電機拖動第五章異步電機二

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1、電機學及拖動基礎 1重 慶 大 學 自 動 化 學 院 電機學及拖動基礎 2 第 五 章 異 步 電 機 （ 二 ）三 相 異 步 電 動 機 的 運 行 原 理 電機學及拖動基礎 3 主 要 內 容第 一 節(jié) 三 相 異 步 電 動 機 運 行 時 的 電 磁 過 程第 二 節(jié) 三 相 異 步 電 動 機 的 等 效 電 路 及 向 量 圖第 三 節(jié) 三 相 異 步 電 動 機 的 功 率 和 轉 矩第 四 節(jié) 三 相 異 步 電 動 機 的 工 作 特 性 及 其 測 取 方 法第 五 節(jié) 三 相 異 步 電 動 機 參 數 的 測 定第 六 節(jié) 三 相 異 步 電 動 機 的 轉 矩 與

2、 轉 差 率 的 關 系 電機學及拖動基礎 4 第 三 節(jié) 三 相 異 步 電 動 機 的 功 率 和 轉 矩 直 流 電 動 機 ：磁 場 由 定 、 轉 子 繞 組 雙 邊 的 電 流 共 同 激 勵 ；氣 隙 磁 場 隨 著 負 載 變 化 ， 產 生 電 樞 反 應 。 異 步 電 動 機 ：磁 場 僅 由 定 子 繞 組 一 邊 的 電 流 來 建 立 ；氣 隙 磁 場 基 本 上 與 負 載 大 小 無 關 ， 無 電 樞 反 應 。 異 步 電 動 機 的 機 電 能 量 轉 換 過 程 和 直 流 電 動 機 相似 ： 輸 入 電 功 率 電 磁 感 應 輸 出 機 械 功 率

3、 機 電 能 量 轉 換 的 關 鍵 在 于 ： 作 為 耦 合 介 質 的 磁 場 電機學及拖動基礎 5 一 功 率 轉 換 過 程 功 率 轉 換 過 程 ：輸 入 從 定 子 繞 組 輸 入 電 功 率 P1定 子 定 子 銅 耗 pCu1 + 定 子 鐵 耗 pFe + 電 磁 功 率 Pe轉 子 轉 子 銅 耗 pCu2 + 轉 子 鐵 耗 + 總 機 械 功 率 Pmech輸 出 機 械 損 耗 pmech + 附 加 損 耗 p + 凈 機 械 功 率 P2 通 常 ， 轉 差 率 很 小 ， 轉 子 鐵 心 中 磁 通 變 化 頻 率 很 低 ， 轉 子鐵 耗 可 忽 略 不

4、計 如 果 轉 差 率 較 大 ， 則 f 2較 大 ， 就 應 該 考 慮 轉 子 鐵 耗 電機學及拖動基礎 6異 步 電 動 機 的 能 量 轉 換 關 系 異 步 電 動 機 的 功 率 圖直 流 電 動 機 的 功 率 圖 電機學及拖動基礎 7 二 功 率 方 程 式1 12 2( )Cu Fe ee Cu mechmech mechP p p PP p PP p p P 1 1 1 1 121 1 1 121 2 21 2 2 2 1 222 1 2 2 2 222 1 2 1 2 2 coscos (1 )CuFe m me Cu emech e Cu e P mU Ip m I

5、Rp m I R RP m E I m I sp m I R sP RP P p m I m I R s Ps 式 中 ， U1定 子 相 電 壓I1定 子 相 電 流 定 子 功 率 因 數 角 轉 子 功 率 因 數 角sPe轉 差 功 率12 轉 速 n越 低 ， 轉 差率 s越 大 ， 即 轉 差功 率 越 大 ， 則 轉子 銅 耗 就 越 大 電機學及拖動基礎 8 三 轉 矩 方 程 式 由 機 械 功 率 方 程 式 ：除 以 轉 子 的 機 械 角 速 度 ， 得 到 穩(wěn) 態(tài) 轉 矩 方 程 式 ： 電 動 機 穩(wěn) 態(tài) 運 行 時 的 轉 矩 平 衡 規(guī) 律 電 磁 轉 矩 與

