第三章 异步电动机.docx

第三章 异步电动机.docx

《第三章 异步电动机.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章 异步电动机.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第三章异步电动机

第三章异步电动机

本章主要内容：

三相交流异步电动机的工作原理、基本结构、旋转磁场、感应电势、电磁转矩、等效电路、空载和负载运行特性，功率及转矩平衡方程，机械特性；单相异步电动机

3．1三相异步电动机的结构与铭牌数据

3．1．1三相异步电动机的基本结构

1．定子部分

1）外壳

机座、端盖、轴承盖、接线盒等

2）定子铁心

硅钢片叠成，以沟通磁路和嵌放绕组

3）定子绕组

为三相对称绕组，通入三相交流电而产生旋转磁场

三相绕组通常以U1-U2、V1-V2、W1-W2表示，分别进行星形或三角形联接后，引出三个端子接三相交流电源。

2．转子部分

1）转子铁心

硅钢片叠成，用以沟通磁路和嵌放绕组

2）转子绕组

感应出电势以形成转子电流，与磁场作用形成电磁力矩

a．笼形绕组

插在转子铁心槽内的导条（铜或铝），两端通过圆环闭合

b．绕线形绕组

由铜线绕制的三相绕组，Y形连接，通过滑环与电刷的接触与外电路接通

3．其他部分

风扇、定转子之间的气隙等

3．1．2额定数据

额定运行（状态）：

电动机在额定电压下，轴上加上额定负载，此时，电动机的电流、转速、功率等均为额定值。

异步电动机铭牌上的主要额定数据有：

（1）额定功率PN（kW）：

指额定运行时电动机轴上输出的机械功率。

（2）额定电压UN（V）在额定运行时，定子绕组所接电源线电压值。

（3）额定电流IN（A）：

额定运行时定子绕组的线电流。

（4）额定频率ƒN（HZ）：

电源频率。

（5）额定转速nN（r／min）：

额定运行时的转速。

（6）额定功率因数cosφN：

额定运行时的功率因数，—般在0.8~0.85之间。

（7）定额：

分成连续、短时和断续三种。

3．2异步电动机的工作原理

3．2．1定子旋转磁场

1旋转磁场的产生：

空间不同位置的三相绕组，通过不同时间相位的三相电流

1）形成：

三相对称交流电通入三相对称绕组

2）转向：

取决于三相绕组中电流达到最大值的顺序（与三相电压的相序有关）

3）转速n0与磁极对数p：

n0=60f/pp取决于定子绕组结构

4）强度：

与电压幅值成正比

5）性质：

为电气旋转磁场，由三相绕组合成产生

3．2．2异步电动机的工作原理

转动原理

3．2．3三相异步电动机的转差率及其运行状态

转差率：

电动运行状态时，0

额定负载时的转差率约sN=1~9%。

异步电动机的转速、转差率与运行状态的关系可归纳如下：

当n

当n=0时，s=1，堵转状态（或电动机起动的瞬间）；

当n=n0时，s=0，理想空载运行状态；

当n>n0时，s<0，发电制动状态；

当n<0时，s>1，电磁制动状态。

3．3异步电动机的运行特性

3．3．1异步电动机的转子磁场及磁势平衡关系

异步电动机的分析方法：

同变压器

定子——原边绕组转子——副边绕组

当异步电动机空载运行时，轴上的负载阻力矩TL＝0，转子在电磁转矩作用下加速，直到n＝n0，此时转子与定子磁场同步旋转，转子导条不切割定子磁场，I2＝0

当异步电动机负载运行时，轴上的负载阻力矩TL将使得转子转速下降，n

转子电流I2→转子旋转磁场Φ2，其与定子磁场的转向、转速相等，即同步

异步电动机负载运行时，气隙磁通为定子磁场与转子磁场合成产生

负载TL↑→n↓→I2↑→Φ2↑气隙磁通不变Φ↑→I1↑

3．3．2异步电动机的等效电路

1定子电路

E1＝＝−j4.44fN1k1Φm其中k1为绕组系数，其值小于1

E1σ==－jx1I1

U1=I1r1+（−E1σ）+（−E1）＝I1r1+jI1X1+（−E1）

忽略r1+jX1，则可得U1≈−E1或U1≈E1＝4.44fN1k1Φm

即当f一定时，Φm

U1

异步电动机中同样具有恒磁通特性

2转子电路

转子感应电势、电流的频率f2

由于转子绕组切割定子旋转磁场的速度为

所以

转子绕组各电磁量特点

转子静止时n=0，转差率s=1

转子以转速n旋转时,转差率s

频率

f2=f1

f2=sf1

电动势

E20=4.44f2kw2Φm4.44f1kw2Φm

E2=4.44f2kw2Φm=4.44sf1kw2Φm=sE2

电流

电抗

X20=2πf2L2=2πf1L2

X2=2πf2L2=2πsf1L2=sX20

转子电路功率因数

3*T形等效电路

定、转子电压平衡方程→定、转子等效电路绕组、频率折算T形等效电路

相当于变压器运行于接电阻负载

时的情况，

在折算过程分离出来的电阻

称为附加电阻，随转差率而变，且可能为负值。

（1）空载运行状态

n≈n0，s≈0，T形等效电路中代表机械负载的附加电阻

→∞，转子电路相当于开路情况。

所以异步电动机空载运行时，轴上无机械功率输出，而且功率因数很低。

（2）额定负载运行状态

额定负载运行时，转差率约为5%左右，且0

大约是转子绕组电阻的20倍，因此转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高（约为0.8~0.85）。

