第7章异步电机原理1(李发海)(1)

1、第第7章章 异步电动机原理异步电动机原理异步电动机的容量从几十瓦到数千千瓦，异步电动机的容量从几十瓦到数千千瓦，占各种电动机总数的占各种电动机总数的90%左右左右。交流电动机交流电动机电动机电动机直流电动机直流电动机鼠笼式鼠笼式绕线式绕线式异步机异步机同步机同步机他励、并励、串励、复励他励、并励、串励、复励电动机的分类电动机的分类7.1 异步电动机的主要结构、额异步电动机的主要结构、额定数据与基本工作原理定数据与基本工作原理 7.1.1异步电动机的主要用途和分类异步电动机的主要用途和分类 一、异步电机主要用作电动机，去拖动一、异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。各种生产机械。 异步电动

2、机的优点异步电动机的优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特征。 异步电动机的缺点异步电动机的缺点:功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于。调速性能不够好。 异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。所以，异步电机又叫感应电机。二、异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的二、异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类法：分类法：（1）按定子相数分有）按定子相数分有 单相异步电动机； 两相异步电动机； 三相异

3、步电动机。（2）按转子结构分有）按转子结构分有 绕线式异步电动机； 鼠笼式异步电动机。后者又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机。 异步电机也可作为异步发电机使用。单机使用时，常用于电网尚未到达的地区，又找不到同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合上。在异步电动机的电力拖动中，异步电机回馈制动时，即运行在异步发电机状态。此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。7.1.2 三相异步机的结构三相异步机的结构YBZXAC转子转子定子定子定子绕组定子绕组（三相）（

4、三相）机机 座座转子：在旋转磁场作用下，转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或产生感应电动势或 电流。电流。三相定子绕组：产生旋转三相定子绕组：产生旋转 磁场。磁场。线绕式线绕式鼠笼式鼠笼式鼠笼转子鼠笼转子 2-轴承盖轴承盖 1-轴；轴；3-轴承轴承4-轴承盖；轴承盖；5-端盖；端盖；6-定子绕组定子绕组7-转子转子8-定子铁心定子铁心9-机座机座10-吊环吊环11-出线盒出线盒12-端盖端盖 13-风扇风扇14-风罩风罩三相绕线式异步电动机结构图 一、异步电动机的定子：一、异步电动机的定子： 异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组

5、成的。组三个部分组成的。 1、定子铁心：是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆。下图所示为定子槽,其中(a)是开口槽，用于大、中型容量的高压异步电动机中；(b)是半开口槽，用于中型500V以下的异步电动机中；(c)是半闭口槽，用于低压小型异步电动机中。 2、定子绕组： 高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，如图(a)所示。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形或形，如图(b)所示。定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内

6、。定子绕组 3、机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此，机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。 二、气隙：二、气隙： 异步电动机的气隙是均匀的。气隙大小对异步电动机的运行性能和参数影响较大，由于励磁电流由电网供给，气隙越大，励磁电流也就越大，而励磁电流又属于无功性质，它要影响电网的功率因数，因此异步电动机的气隙往往以机械条件所能允许达到的最小数值。异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，气隙一般为0.21.5mm左右。在中、小型异步电动

7、机中，中小型一般为0.11mm三、异步电动机的转子：三、异步电动机的转子： 异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的 。 1、转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。 2、转子绕组：分为笼型和绕线型两类。 1）笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个松鼠笼子，如图（a) 所示，因此又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也有用铝的。如果用的是铜料，就需要把事先做好的裸铜条插入转子铁心上的

8、槽里，再用铜端环套在伸了两端的铜条上，最后焊在一起，如图(b)所示。如果用的是铸铝，就连同端环、风扇一次铸成，如图(c)所示 。笼型转子结构简单、制造方便、是一种经济、耐用的电机，所以应用极广。 2）绕线型转子：）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如图所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。 与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小，起动转距大，或需平滑调速的场合使用。定子定子stator转子转子Rotor定子

9、绕组定子绕组通过电流通过电流定子铁心定子铁心导磁作用导磁作用机座机座机械支撑机械支撑机械部分、绝缘部分、冷却部分、机械部分、绝缘部分、冷却部分、保护部分（如：转轴、轴承、风扇、保护部分（如：转轴、轴承、风扇、绝缘工件）绝缘工件）电磁部分电磁部分绕组绕组铁心铁心导磁作用导磁作用绕线型绕线型鼠笼型鼠笼型导电作用导电作用7.1.4 异步电动机的铭牌数据异步电动机的铭牌数据 三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等。 1 异步电动机的型号：异步电动机的型号： 电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一

10、个拼音字母组成。例如Y系列三相异步电动机表示如下：异步电动机 极数 Y 100 L 1 2 铁心长度代号 机座中心高 机座长度代号小型异步电机：42355MY产品代号：表示异步电机规格代号：表示中心高355mm、中机座、2号铁心长、4极中型异步电机1180/10630Y产品代号：表示异步电机规格代号：表示功率630KW、10极、定子铁心外径1180mm大型异步电机 我国生产的异步电动机种类很多，下面列出一些常见我国生产的异步电动机种类很多，下面列出一些常见的产品系列。的产品系列。Y系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。也可用于拖动静止负载或

