感应电机.ppt
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1、5.1 感应电机的结构和运行状态1.感应电机的结构感应电机分为定子和转子部分。感应电机外形图感应电机结构图定子定子statorstator:固定部分转子转子rotorrotor:旋转部分气隙气隙air gapair gap:很小,0.2-2mm对电机性能影响很大异步电动机的结构异步电动机的结构5.1 感应电机的结构和运行状态5.1 感应电机的结构和运行状态1)定子铁心:由厚度为0.5mm的低硅钢片叠装而成,构成磁路,嵌放定子绕组。为了嵌放定子绕组,在定子冲片中均匀地冲制若干个形状相同的槽。5.1 感应电机的结构和运行状态槽形有三种,半闭口槽适用于小型异步电机,其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适
2、用于低压中型异步电机,其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电机,其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。5.1 感应电机的结构和运行状态绕组:由铜线绕制成三相对称绕组,构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。机座:固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。5.1 感应电机的结构和运行状态2)转子铁心:由厚度为0.5mm的低硅钢片叠装而成,构成磁路。转轴:支撑转子铁心和输出输入机械转矩。绕组:构成闭合电路部分。分为:笼形绕组和绕线式绕组。(1)笼型绕组。在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体,在铁心两端放置两个端环,分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接
3、起来。如果去掉铁心,则剩下来的绕组的形状就像一个松鼠笼子。这种笼型绕组可以用铜条焊接而成,也可以用铝浇铸而成。5.1 感应电机的结构和运行状态去掉铁心的笼型绕组笼型转子5.1 感应电机的结构和运行状态(2)绕线式绕组:与定子绕组相似的对称三相绕组。一般接成星形。将三个出线端分别接到转轴上三个滑环上,再通过电刷引出电流。绕线式转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻,以改善电动机的起动性能、调节其转速。5.1 感应电机的结构和运行状态绕线转子接线示意图5.1 感应电机的结构和运行状态2.感应电机的运行状态感应电机分为电动机、发电机和电磁制动三种运行状态,如图。5.1 感应电机的结构和
4、运行状态电动机运行状态上图a)定子绕组上加三相交流电源电压,便有三相对称电流流过,在气隙产生旋转磁场。基波磁场以同步转速 逆时针转动,图中瞬间,上部分N极,下部分S极。则转子绕组顺时针切割磁场感应电势,从而在自行闭合回路的转子绕组中产生和电势基本上同方向的电流。转子导体的电流和气隙磁场相互作用,产生和同步转速同方向的电磁转矩,使转子以转速 转动,转子转向和同步转速同方向。这样,感应电机定子从电源上输入的电功率转化为转子的输出功率。由于铁耗、机械损耗等原因,电动机的转速 小于但接近同步转速 ,存在转差,故感应电机又称异步电机。5.1 感应电机的结构和运行状态用转差率来反映转差的大小,转差率 ;电
5、动机:发电机运行状态 图b)原动机按同步转速的方向拖动感应电机的转子转动,且使电机的转速高于同步转速,;转子绕组逆时针切割磁场,产生和电动机状态方向相反的感应电势及电流,从而产生和转速相反的电磁转矩。此时感应电机转轴从原动机输入机械功率,克服电磁转矩,由感应电机的定子向电网输出电功率。发电机:5.1 感应电机的结构和运行状态电磁制动状态图c)用外力使转子逆着旋转磁场转动 ,此时转子导体切割磁场的方向和电动机状态时的相同,从而转子的感应电势及电流和电动机状态时的同方向。电磁转矩和电机的转速反方向,为电磁制动转矩。这样,感应电机转子从原动机输入机械功率,定子也从电网吸收电功率(因转子导体电流方向和
