第八章异步电机的启动和制动.ppt

1、第七章 异步电动机原理,7.1 异步电动机结构、额定数据与工作原理,7.1.1 异步电动机主要用途与分类,1、主要用途：作为电力拖动系统的原动机，如工业方面，拖动中子型扎钢设备，金属切削机床，轻工机械，矿山机械等。农业方面：拖动水泵，脱粒机等。民用电器方面：电扇，洗衣机，粉碎机等。,2、特点： 优点：结构简单，制造容易，价格低廉，运行可靠，坚固耐 用，运行效率较高。 缺点：功率因数较差（1）（从电网吸收落后的无功率） （注：同步电动机的功率因数是可调的，可使=1、或领先）,此外，还有高压异步机、低压异步机；高起动转矩、高 转差率、高转速等。异步电动机还可作为发电机使用，或用 于风力发电等特殊场

2、合。给边远山区等无电区提供电力。,第七章 异步电动机原理,图7.1是一台鼠笼式三相异步机的结构图,7.1.2、三相异步电动机的结构： （针对无换向器的三相异步机）,第七章 异步电动机原理,第七章 异步电动机原理,第七章 异步电动机原理,图7.2是一台鼠笼式三相异步机的定子铁心,图7.3是三相异步机的定子槽结构,第七章 异步电动机原理,第七章 异步电动机原理,图7.7是一台鼠笼式三相异步机的转子外形图,7.1.3、异步电动机的结构形式：,根据不同的冷却方式和保护方式、,第七章 异步电动机原理,7.1.4、异步机的铭牌数据：,第七章 异步电动机原理,例：Y系列三相异机表示如下： Y 1 0 0 L

3、 1 - 2,1、型号：采用大写的印刷体汉语拼音字母和阿拉伯数字组成， 其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉 字，再用该汉字的第一个拼音字母组成。,我国生产的常见产品系列：P212-213,2、额定值：包括： （1）额定功率PN：额定运行时轴上输出的机械功率（KW）（P2） （2）额定电压UN：额定运行时加到定子绕组上的线电压。（V） （3）额定电流IN：指电动机加 f1的UN，轴输出PN时，定子绕组 中的线电流。（A） （4）额定f1：我国规定为50HZ。（定子），（转子为f2） （5）额定转速nN：指电动机加 f1的UN，轴输出PN时的转速(r/min) （6）额定功率因数

4、cos: 指电动机在额定负载时，定子边的功率因数。 （7）绝缘等级与温升：绝缘等级：是指绝缘材料的耐热能力， 分B、E、F、.,温升是指电动机运行时高出周围环境温 度值。我国规定：环境温度为40。允许温升越高，说明绝缘材料的耐热能力越好. 电机的线负荷若高的话，可缩小电机的体积。,第七章 异步电动机原理,第七章 异步电动机原理,此外，铭牌上还标明了工作方式，连接方法等， 对绕线式异步电机还有转子参数等等。,对高压电机，往往只有三根引出线。只要电源电压符合电 动机铭牌电压值，便可使用。,第七章 异步电动机原理,7.1.5、异步电动机的工作原理： 如图7.8所示：,第七章 异步电动机原理,转子旋转

5、后，转速为n，只要nn1，转子导条与磁场仍有 相对运动，就会产生与转子不转时相同方向的电动势，电流 及电磁力，电磁转矩T仍旧为逆时针方向，转子继续旋转， 稳定运行在 T=TL 情况下。,载流导体在磁场中受力的作用f方向用左手定则 产生转矩T便是电磁转矩，电磁转矩的方向与旋转磁 通势同方向，转子便在该方向旋转起来。,定子接三相电源后电机内形成圆形旋转磁通势（方向 为逆时针转）由于转子与旋转磁密有相对运动，所以转子 导条中有感应电势e（方向由右手定则确定） 由于转子导 体端部短接即闭合，所以转子有电流（方向同e的方向）,7.2.1 规定正方向：,（a）中：磁通势，磁通和磁密是从定子出来进入转子为正

