第五章感应电机

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1、第五章：感应电机第五章：感应电机 第第1节节: 感应电机的结构感应电机的结构 第第2节：节：感应电机的工作原理和运行状态感应电机的工作原理和运行状态 第第3节节: 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场 第第4节节：三相感应电动机的基本方程、相量图和等效电路：三相感应电动机的基本方程、相量图和等效电路 第第5节节：三相感应电动机的参数测定：三相感应电动机的参数测定 第第6节：节：鼠笼转子参数的计算鼠笼转子参数的计算 第第7节：节：感应电动机的功率关系、功率方程和转矩方程感应电动机的功率关系、功率方程和转矩方程 第第8节：节： 感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电动机的电磁转矩

2、及机械特性第第9节：节： 感应电动机的工作特性及其计算感应电动机的工作特性及其计算 第第10节节: 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机 第第11节：感应电动机的调速节：感应电动机的调速 第第12节：特殊感应电动机节：特殊感应电动机 第第13节：节：感应发电机感应发电机 第第14节：节：感应电动机在不对称电压下的运行分析感应电动机在不对称电压下的运行分析 第五章：感应电机第五章：感应电机5-1 感应电机的结构感应电机的结构 感应电机主要由静止的定子和转动的转子两大部分组成，定、转子之间有一很小的空气隙。 一、定子一、定子(a) 半闭口槽 (b) 半开口槽 (c) 开

3、口槽感应电动机的定子槽形 定子铁心是主磁路的一部分，铁心由0.5mm厚的硅钢片叠成，在定子铁心内圆上有均匀分布的槽，用来嵌放定子绕组。定子铁心采用的槽形主要有：半闭口槽、半开口槽和开口槽. 5-1 感应电机的结构感应电机的结构三相定子绕组可接成星形接法或三角形接法 (a) 星形接法 ( b)三角形接法感应电动机接线板 5-1 感应电机的结构感应电机的结构二、转子二、转子 转子由转子铁心、转子绕组和转轴等组成，转子绕组也是电路的一部分，有鼠笼式和绕线式两种形式 。根据加工工艺的不同，鼠笼转子分为铸铝式和焊接式两种 (a)鼠笼式焊接转子 (b) 鼠笼式铸铝转子 (b)鼠笼转子 5-1 感应电机的结

4、构感应电机的结构 绕线式转子绕组和定子绕组相似，在转子槽内嵌有三相绕组，通过滑环、电刷与外部接通 。绕线式转子 一、感应电动机的工作原理一、感应电动机的工作原理5-2 感应电机的工作原理和运行状态感应电机的工作原理和运行状态 感应电动机工作原理 感应电动机工作原理是建立在电磁感应定律和电磁力定律基础上 二、感应电机的运行状态二、感应电机的运行状态 设感应电机的转速为n，旋转磁场的转速为同步速ns，二者之间的相对速度 称为转差速度，定义转差速度与同步速之比为转差率s 5-2 感应电机的工作原理和运行状态感应电机的工作原理和运行状态 转差率是感应电机的一个重要参数，根据其正负和大小可以判断电机的运

5、行状态，感应电机的运行状态分为电动机运行状态、发电机运行状态和电磁制动运行状态三种 。5-2 感应电机的工作原理和运行状态感应电机的工作原理和运行状态 感应电机的三种运行状态 三、感应电动机的额定值三、感应电动机的额定值感应电动机的额定值及有关技术数据主要有： 5-2 感应电机的工作原理和运行状态感应电机的工作原理和运行状态 （1）额定功率：指额定运行时输出的机械功率，单位为瓦（W）或千瓦 （kW）；（2）额定电压：指额定运行状态下定子绕组应加的线电压，单位为伏 （V）或千伏（kV）；（3）额定电流：指额定电压和额定功率下运行时的定子绕组线电流，单 位为安（A）或千安（kA）；（4）额定功率：

6、指电动机供电电压的频率。我国规定工频为50赫兹 （Hz）；（5）额定转速：指电机额定运行时的转速，单位为 转/分（r/min）。 除此以外，铭牌上还标出额定运行状态下的功率因数、效率、相数、接线方式和温升等。对绕线式电机，还应标出定子外加额定电压时的转子开路电压和转子额定电流等。 对于三相感应电动机，额定功率为 5-2 感应电机的工作原理和运行状态感应电机的工作原理和运行状态 式中 、 分别为额定运行时的功率因数和效率 1953年参照前苏联的A、AO系列设计了J、JO系列电机。1961年全国统一设计了J2、JO2系列，采用了E级绝缘，提高了性能。1971年起，设计了JO3系列电机，与老产品相比

