三相发电机基础知识

I2 cos2

2 X2

R2
2 R2 ( sX 20 ) 2
也与转差率s有关(见图示曲线)。 0
1
s
5. 三相异步电动机的转矩 与机械特性
• 电磁转矩 T 是三相异步电动机最重要的物理量之一， 机械特性是电动机的主要特性。对电动机进行分析往 往离不开这两方面内容。
一、转矩公式
异步电动机的转矩是由旋转磁场每磁极的磁通 与 转子电流I2相互作用产生的。它应与电磁功率成正 比，因而与转子的功率因数有关。于是 T I 2 cos 2 K T I 2 cos 2
20
每相绕组的电路图
可见，转子感抗与转差率有关。其中X20是 s=1(或n=0)时的转子感抗 X 2 f L
1 2
E 2 I 2 R2 ( E 2 ) I 2 R2 j I 2 X 2
将感抗X2代如上式，可得转子电流为
I2 E2
2 2 R2 X2






sE 20
T Tmax
• 在电源电压U1和转子电阻R2 一 定的情况下，转矩与转差率的 关系曲线 T= f (s) 或转速与转矩 0 sm 的关系曲线 n = f (T)，称为电 动机的机械特性曲线。 n n0 转矩与转差率的关系曲线T= f (s) n a 如右侧上图所示， n0
s
1 0
转速与转矩的关系曲线 n = f (T) 如右侧下图所示。
Y´ C´ A Z´ B A A ´ X Y ´Z ´ ´ C X C´ X´ B´ Y´ A Z´ B X
X´
B´ Z A´ Y
X
C
转子 P=2 A´ Y
B
Z
C

磁场位置(t=0)
二、三相异步电动机的转速 • 电动机的转速是与旋转磁场有关的。而磁场极 数不同则磁场的转速就不同，在一对磁极的情 况下，交流电经历一个周期磁场恰好在空间转 过一圈，若定子电流的频率为f1，旋转磁场在 每分钟将转过60f1 周。 当磁极对数为 p时，磁场的转速为 60 f1 n0 （转每分） p 在我国(f1=50Hz)，磁极对数为 p的磁场转速n0为 p 1 2 3 4 5 6
同步电动机 异步电动机 同步电动机
电 动 机
并励电动机 串励电动机 复励电动机


单相电动机 两相电动机 三相电动机
交流电动机

异步电动机

工业生产中广泛应用着交流电动机，特别是三相 异步电动机。它具有结构简单、易于控制、效率 高和功率大等许多优点。 本章讨论的问题 ：
(1)三相异步电动机的结构；
实际上，下图是通过上图右 旋90°得到的。
nN
b
T TN Tst Tmax
0
• 研究机械特性是分析为了分析电动机的运行性能。 在机械特性曲线上，要讨论三个转矩。
1. 额定转矩 TN 在电动机匀速转动时，其转矩T必须与阻力转矩TC 平衡，而阻力转矩包括负载转矩T2和空载损耗转矩 T0。一般T0很小，常可忽略，所以 n P2 a T T T T
3. 三相异步电动机的构造
• 参见教材
4. 三相异步电动机的定子与转子电路
三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子 绕组相当于变压器的原绕组；转子绕组相当于变 压器的副绕组(而电动机的转子绕组一般是短路 的)。定子电流产生的旋转磁场将通过定子和转子 铁心而构成的闭合磁路，该磁场不仅在转子的每 相绕组中产生感应电动势 e2，也要在定子的每相 绕组中产生感应电动势 e1。而实际上，旋转磁场 是由定子电流和转子电流共同作用产生的。 设定子和转子的每相绕组匝数分别N1为N2和， 下面将对动机的电路进行分析。
n a n0 nN
TNTst Tmax 正常情况下，电动机都工作在 特性曲线的 ab 段，当负载转矩增加时，电动机转 速要降低，但对应的电磁转矩却要增加，因为 ab 段比较平坦，所以电动机的转速变化不大。这种 特征称为硬的机械特性。
P2 N 7.5 TN 9550 9550 nN 1440 49.7 N m