电动机从电网吸取电功率而从轴上输出机械功率，故附加电阻

是正值。

（3）堵转状态

起动瞬间或堵转时，n=0，s=1，附加电阻

=0，转子电路呈短路状态。

所以起动或堵转时，电动机定、转子中的电流均很大，定子绕组中的电流

Ist＝5~7倍。

（4）发电运行状态

发电运行状态时，n>n0，s<0，附加电阻

<0是个负电阻，即此时电动机是输入机械功率，转换成电功率，

（5）电磁制动运行状态

电磁制动状态时，n<0，s>1，附加电阻

<0是个负电阻。

这种情况下异步电动机将吸纳机械功率，同时从电网吸收电功率，这两部分的功率都转换为热能消耗在电动机内部。

3．3．3异步电动机的转矩及功率平衡方程

1电磁转矩及转矩平衡方程

电磁转矩T与旋转磁场的每极磁通Φ、转子电流I2及其功率因数cosφ2成正比，即T=KTΦI2cosφ2

式中，KT是与电机本身结构有关的一个常系数。

转矩平衡方程

Tem－电磁转矩T2－输出转矩T0－空载阻转矩（风阻、摩擦阻力）

电动机运行时，电磁转矩在克服了空载阻转矩T0后，对外输出转矩T2。

T0很小，忽略，因此可得转矩平衡方程式为

Tem=T2+T0≈T2

而输出转矩T2用以带动生产机械旋转，稳定运行时T2与负载转矩TL平衡。

即T2=TL或T≈TL

即一般情况下，可认为电动机的输出转矩就等于其电磁转矩；而稳定运行时，电磁转矩与轴上负载转矩相等。

功率平衡方程式

P1－电网吸收电功率

P2－输出功率

PMEC－机械功率

Pem－从定子传输到转子的电磁功率

pCu1,2－铜损（定、转子绕组损耗）

pFe－铁损（铁心的磁滞和涡流损耗）

pad－附加损耗

pmec－机械损耗

P2＝P1－（pCu1＋pFe＋pCu2＋pmec＋pad）

Pem＝pCu2＋PMEC

pCu2＝sPem

PMEC=（1－s）Pem

3．3．4异步电动机的机械特性

电动机的机械特性：

电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系，即n=ƒ（T）。

因为T=KTΦI2cosφ2

将

代入得

当U1，ƒ1不变时，上式中Φ、E20、r2及X20均为定值，且E20∝Φ，而Φ∝U1，因此KTΦE20可用KU12来表示。

由此可定性得到

＝T（s）→T-s曲线→n=ƒ（T）曲线

电动机的机械特性仅反映了电动机本身的电磁转矩（或输出转矩）与转速之间的关系，当电动机轴上带负载运行时，其实际输出转矩将主要取决于负载转矩的大小。

1固有机械特性

电动机的电源电压及频率为额定值，电动机本身各参数（定、转子绕组电阻、电抗、磁极对数等）亦保持不变的情况下，其特性称为固有机械特性

（1）额定转矩TN

额定转矩TN是电动机在额定负载时的输出转矩，它可根据电动机铭牌上的额定功率PN和额定转速nN求得

（2）最大转矩Tmax

从dT/ds=0得到

以及

sm与无关，与r2正比；Tmax与U12成正比，而与r2正无关。

电动机过载系数

过载系数反映了电动机的过载能力。

普通异步电动机λ=1.6~2.2，起重用的电动机λ=2.2~2.8。

（3）起动转矩Tst

电动机在起动瞬间（n=0，即s=1）的转矩称为起动转矩Tst。

