《电机学 教学课件 ppt 作者 赵莉华 曾成碧 CH13 单相异步电动机，异步发电机及特殊》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机学 教学课件 ppt 作者 赵莉华 曾成碧 CH13 单相异步电动机，异步发电机及特殊（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十三 章 单相异步电动机，异步发电机及特殊异步电机,主要内容 单相异步电动机 异步发电机 交流测速发电机,第一节 单相异步电动机,单相异步电动机由单相电源供电，使用方便，广泛应用于家电、电动工具、医疗器械中。与同容量的三相异步电动机比较而言，单相异步电动机的体积大、运行性能较差，所以单相电机只做成小容量的。 单相异步电动机通常在定子上有2相绕组，转子是普通的鼠笼转子。根据两个定子绕组的分布及供电况的不同，可以产生不同的起动和运行性能。,一.工作原理（单绕组异步电动机）,当起动绕组已经断开，单相异步电动机只有一个绕组主绕组m接在电源上，也可采用对称分量法，把它看作对称二相绕组在不对称电压下运行
2、，如图13-1所示，设对称二相绕组，在空间角度差90电角度，m相绕组外施电压 ，a相绕组外施电压为零，从而m相电流为 ，a相电流 ，采用对称分量法得到正、负序电流分量为,图13-1 单相异步电动机原理图,当,据“异步电动机在不对称电源电压下运行”可知，正序电流系统 、 产生正序旋转磁场（对应转差率为s）、正向电磁转矩T+；负序电流 、 产生负序旋转磁场（对应转差率为2-s）、反向电磁转矩T-。 在同一坐标系中，分别画出两种情况的转矩转差曲线：T+=f（s），F-产生T-= f（s），两者之和即为单相异步电动机机械特性T=T+T-，如图13-2所示。 由合成曲线T= f（s）可以得出结论：,图1
3、3-2单相异步电动机机械特性曲线,1）s+=s_=1（n=0），即单相异步电动机（单绕组）起动转矩为零，故电机不能自起动； 2）在图13-2的第一象限0T_，电机合成转矩T为正，且为驱动转矩，但T_存在，合成转矩T T+。 3）在图13-2的三象限的分析结果是相对，事实上，如果外力使转子在反转磁场方向转动，可有上述同样的结论，此时电机的合成转矩反方向，仍为驱动转矩。所以该电动机的最大转矩比三相异步电动机的最大转矩小，且过载能力要差一些；转向不是固定的，它的转向取决于起动时的转向。,二.等效电路和性能分析,对于正序、负序分量写出电压平衡方程式 将上式相加 即 于是可得到图13-3所示的等效电路，
4、从而单相异步电动机的电磁转矩为,图13-3 单相异步电动机的等效电路图,若忽略励磁电流，则 值得指出的是，在此情况下，定子绕组为两相绕组，转子参数进行折算时，变比公式中m1=2，励磁阻抗也应对应于两相旋转磁场的数值。,三 .单相异步电动机的起动方法 单相异步电动机的起动 ，就是要使定子产生一个旋转磁场，最好是产生一个圆形旋转场。 有了旋转磁场，单相异步电动机就能起动。根据使定子产生旋转磁场的方法，可将单相异步电动机分为分相式电动机和罩式电动机。 1.分相式单相异步电动机 （1)串电阻分相 串电阻分相起动的单相异步电动机如图13-4。,图13-4串电阻分相起动单相异步电动机,主绕组m和副绕组a接
5、到同电源电压U上，在主绕组电路中，感抗比电阻大的多，所以主绕组内电流Im的相位滞后于电源电压U，且相位角较大；在副绕组中，电阻比感抗大，副绕组的电流Ia的相位角也滞后于电源电压U，但相位角较小，这样Im，Ia之间出现了相位差。电阻分相法就是用电阻使副绕组和主绕组的电流产生相位差的方法。 电阻起动异步电动机的起动绕组只可以短时间工作，待电动机转速达到75%-80%额定转速时，由起动（离心）开关S将副绕组切断，由绕组单独运行工作。,离心开关是利用转子转速的变化，引起重块所产生的离心作用，通过滑动机构来闭合或分断触点，达到在起动时接通起动绕组的目的。电动机运转时，重块飞离、触点断开。电动机停止转动，
