合肥工业大学顾绳谷《电机及其拖动基础》第五章ppt讲义

1、第五章第五章 异步电机（二）异步电机（二）三相异步电动机运行原理及单相异步电动机三相异步电动机运行原理及单相异步电动机第一节第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程一、一、异步电动机负载时的物理情况异步电动机负载时的物理情况 当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过三相交流电流。若不计谐波和齿槽影响，这个对称三相交流就通过三相交流电流。若不计谐波和齿槽影响，这个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布、并且以同步转速电流将在气隙内形成按正弦规律分布、并且以同步转速n0旋转的旋旋转的旋转

2、磁动势转磁动势F1，由旋转磁动势，由旋转磁动势F1建立旋转的气隙主磁场建立旋转的气隙主磁场Bm。 这个旋转磁场切割定子、转子绕组，分别在定子、转子绕组内感这个旋转磁场切割定子、转子绕组，分别在定子、转子绕组内感应出定子电动势和转子电动势。在转子电动势作用下转子回路中有应出定子电动势和转子电动势。在转子电动势作用下转子回路中有对称三相电流流过。于是，在气隙磁场和转子电流的相互作用下，对称三相电流流过。于是，在气隙磁场和转子电流的相互作用下，产生了电磁转矩，转子就顺着旋转磁场的方向转动。产生了电磁转矩，转子就顺着旋转磁场的方向转动。机电系2空载的情况下：空载的情况下：nns, I20 当电机带有机

3、械负载后：当电机带有机械负载后：nns, I2增大。增大。 不论转子是绕线型还是笼型，不论转子是绕线型还是笼型，转子磁动势转子磁动势F2都是一种旋转磁动都是一种旋转磁动势。势。笼型转子笼型转子的磁动势的磁动势（一）（一）转子磁动势分析转子磁动势分析机电系32、F2转速的大小转速的大小 如果相序为如果相序为A-B-C的异步电动机定子的异步电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋转，电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋转，因为因为nn0，则转子电流相序为，则转子电流相序为a-b-c 。则转。则转子磁动势子磁动势F2的旋转方向也按照相序的旋转方向也按照相序a-b-c，即：按逆时针方向。即：按逆时针

4、方向。1、转子磁动势、转子磁动势F2的旋转方向的旋转方向 转子绕组内感应电动势和电流的转子绕组内感应电动势和电流的频率为频率为21()6060ssssp nnpn nnfsfnf2为转差频率，转子电流形成的为转差频率，转子电流形成的转子磁转子磁动势动势F2的旋转方向与的旋转方向与F1的旋转方向相同，的旋转方向相同，它相对于转子的转速为它相对于转子的转速为n，而相对于定，而相对于定子的转速为子的转速为n+n=ns机电系4（二）（二）磁动势平衡磁动势平衡转子磁动势转子磁动势F2与定子磁动势与定子磁动势F1相对静止，得到合成磁动势相对静止，得到合成磁动势F1+F2负载时负载时)(21mmmBFFF空

5、载时空载时)(00010mmmBFF电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小，差不电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小，差不多和电源电压相平衡。所以，可以近似认为多和电源电压相平衡。所以，可以近似认为0mm于是于是mmmFFFF021)(21FFFm机电系5两极异步电动机的定两极异步电动机的定子、转子绕组示意图子、转子绕组示意图负载时定子、转子磁负载时定子、转子磁动势和电流的相矢图动势和电流的相矢图机电系6（三）（三）电磁关系电磁关系有效值有效值mWkNfE111144. 4mWskNfE222244. 4异步电动机的负载运异步电动机的负载运行时的电磁关系行时的电磁关系

6、相量表达式相量表达式mWkNfE111144. 4 jskNfkNfEmWmWs221222244. 4 j44. 4 j定、转子的漏磁通在各自绕组中感应产生漏电动势定、转子的漏磁通在各自绕组中感应产生漏电动势1111144. 4 jWkNfEskNfkNfEsWsWs22212222244. 4 j44. 4 j机电系7二、基本方程式二、基本方程式（一）（一）磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式mFFF21222221111111129 . 029 . 029 . 0IpkNmFIpkNmFIpkNmFWmWmW式中式中m1、m2为定子、转子的相数；为定子、转子的相数；Im为对应于励磁磁动势的励

