異步電機的理論分析與運行特性.ppt
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第六章異步電機的理論分析與運行特性,第一節(jié)異步電動機的基本結(jié)構(gòu),三相異步電動機由定子(固定部分)和轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)部分)兩個基本部分構(gòu)成。一、定子定子鐵芯：起導磁作用。為減小鐵芯損耗，采用0.35~0.5mm硅鋼片沖制、涂漆、疊壓而成，內(nèi)圓均勻開槽，用于嵌放定子三相繞組。定子繞組：起導電作用。漆包線繞制線圈，若干線圈按一定規(guī)律連接成三相對稱繞組，定子三相繞組可以接成星形或三角形。機座：起支撐和固定作用。中小型電機采用鑄鐵或鑄鋁機座，大電機的機座由鋼板焊接而成。,三相異步電動機定子繞組接法,聯(lián)接方式對電機參數(shù)的影響,,,星形接法：,三角形接法：,,二、轉(zhuǎn)子鐵芯：起導磁作用。硅鋼片沖制、涂漆、疊壓而成，外圓開槽，用于嵌放轉(zhuǎn)子繞組。繞組：起導電作用，分為鼠籠型和繞線型兩種。相應(yīng)的電機稱為籠型轉(zhuǎn)子異步電動機和繞線轉(zhuǎn)子異步電動機?；\型繞組：用鋁澆鑄而成或用銅條焊接而成，所有導條都通過端環(huán)自行形成閉合回路。繞線型繞組：銅線繞成的三相對稱繞組，星形接法，通過集電環(huán)引出，可自成回路也可通過外電阻形成閉合回路。,繞線型轉(zhuǎn)子的外形結(jié)構(gòu),繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)示意圖,1、型號：如：Y160Ll-42、額定功率PN：電動機在額定運行時，軸上輸出的機械功率，單位：W或kW。3、額定電壓UN：電動機額定運行時，加在定子繞組應(yīng)加的線電壓，單位：V或kV。4、額定電流IN：電動機在額定電壓和額定功率狀態(tài)下運行時，流入定子繞組的線電流，單位：A。5、額定頻率f：我國規(guī)定電網(wǎng)工頻為50Hz。6、額定轉(zhuǎn)速nN：額定狀態(tài)下運行時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位：r/min。,三、異步電動機的額定參數(shù),1、電動機轉(zhuǎn)動原理,,,,,A,X,Y,C,B,Z,,,,,定子三相繞組通入三相交流電,感應(yīng)電動勢E20,電磁力F,,,,,異步電動機基本知識,2、空載電流和空載磁動勢,異步電動機空載運行時的定子電流稱為空載電流。由于轉(zhuǎn)子的電流幾乎為0，所以，旋轉(zhuǎn)磁場主要是由空載電流建立的。這和變壓器的空載磁場主要由原邊的電流建立是一樣的。,盡管異步電動機的電磁關(guān)系與變壓器相似，但它們之間還是有差別的：,1）主磁場性質(zhì)不同：異步電動機為旋轉(zhuǎn)磁場，變壓器為脈動磁場.,4）由于存在氣隙,異步電動機漏抗較變壓器的大.,5)異步電動機通常采用短距和分布繞組,計算時需考慮繞組系數(shù),變壓器則為整距集中繞組,可認為繞組系數(shù)為1.,一、異步電機的運行狀態(tài)正常情況下，異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1之間總有一定的差值（n1–n）。定義轉(zhuǎn)差率,第二節(jié)異步電機的運行狀態(tài)和磁場,異步電機負載變化時，轉(zhuǎn)子導體內(nèi)的感應(yīng)電動勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變化，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率也隨之變化。轉(zhuǎn)差率是反映異步電機運行狀態(tài)的重要變量，按照轉(zhuǎn)差率的大小和正負，異步電機可分為電動機運行、發(fā)電機運行和電磁制動三種狀態(tài)。,1、電動機運行特點：電磁力Fe、轉(zhuǎn)速n與n1同方向。nn1，s1，F(xiàn)e與n反方向。