6、重块复位，触点闭合，可以重新启动。 单相电阻起动异步电动机功率等级有40，60，120，180，260，350W，额定电压为220V，同步转速有1500转/分，3000转/分。适宜具有中等起电脑感转矩和过载能力的小型车床，鼓风机，医疗机械等。,（2）串电容分相 串电容分相起动的单相异步电动机如图13-5，副绕组a与电容器C及离心开关S串联后，与主绕组m并联，再与电源接通。在副绕组电路内，容抗大于感抗，是电容性电路。如果电容器选择适当，可使起动时的Ia相位正好超前Im为90。 电容分相法就是用电容器使副绕组和主绕组内的电流产生相位差的方法。,图13-5 电容起动单相异步电动机,单相电容起动异步电
7、动机的副绕组和电容器只可以短时间工作，待电动机转速达到75%-80%额定转速时，由起动（离心）开关S将副绕组切断，由绕组单独运行工作。 单相电容起动异步电动机的基本系列代号为CO，CO2。功率等级有120，180，250，370，550，750W，额定电压为220V，同步转速有1500转/分，3000转/分。适宜具有较高起动转矩的小型空气压缩机，电冰箱，磨粉机，水泵及载起动的机械。,2.罩极式电动机 (1)凸极式罩极异步电动机 定子铁心用硅钢片叠压而成，每个极上绕组有集中绕组，称为主绕组。在每个极面的一边开有一个小槽，槽中有短路铜环，罩住磁极面1/3左右。铜环把极面罩住一部份，故称为罩机电动机
8、，又因为主磁极是凸出来的，全称为凸极式(salient pole )罩极异步电动机，如图13-6所示。 当定子绕组上的通入单相交流电时，它所产生的脉动磁场在短路环的作用下，磁极之间形成一个连续移动的磁场，这是一个旋转磁场，使转子旋转。磁场的旋转方向是从磁极处向短路环方向移动。,图13-6 凸极式罩极起动电动机结构示意图,（2）隐极式罩极异步电动机 主绕组匝数多，线较细；起动绕组（罩极）匝数少（28），线较粗，一般为主绕组导线直径的3-5倍，起动绕组自成闭合回路，其作用与凸极式铜环一样，这种电动机在定子铁心槽上，不易看出磁极，故称为隐极式。 隐极式异步电动机磁场转方向是从绕组向起动绕组方向移动，
9、转子沿旋转磁场方向旋转。,凸极式或隐极式罩极异步电动机，起动转矩内较小，功率因数和效率也较低，起动性能和运行性能较差，但结构简单，成本低，运行时噪音小，耐用，维修简单。 功率范围15-90W额定电压为220V，适宜小型风扇，电动模型，电唱机及各类轻载起动的小功率电动设备。,第二节 异步发电机,在现代电力系统中，同步发电机一统天下。但是，在一些小型或微型水电站中，在偏远地区的独立移动电站和风力发电站中，异步发电机（又名感应发电机）得到了普遍应用，特别是在独立移动电站中，实心转子三相异步发电机具有明显的优越性。,异步发电机主要优点笼型转子异步发电机结构简单、牢固，特别适合于高圆周速度电机。无集电环
10、和碳刷，可靠性高，不受使用场所限制。 由于无转子励磁磁场，不需要同期及电压调节装置，电站设备简化。 负荷控制十分简单，多数情况下不需水轮机调速器，异步发电机尽管可能出现功率摇摆现象，但无同步发电机类似的振荡和失步问题，并网操作简便。,主要缺点大容量异步发电机必须与同步发电机并列运行或接入电网运行，由同步发电机或电网提供自身所需的励磁无功，因此异步发电机是电网的无功负载。尽管从原理上说异步发电机可以借助于电容器孤立运行在自激状态，但处于这种运行状态时，发电机调压能力很弱，当发电机达到临界负荷，将引起电压崩溃。 异步发电机的励磁一般而言可由同步发电机，电网或静止电容器提供。具体的励磁提供方式由电站
11、类型或电网运行条件决定。,一.异步发电机的工作原理 异步电机与直流电机、同步电机一样其工作原理也是可逆的，它既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。一台正在运行的异步电动机，若用一台原动机拖动，使转子转速n超过同步转速n1，这时转差率 则电磁功率变 为负值， 总的机械功率 也为负值，,异步电动机转变为发电机运行，这时从原动机输入机械功率，一部分作为转子铜耗，另一部分作为电磁功率从转子转移到定子上，由定子输出。 异步发电机中转子电流中的有功分量 转子电流中的无功分量 式中E2、r2、x2分别为每相转子回路的感应电动势、电阻和电抗。,在发电状态下，转差率s为负值，因此有功分量I2r与电动状态时
