天津大学运动控制系统二绪论.pptx

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1、内容提要内容提要n工作原理工作原理 n等效电路等效电路 n功率平衡功率平衡 n转矩平衡转矩平衡 n机械特性机械特性 n工作特性工作特性 pecpec第1页/共55页2N N1定子线圈绕线匝数定子线圈绕线匝数Kw1定子线圈绕组系数定子线圈绕组系数m1定子线圈绕组相数定子线圈绕组相数R1定子每相绕组电阻定子每相绕组电阻Ls定子绕组等效自电感定子绕组等效自电感Ls1定子绕组单相自电感定子绕组单相自电感L1定子绕组等效漏电感定子绕组等效漏电感X1定子绕组等效漏电抗定子绕组等效漏电抗f1定子供电电源频率定子供电电源频率n1同步机械转速同步机械转速1同步机械角速度同步机械角速度S转差转差I1定子每相绕组电

2、流定子每相绕组电流F1定子绕组磁势定子绕组磁势1气隙磁通（主磁通，合成磁通）气隙磁通（主磁通，合成磁通）1链过定子每相绕组的主磁链链过定子每相绕组的主磁链E1定子每相绕组感应电势定子每相绕组感应电势1定子每相绕组漏磁通定子每相绕组漏磁通1定子每相绕组漏磁链定子每相绕组漏磁链E1定子每相绕组漏磁电势定子每相绕组漏磁电势符号表定子侧定子侧第2页/共55页3符号表转子侧转子侧N N2转子线圈绕线匝数转子线圈绕线匝数Kw2转子线圈绕组系数转子线圈绕组系数m2转子线圈绕组相数转子线圈绕组相数R2转子每相绕组电阻转子每相绕组电阻Lr1转子每相绕组自电感转子每相绕组自电感Lr转子绕组等效自电感转子绕组等效自

3、电感L2转子绕组等效漏电感转子绕组等效漏电感X2转子绕组等效漏电抗转子绕组等效漏电抗f2转子每相绕组感应电势频率转子每相绕组感应电势频率n2转子旋转磁势的转速（相对于转子）转子旋转磁势的转速（相对于转子）n转子实际机械转速转子实际机械转速转子实际机械角速度转子实际机械角速度I2转子每相绕组电流转子每相绕组电流F2转子绕组磁势转子绕组磁势2链过转子每相绕组的主磁链链过转子每相绕组的主磁链E2转子每相绕组感应电势转子每相绕组感应电势2转子每相绕组漏磁通转子每相绕组漏磁通2转子每相绕组漏磁链转子每相绕组漏磁链E2转子每相绕组漏磁电势转子每相绕组漏磁电势第3页/共55页4符号表转子侧折算到定子侧转子侧

4、折算到定子侧ki电流折算因子电流折算因子ke电势折算因子电势折算因子kz阻抗折算因子阻抗折算因子R2转子每相绕组电阻（折算后）转子每相绕组电阻（折算后）Lr1转子每相绕组自感（折算后）转子每相绕组自感（折算后）Lr转子绕组等效自感（折算后）转子绕组等效自感（折算后）L2转子每相绕组漏电感（折算后）转子每相绕组漏电感（折算后）X2转子每相绕组漏电抗（折算后）转子每相绕组漏电抗（折算后）I2转子每相绕组电流转子每相绕组电流（折算后）（折算后）2链过转子每相绕组的主磁链（折算后）链过转子每相绕组的主磁链（折算后）E2转子每相绕组感应电势（折算后）转子每相绕组感应电势（折算后）2转子每相绕组漏磁通（折

5、算后）转子每相绕组漏磁通（折算后）2转子每相绕组漏磁链（折算后）转子每相绕组漏磁链（折算后）E2转子每相绕组漏磁电势（折算后）转子每相绕组漏磁电势（折算后）Rm等效励磁回路电阻等效励磁回路电阻Lm1单相互感（单相励磁电感）单相互感（单相励磁电感）Lm等效励磁回路电感等效励磁回路电感Xm等效励磁回路感抗等效励磁回路感抗Im励磁电流励磁电流Fm励磁磁势（合成磁势）励磁磁势（合成磁势）第4页/共55页5（一）异步电动机的工作原理（二）异步电动机的等效电路（三）异步电动机的功率平衡和转矩平衡关系（四）异步电动机的电磁转矩和机械特性（五）异步电动机工作特性分析(略)第5页/共55页6（一）异步电动机的工