TN
一般电动机的过载系数为1.8~2.2。
3. 起动转矩 Tst
电动机刚起动 (n =0) 时的 转矩称为起动转矩
n
U1 < U1
U1
Tst K
2 R2U1 2 2 R2 X 20
(2)三相异步电动机的工作原理；
(3)三相异步电动机的转速与转差率； (4)转矩和机械特性及其与转差率的关系； (5)电动机的起动、反转、调速及制动的基 本原理和方法；
1. 三相电动机的转动原理
• 参见教材
2. 三相异步电动机的极数与转速
一、三相异步电动机的极数
三相异步电动机定子产生旋转磁场的磁极个数，称为极数。 对于每相只有一个线圈的电动机，绕组始端之间相差120° 的空间角，则产生的旋转磁场只有一对磁极。磁极对数用p 表示，则p=1。 若每相定子绕组由两个线圈串联组成(如图所示)，则绕组始 端之间相差60°空间角，因而旋转磁场具有两对磁极，p=2.
b
T
0
2. 最大转矩 Tmax
• 在机械特性曲线的最大值，称 为最大转矩或临界转矩。 此时对应的转差率为 s m (可由 dT/ds = 0 求得) ， 即令
n a n0 nN
b
T
0
dT d KsR2U12 [ 2 ]0 2 ds ds R2 ( sX 20 ) 2 U R2 1 T K 进而可得 max 可得 sm 2 X 20 X 20
根据电动机的转动原理，异步电动机之所以能够转 动，是因为转子绕组在旋转磁场中要产生感应电动 势e2，进而产生转子电流i2，而与旋转磁场作用产生 电磁转矩T 。下面讨论转子电路中的各物理量： 1. 转子绕组中的感应电动势 旋转磁场的主磁通φ在每相转子 绕组产生感应电动势
d e2 N 2 dt 其有效值为
dt
u1
e1
e1
e2
e 2
f1
f2
每相绕组的电路图
定子电路分析
定子电流不仅产生主磁通φ，还将产生漏磁通 主磁通要通过转子绕组，而漏磁通将不通过转子 绕组。这样在原绕组的电压约束方程为
如用相量表示，则可认为