6、方向。 定、转子空间坐标轴的纵轴都选在A相绕组的轴线处，A1（定）A2（转）为简单起见，设+A1与+A2两轴重叠在一起。,第七章 异步电动机原理,正常运行的异步机转子总是旋转的，但是为了便于理解， 先从转子不转时进行分析，最后再分析转子旋转的情况。 先讨论绕线式：,7.2 三相异步机转子不转，转子绕组开路时的电磁关系：,图7.9，转子绕组开路时三相绕线式异步机的正方向。,第七章 异步电动机原理,7.2.2 磁通及磁通势：,一、励磁磁通势： 三相异步机的定子绕组接到三相对称电源上，定子绕组就会 有三相对称电流，将产生合成旋转磁通势F0。其特点为:,第七章 异步电动机原理,若把时间参考轴+j与空间

7、坐标轴+A1 +A2三者重叠在一起，则如图(c),图(a)为时间相量图.,图(b)为空间向量图.,而三相绕组的 F合已在第六章中讲述(如图6.28)。,第七章 异步电动机原理,第七章 异步电动机原理,转子开路的三相异步电动机，相当于一台付边开 路的三相变压器，其中定子绕组是原绕组，转子绕组 是付绕组，只是异步电机定，转子铁心中多了一个空 气隙磁路而已。,二、主磁通与定子漏磁通：,第七章 异步电动机原理,主磁通：励磁磁通势F0产生的磁通，通过气隙同时链着定、转子两个绕组的磁通叫 (气隙每极主磁通用1表示),漏磁通：不链转子而只链定子绕组本身的磁通叫定子绕组漏磁通, 用s1表示.,第七章 异步电动

8、机原理,第七章 异步电动机原理,7.2.3 感应电动势,设每极主磁通1在定、转子绕组中感应电动势的有效值分 别为E1和E2，则： E1 = 4.44f 1w1kw11 E2 = 4.44f 1w2kw21,第七章 异步电动机原理,7.2.4 励磁电流：,其向量如图7.12,第七章 异步电动机原理,第七章 异步电动机原理,7.2.5 电压方程式：,根据图7.9（b）所示正方向，定子一相回路的电压方程式为：,其相量图如7.13,综上所述，异步电机 转子开路时的电压 方程式以及相量图,与三相变压器付边绕组开路时的情况完全一样。,于是定子一相电压平衡等式为：,7.2.6 等值电路：,第七章 异步电动机

9、原理,三相异步机转子开路时的等值电路与三相变压器空载时一样。,其等值电路为（P219 图7.14）,7.3 三相异步电动机转子堵转时的电磁关系：,第七章 异步电动机原理,1、磁通势：,7.3.1 磁通势与磁通,图中转子短路、并堵转，定子接额定电压，各量的正方向如图。,第七章 异步电动机原理,转速：相对于转子绕组的转速为同步转速。,第七章 异步电动机原理,转向：逆时针方向旋转,第七章 异步电动机原理,转速：相对于定子绕组的角频率为1 ，用机械转速表示为n1,第七章 异步电动机原理,2、漏磁通：,第七章 异步电动机原理,同样，转子电流I2也要产生漏磁通，表现的电抗为x2（一相）， 同定子，x2 =

10、 常数.,定子电流所产生的漏磁通，表现的漏电抗仍为x1，由于漏 磁路一般是线性的，所以x1为常数。,以上说x1、x2为常数是指一般情况，但当电动机是直接 起动时，由于起动电流很大，约为（47）IN ，这时定、转 子的漏磁路也会出现饱和现象，使x1、x2变小。,在异步电动机里，把磁通分为主磁通和漏磁通的方法与变 压器的分析方法是一样的。但要注意：变压器中的主磁通是 脉振磁通，m是它的最大振幅；在异步机中，气隙里主磁通 1却是旋转磁通，它对应的磁密波沿气隙圆周方向按正弦分 布，以同步速n1相对于定子在旋转。,7.3.2 定、转子回路方程：,第七章 异步电动机原理,转子：,定子：,第七章 异步电动机

11、原理,回路电压方程式：,7.3.3、转子绕组的折合：,第七章 异步电动机原理,异步机定、转子之间没有电的联接，只有磁的联系。这与变压器类似。,第七章 异步电动机原理,从（7-6）式可见，异步机定，转子之间本来没有电路上的直接联系，经过上述变换，把复杂的相数，匝数和绕组系数统统消掉后，剩下来的只是电流之间的联系。这种联系是一种存在于等效电路上的联系。,第七章 异步电动机原理,利用折合关系（7-3）式变为：,第七章 异步电动机原理,折合前后功率关系也不变。,第七章 异步电动机原理,例如，转子里的铜耗为：,转子里的无功功率为：,7.3.4、基本方程式、等值电路和相量图： （转子堵转、转子绕组短路时）

