电机学感应电机稳态分析.pptx

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1、一、感应电机的结构感应电机定子绕组定子铁心 转子机座 笼 型 结构转子铁心转轴转子绕组绕线型 结构定子5.15.1 感应电机的结构和运行状态感应电机的结构和运行状态第1页/共66页二、感应电机的运行状态 旋转磁场的转速ns与转子转速n之差称为转差转差n与同步转速ns的比值称为转差率，用s表示，即： 转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态，如图5-5所示 例题ssnnsn第2页/共66页u额定功率PN (kW) ：额定运行时轴端输出的机械功率；u额定电压UN (V) ：额定运行时定子绕组的线电压；u额定电流IN (A)：

2、额定电压下运行，输出功率为额定值 时，定子绕组的线电流；u额定频率fN (Hz) ：定子的电源频率；u额定转速nN (r/min) ：额定运行时转子的转速。三、额定值返回第3页/共66页 空载运行时， 定子磁动势基本上就是产生气隙主磁场的激磁磁动势，定子电流就近似等于激磁电流。计及铁心损耗时，磁场在空间滞后于磁动势以铁心损耗角，如图5-65-6所示。5.2 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场一、空载运行时的磁动势和磁场 1.空载运行时的磁动势 第4页/共66页 2. 主磁通和激磁阻抗 主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通，它经过的磁路(称为主磁路)包括气隙、定

3、子齿、定子轭、转子齿、转子轭等五部分如图5-7所示。 气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通 将在定子每相绕组中感生电动势 1E111mw1j4.44Ef Nk m第5页/共66页 若主磁路的磁化曲线用一条线性化的磁化曲线来代替，则主磁通将与激磁电流成正比；于是可认为 与 之间具有下列关系：11mmmmjEI ZIRX ()1EmI第6页/共66页3. 定子漏磁通和漏抗 定子漏磁通又可分为槽漏磁、端部漏磁和谐波漏磁等三部分，槽漏磁和端部漏磁如图5-8a和b所示。 定子漏磁通 将在定子绕组中感应漏磁电动势 。把 作为负漏抗压降来处理，可得 1112111111j22EI XXf Lf N 1 E

4、11 E第7页/共66页二、负载运行时的转子磁动势和磁动势方程 当电动机带上负载时，转子感应电动势和电流的频率 f2 应为 转子电流产生的旋转磁动势 F2 相对于转子的转速为n2： sss21s6060p(nn)pn nnfsfn1. 转子磁动势212s6060 fsfnsnnpp第8页/共66页 转子本身又以转速n在旋转，因此从定子侧观察时，F2在空间的转速应为 定子和转子磁动势之间的速度关系，如图5-9所示。图5-10表示三相绕线型转子的转子磁动势的空间相位。NoImage例题ss()nnnnnn第9页/共66页 负载时转子磁动势的基波对气隙磁场的影响，称为转子反应。转子反应有两个作用：

5、使气隙磁场的大小和空间相位发生变化，从而引 起定子感应电动势和定子电流发生变化。 它与主磁场相互作用，产生所需要的电磁转矩， 以带动轴上的机械负载。2. 转子反应 第10页/共66页 转子反应的两个作用合在一起，体现了通过电磁感应作用，实现机电能量转换的机理。由此可以进一步导出负载时的磁动势方程： 图5-11示出了负载时定、转子磁动势间的关系，以及定子电流与激磁电流和转子电流的关系。12mFFFNoImage12mIII22iIIk11w1i22w2m N kkm N k3.负载时的磁动势方程 1m1LIII1L2FF 返回第11页/共66页1. 定子电压方程 111jtjtjt1111111

6、1111mm(j)(j) U eI eRXE eUI RXEEI Z5.3 5.3 三相感应电动机的电压方程和等效三相感应电动机的电压方程和等效电路电路一、电压方程第12页/共66页2. 2. 转子电压方程转子电压方程 2s12w2m4.44Esf N k212w2m4.44Ef N k2s2EsEjj2s2s22j22 t tE eI e(RsX)2s2212222Xf Lsf LsX2s2s22jEI (RsX)第13页/共66页1I11111(j)EEI X 定子22FmmF1F2s2s2s2s(j)EEI X 2sI1E1sE转子图5-12表示电压方程相应的定、转子的耦合电路图定子绕组

