电机学课件—4-1

1、第四章第四章 异步电机异步电机 4.1 异步电机的基本结构与参数异步电机的基本结构与参数4.2 异步电动机的等效电路异步电动机的等效电路4.3 异步电机的参数测定异步电机的参数测定 4.4 异步电动机的功率方程和转矩方程异步电动机的功率方程和转矩方程 4.5 异步电机的机械特性异步电机的机械特性 4.6 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性4.7 三相异步电动机的起动简介三相异步电动机的起动简介 4.8 三相异步电动机的调速简介三相异步电动机的调速简介4.9 单相异步电动机简介单相异步电动机简介4.10 本章小结本章小结习题习题基本要求：基本要求：1 了解异步电机的基本结构和运行原理。理解

2、转差率的了解异步电机的基本结构和运行原理。理解转差率的意义及其与运行状态的关系意义及其与运行状态的关系2 熟练掌握三相异步电机的运行原理。熟悉等效电路，熟练掌握三相异步电机的运行原理。熟悉等效电路，着重掌握转子绕组的相数、有效匝数和频率的归算方法。着重掌握转子绕组的相数、有效匝数和频率的归算方法。3 理解异步电机的参数，掌握参数测量方法和计算。理解异步电机的参数，掌握参数测量方法和计算。4 掌握异步电机的功率平衡与转矩平衡过程，熟练掌握掌握异步电机的功率平衡与转矩平衡过程，熟练掌握其机械特性和工作特性及其测定其机械特性和工作特性及其测定 5 熟悉异步电机的启动方法，了解常用的调速方法及熟悉异步

3、电机的启动方法，了解常用的调速方法及其制动运行状态。其制动运行状态。6 了解异步电机在不对称电压下运行的分析方法。了了解异步电机在不对称电压下运行的分析方法。了解单相异步电机、异步发电机的工作原理和特点及应用。解单相异步电机、异步发电机的工作原理和特点及应用。重点：重点：1 异步电机的运行原理，等效电路的形成及参数归异步电机的运行原理，等效电路的形成及参数归算和测定方法。算和测定方法。2 异步电机的电磁转矩概念，转矩异步电机的电磁转矩概念，转矩-转差率曲线转差率曲线的特点和计算。的特点和计算。3异步电机的启动转矩、启动电流的分析。异步电机的启动转矩、启动电流的分析。异步电动机的特点异步电动机的

4、特点 异步电机，转子转速异步电机，转子转速n与磁场同步转速与磁场同步转速n1间存在一定间存在一定差异。差异。 优点：结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠优点：结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，效率较高，价格低廉，坚固耐用。，效率较高，价格低廉，坚固耐用。 缺点：缺点：转速不易调节转速不易调节鼠笼式异步电动机的起动性能较差鼠笼式异步电动机的起动性能较差功率因数滞后，激磁电流由电网供给功率因数滞后，激磁电流由电网供给4.1 异步电机的基本结构与参数异步电机的基本结构与参数4.1.1 异步电机的主要用途与分类异步电机的主要用途与分类图4-1-1 笼型三相异步电机 图4-1-2 绕线转子三

5、相异步电机图4-1-3 笼型异步电动机的结构图1-端盖 2-轴承 3-机座 4-定子 5-转子 6-轴承 7-端盖 8-风扇 9-风罩 10-接线盒一、异步电动机的定子一、异步电动机的定子 定子铁心定子铁心core磁路部分，放置定子绕组。磁路部分，放置定子绕组。 一般采用导磁性能良好和比损耗小的电工硅钢一般采用导磁性能良好和比损耗小的电工硅钢片叠成。片叠成。 为了嵌放定子绕组，在定子铁心内圆冲出许多为了嵌放定子绕组，在定子铁心内圆冲出许多形状相同的槽形状相同的槽定子槽定子槽slot。 定子绕组定子绕组stator winding电路部分电路部分感感应电势。应电势。 机座机座固定和支撑定子铁心。

6、固定和支撑定子铁心。1. 定子铁定子铁心心异步电机定子异步电机定子异步电机定子异步电机定子 底部底部异步电机定子异步电机定子 端部端部2 2定子槽形定子槽形散嵌绕组散嵌绕组成型绕组成型绕组效率和功率因数较高效率和功率因数较高绕组嵌线工艺复杂绕组嵌线工艺复杂小容量及中型低压电机小容量及中型低压电机可嵌放成型线圈可嵌放成型线圈大型低压电动机大型低压电动机绝缘放置可靠、绝缘放置可靠、绕组下线方便绕组下线方便高压电动机高压电动机3 3定子绕组定子绕组 定子绕组通常应用双层短距绕组，小型电机可应定子绕组通常应用双层短距绕组，小型电机可应用单层绕组。用单层绕组。图4-1-6 三相异步电动机引出线(a) 形