7、磁为对应于励磁磁动势的励磁电流。电流。mWWWIpkNmIpkNmIpkNm1112222111129 . 029 . 029 . 022222111229 . 029 . 0IpkNmIpkNmFWW)(21IIIm励磁电流励磁电流负载电流负载电流令令221IkIi则则mIII21222111WWikNmkNmk 异步电动机异步电动机的电流比的电流比机电系8（二）（二）电动势平衡方程式电动势平衡方程式111112222()()()()ssUEEI REEIRR R为转子电阻的外加电阻为转子电阻的外加电阻1(jX )mmmmmEI ZIR Zm为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻

8、抗；为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻抗；Xm称为励磁电抗；称为励磁电抗；Rm为反映铁耗的励磁电阻。为反映铁耗的励磁电阻。111jEI X 定子漏电抗定子漏电抗222jssEI X 转子漏电抗转子漏电抗skNfkNfEsWsWs22212222244. 444. 4因此因此sEEs2222sXX ssEEs22机电系9旋转时异步电旋转时异步电动机的电路动机的电路异步电动机负载时的基本方程式列出如下异步电动机负载时的基本方程式列出如下111111111jUEI RI XEI Z 222222()jsEE sIRRI X s1(jX )mmmmmEIRI Z miIIkI211机电

9、系10第二节第二节 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图11112211221112212144. 4 j44. 4 jEkEkNkNkNkNkNfkNfEeWWWWmWmW2211WWekNkNk 为电动势比为电动势比一、一、异步电动机的等效电路异步电动机的等效电路（一）（一）频率归算频率归算频率归算频率归算 保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在这里，就是用一数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在这里，就是用一个具有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路

10、。个具有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路。所谓所谓“等效等效”是指：是指：1）进行代换后，转子电路对定子电路的电磁效应不变。）进行代换后，转子电路对定子电路的电磁效应不变。2）等效的转子电路的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等）等效的转子电路的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等）必须和实际转子电路一样。必须和实际转子电路一样。机电系11若若R=02222jXE sIRs2222/jXEIRs 而静止转子电路中电流而静止转子电路中电流222222222222(/ )()EE sIIRsXRX s频率归算后的频率归算后的定、转子电路定、转子电路22222arctgarctg/XX

11、sRsR 在附加电阻在附加电阻 上产生的功耗，实质上表征了异步电动机的上产生的功耗，实质上表征了异步电动机的机械功率机械功率 21sRs（二）（二）绕组归算绕组归算绕组归算后的绕组归算后的定、转子电路定、转子电路222111WWikNmkNmk 2222211129 . 029 . 0IpkNmIpkNmWW由转子磁动势不变由转子磁动势不变221IkIi机电系12由转子总的视在功率不变由转子总的视在功率不变222221IEmIEm122EEkEe2211WWekNkNk 式中式中由转子铜耗和漏磁通储能不变由转子铜耗和漏磁通储能不变221 22222m I Rm I R 22eiRk k R 2

12、22222212121LImLIm22LkkLie22eiXk k X 机电系13（三）（三）异步电动机异步电动机 的等效电路的等效电路经过归算后，定子、转子的电动势方程式经过归算后，定子、转子的电动势方程式11111111(jX )UEI REI Z 222222222211(jX )ssEI RIRI RI Zss 21EE磁动势方程式磁动势方程式mIII21励磁支路的电动势方程式励磁支路的电动势方程式mmZIE1机电系14几种异步电动机的典型运行情况几种异步电动机的典型运行情况1、空载运行、空载运行0s21sRs 2、额度负载下运行、额度负载下运行05. 0Ns转子电路基本上是电阻性的，

13、功率因数较高。转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。3、起动时的情况、起动时的情况0n1s210sRs 附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。4、异步发电运行、异步发电运行snn 0s转差率为负，附加电阻也为负值。表示从转子轴上输入（而不是输转差率为负，附加电阻也为负值。表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。出）机械功率。机电系155、电磁制动状态运行、电磁制动状态运行1s ，附加电阻为负值，表示，附加电阻为负值，表示从转子轴上输入（而不是输出）机从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。械功率。异步电机近似异步电机近似等效电路等效电路二、异步电

