电力拖动与运动控制课件6--三相交流异步电动机.pptx
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第五章三相交流第五章三相交流异步电动机异步电动机马昕北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心教育部化工安全工程研究中心国家安全生产监督管理总局危险化学品生产系统故障预防及监控基础实验室北京化工大学信息科学与技术学院CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机2交流电动机的分类感应电动机镱按照定子绕组相数分按照定子绕组相数分单相异步电动机单相异步电动机异步电动机异步电动机交流电动机交流电动机绕线型异步电动机绕线型异步电动机按照转子绕组类型分按照转子绕组类型分鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机同步电动机同步电动机三相异步电动机三相异步电动机CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机3三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理工作原理转动原理空载运行电磁关系定子电压平衡关系负载运行电磁关系转子绕组各电磁量特点磁动势平衡方程电压平衡方程式重点内容CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机4三相交流异步电动机的主要内容等效电路频率折算绕组折算T型等效电路功率和电磁转矩功率平衡方程式转矩平衡方程式机械特性固有机械特性人为机械特性CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机5三相交流异步电动机的主要内容启动和制动鼠笼型异步电动机的启动绕线型异步电动机的启动异步电动机的电气制动交流调速的基本方法变极对数调速变转差率调速变频调速CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机6三相交流异步电动机的结构保护和固定定子绕组防护,支撑转子支撑转子轴固定转子保护和固定绕组引出端通风冷却电动机起吊搬抬电动机定子铁心定子铁心定子定子定子绕组定子绕组转子铁心转子铁心转子转子转子绕组:
绕线型绕组、鼠笼型绕组转子绕组:
绕线型绕组、鼠笼型绕组其它部分:
机座、端盖、轴承、轴承盖、接线盒、风扇、吊环其它部分:
机座、端盖、轴承、轴承盖、接线盒、风扇、吊环CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机7三相交流异步电动机的结构CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机8三相交流异步电动机的结构定子绕组定子铁心:
参与电动机磁路嵌放定子线圈定子绕组:
三个彼此独立的绕组空间相差120电角度CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机9三相交流异步电动机的结构定子绕组接线方式星形连接三角形连接11112222333344445555666623年6月26日第五章三相交流异步电动机10三相交流异步电动机的结构转子绕组绕线式转子绕组接线示意图鼠笼式转子绕组三相,一般接成星形各相引出线连到滑环上,滑环套在转轴上并与之绝缘,通过电刷与外电路相连有可能在转子电路中串接电阻,改善电动机运行性能23年6月26日第五章三相交流异步电动机11三相交流异步电动机的结构转子绕组铜条转子铸铝转子CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机12三相交流异步电动机的铭牌参数额定功率PN:
满负载运行时三相电动机轴上输出的机械功率额定电压UN:
接到电动机绕组上的线电压额定电流IN:
三相电动机在额定电源电压下,输出额定功率时,流入定子绕组的线电流额定频率fN:
电动机所接交流电源每秒钟内周期变化的次数额定转速nN:
三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速,一般略小于对应的同步转速其它包括:
型号、绝缘等级、定额、接法、防护等级CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机13三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动调速CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机14三相交流异步电动机的工作原理三相异步电动机之所以会旋转,是因为电动机气隙内有一个旋转磁场气隙要保证定子绕组通电后空间形成对称磁势和电势定子绕组相序CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机15三相交流异步电动机的工作原理两极旋转磁场示意图三相电流波形ot=0ot=120ot=240ot=360()()()0A0B0Ci=sint+90i=sint-30i=sint+210CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机16三相交流异步电动机的工作原理CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机17l定子绕组的连接形成一对磁极时,电流变化一个周期,旋转磁场转动一圈l若有p对磁极,交流电流每变化一个周期,旋转磁场在空间中转动1/p圈三相交流异步电动机的工作原理如何改变旋转磁场的转向?
最简单的方法:
改变三相交流电流的通入方向动画演示动画演示CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机18三相交流异步电动机的工作原理同步转速00nfp60fn=p三相交流电动机定子旋转磁场每分钟的转速、定子电流频率三相交流电动机定子旋转磁场每分钟的转速、定子电流频率和磁极对数之间的关系是和磁极对数之间的关系是060f3000n=1500rminp2同步转速同步转速例:
一台四极三相异步电动机的同步转速是多少?