6、作原理作为电动机是异步电机最主要的运行方式。一、异步电动机是如何转动起来的二、转差，转差率 （为什么叫异步电动机？）三、电势平衡方程式四、异步电动机的磁势平衡pec第6页/共55页1 1、异步电动机是如何转动起来、异步电动机是如何转动起来的的异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；三三相相对对称称交交流流绕绕组组通通入入三三相相对对称称交交流流电电流流时时，将将在电机气隙空间产生旋转磁场；在电机气隙空间产生旋转磁场；转子绕组的导体处于旋转磁场中；转子绕组的导体处于旋转磁场中；转转子子导导体体切切割割磁磁力力线线，并并产产生生感感应应电电势势，判判断断感感应电

7、势方向。应电势方向。转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。感感应应电电流流与与旋旋转转磁磁场场相相互互作作用用产产生生电电磁磁力力，判判断断电磁力的方向。电磁力的方向。电电磁磁力力作作用用在在转转子子上上将将产产生生电电磁磁转转矩矩，并并驱驱动动转转子旋转。子旋转。根根据据以以上上电电磁磁感感应应原原理理，异异步步电电动动机机也也叫叫感感应应电电动机。动机。第7页/共55页2 2、转差，转差率、转差，转差率（为什么叫异步电动机？）（为什么叫异步电动机？）切切割割磁磁力力线线是是产产生生转转子子感感应应电电流流和和电电磁磁转转矩矩的的必要条件。必要条

8、件。转转子子必必须须与与旋旋转转磁磁场场保保持持一一定定的的速速度度差差，才才可可能切割磁力线。能切割磁力线。旋旋转转磁磁场场的的转转速速用用n1n1表表示示，称称为为同同步步转转速速；转转子的实际转速用子的实际转速用n n表示，转差表示，转差n=n1-nn=n1-n。转差率：转差率：第8页/共55页转差率是异步电动机的一个基本变量，在转差率是异步电动机的一个基本变量，在分析异步电动机运行时有着重要的地位。分析异步电动机运行时有着重要的地位。起动瞬间，起动瞬间，n=0,s=1 n=0,s=1 理想空载运行时：理想空载运行时：n=nn=n1 1,s=0,s=0 作为电动机运行时，作为电动机运行时

9、，s s的范围在的范围在0-10-1之间。之间。转差率一般很小，如转差率一般很小，如s=0.03s=0.03。制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即n n1 1与与n n反向，反向，s1 s1 发电运行时，发电运行时，n n高于同步转速高于同步转速n n1 1,s0.,s0.第9页/共55页根据转差率可以区分异步电动机运行状态：第10页/共55页（1 1）定子绕组电势平衡方程式）定子绕组电势平衡方程式定子绕组接定子绕组接ACAC电源，与电源电压平衡的电势电源，与电源电压平衡的电势(压降压降)有：有：主电势（感应电势）：主电势（感应电势）：定子绕组通

10、入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。定子绕组感应电势的有效值：定子绕组感应电势的有效值：漏磁电势（漏抗压降）漏磁电势（漏抗压降）定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。漏抗压降：漏抗压降：电阻压降：电阻压降：定子电势平衡方程式：定子电势平衡方程式：3 3、电势平衡方程式、电势平衡方程式第11页/共55页（2 2）转子绕组的电势及电流）转子绕组的电势及电流转子绕组的感应电势转子绕组的感应电势 转子绕组切割主磁

11、通的转速转子绕组切割主磁通的转速 主磁通以同步速度旋转主磁通以同步速度旋转,转子以转速转子以转速n n旋转旋转 转子绕组导体切割主磁通的相对转速为转子绕组导体切割主磁通的相对转速为(n(n1 1-n)=sn-n)=sn1 1 转子绕组中感应电势的频率：转子绕组中感应电势的频率：公式：公式：结论：由于结论：由于s s很小，转子感应电势频率很低。很小，转子感应电势频率很低。0.5-3Hz0.5-3Hz 转子感应电势的有效值转子感应电势的有效值 公式：公式：感应电势与转差率正比。感应电势与转差率正比。绕线式异步电机转子绕组每相串联匝数，相数计算方法同定子绕绕线式异步电机转子绕组每相串联匝数，相数计算