7、接法 (b) Y形接法 二、异步电动机的转子二、异步电动机的转子 转子铁心转子铁心磁路，一般由硅钢片叠成。磁路，一般由硅钢片叠成。在转子铁心上开有槽，以供放置或浇注转在转子铁心上开有槽，以供放置或浇注转子绕组。子绕组。 转子绕组转子绕组感应电势、流过电流和产生感应电势、流过电流和产生电磁转矩。电磁转矩。 转轴转轴shaft1. 转子铁心转子铁心2 2转子槽转子槽 槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。的要求。3 3转子绕组转子绕组 鼠笼式转子squirrel-cage rotor：焊接，铸铝。斜槽形式线绕转子wound rotor：铁芯上绕有一

8、对称绕组，和定子绕组有相同的极数，且制成相同的相数。通常采用对称的三相绕组，连接成星形。转子的一端装有三个集电环，各与转子绕组的三个起始端相连接。每个集电环上各有一电刷，通过电刷把转子绕组与外接变阻器相接。1.安装变阻器的目的是改善起动特性(增加起动转矩，减小起动电流)或用以调节电动机的转速。图4-1-9图绕线转子异步电动机接线示意图4. 转轴转轴 shaft三、异步电机的气隙三、异步电机的气隙air gap 特点特点气隙很小，在中、小型电机中，气隙气隙很小，在中、小型电机中，气隙一般为一般为0.2-1.50.2-1.5毫米。毫米。 气隙大小对电机性能有很大的影响气隙大小对电机性能有很大的影响

9、气隙大：磁阻大，励磁电流（空载电流）大，功气隙大：磁阻大，励磁电流（空载电流）大，功率因数低；气隙磁场谐波含量（漏磁引起附加率因数低；气隙磁场谐波含量（漏磁引起附加损耗）减少，改善启动性能。损耗）减少，改善启动性能。气隙小：按加工可能及机械安全所限制。气隙小：按加工可能及机械安全所限制。4.1.2 三相异步电动机的分类三相异步电动机的分类表表4-1-1 三相异步电动机的分类表三相异步电动机的分类表定子铁心外径1D分类方式类别转子绕组型式笼型、绕线型电压等级（V）380V，0.55-250kW;3000V，90-1250 kW;6000-10000V，220-1400 kW电机尺寸大型中型小型中

10、心高度H（mm）63035563080315（mm）10005001000120500防护型式开启式（IP11）;防护式（IP22、IP23;封闭式（IP44）安装结构型式卧式、立式、带底脚、带凸缘通风冷却方式自冷式、自扇冷式、他扇冷式、管道通风式工作定额连续定额、断续定额和间歇定额等绝缘等级E级、B级、F级、H级等用途与环境普通、干热、湿热、干燥清洁、化工、船用、防爆、多尘、室外、耐腐蚀、高原等4.1.3 异步电机的铭牌额定值、异步电机的铭牌额定值、技术数据技术数据 型号 我国电机的产品型号一般由大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中当头的字母是根据电机的名称选择有代表意义的汉语拼音

11、字母。如异步电动机的额定值异步电动机的额定值额定功率额定功率P PN N，指电动机在额定方式下运行时，转，指电动机在额定方式下运行时，转轴上输出的机械功率（轴上输出的机械功率（W W或或kWkW）。）。额定电压额定电压U UN N，指电动机在额定方式运行时定子绕，指电动机在额定方式运行时定子绕组应加的线电压（组应加的线电压（V V或或kVkV）。）。额定电流额定电流I IN N，指电动机在额定电压和额定功率状，指电动机在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的额定线电流（态下运行时，流入定子绕组的额定线电流（A A）。额定频率额定频率f f，我国工业频率为，我国工业频率为50HZ50HZ

12、。额定转速额定转速n nN N，指在额定状态下运行时的转子转速，指在额定状态下运行时的转子转速（r rminmin）。）。4.1.3 异步电机的额定值、技术数据与使用常识异步电机的额定值、技术数据与使用常识 对三相电动机，额定功率：对三相电动机，额定功率： 三相异步电动机的主要技术指标是指效三相异步电动机的主要技术指标是指效率、功率因数、起动性能（堵转转矩、率、功率因数、起动性能（堵转转矩、堵转电流和起动过程中的最小转矩）、堵转电流和起动过程中的最小转矩）、最大转矩和噪声、振动。最大转矩和噪声、振动。NNNNNIUPcos34.2 异步电机的基本原理异步电机的基本原理4.2.1 异步电动机的基

