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12012年5月9日Wednesday第1页第五章 感应电动机运行方式和其它感应电动机 引言 5.1 三相感应电动机在不对称电压下的运行 5.2 三相感应电动机在非正弦电压下的运行 5.3 单相感应电动机 5.4 感应发电机 5.5 直线感应电机 小结2012年5月9日Wednesday第2页引 言 前面分析的是电网三相电压对称时感应电动机的运行情况。但是，实际上有时会遇到电网三相电压不对称，例如，当电网中接有较大的单相负载(如电炉、电焊机等)，或电网中发生两相短路、一相接地或一线断开等事故，都将引起电网三相电压不对称。实践表明，三相感应电动机在不对称电压下运行时，其起动转矩、过载能力和效率都会有所下降，因此必须加以讨论。2012年5月9日Wednesday第3页 单相感应电动机只需单相电源供电，因此在只有单相交流电源的场所，如日常生活，家用电器和医疗器械中得到广泛的应用。由于分析单相感应电动机的方法，与分析三相感应电动机在不对称电压下运行时的方法基本相同，所以把单相感应电动机也放在本章讨论。2012年5月9日Wednesday第4页5.1 三相感应电动机在不对称电压下的运行 分析三相感应电动机在不对称电压下运行常用的方法是对称分量法。从零序分量的计算方法可见，若感应电动机的定子绕组接成星形，但无中线，则无零序电流，若定子绕组接成三角形，由于在不对称三相线电压中没有零序电压U0，而这时电动机的相电压等于线电压，所以相电流中也无零序电流。因此，在通常情况下，只需分析正序和负序两个分量。2012年5月9日Wednesday第5页 首先将加于电动机定子端点的不对称三相电压分解为正序分量和负序分量，设正序分量每相端电压为Ul，负序分量每相端电压为U1，并设Ul U1，（通常把两个分量中大的一个作为正序，小的一个作为负序）。然后把这两个分量视为单独存在的分量并利用叠加原理来进行研究，由于每一分量本身是对称的三相系统，因此可以采用前面各章所述方法进行分析。最后再将两个分量分析所得结果叠加起来便得到电动机的实际运行情况。2012年5月9日Wednesday第6页 当正序电压分量U1系统作用于电动机定子上时，其定子和转子上便各有正序电流分量I1系统和I2系统，它们联合在气隙中产生顺转的旋转磁场，其具体旋转方向由U1系统中三相的相序确定，称为正序磁场。在正序磁场的作用下，电动机中产生正的电磁转矩Tem（其方向与的转向相同）和正的总机械功率Pmec。当负序电压分量U1系统作用于电动机定子上时，则产生负序的定、转子电流I1系统和I2系统，由于它们的相序与正序分量的相反，因此它们联合产生反转的旋转磁场，称为负序磁场，并相应地产生负的电磁转矩Tem和负的总机械功率Pmec。22012年5月9日Wednesday第7页 由于Ul U1，可见起动时中l1，随之Tem Tem，因此电动机的实际旋转方向将与正序磁场的转向一致。这样，得到图示的物理情况。和的旋转方向相反，但转速大小相同，都是n160f1p，转子与沿同一方向旋转，其转速大小为n，于是，对正序磁场来说，转子的转差率为11nnssn2012年5月9日Wednesday第8页 对负序磁场来说，转子的转差率应为 从上分析可画出正序和负序分量的较准确形等效电路，如图a和b所示。图b中和是对负序电流来说的转子每相电阻和漏电抗的折算值。，这是因为转子负序电流的频率较高(2s)f1导致集肤效应显著的缘故。严格地说，负序的Rm应比正序的Rm大，因为负序磁场引起的铁耗比正序的大。111122nnnnssnn2R2X2222,RRXX2012年5月9日Wednesday第9页2012年5月9日Wednesday第10页 若忽略励磁电流，则从图可求得定子电流的正、负序分量为11222121111121122212111112()()()()2UIIRRjXXsUIIRRjXXs 2012年5月9日Wednesday第11页 将定子每相的正序和负序电流用矢量法相加，使得定子三相的实际电流。由于正序电流的相序和负序电流的相反，因此合成后三相实际存在的电流是不对称的，可能有一相的电流由于正、负序分量接近同相而特别大，以致该相绕组有过热的危险。