6、總 的 機械 轉 矩 相 平 衡 。 2 ( )mech mechP P p p 2 0eT T T Te電 磁 轉 矩T2輸 出 機 械 轉 矩 ， 或 負 載 制 動 轉 矩T0空 載 轉 矩 ， 0 mechp pT 電 磁 轉 矩 Te既 可 用 轉 子 的 總 機 械 功 率 除 以 轉 子 機 械 角 速 度來 計 算 ， 也 可 用 電 磁 功 率 除 以 同 步 角 速 度 來 計 算 ：(1 ) mech e e es snP s P P Pn mech e esP P T 電機學及拖動基礎 9 四 電 磁 轉 矩 公 式2 2e 2 2e 1 2 1 2 1 2 2 20

7、11 cos2s sP R Rp pT m I m I m E Is s f 代 入 歸 算 過 的 轉 子 電 動 勢 ， 2 1 1 12 w mE f N k 得 到 異 步 電 動 機 的 電 磁 轉 矩 公 式 ：式 中 ， 1 1 1e 2 2 1 2 2cos cos2 w m T mpm N kT I C I 1 1 1T1 2 wpm N kC 轉 矩 常 數可 見 ， 異 步 電 動 機 的 電 磁 轉 矩 Te的 大 小 ： 與 每 極 磁 通 m、 歸 算 后 轉 子 電 流 的 有 功 分 量 成 正 比 。 2 2cosI 電機學及拖動基礎 10 第 四 節(jié) 三 相

8、 異 步 電 動 機 的 工 作 特 性及 其 測 取 方 法 異 步 電 動 機 的 工 作 特 性 ： 是 指 在 額 定 電 壓 和 額 定頻 率 運 行 情 況 下 ， 電 動 機 的 轉 速 n、 定 子 電 流 I1、功 率 因 數 、 電 磁 轉 矩 Te、 效 率 等 與 輸 出功 率 P2的 關 系 ， 即 U1=U1N、 f=fN時 n=f(P2)、I1=f(P2)、 、 Te=f(P2)、 =f(P2)。 轉 子 電 流 一 般 不 能 直 接 測 取 ， 故 不 能 簡 化 ， 這 些特 性 非 對 輸 出 功 率 而 言 不 可 。1cos 1 2cos ( )f P

9、 電機學及拖動基礎 11 一 工 作 特 性 的 分 析 空 載 時 ： P2 0、 I2 0， 故 s 0、 n ns 負 載 增 大 時 ： P2增 加 、 I2增 大 以 產 生 更 大 的 電 磁 功 率 ， 故 s也 增 大 、 n稍 有 下 降 一 般 轉 子 銅 耗 很 小 ， 額 定 負 載 時 ： s 1.5% 5%， 則n (0.985 0.95)n s異 步 電 動 機 的 轉 速 特 性 為 一 條 稍 向 下 傾 斜 的 曲 線 。 1、 轉 速 特 性 2( )n f P 2Cu2 2 2 2e 2 2 2 21 coss s sn n P m I Rns n n

10、P m E I 2s I 電機學及拖動基礎 12 空 載 時 ： 定 子 電 流 幾 乎 全 部 為 勵 磁 電 流 Im 負 載 增 大 時 ： P2增 加 、 n下 降 、 I2增 大 ， 故 I1隨 之 增 大異 步 電 動 機 的 定 子 電 流 幾 乎 隨 P2按 正 比 例 增 加 。2、 定 子 電 流 特 性 )( 21 PfI 1 2( )mI I I 3、 功 率 因 數 特 性 )(cos 21 Pf 空 載 時 ： I1基 本 為 無 功 勵 磁 ， 功 率 因 數 很 低 ， 約 0.1 0.2 負 載 增 大 時 ： I1有 功 分 量 隨 I2增 加 ， 故 功

