第五章感应电机概要

电机学Electric Machinery电气工程教研室1基本要求：1.了解三相感应电动机的基本结构2.了解三相感应电动机的基本工作原理3.掌握三相感应电机的三种运行状态及其判别方法4.掌握三相感应电动机的额定值45一、感应电动机的用途与分类1.感应电动机的用途•三相感应电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。

•在日常生活中，电扇、洗衣机、电冰箱和空调等一般由单相感应电动机拖动。

玉米脱粒机金属切削机床电扇用感应电动机2.感应电动机的特点1）优点结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、效率较高。

2）缺点•调速性能差；•功率因数较差，感应电动机运行时必须从电网吸收滞后的无功功率。

3.感应电动机的分类1）按定子相数分单相感应电动机、两相感应电动机、三相感应电动机62）按转子结构分•绕线型感应电动机•鼠笼型感应电动机：单笼、双笼、深槽型绕线型感应电动机鼠笼型感应电动机7二、三相感应电动机的结构鼠笼式三相感应电机的结构图1-定子铁心2-定子外壳3-转子铁心4-转子导条5-端环6-冷却风扇7-机座8-定子绕组9-轴承室10-转子轴11-轴承8定子绕组转子轴承端盖接线盒定子铁心端盖鼠笼式三相感应电机的结构图主要部件拆分图10主要部件拆分图111、定子①定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。