12、,(3) 相量图如7.19,第七章 异步电动机原理,(1) 基本方程式 :,(2) 等值电路如图7.18,值得注意的问题： 异步机定、转子的漏阻抗标值都是比较小 的，如果在它的定子绕组加上额定电压，这时 定、转子的电流很大，大约为（47）IN。如 果长期工作在此状态，则有可能将电机烧坏。,为了测量异步机的参数，采用转子绕组短 路并堵转实验，为使电机不过流，可在定子 绕组上的电压不能大。,第七章 异步电动机原理,7.4 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系：,第七章 异步电动机原理,7.4.1、转差率：,n1-n 转差率 s： s = n1,正常运行的异步电动机，转子转速n接近于同步转速n1， s

13、很小,一般 s = 0.010.05,当异步机转子以n恒速运转时，转子回路的电压方程式为：,第七章 异步电动机原理,7.4.2、转子电动势：, 电动机转子上的频率(也叫转差频率)为：,正常运行的异步机, f 2 约为0.52.5HZ, 转子旋转时转子绕组中感应电动势为:,第七章 异步电动机原理,Pn2 P(n1- n) P n1 n1- n f 2 = = = = f 1s 60 60 60 n1,E2s 4.44f 2W2Kw214.44 s f 1 W2 Kw21sE2,式中： ( Kw2 1）（称基波绕组系数）,转子漏抗 ：X2S = sX2 (X2中的频率为f 2 ) ( X2为转子不

14、转时转子漏电抗,其对应的f 2 = f 1 ),由上述可见,当转子以不同的转速旋转时,X2S是个常数, 它与s成正比。正常运行的异步电机,X2SX2,第七章 异步电动机原理,请注意: E2并不是异电机堵转时真正的电动势.因为堵转时,气隙 主磁通1的大小要发生变化(这在以后再说明). 上式中的 E2 4.44 f 1 W2 Kw2 1 其中1是电机正常运行时气隙里每极磁通量,认为是常数.,7.4.3 定,转子磁通势用磁通势关系:,第七章 异步电动机原理, 特点:,3、合成磁通势：,第七章 异步电动机原理,60 f 2 则： n2 = P,第七章 异步电动机原理,n1- n s = n1,60 f

15、 2 60 sf 1 已知： n2 = = = sn 1 P P,I0通常有多大呢？ 对于一般的异步机来说，大约为（2050）% IN 。,第七章 异步电动机原理,第七章 异步电动机原理,7.4.4 转子绕组f 2的折合：,第七章 异步电动机原理,依据这二个概念，我们将转子回路的电压方程式,转子电路的功率因数角:,下面来分析，这两个有效值相等的电流I2S和I2的频率关系：,第七章 异步电动机原理,图7.21（a ）为异步电动机实际运行时，转子一相的电路 其转子电路的频率为f 2 。,异步机转子电路进行了频率折合后（并考虑到相数、 匝数及绕组系数都折合到定子边）转子回路的电压方程式为：,第七章

16、异步电动机原理,这样，原来电动机定、转子旋转磁通势的关系,又可用电流的关系来表示。 即：,7.4.5、 基本方程式，等值电路和时空向量图,根据上面五个基本方程式,便可画出等值电路和时空向量图,第七章 异步电动机原理,与异步机转子绕组短路并将转子堵转相比较，转子旋转 时的基本方程式只有转子绕组回路的电压方程式有所不同， 其余都一样，即为：,第七章 异步电动机原理,、当空载时，转子的转速接近同步转速n1，s很小，r2/s，I2可认为等于零，这时定子电流I1就是励磁电流I0，电动机的功率因数很低。,、当电动机运行于额定状态时，s0.05，r2/s约为r2的 20倍左右，等值电路转子边呈电阻性，功率因