11、率 因 數 提 高 接 近 額 定 負 載 時 ： 功 率 因 數 達 到 最 大 超 過 額 定 負 載 后 ： s變 得 較 大 ， 變 大 ， I 2無功 分 量 增 加 ， 故 功 率 因 數 又 重 新 下 降2 2 2arctan /X s R 電機學及拖動基礎 13 負 載 不 超 過 額 定 值 時 ，轉 速 變 化 很 小 ， 而 T0又 認 為 基 本 不 變電 磁 轉 矩 特 性 近 似 為 一 條 斜 率 為 1/ 的 直 線 。4、 電 磁 轉 矩 特 性 e 2( )T f P5、 效 率 特 性 )( 2Pfe 0 2 0 2 /T T T T P 2 1 2 F

12、e mecCu1 C hu21 100% 100%p p pPP P p pp 可 變 損 耗 小 于 不 變 損 耗 時 ： 效 率 隨 負 載 的 增 加 而 增 加 可 變 損 耗 等 于 不 變 損 耗 時 ： 效 率 最 大 可 變 損 耗 大 于 不 變 損 耗 時 ： 效 率 隨 負 載 的 增 加 而 減 小 電機學及拖動基礎 14 二 工 作 特 性 的 求 取 工 作 特 性 的 求 取 可 用 直 接 負 載 法 通 過 實 驗 求取 ； 也 可 用 等 效 電 路 進 行 計 算 求 取 。 直 接 負 載 法 ： 保 持 電 源 電 壓 和 頻 率 為 額 定 值 ，

13、 加 負 載 到 額定 值 的 5/4， 然 后 減 少 負 載 到 額 定 值 的 1/4， 分 別 讀 取 P1、I1、 n， 計 算 不 同 負 載 下 、 Te、 ， 繪 制 工 作 特 性 。 1cos 等 效 電 路 法 ： 可 認 為 代 表 勵 磁 特 性 的 勵 磁 阻 抗 不 變 、 代 表漏 磁 通 對 繞 組 電 磁 效 應 的 漏 電 抗 不 變 ， 即 等 效 電 路 參 數 在額 定 電 壓 和 頻 率 下 基 本 不 變 。 給 定 等 效 電 路 參 數 、 機 械 損耗 和 附 加 損 耗 ， 按 不 同 s， 計 算 n、 I1、 、 Te、 ， 直到 P

14、2達 到 或 超 過 額 定 值 為 止 ， 由 計 算 結 果 繪 制 工 作 特 性 。1cos 電機學及拖動基礎 15 第 五 節(jié) 三 相 異 步 電 動 機 參 數 的 測 定 電機學及拖動基礎 16 一 空 載 試 驗 與 勵 磁 參 數 的 確 定 在 額 定 電 壓 和 額 定 頻 率 下 ， 軸 上 不 帶 任 何 負 載 的 運 行 。1、 空 載 試 驗 調 節(jié) 電 源 電 壓 從 （ 1.11.3） 開 始 ， 下 降 到 轉速 發(fā) 生 明 顯 變 化 時 ， 測 量 點 ， 記 錄 端 電 壓 、空 載 電 流 、 空 載 功 率 和 轉速 ， 繪 制 空 載 特 性

15、曲 線 ： 空 載 特 性 曲 線 電機學及拖動基礎 17 （ 1） 機 械 損 耗 和 鐵 耗 的 分 離 空 載 時 ， s 0、 I2 0 鐵 耗 與 磁 密 平 方 、 即 與 端 電 壓 平 方 成 正 比 機 械 損 耗 僅 與 電 動 機 轉 速 有 關 ， 空 載 時 可 認 為 是 恒 值2、 勵 磁 參 數 、 鐵 耗 及 機 械 損 耗 的 確 定210 1 1 1 Fe mechp m I R p p 210 1 1 1 Fe mechp m I R p p 電機學及拖動基礎 18 （ 2） 勵 磁 參 數 的 確 定 空 載 時 ， s 0等 效 電 路 中 的 附

