技能培訓(xùn)專題 電氣工程師 專業(yè)基礎(chǔ) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（二）

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1、 27.2.3感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本原理 （1）．極數(shù)（磁極對(duì)數(shù)p） 三相異步電動(dòng)機(jī)的極數(shù)就是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極數(shù)和三相繞組的安排有關(guān)。 當(dāng)每相繞組只有一個(gè)線圈，繞組的始端之間相差1200空間角時(shí)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有一對(duì)極，即p=1； 當(dāng)每相繞組為兩個(gè)線圈串聯(lián)，繞組的始端之間相差600空間角時(shí)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有兩對(duì)極，即p=2； 同理，如果要產(chǎn)生三對(duì)極，即p=3的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，則每相繞組必須有均勻安排在空間的串聯(lián)的三個(gè)線圈，繞組的始端之間相差400（=1200/p）空間角。極數(shù)p與繞組的始端之間的空間角q的關(guān)系為： （2）

2、．轉(zhuǎn)速n 三相異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0與電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)p有關(guān)，它們的關(guān)系是： 由上式可知，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0決定于電流頻率f1和磁場(chǎng)的極數(shù)p。對(duì)某一異步電動(dòng)機(jī)而言，f1和p通常是一定的，所以磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n0是個(gè)常數(shù)。 （3）．轉(zhuǎn)差率s 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向相同，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n不可能達(dá)到與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0相等，否則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間就沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而磁力線就不切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)矩也就都不存在。也就是說旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子之間存在轉(zhuǎn)速差，因此我們把這種電動(dòng)機(jī)稱為異步電動(dòng)機(jī)，又因?yàn)檫@種電

3、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的，故又稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0常稱為同步轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)差率s——用來表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n0相差的程度的物理量。即： 轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要的物理量。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n0開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子則因機(jī)械慣性尚未轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子的瞬間轉(zhuǎn)速n=0，這時(shí)轉(zhuǎn)差率S=1。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來之后，n>0，（n0-n）差值減小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率S<1。如果轉(zhuǎn)軸上的阻轉(zhuǎn)矩加大，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n降低，即異步程度加大，才能產(chǎn)生足夠大的感受電動(dòng)勢(shì)和電流，產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩，這時(shí)的轉(zhuǎn)差率S增大。反之，S減小。異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速

4、一般很接近，轉(zhuǎn)差率很小。在額定工作狀態(tài)下約為0.015~0.06之間。 （4）．三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電路與轉(zhuǎn)子電路 三相異步電動(dòng)機(jī)中的電磁關(guān)系同變壓器類似，定子繞組相當(dāng)于變壓器的原繞組，轉(zhuǎn)子繞組（一般是短接的）相當(dāng)于副繞組。給定子繞組接上三相電源電壓，則定子中就有三相電流通過，此三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其磁力線通過定子和轉(zhuǎn)子鐵心而閉合，這個(gè)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子和定子的每相繞組中都要感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。 27.2.4 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的額定值 額定功率：額定運(yùn)行狀態(tài)下的軸上輸出功率，單位：kW。 ·額定電壓：額定運(yùn)行狀態(tài)下加在定子繞組上的線電壓，單位：V。 ·額定電流：額定運(yùn)行狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)定子繞組的

5、線電流，單位：A。 ·額定轉(zhuǎn)速：額定運(yùn)行狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位：r/min。 ·額定頻率：電動(dòng)機(jī)電源電壓標(biāo)準(zhǔn)頻率。 27.3 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的運(yùn)行原理、基本方程與等值電路 27.3.1 磁動(dòng)勢(shì)關(guān)系 空載時(shí)，異步電機(jī)定子三相繞組流入三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為，?？蛰d時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子中無電流很小，可近似認(rèn)為轉(zhuǎn)子電流為零，氣隙中僅此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將下降，從降至，此時(shí)定子電流將增大，轉(zhuǎn)子繞組中也有電流流過，也將產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)并建立轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為，則定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組的相對(duì)速度為，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流的頻率為 轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)轉(zhuǎn)