11、惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。JQ2 和和JQO2系列是高起动转矩异步电动机，用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。JQ2 是防护式和JQO2是封闭式的。JS系列是中型防护式三相鼠笼异步电动机。JR系列是防护式三相绕线式异步电动机。用在电源容量小、不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上。 JSL2 和和JRL2系列是中型立式水泵用的三相异步电动机，其中JSL2 是鼠笼式，JRL2是绕线式。JZRL2 和和JZS2系列是起重和冶金用的三相异步电动机，JZSL2是鼠笼式，JZRL2是绕线式。JD2 和和JDO2系列是防护式和封闭式多速异步电

12、动机。BJO2 系列是防爆式鼠笼异步电动机。JPZ系列是旁磁式制动异步电动机。JZZ系列是锥形转子制动异步电动机。JZT系列是电磁调速异步电动机。其他类型的异步电动机可参阅产品目录。2 异步电动机的额定值：异步电动机的额定值： 异步电动机的额定值包含下列内容：（1）额定功率 PN 指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是kw。（2）额定电压 UN 指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V。（3）额定电流IN 指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。（4）额定频率f 指我国规定工业用电的频率是50Hz。（5）额定转速）额定转速n 指电动机定

13、子加指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为额定功率时电机的转速，单位为r/min 。（6）额定功率因数）额定功率因数 指电指电动机加额定负载时，定子边的功率动机加额定负载时，定子边的功率因数。因数。NcosNNNNNNNNNNnPTPIUP9550cos321功率、额定转速计算：可由额定电动机的额定输出转矩的关系式：功率与电压、电流之间CZBXYA定子绕组在接线盒中布置定子绕组在接线盒中布置定子绕组的定子绕组的Y型连接型连接ZXYCBA定子绕组的定子绕组的型连接型连接CBAZXY三相异步电机的定子可接成Y或D有时铭牌上标“电压38

14、0/220，Y/”表示：电压=220V时，应接成电压=380V时，应接成Y 如果电动机定子绕组有六根引出线，并已知其首、末端，分几种情况讨论。 （1）当电动机铭牌上标明“电压380/220V，接法Y/”时，这种情况下，究竟是接成Y或，要看电源电压（线电压）的大小。 如果电源电压为380V，则接成Y接；电源电压为220V时，则接成接。 （2）当电动机铭牌上标明“电压380V，接法时”时，则只有这一种接法。但是在电动机起动过程中，可以接成Y接，接在380V电源上，起动完毕，恢复接法。 对有些高压电动机，往往定子绕组有三根引出线，只在电源电压符合电动机铭牌电压值，便可使用。7.1.5 异步电动机的工

15、作原理异步电动机的工作原理 工作原理：工作原理： 三相异步电动机定子接三相电源后，电机内便形成圆形旋转磁动势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针转，如图所示。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力f，用左手定则确定受力方向，如图所示。nNSTfn1fn总是总是n1定子合成磁场定子合成磁场是旋转的，是旋转的，n1转子绕组感应转子绕组感应出电动势出电动势 转子受力，产生转矩T，为电磁转矩，方向与旋转磁动势同方向，转子便在该方向上旋转

16、起来。转子旋转后，转速为n，只要nn1（n1为旋转磁动势同步转速），转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力，电磁转矩T仍旧为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行在T=TL情况下。记为异步电动机转差率：11nnns 1、只要感应电动机的定子绕组产生旋转磁场，转子绕组形成闭合回路，电动机就会旋转。 2、转子的旋转速度n始终小于磁场的 旋转速度n1。 3、转子速度n与磁场速度n1的转差n，与磁场速度n1的比值叫转差率s。很小，S =0.010.0511nnns结论：注意：在正常情况下，异步电动机的注意：在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的转速转子转速

17、总是略低于旋转磁场的转速（同步转速）。转差率是一个表征异（同步转速）。转差率是一个表征异步电动机运行状态的一个基本参数。步电动机运行状态的一个基本参数。感应电动机的转速随负载的变化而变感应电动机的转速随负载的变化而变化。化。三相异步电机的3种运行状态则转速为已知某台电动机的额定如：可求出对应的，若已知由min,/96011rSNnnnns7.2 异步电动机的运行分析异步电动机的运行分析正常情况下，电机转子总是旋转的，但是为了分析问题的方便，在这里我们首先从转子静止出发进行分析。转子静止的2种情况：(1)转子绕组开路：转子绕组开路：有感应电势，不能形成转子电流无电磁力(2)转子绕组不开路转子绕组