17、数COS2较高， 这时定子边的COS1也较高，可达0.80.85,第七章 异步电动机原理,根据上述五个基本方程式画出异步机的时间空间 向量图如图7.23,7.4.6、 鼠笼转子,如鼠笼转子有m2根鼠笼条，则相数为m2，每相绕组匝数 为1/2，绕组系数为1。,鼠笼转子异步机电磁关系与绕线式相同，也采用折合算法， 等值电路及时空间向量图的方法分析。道理一样，方法相同， 仅仅失合系数的数值不同而已。,第七章 异步电动机原理,鼠笼转子每相邻两根导条电动势/电流相位相差的电角度与它们空间相差的电角度是相同的，导条是均匀分布的，一对磁极范围内有m2根鼠笼条，转子就感应产生m2相对称的感应电动势和电流。,7

18、.5、三相异步机的功率与转矩,电磁功率减去转子绕组的铜耗 Pcu2, 就是传输给电机转轴上的机械功率，用Pm表示,第七章 异步电动机原理,7.5.1、功率关系：,p m表示机械损耗，即轴承及风阻等磨擦阻转矩。 PS为附加损耗，是定转子齿槽及谐波磁势所产生的损耗。 PS一般不易计算，往往根据经验估算： 大型机：PS = 0.5% 小型机：PS =（13）% PN 或更大些,转轴上真正输出的功率: P2 = Pm- p m- pS （7-11） p0 = p m + pS,第七章 异步电动机原理,所以： P2 = P1- pcu1- pFe- pcu2- pm- pS PM= P1- pcu1-

19、pFe,（P243）图7.24将异步机功率流程图形象地表示出来了。,通常异步运行时,电磁功率，转子回路铜耗和机械功率 三者之间的定量关系是： PM ：pcu2 ：Pm = 1 ：S ：（1-s） （7-12）,第七章 异步电动机原理,此式说明：若电磁功率一定，转差率S越小， 转子回路铜耗越小，机械功率越大。,7.5.2、转矩关系：,第七章 异步电动机原理,由（7-11） P2 = PM - P0 都除以 即为： T2 = T - T0,7.5.3、电磁转矩的物理表达式：,第七章 异步电动机原理,当1的单位为Wb，I2的单位为 A 时，则T的单位为 N.m 。,7.6、 三相异步机的机械特性：,

20、7.6.1、机械特性的参数表达式：,在异步机的等值电路中，由于励磁阻抗比定、转子漏阻抗 大很多，可把 T 型等值电路（图7.23，P233）励磁阻抗这一 段电路认为是开路来计算I2 ，误差很小。,第七章 异步电动机原理,异步机的机械特性: 即 U1、f1和参数固定的条件下，电磁转矩 T与 n 或S的函数关系。,将 I2表达式代入上面电磁转矩公式中得：,只要固定U1、 f 1及阻抗等参数，则T只是 s 的函数 即T = f （s）曲线便为机械特性的 T - s 曲线,第七章 异步电动机原理,第七章 异步电动机原理,7.6.2、固有机械特性：,1、固有机械特性曲线： 即U1、 f 1均为额定值，定

21、、转子回路不串入任何电路元件 时的机械特性，叫固有机械特性.,如图7.25 ( T S ) 或（T n）,曲线2为负相序曲线,曲线1为正电源相序,由图可见：固有机械特性曲线的特点：,1）、在0S1即n1n0的范围内，特性曲线在第一象限， T与n都为正，即同方向，从正方向规定判断，与n1同方 向，电动机工作在这范围内是电动状态。,2）、在S0范围内，nn1，特性在第二象限，T为负值，是制动 性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态。在此范围内的曲线 与S0时近似对称。,3）、在S1范围内，n0，特性在第三象限， T0，也是一种制动状态。,2、最大电磁转矩：,第七章 异步电动机原理,正、负最大电磁转矩

22、可从参数表达式求得：,临界转差率（最大转矩所对应的转差率）为：,说明:异步机处于发电和电动机状态的最大电磁转矩绝对值可近似认为相等，临界转差率也近似认为相等，机械特性具有对称性。,通常=1.62.2 冶金起重用=2.22.8,注意：异步机不能长期工作在最大转矩处，因为电流过大温升起出额定值，将会烧毁电机，同时最大转矩处运行也不稳定。,第七章 异步电动机原理,一般，r12不超过（X1+X2）2的5%，可忽略r1的影响，故有：,3、起动转矩：,(一般KT = 0.81.2）,第七章 异步电动机原理,起动时，n=0，s=1时的电磁转矩称为起动转矩。,电动机顺利启动的条件：TS（1.11.2）TL,（