6、子的轉(zhuǎn)速為 轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)定子的轉(zhuǎn)速為 由此可見，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)速與定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)速相同，都等于同步轉(zhuǎn)速，它們?cè)诳臻g始終保持相對(duì)靜止，與轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速大小無關(guān)。氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)合成。這樣，異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與變壓器初級(jí)、次級(jí)磁場(chǎng)一樣，都符合磁動(dòng)勢(shì)平衡原則 與變壓器相似，與的大小和相位是通過磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系聯(lián)系的。轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組有相同的極數(shù)，因此定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)有相同的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)對(duì)定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生去磁作用，二者共同作用產(chǎn)生主磁通，由此產(chǎn)生定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)故正比于，又由定子電壓平衡式，當(dāng)電機(jī)端電壓一定，

7、也基本不變，從而決定基波磁通和勵(lì)磁電流。 一般定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組有相同的極數(shù)，但可有不同相數(shù)。設(shè)定子繞組有相，轉(zhuǎn)子繞組有相，則 定子繞組磁動(dòng)勢(shì) 轉(zhuǎn)子繞組磁動(dòng)勢(shì) 合成磁動(dòng)勢(shì) 磁動(dòng)勢(shì)平衡式為 即 27.3.2 電動(dòng)勢(shì)關(guān)系 27.3.3 基本方程式與等值電路 27.3.3.1 頻率的歸算—等效靜止轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)的頻率為，而定子回路參數(shù)的頻率仍為，兩者不相同，而不同頻率的物理量所列出的方程式是不能聯(lián)立求解的，也得不到統(tǒng)一的等效電路，為此把轉(zhuǎn)子頻率變換成與定子電路相同的頻率，這就是頻率歸算。上節(jié)已討論過，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子電路具有相同的頻率，故等效

8、的轉(zhuǎn)子電路可以看成靜止不動(dòng)的。 27.3.3.2 轉(zhuǎn)子繞組的歸算 一般將轉(zhuǎn)子方面的各物理量歸算到定子方面。 （1）電流的歸算 根據(jù)歸算前后轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)保持不變，即： 式中 為電流變比。 （2）電動(dòng)勢(shì)的歸算 根據(jù)歸算前后轉(zhuǎn)子視在功率保持不變，即 式中為電動(dòng)勢(shì)變比。 （3）阻抗的歸算 根據(jù)歸算前后轉(zhuǎn)子銅耗保持不變，即 式中 為阻抗變比。 電阻變比也適用于轉(zhuǎn)子電抗、阻抗的歸算。 27.3.3.3 基本方程式與等值電路 基本方程 定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成一個(gè)等效電路，轉(zhuǎn)子參數(shù)經(jīng)頻率歸算后還應(yīng)進(jìn)行繞組歸算，歸算后異

9、步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后的基本方程為 等效電路 根據(jù)上式可畫出異步電機(jī)的T型等效電路 令 根據(jù)T型等效電路，可寫出如下兩個(gè)方程式。 聯(lián)立求解得 可見和都很復(fù)雜，式中是一個(gè)復(fù)系數(shù) 27.3.4 籠型轉(zhuǎn)子的極數(shù)、相數(shù)和匝數(shù) 27.4 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的功率、轉(zhuǎn)矩平衡方程式 27.4.1功率平衡方程式 一、 功率平衡方程 輸入功率 ，式中為定子相電壓、相電流。 電磁功率 ; 定子銅耗 定子鐵耗 。 轉(zhuǎn)子銅耗 風(fēng)摩損耗 雜散損耗 (諧波損耗) 空載損耗 機(jī)械功

10、率 軸上輸出功率 由等值電路可知： 電磁功率又可表達(dá)為 故 機(jī)械功率 轉(zhuǎn)子銅耗 稱為轉(zhuǎn)差功率。 綜上：異步電動(dòng)機(jī)軸上輸出功率 27.4.2 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 二、 轉(zhuǎn)矩平衡方程 定義：異步電機(jī) 電磁轉(zhuǎn)矩 軸上輸出轉(zhuǎn)矩 空載轉(zhuǎn)矩 即： 又 結(jié)論： 與他勵(lì)直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩比較： 直流： ·形式基本相同 ·直流電機(jī)在勵(lì)磁不變時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比 異步機(jī)即使磁通不變，電磁轉(zhuǎn)矩僅取決于轉(zhuǎn)子電流的有功分量 ·直流電機(jī)在磁通、電流不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為常數(shù)；而異步機(jī)轉(zhuǎn)子電流是有效值，不是瞬時(shí)值，因此即使電磁轉(zhuǎn)矩各項(xiàng)不變