7、，重量平均减轻25.2%，起动转矩提高34.5%。1979年开始，组织了Y系列电动机的统一设计，采用B级别绝缘。上世纪90年代，又设计了替代Y系列电动机的Y2系列，与Y系列相比，Y2系列提高了防护等级和绝缘等级，安装尺寸及功率等级符合IEC标准。目前已完成了Y3系列的设计，Y3系列电机全部采用冷轧硅钢片，具有效率高、噪音低、起动性能好等优点。 5-2 感应电机的工作原理和运行状态感应电机的工作原理和运行状态 四、国产电动机简介四、国产电动机简介本节分析空载和负载时感应电机的磁动势和磁场本节分析空载和负载时感应电机的磁动势和磁场 一、空载运行时的磁动势和磁场一、空载运行时的磁动势和磁场5-3 三

8、相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场1、空载磁动势和空载电流、空载磁动势和空载电流 感应电动机空载时，将定子绕组接至对称三相电压，便有对称三相电流 在定子绕组中流过，该电流称为空载电流。若不计谐波磁动势，则该定子电流建立一基波旋转磁动势F1，其幅值为 在F1作用下产生气隙磁场Bm，Bm沿气隙圆周正弦分布并以同步转速旋转 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场 空载运行时定子磁动势空载运行时定子磁动势F1近似为产生气隙主磁场的激磁近似为产生气隙主磁场的激磁磁动势磁动势Fm，空载电流，空载电流 近似等于激磁电流近似等于激磁电流 。空载磁动势和磁场 空载电

9、流包括两部分，绝大部分是用来产生旋转磁场，称为磁化电流，为无功分量，小部分用以供给空载损耗，为有功分量。 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场2、主磁通、定子漏磁通和感应电动势、主磁通、定子漏磁通和感应电动势 根据磁通通过的路径的不同，将磁通分为两部分：主磁通和漏磁通。由基波旋转磁动势产生的通过气隙并与定子绕由基波旋转磁动势产生的通过气隙并与定子绕组和转子绕组同时交链的磁通称为主磁通。组和转子绕组同时交链的磁通称为主磁通。主磁通为每极下的磁通量，用 表示 。四极感应电机主磁通分布图 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场 定子三相电流除产生

10、主磁通 外，还产生仅与定子绕组交链而不与转子绕组交链的磁通称为定子漏磁通，用 表示。漏磁通包括三部分：即槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通。 槽漏磁通和端部漏磁通 主磁路主要由定、转子铁心和气隙组成是一个非线性磁路，主磁路主要由定、转子铁心和气隙组成是一个非线性磁路，受磁路饱和程度影响较大受磁路饱和程度影响较大；而漏磁路的磁阻可认为是常值而漏磁路的磁阻可认为是常值。 感应电动机空载运行时的电磁关系如下图所示 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场感应电动机空载运行时的电磁关系 主磁通在定子中感应出对称三相感应电动势，其表达式为 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感

11、应电动机的磁动势和磁场漏磁通将在定子三相绕组中感应的电动势，其表达式为 式中称为定子漏抗，称为定子漏电感 二、负载运行时的磁动势和磁场二、负载运行时的磁动势和磁场 当感应电动机带负载时，转速低于空载转速，因而定子旋转磁场与转子的相对速度增加，转子感应电动势增大，电机内部电磁关系发生变化。 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场1、负载时的转子磁动势、负载时的转子磁动势 感应电动机负载运行时转子绕组中产生感应电动势，进而产生转子电流，产生转子磁动势F2。 转子感应电动势的频率为： 分析可知 F1与F2转速相等，转向相同，在空间始终保持相对静止 ，感应电机在任何转速下均能

12、产生恒定的电磁转矩。感应电机负载时气隙内的磁场由定、转子磁动势共同产生的。感应电机负载时气隙内的磁场由定、转子磁动势共同产生的。 当负载运行时，转子磁动势除了与定子磁动势共同产生主磁场外，还产生仅与转子绕组交链的漏磁通，转子漏磁通也包括槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通三种。 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场2、转子反应、转子反应负载时感应电动机转子磁动势对气隙磁场的影响称为转子反应。负载时感应电动机转子磁动势对气隙磁场的影响称为转子反应。 负载后定子电流中除激磁分量外，还有一个补偿转子磁动势的负载分量 所产生的磁动势F1L与转子磁动势F2大小相等，方向相反，以维

13、持气隙内主磁通基本不变。 负载变化对定子的影负载变化对定子的影响是通过响是通过F2起作用的起作用的5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场即 F1L=F2 转子磁动势与主磁场转子磁动势与主磁场相互作用产生电磁转矩，相互作用产生电磁转矩，绕线式电机的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场绕线式电机的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场笼型电动机的的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势幅值与气隙磁场幅