14、动机的相量图二、异步电动机的相量图异步电动机的异步电动机的相量图相量图机电系16异步电动机近似等异步电动机近似等效电路的相量图效电路的相量图例例5-15-1一台一台2对极的三相异步电动机，有对极的三相异步电动机，有关数据如下：关数据如下：kW10NPV380NUmin/ r1452Nn11.33/R 相12.43/X 相21.12/R 相24.4/X 相7/mR 相90/mX相定子绕组为三角形接法，试求额定负载时的定子定子绕组为三角形接法，试求额定负载时的定子电流、转子电流、励磁电流、功率因数、输入功电流、转子电流、励磁电流、功率因数、输入功率和效率。率和效率。解解N1500 14521500

15、ssnnsn21.12350.032Rs机电系17（1）用）用T形等效电路计算形等效电路计算22jX(35j4.4)35.4 7.15 RsjX(7j90)90.4 85.54 mmmZR2222(/jX )35.4 7.1590.4 85.54(27.6j13.89)(/jX )35.4 7.1590.4 85.54mmRsZRsZ22122(/jX )33.23 29.43 (/jX )mmRsZZRsZ设设 ，定子电流，定子电流V03801U1122122380 0A11.4229.43 A(/jX )33.23 29.43(/jX )mmUIRsZZRsZ定子线电流有效值定子线电流有效

16、值A8 .19A42.113机电系18定子功率因数定子功率因数)(87. 043.29coscos1滞后定子输入功率定子输入功率W11326W87. 042.113803cos31111IUP212290.411.42A9.97A(/)103.5mmZIIRsjXZ 转子电流转子电流 和励磁电流和励磁电流2ImI22122/35.411.42A3.91A(/)103.5mmRsjXIIRsjXZ效率效率%26.88%100113301000012PP机电系19（2）用近似等效电路计算）用近似等效电路计算负载支路阻抗负载支路阻抗122/jX(1.33j2.4335.1j4.4)(36.43j6.

17、83)37.1 10.6 ZRs励磁支路阻抗励磁支路阻抗jX(7j90)90.4 85.54 mmmZR转子电流（即负载电流）转子电流（即负载电流）12122380 0A10.2410.6 A/jX37.1 10.6UIZRs 励磁电流励磁电流A54.852 . 4A54.854 .9003801mmZUI机电系20定子电流定子电流A1 .2945.12A)065. 6 j396.10(21 IIIm定子线电流有效值定子线电流有效值A6 .21A45.123定子功率因数定子功率因数)(874. 01 .29coscos1滞后定子输入功率定子输入功率W12405W874. 045.123803c

18、os31111IUP效率效率%6 .80%100124001000012PP机电系21能量转换关系能量转换关系功率关系功率关系第三节第三节 三相异步电动机的功率和转矩三相异步电动机的功率和转矩一、功率转换过程一、功率转换过程二、功率方程式二、功率方程式1Cu1FeePppP11111cosIUmP 2Cu11 11pm I R2Fe1 mmpm I R2e12221 22cos/Pm E Im I Rs 式中，式中，U1定子相电压；定子相电压；I1 定子相电流；定子相电流； 定子功率因数角；定子功率因数角； 转子功率因数角；转子功率因数角；12机电系22eCu2mechPpP2mecmec)(

19、PppP22212CurImpemCu2sPp总机械功率总机械功率222mecheCu21 21 22221 2e(1)(1)RPPpm Im I RsRs m Is Ps三、转矩方程式三、转矩方程式e2mech20TTTTTTmecheenPPT 旋转磁场对转子旋转磁场对转子做功的物理情况做功的物理情况式中式中 电动机输出的机械转矩；电动机输出的机械转矩； 机械损耗转矩；机械损耗转矩； 附加损耗转矩；附加损耗转矩； 空载转矩；空载转矩； 电磁转矩。电磁转矩。2TmechTT0TeT机电系23四、电磁转矩公式四、电磁转矩公式2e2e1 2122211cos2ssPRpTm Im E Isf 1