18、不开路有感应电势、形成转子电流、受电磁力；但转子被堵死不能转(堵转) 7.2 7.2 三相异步电动机转子不转、转子三相异步电动机转子不转、转子绕组开路时的电磁关系绕组开路时的电磁关系7.2.1 7.2.1 正方向的规定：正方向的规定： 7.2.2 磁通及磁动势：磁通及磁动势：1、励磁磁动势：、励磁磁动势：我们给异步电动机通入对称的三相交流我们给异步电动机通入对称的三相交流电时，根据我们前面所学的可知将会在气隙中会产生电时，根据我们前面所学的可知将会在气隙中会产生一个旋转的气隙磁场，这个旋转的磁场会同时切割定一个旋转的气隙磁场，这个旋转的磁场会同时切割定转子绕组，这样，在两个绕组内会产生相应的感

19、应电转子绕组，这样，在两个绕组内会产生相应的感应电动势，但是由于转子绕组是开路的所以，没有电流，动势，但是由于转子绕组是开路的所以，没有电流，即没有磁动势，由此可见，在这种情况下，整个气隙即没有磁动势，由此可见，在这种情况下，整个气隙磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流产生，为此磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流产生，为此，定子磁动势又叫做励磁磁动势，定子电流亦叫做励磁定子磁动势又叫做励磁磁动势，定子电流亦叫做励磁电流。电流。 而由于整个分析过程是完全对称的，所以我们在而由于整个分析过程是完全对称的，所以我们在分析时仅以分析时仅以A相为例来进行讲解。下面我们来看一相为例来进行讲解。下面我们来

20、看一下由电流产生的旋转磁场的磁动势的特点：下由电流产生的旋转磁场的磁动势的特点：1）幅值：）幅值：2）转向：逆时针转向。）转向：逆时针转向。A1B1C13）转速：相对于定子绕组以角频率）转速：相对于定子绕组以角频率旋转。旋转。4）瞬间位置：正如前面所分析的，当）瞬间位置：正如前面所分析的，当A相电流达到相电流达到正最大正最大 时，他所对应的磁动势也达到正最大时，他所对应的磁动势也达到正最大。011022423IpkNFN60/211pn 转子不转的三相异步电机，相当于一台副边开路转子不转的三相异步电机，相当于一台副边开路的三相变压器，其中定子绕组是原绕组，转子绕的三相变压器，其中定子绕组是原绕

21、组，转子绕组是副绕组，只是在磁路中，异步电机定、转子组是副绕组，只是在磁路中，异步电机定、转子铁心中多了一个空气隙磁路而已。铁心中多了一个空气隙磁路而已。2）主磁通和漏磁通：）主磁通和漏磁通：主磁通：同时铰链定子、转子、气隙构成闭和回路主磁通：同时铰链定子、转子、气隙构成闭和回路的磁通，气隙里每极主磁通量用的磁通，气隙里每极主磁通量用1 表示表示漏磁通：只铰链定子绕组就形成闭和回路，叫定子漏磁通：只铰链定子绕组就形成闭和回路，叫定子漏磁通，用漏磁通，用 表示。表示。1S如图所示： 由于气隙是均匀的，励磁磁动势由于气隙是均匀的，励磁磁动势F0产生的主磁通产生的主磁通1所对应所对应的气隙磁密是一个

22、在气隙中旋转、在空间按正弦分布的磁的气隙磁密是一个在气隙中旋转、在空间按正弦分布的磁密。用空间向量表示为密。用空间向量表示为 ， 的位置在其最大值处，的位置在其最大值处， 气气隙里每极主磁通为：隙里每极主磁通为：气隙磁密和励磁磁动势同方向，这是因为磁动势达到最大值气隙磁密和励磁磁动势同方向，这是因为磁动势达到最大值时，该处的磁密也为最大。（在不考虑磁滞、涡流的影响时，该处的磁密也为最大。（在不考虑磁滞、涡流的影响下）下） BBlB21 7.2.3 感应电动势感应电动势: 我们已知旋转磁场同时切割定转子绕组,在定转子绕组内将会产生感应电动势E1,E2,根据我们前面所学的知识可知:定子、转子每相电

23、动势之比叫电压变化，用ke表示，即表示，即:1111144. 4NkNfE1221244. 4NkNfE221121NNekNkNEEk 的相位关系：的相位关系： 我们已知感应电动势总是滞后于产生他的磁通900，而在转子不转，且转子绕组开路的情况下，定子和转子是被同一个磁通所铰链，所以，很显然，两个感应电动势之间是同相位的。7.2.4 励磁电流：励磁电流： 和前面分析变压器的情况是一样的，励磁电流也是由Ioa 和和Ior两分量组成。1E2EoroaIII0 有功分量有功分量Ioa很小，因此很小，因此 领先领先 一个不一个不大的角度。在时间空间向量图上，大的角度。在时间空间向量图上， 与与 相位