14、值之间的夹角为5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场笼型电动机的的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场3、负载运行时的电磁关系、负载运行时的电磁关系感应电动机负载运行时的电磁关系 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场三、激磁阻抗及漏抗三、激磁阻抗及漏抗 与变压器中的分析方法类似，引入激磁阻抗表征主磁通对电路的电磁效应，则定子感应电动势与激磁电流之间具有以下关系 定、转子漏磁通感应电势与定、转子电流之间有以下关系5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电

15、动机的基本方程、相量图和等效电路 1、磁动势方程、磁动势方程 即负载时的定子磁动势可分为两部分，一部分是用来产生主磁通的激磁磁动势Fm，另一部分用来抵消转子磁动势的负载分量-F2。考虑到 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 式中为定、转子绕组的电流变比 为归算到定子边的转子电流 则：则：或：或：5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 磁动势矢量图及电流相量图 该图为感应电动机的磁动势矢量图和电流相量图，考虑转子漏阻抗时，转子磁动势F2滞后于激磁磁场Bm的角度为5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相

16、量图和等效电路 二、电压方程二、电压方程 感应电动机负载运行时，主磁通分别在定、转子绕组中产生感应电动势 定、转子漏磁通分别在定、转子绕组中产生漏电动势 定、转子绕组电阻分别产生电阻压降 和5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 采用变压器中各物理量正方向的规定，根据基尔霍夫第二定律可分别列写出定、转子电路的电压方程式 或或式中5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 将转子电路中与频率有关的物理量都注有下标s，用以表示转子转动时的参数，它们与转差率的关系为 则定、转子电路的电压平衡方程式可改写为 5-4电动机的基本方程、相

17、量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 ( a) 定子等效电路 (b) 转子等效电路定、转子等效电路 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 三、感应电动机的等效电路及相量图三、感应电动机的等效电路及相量图定、转子耦合电路示意图 由上图可见定、转子电路之间只有磁的耦合，没有电的联系需要进行相应的频率和绕组归算，即把一个电路归算到另一个电路中去。通常将转子侧物理量归算到定子侧。 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 1、频率归算、频率归算 频率归算是指在保持电磁系统的电磁性能不变的前提频率归算是指在保持电磁系统的

18、电磁性能不变的前提下，把一种频率的物理量换算成另一种频率的物理量。下，把一种频率的物理量换算成另一种频率的物理量。 对感应电机进行频率的归算是将转子电路的频率归算成定子电路的频率。要使转子电路的频率等于定子电路的频率，应该用一个静止的转子代替实际转动的转子 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 静止电动机定、转子耦合电路示意图 电阻电阻 为表征机械功率的电阻为表征机械功率的电阻 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 2、绕组归算、绕组归算 对感应电机进行了频率归算后，虽然解决了定、转子频率不同的问题，但不能把定、转子电

19、路连接起来。因此还要像变压器中那样进行绕组归算。 在归算中必须保证归算前后转子的电磁效应不变，归算后转子各物理量斜上方标符号。由归算前后转子磁动势不变得：5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 归算后转子电流为 由感应电动势与匝数、绕组因数的关系得：式中为电压变比 由归算前后转子铜耗和漏磁场储能保持不变得: 则：则：5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 经过绕组归算，可得到转子各物理量的归算值 经频率和绕组归算后，感应电动机的基本方程为 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 归算后的

20、定、转子等效电路 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 3、感应电机的等效电路、感应电机的等效电路归算后 ，可将定、转子电路连接在一起，所得等效电路称为 “T”型等效电路型等效电路。 感应电动机的 “T”型等效电路 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 由等效电路可得式中：为转子等效阻抗 为修正系数 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路 对“T”型等效电路简化后可得到感应电动机的“”型等效电路 感应电动机的“”型等效电路 可取5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路电动机的基本方程

21、、相量图和等效电路 4、感应电机的相量图、感应电机的相量图相量图画法如下 感应电动机的相量图 5-5 三相感应电动机的参数测定三相感应电动机的参数测定 1、空载试验与激磁参数的测定、空载试验与激磁参数的测定1、空载试验、空载试验空载试验的目的是测取激磁参数，并分离出铁耗和机械损耗。 试验时电机轴上不带负载，定子绕组接到额定频率的对称三相电源，先将电机空载运行一段时间（约20分钟左右）使其机械损耗达到稳定，然后调节定子端电压从1.11.2开始逐步降低至0.3U1N为止，测 79组数据 绘制成空载特性曲线 空载特性曲线 5-5 三相感应电动机的参数测定三相感应电动机的参数测定 铁耗和机械损耗的确定