将s=1代入式（3-18）可得

起动转矩倍数kT=Tst/TNkT=1.1~2.0

机械特性方程的实用表达式

在已知λm，nN，PN时，机械特性方程可表达为

其中Tm=λTN

而

，

式中的Tm、sm可通过电动机的产品目录中相应的额定数据求得。

2人为机械特性

人为的改变U1，f，R2，p等参数后所得到的机械特性

1）降低电源电压时的人为机械特性

U1↓，则sm不变，而Tm↓、Tst↓（随U12下降）

曲线内收

2）转子回路串电阻时的人为机械特性

R2↑，则Tm不变，而sm↑、Tst↑（在一定范围内）

曲线下坠

*例3.1已知：

某三相异步电动机，额定数据为：

PN=7.5kW，UN=380V，IN=15.85A，fN=50Hz，nN=1440r/min，cosφN=0.82，过载系数λ=2.4，

求：

（1）电动机的额定效率ηN，额定转矩TN，额定转差率sN；

（2）电动机机械特性的实用表达式，并以此求电动机的起动转矩。

解：

（1）电动机的额定输入功率

根据fN=50Hz，nN=1440r/min，可推断出同步转速n0=1500r/min，所以

（2）由式3－22及3－26可得最大转矩和临界转差率分别为

所以机械特性的实用表达式为

在电动机起动瞬间，s=1，代入上式，得到起动转矩

通过上例可以看出，当电动机在额定点附近运行时，s=0.01~0.09，此时

<<

因而机械特性的实用表达式3－24可简化为

上式表明，异步电动机在稳定工作区（图3－15曲线中的am段），其机械特性T=f（s）可近似以线性关系式表达，这给实际工程中的分析、计算带来了很大的便利。

3．4单相异步电动机

结构

定子：

两相绕组，主绕组（也称为运行绕组）；副绕组（又称为起动绕组），在空间相隔90°安放，。

转子：

鼠笼式结构

3．4．1定子单相绕组通电时的磁场及机械特性

合成的机械特性具有下列特点：

（1）当n=0时，Tst=0，即电动机无起动转矩，不能自行起动；

（2）当n＞0时，T＞0，（或n＜0时，T＜0）

即只要电动机转动起来，其轴上就有一个动力性质的电磁转矩，电动机就能在此电磁转矩作用下正向（或反向）加速至接近于同步转速的某一点稳定运行。

3．4．2单相异步电动机的分类

1电容分相式异步电动机

通过电容分相，使得空间位置上相隔90°的两个绕组分别流过在时间相位上相差90°的电流，这将使电机气隙中产生旋转磁场，从而使转子获得起动转矩而转动起来。

电容起动单相异步电动机：

电动机在起动后达到一定转速时，通过离心开关或其他继电装置将起动绕组与电源断开，此时电动机靠工作绕组维持运行

电容运转单相异步电动机：

起动绕组在电机运行过程中始终与电源相接

反转：

只需将工作绕组或起动绕组中的一个出线端对调即可。

2罩极式单相异步电动机

定子：

凸极式结构，并套有短路环

定子绕组中流过交流电流时，被罩部分中的磁通将比未被罩部分中的磁通在时间相位上总是滞后一个相位角，合成形成一个旋转磁场

转子的转向：

总是由磁极的未罩部分转向被罩部分。

思考题

3－1，4，5，6，7，10，12，13，14，15，16，17，18，19

习题

3－20，21，22