23、7-17）,第七章 异步电动机原理,4、稳定运行问题：,从机械特性可得：, 在0SSm段：机械特性下斜，拖动恒转矩和泵类负载运 行时均能稳定运行。, 在0SSN段：能长期稳定运行,第七章 异步电动机原理,7.6.3、人为机械特性：,从机械特性参数表达式（7-14） 除自变量和因变量外，保持其它量都不变，只改变U1的机械特性。,1、降低定子端电压的人为机械特性：,由图可见，同步转速n1与电压U1 的大小无关。这就是说，不同电压U1 的人为机械特性是一组通过n1；而转 矩与U12成正比且sm与电压无关的曲线。,请见（7-14）式,第七章 异步电动机原理,2、定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性：

24、,其它量不变的条件下，仅仅改变异步机定子回路电阻得 图7.28的人为机械特性.,由图可见n1不变，Tm，TS，Sm都 随定子回路电阻值增大而减小，因为电阻上消耗有功功率。,第七章 异步电动机原理,3、定子回路串三相对称电抗的人为机械特性：,与串电阻相似，n1不变，Tm，TS ，sm 均减小，只是电抗不消耗有功功率。,既然与串电阻相似，所以这里不详细讲，请看下面第4种人为特性。,第七章 异步电动机原理,4、转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性：,（针对绕线式转子）其人为机械特性如图7.31,特点： 、n1不变 、Tm不变 、smr2（r2+R） r2 ：转子一相总电阻 R ：外串电阻,第七章

25、异步电动机原理,由图可见，转子回路串电阻，可增大起动转矩，串的 电阻合适时，可使：,Ts = Tm,即：起动转矩为最大转矩,2、如何使用实用公式：,第七章 异步电动机原理,在额定工作点时对应SN，TN,7.6.4、机械特性的实用公式：,1、实用公式：,（通常额定工作点的数据是已知的）,当三相异步机在额定负载范围内运行时：,第七章 异步电动机原理,若额定工作点不知道，而异步机是工作在人为机械特 性上某一点，这时可将此点的T和s代入式（7-18）找出sm。,因为此时ssN 而（sN=0.010.05),7.7、三相异步电动机的工作特性及其测试方法：,第七章 异步电动机原理, 求工作特性的方法： 可

26、通过直接给异步机带负载测试 可利用等值电路计算而得,三相异步机的工作特性：,即 U1 = UN，f 1 = f N 时，n，I1、COS1、T、等与输出功率功率P2的关系。,图7.30为异步机的工作特性曲线。,第七章 异步电动机原理,7.7.1、工作特性分析：,空载时，转子转速n接近于n1，随着负载的增加， n 略微，此时转子E2S，I2S，以产生大的电磁 转矩来平衡负载转矩. 因此，随着P2，n，s， 如图中一下降的转速特性曲线。,1、转速特性：n=f（P2）,第七章 异步电动机原理,2、定子电流特性I1= f （P2）,空载时，I2差不多为0， 定子电流为I0（励磁电流）， 随着P2，n，

27、I2，I1。,第七章 异步电动机原理,3、定子边功率因数 COS1= f （P2）,运行时必须从电网中吸取无功功率，所以它的功率因数永 远小于1，空载时，COS1很低，不超过0.2；当P2，定子中 电流有功分量增加，使COS1，接近额定负载时，COS1最 高。如果负载进一步增大，由于s使2，结果使COS1。,第七章 异步电动机原理,4、电磁转矩特性T = f （P2）,空载时： T = T0,稳定运行时： T = T2 + T0,随着负载，P2，而变化不大， T 随P2的变化近似为一直线,P = Pcu1+ PFe + Pcu2 + P0,第七章 异步电动机原理,空载时，P2=0，=0， 随着P2， 当不变损耗=可变损耗时, 最大. 对中小型电机P2=0.75PN时最大。 通常电动机容量越大， 。,5、效率特性= f （P2）,（ PFe+P0 ） :为不变损耗,（Pcu1+PcU2）：可变损耗,第七章 异步电动机原理,7.7.2、用试验法测三相异步机的工作特性：,2、直接负载试验. 测量不同负载下的输入功率P1，定子电流I1， 即可算出各种工作特性。,如果用试验法能测出异步机的参数以及测出机械损耗和附加损