实际运行时，ss很小，s2s2，于是从上式得112222121111121122()()2kkkUIRRjXXsUUZRX2012年5月9日Wednesday第12页 即 kst在对称的三相额定电压下直接起动时的起动电流倍数。通常起动电流倍数很大，kst47，故从式可见，很小的负序电压分量U1也将引起相当大的负序电流I1。例如UlUlN5时，IlIlNkstUlUlN(47)52035。这时如果定子某一相中的正、负序电流接近同相，则当满载时这一相的合成电流将超过额定电流2035，因而有过热的危险。由此可见，从发热观点来看，不允许电压有过大的不对称，否则必须相应地减轻电动机的负载，以保证电机的安全运行。1111111111NNstNkNNNUUUIIkIZIUU32012年5月9日Wednesday第13页 在功率方面，可求得电动机从定子传递到转子的总电磁功率为 而产生于电动机轴上的总功率为 从上式可见，负序分量所产生的机械功率为负值，即它代表从电动机轴上吸取而消耗于电动机内部的机械功率，这部分功率消耗于由负序磁场在转子中产生的负序电流所引起的铜耗。因此，在同样转差率下电动机轴上的净有总机械功率减小了。222212121 21 22emememRRPPPm Im Iss22221 2121 21222221 2121 21211()211()2emememssPPPm IRm IRssssm IRm IRss2012年5月9日Wednesday第14页 用转子的角速度去除上式各项便得电动机的电磁转矩为 从上式可见，负序磁场所产生的转矩为负值，即为一制动转矩。这从物理意义上不难理解，因为负序磁场的转向和转子转向相反。由此可见，负序分量的存在使得电动机的转矩减小了，相应地，电动机的最大转矩和过载能力也降低了。22221 2121 212112222121212121111()222(1)(1)222mecmecemememPPTTTssm IRm IRssffssppm pIRm pIRfsfs2012年5月9日Wednesday第15页 当电动机正常运行时，由于s很小，因此，可见负序磁场引起的制动转矩相对来说并不很大，这说明转矩的减小不是主要问题，而前面指出的绕组发热问题才是主要问题。此外，负序磁场对转子的相对转速是，n1n，因而在转子上引起额外的铁耗和铜耗。同时，负序分量也使定子上增加一些损耗。由于这些额外损耗的存在，使电动机的效率降低，温升提高。221212/(2)RsXs2012年5月9日Wednesday第16页 总结以上所述，三相感应电动机在不对称电压下运行时，其性能恶化，过载能力和效率降低，并且有局部（如某一相绕组）过热的危险。因此，三相感应电动机不允许在较严重的不对称电压下运行，否则必须相应地降低电动机的容量2012年5月9日Wednesday第17页5.2 三相感应电动机在非正弦电压下的运行 当加于三相感应电动机的电源电压是非正弦波时，可将外加电压分解为基波和一系列高 次谐波，称为时间谐波。这时可看成有一系列假想电动机装于同一轴上而以同一转速n旋转，但它们所受的外加电压各为Ul，U3、U5、U，其频率分别为f1、f3（3f1）、f5（5f1）、f（f1），其中卢为时间谐波的次数。每个假想电动机产生它们自己的电流，功率和转矩。而实际电动机中的电流则为各假想电动机相应电流的平方和的平方根，实际电动机的功率和转矩则为各假想电动机所产生的功率和转矩的代数和。2012年5月9日Wednesday第18页 各假想电动机中的电流Il，I3、I5、I分别在各电动机内产生各自的基波磁动势和一系列高次谐波磁动势(空间谐波)。通常只考虑其基波磁动势，而忽略其高次谐波磁动势。各电动机的基波磁动势在空间的转速各为n1、3n1、5n1、n1。这里n1就是外加电压的基波(时间波)产生的电流I1所建立的磁动势基波(空间波)的转速，即同步转速，实际电动机在正常运行时的转速n接近这个转速，即nn1。于是，共轴的电动机转子对次谐波电流产生的磁动势基波的转差率应为1111111nnnnsnn42012年5月9日Wednesday第19页 对每个假想电动机都有一个等效电路，它与相应于外加电压基波的等效电路的差别仅在于参数不同。当不考虑集肤效应时，可以认为 于是，若忽略励磁电路的影响，则从T形等效电路可得与次谐波电流相对应的功率因数为11221122;RR RRXXXX21222112212222112cos()()1()()1RRsRRXXsRRRRXX2012年5月9日Wednesday第20页 由于1，从上式可见cos是极小的，即2。