24、相同，相位相同， 与与 相位一样，相位一样， 和和 领先领先 一个不大的角度。一个不大的角度。 OIorIOIOForIBOIOFB+j2E0I1EB+A1, +A10F+j2E0I1EB+A1, +A10F7.2.5 电压方程式： 从前面的图中，我们可以得到相应的电动势平衡方程式，但是在这里需要注意的一点是：定子绕组的漏磁通在定子绕组内也会产生一个电动势，我们称之为定子漏电动势，用 表示，所以，电压方程式为：1sE101xI jEs 式中 是定子一相绕组的漏阻抗。上式用相量表示时，与三相变压器副绕组开路时的情况，完全一样。11011sERIEU10101xI jRIE)(1101jxRIE1

25、01ZIE111jxRZ7.2.6 等值电路：等值电路： 与三相变压器空载时一样，异步电动机也能找出并联或串联的等值电路。已知：于是，电压平衡等式为 mmmZIjxRIE00111011jxRIEU1100jxRIjxRImm10ZZIm作成电路图：作成电路图：转子回路电压方程式：转子回路电压方程式：22EU异步电动机电磁关系与变压器十分相似，但它们之间存在差异：（1）主磁场性质不同，异步电动机气隙中为旋转磁场，而变压器为脉振磁场（2）由于异步电机存在气隙，主磁路磁阻大，同变压器相比，建立同样的磁通所需励磁电流大。（3）由于气隙的存在，加之绕组结构的不同，异步电动机的漏磁通较大，其所对应的漏抗

26、也较变压器大。（4）异步电机通常采用短距和分布绕组，故计算电动机时需考虑绕组系数，而变压器则为整距、集中绕组。7.3 三相异步电动机转子堵转时的三相异步电动机转子堵转时的电磁关系电磁关系 堵转:即堵住转子让转子不转的现象,实际上就是对转子进行了短路.下面,我们就来详细的分析一下,当转子被短路情况下的电机的电磁关系.7.3.1 磁动势和磁通磁动势和磁通:1、 磁动势:异步电动机转子被短路的这种情况和变压器副边短路的情况类似.定子转子1U2I2E1I1E 现在,转子被短路,所以,当在定子绕组内通入三相对称电流后,产生的沿逆时针方向旋转的磁场,不仅在定子绕组内产生磁动势,在转子绕组内也会产生磁动势,

27、下面我们就来详细的进行分析.一、转子侧磁动势的特点：在三相对称的转子 绕组里流过三相对称电流时，产生的转子空间旋转磁动势 的特点：1）幅值：2）转向：假设气隙旋转磁密是逆时针方向旋转，在转子绕组内感应产生的电动势及电流的相序2I2F222222423IPkNFN就应为就应为A2B2C2。3）转速：相对于转子绕组为注意：现在定转子被同一个磁通所铰链，所以，产生的电流的频率是相等的。4）瞬间位置：当A相电流达到正的最大值时，与他相对应的磁动势也达到正的幅值。与副边短路的三相变压器一样，当异步电机转子绕组短路时，定子边电流不再是 ，用 表示。由定子电流产生的气隙空间旋转磁动势用 表示，叫定子旋转磁动

28、势。定子旋转磁动势的特点与转子绕组开路时一样，仅幅值不同。11226060npfpfn0I1I1F 转于绕组短路的三相异步电机，作用在磁路上的磁动势有两个：一为定子旋转磁动势 ；一为转子旋转磁动势。由于它们的旋转方向相同，转速又相等，只是一前一后地旋转着，我们称它们为同步旋转。 既然它们是同步旋转，又作用在同一个磁路上，把它们按向量的关系加起来，得到合成的磁动势仍用 表示。即:0F021FFF 这个合成的旋转磁动势 ，才是产生气隙每极主磁通 的磁动势。主磁通 在定、转子相绕组里感应电动势 和2）漏磁通： 在这种情况下,除了定子侧的漏磁通外,转子侧有电流也要产生漏磁通,表现为注意，变压器中的主磁

29、通是脉振磁通， 是它的最大振幅。在异步电动机中，气隙里主磁通的却是旋转磁通，它对应的磁密波沿气隙圆周方向是正弦分布，以同步速相对于定子在旋转， 表示气隙里每极的磁通量。0F111E2E2x11 7.3.2 定转子回路方程定转子回路方程: 根据前面的分析可知根据前面的分析可知:式中式中: 是转子绕组的漏阻抗是转子绕组的漏阻抗. 转子相电流为转子相电流为:2222222)(0zIEjxrIE222jxrz2222222222jexrEjxrEI式中 是转子绕组回路的功率因数角.显然，上式中的转子侧的感应电动势和电流、电抗等的频率都是 ，转子电流在相位上滞后与电动势 时间电角度。根据定、转子磁动势合

30、成关系，有改写成改写成 2222rxarctg212ff 021FFF)(201FFF 从上面的分析我们可以看出，当转子侧电流不为零时，他也会产生一个磁动势，而定子侧的磁动势此时变成了 ， 这就可以认为定子旋转磁动势里包含着两个分量：一个分量是大小等于 ，而方向与 相反，用 表示。它的作用是抵消转子旋转磁动势对主磁通的影响；另一个分量就是励磁磁动势 。它是用来产生气隙旋转磁密的。由于这种情况下定子磁动势已变为 了，定子绕组里的电流也就变为 了。)(201FFF2F2F2F0F1F1I 定子回路的电压方程式为： 7.3.3 转子绕组的折合（折算）： 从前面的分析我们可以看出，分别对定转子进行分析