20、11e22122coscos2WmTmpm N kTICI 2111T1WkNpmC转矩常数转矩常数例例5-25-2 根据根据例例5-1中的数据，还知道电动机的机械损耗中的数据，还知道电动机的机械损耗 ，额定负载时的附加损耗，额定负载时的附加损耗 ，试计算各种功率和转矩。，试计算各种功率和转矩。mech100WpW50p22Fe33 3.917W321WmmpI R 22Cu22233 9.981.12W335WpI R 22Cu11133 11.421.33W520WpI R 解解定子和转子的铜耗、及定子铁耗定子和转子的铜耗、及定子铁耗机电系24150022rad/s157rad/s6060

21、ssnrad/s152rad/s6014522602n同步角速度同步角速度转子机械角速度转子机械角速度总机械功率总机械功率mech2mech(10000 10050)W10150WPPpp电磁功率电磁功率emechCu2(10150335)W10485WPPp负载制动功率负载制动功率mN79.65mN1521000022PT空载制动功率空载制动功率mech0150N m0.99N m152ppT电磁转矩电磁转矩e20(65.790.99)N m66.78N mTTT或者或者ee10485N m66.78N m157nPT meche10150N m66.78N m152PT 机电系25第四节第

22、四节 三相异步电动机的工作特性及其测取方法三相异步电动机的工作特性及其测取方法一、工作特性的分析一、工作特性的分析1、转速特性、转速特性)(2Pfn 2、定子电流特性、定子电流特性)(21PfI 3、功率因数特性、功率因数特性)(cos21Pf4、电磁转矩特性、电磁转矩特性e2()Tf Pe02/TTP5、效率特性、效率特性)(2Pf22Cu1FeCu2mechPPppppp机电系26二、工作特性的求取二、工作特性的求取工作特性的求取工作特性的求取 可以用直接负载法，通过做实验求取；也可以可以用直接负载法，通过做实验求取；也可以利用等效电路进行计算。利用等效电路进行计算。第五节第五节 三相异步

23、电动机参数的测定三相异步电动机参数的测定一、空载试验与励磁参数的确定一、空载试验与励磁参数的确定1、空载试验、空载试验异步电动机在额定电压、额定频异步电动机在额定电压、额定频率下，轴上不带任何负载运行。率下，轴上不带任何负载运行。空载特性曲线空载特性曲线机电系272、励磁参数与铁耗及机械损耗的确定、励磁参数与铁耗及机械损耗的确定2Femech1()ppf U曲线曲线空载时异步电动机的等效电路空载时异步电动机的等效电路机电系28二、堵转试验及堵转时参数的确定二、堵转试验及堵转时参数的确定堵转时异步电动堵转时异步电动机的等效电路机的等效电路异步电动机的堵转特性异步电动机的堵转特性机电系29第五节第

24、五节 三相异步电动机的转矩与转差率的关系三相异步电动机的转矩与转差率的关系2112e221212(/ )/()smURsTRRsXX临界转差率临界转差率sm222112()mRsRXX 211eM2211122()smUTRRXX 最大转矩最大转矩机电系30第六节第六节 单相异步电动机单相异步电动机单相供电单相供电一相一相断开断开一、由单相电源供电的异一、由单相电源供电的异步电动机的运行步电动机的运行单相单相异步电动机的工作原理异步电动机的工作原理fftxFtxFtxFfcos21cos21coscos1111单相异步电动机特性：单相异步电动机特性：1）电动机静止时，合成转矩为零，）电动机静止

25、时，合成转矩为零，电动机无起动转矩；电动机无起动转矩；2）若外力拖动电动机正向或反向）若外力拖动电动机正向或反向转动，撤去外力后，电动机将继转动，撤去外力后，电动机将继续加速到接近同步转速。续加速到接近同步转速。机电系31椭圆形旋转磁场椭圆形旋转磁场的矢量表示的矢量表示则每极脉振磁通为则每极脉振磁通为xtBBmsincos设脉振磁场按正弦发布设脉振磁场按正弦发布tlBmcos2式中，式中，为极距；为极距；l为定子铁心长度。为定子铁心长度。tlBNtNemdddsin2ddtlvBNBlvNemqqqcos22txFfddcoscostxFfqqsinsintxFtxFfffqdcoscos2qdFFF2qdFFF机电系32二、单相异步电动机的主要类型和起二、单相异步电动机的主要类型和起动方法动方法分相式电动分相