22、 2、铁耗与机械损耗的分离、铁耗与机械损耗的分离空载输入功率为 把不同电压下的以端电压平方为横坐标绘成曲线，即可分离额定电压下的铁耗和机械损耗 5-5 三相感应电动机的参数测定三相感应电动机的参数测定 3、激磁参数的确定、激磁参数的确定由空载时的等效电路得 已知额定电压下的铁耗即可求得激磁电阻 而空载运行时的等效电路 5-5 三相感应电动机的参数测定三相感应电动机的参数测定 二、短路试验及短路参数的测定二、短路试验及短路参数的测定1、短路试验、短路试验 短路试验也称为堵转试验，试验时将转子堵转,试验应在较低的电压下进行，一般从0.4U1N开始，逐渐降低电压记录一组数据绘制短路特性曲线I1k、=

23、f（U1） 短路特性曲线 5-5 三相感应电动机的参数测定三相感应电动机的参数测定 2、短路参数的确定、短路参数的确定短路时的等效电路 由短路时的等效电路可得 铁耗可略去不计， 则5-5 三相感应电动机的参数测定三相感应电动机的参数测定 从上式解得为简化计算，假定 5-5 三相感应电动机的参数测定三相感应电动机的参数测定 经整理后得到 则 对于中、大型感应电动机，由于Xm很大，可将激磁支路去掉，则由短路时的近似等效电路可得 短路时的近似等效电路 5-6 鼠笼转子参数的计算鼠笼转子参数的计算一、鼠笼转子的极数一、鼠笼转子的极数 下图为一笼型转子处于两极气隙磁场的情况，可见，笼型转子绕组本身没有固

24、定的极数，它的极数完全取决于定子绕组所产生的气隙磁场的极数，即总是与定子极数相同。 (a) 感应电动势和电流5-6 鼠笼转子参数的计算鼠笼转子参数的计算(b)磁动势鼠笼转子导条中电动势、电流及磁动势5-6 鼠笼转子参数的计算鼠笼转子参数的计算二、鼠笼转子的相数二、鼠笼转子的相数鼠笼转子的相数取决于转子导条感应电动势的相位 若 为整数，则一对极下所有导条的电动势相量组成一个均匀分布的电动势星形，笼型绕组是一个对称多相绕组，其中每对极下的每一根导条构成一相。即鼠笼转子的相数为 若 为分数，则转子相数为 每相串联匝数为N2=1/2，绕组因数 =15-6 鼠笼转子参数的计算鼠笼转子参数的计算三、鼠笼转

25、子参数的计算三、鼠笼转子参数的计算 鼠笼转子参数的计算分两步：第一步求出转子每相的电阻R2和漏电抗 ，第二步将他们归算到定子边，求出每相漏阻抗的归算值。 1、转子每相的漏阻抗、转子每相的漏阻抗 每根导条的漏阻抗 ， 是每根端环的漏阻抗，导条中流过的电流是 ，端环中流过的电流是 ,各导条内电流的幅值相等，相邻导条内电流在相位上相差 电角度 。 5-6 鼠笼转子参数的计算鼠笼转子参数的计算(a)电路图 (b) 电流相量图鼠笼转子的电路图和电流相量图 5-6 鼠笼转子参数的计算鼠笼转子参数的计算由相量图得根据几何关系得 则一根导条和两段端环的铜损耗为 整理上式得 5-6 鼠笼转子参数的计算鼠笼转子参

26、数的计算5-6 鼠笼转子参数的计算鼠笼转子参数的计算考虑到各对极下属于同一相的 根导条是并联的，所以转子每相电阻为 同理，由导条和端环的漏磁场储能得转子每相漏抗为 5-6 鼠笼转子参数的计算鼠笼转子参数的计算2、转子漏阻抗归算值、转子漏阻抗归算值求出转子每相的电阻和电抗后，将其归算到定子边得： 5-7 感应电动功率关系、功率方程和转矩方程感应电动功率关系、功率方程和转矩方程 感应电动机从外部电源吸收电能，经电磁作用转换为转子轴上的机械能。本节将依据等效电路分析其能量关系，推出功率方程和转矩方程。 一、功率关系一、功率关系 感应电动机功率流程图 5-7 感应电动功率关系、功率方程和转矩方程感应电