这说明由电压高次谐波所产生的电流差不多全是感性的无功电流，可认为电压高次谐波的影响相当于漏电抗X1和X2的某些增加，因此，电动机的cos，效率和最大转矩倍数都减小了。实际上，非正弦电压对电动机性能的影响是很小的，往往可以不予考虑，除非电压波形严重畸变。2012年5月9日Wednesday第21页5.3 单相感应电动机 一、结构特点 二、工作原理和等效电路 三、起动方法2012年5月9日Wednesday第22页 单相感应电动机是用单相电源供电的一种感应电动机。由于使用方便，故在家用电器(如电冰箱、电风扇、空调机、洗衣机等)和医疗器械中得到广泛的应用。与同容量的三相感应电动机相比较，单相感应电动机的体积较大、运行性能稍差，因此只做成几十到几百瓦的小容量电机。2012年5月9日Wednesday第23页一、结构特点 单相感应电动机的铁心，除罩极电动机一般具有凸出的磁极外，其余各类均与普通三相感应电动机相类似。单相感应电动机的定子上通常装有两个绕组，一个是工作绕组(或主绕组)，用以产生主磁场并从电源输入电功率；另一个是起动绕组(或辅绕组)，一般情况下它仅在起动时接入，当转速接近正常转速时，离心开关或继电器触点将把起动绕组从电源断开。所以正常运行时，只有工作绕组接在电源上。图示为单相感应电动机的接线示意图。2012年5月9日Wednesday第24页 小型单相感应电动机的定子内径较小，嵌线比较困难，故大多采用单层绕组。为了削弱定子磁动势中的3次谐波以改善起动性能，也有采用双层绕组和正弦绕组的。在电容起动的单相感应电动机中，工作绕组占定子总槽数的23，起动绕组占13。单相感应电动机的转子都是普通的笼型转子。52012年5月9日Wednesday第25页1双旋转磁场理论 单相感应电动机的定子绕组接入电源时，主绕组就会产生一个脉振磁动势。把此脉振磁动势分解成两个大小相等、转向相反、转速相同的旋转磁动势Ff和Fb，如图所示。若磁路为线性，把正向和反向旋转磁动势所产生的磁场与转子作用后所产生的效果叠加起来，即可得到原来脉振磁动势所生磁场与转子作用时的结果，这就是双旋转磁场理论。2012年5月9日Wednesday第26页 若转子转速为n，则转子对正向旋转磁场的转差率为s，对反向旋转磁场的转差率为。正向旋转磁场与其所感应的转子电流作用，产生正向电磁转矩Tef；反向旋转磁场与其所感应的转子电流作用，产生反向电磁转矩Teb；根据双旋转磁场理论，两者之和即为电动机的合成电磁转矩Tem，如图所示。2ssnnsn2012年5月9日Wednesday第27页 s1时，合成电磁转矩为零，故单相感应电动机无起动转矩。为此，必须采取专门的措施使之起动。此外，在s1的左右两边，合成转矩是对称的，因此单相感应电动机无固定的转向，工作时的转向将由起动时的转动方向而定。2012年5月9日Wednesday第28页2等效电路 根据双旋转磁场理论，对正向和反向磁场分别引用类似于三相感应电动机的分析方法，可得出单相感应电动机的等效电路，如图所示。2012年5月9日Wednesday第29页 从等效电路可见，当转子不动时，转差率s1，气隙中正向和反向旋转磁场的幅值相等，且等于气隙脉振磁场幅值的12；由正向和反向旋转磁场在定子绕组中所感生的电动势Ef和Eb大小相等，且为气隙合成磁场所感生的总电动势的12；与此对应，s1时，等效电路中的和均等于零，即正向和反向转子回路完全相同。210.5sRs210.52sRs2012年5月9日Wednesday第30页 当转子旋转时，正向和反向旋转磁场的作用将互不相同。从等效电路可见，当电动机转动以后，等效电阻，故。这说明随着转速的上升，气隙中的正向旋转磁场增大，反向旋转磁场减小，于是正向电磁转矩大于反向电磁转矩，使合成电磁转矩成为正值，如图所示。正常运行时，s很小，正向旋转磁场的幅值数倍于反向旋转磁场的幅值，故气隙中的合成磁场接近于圆形旋转磁场，此时反向电磁转矩的作用不太明显。1,21ss220.50.52RRssfbEE62012年5月9日Wednesday第31页 正向电磁转矩Tef和反向电磁转矩Teb则为 合成电磁转矩Tem为 由于单相感应电动机中始终存在着一个反向旋转磁场，因此这种电机的最大转矩倍数、效率和功率因数等均稍低于三相感应电动机。单相感应电动机的参数，亦可以用空载试验和堵转试验来确定。