31、太过麻烦，异步电动机定、转子之间没有电路上的联结，只有磁路的联系，这点和变压器的情况相类似 ，所以在这里我们仍采用折算的方法，把转子折算到定子侧，用一个新转子，它的相数、每相串联匝数以及绕组系数都分别和定子的一样（三相、 ）)(11111jxrIEU1N1Nk 但是关键的一点是：要保证转子侧在折算前后对整个磁场的影响不能发生改变，即折算前后转子的总视在功率、有功功率、转子的铜耗和漏磁场储能均保持不变。简单的说就是转子侧的磁动势没有改变，不影响定子边。 根据定、转子磁通势的关系： 可以写成021FFF 令 这样可得2222111224222423IpkNmIpkNNN01122423IpkNN2

32、112222224232242IpkNIpkNmNN 简化为： 而折算前后的电流的关系为：2111112242322423IpkNIpkNNN01122423IpkNN021III211222213IkIkNkNmIiNN 电流变比电流变比 式中 是转子绕组的相数，只有绕线式三相异步电动机转子绕组是三相，鼠笼式异步电动机转子绕组一般不是三相，而是 相。 经过折算，从表面上看，好像定、转子之间真的在电路上有了联系。 eNNikmkNmkNIIk22221122332m2m 这样，我们就可以对相关的量进行折算。这样，我们就可以对相关的量进行折算。 于是转子回路的电压方程式于是转子回路的电压方程式

33、：)(2222x jrIEo)(222222222jxrkkkIEkIEx jrzieie22xkjkrkkieie 于是折合后转子漏阻抗与折合前转子漏阻于是折合后转子漏阻抗与折合前转子漏阻抗的关系为：抗的关系为： 折合前后的功率关系不变。例如转子里的折合前后的功率关系不变。例如转子里的铜损耗，用折合后的关系表示为：铜损耗，用折合后的关系表示为：22rkkrie22xkkxie222222rkkxkkarctgrxarctgieie 折合前后的无功功率也不变。例如转子漏折合前后的无功功率也不变。例如转子漏抗上的无功功率，用折合后的关系式表示抗上的无功功率，用折合后的关系式表示为为 即折算后的量

34、我们全部用即折算后的量我们全部用“ ”来表示来表示. .222222222222)( 33rImmmrkkkIrIiei22222222222)(33xImmmxkkkIxIiei 7.3.4 基本方程式、等值电路和相量图：基本方程式、等值电路和相量图： 整理可的基本方程式：整理可的基本方程式：)(11111jxrIEU)(01mmjxrIE021222221)(IIIx jrIEEE 异步电动机定、转子的漏阻抗标么值都是比较小的，如果在它的定子绕组加上额定电压，这时定、转子的电流都很大，大约是额定电流的47倍。这就是异步电动机加额定电压直接起动而转速等于零的瞬间情况。如果使电动机长期工作在这

35、种状态，则有可能将电机烧坏。 有时为了测量异步电动机的参数，采用转子绕组短路并堵转实验。为了不使电动机定转子过电流，必须把加在定子绕组上的电压降低，以限制定、转子绕组中的电流。.,2 . 0,)2(;,) 1 ().(2 . 006. 0,260,:21计算转子每相电流时每相阻值为对称电阻当在转子回路串入三相流求转子不转时转子相电定子加额定电压设定子每相漏阻抗为不转时转子每相漏阻抗接绕组为转子滑环上电压为电压而转子开路时当定子加额定机一台绕线式三相异步电例题zzjYV7.4 三相异步电动机转子旋转时的三相异步电动机转子旋转时的电磁关系电磁关系 前面我们分析了转子不转、开路和转子堵转、短路情况下

36、的异步电动机的工作原理，下面我们来看一下转子旋转时将会是怎样的电磁关系。7.4.1 转差率转差率 当转子以转速 开始旋转时，此时显然，气隙磁场不再以同步转速 切割转子绕组，同步转速和转子转速之间有一个同方向的相对运动，即此时的气隙磁场是以一个 在切割转子绕组：11nnns1nnnn1nNSTfn1fs是一个没有量纲的数，它的大小也能反映电动机转子的转速。 时s为负；电动机转子的转向与气隙旋转磁密 的转向相反时，s1。一般： 7.4.2 转子电动势： 当异步电动机转子以转速n恒速运转时，此时一些相应的物理量将要结合转差率发生相应的变化转子回路的电压方程式为：; 0; 101SnnSn时，时，1n

