第9章 异步电机的理论分析与运行特性

1、第九章第九章 异步电机的理论分析与运行异步电机的理论分析与运行特性特性n9.1 异步电机的基本结构异步电机的基本结构n9.2 异步电机的运行状态和磁场异步电机的运行状态和磁场n9.3 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路n9.4 异步电机的参数异步电机的参数n9.5 异步电动机的功率平衡式和转矩平衡式异步电动机的功率平衡式和转矩平衡式n9.6 异步电动机的机械特性及稳定运行条件异步电动机的机械特性及稳定运行条件n9.7 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性第九章第九章 异步电机的理论分析与运行特性异步电机的理论分析与运行特性第一节第一节 异步电机的基本结构异步电机的基本结构 优点：

2、优点：结构简单结构简单，制造、使用和维护方便。，制造、使用和维护方便。 运行可靠，效率较高，运行可靠，效率较高，价格低廉价格低廉，坚固耐用。，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鼠笼式异步电动机的起动性能较差起动性能较差 励磁电流由电网供给，励磁电流由电网供给，功率因数滞后功率因数滞后 用途：主要用于电动机（用途：主要用于电动机（90%90%电气原动机为异步电动机）电气原动机为异步电动机）概述概述异步电动机的结构异步电动机的结构定子定子StatorStator：固定部分转子转子RotorRotor：旋转部分气隙气隙Air GapAir Gap：很小，0.2-2.

3、0mm对电机性能影响很大异步电机结构视频异步电机结构视频异步电机异步电机定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心转子转子机座机座(风罩、风扇等）、电刷风罩、风扇等）、电刷鼠笼型鼠笼型转子铁心转子铁心转轴（含轴承）、换向片转轴（含轴承）、换向片转子绕组转子绕组绕线型绕线型定子定子气隙气隙一、异步电机的定子一、异步电机的定子1 1、定子铁心、定子铁心磁路部分，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磁损耗小的电工一般采用导磁性能良好和磁损耗小的电工硅钢片硅钢片叠成叠成内圆周均匀开槽的圆筒型内圆周均匀开槽的圆筒型2定子槽形定子槽形散嵌绕组成型绕组效率和功率因数较高，绕组嵌线工艺复杂，小容量及

4、中型低压电机可嵌放成型线圈大型低压电动机绝缘放置可靠、绕组下线方便高压电动机3定子绕组定子绕组电路部分，产生感应电势和电磁转矩电路部分，产生感应电势和电磁转矩n定子绕组通常应用定子绕组通常应用双层短距绕组双层短距绕组，小型电机可，小型电机可应用单层绕组。应用单层绕组。二、异步电动机的转子二、异步电动机的转子1 1、转子铁心、转子铁心磁路部分、支撑转子绕组磁路部分、支撑转子绕组一般由一般由硅钢片硅钢片叠成。在转子铁心上开有槽，以供放置叠成。在转子铁心上开有槽，以供放置或浇注转子绕组。或浇注转子绕组。2 2转子槽转子槽槽形的选择主要决定于对槽形的选择主要决定于对运行性能运行性能和和起动性能起动性能

5、的要求。的要求。3 3转子绕组转子绕组鼠笼式转子：鼠笼式转子：铸铝、焊接铸铝、焊接斜槽形式转子绕组转子绕组感应电势、流过电流和产生电磁转矩感应电势、流过电流和产生电磁转矩l与定子绕组有相同的极数，相同相数的对称绕组与定子绕组有相同的极数，相同相数的对称绕组l通常采用对称的三相绕组，连接成星形，常用通常采用对称的三相绕组，连接成星形，常用波绕组波绕组l转子的一端装有三个转子的一端装有三个集电环集电环l绕线转子可外串变阻器，改变异步机的绕线转子可外串变阻器，改变异步机的起动性能起动性能线绕转子：线绕转子：RRRR绕绕线线转转子子实实物物图图4. 4. 转轴转轴三、异步电机的气隙三、异步电机的气隙特