13、本工作原理异步电动机的基本工作原理一、异步电动机的工作原理一、异步电动机的工作原理 在分析电机的各种关系之前，我们首在分析电机的各种关系之前，我们首先应弄清异步电机的基本工作原理，即异先应弄清异步电机的基本工作原理，即异步电机到底怎样转动起动来的？步电机到底怎样转动起动来的？电磁过程电磁过程 异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；异步电动机定子上有三相对称的交流绕组； 三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；，将在电机气隙空间产生旋转磁场； 转子绕组的导体处于旋转磁场中；转子绕组的导体处于旋转磁场中；转子导体切割磁力线，并产生

14、感应电势，判断感应电势方向。转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向。 转子导体通过端环自成闭路，流过感应电流。转子导体通过端环自成闭路，流过感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。 电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。二、转差率二、转差率 为了描述异步电机的转速，引入一个重要参数为了描述异步电机的转速，引入一个重要参数转差率。转差率。 同步转

15、速同步转速n1 与转子转速与转子转速n 之差之差( n1-n)为异步为异步电机的转差速度电机的转差速度n简称转差）。转差速度简称转差）。转差速度n对对同步转速同步转速n1 之比值称为转差率，以之比值称为转差率，以 s 表示。表示。 （4-2-2） 当异步电机的负载发生变化时，转子的转差当异步电机的负载发生变化时，转子的转差率随之变化，使得转子导体的电势、电流和电磁率随之变化，使得转子导体的电势、电流和电磁转矩发生相应的变化，因此异步电机转速随负载转矩发生相应的变化，因此异步电机转速随负载的变化而变动。的变化而变动。11nnsn 按转差率的正负、大小，异步电机可分为电动机、发按转差率的正负、大小

16、，异步电机可分为电动机、发电机、电磁制动三种运行状态，如图电机、电磁制动三种运行状态，如图4-2-1所示。图中为所示。图中为旋转磁场同步转速，并用旋转磁极来等效旋转磁场，旋转磁场同步转速，并用旋转磁极来等效旋转磁场， 两两个小圆圈表示转子一个短路线圈。在下面分析中，转速个小圆圈表示转子一个短路线圈。在下面分析中，转速、转矩的方向以与旋转磁场的转向相同为正，相反为负、转矩的方向以与旋转磁场的转向相同为正，相反为负。4.2.2 异步电动机的三种运行状态异步电动机的三种运行状态(a)电动机状态; (b)发电机状态; (c)电磁制动状态一、电动机状态一、电动机状态 当一对称的三相电流通入异步电机的定子

17、绕组时当一对称的三相电流通入异步电机的定子绕组时，在空气隙中便产生一旋转磁场以同步转速，在空气隙中便产生一旋转磁场以同步转速 n1 旋旋转。转。 转子导体切割磁力线，并产生感应电势转子导体切割磁力线，并产生感应电势条件条件。 转子导体中的感应电流与旋转磁场相互作用，使转子导体中的感应电流与旋转磁场相互作用，使转子导体上受到一电磁力转子导体上受到一电磁力Fe，其方向与旋转磁场，其方向与旋转磁场的旋转方向相同。的旋转方向相同。 在电磁力的作用下形成电磁转矩，拖动转子顺着在电磁力的作用下形成电磁转矩，拖动转子顺着旋转磁场方向旋转。旋转磁场方向旋转。 电磁力电磁力FeFe为原动力，相应的电磁转矩为为原

18、动力，相应的电磁转矩为驱动转矩驱动转矩，负载力，负载力F为阻力，相应的转矩为阻力，相应的转矩为阻力矩。为阻力矩。 当负载转矩愈大时，必须有较大的当负载转矩愈大时，必须有较大的转子电流和电势，因而必须有较大转子电流和电势，因而必须有较大的转差率。的转差率。 在理想空载情况下，无阻力转矩，在理想空载情况下，无阻力转矩，电磁转矩为零、转子绕组中无需有电磁转矩为零、转子绕组中无需有电流和电势，转子转速便达到同步电流和电势，转子转速便达到同步转速。转速。 在实际的电动机运行情况下，因拖在实际的电动机运行情况下，因拖动着机械负载，电磁转矩必须要克动着机械负载，电磁转矩必须要克服负载阻力转矩，故电动机的转子