12、方法同定子绕组的计算。组的计算。笼型转子，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，每个导条笼型转子，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，每个导条即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串联匝数为半即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串联匝数为半匝即匝即1/21/2。注意转子不动时（注意转子不动时（s=1)s=1)时的感应电势与转子旋转时感应电势的关时的感应电势与转子旋转时感应电势的关系。系。第12页/共55页转子绕组的阻抗转子绕组的阻抗 由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。样会产生漏磁电抗压降。漏抗公式：漏抗

13、公式：漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。考虑到转子绕组的相电阻后：考虑到转子绕组的相电阻后：转子绕组中的电流转子绕组中的电流 转子绕组短路，转子电压为转子绕组短路，转子电压为0 0，感应电势全部加在转，感应电势全部加在转子阻抗上子阻抗上 转子回路方程：转子回路方程：转子电流：转子电流：，讨论：转子电流随讨论：转子电流随s s的变化。的变化。第13页/共55页（1 1）定子绕组的磁势）定子绕组的磁势大小（有效值）大小（有效值）转速：转速：（2 2）转子绕组磁势）转子绕组磁势大小：大小：转速：转速：转子电流的频率转子电流的频率 转子电流产生的旋转磁势的

14、转速：转子电流产生的旋转磁势的转速：转子磁势的绝对转速（相对于不动的定子）转子磁势的绝对转速（相对于不动的定子）n n2 2+n=sn+n=sn1 1+(1-s)n+(1-s)n1 1=n=n1 1结论：转子绕组的磁势与定子绕组的磁势转速相结论：转子绕组的磁势与定子绕组的磁势转速相同，在空间相对静止。同，在空间相对静止。4 4、异步电动机的磁势平衡、异步电动机的磁势平衡第14页/共55页（3 3）磁势平衡方程式）磁势平衡方程式激磁电流激磁电流 和激磁磁势和激磁磁势 产生主磁通产生主磁通 所需要的电流称为激磁电流所需要的电流称为激磁电流 ；对应的磁势称为激磁磁势：对应的磁势称为激磁磁势：激磁磁势

15、近似不变激磁磁势近似不变 由电势方程式：由电势方程式：；电源电压不变，阻抗压降很小，电势近似不变；电源电压不变，阻抗压降很小，电势近似不变；由公式：由公式：，近似不变；近似不变；可见，激磁磁势和激磁电流几乎不变。可见，激磁磁势和激磁电流几乎不变。空载运行时，激磁磁势全部由定子磁势空载运行时，激磁磁势全部由定子磁势 提供，提供，即：即：F F1 1=F=Fmm第15页/共55页负负载载运运行行时时，转转子子绕绕组组中中有有电电流流I I2 2流流过过，产产生生一一个个同同步步旋旋转转磁磁势势F F2 2，为为了了保保持持F Fmm不不变变，定定子子磁磁势势F F1 1除除了了提提供供激激磁磁磁磁

16、势势F Fmm外外，还还必必须须抵抵消消转转子子磁磁势势F F2 2的的影影响，即：响，即：异步电动机的磁势平衡方程：异步电动机的磁势平衡方程：n结论：空载运行时，转子电流为结论：空载运行时，转子电流为0 0，定子电流等于激磁，定子电流等于激磁电流；负载时，定子电流随负载增大而增大。电流；负载时，定子电流随负载增大而增大。第16页/共55页（二）异步电动机的等效电路等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在异步电动机中，作等效电路遇到的两大障碍是(1)定转子电路的频率不相同；(2)定转子边的相数，匝数，绕组系数等不相等。所以,首先研究异步电动机的频率折算和绕组折算的问题。一、频率折算(用静止的转