12、反向，即向电网输送有功功率；而无功分量I2x方向不变，即在发电状态下继续从电网吸取无功电流。 当电源电压和频率不变时，磁通基本不变，因此建立磁场所需的励磁电流Im（约等于空载电流I0），与异步电机的工作状态无关。 这就是说，异步电机在发电状态下运行时，从电网吸取励磁电流，向电网输送一定的有功功率。,由于异步电机运行时需从电网吸取励磁电流，其值约为额定电流的25%40%，在电机容量较大时，将使电网的功率因数降低，因此在工业上较少采用。 但对于没有交流电源，而用电量较少的偏僻山区、农村小电站等，可利用异步电机作发电机运行来提供农副业及照明用电。这种情况下异步电机用作发电机时可利用转子的剩磁来自励。
13、 为了建立电压，在定子上并联电容器组，如图13-6所示，电容器一般接成三角形，利用电容器来提供异步发电机所需的励磁电流。,图13-7 并联电容的自励异步发电机,由于异步发电机的定子绕组和电容器组成一振荡回路。 异步发电机的电压频率决定于该振荡回路的自振频率，改变电容值可改变输出电源的频率。当转速保持不变时，异步发电机的端电压和频率将随负载的增加而下降。 要维持频率不变，须相应地提高电机的转速； 要维持电压不变，除了适当提高转速外，主要采用增加电容的办法来实现。 为了调节输出电压，一般可将电容器分成若干组，根据端电压变化来决定投入或切除电容器的数量。,二.电容器的选择 1空载时电容量的估算 一般
14、为减小励磁用电容量，电容器接成三角形，当空载额定电压时，每相电容量按下式估算 式中 UN额定线电压V f额定频率Hz I0空载励磁电流（线电流）A，I0（0.30.4）IN,2负载时电容量的估算 假设异步发电机带电阻性负载，发电机带电阻性负载时所需的容性电流即为克服本身的无功分量Ir 式中 I1额定负载电流A cos发电机满载时的功率因数 电容器三角形接法时每相电容量,三.电容器的安装 异步发电机与电容器的联接位置有二种： 定子绕组出线端接主电容及辅助电容。在定子绕组出线端接上一组固定电容器以供给空载时的无功电流，这组电容器称为主电容器，同时接附有转换开关的辅助电容器，供给增加负载时所需的励磁
15、电流，为便于调节，辅助电容器可由若干组小容量电容器并联组成。 主电容器固定地接在异步发电机定子绕组出线端上，辅助电容器分别接至配电线路上，即在负载端接辅助电容器，使电容电流足以补偿负载引起的压降，保持发电机电压稳定。,四.运行中的几个问题 负载性质：三相异步发电机主要用于照明负载，供给动力负载只有少量的（一般负载容量在发电机容量的25%以下，且单机容量不大于发电机容量的10%）。 失压调整：为使电压较为稳定，其一是调整电容量，其二是调整原动机转速。 失磁处理：用36干电池在每相定子绕组端充磁即可。,开机停机操作程序：开机时先投入电容器，再开动原动机，达额定电压后再加负载，负载和辅助电容一起投入
16、，或一面加负载，一面调整辅助电容以维持电压稳定。 停机时先减少辅助电容，逐步减小负载，如辅助电容装在负载端，则一同拉闸，然后停机，每次停机后应将电容器放电。,*第三节 交流测速发电机,测速发电机把输入机械转速信号变换为电压信号输出，是自动控制系统中转速检测的常用元件之一，广泛用于转速的测量和转速反馈控制系统，另外还在自动控制系统中用作校正元件和计算元件。 测速发电机是一种测速元件，它将输入的机械转速转换为电压信号输出。自动控制系统对测速发电机的主要要求有：,（1）输出特性呈正比关系并保持稳定。即要求测速发电机的输出电压与转速应保持严格的正比关系，且不随外界条件的变化而发生改变。 （2）电机的转动惯量要小，以保证反应迅速。 （3）电机的灵敏度高。即要求测速发电机的输出电压对转速的变化反应灵敏。 按照测速发电机输出信号的不同，可分为直流和交流两大类，下面介绍交流交流测速发电机的工作原理。,交