16、加 電 阻 無 窮 大 ， 電 路 呈 開 路 狀 態(tài) 勵 磁 參 數 為 ： 1m 1 0 10UZ Z Z I Fem 21 10pR m I 2 20 0 0X Z R 0 1mX X X 空 載 等 效 電 路其 中 ， X1可 由 堵 轉 試 驗 確 定 電機學及拖動基礎 19 二 堵 轉 試 驗 及 堵 轉 參 數 的 確 定 堵 轉 時 ， 是 使 轉 子 堵 住 不 轉 ， n=0、 s=1。 從 U 1 0.4U1N開 始 往 下 測 量5 7個 點 ， 記 錄 端 電 壓 、 堵轉 電 流 和 功 率 ， 并 測 量 定 子繞 組 的 電 阻 ， 繪 制 堵 轉 特 性曲

17、線 ： 堵 轉 特 性 曲 線堵 轉 等 效 電 路 代 表 總 機 械 功 率的 附 加 電 阻 為 0 電機學及拖動基礎 20 由 于 ZmZ2 ， 可 認 為 勵 磁 支 路 相 當 于 開 路 ， 則 Im 0， 鐵耗 可 忽 略 不 計 。 2 21 1 1 1 1 2 2kp m I R m I R 2 21 1 1k 1 2 1 1k k( )kp m I R R m I R 堵 轉 參 數 為 ： 1k 1kUZ I 1kk 1 2 21 1kpR R R m I 2 2k 1 2 k kX X X Z R 對 于 大 中 型 異 步 電 動 機 ： X1 X2 Xk/2對 于

18、 100kW以 下 的 小 型 異 步 電 動 機 ：X2 0.67Xk（ 2、 4、 6極 ） ； X2 0.57Xk（ 8、 10極 ） 電機學及拖動基礎 21 第 五 節(jié) 三 相 異 步 電 動 機 的 轉 矩 與 轉差 率 的 關 系 三 相 異 步 電 動 機 的 機 械 功 率 為 輸 出 機 械 轉 矩 與 轉速 的 乘 積 ； 輸 出 轉 矩 為 電 磁 轉 矩 的 主 要 成 分 ； 轉 速 的 派 生 量 為 轉 差 率電 磁 轉 矩 T e與 轉 差 率 s之 間 的 關 系 十 分 重 要 。 電機學及拖動基礎 22 電 磁 轉 矩 ： 由 近 似 等 效 電 路 得

19、： 2 2e 1 21s RT m I s 12 2 221 1 2UI RR X Xs 近 似 等 效 電 路 三 相 異 步 電 動 機 的 電 磁 轉 矩 與 轉 差 率 的 關 系 為 ： 21 1 2e 2 21 2 1 2( / )/ ( )sm U R sT R R s X X 電機學及拖動基礎 23 轉 矩 轉 差 率 為 一 條 二 次 曲 線 異 步 電 動 機 的 T e-s曲 線 令 ， 可 得 ： 臨 界 轉 差 率 最 大 轉 矩 0edTds 2 22 2 1 21 1 2( )m R Rs X XR X X 2 21 1 1 1eMax 2 2 1 21 1 1

20、 2 2 ( )2 ( )s sm U mUT X XR R X X 電機學及拖動基礎 24 結 論 ：1） 當 電 動 機 各 參 數 及 電 源 頻 率 不 變 時 ， TeMax與 U12成 正 比 ，sm則 保 持 不 變 ， 與 U1無 關 ；2） 當 電 源 頻 率 及 電 壓 不 變 時 ， sm與 TeMax近 似 地 與 X1+X2 成反 比 ；3） TeMax與 R2 之 值 無 關 ， sm則 與 R2 成 正 比 。 推 論 ：對 于 繞 線 轉 子 異 步 電 動 機 ， 當 轉 子 電 路 串 聯(lián) 某 一 恰 當 電 阻R 時 ， 可 使 sm=1（ 相 當 于 n=0） ， 即 起 動 時 轉 矩 達 到 最 大值 TeMax。 顯 然 ， 此 時 ：2 22 1 1 2( )R R R X X 2 21 1 2 2( )R R X X R 電機學及拖動基礎 25第 五 章 第 二 部 分 結 束