ch10三相异步电动机运行原理及工作特性

1、第九章第九章 三相异步电动机的运行三相异步电动机的运行原理及工作特性原理及工作特性 异步电机与变压器一样属于单边励磁的电机，转异步电机与变压器一样属于单边励磁的电机，转子边电流由感应产生。从电磁关系看，异步电机与变子边电流由感应产生。从电磁关系看，异步电机与变压器相似，其定子绕组相当于变压器的一次绕组，转压器相似，其定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组相当于变压器的二次绕组。因此，可以把分析子绕组相当于变压器的二次绕组。因此，可以把分析变压器的理论用到分析异步电机中来。异步电机三相变压器的理论用到分析异步电机中来。异步电机三相定、转子绕组都是对称的，正常对称运行时，各相发定、转子绕组都是对

2、称的，正常对称运行时，各相发生的电磁过程完全相同，在分析时可只讨论一相，如生的电磁过程完全相同，在分析时可只讨论一相，如电动势方程、等效电路等，根据一相计算结果，再考电动势方程、等效电路等，根据一相计算结果，再考虑相位后推广到其它两相。虑相位后推广到其它两相。 第一节第一节 转子不动时的异步电动机转子不动时的异步电动机 一般异步电动机转子总是旋转的，转子不动是它的一般异步电动机转子总是旋转的，转子不动是它的一种特殊情况，即电机处于堵转状态。此时，异步电动一种特殊情况，即电机处于堵转状态。此时，异步电动机的运行方式与变压器二次侧短路时的运行状态非常相机的运行方式与变压器二次侧短路时的运行状态非常

3、相似。其定子侧相当于变压器的一次侧，转子侧相当于变似。其定子侧相当于变压器的一次侧，转子侧相当于变压器的二次侧，变压器的二次侧和异步电机的转子侧电压器的二次侧，变压器的二次侧和异步电机的转子侧电动势、电流都是电磁感应产生的。其不同之处在于，异动势、电流都是电磁感应产生的。其不同之处在于，异步电机三相合成磁动势为旋转磁动势，变压器为脉动磁步电机三相合成磁动势为旋转磁动势，变压器为脉动磁动势；异步电机定、转子之间有气隙，空载励磁电流较动势；异步电机定、转子之间有气隙，空载励磁电流较大，而变压器一、二次绕组之间磁路无气隙，空载励磁大，而变压器一、二次绕组之间磁路无气隙，空载励磁电流较小；异步电机的绕

4、组是分布绕组，而变压器的绕电流较小；异步电机的绕组是分布绕组，而变压器的绕组为集中绕组。组为集中绕组。1 1、参考方向的规定、参考方向的规定 图图9 91 1 三相绕线式异步电机参考方向规定三相绕线式异步电机参考方向规定 当三相异步电机定子绕组接交流电源时，其转子当三相异步电机定子绕组接交流电源时，其转子不动可分为转子绕组开路和转子堵转两种情况。不动可分为转子绕组开路和转子堵转两种情况。 转子绕组开路时，转子回路没有电流，不产生磁转子绕组开路时，转子回路没有电流，不产生磁动势。此时，电机气隙中的磁动势只有定子磁动动势。此时，电机气隙中的磁动势只有定子磁动势势 ，因此称其为励磁磁动势，相应的定子

5、电流，因此称其为励磁磁动势，相应的定子电流 称为励磁电流。称为励磁电流。l励磁磁动势励磁磁动势2.2.转子绕组开路时异步电机的电磁关系转子绕组开路时异步电机的电磁关系(1) (1) 磁动势和磁通磁动势和磁通电机中合成基波旋转磁动势电机中合成基波旋转磁动势 011109 . 02IpkNmFN0F0F0I 转子不动时，以频率转子不动时，以频率 交变的主磁通交变的主磁通 将在定、将在定、转子相绕组中感应同频率的感应电动势转子相绕组中感应同频率的感应电动势 和和 ，其有效值为：其有效值为：（2 2）感应电动势）感应电动势 1fm 定、转子一相感应电动势有效值的比值，称定、转子一相感应电动势有效值的比

6、值，称为电动势比，用为电动势比，用 表示。表示。ek0111144. 4NkNfjE1E2E0221244. 4NkNfjE221121NNekNkNEEk与变压器类似，漏电动势可以用漏抗压降来表示，有：与变压器类似，漏电动势可以用漏抗压降来表示，有： 定子每相绕组漏电抗，用简化符号定子每相绕组漏电抗，用简化符号 表表示，定子漏电抗主要有定子槽漏电抗和端部示，定子漏电抗主要有定子槽漏电抗和端部漏电抗。漏电抗。 1x（3 3）电压平衡方程）电压平衡方程 101101011ZIExI jrIEU转子一相绕组的电压方程为：转子一相绕组的电压方程为： 202EU定子一相绕组的电压方程为：定子一相绕组的

