銅耗保持不變，即

式中為阻抗變比。電阻變比也適用于轉(zhuǎn)子電抗、阻抗的歸算。77第四節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)及其等效電路1、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后對(duì)轉(zhuǎn)子各物理量的影響從電路角度看，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后轉(zhuǎn)子頻率的變化將影響轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)和漏抗等參數(shù)的變化。轉(zhuǎn)子電流的頻率轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子漏抗轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后轉(zhuǎn)子回路電壓平衡式

78第四節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)及其等效電路2、頻率歸算由以上分析可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)頻率為而定子回路參數(shù)的頻率仍為電路中頻率應(yīng)相同，所以進(jìn)行頻率歸算：79第四節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)及其等效電路

80第四節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)及其等效電路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電路(頻率歸算前)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電路(頻率歸算后)81第四節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)及其等效電路3、基本方程轉(zhuǎn)子參數(shù)經(jīng)頻率歸算后還應(yīng)進(jìn)行繞組歸算，歸算后異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后的基本方程為82第四節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)及其等效電路4、等效電路根據(jù)上式可畫(huà)出異步電機(jī)的型等效電路83第四節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的異步電機(jī)及其等效電路4、向量圖與接有純電阻負(fù)載時(shí)的變壓器向量圖類(lèi)似。異步電機(jī)的模擬電阻壓降相當(dāng)于變壓器的次級(jí)側(cè)電壓，其余部分沒(méi)什么區(qū)別。84第五節(jié)異步電機(jī)的功率平衡式和

轉(zhuǎn)矩平衡式一、功率平衡式

本節(jié)將用有效電路來(lái)分析異步電動(dòng)機(jī)的能量關(guān)系見(jiàn)右圖輸入電功率定子銅耗定子鐵耗轉(zhuǎn)子銅耗總的機(jī)械功率異步電動(dòng)機(jī)的各種損耗總的機(jī)械功率又稱(chēng)內(nèi)功率。85第五節(jié)異步電機(jī)的功率平衡式和

轉(zhuǎn)矩平衡式異步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖異步電動(dòng)機(jī)總的功率式正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候轉(zhuǎn)子鐵芯中磁通的變化的頻率很低，僅有1~3Hz,所以轉(zhuǎn)子鐵耗可以略去不計(jì)。86第五節(jié)異步電機(jī)的功率平衡式和

轉(zhuǎn)矩平衡式兩個(gè)重要關(guān)系：因?yàn)殡姶殴β剩恨D(zhuǎn)子銅耗：機(jī)械功率：所以：又叫轉(zhuǎn)差功率87第五節(jié)功率平衡式和轉(zhuǎn)矩平衡式二、轉(zhuǎn)矩平衡式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的機(jī)械功率：＝電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與它的機(jī)械角速度乘積.總機(jī)械功率除以轉(zhuǎn)子角速度得到轉(zhuǎn)矩平衡式，即式中：為電動(dòng)機(jī)軸上的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

：為電動(dòng)機(jī)軸上的總機(jī)械轉(zhuǎn)矩:Tem，即電磁轉(zhuǎn)矩；為電動(dòng)機(jī)空載(制動(dòng))轉(zhuǎn)矩；88第五節(jié)功率平衡式和轉(zhuǎn)矩平衡式三、關(guān)于電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩與功率式中或?yàn)殡姍C(jī)的同步角速度：注意：比較下式含義：具體例子詳見(jiàn)書(shū)例（9-1）89第六節(jié)異步電機(jī)的參數(shù)異步電機(jī)的參數(shù)

基本方程式、等效電路圖和向量圖分析交流電機(jī)普遍方法。通過(guò)等效電路可以算出電機(jī)的電流、功率、功率因數(shù)、效率以及轉(zhuǎn)矩。90第六節(jié)異步電機(jī)的參數(shù)兩種參數(shù)勵(lì)磁參數(shù):

決定于電機(jī)主磁路的飽和程度.是一種非線性參數(shù).短路參數(shù):

基本上與電機(jī)的飽和程度無(wú)關(guān),是一種線性參數(shù).測(cè)定方法：兩種試驗(yàn)空載試驗(yàn)短路試驗(yàn)91一空載試驗(yàn)與勵(lì)磁參數(shù)的確定(一)空載試驗(yàn):在UN、fN下,軸上不帶負(fù)載。將電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間(30min)使其機(jī)械損耗達(dá)到穩(wěn)定值,然后調(diào)節(jié)電源電壓從(1.10~1.20)UN開(kāi)始,逐漸降低到可能達(dá)到的最低電壓值(約0.3UN).測(cè)量7~9點(diǎn),每次記錄端電壓,空載電流,空載功率和轉(zhuǎn)速.根據(jù)記錄數(shù)據(jù),繪制電動(dòng)機(jī)的空載特性曲線.92一空載試驗(yàn)與勵(lì)磁參數(shù)的確定(二)機(jī)械損耗和鐵耗的分離93一空載試驗(yàn)與勵(lì)磁參數(shù)的確定94二短路試驗(yàn)及短路參數(shù)之確定（1）短路試驗(yàn):短路指T形電路中的附加電阻的狀態(tài).n=0,因此必須在電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)情況下進(jìn)行.故短路試驗(yàn)也稱(chēng)為堵轉(zhuǎn)試驗(yàn).試驗(yàn)方法一般從I1=1.2IN（或：U1=0.4UN）開(kāi)始,逐步降低電壓.到I1=0.3IN

測(cè)量5~7點(diǎn),每次記錄端電壓,定子短路電流和短路功率,測(cè)量定子繞組的電阻.根據(jù)記錄數(shù)據(jù),繪制異步電動(dòng)機(jī)的短路特性I1s=f(U1)