6、电动机状态时的相同),输入的机械功率和电功率都变成电机的内部损耗。电磁制动:5.1 感应电机的结构和运行状态3.额定值额定功率 :是转轴上输出的机械功率,单位为W或kW。额定电压 :施加在定子绕组上的线电压,单位为V。额定电流 :电动机在额定电压、额定频率下轴端输出额定功率时,定子绕组的线电流,单位为A。额定频率 :我国电网频率50Hz。额定转速 :电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定功率时,转子的转速,单位为r/min。额定效率 。额定功率因数 。三相异步电动机额定值之间的关系:5.2 三相感应电动机的磁势和磁场 感应电动机工作时,首先定子绕组接电源,产生旋转磁场通过气隙传递到转子绕组,
7、使转子绕组产生磁势,从而实现能量转换。变压器工作时,也是一次绕组电流产生磁场通过铁心传递到二次绕组,使二次绕组产生磁势,实现能量传递。即感应电动机的电磁过程和变压器的电磁过程一样。感应电动机的定子绕组对应变压器的一次绕组,转子绕组对应变压器的二次绕组。变压器的分析方法完全适用于感应电动机。磁场按空载和负载两种情况分析。5.2 三相感应电动机的磁势和磁场1.空载运行时的磁势和磁场 异步电动机定子绕组接三相电源,有三相电流流过,主要产生基波旋转磁势,同步转速 ;空载时,认为 ,定子电流 就是空载电流即激磁电流 ,定子基波磁势基本上就是激磁磁势。电机磁场存在主磁通和定子漏磁通,如图;主磁通 :基波磁
8、势产生的同时交链定、转子绕组的磁通。在定、转子绕组感应电势:5.2 三相感应电动机的磁势和磁场漏磁通 :主磁通之外的磁通,分为槽漏磁端部漏磁谐波漏磁;如图。其中谐波漏磁是由定子绕组的空载电流产生的高次谐波磁势产生的磁通。漏磁通在定子绕组感应漏抗电势:5.2 三相感应电动机的磁势和磁场2.负载运行时的磁势及磁场 感应电动机带负载运行时,转速为 ,定子电流从空载时的 变为 增大。由于 和 同方向,这时转子绕组相对定子旋转磁场的速度为 切割磁场,如图,转子绕组感应电势和电流的频率(解释:,定子感应电势的频率 ,为定子相对磁场的转速。),转子电流产生的旋转磁势 相对转子相对转子的转速:5.2 三相感应
9、电动机的磁势和磁场 定子电流相序确定的旋转磁场切割转子绕组,使转子电势及电流的相序和定子电流的相序相同。故转子旋转磁势 的转向和 相同,相对定子的转速为即感应电机不论运行什么状态,转子磁势即感应电机不论运行什么状态,转子磁势 和定子磁势和定子磁势 在空间上转速、转向都相同,相对静止。气隙中的合成磁势在空间上转速、转向都相同,相对静止。气隙中的合成磁势(激磁)(激磁)和和 同转速、同转向。同转速、同转向。且 、和 在空间上的相位差就等于 、和 在时间上的相位差。即电流变比5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路1.电压方程定子电压方程:和变压器类似,电动机定子每相电压方程:分别为定子每相的电阻
10、和漏抗;转子电压方程:转子的电势及电流的频率为 ,下标用s表示;是由于转子绕组为短接。5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路电动机的电磁关系:将电压方程转为用定、转子耦合电路表示,如图:5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路2.等效电路由于定、转子频率不同,无法将定、转子电路统一在同一个电路中。为此,将转子频率 变换为定子频率 -频率归算;再进行绕组归算得到等效电路。频率归算:由转子电压方程且得:转子物理量下标只用2表示的,表示转子的频率等于定子的频率的物理量。转子每相电阻为直流电阻值,不计频率转子是通过 对定子作用的,只要转子磁势不变,定子的物理量也不会变化,转子磁势大小与电流有关,
11、与频率无关。用静止转子代替转动转子。影响。5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路频率归算时,转子磁势不变,则转子电流大小也不变:即频率归算后,转子电流不变,转子电阻由 ;为对应转子机械功率的等效电阻。频率归算后,转子电压方程:耦合电路:5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路绕组归算:将转子绕组归算到定子绕组,即用一个与定子绕组的相数、匝数及绕组因数完全相同的等效转子绕组代替频率归算后的转子绕组。归算后的值:-电流变比;-电势变比;T型等效电路和相量图归算后方程:5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路由方程得耦合电路及T型等效电路。5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路相量图近似