7、电压方程为： 101xIjE1x 三相异步电机转子绕组开路时，定子和转三相异步电机转子绕组开路时，定子和转子都是静止的，电机内部的电磁关系与三相变压器子都是静止的，电机内部的电磁关系与三相变压器空载运行时相似。空载运行时相似。三相异步电动机转子绕组开路时的电磁关系示意图三相异步电动机转子绕组开路时的电磁关系示意图（3）电磁关系）电磁关系 转子绕组开路时三相异步电机等效电路转子绕组开路时三相异步电机等效电路 (4) (4) 等效电路等效电路 变压器是脉动磁通，电机是旋转磁通；变压器是脉动磁通，电机是旋转磁通；变压器是集中绕组，而电机一般是分布绕组；变压器是集中绕组，而电机一般是分布绕组；变压器具

8、有闭合的铁心磁路，而电机主磁路存在气隙。变压器具有闭合的铁心磁路，而电机主磁路存在气隙。异步电机空载电流比变压器大很多，一般电机可达异步电机空载电流比变压器大很多，一般电机可达20%-30%I20%-30%IN N，小型异步电机可达，小型异步电机可达50%50%。异步电机漏磁阻抗也比变压器大，异步电机漏磁压异步电机漏磁阻抗也比变压器大，异步电机漏磁压 降达额定电压的降达额定电压的25%25%，变压器一般不超过，变压器一般不超过0.5%0.5%。10ZI 定子绕组中流过三相对称电流，建立旋转磁动定子绕组中流过三相对称电流，建立旋转磁动势。该磁场同时切割定子和转子绕组，并感应电动势。该磁场同时切割

9、定子和转子绕组，并感应电动势。因为转子绕组闭合，转子绕组中有电流流过，势。因为转子绕组闭合，转子绕组中有电流流过，转子电流建立转子旋转磁动势。转子旋转磁动势的转子电流建立转子旋转磁动势。转子旋转磁动势的旋转方向与定子的旋转磁动势相同。旋转方向与定子的旋转磁动势相同。3.3.转子绕组堵转时异步电机的电磁关系转子绕组堵转时异步电机的电磁关系 l 定、转子磁动势关系定、转子磁动势关系 定子绕组在外加电压和内部感应电动势共同作定子绕组在外加电压和内部感应电动势共同作用下，流过电流用下，流过电流 ；转子绕组在转子电动势作用下，；转子绕组在转子电动势作用下，流过电流流过电流 ，整个电机处于电磁平衡状态。，

10、整个电机处于电磁平衡状态。 1I2I 转子不动时，转子感应电动势的频率转子不动时，转子感应电动势的频率 ，即转子感应电动势频率与定子电流频率相同。即转子感应电动势频率与定子电流频率相同。 因此，转子旋转磁场的速度因此，转子旋转磁场的速度 。可。可见，转子旋转磁动势和定子旋转磁动势在空间以同见，转子旋转磁动势和定子旋转磁动势在空间以同转向、同速度旋转，即二者相对静止。转向、同速度旋转，即二者相对静止。 12160Pnff21216060PfPfnn 异步电机转子不动时，其定子电流和转子异步电机转子不动时，其定子电流和转子电流分别产生同转向、同转速的旋转磁动势电流分别产生同转向、同转速的旋转磁动势

11、 和和 ，二者在空间保持相对静止。只有，二者在空间保持相对静止。只有 和和 相对静止才能共同作用在一个磁路上，建相对静止才能共同作用在一个磁路上，建立所需要的旋转磁场，以实现机电能量转换。立所需要的旋转磁场，以实现机电能量转换。如果合成磁动势用如果合成磁动势用 表示，则可得到与变压器表示，则可得到与变压器类似的磁动势平衡方程。类似的磁动势平衡方程。 l磁动势平衡方程磁动势平衡方程1F2F1F2FmF磁动势平衡方程磁动势平衡方程021FFF)(201FFF)9 . 02(9 . 029 . 02222201111111IpkNmIpkNmIpkNmNNN)1(201IkIIiLiIIIkII10

12、201)1()(211122201IkNmkNmIINN，称为异步电机的电流变比；，称为异步电机的电流变比； ，为定子绕组电流的负载分量。，为定子绕组电流的负载分量。 121LiIIk 111222NNikNmkNmk 讨论：定子电流有两个分量，一个是励磁分量讨论：定子电流有两个分量，一个是励磁分量 ，用以产生励磁磁动势用以产生励磁磁动势 ，励磁电流的大小决定于感应，励磁电流的大小决定于感应电动势所需要的主磁通大小（电动势所需要的主磁通大小（ ）以）以及主磁路的磁阻。由于异步电机中主磁通两次穿过气及主磁路的磁阻。由于异步电机中主磁通两次穿过气隙，磁路磁阻大，所以需要的励磁电流也大，可达到隙，磁