17、子代替旋转的转子)二、绕组折算 三、等效电路 四、相量图pec第17页/共55页1 1、频率折算（用静止转子代替旋转转子）、频率折算（用静止转子代替旋转转子）转差率为转差率为s s的异步机转子电路频率：的异步机转子电路频率：f f2 2=s f=s f1 1 转子静止时转子静止时s=1s=1；则转子频率等于定子频率。；则转子频率等于定子频率。频率折算后，频率折算后，希望磁势平衡不变，即转子电流不变希望磁势平衡不变，即转子电流不变:n可以理解为：转子不动，转子电阻为可以理解为：转子不动，转子电阻为 的的异异步步电电动动机机的的转转子子电电流流，此此电电流流和和转转子子以以转转差差率率s s旋旋转

18、转的，转子电阻为的，转子电阻为R R2 2的异步电动机转子电流相等的异步电动机转子电流相等。第18页/共55页由以上原理可以得出频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻，由以上原理可以得出频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻，即可以把原来旋转的转子看成静止的转子。即可以把原来旋转的转子看成静止的转子。第19页/共55页进一步讨论：进一步讨论：不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维

19、持。静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率少了一大块机械功率。静止的转子中多了一个附加电阻，而电流有没有变，所以静止的转子中多了一个附加电阻，而电流有没有变，所以多了一个电阻功多了一个电阻功率率。分析证明：分析证明：附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。第20页/共55页2 2、绕组折算、绕组折算用绕组用绕组(m(m1 1,N,N1 1,k,kw1w1)等效替代绕组等效替代绕组(m(m2 2,N,N2 2,k,kw2w2)代替的原则是：代替的原则是：-磁势平衡不变磁势平

20、衡不变 -功率平衡不变功率平衡不变 KiKi,电流折算：根据磁势不变，得到：电流折算：根据磁势不变，得到：nKeKe,电势折算：磁通应不变，得到：电势折算：磁通应不变，得到：第21页/共55页KzKz,阻抗折算：功率不变，得到阻抗折算：功率不变，得到n折算后转子电路方程式：折算后转子电路方程式：n对漏电抗有同样的结论。对漏电抗有同样的结论。第22页/共55页激磁回路：激磁回路：经过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式：经过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式：折算后的磁势方程式：折算后的磁势方程式：3 3、等效电路、等效电路第23页/共55页等效电路：（等效电路：（T形等效电路）在异步电动

21、机分形等效电路）在异步电动机分析中具有重要地位。析中具有重要地位。第24页/共55页简化等效电路第25页/共55页4 4、相量图、相量图异步电动机的相量图类似于变压器相量图。从转子电路方程出发可以一步一步作出异步电机相量图。（动画ybdjxhlhtu.swf）第26页/共55页27（三）异步机的功率平衡和转矩平衡关（三）异步机的功率平衡和转矩平衡关系系功率变换和传递是电动机的主要功用。功率变换和传递是电动机的主要功用。1 1、功率平衡方程式，电机效率、功率平衡方程式，电机效率2 2、转矩平衡方程、转矩平衡方程第27页/共55页281 1、功率平衡方程式，电机效率、功率平衡方程式，电机效率结合等

22、效电路分析异步电动机功率流向结合等效电路分析异步电动机功率流向.第28页/共55页pec转差功率Ps（转子铜耗）转子机械功率Pmec定子铜耗pcu1铁耗pFe电磁功率PM电源输入功率P1第29页/共55页异步电动机从电源获取电功率，即输入功率：异步电动机从电源获取电功率，即输入功率：n此一功率首先通过定子绕组，产生定子铜耗：此一功率首先通过定子绕组，产生定子铜耗：n由此功率产生的旋转磁场掠过定转子铁心，由此功率产生的旋转磁场掠过定转子铁心，产生铁耗：产生铁耗：n定子铁心与旋转磁场相对转速为定子铁心与旋转磁场相对转速为n n1 1较大，故铁耗较大，故铁耗主要为定子铁耗：主要为定子铁耗：n转子铁心