27、动功率关系、功率方程和转矩方程二、功率方程二、功率方程 根据上述功率转换过程，可得到感应电动机的功率方程式如下 上述各种功率可在感应电动机“T”型等效电路中利用各种电阻上的损耗来表示 等效电路表示各种功率5-7 感应电动功率关系、功率方程和转矩方程感应电动功率关系、功率方程和转矩方程由上图可知 经推到得上式表明，电磁功率的s部分转换为转子铜耗，1-s部分转换为机械功率。转子铜损耗等于电磁功率与转差率的乘积转子铜损耗等于电磁功率与转差率的乘积。5-7 感应电动功率关系、功率方程和转矩方程感应电动功率关系、功率方程和转矩方程三、转矩方程三、转矩方程将功率方程 两端同除于机械角速度得转矩方程如下：式

28、中 ，为电磁转矩， 为输出转矩， 为空载转矩 由于 则 可见上述两种方法均可计算电磁转矩5-8 感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电动机的电磁转矩及机械特性 电磁转矩是感应电动机的重要物理量，下面分别推出其三种不同的表达形式。 一、电磁转矩的物理表达式一、电磁转矩的物理表达式因为电磁功率 , , ,电磁转矩可表示为 上式即为物理表达式，表明感应电动机的电磁转矩与感应电动机的电磁转矩与气隙合成磁场的磁通量及转子电流的有功分量成正比气隙合成磁场的磁通量及转子电流的有功分量成正比。 5-8 感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电动机的电磁转矩及机械特性二、电磁转矩的参数表达式（机械特性）二、电磁转矩的

29、参数表达式（机械特性） 根据感应电动机 “”型等效电路，并设 得 若电机的外加电压、极对数、角频率、相数和等效电路参数已知，则上式唯一地表达了电磁转矩和转差率之间的函数关系，可用曲线表示，称为转矩转差率曲线，又称为机械特性 。5-8 感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电机的 曲线 5-8 感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电动机的电磁转矩及机械特性 在转矩转差率曲线中，有两个对电机运行非常重要的转矩参数，一是最大转矩，另一个是起动转矩。最大转矩和起动转矩是表征电机性能的重要指标，下面分别介绍。 1、最大转矩、最大转矩可对转矩转差率公式求导数 ，且令 ，即可求出产生

30、最大转矩时的转差率 为临界传差率，对应的最大转矩为5-8 感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电动机的电磁转矩及机械特性当 ， 时，可得到如下简化公式 为保证电动机不因短时过载而停转，要求电动机具有一定的过载能力。将最大转矩与额定转矩之比称为过载能力，用 表示通常 ，对于起重和冶金用感应电动机，。 5-8 感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电动机的电磁转矩及机械特性2、起动转矩、起动转矩 在感应电动机的转矩转差率曲线中， 所对应的转矩称为起动转矩。 由上式可以看出，增大转子电阻起动转矩增大。对绕线式感应电动机，在转子电路中串入电阻可改变起动转矩。 5-8 感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电动机

31、的电磁转矩及机械特性 对于笼型感应电动机，不能采用串电阻的方法提高起动转矩，因此在进行电机设计时必须保证起动转矩。通常将起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数，用 表示 三、电磁转矩的实用表达式三、电磁转矩的实用表达式对于一般鼠笼式感应电动机，为 在2 左右 下面推出较为实用的电磁转矩表达式，即简化的转矩转差率曲线。 5-8 感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电动机的电磁转矩及机械特性上式经整理后得 5-8 感应电动机的电磁转矩及机械特性感应电动机的电磁转矩及机械特性由于 和 很小，若忽略 不计，则 上式为电磁转矩的简化计算公式，或称为电磁转矩的实用表达式。 5-9 感应电动机的工作特性及其

32、计算感应电动机的工作特性及其计算一、工作特性一、工作特性1、转速特性、转速特性 感应电动机工作特性曲线 可见感应电动机的转速特性是一条略微向下倾斜的曲线，如图所示。 转速特性是指转速与输出功率之间的关系 。 由下式 5-9 感应电动机的工作特性及其计算感应电动机的工作特性及其计算2、定子电流特性、定子电流特性定子电流特性是指定子电流与输出功率之间的关系 。 随着负载的增加，转子电流 加大，定子电流 随之增加，其变化规律如图所示 3、功率因数特性、功率因数特性功率因数特性指功率因数与输出功率之间的关系 5-9 感应电动机的工作特性及其计算感应电动机的工作特性及其计算 感应电动机的功率因数总是滞后

33、的。空载运行时，感应电动机的定子电流基本上是用以建立磁场的无功磁化电流，所以很小，通常小于0.2。随着负载的增加，转子电流有功分量增加，定子电流有功分量随之增加，使功率因数逐渐上升，在额定负载附近，功率因数达到最大值。当负载增加到一定程度时，转速较低，转差率s较大，使功率因数下降，如图中曲线所示 。5-9 感应电动机的工作特性及其计算感应电动机的工作特性及其计算4、转矩特性、转矩特性转矩特性是指电磁转矩与输出功率的关系 从空载到额定负载范围内，转速变化很小，若忽略转速的变化，且T0可认为基本不变，所以可近似认为是一条斜率为 的直线。 5、效率特性、效率特性效率特性是指效率与输出功率之间的关系