13、路磁阻大，所以需要的励磁电流也大，可达到额定电流的额定电流的20206060，电机的容量越小，励磁电流，电机的容量越小，励磁电流分量所占的分量也大。定子电流的另一个分量是负载分量所占的分量也大。定子电流的另一个分量是负载分量，分量， ，它所产生的磁动势用来平衡转子，它所产生的磁动势用来平衡转子磁动势磁动势 ，它与，它与 大小相等，方向相反，以抵消转大小相等，方向相反，以抵消转子磁动势的作用，以维持建立主磁通所需要的磁动势。子磁动势的作用，以维持建立主磁通所需要的磁动势。因此，转子电流增加，将引起定子电流增加。这些关因此，转子电流增加，将引起定子电流增加。这些关系与变压器相似。系与变压器相似。

14、12/LiIIk 2F2FLiIIIkII10201)1(0I0F0111144. 4NkNfjEl电压平衡方程电压平衡方程漏电动势用漏抗压降来表示，有：漏电动势用漏抗压降来表示，有： 11 1EjI x 222EjI x 定、转子回路电动势方程为：定、转子回路电动势方程为： 202 222EI rjI x111Zrjx2022Zrjx111 11 1111UEjI xI rEI Z 折算方法是：将转子绕组相数为折算方法是：将转子绕组相数为 ，匝数为，匝数为 ，绕，绕组系数为组系数为 的实际绕组，折算到定子侧相数为的实际绕组，折算到定子侧相数为 ，匝数为匝数为 ，绕组系数为，绕组系数为 的等效

15、绕组。而折算前后的等效绕组。而折算前后转子绕组的电磁性能和平衡关系不变，即磁动势大小转子绕组的电磁性能和平衡关系不变，即磁动势大小和相位不变。和相位不变。 l转子绕组的折算转子绕组的折算 2m2N1m1N1Nk2Nk（1）电流的折算）电流的折算保持折算前后磁动势保持折算前后磁动势 222221119 . 029 . 02IpkNmIpkNmNNiNNkIIkNmkNmI221112222（2）电动势及电压的折算）电动势及电压的折算保持折算前后电磁功率不变，有：保持折算前后电磁功率不变，有：122222m E Im E I 为电动势变比。为电动势变比。 221121NNekNkNEEk22221

16、1222211121212222EkEkNkNEkNmmkNmmImIEmEeNNNN（3）阻抗的折算）阻抗的折算折算前后绕组的铜耗不变，有：折算前后绕组的铜耗不变，有：221 222 22m r Im r I 211122221222()weiwm N kmrrk k rmm N k 根据折算前后功率因数不变的原则，有：根据折算前后功率因数不变的原则，有： 22eixk k x 222222rxrxtgtg经过折算后异步电机的基本方程为：经过折算后异步电机的基本方程为：11111222212121()0()()()mmmmmmUEI rjxEIrjxIIIEEEI zIrjx l等效电路等效

17、电路异步电动机转子不动时的等效电路异步电动机转子不动时的等效电路第二节第二节 转子旋转时的异步电动机转子旋转时的异步电动机 当转子以转速当转子以转速n旋转后，电机主磁通仍以同步旋转后，电机主磁通仍以同步转速切割定子绕组，产生感应电动势，所以定子转速切割定子绕组，产生感应电动势，所以定子回路电动势平衡方程不变。而转子绕组以相对速回路电动势平衡方程不变。而转子绕组以相对速度度 n2 = n1 - n切割主磁通，所以转子中感应电动势切割主磁通，所以转子中感应电动势的频率、大小及漏抗都将发生变化。的频率、大小及漏抗都将发生变化。 1.转子感应电动势频率及大小转子感应电动势频率及大小转子绕组感应电动势的

18、频率为：转子绕组感应电动势的频率为：2111211()()606060PnP nnPnnnfsfn f2=sf1，称为转差频率。由于异步电动机在，称为转差频率。由于异步电动机在额定转速下运行时，转差率额定转速下运行时，转差率 s 很小，所以正常运很小，所以正常运行时，转子频率很低，为行时，转子频率很低，为1-3Hz。 由于频率改变，所以转子感应电动势也变化，由于频率改变，所以转子感应电动势也变化，有效值为：有效值为：202210222244. 444. 4sEkNsfkNfENN2.转子电动势平衡方程转子电动势平衡方程 因为转子回路不变，所以电动势方程形式因为转子回路不变，所以电动势方程形式不