11、，瞬時(shí)值仍會(huì)不同。 ·轉(zhuǎn)子功率因素角是轉(zhuǎn)差率s即轉(zhuǎn)速n的函數(shù)。即使磁通不變，不同轉(zhuǎn)速下同樣電流得到的電磁轉(zhuǎn)矩也有很大差別。 ·電磁轉(zhuǎn)矩主要為轉(zhuǎn)子參數(shù)，直接測(cè)量、控制困難，轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值控制更困難 （1）電磁轉(zhuǎn)矩（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)矩） 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T是由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的每極磁通F與轉(zhuǎn)子電流I2相互作用而產(chǎn)生的。電磁轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)子繞組中的電流I及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱有關(guān)。 經(jīng)理論證明，它們的關(guān)系是： 其中 T為電磁轉(zhuǎn)矩 KT為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) F為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每個(gè)極的磁通量 I2為轉(zhuǎn)子繞組電流的有效值 j2為轉(zhuǎn)子電流滯后于轉(zhuǎn)子

12、電勢(shì)的相位角 若考慮電源電壓及電機(jī)的一些參數(shù)與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，修正為： 其中 為常數(shù) U1為定子繞組的相電壓 S為轉(zhuǎn)差率 R2為轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻 X20為轉(zhuǎn)子靜止時(shí)每相繞組的感抗 由上式可知，轉(zhuǎn)矩T還與定子每相電壓U1的平方成比例，所以當(dāng)電源電壓有所變動(dòng)時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響很大。此外，轉(zhuǎn)矩T還受轉(zhuǎn)子電阻R2的影響。圖4-15為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線。 （2）機(jī)械特性曲線 圖 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線 在一定的電源電壓U1和轉(zhuǎn)子電阻R2下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差

13、率n之間的關(guān)系曲線T=f(s)或轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線n=f(T)，稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線，它可根據(jù)式（5-4）得出，如圖5-5所示。 在機(jī)械特性曲線上我們要討論三個(gè)轉(zhuǎn)矩： 1）．額定轉(zhuǎn)矩TN 額定轉(zhuǎn)矩TN是異步電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩。 （5-6） 式中P2是電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率，其單位是瓦特，n的單位是轉(zhuǎn)/分，TN的單位是?！っ?。 當(dāng)忽略電動(dòng)機(jī)本身機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)矩T0時(shí)，阻轉(zhuǎn)矩近似為負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，電動(dòng)機(jī)作等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T必與阻轉(zhuǎn)矩TL相等，即T= TL。額定負(fù)載時(shí)，則有TN=

14、TL。 2）．最大轉(zhuǎn)矩Tm Tm又稱為臨界轉(zhuǎn)矩，是電動(dòng)機(jī)可能產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩。它反映了電動(dòng)機(jī)的過載能力。 最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率為Sm，此時(shí)的Sm叫做臨界轉(zhuǎn)差率，見圖5-5（a） 最大轉(zhuǎn)矩Tm與額定轉(zhuǎn)矩TN之比稱為電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)l，即 l= Tm/ TN 一般三相異步的過載系數(shù)在1.8~2.2之間。 在選用電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須考慮可能出現(xiàn)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，而后根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)算出電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，它必須大于最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。否則，就是重選電動(dòng)機(jī)。 3）．起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst， Tst為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)初始瞬間的轉(zhuǎn)矩，即n=0，s＝１時(shí)的轉(zhuǎn)矩。 為確保電動(dòng)機(jī)能夠帶額定負(fù)載起動(dòng)，必須滿足

15、：Tst>TN，一般的三相異步電動(dòng)機(jī)有Tst/TN=1~2.2。 1. 例題：一臺(tái)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，額定功率，額定電壓，型接法，額定轉(zhuǎn)速，定、轉(zhuǎn)子的參數(shù)如下： ； 。 試求在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 解：轉(zhuǎn)差率 額定轉(zhuǎn)速時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩為 起動(dòng)電流為 起動(dòng)線電流 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 2. 一臺(tái)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，，額定電壓，定子接法，頻率為。額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子銅耗為，鐵耗為，機(jī)械損耗，附加損耗，已知，，試計(jì)算轉(zhuǎn)子電流頻率、轉(zhuǎn)子銅耗、定子電流和電機(jī)效率。 解 轉(zhuǎn)差率 轉(zhuǎn)子電流頻率 全機(jī)械功率 電磁功率 轉(zhuǎn)子銅耗 定子輸入功率 定子線電流 電動(dòng)機(jī)效率 12頁(yè)