由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。

为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。

1314定子铁心的槽形主要有三种：半闭口槽适用于小型感应电机，其绕组是用圆导线绕成的。

半开口槽适用于低压中型感应电机，其绕组是成型线圈。

开口槽适用于高压大中型感应电机，其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。

定子绕组为按一定规律连接而成的三相对称绕组，嵌放在定子铁心槽内。

②定子绕组定子绕组是电动机的定子电路部分，它将通过电流建立磁场，并感应电动势以实现机电能量转换。

构成：绝缘铜（或铝）线绕成。

•联结方式：根据实际使用需要接成“Y”形或“D”形。

电机学第五章感应电机2§5-1．感应电机的结构和运行原理§5-2．感应电机的方程式、等效电路和相量图§5-3．感应电机的功率方程和转矩方程§5-4．感应电机的参数测试§5-5．感应电机的转矩-转差率曲线§5-6．感应电机的工作特性§5-7．感应电机的起动要求和特殊结构§5-8．单相感应电机3第一节感应电机的结构和运行原理一、感应电机的基本结构•按转子的结构，分成绕线型和笼型•主要结构部件：定子、转子、气隙4一、感应电机的基本结构1 、笼型感应电机结构¾定子–三相对称交流绕组，下在定子铁芯中–铁芯：用硅钢片叠成；特点：“内圈开槽”56一、感应电机的基本结构¾转子-转子铁芯特点：“外圈开槽”，槽中下多相对称绕组-笼型：槽中用铜条，两头用端环焊接；现多用“铝浇铸”方法-注意：转子绕组是短路的¾气隙-和其它电机相比较小，一般在零点几毫米一、感应电机的基本结构2 、绕线型感应电机结构•和笼型感应电机，只是转子不同，其他基本相同•星形三相绕组，外接滑环，电阻器，铜排•正常工作时要短路，起动、调速时用电阻器短路铜排电阻器78二、感应电机的工作原理•定子：三相对称绕组，通三相对称电流-旋转磁场（同步转速）NSsn ABC9二、感应电机的工作原理•转子上用永磁体形成恒定磁场-转子必然随旋转磁场转动而且转速相同-永磁同步电动机NSsn ABC10二、感应电机的工作原理•转子绕组通直流电-形成恒定磁场，同样旋转-电励磁同步电动机NSsn ABC二、感应电机的工作原理•转子绕组直接短路-导体切割旋转磁场-电势（右手定则）-电流-导体受力（左手定则）-形成转矩-转子旋转-感应电动机NSsnAB C1112二、感应电机的工作原理•特点-转速n 必须小于n s ，否则无法切割磁力线-转子上是无源的，全靠感应才有能量交换！NSsn ABC13三、感应电机的工作状态•对比理解的方法•直流电机有什么工作状态？根据什么判断？-电动机、发电机、电磁制动，感应电机与之相似-判断标准？•感应电机的特点：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，则定义：s sn ns n −=转差率：14-电磁转矩T 是主动力矩，-，--转子上T ,n 同向，输出机械功率三、感应电机的工作状态根据s 判断电机的工作状态和各物理量的方向1、电动机状态s n n <10s >>20P >sn nT15三、感应电机的工作状态2、发电机状态-转子被拖得转得更快-，-定子绕组e ,i 同向-输出电功率-转子上T ,n 反向，电磁转矩起制动作用s n n >0s <10P >sn nT16三、感应电机的工作状态3、电磁制动状态-外界因素使得转子转速同电动机时相反，和电动机时相似-，-电磁转矩T 也起制动作用1s >0n <sn nT三、感应电机的工作状态17四、感应电机的铭牌值•就是额定值•铭牌：在电机外壳上18四、感应电机的铭牌值1、额定电压UN，加在定子绕组上的线电压，V, kV2、额定电流IN，额定状态时，定子绕组的线电流, A3、额定功率PN，额定运行时，输出的机械功率, kW4、额定转速nN ，加额定负载时转子的转速, r/min•最主要的：1920四、感应电机的铭牌值1、输入电功率•注意以下问题：13cos N N NP U I ϕ=13cos N N N N N N P P U I ηηϕ==额定输入功率额定输出功率21四、感应电机的铭牌值2、感应电机的转速一般多大？-，,与极对数有关………720左右7504950左右100031450左右150022800左右30001n n s p -特点：不能连续变化，没有2000 r/min 的感应电机s n n <60/s n f p =p22四、感应电机的铭牌值3、如何判断感应电机的极对数和同步转速？-一般额定点都在-可以根据上页的表格，根据倒推60603000N s Nf fn n p p p n <==<0.03~0.05N s =N n23[例5-1]有一台50Hz 的感应电动机，其额定转速n N =730r/min ，试求该机的额定转差率[ 解]（1）根据n N ＝730 r/min ，可以得到同步转速n s =750 r/min （2）s = (n s -n N ) /n s=750-730/750=0.02667≈0.027第二节感应电机的方程式、等效电路和相量图一、感应电机的通电过程1、电磁过程-定子绕组通电-形成基波旋转磁场-同时切割定、转子绕组-产生定、转子电势-产生定、转子电流、磁势-合成磁场-完成能量转换NSsnAB C24一、感应电机的通电过程•结果-产生了相对独立的一个定子电流系统，一个转子电流系统-二个电流系统通过气隙关联的ABCN定子电流系统转子电流系统2526一、感应电机的通电过程2、转子参数的变化•关键-转子转速：n-定子磁场转速：n s-相对转速：Δn = n s -n = sn s¾转子电势的频率•转子是多相对称系统→产生多相对称电势•频率：21()6060s s s s n n pn pf n n sf s n −=−=⋅=∝“转差频率”sn nΔn27一、感应电机的通电过程¾转子中的电势222212224.44 4.44s w w E f N k s f N k sE φφ===•注意：-E 2：转子中电流频率是f 1时的电势（s =1，转子不转）-E 2与s 成正比28一、感应电机的通电过程¾转子绕组的电阻和漏抗•电阻：忽略集肤效应，认为电阻r 2不变•电抗：22212222s x f L sf L sx ππ===•注意：-x 2：转子中电流频率是f 1时的电抗（转子不转）-x 2与s 成正比，即：转子n ↑，则漏抗↓29一、感应电机的通电过程¾转子绕组的电流•正常运行时，转子端电压U 2=0•结论：-转子越慢，s ↑，则I 2↑-何时最慢？s =1, 启动瞬间，相当于变压器负载短路！2222222222s s E E s E I r r jx r jsx jxs===+++ii ii30一、感应电机的通电过程¾转子绕组的功率因数•结论：-转子越慢，s ↑，cos 2↓-何时功率因数最小？