异步电动机的工作原理与数学模型演示幻灯片.ppt
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1、BY 木小囧异步电动机的工作原理与数学模型异步电动机的工作原理与数学模型1BY 木小囧内容概要内容概要l异步电动机的静态数学模型与T值等效电路l三相异步电动机的功率和转矩l三相异步电动机的机械特性l异步电动机的动态数学模型2BY 木小囧一、异步电动机的静态数学模型和一、异步电动机的静态数学模型和T值等效电路值等效电路l分析方法分析方法:通过对转子开路、转子堵转、转子转动 3个过程的分析,得出异步电机在三相对称正弦电压下稳态时的数学模型和T值等效电路。l分析核心分析核心:电势平衡关系,磁势平衡关系,转矩平衡关系3BY 木小囧1、转子静止、转子绕组开路时的电磁关、转子静止、转子绕组开路时的电磁关系
2、系异步电动机绕线式转子绕组开路时的正方向4BY 木小囧此时转子电流 为零,定、转子间无能量传递,所以主要分析定子电磁情况。思想思想:把电流产生磁通,磁通又在绕组中感应电动势的关系,简化为电流在电抗上的压降形式。5BY 木小囧 电流电压 在定子一相绕组中引起的电流 会造成电压降 。而所产生的主磁通在定子、转子绕组中会产生感应电势 和 。(:定子绕组电阻 :定子一相漏电抗)6BY 木小囧 由上分析,异步电动机转子绕组开路时,定、转子一相的电势平衡方程式为:(:定子相绕组的漏阻抗)由该方程式可得转子绕组开路时的等值电路:7BY 木小囧 以上方程中,可看作 在励磁阻抗 上的压降:代入方程中 的表达式,
3、有:由此可得定子等值电路:8BY 木小囧2、转子堵转的电磁过程 堵转堵转:定子绕组接到频率为 、相电压为 的三相对称电源上,转子绕组外接负载 且转子被堵住不转。绕线式转子堵转时的连接方式和正方向:9BY 木小囧2.1、磁势平衡关系气隙中存在的磁势是定、转子磁势的合成,称为气隙合成磁势。磁势平衡方程式:(气隙合成磁势=定子磁势+转子磁势)、的幅值分别为:(、分别为定、转子每相绕组的有效匝数 )10BY 木小囧将以上三式代入磁势平衡方程:其中,若令 (:电流变比)则上式可化为:(电流形式的磁势平衡方程)11BY 木小囧电流形式磁势平衡方程的理解电流形式磁势平衡方程的理解 异步电机堵转时,产生定子旋
4、转磁势 的定子电流 可分解为两个分量。用于产生主磁通 的励磁电流分量 ,其幅值由反电势 决定。克服转子磁势 产生的反作用的负载电流分量 ,其幅值随转子电流成正比例变化。12BY 木小囧2.2、堵转时的T型等值电路堵转时定、转子等值电路:由图,13BY 木小囧绕组折算 目的目的:把定、转子间磁的耦合关系,变换为定子、转子等值电路之间电的联系。思想思想:用一个相数及有效匝数和定子相同的等效转子绕组替代相数为3、有效匝数为 的实际转子绕组。原则原则:折算前后转子磁势 保持不变。14BY 木小囧(1)电流折算值 :转子电流 的折算值 由转子磁势不变:15BY 木小囧(2)电势折算值 :转子电势 的折算
5、值(:电势变比)16BY 木小囧(3)阻抗折算值 :转子漏阻抗的折算值 :负载电阻的折算值 :阻抗变比17BY 木小囧 综上,将之前的算式整合在一起,得出异步电动机转子堵转的基本方程式:由此可作出经绕组折算的T型等效电路:18BY 木小囧3、转子旋转时的电磁关系(1)转子电动势l转差频率:转子以转速n恒速旋转时,转子绕组的感应电动势、电流的频率和漏电抗的对应频率 将同步转速公式 代入上式,有l转子旋转时转子绕组中的感应电动势转子不转时转子绕组感应电动势19BY 木小囧(2)转子磁动势幅值:转子电流 产生的旋转磁通势幅值转速:转子三相合成旋转磁动势 相对于转子绕组的转速 ;相对于定子绕组的转速
6、,因此定、转子磁势之间相对静止。20BY 木小囧(3)转子电路的频率折算和绕组折算频率折算l目的:获得转子旋转时的T值等效电路。l存在问题:转子回路的物理参数频率 与定子回路物理参数频率 不同,因而不能直接用绕组折算的方法得到等效电路。l解决方法:进行频率折算。l思想:将转子物理量频率 折算成定子物理量频率 。实质是用一个不转的假想转子等效转动的真实转子。21BY 木小囧频率折算的具体方法 折算的原则是保持转子磁势 在折算前后不变。“不变”即指:幅值不变:幅值与转子相电流 成正比。相位不变:与 的空间相位关系仅取决于转子回路的阻抗角 。因此,保持折算前后 不变,即需构造:实际转动转子相电流;:
7、假想不转转子相电流;:实际转子转动时转子回路的阻抗角;:假想转子不转时转子回路的阻抗角。22BY 木小囧频率折算的具体方法 以下过程是以 进行折算,以 进行验证。如图(a),构造 可变形算式:令 ,由该式得到频率折算后转子等值电路如图2。相位不变:即验证了以上折算的正确性。23BY 木小囧转子电路的频率折算和绕组折算绕组折算 通过频率折算将转子等值电路从旋转()折算到静止(),但绕组的相数 ,每相有效匝数 ,仍与定子绕组不同,不能构成等效电路,仍需进行绕组折算。因此,问题回到了转子堵转时绕组的折算问题,其处理方法基本相同。差异在于将 的折算值 换一种写法:此时,在形式上相当于是转子堵转时折算后
8、的负载电阻 。但在物理意义上有本质差别。相当于一有功元件,转子电流在该电阻产生 的功率为总机械功率,即定子传到转子的电磁功率中转化成机械功率的部分。24BY 木小囧频率和绕组都折算后的转子等值电路25BY 木小囧(4)基本方程式与T型等效电路 与转子堵转时相比,只有转子绕组回路的电压方程有所差别:三相异步电动机T型等效电路:26BY 木小囧二、三相异步电动机的功率和转矩1.异步电动机的功率传递与损耗从电网吸收的总输入功率 (、:定子相电压、相电流;:功率因数)定子铜损耗 ;定子铁损耗通过磁场经过气隙传到转子上的电磁功率 由等效电路知 即电阻 上的有功功率,因此有 或 进入转子后在转子电阻 上产
9、生的转子铜耗 转子铁耗很小,可忽略。最终,总机械功率即为:27BY 木小囧对比代入 上式表明:总机械功率是等效电路中电阻 上对应的有功功率。电机轴头输出的功率 (:轴承、风阻摩擦等引起的机械损耗;:高次谐波、漏磁通等引起的附加损耗)28BY 木小囧2.电磁转矩a.计算式 (:转子旋转的角速度)b.计算式 代入 (:旋转磁场的角速度,即同步角速度)c.计算式 代入 其中,转矩常数29BY 木小囧3.转矩平衡关系异步电动机带动负载运行时,有3个转矩作用在拖动系统上。(1)电磁转矩 拖动系统转动 转子电流在磁场中受力产生的转矩。(2)负载转矩 阻转矩 等于电机输出转矩 :(3)空载摩擦转矩 阻转矩
10、、具有平衡关系:30BY 木小囧三、三相异步电动机的机械特性1.机械特性的表达式(1)机械特性:当定子电压、频率以及绕组参数都固定时,电动机的转速/转差率与电磁转矩之间的函数关系。(2)表达式 由T型等效电路图可知 式代入式 式式31BY 木小囧2.固有机械特性异步电动机机械特性曲线(1)四象限分析第象限电动运行状态旋转磁场转向与转子转向一致,0 n ,0 s ,s0 ;0 ,第象限制动状态,反接制动旋转磁场转向与转子转向相反,0,n1;0,n0,第象限反向电动状态旋转磁场转向与转子转向一致,但与正方向相反。32BY 木小囧(2)特殊点分析同步运行点A 该点 =0,s=0,n=,此时电动机不进
11、行机电能量转换。额定运行点B 该点所对应的 和 分别为电机的额定转速与额定转矩。最大转矩点C 该点电磁转矩为最大值 ,相应的转差率为临界转差率 s 时,若 增大,则 s减小,n增大;曲线斜率为正 由于最大转矩点是函数 的极值点,因而通过求导计算可得:因为 ,所以忽略 ,有:“+”:电动状态(第象限)“-”:回馈制动状态(第象限)33BY 木小囧起动点/堵转点D该点s=1,n=0,电磁转矩为初始起动转矩34BY 木小囧3.人为机械特性人为机械特性:机械特性的参数表达式中,改变除s,外的其他参数后所得到的机械特性。(1)降低定子端电压 的机械特性 同步转速 不变;临界转差率 不 变;最大转矩 、初
12、 始起动转矩 均随 定子电压的平方成 正比地降低。(2)转子回路串三相对称电阻(增大 )时的机械特性同步转速 不变;最大转矩 不变;随转子回路中电阻的增大成正比地增加。35BY 木小囧四、异步电动机的动态数学模型1.三相异步电动机的多变量非线性数学模型异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的动态数学模型时,常作如下假设:忽略空间谐波,设三相绕组对称,在空间中互差120电角度,所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布;忽略磁路饱和,各绕组的自感和互感都是恒定的;忽略铁心损耗;不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。36BY 木小囧三相异步电动机的绕组模型
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