34、5-9 感应电动机的工作特性及其计算感应电动机的工作特性及其计算 从空载运行到满载运行，由于主磁通和转速变化很小，所以铁耗和机械损耗基本不变，可视为不变损耗。而定、转子铜耗和附加损耗随负载变化而变化，为可变损耗。空载时 ，所以=0，当不变损耗与可变损耗相等时效率达到最大值，之后继续增大负载时，定、转子铜损耗增加较快，效率反而下降。一般最大效率出现在额定负载的70100范围内。 5-9 感应电动机的工作特性及其计算感应电动机的工作特性及其计算二、用直接负载法计算工作特性二、用直接负载法计算工作特性 由试验测得的 、 、 、 及 可得到电磁功率和电磁转矩分别为 、及 转子铜耗和杂散损耗分别为 5-

35、9 感应电动机的工作特性及其计算感应电动机的工作特性及其计算输出功率和率分别为功率因数为直接负载法主要适用于中、小型感应电机。如因条件所限不能做负载试验时，一般先测取电机参数，然后用等效电路间接计算工作特性。 5-10 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机一、笼型感应电动机的起动方法一、笼型感应电动机的起动方法笼型感应电动机的起动分直接起动和降压起动两种方法 1、直接起动、直接起动起动时一般电动机应满足下列经验公式 为起动电流倍数 此方法简单，无需任何起动设备5-10 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机2、降压起动、降压起动 （1）星）

36、星三角起动三角起动 只适用于正常运行时定子绕组为三角形连接的电机，起动线路如图所示。 星三角起动 5-10 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机可见采用星可见采用星三角起动（三角起动（Y/D）起动时，起动电流减为原来的起动时，起动电流减为原来的1/3，而起动转矩也降低到原来的而起动转矩也降低到原来的1/3。故只可用于轻载起动的场合。 5-10 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机（2）自耦变压器起动）自耦变压器起动 自耦变压器起动法是利用自耦变压器把电源电压降低后再加到电动机定子绕组上，以减少起动电流。正常运行时，将自耦变压器从电源切除，

37、电动机直接接到电网上。图为自耦变压器降压起动接线图。 自耦变压器起动 5-10 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机 设自耦变压器的变比为 可见，自耦变压器降压起动法的自耦变压器降压起动法的电压降低电压降低 到，电网负担的到，电网负担的起动电流降低起动电流降低 到，起动转到，起动转矩也降低到矩也降低到 。 原理图 5-10 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机二、绕线式感应电动机的起动二、绕线式感应电动机的起动1、转子串接电阻起动、转子串接电阻起动绕线式电机串阻起动 要使起动转矩达到电机的最大转矩，可使临界转差率sm=1，得到要串入的电阻

38、为 5-10 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机2、转子串频敏变阻器起动、转子串频敏变阻器起动 频敏变阻器的结构及等效电路 （a）结构示意图 （b） 等效电路 转子串频敏变阻器起动的优点是结构简单，能自动平滑地减小电阻，无冲击转矩，寿命长，是一种无触点变阻器，目前已获得大量推广和应用。缺点是电机结构复杂（与笼型相比），价格高。 5-10 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机三、三、 深槽和双鼠笼感应电动机深槽和双鼠笼感应电动机1、深槽式感应电机、深槽式感应电机 （a) 槽漏磁分布 （ b) 电流密度分布 （ c) 导条有效截面积深槽式转

39、子导条中电流的集肤效应5-10 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机 深槽式感应电机的特点是槽深与槽宽之比达1012。槽漏磁通分布如图（a）所示，交链槽底部分的漏磁通远大于交链槽口部分的漏磁通，使得槽底漏抗大于槽口漏抗。电流密度沿槽高的分布曲线如图（b）所示，这种现象称为电流的集肤效应，其效果相当于导体的有效截面积减小，如图（c）所示，转子电阻增大从而满足了起动要求。当起动结束后，电机正常运行时转子电流频率很低（一般为13Hz），集肤效应消失，转子电阻自动变小接近等于直流电阻。 5-10 感应电动机的起动及深槽和双笼电机感应电动机的起动及深槽和双笼电机2、双鼠笼感应