7、内转子绕组内第14页/共66页二、等效电路 11jj2222j t tRE eI e(X)s2222jREI (X)s1. 频率归算222R1sRRss图5-13表示频率归算后，感应电动机定、转子的等效电路图；图中定子和转子的频率均为f1，转子电路中出现了一个表征机械负载的等效电阻。第15页/共66页图5-14表示频率和绕组归算后定、转子的耦合电路图 。 1w122w22120.90.92N kIN kImm2pp22w21w122222e211w1i2w2m N kN kIII EEk Em N kkN k*222122 m E Im E I222 221 22m I Rm I R22222

8、1 221122m I Xm I X2. 绕组归算第16页/共66页 根据上式即可画出感应电动机的T形等效电路，如图5-15 所示。图5-16表示与基本方程相对应的相量图 。11111212212mm12mjUIRXEREIXEEI ZIII ()(j)s经过归算，感应电动机的电压方程和磁动势方程成为3. T型等效电路和相量图第17页/共66页4. 4. 近似等效电路近似等效电路由此即可画出形近似等效电路，如图5-17所示。11m21m2m121m21221m11m2m21UIZ ZZZZUIIZZZcZZUIIZZZZc ZZ1m1m212121m21()UIZZZUIZcZIII c121

9、20ZZZZ返回第18页/共66页 感应电动机从电源输入的电功率： 消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗： 消耗于定子铁心变为铁耗： 从定子通过气隙传送到转子的电磁功率： 2cu11 11pm I R111 11cosPmU I2Fe1 mmpm I R 22e12 221 2RPm E I cosm Is5.4 5.4 感应电动机的功率方程和转矩感应电动机的功率方程和转矩方程方程一、功率方程，电磁功率和转换功率第19页/共66页 功率方程为：Cu1Feeecu221PppPPpPPPpp其中2Cu2122e2122epm IRsP1sPm IR(1s)Ps 图5-18表示相应的功率图。 第20页/

10、共66页二、转矩方程和电磁转矩二、转矩方程和电磁转矩 转矩方程 电磁转矩e022e02TTTPppPT, T, T eese22w2m22m2222w21coscos212PPTTpm N kICICpm N k 例题返回第21页/共66页 1. 试验目的: 确定电动机的激磁参数、铁耗和机械损耗。一、空载试验一、空载试验5.5 感应电动机参数的测定空载特性曲线第22页/共66页2. 铁耗和机械损耗分离Fepp1210103RIP 21UO返回第23页/共66页 参数计算 激磁电阻 空载电抗 激磁电抗2101 101FePm I Rppm01XXXFem2110pRm I 20210220200

11、RIURZX 5.5 感应电动机参数的测定感应电动机参数的测定第24页/共66页 短路特性1k1k,IP二、堵转试二、堵转试验验1.试验目的：确定感应电动机的漏阻抗。1U等效电路第25页/共66页2. 参数计算221kkkkkk21k11km22k11kkm2jj12UPZ, R, XZRIm IX (RjX)ZRjXRXRj(XX) 22mk12222m222222mk1m222m2()()XRRRRXXRXXXXXXRXX 返回第26页/共66页转矩转差率特性曲线 如图5 525 25 所示。 2211e22s2112RUmsTRRcXcXs 5.6 5.6 感应电动机的转矩感应电动机的转

12、矩转差率曲转差率曲线线一、转矩转差率特性第27页/共66页二、最大转矩和起动转矩 1. 最大转矩 2. 起动转矩22m2212112221111max22ss121112()2()2 () cRRsXXRXcXmUm UT XXcRRXcX 2112st22s1212()()mU RTRcRXcX 第28页/共66页3. 3. 讨讨论论 感应电机的最大转矩与电源电压的平方成正比，与定、转子漏抗之和近似成反比； 最大转矩的大小与转子电阻值无关，临界转差率则与转子电阻成正比：转子电阻增大时，临界转差率增大，但最大转矩保持不变，此时曲线的最大值将向左偏移, ,如图5-265-26所示； 起动转矩随转

13、子电阻值的增加而增加，直到达到最大转矩为止。第29页/共66页三、机械特性三、机械特性 ( (转矩转矩- -转速特性转速特性) ) 工程中将感应电动机的转速随电磁转矩的变化曲线成为机械特性。 电动机机械特性与负载机械特性的交点称为电动机的运行点。 两者之间的关系如图5-27所示。 NoImage例题返回第30页/共66页 在额定电压和额定频率下，电动机的转速、电磁转矩、定子电流、功率因数、效率与输出功率的关系曲线称为感应电动机的工作特性。 图5-285-28表示一台10kW10kW的三相感应电动机的转速特性和定子电流特性。电磁转矩、功率因数和效率特性如图5-295-29所示。 由于感应电动机的

14、效率和功率因数都在额定负载附近达到最大值，因此选用电动机时应使电动机的容量与负载相匹配，以使电动机经济、合理和安全地使用。5.7 5.7 感应电动机的工作特感应电动机的工作特性性一、工作特性第31页/共66页 先用空载试验测出电动机的铁耗、机械损耗和定子电阻，再进行负载试验求取工作特性。二、工作特性的求取1. 直接负载法2.由参数算出电动机的主要运行数据在参数已知的情况下，给定转差率，利用等效电路求出工作特性。 返回第32页/共66页返回导条端环笼型绕组第33页/共66页返回风叶铁心绕组滑环轴承第34页/共66页返回第35页/共66页感应电动机的空载磁动势和磁感应电动机的空载磁动势和磁场场Bm

15、Fm返回A CB X Y Z nsnFe第36页/共66页返回感应电机中主磁通所经过的磁感应电机中主磁通所经过的磁路路第37页/共66页返回端部漏磁槽漏磁第38页/共66页返回nsnsn snns()定转子磁动势之间的速度关系第39页/共66页返回转子磁动势波F2气隙磁场Bm转子22ie22ienTe转子磁动势波F2气隙磁场Bm转子nTe转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置第40页/共66页定、转子磁动势的空间矢量图和定、转子电流相量图返回1Fmm()B snmFmI2I290 nABCXYZsnax2F I2 1I2F 第41页/共66页返回1f1R 1X2Rn1U1I1E I2s 2sX2

16、f2sE感应电动机定、转子耦合电路图第42页/共66页频率归算后感应电动机的定、转子电路图1f1f返回R1X10 n1U1I1E2ImN kw111,m ,N kw2221sRs2X22ER2第43页/共66页1R 1X返回2R 0 n1U1I1E21EE2I111,kwNm111,kwNm21Rss 2X频率和绕组归算后感应电动机的定、转子电路图第44页/共66页1R返回 1X 2X 2R Rm1I2I21Rss 1UmIXm12EE感应电动机的T形等效电路第45页/共66页异步电动机相量图 返回第46页/共66页形近似等效电路2cR1R返回2cX 1X21scRsmcZ1U1I2ImI第4

17、7页/共66页NoImage返回1PPe P2PpCu1pCu2pFepp 感应电动机的功率图第48页/共66页转矩转差率特性曲线返回第49页/共66页maxT返回1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 300250200150100 50 012R22R32R42R12223242RRRR 转子电阻变化时的Te-s曲线11111111111111第50页/共66页n返回snAeT02TT eT0感应电动机的转矩-转速特性第51页/共66页返回2/kWP24201612 8 4 01210 8 6 4 2 01.000.950.900.850.800.7501AI%ssnnn1Is感应电动

18、机的)(,2PfIn第52页/共66页 e1N,cosTT返回0.10.80.60.40.20100 80 60 40 20 02 4 6 8 10 12eNTT1cos % 2/kWP感应电动机的e12N, ,cos()Tf PT第53页/共66页例51 有一台50Hz的感应电动机，其额定转速nN 730rmin，试求该机的额定转差率 第54页/共66页 解： s = (ns-nN) /ns = 750-730/750=0.02667 第55页/共66页例5-2 有一台50HZ、三相、四极的感应电动机转子的转差率s=5%，试求：（1）转子电流的频率；（2）转子磁动势相对于转子的转速；（3）转

19、子磁动势在空间的转速。 第56页/共66页解 (1)转子电流的频率 f2 = sf1 =0.0550=2.5Hz (2)转子磁动势相对于转子的转速 n2=60f2/p=(602.5)/2=75r/min (3) 转子磁动势在空间的转速 n2 + n = n2+ns(1-s)=1500r/min第57页/共66页例53 已知一台三相四极的笼型感应电动机，额定功率 PNl0kW，额定电压UN380V(三角形联结)，定子每相电阻R1=1.33,漏抗X12.43，转子电阻的归算值R2=1.12，漏抗归算值X2=4.4，激磁阻抗Rm712，Xm900，电动机的机械损耗 p=100W，额定负载时的杂散损耗

20、 p=100W。试求额定负载时电动机的转速，电磁转矩，输出转矩，定子和转子相电流，定子功率因数和电动机的效率。第58页/共66页19.87A19.87A11.47A11.47A3 3定子线电流为定子线电流为A A29.4329.4311.4711.47A Aj13.85j13.8527.5327.53j2.43j2.431.331.330 0380380Z ZZ ZZ ZZ ZZ ZU UI I: :为为I I于是定子相电流于是定子相电流j13.85)j13.85)(27.53(27.5326.726.730.8230.82j90j907 7j14.4j14.4353585.5585.5590

21、.2790.2787.1687.1635.235.2Z ZZ ZZ ZZ Z的并联值是：的并联值是：与Z与ZZ Z85.5585.5590.2790.27j90)j90)(7(7jXjXR RZ Z激磁阻抗：激磁阻抗：87.1687.1635.235.2j4.4)j4.4)3535j4.4)j4.4)0.0320.0321.121.12( (jXjXs sR RZ Z：，则转子的等效阻抗为，则转子的等效阻抗为0.032(试探值）0.032(试探值）s s设额定负载时的转差率设额定负载时的转差率输入功率输入功率（1）定子电流和定子（1）定子电流和定子解解m m 2 2m m 2 2111 11

22、11 1m m 2 2m m 2 2m m 2 2m mm mm m 22 2 2 2 2N N第59页/共66页 定子功率因数为：（2 2）转子电流和激磁电流 WIU11389cos3P 871. 043.29coscos11111m21m22m1m2Z90.27II11.4710.02AZZ103.32Z35.28II11.473.917AZZ103.32 第60页/共66页（3）定，转子损耗22Cu11122Femm22Cu222Cu1Fe33 11.471.33524.9W33 3.9177322.2W33 10.021.12337.3W1384.4W pI RpI RpI Rpppp

23、p211(11389 1384.4)10004W1384.4 1187.84%11389 ppppp（4）输出功率和效率第61页/共66页（5）额定负载时的转速（6）电磁转矩和输出转矩NsN(1)1500 (1 0.032)r/min1452r/minnns 2222t22133 10.02(1 0.032) 3510204W2n2 1452152.1rad/s60601020467.1N m152.11000465.79N m152.1 spIRspTpT第62页/共66页例54 一台四极、380V、三角形联结的感应电动机，其参数为1=4.47，2 = 3.18，X1= 6.7，X2= 9.

24、85，X= 188, m忽略不计。试求该电动机的最大转矩max及临界转差，起动电流Ist及起动转矩st。 第63页/共66页1m2m2222112211max22111122226.7111.0361881.036 3.180.1884(X)4.47(6.71.036 9.85)2 (c) 338015002 1.0364.474.47(6.71.036 9.85) 26060.61N m XcXcRsRcXmUTc RRXX解：第64页/共66页起动时s=1，起动电流和起动转矩分别为： mN 25.349.85)1.036(6.73.18)1.036(4.473.1838060150023 )Xc(X)Rc(RRUmT20.43AA9.85)1.036(6.73.18)1.036(4.47380 )Xc(X)Rc(RUI222221221221s1st222212211st第65页/共66页感谢您的观看！第66页/共66页