di1 u1 i1R1 (e1 ) (e1 ) i1 R1 L1 (e1 ) dt
2 0 2
P2是电动机的输出功率 (单位 W )， T 的单位是(N•m)。n 的单位是 (r /
min)。若功率单位用千瓦，则
2n / 60
n0 nN
b
T TN Tst Tmax
P2 T 9550 n
0
• 额定转矩是电动机在额定负载时的转矩。
可从电动机铭牌上额定功率和额定转速等数据求得。 如某台电动机，P 2N =7.5kW， 额定转速nN =1440 r / min， 则额定转矩为
例
某三相异步电动机的额定转速n=570r/min。 求电动机的极数和额定时的转差率(f1=50Hz)。 转速 n0，而 n0 对应于磁极对数p有一系列固 定值。显然，与570r/min最接近的是
解：由于电动机的额定转速应接近且略小于同步
p5 n0 600r / min
因此，额定时的转差率为
n0 n 600 570 s 5% n0 600
一、定子电路
电动机内旋转磁场的磁感应强度在沿定子与转子 间气隙应是接近于正弦规律变化分布。因此，通 过每想定子绕组的磁通也应是随时间作正弦规律 变化的，即φ=Φmsinωt 因此，每相定子绕组中由旋转磁场产生的感应电 动势为 d i1 i2 e N
1 1
也是正弦量，其有效值为 E1 4.44 f1 N1 f1 是 e1 的频率，由同步转速 pn0 可得 f1 60
• 转矩T也与s有关。
由上式可见，转矩还与定子的相电压U1的平方成 正比。所以，电源电压的变动对转矩的影响很大。 转矩特性T =T(s)曲线如图 所示，当s很小时， T与s 成正比；当s很大时，T与 s 成反比(以双曲线为渐近 线)，并且有最大转矩Tmax 存在。
T
Tmax
0
n n0
sm
1 0
s
二、机械特性曲线
三相异步电动机
1. 转动原理Βιβλιοθήκη Baidu
2. 极数与转速 3. 电动机的构造
4. 定子与转子电路 5. 转矩与机械特性
6. 电动机的起动 7. 电动机的调速
8. 电动机的制动 9. 铭牌数据
10. 电动机的选择
电动机 是将电能转换成机械能的装置。广泛
应用于现代各种机械中作为驱动。 • 由电动机驱动的优点：减轻繁重的体力劳动； 提高生产率；可实现自动控制和远距离操纵。 他励电动机 • 电动机的分类： 直流电动机
由此，进而可得转子感应电动势的有效值为
E2 4.44s f1 N 2 sE 20
E20为 s = 1 (或n=0)时转子所产生的感应电动势的 有效值， E 4.44 f N
20 1 2
3. 转子绕组中的电流
转子电流也要产生漏磁通2，每相绕组中的感应 di2 电动势为 i1 i2 e 2 L 2 dt 对转子电路应用KVL，有 e1 e2 di2 u1 e2 i 2 R2 (e 2 ) i 2 R2 L 2 e1 e 2 dt 若用相量表示，则为 f1 f 2 E 2 I 2 R2 ( E 2 ) I 2 R2 j I 2 X 2 X2与转子频率f 2有关，即 X 2 2f 2 L 2 2 s f1 L 2 s X 20
2 R2 ( sX 20 ) 2
可见，转子电流I2也与转差率s有关，如图曲线所示。 转差率s增加(转速n减小)时，转子切割磁力线加剧， 于是E2增加，I2也增加。 由于转子漏磁通的存在，呈电 感性，因此 I2 比 E2 滞后2角。 转子绕组的功率因数为
cos 2 R2
2 R2
I2, cos2
i1 u1 e1
e1
i2 e2
e 2
E2 4.44 f 2 N 2
f1
f2
f2为转子绕组中电流的频率。
每相绕组的电路图
2. 转子绕组中电流的频率 f2
因为旋转磁场和转子之间的相对转速为 (n0– n)， p(n0 n) n0 n pn0 所以 f2 s f1 60 n0 60 可见，转子电流频率与转差率 s 有关，也就是与 转速n 有关。 在 s=1 即(n =0)时，转子电流频率最大 f2= f1。 对额定转速时， s为1~9%，则f2= 0.5 ~ 4.5 Hz。
n （ 0 r / min ） 3000 1500 1000
750
600
500
1. 转子转速 n 电动机运行时的实际转速也就是转子转速 n。 2. 同步转速 n0 电动机旋转磁场的转速也称为同步转速 n0。
根据电动机的转动原理，转子转速将小于磁场的转 速，即n＜ n0。若二者相等，转子就没有切割磁力 线作用，转矩也就消失了，因此转子不可能以n0的 转速正常运行。 3. 转差率 s 转差率 s 是表示转子转速n与磁场转速n0 之间差别 程度的，即 n0 n s n0 它是异步电动机的重要参量之一，额定时约为1~9%
TNTst
Tmax
可见，TmaxU12,且与转子电阻R2 无关，而 R2 越大 sm也越大。
当负载转矩超过最大转矩时，电动机转速急剧下 降，电动机将停止转动——产生闷车现象。
电动机一旦闷车，电流立即上升6~7倍，电动机 严重过热！以至烧坏。从另一方面考虑，若在很 短时间内过载，在电动机尚未过热就恢复达到正 常状态，未损坏电动机是允许的。因此，最大转 矩也表示电动机具有短时间的过载能力。 定义最大转矩与额定转矩的比值为过载系数λ， 即 Tmax
E1 U1 U1 4.44 f1 N1 4.44 f1 N1
sE 20
2 R2 ( sX 20 ) 2
及 I2

s(4.44 f1 N 2 )
2 2 R2 X2
且 cos 2
R2
2 R2 ( sX 20 ) 2
则转矩公式可表示为
TK
2 sR2U1 2 R2 ( sX 20 ) 2
U 1 I 1 R1 j I 1 X1 ( E 1 )

i1 e1
e1
i2 e2
e 2
式中R1和X1=2f1L1分别为定 u1 子每相绕组的电阻和漏磁感抗。 它们都很小，对于主磁通产生 的感应电动势可忽略，则
U 1 E1 或

U1 E1
f1
f2
每相绕组的电路图
二、转子电路