40、电动机、双鼠笼感应电动机双鼠笼转子槽 双鼠笼电动机的转矩转差率曲线 起动时，转子频率高集肤效应显著，电流多被挤到电抗小电阻大的上笼，上笼又称为起动笼；正常运行时，转子频率很低，集肤效应消失漏抗较小，电流多被挤到电阻小的下笼，下笼又称工作笼 。5-11 感应电动机的调速感应电动机的调速 由感应电动机转速表达式 可知，感应电动机的调速方法有以下三种 一、变极调速一、变极调速 当改变定子绕组的极对数时，改变了旋转磁场的转速，即可改变电机的转速，若极对数增加一倍，则同步速下降一半。显然该调速方法只能做到一级一级地改变转速，属于有级调速。 改变定子绕组接线，使每相的绕组中有一半绕组反向，改变定子绕组接线

41、，使每相的绕组中有一半绕组反向，即可实现变极。即可实现变极。 5-11 感应电动机的调速感应电动机的调速 （a) 连接图 （ b) 展开图四极时一相绕组的连接5-11 感应电动机的调速感应电动机的调速 （a）连接图 （b）展开图两极时一相绕组的连接5-11 感应电动机的调速感应电动机的调速二、变频调速二、变频调速在变频调速时，通常希望电机的主磁通保持不变，则。电动机的最大转矩 额定转矩应为 5-11 感应电动机的调速感应电动机的调速 若变频前后电机的过载能力不变，则 ，定子电压应按照下列规律进行调节 根据各种生产机械的不同要求，常采用恒转矩调速和恒功率调速两种方法，下面分别讨论它们所对应的电压

42、调节规律。 5-11 感应电动机的调速感应电动机的调速1、恒转矩变频调速、恒转矩变频调速 恒转矩调速是指整个调速过程中电机的输出转矩维持恒定，可得 恒转矩变频调速时电机的最大转矩保持不变。 2、恒功率变频调速、恒功率变频调速 由得：最大转矩将随频率的上升而下降 5-11 感应电动机的调速感应电动机的调速三、改变转差率调速三、改变转差率调速改变转差率实现调速的方法有多种，下面介绍几种常用的方法。1、改变定子电压调速、改变定子电压调速改变定子电压调速 这种调速方法的调速范围小，且轻载时几乎没有调节作用；电机在额定负载下降压时，电机电流将高于额定值，使电机过载运行。主要用于拖动风机类负载的小型感应电

43、动机。 5-11 感应电动机的调速感应电动机的调速2、转子串电阻调速、转子串电阻调速这种调速方法仅适用于绕线式感应电动机改变转子电阻调速 此种调速方法的优点是：初期投资小、方法简单、调速范围较宽广；缺点是：串入电阻越大，能量损耗越大，且机械特性斜率加大，动态精度变差，主要用于起重机等场合。 5-11 感应电动机的调速感应电动机的调速3、串级调速、串级调速 串级调速是在转子回路中接入功率变换装置，引入一附加感应电动势实现调速，并将原本消耗于电阻上的电能转化为机械能或回送电网的电能。 转子带变频器的串级调速系统 整流器将转差频率的电流变为直流，再经逆变器将直流变为工频交流，将电能送回电网，控制逆变

44、器的逆变角，可改变逆变器的电压，从而达到调速的目的。 5-11 感应电动机的调速感应电动机的调速4、双馈电机调速、双馈电机调速双馈电动机调速系统 双馈调速转子外接电源为频率、幅值、相位和相序均可调的三相交流电源。 当改变变频器的频率可实现调速，改变变频器输出相序时电机在超同步速下运行。调节变频器输出电压的大小和相位可以实现功率因数的调节。 5-12 特殊感应电动机特殊感应电动机一、单相感应电动机一、单相感应电动机1、单相感应电动机的工作原理、单相感应电动机的工作原理 单相感应电机接线图 单相感应电动机的工作原理可利用双旋转磁场理论来说明。单相交流电所建立的磁动势为脉振磁动势，其基波分量可表示为

45、 对于正向旋转磁场转差率为 正向旋转磁场转子绕组产生的感应电动势和电流的频率为 5-12 特殊感应电动机特殊感应电动机对于反向旋转磁场转差率为 反向旋转磁场在转子绕组中产生的感应电动势和电流的频率为 正、反转磁场分别产生正、反向电磁转矩，如图虚线所示 单相感应电动机的 曲线 5-12 特殊感应电动机特殊感应电动机单相感应电动机的等效电路 2、等效电路、等效电路5-12 特殊感应电动机特殊感应电动机由等效电路可得到定、转子电流为式中：5-12 特殊感应电动机特殊感应电动机正向电磁转矩和反向电磁转矩为合成电磁转矩为 由于单相感应电动机始终存在一个反向转矩，因此这种电机的性能要比三相感应电动机差，效