6、点：特点：气隙很小，在中、小型电机中一般为气隙很小，在中、小型电机中一般为0.20.22.0mm2.0mm气隙大：气隙大：磁阻大，励磁电流大，功率因数低磁阻大，励磁电流大，功率因数低 气隙磁场谐波含量减少，改善启动性能气隙磁场谐波含量减少，改善启动性能气隙小：气隙小： 受加工工艺及机械安全所限制受加工工艺及机械安全所限制异步电机结构视频异步电机结构视频四、铭牌的额定值四、铭牌的额定值 异步电动机的额定值异步电动机的额定值n额定功率额定功率P PN N: : 指额定运行时，转轴上指额定运行时，转轴上输出输出机械功率（机械功率（W W或或kWkW）n额定电压额定电压U UN N: : 指额定运行时

7、定子绕组外加指额定运行时定子绕组外加线电压线电压（V V或或kVkV）额定电流额定电流I IN N: : 指在额定电压和额定功率状态下运行时，流入指在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的定子绕组的线电流线电流（A A）n额定频率额定频率f:f: 我国工业频率为我国工业频率为50Hz50Hzn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）NNNNNIUPcos3第二节第二节 异步电机的运行状态和磁场异步电机的运行状态和磁场异步电机的三种运行方式异步电机的三种运行方式电动机运行电动机运行发电机运行发电机运行电磁制动

8、电磁制动 运行方式判断依据运行方式判断依据根据作用于转子上的根据作用于转子上的电磁转矩的方向电磁转矩的方向，以及定子电势，以及定子电势e e和和定子电流定子电流i i有功分量所产生的有功分量所产生的电功率的正负电功率的正负来判断来判断 电磁过程（以电动机为例）电磁过程（以电动机为例）定子三相对称绕组定子三相对称绕组加三相对称电流加三相对称电流I I1 1在气隙产在气隙产生生旋转磁场旋转磁场n n1 1切割转子绕组切割转子绕组在转子绕组在转子绕组感应电感应电势势E E2 2转子绕组是闭合绕组转子绕组是闭合绕组产生转子电流产生转子电流I I2 2转转子带电绕组在气隙磁场中受到电磁力的作用子带电绕组

9、在气隙磁场中受到电磁力的作用产生产生电磁转矩电磁转矩带动转子转动带动转子转动n (nnn (nn1 且同向）且同向）n电磁转矩电磁转矩Te与与n反向反向，起阻力矩作用。（原动力矩，起阻力矩作用。（原动力矩克服电磁转矩作功）克服电磁转矩作功）Bxn1nFFe发电机运行方式结论：发电机运行方式结论：n异步电机转子的转速异步电机转子的转速nnnn1 1，即，即s0s0nn n与与n n1 1同向，电磁转矩同向，电磁转矩T Te e与与n n反向，反向，T Te e为阻力矩为阻力矩n转子转子输入机械功率，输入机械功率，定子输出电功率定子输出电功率n典型应用：风能发电典型应用：风能发电Bxn1nFFe3

10、、电磁制动、电磁制动n外力拖动使转子与旋转磁场的外力拖动使转子与旋转磁场的旋转方向相反旋转方向相反（n与与n1反向）反向），则旋转磁场切割转子导体的，则旋转磁场切割转子导体的相对转速大于同步转速相对转速大于同步转速 n电磁力电磁力的方向与外施力方向相反，的方向与外施力方向相反，起制动作用起制动作用Bxn1nFFe电磁制动运行方式结论：电磁制动运行方式结论：n异步电机转子的转速异步电机转子的转速n0n1 s1 nn n与与n n1 1反向，反向，T Te e与与n n反向，反向，T Te e为阻力矩（制动）为阻力矩（制动）n定子定子输入电功率输入电功率，转子，转子输入机械功率输入机械功率，都转变

11、，都转变为电机内部的损耗为电机内部的损耗( (主要是铜耗主要是铜耗) )n典型应用：起重机下放重物典型应用：起重机下放重物Bxn1nFFeNSn1nT0TeNSn1nT0TeNSn1nTeT0S 反映异步电机运行状态和负载情况反映异步电机运行状态和负载情况10n0n1s电磁制动电磁制动电动机电动机发电机发电机起动点起动点理想空载点理想空载点异步电动机转差率的几种特殊情况：异步电动机转差率的几种特殊情况：空载时转差率：空载时转差率：0.5% 满载时转差率：满载时转差率：5%u 起动时，起动时，n=0，s=1u 理想空载时，无阻力转矩，理想空载时，无阻力转矩，n=n1，s=0u实际空载时，实际空载