例:
一台四极三相异步电动机的同步转速是多少?
CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机19异步电动机靠电磁感应作用工作,其转子电流感应产生,故异步电动机又称为感应电动机转动原理概述三相交流异步电动机的转动原理形成旋转磁场形成旋转磁场0nn()转子导体切割磁力线,转子导体切割磁力线,产生产生电磁电磁感应电动势感应电动势感应原理感应原理,产生感应,产生感应电流(电流(转子导体闭合转子导体闭合右手定则)右手定则)()转子导体受电磁力作用转子导体受电磁力作用左手定则左手定则电磁力对转轴形成电磁转矩电磁力对转轴形成电磁转矩转子按旋转磁场方向旋转转子按旋转磁场方向旋转CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机20三相交流异步电动机的转动原理异步电动机名称的来历00nnnn转子转速始终小于同步转速,只有这样,转子转速始终小于同步转速,只有这样,转子绕组与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线转子绕组与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流,进而产生电磁转矩,转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流,进而产生电磁转矩,使转子按使转子按是异步电是异步电照旋转磁照旋转磁动机工作的必要动机工作的必要场的方向场的方向条件条件继续旋转继续旋转CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机21三相交流异步电动机的转动原理转差率动画演示动画演示;0Nn=0,s=1n=ns=00sIZU=-EU=ECSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机32三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动调速CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机33三相交流异步电动机的负载运行三相异步电动机负载运行时,轴上机械负载转矩增加,原空载电磁转矩无法平衡负载转矩。
电动机开始降速,旋转磁场与转子之间的相对运动速度加大。
转子感应电动势增加,转子电流和电磁转矩增加。
当电磁转矩增加到与负载转矩和空载转矩相平衡时,电动机以低于空载时的转速稳定运行CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机34三相交流异步电动机的负载运行1.电磁关系旋转磁场与转子的相对转速为旋转磁场与转子的相对转速为即为旋转磁场切割转子绕组的速度即为旋转磁场切割转子绕组的速度00n=n-nn=sn&转子绕组中的电流将产生转子绕组磁动势,转子绕组中的电流将产生转子绕组磁动势,相对于转子的旋转速度为相对于转子的旋转速度为22222260fn=IFpF转子绕组感应电动势与感应电流的频率为转子绕组感应电动势与感应电流的频率为0201pnppsf=n=n=s=sf606060CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机35三相交流异步电动机的负载运行1.电磁关系动画演示动画演示动画演示动画演示222100FFn+n=sn+n=nF相对于定子绕组的旋转速度为相对于定子绕组的旋转速度为可见,与在空间的旋转速度相同。
可见,与在空间的旋转速度相同。
即,无论异步电动机的转速如何变化,定、转子绕组的即,无论异步电动机的转速如何变化,定、转子绕组的磁动势相对静止。
磁动势相对静止。
转子绕组极对数与定子绕组极对数始终相同,则有转子绕组极对数与定子绕组极对数始终相同,则有221120260f60f60sf60fn=s=snpppp021FFF总的气隙磁动势是与定子绕组磁动势的合成。
总的气隙磁动势是与定子绕组磁动势的合成。
CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机36三相交流异步电动机的负载运行1.电磁关系异步电动机负载运行时的电磁关系示意图Backto电压平衡方程式动画演示动画演示CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机37三相交流异步电动机的负载运行.转子各电磁量特点转子转速n或转差率s随负载转矩变化,s的变化会引起电动机内部许多物理量的变化21af=sf.转子绕组感应电动势及电转子绕组感应电动势及电流的频率流的频率为转子每相绕组匝数,为转子每相绕组匝数,为转子绕组系数,为转子绕组系数,为转子旋转时的感应电动势,为转子旋转时的感应电动势,为转子静止时的感应电为转子静止时的感应电转转动势,又称堵转电动动势,又称堵转电动子旋转时转子绕组感应电动子旋转时转子绕组感应电动势势势势2s22N2m12N2m12N2m22N22s2E=4.44fNK=4.44sfNK=s4.44fNK=sENKEEb.CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机38三相交流异步电动机的负载运行.