异步电动机的工作原理1.docx
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异步电动机的工作原理1
异步电机分析
第一节异步电动机的工作原理
1.、转差,转差率(为什么叫异步电动机?
)
∙切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。
∙转子必须与旋转磁场保持一定的速度差,才可能切割磁力线。
∙旋转磁场的转速用n1表示,称为同步转速;转子的实际转速用n表示,转差Δn=n1-n。
∙转差率:
∙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。
o起动瞬间,n=0,s=1
o理想空载运行时:
n=n1,s=0
o作为电动机运行时,s的范围在0---1之间。
o转差率一般很小,如s=0.03。
o制动运行时,电磁转矩方向与转速方向相反,即n1与n反向,s>1
o发电运行时,n高于同步转速n1,s<0.
∙根据转差率可以区分异步电动机运行状态:
∙
2.电势平衡方程式
1、定子绕组电势平衡方程式
∙定子绕组接到交流电源上,与电源电压相平衡的电势(压降)包括:
∙主电势(感应电势):
o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。
o定子绕组感应电势的有效值:
∙漏磁电势(漏抗压降)
o定子漏磁通:
仅与定子绕组相匝链。
o漏抗压将:
∙电阻压降:
∙定子电势平衡方程式:
2、转子绕组的电势及电流
∙转子绕组的感应电势
o转子绕组切割主磁通的转速
▪主磁通以同步速度旋转
▪转子以转速n旋转
▪转子绕组导体切割主磁通的相对转速为(n1-n)=sn1
o转子绕组中感应电势的频率:
▪公式:
▪结论:
由于s很小,转子感应电势频率很低。
0.5-3Hz
o转子感应电势的有效值
▪公式:
▪感应电势与转差率正比。
▪对绕线式异步电机,转子绕组每相串联匝数,相数计算方法同定子绕组的计算。
▪对笼型转子来说,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;每相串联匝数为半匝即1/2。
▪注意转子不动时(s=1)时的感应电势与转子旋转是感应电势的关系。
∙转子绕组的阻抗
o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。
o漏抗公式:
。
漏抗也与转差率正比。
转速越高,漏抗越小。
o考虑到转子绕组的相电阻后:
∙转子绕组中的电流
o转子绕组短路,转子电压为0,感应电势全部加在转子阻抗上
o转子回路方程:
o转子电流:
,
3.异步电动机的磁势平衡
1、定子绕组的磁势
∙大小(有效值)
∙转速:
2、转子绕组磁势
∙大小:
∙转速:
o转子电流的频率
o转子电流产生的旋转磁势的转速:
o转子磁势的绝对转速(相对于不动的定子)
∙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。
3、磁势平衡方程式
∙激磁电流
和激磁磁势
o产生主磁通
所需要的电流称为激磁电流
;
o对应的磁势称为激磁磁势:
∙激磁磁势近似不变
o由电势方程式:
;电源电压不变,阻抗压降很小,电势近似不变;
o由公式:
,
近似不变;
o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
提供,即:
=
∙负载运行时,转子绕组中有电流
流过,产生一个同步旋转磁势
,为了保持
不变,定子磁势
除了提供激磁磁势
外,还必须抵消转子磁势
的影响,即:
∙异步电动机的磁势平衡方程:
o
o
o
o结论:
空载运行时,转子电流为0,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。
第二节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(用静止的转子代替旋转的转子)
∙转差率为s的异步电动机转子电路频率:
∙转子静止时s=1;则转子频率等于定子频率。
∙频率折算后,希望磁势平衡不变,即转子电流不变:
∙将上式略作变化:
,此是可以理解为:
转子不动,转子电阻为
的异步电动机的转子电流,此电流和转子以转差率s旋转的,转子电阻为
的异步电动机转子电流相等。
∙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。
∙进一步讨论:
o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。
o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。
o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率。
o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。
二、绕组折算
∙用绕组(
)等效替代绕组(
)代替的原则是:
o磁势平衡不变
o功率平衡不变
∙电流折算:
根据磁势不变:
,得到:
∙电势折算:
磁通应不变:
,得到:
∙阻抗折算:
功率不变:
,得到:
,对漏电抗有同样的结论。
∙折算后转子电路方程式:
三、等效电路
∙激磁回路:
∙折算后的磁势方程式:
∙经过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式:
o
∙等效电路:
在异步电动机分析中具有重要地位。
∙
四、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。
第三节异步电动机的功率平衡和转矩平衡关系
功率变换和传递是电动机的主要功用。
一、功率平衡方程式,电机效率
∙结合等效电路分析异步电动机功率流向。
∙异步电动机从电源获取电功率,即输入功率:
∙此一功率首先通过定子绕组,产生定子铜耗:
∙由此功率产生的旋转磁场掠过定转子铁心,产生铁耗:
o定子铁心与旋转磁场相对转速为n1较大,故铁耗主要为定子铁耗:
o转子铁心与旋转磁场相对转速为sn1较小,故转子铁耗可以忽略不计。
∙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:
∙电磁功率首先提供转子铜耗:
∙剩余的电磁功率全部转化为机械功率:
∙机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗:
∙其余功率为输出的机械功率:
∙异步电动机的功率平衡方程式:
∙几个重要的关系:
;
;
;
∙电机效率:
二、转矩平衡方程
∙转矩由机械功率产生:
∙转矩平衡方程为:
第四节异步电动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
∙基本公式:
∙与直流电机类似的公式:
∙
∙根据简化等效电路算出转子电流:
∙电磁转矩的实用公式:
二、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。
∙几个关键点:
o起动点
o最大转矩点
o额定工作点
∙电动,发电,制动三种运行状态
三、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。
o令:
,求得:
o带入转矩公式,可得:
∙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)
∙几个重要结论:
o最大转矩与电网电压的平方成正比;
o最大转矩近似于漏电抗反比
o最大转矩的位置可以由转子电阻的大小来调整;
o最大转矩的值与转子电阻值没有关系。
∙异步电动机调节转子电阻时机械特性的变化。
(看动画T-s)
四、异步电动机的起动转矩,起动转矩倍数
∙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。
∙起动电流指起动瞬间电机从电网吸收的电流,
∙起动转矩则是起动瞬间电动机的电磁转矩:
∙如果希望起动转矩等于最大转矩,则:
令sm=1,可得:
∙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。
∙几个重要结论:
o异步电动机的起动转矩与电压的平方成正比;
o总漏抗越大,起动转矩越小;
o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;
o当
时,起动转矩最大。
五、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:
∙
第五节异步电动机工作特性分析
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
∙
∙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。
二、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)
三、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。
四、效率特性
∙
∙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;
∙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。
∙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。
五、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。
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- 异步电动机 工作 原理