12、时，nn1 ，s0u 负载阻力转矩越大时，转子电动势和电流负载阻力转矩越大时，转子电动势和电流越大，因而必须有较大的转差率越大，因而必须有较大的转差率s二、异步电机的磁场二、异步电机的磁场空载时：空载时：定子加三相交流电定子加三相交流电产生旋转磁场产生旋转磁场pfn1160转速1111126060)(sfnnnpnnnpfnnsnpsfpfn111226060负载时：负载时：转子感应电动势（电流）频率转子感应电动势（电流）频率转子磁场相对转子的转速转子磁场相对转子的转速n2：112)(nnnnnn则转子磁场相对定子转速：则转子磁场相对定子转速：主磁通主磁通mmn由由基波磁动势产生基波磁动势产生

13、，是每极的基波磁通量，是每极的基波磁通量n同时交链定转子绕组，实现同时交链定转子绕组，实现能量传递能量传递n以同步速旋转：以同步速旋转：pfn1160气隙磁场：气隙磁场：21FFF（均以（均以n1旋转）旋转）l 主磁路（主磁通经过的路径）：主磁路（主磁通经过的路径）：空气隙、定子齿、转子齿、定子轭、转子轭空气隙、定子齿、转子齿、定子轭、转子轭漏磁通漏磁通n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n漏磁通包含三个部分：槽漏磁通、端部漏磁通和漏磁通包含三个部分：槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通谐波漏磁通n槽漏磁通和端部漏磁通。仅只交链单个绕组，槽漏磁通和端部漏磁通。仅只交链单个绕组，不

14、不传递能量传递能量n谐波漏磁通谐波漏磁通由高次谐波磁动势所产生的谐波磁由高次谐波磁动势所产生的谐波磁通，交链转子绕组并在其中感应电势通，交链转子绕组并在其中感应电势, ,有传递能有传递能量，产生有害附加电磁转矩量，产生有害附加电磁转矩定子的槽漏磁通和端部漏磁通，只交链单个绕定子的槽漏磁通和端部漏磁通，只交链单个绕组，没有互感作用，组，没有互感作用，不传递能量不传递能量槽漏磁通和端部漏磁场槽漏磁通和端部漏磁场n谐波磁场极对数谐波磁场极对数 ，旋转速度，旋转速度 n谐波磁场在谐波磁场在定子绕组定子绕组上的感应电动势频率上的感应电动势频率pp1nn 1116060fpnnpf谐波漏磁通谐波漏磁通(

15、(差异漏磁通）差异漏磁通）n谐波磁场在谐波磁场在转子绕组转子绕组的感应电动势频率：的感应电动势频率：606012nnpnnpf6012nnpf 可见：两者频不率同。基波磁通产生有用的电磁可见：两者频不率同。基波磁通产生有用的电磁转矩，而谐波磁通产生转矩，而谐波磁通产生有害的附加电磁转矩有害的附加电磁转矩，所，所以将以将谐波磁通归为漏磁通谐波磁通归为漏磁通 基波磁场在基波磁场在转子绕组转子绕组中感应电动势频率：中感应电动势频率：课课 时时 小小 结结1.异步电机的优缺点？基本结构？异步电机的优缺点？基本结构？2.异步电机的运行方式及判别依据？异步电机的运行方式及判别依据？（重点）（重点）3.异步

16、电机转差率的定义？转差率与运行方式异步电机转差率的定义？转差率与运行方式的关系？的关系？ （重点）（重点）4.异步电机的磁场？（定子、转子、气隙）异步电机的磁场？（定子、转子、气隙）5.异步电机的主磁路？漏磁通包括哪些？异步电机的主磁路？漏磁通包括哪些？第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路11111111111eNIFrIUIUr21EEm气隙气隙02I02空载时：空载时：转子转子定子定子空载时转轴阻力矩小，空载时转轴阻力矩小，nn1 E2 0 I2 0* 异步电机的电磁物理现象异步电机的电磁物理现象:思考思考:与变压器二次侧空载运行的区别与变压器二次侧空载运行的区别?2