,二、異步電機的磁場,定子磁場相對定子轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子電流頻率,轉(zhuǎn)子磁場相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子磁場相對定子轉(zhuǎn)速為,結(jié)論：定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)速相同，在空間上相對靜止，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無關(guān)。,1、主磁通：基波磁動勢產(chǎn)生的互磁通。特點：同時交鏈定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，并同時在定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)出電動勢。主磁通和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生有用的電磁轉(zhuǎn)矩，并實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。,主磁路構(gòu)成：定子磁軛定子齒（2段）空氣隙（2段）轉(zhuǎn)子齒（2段）轉(zhuǎn)子磁軛,2、漏磁通：除主磁通之外的磁通。定子電流和轉(zhuǎn)子電流分別產(chǎn)生：槽漏磁通、端部漏磁通和諧波漏磁通。,定子槽漏磁通和端部漏磁通只與定子繞組交鏈，不與轉(zhuǎn)子繞組交鏈，不傳遞能量。,諧波磁通雖然同時與定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組交鏈，但諧波磁通與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的是有害的附加轉(zhuǎn)矩，所以把諧波磁通歸為漏磁通。,,,,定子電壓平衡,,,,轉(zhuǎn)子電壓平衡,氣隙磁動勢平衡,異步電動機的電磁關(guān)系,,,,,,,,,,,,,第三節(jié)三相異步電機的等效電路,一、轉(zhuǎn)子不動時的異步電機由于轉(zhuǎn)子繞組是短路的，從電路分析角度看，轉(zhuǎn)子不動時異步電機的電路與次級短路時變壓器的電路方程相似，變壓器的一次繞組相當于異步電機的定子繞組，二次繞組相當于異步電機的轉(zhuǎn)子繞組。分析方法：類比法，即根據(jù)三相異步電機內(nèi)部的電磁關(guān)系和變壓器類似的特點，在研究異步電機等效電路時，可借助于變壓器的電磁理論。,1、電壓平衡式,注意：轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)可以不等于定子繞組相數(shù)！但是它們產(chǎn)生的磁場的極對數(shù)必須相等。,與變壓器類似，當定子外加電壓U1一定時，E1基本不變，從而決定了氣隙基波磁通Φm和勵磁電流Im也基本不變。氣隙磁通由定子電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生，雖然定轉(zhuǎn)子電流隨負載而變化，但它們應(yīng)滿足磁動勢平衡式F1+F2=Fm。,轉(zhuǎn)子繞組磁動勢：,合成磁動勢：,定子繞組磁動勢：,2、磁動勢平衡式,3、繞組歸算,定子、轉(zhuǎn)子的相數(shù)、有效匝數(shù)不同，為建立等效電路，需要進行繞組歸算，一般將轉(zhuǎn)子方面的各物理量歸算到定子方面。電流的歸算：歸算前后轉(zhuǎn)子磁動勢保持不變,電流變比：,電動勢的歸算：歸算前后轉(zhuǎn)子視在功率保持不變,電壓變比：,阻抗的歸算：歸算前后轉(zhuǎn)子銅耗保持不變,阻抗變比：,籠型轉(zhuǎn)子繞組的參數(shù)：相數(shù)：等于每對極的導條數(shù)，m2=Z2/p。每相串聯(lián)匝數(shù)：N2=1/2。則籠型轉(zhuǎn)子電機繞組歸算的變比為：,電壓變比：,阻抗變比：,電流變比：,二、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后的異步電機,1、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后對轉(zhuǎn)子各物理量的影響由于f2=sf1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)子回路頻率發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢和轉(zhuǎn)子漏抗也發(fā)生變化。