2222220.50.511,2effebbssRRTITIss 2222220.50.51()2emefebfbsRRTTTIIss2012年5月9日Wednesday第32页三、起动方法 单相感应电动机无起动转矩，故自己不能起动。为产生起动转矩，应设法在起动时在气隙中形成一个椭圆或圆形的合成旋转磁场。为此，在定子上另装一个空间位置不同于主绕组的起动绕组，且使起动绕组的电流在时间相位上亦不同于主绕组内的电流。常用的方法有：裂相法和罩极法。2012年5月9日Wednesday第33页1裂相起动 此时起动绕组与主绕组在空间互差90电角度，起动绕组经离心开关或继电器的触点Q，与主绕组并联接到电源上，如图所示。适当选择起动绕组的导线线规和匝数，或接入特殊的电阻元件，使起动绕组的电阻较大，则起动绕组中的电流在时间上可超前于主绕组电流一定的相角。这样，两个绕组就会在气隙中形成一个椭圆形旋转磁动势和磁场，并产生一定的起动转矩，使电机转动起来。当转子转速达到同步转速的7580时，离心开关将起动绕组从电源断开。这种靠起动绕组的电阻增大以造成“裂相”作用的电动机，称为裂相电动机。2012年5月9日Wednesday第34页 裂相电动机的起动转矩较小，为了增加起动转矩，可在起动绕组回路中串入一个电容C，如图a所示，这种电动机称为电容起动电动机。适当选择电容的大小，使起动绕组中的电流超前于工作绕组中的电流约90相角，如图b所示，这样起动绕组和工作绕组就可以在气隙中形成一个接近于圆形的旋转磁场，并产生较大的起动转矩。图c表示这种电动机的Tes曲线，图中曲线2表示离心开关Q闭合时的情况，曲线1表示Q开断时的情况，S表示动作点。2012年5月9日Wednesday第35页 如果电动机起动完毕后，起动绕组不断开，一直接入电容运行，这种电机就称为电容运行电动机。电容运行电动机的力能指标较高，但起动性能较电容起动电动机稍差。2012年5月9日Wednesday第36页2罩极起动 罩极式单相感应电动机的定子铁心多数做成凸极式，每个极上装有工作绕组。在磁极极靴的一边开有个小槽，槽内嵌有短路铜环，把部分磁极“罩”起来，如图a所示，此铜环也称为罩极线圈。1KKIKEK工作绕组罩极线圈 n结构简图 1KKIKEK 1KKIKEK 1KKIKEK 1KKIKEK工作绕组罩极线圈 n结构简图72012年5月9日Wednesday第37页 由于短路环的作用，通过被罩部分的合成磁通与未罩部分的磁通在时间上将出现定的相位差，而被罩部分与未罩部分在空间又有一定的相位差，于是气隙内的合成磁场将是一个具有一定推移速度的“移行磁场”，移行的方向为从超前的移向滞后的。在移行磁场作用下，电动机将产生一定的起动转矩，使转子顺着磁场移行的方向转动起来。罩极法得到的起动转矩较小，但因结构简单，故多用于小型电扇、电唱机和录音机中2012年5月9日Wednesday第38页5.4 感应发电机 一、工作原理 二、感应发电机的运行方式2012年5月9日Wednesday第39页一、工作原理 设有一台感应电机原先接在电网上作为电动机运行，且为空载，现设法另用一台原动机来驱动电机的转子，使转子的转速n达到同步速度ns，即转差率s0，这时气隙旋转磁场和转子之间将无相对运动，因而转子的感应电动势和电流都将等于零，电磁功率亦等于零，此时电机就处于电动机转变为发电机的临界状态。2012年5月9日Wednesday第40页 逐步增加原动机的驱动转矩，则转子转速n将超过同步速度ns，转差率将成为负值，s90，表示定子输入功率为负值(电动机惯例)，即定子已向电网输出有功功率。2sE2012年5月9日Wednesday第41页 感应发电机接在电网上运行时，定子电压和频率取决于电网电压和频率，与其转速无关；此外，主磁场和漏磁场所需的滞后无功功率均由电网供给。2012年5月9日Wednesday第42页二、感应发电机的运行方式 1感应发电机与电网并联 感应发电机接在电网运行时，定子电压和频率取决于电网电压和频率，与电机的转速无关。当原动机输入机械功率增加，转速n增大，转差率s增大，发电机输出有功功率也增大。对于无功功率，该类电机的励磁电流由电网提供，一般励磁电流可以为0.3IN左右，所以增加了电网的无功负担，这个缺点比较突出。但是这种电机结构简单，运行可靠，且并网手续方便，只需注意转速略大于同步转速，即可投入电网。