17、222222222rIUeNIFIr11111111111eNIFrIUIUr21EEm定子定子转子转子气隙气隙负载时：负载时：负载时转轴阻力矩负载时转轴阻力矩 nx1，c11。2121121121112xxjsrrUxcxjsrcrUI2111121111IxxjrrUcIxxjrrUImmmm第五节第五节 异步电机的功率和转矩平衡异步电机的功率和转矩平衡1r1x2r2x21rss1U1I0I2Imrmx1cupFep2cupiPemP1P一、功率平衡关系一、功率平衡关系输入功率11111cosIUmP 定子铜损12111rImpcu定子铁损mmFerImp21电磁功率srImppPPFec

18、uem22 2111转子铜损22 2122222rImrImpcu机械功率22 21222211rssImrssImPi输出功率02pPppPPiadmeci1PemPiP2P1CuP2CuPFePadmecPP异步电动机的功率流程图异步电动机的功率流程图admecFecucupppppppPP2121功率平衡式：功率平衡式：重要公式：重要公式：n电磁功率（电磁功率（通过基波旋转磁场传递到转子通过基波旋转磁场传递到转子）n总的机械功率（内功率）总的机械功率（内功率） Pi = Pem- pcu2=(1-s)Pemn轴上的输出功率轴上的输出功率 P2=Pi- pmec- padspsrImssr

19、ImrImPpPcuicuem2222122212221212221222111cosIEmsrImppPPFecuem二、异步电动机转矩平衡二、异步电动机转矩平衡由功率平衡式两边除以转子机械角速度由功率平衡式两边除以转子机械角速度得到得到T2负载转矩，电动机轴上的输出机械转矩负载转矩，电动机轴上的输出机械转矩T电磁转矩，电动机轴上的总的机械转矩电磁转矩，电动机轴上的总的机械转矩Tmec 机械损耗转矩；机械损耗转矩；Tad 附加损耗转矩；附加损耗转矩；T0=Tmec +Tad 空载制动转矩空载制动转矩02TTTTTTadmec电磁转矩电磁转矩 T1MiPPT1160216026021602MM

20、MMiiPnPsnPnPsnPP转子机械运动角速度旋转磁场运动角速度课课 时时 小小 结结n异步电动机的参数测定？异步电动机的参数测定？n异步电动机的近似等效电路和简化等效电路？异步电动机的近似等效电路和简化等效电路？n异步电动机的功率平衡？（重点：两个表达式）异步电动机的功率平衡？（重点：两个表达式）n异步电动机的转矩平衡？异步电动机的转矩平衡？n书面作业书面作业(P166)：9-1、9-2、9-5一、电磁转矩和机械特性一、电磁转矩和机械特性第六节第六节 异步电动机的机械特性及稳定运行条件异步电动机的机械特性及稳定运行条件三相异步电动机在外施电压、频率和参数为规定值时，三相异步电动机在外施电

21、压、频率和参数为规定值时，电磁转矩电磁转矩T T与转差率与转差率s s（或转速（或转速n n）之间的函数关系）之间的函数关系，可用，可用曲线表示，称为异步电动机的电磁转矩曲线表示，称为异步电动机的电磁转矩- -转差率曲线（也转差率曲线（也称称T-sT-s曲线，或机械特性曲线曲线，或机械特性曲线） 机械特性机械特性它是异步电动机最主要的特性它是异步电动机最主要的特性电磁转矩的三种表达式电磁转矩的三种表达式1、电磁转矩、电磁转矩参数表达式参数表达式：2211221122111222111xcxsrcrsrUpmsrImpPTem电动机状态电动机状态发电机状态发电机状态电磁制动状态电磁制动状态起动点

22、起动点s=1最大电磁转矩点最大电磁转矩点s=sk额定点额定点sk0理想空载点理想空载点s=02222111222111coscos2cosICIkNpmIEmpPTmTmNem可见：可见：电磁转矩与气隙磁通和转子电流电磁转矩与气隙磁通和转子电流的有功分量的乘积成正比的有功分量的乘积成正比2、电磁转矩、电磁转矩物理表达式物理表达式：1112NTkNpmC -电机转矩常数电机转矩常数1 0 s 22cosICTmT11112ZIUEE222222xsrEI222222cosxsrsr理想空载T=0 n=n1 s=0I2=0负载后，出现转差s，nn1成正比近似与较大不变变化不大，近似很小负载较小时，