37、n B05. 001. 0s)(2222sssjxrIE 此时在转子绕组内感应产生的感应电动势和感应电流及其他一些相关的参数的频率发生了变化。因为现在切割速度为：表现在电动机转子上的频率 为：为此转子频率也叫转差频率。正常运行的异步电动机，转子频率约为0.52.5Hz。转子旋转时转子绕组中感应电动势为：nnn122fsfnnnpnnnppnf11111226060)(60 上式说明了当转子旋转时，每相感应电动势与转差率s成正比。 转子漏抗 是对应转子频率时的漏电抗。它与转子不转时转子漏电抗 (对应于频率 )的关系为： 1222244. 4NskNfE2122144. 4sEkNsfNsx22x

38、HZf50122sxxs 正常运行的异步电动机，正常运行的异步电动机，7.4.3 定、转子磁动势及磁动势关系定、转子磁动势及磁动势关系 下面对转子旋转时，定、转子绕组电流产生的空间合成磁动势进行分析。1定于磁动势定于磁动势 ： 2、转子旋转磁动势、转子旋转磁动势 ：（1）幅值：）幅值：22xxs1F2FsNIpkNF222222423 （2）转向：由于现在的气隙磁场在切割转子绕组时仅是切割速度发生了变化，而它的旋转方向并没有发生改变，所以此时是以 的速度沿逆时针方向切割转子绕组，因此：产生电流的相序仍然是 由转子电流入产生的三相合成旋转磁动势的转向，相对于转子绕组而言，仍为逆时针方向旋转。 （

39、3）转速：)(1nn 222CBA11226060snpsfpfn （4）瞬间位置：当转子绕组哪相电流达正最大值时，正好位于该相绕组的轴线上。 3合成磁动势：搞清楚了定、转子三相合成旋转磁动势的特点后，现在希望站在定子绕组的角度上看定、转子旋转磁动势（1）幅值：关于定、转子磁势的幅值，不因站在定子上看而有什么改变，仍为前面分析的结果。（2）转向：二者的转向相对于定子都为逆时针方向旋转。 （3）转速：相对与定子绕组而言，定子磁动势 的转速为 ，而转子我们分开看：首先转子磁动势相对于转子的转速为 而转子本身又是以转速n 旋转，为此站在定子绕组上看转子旋转磁动势的转速为 于是，转子旋转磁动势相对于定

40、子绕组的转速为： 1n1F2nnn2nsnnn121111nnnnnn 可见，转子磁动势和定子磁动势的转速在可见，转子磁动势和定子磁动势的转速在空间总是等于同步转速，始终保持相对静空间总是等于同步转速，始终保持相对静止，止，即定、转子磁势之间没有相对运动！即定、转子磁势之间没有相对运动！所以，感应电机在任何异步转速下均能产所以，感应电机在任何异步转速下均能产生恒定的电磁转矩，并实现机电能量转换。生恒定的电磁转矩，并实现机电能量转换。所以：合成的总磁动势，仍用所以：合成的总磁动势，仍用 来表示。即来表示。即 这种情况下的合成磁动势，与前面介绍过的两种情况下的励磁磁动势，就实质来说都一样，都是产生

41、气隙每极主磁通的励磁磁动势。就大小来说，不一定都一样大。 0F021FFF.,)3(;)2(;) 1 (:min,/1450,50:转子电动势的频率额定转速运行时额定转差率该电动机的极对数试求其额定转速为电源上的交流到一台三相异步电动机接例NNSprnHZ 7.4.4 转子绕组频率的折合转子绕组频率的折合: 通过对转子旋转的分析可知,转子旋转后,转子频率的大小仅仅影响转子旋转磁动势相对于转子本身的转速 ,转子旋转磁动势相对于定子的转速永远为同步转速,与转子电流的频率无关,另外,定转子之间是通过磁动势相联系的,所以只要保持转子旋转磁动势的大小不变,至于电流的频率是多少无所谓.根据这个概念,我们对

42、下式进行变换:2n2222222jsxrEsjxrEIsss2222IjxsrE 同时，在频率变换的过程中，除了电流有效值保持不变外，转子电路的功率因数角 也没有发生任何变化。即 在上式的推导过程中，并没做任何的假设，结果证明了两个电流 和 的有效值以及初相角完全相等,但此时的频率以从变成 ,下面我们来分析一下这两个有效值相等的电流和它们的频率如何。2srxarctgrsxrxarctgs2222222argsI22I2f1f 由此可见由此可见,频率折算是用一个静止的电阻为频率折算是用一个静止的电阻为 的等效转子去代替电阻为的等效转子去代替电阻为R2的实际旋转的转子的实际旋转的转子,等等效转子

