三相异步电动机工作原理及运行分析1

1、三相异步电动机三相异步电动机工作原理及运行分析工作原理及运行分析 复习旧课要点复习旧课要点 产生圆形旋转磁动势的条件：产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相对称绕组；二是三相一是三相对称绕组；二是三相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。 三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质(1)(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/23/2倍。倍。(2)(2)转向由电流相序决定转向由电流相序决定, ,从载有超前电流相转到载有滞后电从载有超前电

2、流相转到载有滞后电流相流相. .(3)(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数。转速决定于电流的频率和电机的磁极对数。(4)(4)当某相电流达最大值时当某相电流达最大值时, ,合成磁势的波幅就与该相绕组的轴合成磁势的波幅就与该相绕组的轴线重合。线重合。pf60n11一、三相异步电机的工作原理一、三相异步电机的工作原理1.三相异步电机为电动机运行三相异步电机为电动机运行 三相异步电机作为电动机运行是其最普三相异步电机作为电动机运行是其最普遍的工作状态遍的工作状态.三相电流流入三相定子绕组三相电流流入三相定子绕组,产生旋转磁势产生旋转磁势,并在气隙中产生相应的旋转并在气隙中产生相应的旋转磁场磁场

3、.旋转磁转也是以同步转速旋转磁转也是以同步转速n1在旋转。在旋转。 当旋转磁场切割转子导体时，在其中产当旋转磁场切割转子导体时，在其中产生感应电势，使转子导体中有电流流过。生感应电势，使转子导体中有电流流过。其方向可利用右手定则判断。转子电流与其方向可利用右手定则判断。转子电流与旋转磁场作用而产生电磁转矩，使转子以旋转磁场作用而产生电磁转矩，使转子以转速旋转，从而把电能转换成机械能，作转速旋转，从而把电能转换成机械能，作电动机运行。由左手定则判断可知：转子电动机运行。由左手定则判断可知：转子方向与磁场旋转方向相同，如图方向与磁场旋转方向相同，如图8-15(b)所所示。示。 当异步电机作为电动机

4、运行时，为了克服负载的当异步电机作为电动机运行时，为了克服负载的阻力转矩，三相异步电动机的转速总是略低于同步阻力转矩，三相异步电动机的转速总是略低于同步转速，以便气隙中的旋转磁场能够切割转子导体而转速，以便气隙中的旋转磁场能够切割转子导体而在其中产生感应电势和感应电流，从而能够产生足在其中产生感应电势和感应电流，从而能够产生足够的电磁转矩来拖动转子旋转。如果转子的转速与够的电磁转矩来拖动转子旋转。如果转子的转速与同步转速相等，转向又相同，则气隙旋转磁场与转同步转速相等，转向又相同，则气隙旋转磁场与转子导体之间没有相对运动，因而转子导体中就不会子导体之间没有相对运动，因而转子导体中就不会产生感应

5、电势和电流，电机的电磁转矩也将为零。产生感应电势和电流，电机的电磁转矩也将为零。可见，可见，异步电机产生电磁转矩的必要条件是，磁场异步电机产生电磁转矩的必要条件是，磁场的同步转速和转子的转速不相等的同步转速和转子的转速不相等，即：，即：nn 1。 把同步转速和转子转速的差值称为转差，把同步转速和转子转速的差值称为转差，转差与同步转速的比值称为转差与同步转速的比值称为转差率转差率，转差，转差率用率用s来表示，即来表示，即11nnns 转差率是异步电机的一个基本变量，它转差率是异步电机的一个基本变量，它可以表示异步电机的各种不同运行状态。可以表示异步电机的各种不同运行状态。 (1)在电机刚起动时，

6、转子转速在电机刚起动时，转子转速n=0，则，则，s=1,转子切割旋转磁场的转子切割旋转磁场的相对速度相对速度为为最大最大，转子中的转子中的电势及电流也最大电势及电流也最大。如果电动机。如果电动机产生的电磁转矩足以克服机械负载的阻力产生的电磁转矩足以克服机械负载的阻力转矩，转子就开始旋转，转速会不断上升。转矩，转子就开始旋转，转速会不断上升。 随着转子转速随着转子转速n的上升，转差率的上升，转差率s减小，减小，转子切割旋转磁场的相对速度减小，转子转子切割旋转磁场的相对速度减小，转子中的电动势及电流也减小。在中的电动势及电流也减小。在额定状态额定状态下，下，转差率转差率s的数值通常都是很小的，中小

7、型异的数值通常都是很小的，中小型异步电动机的转差率约为步电动机的转差率约为0.010.07，转子，转子转速与同步转速相差并不很大。而转速与同步转速相差并不很大。而空载空载时，时，因阻力矩很小，转子转速很高，转差率则因阻力矩很小，转子转速很高，转差率则更小，约为更小，约为0.0040.007，可以认为转于，可以认为转于转速近似等于同步转速。转速近似等于同步转速。 (3)假设假设n=n1，则转差率，则转差率s=0，此时转子，此时转子导体不切割旋转磁场，转子中就没有感应导体不切割旋转磁场，转子中就没有感应电势及电流，也不产生电磁转矩。电势及电流，也不产生电磁转矩。 可见，作为电动机运行时，转速在可见

8、，作为电动机运行时，转速在0n1的范围内变化，而转差率则在的范围内变化，而转差率则在10的范围的范围内变化。内变化。 三相异步电动机的转速可用转差率来计三相异步电动机的转速可用转差率来计算，即算，即n=(1-s)n1 转子以转速转子以转速 n恒速旋转时，转子绕组的感恒速旋转时，转子绕组的感应电动势、电流的频率用应电动势、电流的频率用f2表示。异步电动表示。异步电动机运行时，转子的转向与旋转磁场的转向一机运行时，转子的转向与旋转磁场的转向一致，它们之间的相对转速为致，它们之间的相对转速为n2=n1-n，表现在，表现在电动机转子上的频率电动机转子上的频率f2为为 2.三相异步电机作为发电机运行三相

9、异步电机作为发电机运行 若异步电机的转轴上不是机械负载，而若异步电机的转轴上不是机械负载，而是用一原动机拖动异步电机的转子以大于是用一原动机拖动异步电机的转子以大于同步转速的速度与旋转磁场同方向旋转，同步转速的速度与旋转磁场同方向旋转，如图如图8-15(c)所示。此时，转子导体相对于所示。此时，转子导体相对于旋转磁场的运动方向与图旋转磁场的运动方向与图8-15(b)相反，转相反，转子导体中的电势及电流也反向。子导体中的电势及电流也反向。 由左手定则可知，转子导体所产生的电由左手定则可知，转子导体所产生的电磁转矩也与转子转向相反，起着制动作用。磁转矩也与转子转向相反，起着制动作用。为了克服电磁转

10、矩的制动作用，使转子能为了克服电磁转矩的制动作用，使转子能继续旋转下去，并保持继续旋转下去，并保持nn1，原动机就必，原动机就必须不断向电机输入机械功率，而电机则把须不断向电机输入机械功率，而电机则把输入的机械功率转换为电功率输出给电网，输入的机械功率转换为电功率输出给电网，此时异步电机成为发电机。异步发电机运此时异步电机成为发电机。异步发电机运行时，转差率行时，转差率s为负值为负值。 3.三相异步电机在制动状态下运行三相异步电机在制动状态下运行 若在外力作用下，使转子逆着旋转磁场方向转若在外力作用下，使转子逆着旋转磁场方向转动，如图动，如图8-15(d)所示。比较图所示。比较图8-15(b)

11、和图和图8-15(d)可见，此时，转子导体相对于磁场的运动方向与可见，此时，转子导体相对于磁场的运动方向与电动机运行状态相同，故转子导体中的电势和电电动机运行状态相同，故转子导体中的电势和电流方向仍与电动机状态相同，作用在转子上的电流方向仍与电动机状态相同，作用在转子上的电磁转矩方向与旋转磁场方向一致，但却与转子转磁转矩方向与旋转磁场方向一致，但却与转子转向相反，起了阻止转子旋转的作用，故称为三相向相反，起了阻止转子旋转的作用，故称为三相异步电动机的制动运行。异步电动机的制动运行。 在这种情况下，它一方面消耗原动机在这种情况下，它一方面消耗原动机的机械功率，同时也从电网吸收了电功率，的机械功率

12、，同时也从电网吸收了电功率，这两部分功率均变为三相异步电动机内部这两部分功率均变为三相异步电动机内部的损耗。制动运行时，由于转子逆着磁场的损耗。制动运行时，由于转子逆着磁场方向旋转，方向旋转，n1。 在在3种运行状态下，转子转速总是与旋种运行状态下，转子转速总是与旋转磁场转速转磁场转速(同步转速同步转速)不同，因而称为异步不同，因而称为异步电机。又由于异步电机的转子绕组并不直电机。又由于异步电机的转子绕组并不直接与电源相接，而是依靠电磁感应的原理接与电源相接，而是依靠电磁感应的原理来产生感应电势和电流，从而产生电磁转来产生感应电势和电流，从而产生电磁转矩使电动机转，因而异步电机又称为矩使电动机

13、转，因而异步电机又称为感应感应电机电机。二、三相异步电动机的功率和转矩平衡关系二、三相异步电动机的功率和转矩平衡关系 1.三相异步电动机中各项功率、损耗的含义三相异步电动机中各项功率、损耗的含义 电机是机电能量转换的机械，在能量转电机是机电能量转换的机械，在能量转换过程中必然会有功率平衡关系，必然会换过程中必然会有功率平衡关系，必然会有损耗。有损耗。 当三相异步电动机接在电网上稳定运行当三相异步电动机接在电网上稳定运行时，由电网供给的电功率称为三相异步电时，由电网供给的电功率称为三相异步电动机的输入功率动机的输入功率P1。 1111cos3IUP 式中，式中，U1 三相异步电动机定子绕组三相异

14、步电动机定子绕组相电压；相电压； I1 三相异步电动机定子绕组三相异步电动机定子绕组相电流；相电流； 相电压相电压U1与相电流与相电流I1之间的相位之间的相位角；角； 三相异步电动机功率因数。三相异步电动机功率因数。11cos 输入功率中的一小部分将消耗于定子绕输入功率中的一小部分将消耗于定子绕组的电阻上，该部分称为定子绕组铜耗。组的电阻上，该部分称为定子绕组铜耗。12113rIpCu式中式中 1r 三相异步电动机定子绕组相电阻。三相异步电动机定子绕组相电阻。 输入功率的另外一小部分将消耗于定子输入功率的另外一小部分将消耗于定子铁心上，该部分称为铁耗铁心上，该部分称为铁耗 转子铁心损耗转子铁心

15、损耗可忽略不计。这是因为正可忽略不计。这是因为正常运行时，三相异步电动机转子转速接近常运行时，三相异步电动机转子转速接近旋转磁场的同步转速，转差率很小，转子旋转磁场的同步转速，转差率很小，转子铁心中磁通变化的频率很小，再加上转子铁心中磁通变化的频率很小，再加上转子铁心和定子铁心都是用硅钢片迭成，因而铁心和定子铁心都是用硅钢片迭成，因而转子铁心中铁耗很小。所以，三相异步电转子铁心中铁耗很小。所以，三相异步电动机的铁耗主要是动机的铁耗主要是定子铁心损耗定子铁心损耗。Fep 输入功率减去定子铜耗和铁耗以后，余输入功率减去定子铜耗和铁耗以后，余下的功率全部送入转子，这部分功率称为下的功率全部送入转子，

16、这部分功率称为电磁功率电磁功率 。电磁功率是借助电磁感应作。电磁功率是借助电磁感应作用通过气隙旋转磁场由定子传递到转子的。用通过气隙旋转磁场由定子传递到转子的。 MPFeCuMPpPP11 传递到转子的电磁功率，一部分将消耗于传递到转子的电磁功率，一部分将消耗于转子绕组中的电阻上，这部分功率称为转转子绕组中的电阻上，这部分功率称为转子绕组铜耗子绕组铜耗 。2Cup22223rIpCu式中式中 I2 三相异步电动机转子绕组相电流；三相异步电动机转子绕组相电流； r2 三相异步电动机转子绕组相电阻。三相异步电动机转子绕组相电阻。 传递到转子的电磁功率减去转子铜耗传递到转子的电磁功率减去转子铜耗 后

17、后余下的功率称为全机械功率余下的功率称为全机械功率 。 2Cup全P2CuMpPP全 全机械功率减去机械损耗和杂散损耗以后，全机械功率减去机械损耗和杂散损耗以后，就是三相异步电动机转轴上输出的机械功就是三相异步电动机转轴上输出的机械功率率 。用。用 表示机械损耗和杂散损耗之表示机械损耗和杂散损耗之和，则和，则 2PSpspPP全2 铁耗铁耗 、定子绕组铜耗、定子绕组铜耗 、转子绕组铜、转子绕组铜耗耗 都属于电磁损耗，这三项损耗主要与都属于电磁损耗，这三项损耗主要与电机的电磁负荷有关，即与电机中的磁场电机的电磁负荷有关，即与电机中的磁场强度、绕组中的电流大小、铁心和绕组的强度、绕组中的电流大小、

18、铁心和绕组的几何尺寸等有关。机械损耗几何尺寸等有关。机械损耗 主要与电机主要与电机的转速、摩擦系数等因素有关。以上的转速、摩擦系数等因素有关。以上4项损项损耗属于电机的基本损耗。杂散损耗的值很耗属于电机的基本损耗。杂散损耗的值很小，一般可以忽略不计。小，一般可以忽略不计。Fep1Cup2Cupp2.三相异步电动机的功率平衡关系三相异步电动机的功率平衡关系 三相异步电动机从电网吸收电功率，从三相异步电动机从电网吸收电功率，从转轴上输出机械功率，其功率流程图如下转轴上输出机械功率，其功率流程图如下。2.三相异步电动机的功率平衡方程：三相异步电动机的功率平衡方程：22211PpPppppPsCuFe

19、Cu电动机的总损耗：电动机的总损耗：电磁功率电磁功率 :sCuFeCuppppp2122PppPsCuM 全机械功率全机械功率: 转子绕组铜耗与电磁功率之比等于异步电机的转子绕组铜耗与电磁功率之比等于异步电机的转差率转差率 上式表明：转差率越大，电磁功率中转变为转子上式表明：转差率越大，电磁功率中转变为转子铜耗的部分就越大。铜耗的部分就越大。 2PpPs全MCusPp2MCuMPspPP)1 (2全 3.三相异步电动机的转矩平衡方程三相异步电动机的转矩平衡方程 (1)由由两边都除以转子的机械角速度两边都除以转子的机械角速度 ,得转矩平得转矩平衡方程式衡方程式 (2)22cosICTmT2PpP

20、s全20TTT 三相异步电动机的转矩平衡方程表明，三相异步电动机的转矩平衡方程表明，电动机稳定运行时，电磁转矩减去空载转电动机稳定运行时，电磁转矩减去空载转矩后，才是电动机转轴上的输出转矩。矩后，才是电动机转轴上的输出转矩。 上式表明上式表明:作用在转子上的电磁转矩与通作用在转子上的电磁转矩与通过气隙旋转磁场传递到转子的电磁功率成过气隙旋转磁场传递到转子的电磁功率成正比正比.MPsP)1 ( 全1)1 (s1MPPT全课后习题1.如果感应电机运行时转差率为如果感应电机运行时转差率为s，则电磁功率，则电磁功率，机械功率和转子铜耗之间的比例是机械功率和转子铜耗之间的比例是 = 。 2.当三相感应电动机定子绕组接于当三相感应电动机定子绕组接于50Hz 的电源上作电动机运行时，定子电的电源上作电动机运行时，定子电流的频率为流的频率为 ，定子绕组感应电势的，定子绕组感应电势的频率为频率为 ，如转差率为，如转差率为s，此时转子，此时转子绕组感应电势的频率绕组感应电势的频率 ，转子电流的，转子电流的频率为频率为 。2:cuM：PPP全 3.一台三