82012年5月9日Wednesday第43页2感应发电机单机运行 感应发电机也可以单独带负载运行。此时，由于无法从电网上获得激磁电流，因而必须在定子端点并联一组对称的三相电容器(见图)，利用电容来供给激磁电流，以建立气隙磁场和发电机的端电压，这就是感应发电机的自激。2012年5月9日Wednesday第44页 为使感应发电机能够自激，首先转子中要有一定的剩磁。在空载情况下，用原动机带动转子旋转，转子的剩磁磁通“切割”定子绕组，使定子绕组中感生剩磁电动势，并向并联电容送出容性电流IC；IC通过定子绕组后将产生与剩磁方向一致的增磁性定子磁动势和磁场，使气隙磁场得到加强，并使发电机的电压逐步建立起来。最后的稳态空载电压，取决于空载曲线与电容线的交点A，如图b所示。2012年5月9日Wednesday第45页单机负载运行时，感应发电机的电压和频率将随负载的变化而变化；为保持电压和频率恒定，必须相应地调节原动机的驱动转矩和电容C的大小。感应发电机结构简单、运行可靠，投入电网比较简单，但与电网并联运行时将会降低电网的功率因数、影响送电效率；单机运行时需要加装电容，运行时电压和频率又不太稳定，这些都限制了它的应用。因此单机运行只适用于供电系统无法达到的且供电质量要求不太高的边远地区。2012年5月9日Wednesday第46页5.5 直线感应电机 一、基本结构 二、工作原理2012年5月9日Wednesday第47页 设想把图a所示的感应电机沿径向剖开，并将它展成直线，即可得到图b所示直线感应电机。在直线感应电机中，装有三相绕组并与电源相接的一侧称为原边，另一侧称为副边。原边既可作为定子，亦可以作为运动的“动子”。2012年5月9日Wednesday第48页 实际电机的原边和副边长度常做成不等，从降低成本出发，通常采用短原边的形式，如图a所示。图a所示结构称为单边型，这种结构的原、副边之间具有很大的法向磁拉力；如果将它改成图b所示双边型，两边的法向磁拉力将互相抵消。92012年5月9日Wednesday第49页 直线感应电机原边的铁心由硅钢片叠成，表面开槽，三相绕组嵌在槽内。副边有很多形式，一种是在钢板上开槽，槽内嵌入铜条或铝条，两侧用铜带或铝带连接起来，形成类似于笼型转子的短路绕组。这种结构性能较好，但制造复杂，因此较少采用。当副边较长时，通常采用整块钢板或在钢板上复合铜或铝等金属作为副边。此外，也有仅用铜或铝构成的非磁性副边。为保证长距离运动中定子和动子不致相擦，直线电机的气隙一般要比普通感应电机大得多。2012年5月9日Wednesday第50页二、工作原理 当直线感应电机的原边接到三相交流电源时，与普通感应电机相似，气隙内将形成一个从A相移向B相、从B相移向C相的平移行波磁场(主磁场)。行波磁场的推移速度是同步速度。行波磁场将在副边感生电动势和电流，此电流与行波磁场相互作用产生切向电磁力，使动子作直线运动。设动子的运动速度为v，则转差率。直线感应电机通常作为电动机用，故0s1。2svf()/sssvvv2012年5月9日Wednesday第51页 直线感应电机可用于高速地面运输系统和工业中的各种直线传动设备(例如直线传动带)。与旋转电机相比较，此时可以省去把旋转运动转换为直线运动的传动装置。直线电机的缺点是，由于气隙较大，原边铁心两端开断，故电机的功率因数和效率较低；此外由于三相阻抗不对称，所以即使在三相对称电压下运行，三相电流也不对称。2012年5月9日Wednesday第52页小结 三相感应电动机在不对称电压下运行时，由于出现负序磁场和负序电流，使电动机的性能变坏：过载能力降低，损耗增加，效率下降，特别是定子绕组中可能有一相的电流过大而有过热的危险。因此，三相感应电动机不允许在较严重的不对称电压下运行。2012年5月9日Wednesday第53页 定子上只有一个工作绕组的单相感应电动机可用双旋转磁场的理论进行分析。把定子单相绕组产生的脉振磁动势分解为正、反转两个旋转磁动势，然后分别求出每个旋转磁动势产生的转矩特性，再把它们代数相加而得电动机的合成转矩特性。由此可分析出这种电动机没有起动转矩，不能自行起动。为了使电动机能够起动；必须设法在气隙中建立旋转磁场。常用的方法是分相起动(包括电容起动和电阻起动)和罩极起动。2012年5月9日Wednesday第54页 感应电机主要作电动机运行，也可以作发电机状态和制动状态运行。最后介绍了直线感应电机。