43、将与实际转子具有相同的转子磁动势效转子将与实际转子具有相同的转子磁动势.sR2 此时，转子电路虽然经过这种变换，但是从定子边看转子旋转磁通势并没有发现任何不同，两个情况下产生的磁通势的幅值大小是完全一样的，这就是转子电路的频率折算，即：把转子旋转时实际频率为f2的电路，变成了转子不转，频率为f1的电路。 而把上式得到的电阻的形式再进行变形，可以分解成，很明显和转子不转时相比，转子侧多了一个电阻。2221rssrsr 注意:它的电动势为转子不转时 （注意不是转子堵转时的电动势），转子回路的电阻变成 ，漏电抗变成 。对其中转子回路电阻来说，除了原来转子绕组本身电阻 外，相当于多串一个大小为 的电阻

44、,由等效电路可见.而这个电阻很重要！ 2Esr22x2r2)1(rss 在转子旋转时有机械能产生，在经过了频率折算后，得到转子侧的频率和定子侧的频率相等，而我们知道在转子静止转子短路的情况下，我们得到两侧的频率相等的情况，能量是不能凭空消失的，所以，显然，此时我们是用一个静止的转子电阻来代替旋转的转子电阻，即用在静止的转子上消耗的电功率来等值代替旋转的时候产生的机械能。 再考虑把转子绕组的相数、匝数以及绕组系数都折合到定子边，转子回路的电压方程式则变为 ：)(2222xjsrIE 当异步电动机转子电路进行了频率折合后， 转子旋转磁通势的幅值可写成: 再考虑转子绕组的相数、匝数折合， 为:222

45、222242IpkNmFN2F211222423IpkNFN 这样一来，定、转子旋转磁动势的关这样一来，定、转子旋转磁动势的关系系 ，又可写，又可写 : 7.4.5 基本方程式、等值电路和时间空间基本方程式、等值电路和时间空间向量图向量图 : 与异步电动机转子绕组短路并把转子堵住不转时相比较，在基本方程式中，只有转子绕组回路的电压方程式有所差别，其他几个方程式都一样。可见，用式（7-10）代替式（7-7），就能得到异步电动机转子旋转时的基本方程式，为:021FFF021III0212222210111111)()(IIIx jsrIEEEjxrIEjxrIEUmm 这样就可以画出相应的等值电路

46、这样就可以画出相应的等值电路: 从等效电路图上我们可以看出，转子电路从等效电路图上我们可以看出，转子电路中多了一个表征机械负载的等效电阻中多了一个表征机械负载的等效电阻 ，而，而在这个电阻上消耗的电功率在这个电阻上消耗的电功率在数值上刚好和转子旋转时的机械功率相在数值上刚好和转子旋转时的机械功率相等。等。2)1(rss 当异步电动机空载时，转子的转速接近同步速，转差率s很小， 趋于， 电流可认为等于零,这时定子电流就是励磁电流,电动机的功率因数很低。 当电动机运行于额定负载时，转差率 约为 的20倍左右，等值电路里转子边呈电阻性，功率因数 较高。这时定子边的功率因数 也比较高，可达0.80.8

47、5.sr2I05. 0ssr22r2cos1cos 由于异步电动机定子漏阻抗不大由于异步电动机定子漏阻抗不大,异步电动机从空载异步电动机从空载到额定负载运行时，由于定于电压不变，主磁通到额定负载运行时，由于定于电压不变，主磁通1基本上也是固定的数值。因此励磁电流也差不多是个基本上也是固定的数值。因此励磁电流也差不多是个常数。但是，当异步电动机刚起动时，转速常数。但是，当异步电动机刚起动时，转速n0（s=1），这时定子电压全部降落在定、转子的漏阻），这时定子电压全部降落在定、转子的漏阻抗上，这样，抗上，这样，定、转子漏阻抗上的电压降近似为定子定、转子漏阻抗上的电压降近似为定子电压一半左右。也就是

48、说，近似是的一半左右，气隙电压一半左右。也就是说，近似是的一半左右，气隙主磁通主磁通1也将变为空载时的一半左右也将变为空载时的一半左右,这样这样,根据上述根据上述五个基本方程式画出的异步电动机时间空间相量图，五个基本方程式画出的异步电动机时间空间相量图，与三相变压器带纯电阻负载运行时的相量图相似。与三相变压器带纯电阻负载运行时的相量图相似。 7.4.6 鼠笼转子鼠笼转子: 鼠笼转子每相邻两根导条电动势(电流)的相位相差的电角度与他们空间相差的电角度是相同的,导条是均匀分布的.若一对磁极范围内有m2根导条,转子就感应产生m2相对称的感应电动势和电流.若一对磁极范围内的导条数不为整数,则取m2等于

49、转子槽数. 对于鼠笼转子的整个分析过程和前面我们所用的方法相同,所以,在这里我们不在进行详细的分析.7.5 三相异步电动机的功率与转矩7.5.1 功率关系: 当三相异步电动机以转速n稳定运行时，从电源输入的功率为 :定子铜损耗 为:1P1111cos3IUP 1Cup12113rIpCu 在正常情况下，转子的转速接近与同步转速，所以转子回路的铁耗很小，我们给予忽略，因此只计定子回路的铁耗： 从等值电路看出，传输给转子回路的电磁功率等于转子回路全部电阻上的损耗。电磁功率也可表示为 ：mFeFerIpp2013srIppPPFeCuM2221132222222coscos3IEmIEPM 转子绕组