,轉(zhuǎn)子電動勢：,轉(zhuǎn)子漏抗：,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后轉(zhuǎn)子回路電壓平衡式：,2、頻率歸算,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)子回路參數(shù)的頻率f2=sf1，與定子回路參數(shù)頻率f1不同。為實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子參數(shù)間的運算，需要把轉(zhuǎn)子頻率變換成與定子相同的頻率。由于轉(zhuǎn)子不動時的頻率與定子相同，所以頻率歸算后的轉(zhuǎn)子是靜止的。原則：歸算前后轉(zhuǎn)子電流的大小和相位不變。,分子分母同除以s并整理得：,從上式可以看出，頻率歸算后轉(zhuǎn)子回路的電阻可以分解為兩個分量，除了轉(zhuǎn)子實際電阻r2外，還有一個附加的電阻r2(1-s)/s。由于實際轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的，有機械功率輸出，而歸算后的轉(zhuǎn)子是靜止的，沒有機械功率輸出，該附加電阻上的電功率正好模擬了轉(zhuǎn)子總的機械功率。,3、基本方程式和等效電路,為構(gòu)成等效電路，轉(zhuǎn)子參數(shù)經(jīng)過頻率歸算后還應(yīng)該進行繞組歸算，將轉(zhuǎn)子參數(shù)歸算到定子側(cè)。歸算后的異步電動機的基本方程為：,從上圖可以看出：異步電機的等效電路與變壓器帶純電阻負載的等效電路相似；轉(zhuǎn)子不動的異步電機等效電路與變壓器短路的等效電路相似；理想空載的異步電機等效電路與變壓器空載的等效電路相似。,4、相量圖,注意：異步電機的定子電流總是滯后于定子電壓，異步電機正常運行時必須從電源輸入感性無功功率。,第四節(jié)異步電機的參數(shù),一、異步電機等效電路參數(shù)的測定1、r1：用電橋測量后換算到標準溫度時的值。2、rm、xm：通過空載實驗測得的數(shù)據(jù)計算。,實驗方法：f=fN、n≈n1時，電壓從U=(1.1~1.2)UN開始下調(diào)到0.3UN左右，測量空載特性曲線I0=f(U1)和P0=f(U1)。,空載輸入總功率,由于鐵耗近似與電壓平方成正比，而機械損耗與電壓無關(guān)，可通過，將pFe和pmec分離，如圖所示。,鐵耗和機械損耗之和為,空載實驗時，s≈0，轉(zhuǎn)子可認為是開路的，根據(jù)U1=UN時的數(shù)據(jù)，可求出勵磁阻抗：勵磁電阻,空載總阻抗為,勵磁電抗為,：通過短路（堵轉(zhuǎn)）實驗測得的數(shù)據(jù)計算。實驗方法：在轉(zhuǎn)子不動的情況下，調(diào)節(jié)外加電壓，使短路電流由1.2IN逐漸減小到0.3IN，畫出短路特性曲線Ik=f(Uk)和Pk=f(Uk)。,根據(jù)短路實驗查出Ik=IN時的數(shù)據(jù)，則短路阻抗為：,異步電機堵轉(zhuǎn)時的等效電路如圖所示，由于短路實驗所加電壓較低，鐵耗可以忽略不計，即rm=0。由于存在氣隙，異步機的勵磁電流較大，勵磁電抗雖然比轉(zhuǎn)子漏抗大得多，但勵磁回路也不宜開路。根據(jù)等效電路，短路阻抗：,整理得短路電阻和短路電抗分別為：,對于一般的異步電機，有，則：,代入短路阻抗表達式得：,則：,對于大型異步電機，激磁電抗遠大于轉(zhuǎn)子阻抗，可以把勵磁回路看成是開路的，則：,等效電路中所有定子側(cè)的參數(shù)均為實際值，由此算出的定子側(cè)的量也是實際值；轉(zhuǎn)子側(cè)的參數(shù)均為歸算值，由此算出的轉(zhuǎn)子側(cè)電動勢、電流也是歸算值，而不是實際值，但由于歸算是在功率不變的條件下進行的，所以算出的轉(zhuǎn)子有功功率、損耗和轉(zhuǎn)矩均與實際值相同。,異步電機等效電路的簡化根據(jù)T形等效電路，各條支路的電流為：,以上各式中的復系數(shù),由于等效電路中各電阻遠小于各電抗，如略去電阻，則該復系數(shù)可簡化為實系數(shù),轉(zhuǎn)子電流可簡化為：,則求轉(zhuǎn)子電流的近似等效電路為：,根據(jù)T形等效電路和轉(zhuǎn)子電流近似計算公式，定子電流可表示為：,整理得：,則求定子電流的近似等效電路為：,容量較大的異步電機，由于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