s 最大的时候，起动！222222cos ()r r sx ϕ=+ϕ31一、感应电机的通电过程¾定转子磁势的相对位置•转子磁势相对于转子：•转子相对于定子：•转子磁势相对于大地：•结论：-不管转子转多快，转不转，转子磁势都和定子旋转磁势转速相同，相对静止，同步旋转21216060f sf n sn p p⋅===(1)sn s n =−221(1)s s sn n n sn s n n =+=+−≡[例5-2]有一台50Hz、三相、四极的感应电动机，若转子的转差率s=0.05，试求：（1）转子电流的频率；(2)转子磁动势相对于转子的转速[ 解](1)转子电流的频率f 2=sf1=0.05×50=2.5 Hz(2)转子磁动势相对于转子的转速n 2=60 f2/p=(60×2.5)/2=75 r/min（同步转速：ns =60 f1/p=1500 r/min）3233二、感应电机的磁势平衡方程式•特点：定子、转子是各自独立的多相对称系统•空间上相对静止111110.92m N k F I piiω=222220.92m N k F I piiω=1112221212111122220.90.9220.9()2m m N k m N k F F F I I p p m N k I m N k I piiii ii i ωωωω=+=+=+•注意：-定转子极对数一定相同的，因为转子磁势就相当于定子磁势的“影子”三、转子绕组的归算•为了计算和分析的方便进行归算，基本思路和变压器相同；•定转子m, Nkw 不同；“在转子上用一个与定子相同m，相同Nkw的等效绕组去归算”；•归折算的原则：电磁本质不变3435三、转子绕组的归算定义电流变比：1、转子电流的归算'22F F ii='222111220.90.922m N k m N k I I p p i i ωω=2111'2222I m N k m N k I iiωω='221iI I k i i=111222i m N k k m N k ωω=•基本原则：磁势不变36三、转子绕组的归算定义电势变比：2、转子电势的归算1122e N k k N k ωω=•基本原则：磁通不变'211222e E N k k E N k ωω=='22e E k E =•注意：感应电机中k e ≠k i ，原因：k i 中有相数的折算37'22e i r k k r =三、转子绕组的归算3、转子电阻和电抗的归算•基本原则：有功功率和无功功率不变2'2'222122cu P m I r m I r =='22e i x k k x ='222222'22121i e ir m I m k k k r m I m ==⋅=三、转子绕组的归算4、归算公式•归算前后：电势、电压×ke电流×1/ki阻抗×ke ki38392221r sr r s s−=+四、归算以后的方程式组11111''''2222'12'121()0()()()m m m m U E I r jx r E I jx s E E I I I E I r jx i i i i i i i i i i i i σσ⎧⎪⎪=−++⎪⎪⎪⎪⎪=−+⎪⎪⎪⎪⎪⎪=⎨⎪⎪⎪⎪=+−⎪⎪⎪⎪⎪−=+⎪⎪⎪⎪⎩11111'''''22222'12'121'''222()()()()1m m m m U E I r jx U E I r jx E E I I I E I r jx s U I r s i i i i i i i i i i i i i i i σσ⎧⎪⎪=−++⎪⎪⎪⎪⎪=−+⎪⎪⎪⎪⎪=⎪⎪⎨⎪⎪=+−⎪⎪⎪⎪⎪−=+⎪⎪⎪−⎪⎪=⎪⎪⎩•结论：感应电动机相当于一台电阻性负载的变压器！！40五、感应电机的等效电路和相量图1、T 型等效电路-就是纯电阻负载的变压器-特点：工作过程中n 变化，s 变化；负载是可变的1U i1I imx 1E i'2E i'2I imI i'2x σ1x σmr '21s r s−'2r 1r41五、感应电机的等效电路和相量图2、T型等效电路对应的相量图2E ′ '22jx I σ′ 2I ′ '22r I s′mφ mI 2I ′− 1I 1E −11jx I σ 1U 11r I -对应纯电阻负载-负载电压与电流同相-注意画的顺序42五、感应电机的等效电路和相量图3、简化Γ型等值电路-一般不能直接把激磁回路移出去，引入修正系数=1+Z 1/Z m-较准确等效电路，取=1+x 1/x m ，一般在1.03~1.081U i1I imc Z i'2IimI i'21s c r si−'2c r i1r '2c x iσ1x σc ic i43五、感应电机的等效电路和相量图4、最简化等值电路-忽略激磁回路，取c =1-一般用于大中型感应电机的计算1U i1I i'2I i1r 1x σ'2x σ'2r'21s r s−44第三节感应电机的功率方程和转矩方程一、功率的传输过程•以T型为例1U i1I imx 1E i'2Ei'2I imI i'2x σ1x σmr '21s r s−'2r 1r 1P 1Cu P 2Cu P FeP emP MP45一、功率的传输过程•能量图1Cu P FeP 2Cu P 0P 1P emP MP 2P46二、功率方程•各功率的表达式-输入功率：11111cos P m U I ϕ=-定子铜损：21111Cu P m I r=-定子铁损：210Fe mP m I r=-电磁功率：''221112em Cu Fe rP P p p m Is=−−=47二、功率方程•各功率的表达式-转子铜损：2'2'2222122Cu p m I r m I r ==-机械功率：2'2'22212211M s s P m I r m I r s s−−==-输出功率：20mec mec ad mec P P p p P p =−−=−-电磁功率：''221112em Cu Fe rP P p p m Is=−−=-空载损耗：0mec adp p p =+48二、功率方程•相互关系11Cu Fe emP P P P =++2em Cu MP P P =+2M mec adP P P P =++(1)M emP s P =−2Cu emP sP =结论：-s 值↑则P Cu2↑，极限：s =1，转子不转或者堵转，全发热了！-s 值↓则P Cu2↓，极限：s ≈0，转子空载，不发热！49三、转矩方程•根据功率方程推导出来2M mec adP P P P =++02mec P p P =−ΩΩΩ02T T T =+•注意对应关系，即0P T =Ω22P T =ΩMP T =Ω空载转矩负载转矩电磁转矩50三、转矩方程•注意转速和角速度的对应关系-机械转速n 对应：-同步转速n s 对应：260nπΩ=12260s s n f p ππΩ==-由于(1)ss Ω=−Ω(1)(1)em em Mss s P P P T s −===Ω−ΩΩ(1)sn s n =−。