19、服负载阻力转矩，故电动机的转子必须有适当的转差率必须有适当的转差率。结论：结论： 异步电动机的转速常在同步转速以下。异步电动机的转速常在同步转速以下。转子的转速在转子的转速在0n0nn1n1范围内，即在范围内，即在1s1s0 0范围内。范围内。 从定子角度，定子上的电流有功分量与从定子角度，定子上的电流有功分量与定子电势方向相反，电功率为负值，说定子电势方向相反，电功率为负值，说明定子从电网吸收电功率。明定子从电网吸收电功率。由相对运动方向，用由相对运动方向，用右手定则确定右手定则确定e1,e2的方的方向；向；I2a与与e2同方向，同方向，i1a与与i2a相反方向（磁势平相反方向（磁势平衡）；

20、衡）；由左手定则确定由左手定则确定fem方方向，向，Mem方向；方向；Mem与转子转动方向一与转子转动方向一致，驱动转子运动，致，驱动转子运动，克服克服M2输出机械功率；输出机械功率；定子上：定子上：i1a与与e1方向方向相反，电功率相反，电功率e1i1a为负，为负，表示吸收电功率。表示吸收电功率。二、发电机状态二、发电机状态 在转子上施加原动力矩拖动转子以大于同步在转子上施加原动力矩拖动转子以大于同步转速顺着旋转磁场方向旋转，则旋转磁场切转速顺着旋转磁场方向旋转，则旋转磁场切割转子的相对速度便倒转方向。和电动机运割转子的相对速度便倒转方向。和电动机运行情况相比，转子导体中感应电势和电流的行情

21、况相比，转子导体中感应电势和电流的方向倒转方向倒转 导体上所受到的电磁力的方向与转子旋转导体上所受到的电磁力的方向与转子旋转方向相反；这时机械功率为输入，电功率方向相反；这时机械功率为输入，电功率为输出，外施力为输出，外施力F F为原动力，电磁力为原动力，电磁力FeFe为为阻力阻力发电机运行。发电机运行。 结论：异步电机作为发电机运行，转速需结论：异步电机作为发电机运行，转速需大于同步转速，即大于同步转速，即nn1，s0。三、电磁制动状态三、电磁制动状态转子在外力拖动下使其旋转方向与旋转磁转子在外力拖动下使其旋转方向与旋转磁场的旋转方向相反，则旋转磁场切割转子场的旋转方向相反，则旋转磁场切割转

22、子导体的相对转速大于同步转速导体的相对转速大于同步转速 。电磁力的方向与外施力方向相反，所起的电磁力的方向与外施力方向相反，所起的作用是制动作用。作用是制动作用。定子从电网吸收电功率定子从电网吸收电功率, ,外力供给机械功率外力供给机械功率, ,都转变为电机内部的损耗都转变为电机内部的损耗电磁制动状电磁制动状态。态。 电机的电机的n应取负值，相对转速大于同步转速应取负值，相对转速大于同步转速，即，即n0，sl。 例如，当起重机下放重物时，如不采取任何例如，当起重机下放重物时，如不采取任何措施，重物将加速下坠。这时如使电机运行措施，重物将加速下坠。这时如使电机运行在制动状态，由电磁转矩制止了转子

23、的加速在制动状态，由电磁转矩制止了转子的加速。 转速(转差率)与电机运行状态的关系可用图4-2-2表示。 异步电机有以上几种运行方式，是符合电机可逆性原理的，但是实用上异步电机主要作为电动机运行。本书将主要讨论异步电动机的运行理论和特性。一、主磁通一、主磁通 mm 主磁通主磁通由基波磁势产生，是每极的基由基波磁势产生，是每极的基波磁通量。波磁通量。 交链定子绕组与转子绕组，实现能量的传交链定子绕组与转子绕组，实现能量的传递。递。 以同步速旋转以同步速旋转 主磁通途经五段磁路：空气隙、定子齿、主磁通途经五段磁路：空气隙、定子齿、转子齿、定子轭和转子轭。转子齿、定子轭和转子轭。pfn6014.2.3 主磁通与漏磁通主磁通与漏磁通 空气隙、空气隙、定子齿、定子齿、转子齿、转子齿、定子轭、定子轭、转子轭转子轭二、漏磁通二、漏磁通leakage fluxleakage flux 漏磁通漏磁通除去主磁通以外的磁通。除去主磁通以外的磁通。 漏磁通包含三个部分：槽漏磁通、端部漏磁通漏磁通包含三个部分：槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通（和谐波漏磁通（按路径区分按路径区分