46、率和功率因数较低。 5-12 特殊感应电动机特殊感应电动机3、起动方法、起动方法 根据起动方法及相应结构上的不同，单相感应电动机常用的起动方法有分相起动和罩极起动两种。(1) 分相式电动机分相式电动机 （a） 电阻分相起动电动机 （b） 电容分相起动电动机5-12 特殊感应电动机特殊感应电动机 （c） 电容运转电动机 （d） 单相双值电容电动机5-12 特殊感应电动机特殊感应电动机(2) 罩极式电动机罩极式电动机 罩极电动机定子铁心多做成凸极式，每个极上绕有工作绕组，在磁极极靴上开一小槽，用短路钢环把部分磁极罩起来，转子为鼠笼式。 凸极式罩极电动机 磁通 超前 。在该磁场作用下，电动机产生一定

47、的起动转矩，使转子沿着旋转磁场的方向转动。 5-12 特殊感应电动机特殊感应电动机二、直线感应电动机二、直线感应电动机1、工作原理、工作原理直线电机的演变过程 (a) 旋转感应电机 (b)直线感应电机5-12 特殊感应电动机特殊感应电动机2、结构特点、结构特点 在直线感应电动机中，电枢绕组装在原边，采用长动子、短定子成本较低；分单边型和双边型 （a）单边型 （b）双边型 直线电动机可用于高速地面运输系统及各种直线传动设备，如起重吊车、传送带、开关自动开闭装置、电动门、生产自动线上的机械手、冲床和高速列车等。 5-13 感应发电机感应发电机一、感应发电机的基本方程、等效电路和相量图、感应发电机的

48、基本方程、等效电路和相量图 为便于与电动机运行方式进行比较，在进行电路分析时，各物理量正方向的规定与电动机运行方式相同，因此发电机运行方式下的基本方程和等效电路与电动机相同，只是转差率s为负值。 感应发电机相量图 5-13 感应发电机感应发电机二、与电网并联运行的感应发电机二、与电网并联运行的感应发电机 在该运行方式下，其建立磁场所需要的激磁无功电流由电网提供，在发电的同时，增加了电网的无功负担。 并网运行的感应发电机有以下特点：并网运行的感应发电机有以下特点： (1)不存在电压建立问题，并网感应发电机的电压与频率由电网 决定； (2)建立磁场的激磁电流由电网提供，这是感应发电机的缺点； (3

49、)感应发电机起动和并入电网都很方便，易于自动控制，不会 发生振荡或失步。5-13 感应发电机感应发电机三、单机运行的感应发电机三、单机运行的感应发电机单机运行时在定子端点并联一组对称三相电容，利用电容器提供感应发电机所需的激磁电流，实现感应发电机的自激。 （a) 接线图 （b) 建压过程 自激感应发电机5-13 感应发电机感应发电机 感应发电机的建压过程是一个自激过程。电机转子上存电机转子上存在一定的剩磁在一定的剩磁，当原动机带动转子转动时，转子剩磁切割定子绕组，在其中产生感应电动势，经电容产生电流，该电流流过定子绕组，产生与剩磁方向一致的定子磁动势，使气隙产生与剩磁方向一致的定子磁动势，使气

50、隙磁场得到加强磁场得到加强，使发电机的电压逐步建立起来，如图所示。曲线1为空载特性曲线，可由感应电机空载试验求得，直线2、3为接不同电容时的电容线，电容值越大，角越小，则端电压越高。若电机所接电容对应直线2，则自激过程一直进行自激过程一直进行到空载特性曲线与电容线的交点到空载特性曲线与电容线的交点A才结束才结束。因此，电容C要足够大，使电容线与感应发电机的空载特性曲线1交于正常的运行点，才能产生额定端电压。 5-14 不对称电压下的运行分析不对称电压下的运行分析 采用对称分量法分析三相电动机在不平衡电压下的运行情况将三相不对称电压或电流分解为正序、负序和零序三个对称电压或电流对于正序旋转磁场，转子的转差为。 5-14 不对称电压下的运行分析不对称电压下的运行分析正序等效电路 对应的正序等效电路为当正序电压作用于电动机定子上时，产生正序转矩 5-14 不对称电压下的运行分析不对称电压下的运行分析负序等效电路 对应的负序等效电路为当负序电压作用于电动机定子上时，产生负序转矩 对于正序旋转磁场，转子的转差为5-14 不对称电压下的运行分析不对称电压下的运行分析叠加后的电磁转矩为 三相感应电动机在不对称电压下运行时，负序阻抗较小，导致负序电流较大，造成电机的发热，并使其过载能力和效率降低。因此不允许感应电动机长期运行在严重的不对称电压下。