23、sICTxsrsrrssrxsrImmT222 2222222222 222222coscosEEEEs进入不稳定工作区域增大而下降随减小较多增加减慢较大后当sICTxsrsrxsrImT222 222222 22222coscosEs负载后，出现转差s，n0，电动机加速，电动机加速l TTL时，时，TJTa 减速速减速速n、s T 回到回到a点点 TL=Ta 电动机稳定运行电动机稳定运行a点是稳定运行点点是稳定运行点TsTLabaTL+L0sk1TsTLabbTL+L0sk1分析分析原来：原来：b点点干扰干扰Lb点点干扰消除后，干扰消除后，TLTb 减速减速n、s T n 直到直到n=0，停

24、转，停转 b点是不稳定运点是不稳定运行点。行点。b思考：干扰使电动机运行于思考：干扰使电动机运行于b点的情况？点的情况？稳定运行条件稳定运行条件dsdTdsdTL稳定运行范围：稳定运行范围：s=0sk1、指恒转矩负载情况下。、指恒转矩负载情况下。2、不同负载类型其稳定运、不同负载类型其稳定运行范围不同行范围不同第七节第七节 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性l工作特性：工作特性：转速特性转速特性 n =f(P2)负载转矩特性负载转矩特性 T2=f(P2)定子电流特性定子电流特性 I1=f(P2)功率因数特性功率因数特性 cos 1=f(P2)效率特性效率特性 =f(P2)l测定方法：测定

25、方法：直接负载试验法直接负载试验法和解析式法和解析式法l条件：条件：外施电源电压外施电源电压U1和频率和频率f1不变不变一、转速特性一、转速特性 n= f (P2)空载时，空载时，T T2 20 0，T TT T0 0，n n0 0接近接近n n1 1，s s很小。很小。随着负载增大随着负载增大P P2 2T=TL+T0s( (很小，如很小，如S SN N=0.01=0.010.050.05）n（很小）（很小） 硬特性硬特性0nP2PNn很小很小硬特性硬特性n0n1nN二、负载转矩特性二、负载转矩特性 T2=f(P2)602222nPPT在正常运行范围内，转速变化不大（硬特性），负载在正常运行

26、范围内，转速变化不大（硬特性），负载转矩与输出功率近似为直线。转矩与输出功率近似为直线。0T2P2PN尾部稍弯尾部稍弯T2N三、定子电流特性三、定子电流特性 I1=f(P2)随着负载增加，随着负载增加，I I2 2相应增大，定子电流相应增大，定子电流I I1 1也相应增大也相应增大I I2 2与输出功率与输出功率P P2 2不成正比，不成正比，I I1 1与输出功率呈非线性关系与输出功率呈非线性关系21IIIm0I1P2PNI1NIm四、功率因数特性四、功率因数特性cos 1=f(P2)l空载时空载时，电流主要成分是磁化电流（无功分量），功率因，电流主要成分是磁化电流（无功分量），功率因数很低

27、，数很低，coscos 1 1 0.20.2l负载时负载时，P2 P1、Q1变化不大变化不大 cos1但负载增加到一定值时，但负载增加到一定值时，ns2=tg-1sx2/r2 cos2cos10.20cos1P2PNl功率因数最大值：功率因数最大值：通常设计在通常设计在额定负载或略低于额定负载时额定负载或略低于额定负载时五、效率特性五、效率特性 =f(P2)l 效率随负载变化的规律决定于损耗的分配比例效率随负载变化的规律决定于损耗的分配比例l 空载空载 =0=0负载负载P P2 2 到可变损耗等于不变损耗到可变损耗等于不变损耗 max P2铜耗铜耗 l 设计时最大效率在设计时最大效率在0.7-10.7-1范围内范围内0P2PN课课 时时 小小 结结1.电磁转矩的三种电磁转矩的三种表达式表达式及其机械特性曲线？及其机械特性曲线？2.异步电动机机械特性曲线的四个特殊运行点？异步电动机机械特性曲线的四个特殊运行点？3.Tmax、sk、Tst与与r2和和U1的关系及曲线的变化？的关系及曲线的变化？ （重点）（重点）4.过载能力（最大转矩倍数）和起动转矩倍数？过载能力（最大转矩倍数）和起动转矩倍数？5.根据异步电