23、与旋转磁场相对转速为转子铁心与旋转磁场相对转速为snsn1 1较小，故转子较小，故转子铁耗可以忽略不计。铁耗可以忽略不计。第30页/共55页31n电磁功率首先提供转子铜耗：电磁功率首先提供转子铜耗：n剩余功率将通过气隙磁场感应到转子绕组，剩余功率将通过气隙磁场感应到转子绕组，此一功率称为电磁功率：此一功率称为电磁功率：n剩余的电磁功率全部转化为机械功率：剩余的电磁功率全部转化为机械功率：第31页/共55页n异步电动机的功率平衡方程式：n其余功率为输出的机械功率：n机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗：第32页/共55页异步机的功率流程图第33页/共55页n几个重要的关系：几个重要的关系：n电机

24、效率：电机效率：第34页/共55页2、转矩平衡方程转矩由机械功率产生：n转矩平衡方程为：第35页/共55页36（四）异步机的电磁转矩和机械特性（四）异步机的电磁转矩和机械特性电磁转矩是异步电动机的驱动转矩，本节专题研究之。一、电磁转矩 二、机械特性 三、最大转矩，过载能力 四、异步电动机的起动转矩，起动转矩倍数 五、转矩的实用计算公式pec第36页/共55页1 1、电磁转矩、电磁转矩基本公式基本公式与直流电机类似的公式与直流电机类似的公式电磁转矩的实用公式电磁转矩的实用公式n基本公式：基本公式：第37页/共55页n与直流电机类似的公式：根据简化等效电路算出转子电流：第38页/共55页39n电磁

25、转矩的实用公式：第39页/共55页402 2、机械特性、机械特性电动机的机械特性是指电磁转矩与转速之间的关系曲线。异步电动机的机械特性就是T-s曲线。第40页/共55页41n几个关键点：n起动点 n最大转矩点 n额定工作点 n电动，发电，制动三种运行状态 第41页/共55页423 3、最大转矩，过载能力、最大转矩，过载能力异步电动机的T-s曲线上有一个最高点；最大转矩可以根据高等数学中求极值的方法求得。令：，求得：带入转矩公式，可得：第42页/共55页43n几个重要结论：n最大转矩与电网电压的平方成正比；n最大转矩近似于漏电抗反比 n最大转矩的位置可以由定子电阻的大小来调整；n最大转矩的值与转

26、子电阻值没有关系。n异步电动机调节转子电阻时机械特性的变化。（动画T-s.swf）第43页/共55页44过载能力：最大转矩与额定转矩之比：(一般在1.6-2.2之间，起重，冶金电动机2-3)第44页/共55页4 4、异步电动机的起动转矩，起动转矩倍、异步电动机的起动转矩，起动转矩倍数数作出起动时（s=1)的等效电路，可以直接求得起动电流和起动转矩。n起动电流指起动瞬间电机从电网吸收的电流,n起动转矩则是起动瞬间电动机的电磁转矩：第45页/共55页如果希望起动转矩等于最大转矩，则：令sm=1,可得：n对绕线式电动机：以上电阻指的是转子每相电阻与外串电阻之和。另，实际电阻应反折算。第46页/共55

27、页n几个重要结论：n异步电动机的起动转矩与电压的平方成正比；n总漏抗越大，起动转矩越小；n绕线式异步电动机可以在转子回路串入适当的电阻一增大起动转矩；n当 时，起动转矩最大。第47页/共55页5 5、转矩的实用计算公式、转矩的实用计算公式通过名牌数据求取电动机转矩的方法:第48页/共55页49（五）（五）异步电动机工作特性分析异步电动机工作特性分析(省省略略)异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量（转差率，转矩电流，效率，功率因数等随输出功率变化的关系曲线。一、转差率特性二、转矩特性三、电流特性四、效率特性五、功率因数特性pec第49页/共55页50第50页/共55

28、页51 1、转差率特性 随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。2、转矩特性异步电动机的输出转矩：转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降。转矩曲线为一个上翘的曲线。（近似直线）第51页/共55页52 3、电流特性 ，空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。4、效率特性n n其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变；n效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。n异步电动机额定效率载74-94%之间；最大效率发生在(0.7-1.0)倍额定效率处。第52页/共55页53 5、功率因数特性空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。第53页/共55页54end第54页/共55页55感谢您的观看。第55页/共55页