19、变，为：不变，为： 此时，转子漏抗为：此时，转子漏抗为：)(222sjxrIE22122222sxLsfLfxs 转子旋转时，定子磁动势转子旋转时，定子磁动势 相对与定子的转速相对与定子的转速仍为仍为 ，而频率为，而频率为 的转子电流产生的转子旋的转子电流产生的转子旋转磁动势转磁动势 的转速为的转速为 ，这里，这里要注意的是，这个速度是旋转磁场相对于转子的速度。要注意的是，这个速度是旋转磁场相对于转子的速度。转子旋转磁场相对于静止的定子来说，速度应该是转转子旋转磁场相对于静止的定子来说，速度应该是转子本身的转速子本身的转速 加上转子磁动势相对于转子的转速加上转子磁动势相对于转子的转速 ，即即

20、相对定子的转速为：相对定子的转速为： 3.磁动势平衡方程磁动势平衡方程1F1n21fsf2F222160/60/nfPsfPsnn2n2F2111(1)nns nsnn。 转子旋转时，转子磁动势相对于定子的旋转速转子旋转时，转子磁动势相对于定子的旋转速度不变，定子磁动势和转子磁动势仍然保持相对度不变，定子磁动势和转子磁动势仍然保持相对静止，这说明转子旋转时内部电磁过程和转子不静止，这说明转子旋转时内部电磁过程和转子不动时相似，不同的是转子回路的频率，由动时相似，不同的是转子回路的频率，由 变变为为转子旋转时，磁动势平衡方程仍为：转子旋转时，磁动势平衡方程仍为：。1f21fsf)(201FFF4

21、.频率折算频率折算 转子转动后，转子绕组中感应电动势的频率与定转子转动后，转子绕组中感应电动势的频率与定子绕组中感应电动势不同，所以不能直接得到转子子绕组中感应电动势不同，所以不能直接得到转子旋转时异步电动机的等效电路，必须将转子的频率旋转时异步电动机的等效电路，必须将转子的频率进行折算，将旋转的转子折算为不动的转子，这样进行折算，将旋转的转子折算为不动的转子，这样使定、转子两边具有相同的频率，才能得到电机的使定、转子两边具有相同的频率，才能得到电机的等效电路。只要保持折算前后转子中电流的大小和等效电路。只要保持折算前后转子中电流的大小和相位不变，也就是转子磁动势的大小和相位相对于相位不变，也

22、就是转子磁动势的大小和相位相对于定子而言不变，那么从定子侧观察，旋转的实际转定子而言不变，那么从定子侧观察，旋转的实际转子和等效的静止转子效果就完全相同。子和等效的静止转子效果就完全相同。4.频率折算频率折算转子转动后转子电流为：转子转动后转子电流为： 222222222222jxsrEjsxrsEjxrEZEIsssss有效值为：有效值为： 222222)(sxrsEIs功率因数为：功率因数为： 222arctanrsx讨论：讨论：经过变换，转子电流大小和相位不变，但经过变换，转子电流大小和相位不变，但频率已经从频率已经从f2变为变为f1了，但与转子静止时相比，了，但与转子静止时相比，多了一

23、个电阻，此电阻的作用？多了一个电阻，此电阻的作用？)()1 (2222222222222222jxrsrsEjxsrEjsxrsEjxrEZEIsssss 频率折算的物理意义是：用一个静止的具有频率折算的物理意义是：用一个静止的具有电阻为电阻为 的等效转子去代替电阻为的等效转子去代替电阻为 r2 的实际旋的实际旋转转子，等效转子与实际转子具有相同的转子磁转转子，等效转子与实际转子具有相同的转子磁动势。动势。 频率折算后，转子电阻分解为两项：频率折算后，转子电阻分解为两项：sr222221rssrsrR讨论：讨论：右边第一项代表转子本身的电阻，可见要完成右边第一项代表转子本身的电阻，可见要完成转

24、子的频率折算只需在转子回路中串入一个附加电阻转子的频率折算只需在转子回路中串入一个附加电阻 即可。附加电阻即可。附加电阻 在转子电路在转子电路中将消耗功率，实际电机转子中并不存在这项电阻损中将消耗功率，实际电机转子中并不存在这项电阻损耗，但要产生轴上的机械功率。由于静止的转子要与耗，但要产生轴上的机械功率。由于静止的转子要与实际的转子等效，因此，消耗在电阻实际的转子等效，因此，消耗在电阻 上的上的功率就代表了实际电机轴上所产生的总机械功率，这功率就代表了实际电机轴上所产生的总机械功率，这就是附加电阻的物理意义，即就是附加电阻的物理意义，即 是异步电动是异步电动机轴上总机械功率的等效电阻。机轴上总机械功率的等效电阻。 2(1)/s Rs2(1)/s Rs2(1)/s Rs2(1)/s Rs22221rssrsrR 经过频率折算后，再考虑转子绕组的折算，经过频率折算后，再考虑转子绕组的折算，最终得到异步电机的基本方程为最终得到异步电机的基本方程为: