电机学第九章

1、第三篇 异步电机第九章异步电机的理论分析与运行特性第一节 异步电机的基本结构异步电动机的特点：v异步电机，转子转速n与磁场同步转速n1间存在一定差异。v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。v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起动性能较差功率因数滞后，功率因数滞后，励磁电流由电网供给一、异步电动机的定子v定子铁心磁路部分，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片叠成。 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定子槽。v定子绕组电路部分感应电势。v机座固定和支撑定子铁心。1. 定子铁心2 2定子槽形定

2、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 3定子绕组定子绕组v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。3、机座v作用：主要起固定和支撑定子铁心，要求有足够的机械强度和刚度二、转子v转子铁心磁路，一般由硅钢片叠成。在转子铁心上开有槽，以供放置或浇注转子绕组。v转子绕组感应电势、流过电流和产生电磁转矩v转轴1. 转子铁心：转子铁心：磁路，一般由硅钢片叠成。2 2转子槽转子槽v槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。3 3转子绕组转子绕组特点:是一闭合的绕组,但其构成的型式不同

3、v1）鼠笼式转子：焊接，铸铝。斜槽形式2）线绕转子：）线绕转子：v铁芯上绕有一对称绕组，和定子绕组有相同的极数，且制成相同的相数。v通常采用对称的三相绕组，连接成星形。v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。v安装变阻器的目的是改善起动特性(增加起动转短，减小起动电流)或用以调节电动机的转速。4. 转轴三、气隙v特点气隙很小，在中、小型电机中，气隙一般为0.2-2.0毫米。v气隙大小对电机性能有很大的影响气隙大气隙大：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（漏磁引起附加损耗）减少，改善启动性能

4、。气隙小气隙小：按加工可能及机械安全所限制。四、异步电机的铭牌1、型号 我国电机的产品型号一般采用大型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全名称选择有代表意义的汉语拼音字母。如： Y 160 L 1- 4 三相异步电动机 机座中心高极数铁芯长短代号机座号长短代号异步电动机的额定值：v2、额定功率PN：指电动机在额定方式下运行时，转轴上输出的机械功率（W或kW）。v3、额定电压UN：指电动机在额定方式运行时定子绕组应加的线电压（V或kV）。v4、额定电流IN：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（A）。v5、额定频率f：我国工业频率为50

5、HZ。v6、额定转速nN：指在额定状态下运行时的转子转速（rmin）。v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、堵转电流和起动过程中的最小转矩）、最大转矩和噪声、振动。第二节 异步电机的运行状态和磁场一、异步电机的运行状态v三相对称电流流入对称定子三相绕组旋转磁场，n1转子绕组切割磁力线中产生感应电势 闭合的转子绕组产生转子电流转子导体受电磁力作用形成转矩转子转动，n。v转差速度：v转差率 11nnnsv三种运行方式电动机运行发电机运行电磁制动v分析时，从作用于转子上的电磁力或电磁转矩的方向，以及定子电势e和定子电流i有功分量所产生的电功率的正负来判断电机的运行状态

6、。异步电机的三种运行情况：一、电动机运行一、电动机运行电动机运行：电动机运行：v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 n1 旋转。v转子导体切割磁力线，并产生感应电势条件。v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Fe，其方向与旋转磁场的旋转方向相同。v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。v电磁电磁力力FeFe为原动力，相应的电磁转矩为驱动转为原动力，相应的电磁转矩为驱动转矩矩，负载力F为阻力，相应的转矩为阻力矩。结论：v异步电动机的转速常在同步转速以下。转子的转速在0nn1范围内，即在1s0范围内。v

7、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，说明定子从电网吸收电功率。二、发电机运行二、发电机运行发电机运行：发电机运行：v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方向倒转v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，电功率为输出，外施力外施力F F为为原动力，电磁力原动力，电磁力FeFe为阻力为阻力发电机运行。v结论：异步电机作为发电机运行，转速需大于同步转速，即nn1，s0。三、电磁制动三、电磁制动电磁制动：电磁制动：v转子在外力拖动下

8、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导体的相对转速大于同步转速 。v电磁力的方向与外施力方向相反，所起的作用是制动作用。v定子从电网吸收电功率,外力供给机械功率,都转变为电机内部的损耗电磁制动状态。v电机的n应取负值，相对转速大于同步转速，即n0，sl。v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。这时如使电机运行在制动状态，由电磁转矩制止了转子的加速。小结vs是反映异步电机运行状态和负载情况的一个基本变量。二、异步电机的磁场v空载时：三相对称电流流入对称三相定子绕组中产生旋转磁场，n1，转子转速接近同步转速，转子中电流很小，气隙中仅此旋转磁场。 n1=60

9、f/pv负载时：转子电势和电流的频率（转子频率，与转差率成正比，又称为转差频率）为 1111126060sfnpnnnnnpfv转子转动后，由转子电流所产生的转子基波旋转磁势相对于转子的转速为v转子基波旋转磁势相对于定子的转速为v由转子电流所产生的转子基波旋转磁势和由定子电由转子电流所产生的转子基波旋转磁势和由定子电流所产生的定子基波旋转磁势没有相对运动流所产生的定子基波旋转磁势没有相对运动。（磁势平衡式不变）nnsnpsfpfn1112260601112nnnnnsnnn三、异步电机的磁场1 1、主磁通、主磁通mv主磁通由基波磁势产生，是每极的基波磁通量。v交链定子绕组与转子绕组，实现能量的

10、传递。v以同步速旋转v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。pfn601空气隙、定子齿、转子齿、定子轭、转子轭2 2、漏磁通、漏磁通v漏磁通除去主磁通以外的磁通。v漏磁通包含三个部分：槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通（按路径区分）。v槽漏磁通和端部漏磁通。仅只交链定子绕组，与转子绕组没有互感作用，不传递能量。v谐波漏磁通由高次谐波磁势所产生的谐波磁通，穿过空气隙，交链转子绕组并在其中感应电势，产生转矩（无用）。 （气隙总磁通气隙基波磁通）横穿定子槽交链定子绕组端部定子的槽漏磁通和端部漏磁通，只交链定子绕组，与转子绕组没有互感作用，不传递能量。3、谐波漏磁通v谐波磁场极对数

11、 ，旋转速度 v在定子绕组上的感应电势 频率仍为基波频率，与其它定子漏磁通感应的电势频率一样，归为定子漏磁通。pp1nn 1116060fpnnpfv谐波磁场在转子绕组的感应电势v基波磁场在转子绕组中感应电势频率为606012nnpnnpf6012nnpf与变压器比较v变压器：主磁通，脉动磁通， m表示振幅原、副绕组静止，磁通幅值按正弦变化，产生感应电势。v异步电机：主磁通，旋转磁通，沿气隙按正弦分布且以同步速旋转主磁通与转子有相对运动，（磁通幅值不变化），转子中交链磁链变化，产生感应电势。第三节三相异步电动机的等效电路一、转子静止时的异步电机分析前提：v把异步电机的磁通分成主磁通和漏磁通，并

12、把谐波磁通归并到漏磁通v假设：气隙中只有基波磁通，定、转子绕组上只感应有基波电势v漏磁感应电势用漏抗压降表示转子静止时的电路表示正方向按变压器惯例2222111110jxrIEjxrIEU转子静止时的异步电机1 1、电压平衡式、电压平衡式v以下标l和2区别定子和转子电路的各物理量，各种各种数量均取每相值数量均取每相值。v从电路分析角度来看，转子不动时的异步电机的电路方程与次级侧短路时的变压器的电路方程相似2222111110jxrIEjxrIEU2 2、磁势平衡、磁势平衡式式v转子绕组是一对称多相绕组，与定子绕组有相同极数。v绕线式转子有明显的相数和极对数，设计转子绕组时，必须使转子极数等于定

13、子极数。否则，没有平均电磁转矩。v鼠笼转子的转子有鼠笼加端环组成。所有导条在两头被端环短路，整个结构是对称的，实质上是一个对称的多相绕组。鼠笼转子的极数恒鼠笼转子的极数恒等于定子绕组的极数等于定子绕组的极数v在转子不动时，定、转子电势有相同频率，由转子电流所产生的基波旋转磁势与由定子电流所产生的基波旋转磁势有相同转速，没有相对运动。v转子旋转磁势对定子旋转磁势产生去磁去磁作用，二者共同作用在主磁路中产生主磁通，决定于定子电势ElvE1受到定子电压平衡支配，决定了基波磁通m，从而决定了激磁电流Im。mNkNfE111144. 4v当转子有电流时，定子电流应包含两个分量v由定子电流所产生的磁势也包

14、含两个分量v第一项用以产生基波磁通；第二项为负载分量，用以抵消转子磁势去磁作用，它与转子磁势大小相等方向相反LmIII11LmFFF11v设定子绕组有m1相，磁势的振幅v转子绕组有m2相，磁势振幅v励磁磁势v静止时：f1=f2（磁势速度为同步速一致），磁势平衡式mNmIpkNmF111*9 . 0*211111*9 . 0*2IpkNmFN22222*9 . 0*2IpkNmFN22221111111*9 . 0*2*9 . 0*2*9 . 0*2IpkNmIpkNmIpkNmNNmN3 3、绕组归算、绕组归算v转子绕组的归算把实际相数为m2、绕组匝数为N2、绕组系数为kN2的转子绕组，归算成

15、与定子绕组有相同相数、相同匝数和相同绕组系数的转子绕组。v在进行归算时，有电压变比、电流变比和阻抗变比。(一)电流的归算v根据归算前后转子磁势应保持不变为条件(二)电势的归算v根据归算前后转子视在功率保持不变为条件22222111*9 . 0*2*9 . 0*2IpkNmIpkNmww222221IEmIEm(三)阻抗的归算v根据归算前后转子上的铜耗保持不变为条件v根据归算前后转子功率因数保持不变为条件22222221rImrIm22222rxrxtgieewwiwwkkEkEkNkNEkIIkNmkNmI阻抗变比变比压电电流变比2222112221112222磁势平衡4 4、等效电路、等效电

16、路参数的物理意义vrm铁耗等效电阻vxm定子每相绕组与主磁通对应的电抗，随的、铁芯的饱和不同而变化。异步电机中，磁通由三相联合产生；变压器中，磁通由一相绕组产生v 定子漏抗，由定子三相电流联合产生的漏磁通，在定子每一相上引起的电抗。1x二、转子旋转时的异步电动机1 1、转子旋转对转子各物理量的影响、转子旋转对转子各物理量的影响v转子转动后，转子绕组的电势和电流的频率与转子的转速有关取决于气隙旋转磁场与转子的相对速度。v转子电势和电流的频率（转子频率，与转差率成正比，又称为转差频率）为1111126060sfnpnnnnnpfv转子转动后，由转子电流所产生的转子基波旋转磁势相对于转子的转速为v转

17、子基波旋转磁势相对于定子的转速为v由转子电流所产生的转子基波旋转磁势和由定子电由转子电流所产生的转子基波旋转磁势和由定子电流所产生的定子基波旋转磁势没有相对运动流所产生的定子基波旋转磁势没有相对运动。（磁势平衡式不变）nnsnpsfpfn1112260601112nnnnnsnnn2 2、转子转动后的基本方程式、转子转动后的基本方程式221222222122222244. 444. 4sxLsfLfxsEkNsfkNfEsmNmNsssjxrIE2222011111jxrIEU电压平衡式转子感应电势与转差率成正比转子感应电势与转差率成正比频率 f2=sf1频率f12、频率归算、频率归算绕组归算

18、转子绕组的相数、每相有效串联匝数与定子绕组一样；频率归算使转子绕组的频率与定子绕组一致。22222111*9 . 0*2*9 . 0*2IpkNmIpkNmww222221IEmIEm22222221rImrIm22222rxrxtgv频率归算使转子绕组的频率与定子绕组一致2222222jsxrEsjxrEIss22222222)1(jxssrrEjxsrEI频率归算频率归算v频率归算用一等效的转子电路替代实际转动的转子电路，使与定子电路有相同频率。（转子静止转子静止）v保持频率归算后的转子电流的大小和相位不变保持频率归算后的转子电流的大小和相位不变，可保持磁势平衡不变，保持定子电流的大小和相

19、位不变保持了损耗和功率不变。转子转动时的实际情形2222222jsxrEsjxrEIss频率归算后的等效转子22222222)1(jxssrrEjxsrEI折算为定子频率的转子电势等效电路电阻 的物理意义：v在实际转动的电机中，在转子回路中并无此项电阻，但有机械功率输出。v在频率归算后的转子电路中，因已等效成静止转子，没有机械功率输出，但却串入附加电阻 ，其电功率为电功率 模拟轴上的机械功率。ssr12ssr12ssrI1222ssrIm12222进一步讨论v不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。 v静止的转子不再

20、输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率。 v静止的转子中多了一个附加电阻，而电流有没有变，所以多了一个电阻功率。 v分析证明：附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率四、 T形等效电路各参数的物理意义各参数的物理意义：定子绕组的电阻r1、漏抗x1转子绕组归算后归算后的电阻r2、漏抗x2定子铁耗的等效电阻对应主磁通的励磁电抗等效机械负载的附加电阻四、 T形等效电路等效机械负载的附加电阻分析不同的分析不同的运行情况运行情况空载空载：转速接近同步速，s-0，附加电阻-，转子处于开路；功率因数滞后，且很小。额定负载额定负载：sN=5%，附加电阻为19r2，转子回路接近电阻性；功率因数较

21、高（0.8-0.85）滞后。启动开始启动开始：转子处于堵转，s=1，附加电阻=0，转子回路处于短路；启动电流很大，功率因数滞后，且较小。发电机状态发电机状态：转速大于同步速，s0，附加电阻1，机械功率x1，c1。2121121121112xxjsrrUxcxjsrcrUI2111121111IxxjrrUcIxxjrrUImmmm第五节 异步电机的功率和转矩平衡式一、功率平衡式 异步电动机的功率流程输入电电功率： P1=m1U1I1cos1 在定子绕组中产生定子铜耗： pcu1=m1I12r1旋转磁场在定转子铁心中产生铁耗 转子铁心与磁场相对转速为sn1很小，忽略转子铁耗定子铁心与磁场相对转速

22、为n1较大，铁耗主要为定子铁耗： pFe=m1Im2rm通过气隙磁场感应到转子绕组的功率称为电磁功率电磁功率： PM=P1-pcu1-pFe电磁功率首先提供转子铜耗： pcu2= m1I22r2剩余的电磁功率全部转化为机械功率：Pi= m1I22r2(1-s)/s机械功率一部分克服机械损耗pmec 和附加损耗pad 其余功率为输出的机械功率 P2=Pi-pmec-pad异步电动机的功率平衡方程： pPpppppPPFecucuadmec21221输入电功率电磁功率 总机械功率 输出功率定子铜耗 铁耗 转子铜耗 机械损耗 附加损耗异步电动机的功率平衡式：admechFecucupppppppPP

23、2121功率分别为：v电磁功率（通过基波旋转磁场传递基波旋转磁场传递到转子） PM = P1-pcu1-pFev总的机械功率（内功率）总的机械功率（内功率） P Pi i = P= PM M-p-pcu2cu2v轴上的输出功率输出功率 P P2 2=P=Pi i- -p pmecmec-p-padad电磁功率 PM：spsrImssrImrImPpPcuicuM222212221222121121nnsPPsPpMiMcu22212221cosIEmsrImPM二、异步电动机转矩平衡二、异步电动机转矩平衡v由功率平衡式两边除以转子机械角速度得到T2负载转矩，电动机轴上的输出机械转矩T电磁转矩，

24、电动机轴上的总的机械转矩Tmec机械损耗转矩；Tad附加损耗转矩；T0=Tmec+Tad空载制动转矩02TTTTTTadmec电磁转矩 T：1MiPPT1160216026021602MMMMiiPnPsnPnPsnPP机械运动角速度旋转磁场运动角速度第六节 异步电动机的机械特性及稳定运行条件 三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用T-S曲线表示。 机械特性定义：下面研究异步电动机电磁转矩的几种表达式：1MiPPT一、电磁转矩v由基波磁场所产生的电磁转矩由基波磁场所产生的电磁转矩T，它等于内功率它等

25、于内功率Pi除以转除以转子角速度子角速度v电磁功率有两种表达式：srImPM22212221cosIEmpM221122112211122211xcxsrcrsrUpmsrImpTv（1）参数表达式（根据较准确的近似等效电路得：） 说明：电磁转矩与电源参数（1、f1）、结构参数（R、X、m、p）和运行参数（s）有关。21121112xcxjsrcrUI因为：（2）物理表达式：222211122211coscos2cosICIkNpmIEmpTmTmN表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 m与转子电流的有功分量 相互作用产生的。22cosI二、机械特性二、机械特性 Ts曲线srImpT222

26、11n1n=0 0s0电磁转矩方向与转速方向一致驱动转矩-电动机电动机sn1 T1 n0电磁转矩方向与转速方向相反制动转矩-制动运行制动运行起动点v下面研究几个特殊的点：0sNTNABCSKTm1STStnN额定运行点最大转矩点起动点T=f（s）T1、最大转矩Tmax22112121)(XcXrrcsk在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界转差率，可令 求得: 0dsdT)(2.221121112111XcXrrcUwpmTmv临界转差率临界转差率SK：产生最大转矩时的转差率最大转矩最大转矩Tm+ 对应电动机- 对应发电机 对于大容量电机，可近似看成C11,r1（x1+x2）

27、，以上俩式可简化为：) (2212111XXUwpmTm最大转矩：212xxrsk临界转差率：最大电磁转矩的性质：v1）当电源频率和电机参数不变时，Tm与U12成正比（如图：P153，图9-21）v2）当电源电压与频率一定时， Tm与定转子漏抗之和成反比，发电机时Tmax稍大v3） Tm与转子电阻无关与转子电阻无关 ，但Sk与转子电阻r2近似成正比（如图：P153，图9-22）v（4）当电源频率和电机参数一定时，电源频率增大，则漏抗和w1均曾大，最大转矩将减小，sk也减小 电动机的最大转矩与额定转矩之比为最大转矩倍数，称为过载能力：NmmTTK22112121xcxrrcsk临界转差率与转子电

28、阻的关系转子电阻增大转子电阻增大最大转矩不变最大转矩不变2、起动转矩TST：在特性曲线上还有一个起动转矩，即 时的转矩: ) 1( 0sn22122122111)()(xxrrrUwpmTst结论：当其它参数一定时：1、起动转矩与电源电压平方成正比；2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。NststTTK4、起动转矩倍数3、电磁转矩的简化计算（实用表达式）kkmssssTT2 利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：由产品目录数据计算Tmax和 sk的步骤通常产品目录给出额定功率PN 和额定转速nN和过载能力 km

29、。1 由 PN和 nN求出额定转矩602NNNnPT2 由 TN和 km可求出最大转矩TmaxkmTN3 由 nN可求出 sN=11nnnsNN4 把 s=sN，T=TN代入到求出 sk。kkssssTT2max二、异步电动机稳态运行范围当TTL时，加速转矩TJ为正值，电动机加速。当TTL，TJ为负值，电动机减速。当当T TT TL L时，时，T TJ J=0=0，转速才能维持不变转速才能维持不变，电动机处于平衡状态。dtdJTTTJL转矩与运行的关系负载的机械特性（三类）：v恒转矩负载v恒功率负载v风机类负载v电机在运行时会受到外界因素的扰动(或由于电路的原因使T发生变化，或由于机械的原因使

30、TL发生变化)，破坏了稳态平衡，使转速发生变化。v稳定若扰动因素消除后，电动机的转速仍然能恢复到原有的状态。v不稳定若扰动因素消除后，电动机的转速不能恢复到原有的状态。稳定的概念：s sk随着转速的增加，电磁转矩减少，能保持稳定运行随着转速的增加，电磁转矩随之增大，不能保持稳定运行临界转差率sk稳定运行条件稳定运行条件dsdTdsdTL第七节异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性：v前提条件： 外施电源电压U和频率f保持不变 v特性： 研究转速n、输出转矩T2、定子电流I1、定子功率因数cos1、效率等与输出功率P2的关系曲线，称为异步电动机的工作特性。典型的工作特性曲线定性定性：转速随输出

31、增加略有下降;负载转矩近似与输出功率成正比;定子电流随负载增加;效率和功率因数随负载有不同的变化;电动机的运行特性：v条件条件： 额定电压、额定频率满载时满载时：转速有下降，效率和功率因数均较高轻载时轻载时：转速较高，效率和功率因数均较低启动时启动时：功率因数很低一、转速特性：一、转速特性： n=f(Pn=f(P2 2) )硬特性v电动机稳态运行时必须满足转矩平衡T=T0+T2 空载时：P2=0，即T2=0，n=n1，S=0 负载时：，P2 ，即T2，n S 随着负载增大，为维持转矩平衡需较大电磁转矩，转差率随之增大，但变化不大变化不大，相应的转速变化很小。（如SN=0.01 0.05）二、负载转矩特性二、负载转矩特性v在正常运行范围内，转速变化不大（硬特性硬特性），负载转矩与输出功率近似为直