12、等效电路校正系数:5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程1.功率方程感应电动机工作时,定子先从电网得到输入的电功率 (电压、电流为每相的值),一部分消耗在定子铜耗上 消耗在电机的铁耗上:正常运行时 转子 很小。认为;其余功率沿气隙传递到转子成为电磁功率5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程电磁功率一部分消耗在转子铜耗 上,其余转为转子的总机械功率 。可见 ,也称转差功率。;总机械功率一部分消耗在机械损耗 和杂散损耗 ,其余转为转轴上的输出功率 :;2.转矩方程-电动机输出转矩或负载转矩;-空载转矩5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程电磁转矩分别是转子角速度和同步角速度。电磁转矩与气隙主磁通和
13、转子电流的有功分量成正比。5.5 感应电动机参数的测定感应电动机的参数通过空载试验和堵转(短路)试验测取。1.空载试验试验目的:空载试验测定激磁电阻 、激磁电抗 以及铁耗 和机械损耗 。试验方法:试验时,电动机转轴上不带任何负载,空载运行。用调压器改变定子绕组的电压,使端电压从逐步下降到 左右,每次记录电动机对应的端电压 、空载电流 和空载功率 得空载曲线如图。试验后用电桥测取。5.5 感应电动机参数的测定数据处理:空载时,令 空载时 和电压的平方成正比,与转速无关;机械损耗 和转速有关,与电压无关。空载时,转速基本为常数,故机械损耗为常数。则 为直线,如图。得到铁耗 和机械损耗 。激磁电阻:
14、,等效电路得5.5 感应电动机参数的测定2.堵转(短路)试验堵转试验是试验时将转子堵住不动,转子回路电阻 ,又称短路试验。试验目的:测定定、转子漏电抗及转子电阻。试验方法:试验时,转子被堵住不动,用调压器改变电压大小,使短路电压从大往小调节,分别记录对应的短路电压 、电流 和短路功率 。数据处理:且感应电机存在气隙,激磁电流 较大,其等效电路不能像变压器短路时将励磁支路开路处理。感应电机 认为 处理,等效电路见下图。5.5 感应电动机参数的测定 等效电路得:考虑到感应电动机得:5.6 感应电动机的转矩转差率曲线转矩转差率特性:电源电压为额定电压,电磁转矩与转差率之间的关系 ,或转矩转差率曲线。
15、1.转矩转差率特性得转矩转差率曲线5.6 感应电动机的转矩转差率曲线 电动机状态发电机状态电磁制动状态2.最大转矩和起动转矩最大转矩令得产生最大转矩时的转差率 -临界转差率5.6 感应电动机的转矩转差率曲线其中正号对应于电动机状态,负号对应于发电机状态。感应电机的最大转矩与电压的平方成正比,与定、转子漏抗之和近似成反比。最大转矩大小与转子电阻无关,临界转差率与转子电阻成正比。因此对绕线型感应电动机,可改变转子电阻的大小,使在不同的转速下,转矩最大,如图。过载能力-额定(输出)转矩5.6 感应电动机的转矩转差率曲线起动转矩 :感应电动机接电源开始起动时()的电磁转矩。3.机械特性(转速转矩特性)
16、将转矩转差率曲线中的转差率用转速转换的机械特性,如图。5.7 感应电动机的工作特性感应电动机的工作特性:额定电压,额定频率下,电动机的转速 、电磁转矩 、定子电流 、定子功率因数 效率 与输出功率 的关系。通过试验测得。一台10kW的三相感应电动机的工作特性曲线如图。5.7 感应电动机的工作特性1.转速特性2.定子电流特性转速特性是一条随负载增加微微下降的曲线。定子电流特性是一条不过原点的上翘曲线。3.功率因数特性空载时,定子电流基本上是激磁电流,功率因数很小。负载增加时,定子电流的有功分量增大,功率因数逐步提高。负载一定时,若继续增大负载,转差率增大很多,导致转子的功率因数 下降,从而定子的
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