转子各电磁量特点为转子每相绕组的漏电感,为转子每相绕组的漏电感,为转子静止时每相绕组的漏电抗,为转子静止时每相绕组的漏电抗,转子电抗转子电抗2s222212222212X=L=2fL=2sfL=sXLXXc=2f.L()()&,为转子每相绕组的电阻,为转子每相绕组的电阻,则有则有转子电流转子电流2s2s22s22s22s222222s22E=-IR+jXREEI=d=sR+XR+sX.()j转子电路的功率因数转子电路的功率因数222222222s22RRcos=e=R+XR+sX.CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机39三相交流异步电动机的负载运行.磁动势平衡方程()定、转子磁动势在空间相对静止,其合成磁动势为定、转子磁动势在空间相对静止,其合成磁动势为称为励磁磁动势,它产生气隙中的旋转磁场。
称为励磁磁动势,它产生气隙中的旋转磁场。
上式也可写成上式也可写成异步电动机磁动势平衡关系,使得电路上无异步电动机磁动势平衡关系,使得电路上无直接联系的定、转子绕组电流有了关联。
直接联系的定、转子绕组电流有了关联。
0120102F=F+FFF=F+-FCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机40三相交流异步电动机的负载运行.电压平衡方程式电磁关系示意图()()()&定子每相绕组电动势平衡方程式为定子每相绕组电动势平衡方程式为转子每相绕组电动势平衡方程式为转子每相绕组电动势平衡方程式为即,即,为转子每相绕组在转差率为时的漏阻抗为转子每相绕组在转差率为时的漏阻抗111112s2s22s2s2s22s2s2s2s22sU=-E+IR+jX0=-E+IR+jXE=IR+jX=IZZR+jXsCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机41三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动调速CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机42目的:
将转子电路与定子电路作直接的电的连接原则:
l不改变定子绕组的物理量(定子电动势、定子电流、定子侧功率因数等)l且转子电路对定子电路的影响不变(折算前后转子磁动势和各功率不变)具体操作:
转子频率折算转子绕组折算三相交流异步电动机的等效电路CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机43将频率为f2的旋转转子电路折算为与定子频率f1相同的等效静止转子电路三相交流异步电动机的等效电路.频率折算转子折算值加/表示21f=sf&实际运行时的转子电流实际运行时的转子电流2s22s22s22EsEI=R+jXR+jsX骣骣琪琪桫桫&分子分母同除以:
分子分母同除以:
22222222EEsI=1-sRRR+jX+jXssCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机44三相交流异步电动机的等效电路.频率折算经过频率折算后的异步电动机的电路示意图可分解为可分解为:
等效转子电阻等效转子电阻:
等效负载电阻,表征电动机输出的机械功率等效负载电阻,表征电动机输出的机械功率22222R1-sRRssR1-sRsCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机45方法:
人为地用一个相数、每相串联匝数以及绕组系数和定子绕组一样的绕组代替相数为m2,每相串联匝数为N2,绕组系数为KN2且经过频率折算的转子绕组。
原则:
保证折算前后转子对定子的电磁效应不变,即转子的磁动势、总的视在功率、铜耗以及转子漏磁场储能均保持不变三相交流异步电动机的等效电路.绕组折算CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机46三相交流异步电动机的等效电路.绕组折算22222N22121N1222N2222111N1N11i22N2iF=FmF=NKI2pmF=NKI2pmNK1I=IIamNKkmNK.k=mKN根据保持转子磁动势不变的原则根据保持转子磁动势不变的原则绕组折算前后磁动势分别为:
绕组折算前后磁动势分别为:
则则电流比电流比折折电流算电流算CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机47三相交流异步电动机的等效电路.绕组折算绕组折算前后电动势分别为绕组折算前后电动势分别为则则电压比电压比电动势折电动势折算算212N2m211N1m1N121N1e2N22e212N2E=4.44fNKb.E=4.44fNNKNKE=EkE=KEKkNKN=CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机48三相交流异步电动机的等效电路.绕组折算()骣鬃琪桫根据折算前后转子铜耗不变的原则根据折算前后转子铜耗不变的原则折算前后的转子铜耗分别为:
折算前后的转子铜耗分别为:
则则阻抗折阻抗折算算1i2Cu22222Cu212222222211N1222i2121122N2ie2P=mIRP=mIRmImmmNKR=R=kR=kRmImmmNK=kck.RCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机49三相交流异步电动机的等效电路.绕组折算()()骣琪桫根据绕组折算前后转子电路的无功功率不变原则根据绕组折算前后转子电路的无功功率不变原则折算前后的折算前后的阻抗折算2阻抗折算2无功功率分别为:
无功功率分别为:
则则则则222222212222222ie212222ie2ie2ie22ie2Q=mIXQ=mIXmIX=X=kkXmIZ=R+jX=kkR+jkkX=kkR+jXc=kkZ.CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机50三相交流异步电动机的等效电路.绕组折算经过绕组折算后的异步电动机的电路示意图CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机51型等效电路三相交流异步电动机的等效电路.型等效电路反映F1反映F2反映Fm,空载时:
相当于转子开路空载时:
相当于转子开路转子堵转时:
转子侧近似于短路转子堵转时:
转子侧近似于短路0221-snns0Rs1-sn=0s=1R=0s,CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机52三相交流异步电动机的等效电路.型等效电路()()()&由型等效电路可得到由型等效电路可得到异步电动机负载时的基本方程式为异步电动机负载时的基本方程式为1111110mm121202222TU=-E+IR+jX-E=IR+jXE=EI+I=IE=IRs+jXCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机53三相交流异步电动机的等效电路.型等效电路简化等效电路()骣琪桫&12222112UI=RR+XXsCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机54三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动调速CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机55三相交流异步电动机的功率和电磁转矩.功率平衡方程式异步电动机的功率流图CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机56三相交流异步电动机的功率和电磁转矩.功率平衡方程式电阻损耗:
电阻损耗:
定子电阻产生的定子铜损耗:
定子电阻产生的定子铜损耗:
励磁电阻产生的定子铁损耗:
励磁电阻产生的定子铁损耗:
转子电阻产生的转子铜损耗:
转子电阻产生的转子铜损耗:
21Cu1112mFemm22Cu222RP=3IRRP=3IRRP=3IR电磁功电磁功定子传递给转子回路的定子传递给转子回路的率率em1Cu1FeP=P-P-P骣琪桫电磁功率是等效电路中转子回路的全部损耗:
电磁功率是等效电路中转子回路的全部损耗:
em222em2222PR1-sP=3IR+R=3IssCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机57三相交流异步电动机的功率和电磁转矩.功率平衡方程式()转轴实际:
转轴实际:
为机械损耗;为附加损耗,为机械损耗;为附加损耗,大型电机中小型电机大型电机中小型电机输出输出功率功率中中22jjsfjjsfjfjNfjNPP=P-P-PPPP0.5%P,P13%P()异步电动机运行时,从电源输入电功率到转轴异步电动机运行时,从电源输入电功率到转轴输出机械功率的全过程为:
输出机械功率的全过程为:
1221Cu1FeCu2jsfjPPP=PP+P+P+P+P=P-P()机械功率机械功率传递给电动机轴的:
传递给电动机轴的:
j2jemCu222emP1-sP=P-P=3IR=1-sPsCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机58三相交流异步电动机的功率和电磁转矩.功率平衡方程式()()()电磁功率、转子损耗和机械功率分别为电磁功率、转子损耗和机械功率分别为可见,可见,:
emCu2j22em22Cu2222jemCu222ememCu2jCu2emjemCuem2jPPPRP=3IsP=3IR1-sP=P-P=3IR=1-sPsP=P+PPPP1:
s:
1-sP=sPP=1-sPCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机59三相交流异步电动机的功率和电磁转矩.转矩平衡方程式物理表达式()电电是同步角速是同步角速磁转磁转度度矩矩jjj000eme0PP=2n2n1-s60602PPT=n=60空空令,则令,则两边同除以角速度,有两边同除以角速度,有称为,称为称为,称为为为忽略,则有忽略,则有载转矩输出转矩载转矩输出转矩负载负载转矩转矩0jsfj2j02e0022LL0e2LP=P+PP=P-PT=T-TTTT=TTTTT=TCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机60三相交流异步电动机的主要内容结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动调速CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机61三相交流异步电动机的机械特性参数表达式()()一定条件下转速和电一定条件下转速和电是指:
是指:
在,电动机的在,电动机的之间的关系:
之间的关系:
或或异步电动机异步电动机矩矩机机磁转磁转的械特性的械特性eeenn=fTTT=fs22em2RP=3Iseem0TP=()轾骣犏琪犏桫臌2211222112RmpU=R2fR+XXss()骣琪桫&12222112UI=RR+XXseT21UCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机62三相交流异步电动机的机械特性.固有机械特性是指:
是指:
电动机工作在和条件下,按电动机工作在和条件下,按,定、,定、额定电压额定功率额定电压额定功率规定方法接线外规定方法接线外转子时,电动机转子时,电动机的的异步电动机的异步电动机的转速转速接电阻接电阻和电和电固有固有磁转磁转机械机械矩之间的关系矩之间的关系为为性性。
特特enT0CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机63三相交流异步电动机的机械特性.固有机械特性固有机械特性曲线动画演示动画演示
(1)
(2)整个机械特性可分为两部分:
整个机械特性可分为两部分:
部分:
,稳定运行部分,工作区域部分:
,稳定运行部分,工作区域部分:
,不稳定运行部分,非工作区域部分:
,不稳定运行部分,非工作区域mmD-B0ssB-Ass1CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机64三相交流异步电动机的机械特性.固有机械特性,理想理想,空载点:
空载点:
,0210es=0n=nI0I=ITD=0定点定点,:
,额额0NNNeN0NNNn-nn=ns=s=T=TnPT9.55nCCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机65三相交流异步电动机的机械特性.固有机械特性()()轾犏臌2m22112211emax221112Rs=R+X+XmpUT=4fR+R+X+XB临界转差率临界转差率最大电磁转矩最大电磁转矩最大转矩点:
最大转矩点:
():
m12emax21emaxmmNsURTRUT=1.62.5T与电源电压无关,与转子电阻成正比与电源电压无关,与转子电阻成正比与转子电阻无关,与电源电压的平方成正比与转子电阻无关,与电源电压的平方成正比过载能力一般异步电动机过载能力一般异步电动机CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机66三相交流异步电动机的机械特性.固有机械特性()()()()轾犏臌,称为电动机的启动转矩堵转转矩称为电动机的启动转矩堵转转矩启动转矩倍数启动转矩倍数启动点启动点一一:
般般est2112st221212ststmmNn=0s=1T=TmpURT2fR+R+X+XTTK=K=1.8TA2.0CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机67三相交流异步电动机的机械特性.人为机械特性是指:
是指:
人为地改变电动机的某些参数或电源电压的大小人为地改变电动机的某些参数或电源电压的大小而得到的机械特性。
而得到的机械特性。
异步电动机的人为机械特性异步电动机的人为机械特性目目:
获得需要:
获得需要的的的拖动性能的拖动性能CSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机68三相交流异步电动机的机械特性.人为机械特性()降低电源电压时的人为机械特性动画演示动画演示()()()()轾犏臌轾犏臌2112st2212122m22112211emax221112mpURT=2fR+R+X+XRs=R+X+XmpUT=4fR+R+X+XCSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机69三相交流异步电动机的机械特性.人为机械特性()降低电源电压时的人为机械特性、降压后的机械特性变“软”,启动和过载能力都下降降压后的机械特性变“软”,启动和过载能力都下降1如果负载转矩大于电磁转矩,将停转;如果负载转矩大于电磁转矩,将停转;2如果负载转矩小于电磁转矩,可继续运转:
如果负载转矩小于电磁转矩,可继续运转:
但是转速下降,转差率增大但是转速下降,转差率增大转子电动势增大转子电动势增大电流增大电流增大电动机过载,长期过载将导致电动机温升超过电动机过载,长期过载将导致电动机温升超过允许值,影响电动机寿命,甚至烧毁绕组允许值,影响电动机寿命,甚至烧毁绕组2s21nsEIICSSSE23年6月26日第五章三相交流异步电动机70三相交流异步电动机的机械特性.人为机械特性()转子电路串对称电阻的人为机械特性在一定范围内增加转子电阻,可以增加电动机启动转矩()()()
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