异步电机(2)运行原理

1、 1. 理解转子静止和旋转时的电磁关系和物理过程 2. 掌握转子绕组归算（折算) 的目的、原理和方法 3. 掌握转子磁动势的相对转速，理解转子旋转时异步电动机定、转子磁动势保持相对静止的原因； 4.掌握归算后的基本方程式、相量图和等效电路 5.掌握空载试验和短路试验的原理、方法和参数计算 6.了解笼型异步电动机转子的极数、相数和匝数 基本要求5.2 三相异步电动机的运行原理概述转子静止时的异步电动机转子旋转时的异步电动机笼型转子的极数、相数和匝数异步电动机的参数测定主要内容三相异步电动机的运行原理l 定性分析 定量计算l 简介：简介：分析异步电动机运行中的电磁过程，研究各电磁量之间的相互关系，

2、得出异步电动机的等效电路，建立定量分析异步电动机的理论基础。 一 概述三相异步电动机的运行原理l 异步电机与同步电机的主要联系异步电机与同步电机的主要联系相同点：借助于电磁感应作用传递能量不同点：同步电机的转子磁场是由通入的直流产生的；异步电机的转子磁场是由转子感应电流产生的。在对称稳态时，同步电机气隙磁场只在定子中感应电动势，为单边感应（直流电机与其类似）；异步电机气隙磁场在定、转子两边都感应电动势，为双边感应（变压器与其类似）l 研究对象：研究对象：首先分析三相对称且稳态运行的绕线转子异步电动机，任取一相或一个量进行分析。仅考虑基波的作用，不考虑高次谐波的影响，最后对笼型电动机的一些特殊问

3、题进行分析。l 规定正方向：规定正方向：定、转子各相电气物理量的规定正方向和变压器相同磁动势、磁通的规定正方向为由定子到转子的方向；定、转子A和a相绕组的轴线分别为 A和 a。规定 A为计算空间角度的起点，假设在转子静止状态下 A在 a前 电角度。 概述三相异步电动机的运行原理0l 规定正方向规定正方向 概述三相异步电动机的运行原理图16-1异步电机的规定正方向l 研究目的研究目的 便于和已经熟悉的变压器进行对比，且具有实际意义，因为移相器、感应调压器就是不转的异步电动机。l 研究对象研究对象 两种转子静止的情况：两种转子静止的情况：转子绕组开路和转子堵转 二 转子静止时的异步电动机三相异步电

4、动机的运行原理 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、转子绕组开路转子绕组开路n 转子电流为零，相当于调压器副边开路。n 电磁过程三相 三相n 主要关系1U0I0F1m()B22EU1E101EjI x10 1UI r与平衡磁动势F0 主磁通 ：由电动机的磁化特性确定磁动势 电流电动势 、 主磁通 电动势 电流m0F0I1E2E1E0Im(一)磁动势 电流幅值：相位： 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、转子绕组开路转子绕组开路0F0I1110042() 22wwkmFIp安/极图16-2 磁动势 与电流的相位关系0F0I(二)电动势 、 主磁通 转子静止时的

5、异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、转子绕组开路转子绕组开路 频率： 大小： 1）定子电动势 1U0I0F1m()B21E f（ ）11E f（ ）101EjI x1E2E11260pnff三相 三相Am1111m1sinsinwtwkt11A1111m111111m1m1cos2sin(94.440 )d2wwwewktEttwkEf wk d-m(二)电动势 、 主磁通 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、转子绕组开路转子绕组开路 大小： 2）转子电动势 气隙磁密 转过（90 ）空间电角度时，转子a相绕组磁链最大，当 时，应应后于时轴（ 90 ）电角度，而应后于计时

6、起点 。1E2Eam21022m10sin()sin()wtw kta2122m102112201222mmcos()4.442sin(90 )d2wwwew ktf wtEkEtw kd-B010t0a0m(二)电动势 、 主磁通 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、转子绕组开路转子绕组开路 大小： 3）电动势比（有效匝比）： 相位 1）定子电动势：m1E2E111e222wwwkEkEw k111m4.44wEjfwk 定子电动势应后于定子磁链90图16-3定子绕组A相磁链和电动势相位(二)电动势 、 主磁通 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、转子绕组

7、开路转子绕组开路 相位 2）转子电动势：1E2E012ejEEek转子电动势的大小是定子电动势的1/ke倍，其相位决定于转子的位置，根据这一原理，可制成移相器图16-4定、转子绕组A(a)相磁链和电动势相位m(三)电动势 电流 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、转子绕组开路转子绕组开路n 原理和思路： F0I0，E1 ，但磁动势F0与主磁通 却是非线性关系，不易用解析式表示。为了跳过非线性的磁场问题，把磁场的问题转化成电路的问题，和变压器一样，引入一个激磁参数Zm，直接把I0与E1联系起来，这个参数称为激磁阻抗。1E0Imm(三)电动势 电流 转子静止时的异步电动机三相异步

8、电动机的运行原理一、一、转子绕组开路转子绕组开路n 表达式：1E0I100mmmEI rjxI Zn激磁参数物理意义： Zmrmjxm激磁阻抗； rm激磁电阻或铁耗等效电阻 xm激磁电抗。21 0fempmI rn讨论：1） xm是对应于气隙主磁通的电抗，与气隙大小、电源频率、绕组匝数、主磁路铁心材料、尺寸以及磁路饱和程度有关。气隙大，磁导小，激磁电流大，故气隙越小越好。2）尽管激磁阻抗的物理意义与变压器的相似，但在数值大小上和变压器的相差较大，尤其是激磁电抗。变压器的主磁通几乎不经过气隙，主磁路的磁导大，激磁电抗大，相应的激磁电流就小，其标么值为0.010.1；而异步电动机的主磁通两次经过气

9、隙，主磁路的磁导小，激磁电抗小，相应的激磁电流就大，其标么值为0.20.5。(四)方程式、相量图和等效电路 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、转子绕组开路转子绕组开路n 方程式：n相量图： 0110111012210m1111m12e() 4.44wjUEIrjxEI ZUEEIZEjf w k EEek 2Em0I1E01jI x1U0 1I r1E0图16-5异步电动机转子绕组开路时的相量(四)方程式、相量图和等效电路 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、转子绕组开路转子绕组开路n等效电路110110mm11() ()()UEIrjxIrjxrjx 图

10、16-6异步电动机转子绕组开路时的等效电路m1( )Fn 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路转子被外力固定不动，相当于调压器副边短路，称为异步电动机的堵转。 11()If11( )F n定、转子基波磁动势同转向、同转速旋转，两者相对静止12mFFF(一)磁动势分析定子三相转子三相21()If21( )F n磁动势平衡：111mm4222wwkmFIp111114222wwkmFIp222224222ww kmFIp 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路 与 空间电角度为(90+ ),和转子的具体位置( )无关

11、。定、转子之间没有电路上的联系，转子对定子的影响是通过转子磁动势的作用实现的。转子a相相轴的位置不影响磁动势的分析结果，为简便，将定、转子相轴与时间轴重合。时空相矢图：时空相矢图：1）定子A相相轴与时轴重合，转子a相相轴在定子A相相轴前02FB20 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路时空相矢图：时空相矢图：2）定子A相相轴、转子a相相轴与时轴重合 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路电流形式的磁动势关系和电流比：定子电流由激磁分量和负载分量组成；前者产生气隙磁密；后者产生的磁动势用来抵消转子磁动势，消除转子磁

12、动势对气隙主磁通的影响。11221112112m424242222222wwwwkw kwkmmmIIIppp21miIIIk12mIII111i222wwm wkkm w k电流比：1m2m1L()IIIII 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路mF1m()B2E1E1E11 1UI r与平衡(二)电动势分析1I1F定子三相转子三相2I2F22E2 2I r与平衡 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路(二)电动势分析111m4.44wEjfwk 12eEEk11 1EjI x222EjI x111 11 11

13、11UEI rjI xEI Z 22 22222EI rjI xI Z漏抗物理意义：任一相的漏抗由三相决定。定子漏抗是由定子三相对称电流联合产生的定子漏磁通在定子每一相中引起的电抗；转子漏抗是由转子三相对称电流联合产生的转子漏磁通在转子每一相中引起的电抗； 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路(三)转子绕组的归算111 11 1111UEI rjI xEI Z 22 22222EI rjI xI Z定、转子间仅有磁的联系，没有电路上的直接联系。要进行归算：用一个等效的转子（相数为m1，有效匝数为w1kw1）代替实际的转子，同时，保持电磁关系和能量转换关

14、系不变。 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路(三)转子绕组的归算归算的条件：1）主磁通不变；2）转子磁动势不变； 3）转子有功损耗和无功功率不变。1、电动势的归算1122mm22e2111112222 4.444.44wwwwwkEEEEk EEf wkf w kw k 2、电流的归算112212222222111i222424211 2222wwwwwkw kmmIFIIIIm wkppkm w k 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路(三)转子绕组的归算3、阻抗的归算2222212 22 2 222ei

15、2z 212zei222221222 2222ei2z212 () ()mIm I rm I rrrk k rk rmIkk kmIm I xm I xxrk k xk xmI 阻抗比 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路(四) 归算后的方程式、相量图和等效电路1、方程式111111111mm12m122222() ()UEI rjxEI ZEIZIIIEEEIrjx 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路(四) 归算后的方程式、相量图和等效电路2、相量图12EE22jI x 2I2 2I r mI2I1I1E1

16、 1jI x1U1 1I rm111111111mm12m122222() ()UEI rjxEI ZEIZIIIEEEIrjx 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路3、等效电路(四) 归算后的方程式、相量图和等效电路 转子静止时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、转子绕组短路转子绕组短路讨论：1）转子静止、转子绕组开路，转子无反磁动势，定子电流很小，U1E14.44f1W1kw1m ,m决定于外加电源电压的大小。2）转子静止、转子绕组短路，转子有电流，有反磁动势，定子电流很大，抵消反磁动势。U1I1(Z1+ Z2) 2I1Z1 2E,m为空载

17、时的一半。3）x1* x2* =0.080.12， I1* U1*/(x1* + x2*) =1/(0.160.24)= 47。堵转实验一般在降压情况下进行。 三 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、磁动势分析磁动势分析11()If11( )F n(一)转子电流的频率定子三相转子三相2s(?)I2(?)F11112112() 606060 0.02 0.05 1 2.5Hz Npnp nnnn pnfsfnsf(二)转子磁动势相对于转子的速度21216060fsfnsnnpp 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理一、一、磁动势分析磁动势分析(三)转子磁动势相对于定子

18、的速度1221111nnnnnsnnnnnn 不论转子静止还是旋转，定、转子基波磁动势都以同步转速相当于定子旋转，两者相对静止，这是各类旋转电机产生平均转矩，实现机电能量转换的必要条件之一。 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、电动势分析电动势分析m1( )F n1m()B2s2()Ef11()Ef1E11 1UI r与平衡11( )I f11( )F n定子三相转子三相2s2( )I f21( )F n22sE2 2I r与平衡 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、电动势分析电动势分析22s222122222s2s22221224.44(4.44) 2(2

19、)swmwmssEEf w ksf w ksEEsEjI xxf Lsf Lsx 11111111()UEIrjxEI Z 2222sssEIrjx2222sssEIrjx 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理二、二、电动势分析电动势分析 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理三、三、转子的频率归算转子的频率归算等效静止转子等效静止转子等效条件：转子电流大小和相位不变等效条件：转子电流大小和相位不变等效静止时等效静止时旋转时旋转时22222222222()sssEsEIrxrsx2222EIRX222221rsRrrsssxXxs数值关系数值关系: 转子旋转时的异步电动机三相

20、异步电动机的运行原理三、三、转子的频率归算转子的频率归算等效静止转子等效静止转子222122222 () ()ErIfEIjxrsjxs频率为或相数和匝数相数和匝数归算后归算后2222 ()rEIjxs 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理四、四、基本方程式、相量图和等效电路基本方程式、相量图和等效电路基本方程式基本方程式:11111mm12m222212111mj4.44wUEI ZEIZIIIrEIxsEEjf wk 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理四、四、基本方程式、相量图和等效电路基本方程式、相量图和等效电路相量图相量图:12EE22jI x 2I22rIsmI

21、2I1I1E1 1jI x1U1 1I rm 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理四、四、基本方程式、相量图和等效电路基本方程式、相量图和等效电路T型等效电路型等效电路: 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理四、四、基本方程式、相量图和等效电路基本方程式、相量图和等效电路准确变换等效电路基本方程式准确变换等效电路基本方程式:1112m1212121m211mm1m() UUICZCZC ZUIZCZIIIUUICZZZ1m2221222121 ZCZrZjxsUIICZC ZC 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理四、四、基本方程式、相量图和等效电路基本方程式、相

22、量图和等效电路准确变换等效电路准确变换等效电路:（小容量）（小容量）11mm1m;11.031.08 1 rx rxxCx 转子旋转时的异步电动机三相异步电动机的运行原理四、四、基本方程式、相量图和等效电路基本方程式、相量图和等效电路简化等效电路简化等效电路:（大容量）（大容量）C=1三相异步电动机的运行原理(总结）1）运行时，异步电动机近似于一台带纯电阻负载的变压器。n=0,s=1时，相当于一台副边短路的变压器；空载时， s 0，r2/s 趋于无穷大，转子相当于开路，定子电流基本为激磁电流，功率因数很低。2）异步电机可以看作一台广义的变压器，不仅可以变换电压、电流、频率、相位和相数，而且可以

23、实现机电能量变换。r2(1-s)/s为机械功率的等效电阻。 3）机械负载的变化由s的变化来体现。 P2(机) T2 n s E2s I2s I1 P1(电)达到新的平衡 TM达到转矩平衡 4）异步电机功率因数总是滞后的，吸收感性无功。 5）异步电机与变压器虽具有形式相同的等效电路，但参数相差较大。如：xm异* x变*四 笼型转子的极数、相数和匝数三相异步电动机的运行原理由绕线转子异步电动机分析得到的基本方程式、相量图和等效电路完全适用于笼型异步电动机。笼型转子的相数、极 数和匝数如何确定？定、转子极数相等是旋转电机产生平均转矩的必要条件。绕线式转子有明显的相数和极 数，且设计制造与定子相同 笼

24、型转子的极数、相数和匝数三相异步电动机的运行原理一、一、笼型转子的极对数笼型转子的极对数在空间按正弦分布的主磁场b相对于定子转速为n1，以n1=n1-n=sn1的相对转速切割转子导条。在导条产生感应电动势ec，且ec与b成正比，故ec与b 同相位。每根导条功率因数角为2，导条中电流ic波滞后于ec波2角。转子磁动势F2亦为正弦波，以转速n1相对于定子旋转。n笼型转子无特定的极数，其极数始终等于定子的极数。 笼型转子的极数、相数和匝数三相异步电动机的运行原理二、二、笼型转子的相数笼型转子的相数n设转子总导条数为Z2(即转子槽数)，极对数为p，则相邻两根导条之间相差的空间电角度为2p360/ Z2

25、，这也是相邻两根转子导条电动势(电流)的相位相差的电角度。同相位的电流构成一相。导条分布均匀，一对磁极范围内的导条数为Z2/p,若Z2/p为整数，则相数 m2 Z2/p；若Z2/p不为整数，则相数 m2 Z2。W2=1/2(每相串联匝数：每对极每相只有一个导体）kw1=1(无短距和分布）三、三、笼型绕组的匝数和绕组因数笼型绕组的匝数和绕组因数 五 异步电动机的参数测定三相异步电动机的运行原理一、一、空载试验空载试验1、目的：测定铁耗pfe、机械损耗pm和激磁参数Zmrmjxm利用等效电路计算异步电动机的运行特性，应首先知道其参数。这些参数(r1, x1, r2, x2, rm, xm)可通过空

26、载和短路（堵转）两个试验求得。2、方法和步骤：电机轴上不带负载，定子接到额定频率的三相对称电源上，通过三相调压器对电机供电，使定子端电压从(1.11.3)UN开始，逐渐降低电压，空载电流逐渐减少，直到电动机转速发生明显下降，空载电流开始明显回升为止。记录电动机的相电压U1、空载相电流I0、空载损耗p0。绘制空载特性曲线。 异步电动机的参数测定三相异步电动机的运行原理一、一、空载试验空载试验3、空载特性图4、分析计算1）铁耗和机械损耗的确定 空载时，转子电流小，转子铜耗可忽略不计。定子输入功率消耗在定子铜耗m1I02r1、铁耗pfe、机械损耗pm上 。 p0=m1I02r1+pfe+pm r1可由电桥测出，记下室温，折算到75C。 从输入功率p0中扣除定子铜耗，得铁耗pfe和机械损耗pm之和p0 ： p0 =p0-m1I02Rr1=pfe+pmec 异步电动机的参数测定三相异步电动机的运行原理一、一、空载试验空载试验4、分析计算1）铁耗和机械损耗的确定 损耗分离：在p0中，机械损耗pm与电压U1无关。pfe可近似认为与磁密的平方成正比，因而可近似认为与电压的平方成正比。故p0与U12的关系曲线近似为一直线。其延长线与纵轴交点即为机械损耗pm，从而得到铁耗pfe。 pfe B2 m2 E12 U12 异步电动机的参数测定三相异步电