50、中的铜损耗为：转子绕组中的铜损耗为： 这样电磁功率减去转子铜耗，剩下的就是等效电阻上的损耗，而此损耗实际上是电机转轴上总的机械功率，用 表示。 电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，把这部分功率叫做机械损耗，用 表示。MCusPrIp22223mPMCuMmPsrssIpPP)1 (132222mp 当然除了这些损耗外，还有一些附加损耗等，当然除了这些损耗外，还有一些附加损耗等， 这这样，输出功率为：样，输出功率为： 所以整个功率传递过程中的功率关系为：所以整个功率传递过程中的功率关系为： 功率流程图：功率流程图：smmppPP2admFeCuppppPP!12

51、 从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的定量关系是：7.5.2 转矩关系：转矩关系： 机械功率 除以轴的角速度就是电磁转矩 ，即：)1 ( :1:2ssPpPmCuMmPTmPT11602)1(602MmmmPnsPnPPT 式中1为同步角速度（用机械角表示），对功率表达式进行变形：T0是空载转矩是空载转矩 7.5.3 电磁转矩的物理表达式：电磁转矩的物理表达式：电磁功率除以同步机械角速度 得电磁转矩：02TTT00pppTsm1602312221nrIPTM602cos31222nIE211222132cos260Wf W kIn22122

52、cos23IkpWW221cosICjM 式中式中 ： 是一常数，叫转矩系数。是一常数，叫转矩系数。 2223WMjkpWC例：转矩及电磁转矩。电流、输出转矩、空载输入功率、效率、定子功率、转子铜损耗、转子电流频率、总机械转差率、试求电机额定运行时的，行时：定子星形连接，额定运：步电动机，有关参数为一台三相六极鼠笼型异.5 .82,231,474824. 0cos,50min,/960,380,5 . 701111WpWpWpHZfrnVUKWPFecuNNNN872. 044.860394.31515 .758225004. 004. 01000960100012112012PPWpppPP

53、WPSSPspWpPPHZfsfsNNcuFecummNNMNcuNmNN解：43.75.82. 09550.61.74955086.15cos302002111TTTmNnpTmNnPTAUPINNNNNNNNN、效率、输出转矩、电磁功率、定子功率因数、定子电流、转差率、的：求电动机在额定负载时附加损耗额定负载时的机械损耗为：数型异步电动机，有关参例：一台三相四极鼠笼654321.320,139,75,2 . 6,1 . 3,416. 0,74. 1,715. 0,380,1722111WpWpxrxrxrVUKWPsmmmNN91. 4715. 0426. 0)(0024. 142. 00

54、24. 1)(1 . 3416. 074. 1715. 0112100111211222112222111jsszzzzzzzzzzUzzzzzUzzzzzzzzUIjsx jsrzjjxrzmmmmmmmmmm已知：、转差率不合理，舍去）(66. 0,02. 017459416. 0191. 4715. 0426. 031745913131745991. 4715. 0426. 021222122222222212ssSSSSUWrSSIrSSIPWppPPSSUImsmmAIVzzzzzUIjzzzzzjzzzzjx jsrzjjxrzVUzzzzzUImmmmmmmm53.1853.26

55、53.1853.2651.20038053.2651.2016. 935.1842. 763.1782.2213.1948. 8211 . 302. 0416. 074. 1715. 00380,2100022111022102202221110122111设电压、定子相电流7.6 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速 （或转差率 ）之间的函数关系。7.6.1 机械特性的参数表达式机械特性的参数表达式:已知已知:nspfsrInsrIPTM122212221236023 异步机等值电路中，由于励磁阻抗

56、比定、异步机等值电路中，由于励磁阻抗比定、转子漏阻抗大很多，把转子漏阻抗大很多，把T T型等值电中励磁阻型等值电中励磁阻抗这一段电路前移来计算抗这一段电路前移来计算 ，误差很小，误差很小, ,故故: : 代入上面电磁转矩公式中去，得到代入上面电磁转矩公式中去，得到: :2I 22122112)(xxsrrUI2212211221)(6023xxsrrnsrUT 这就是机械特性的参数表达式。固定 、及阻抗等参数， 画成曲线便为Ts曲线。 7.6.2 固有机械特性固有机械特性什么是固有机械特性？什么是固有机械特性？ 2212211221)(23xxsrrfsrpU1U1f)(sfT 三相异步电动机

57、的固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定子和转子电路不外接电阻或电抗时的机械特性。1 固有机械特性曲线固有机械特性曲线从图上我们可以看出相异步电动机固有机械特性不是一条直线，它具有以下特点：（1）在）在0S1，即，即0 nn1的范围内，的范围内，特性在第象限，电磁转矩T和转速n都为正，从正方向规定判断，T与n同方向，如图所示。电动机工作在这范围内是电动状态。这也是我们分析的重点. （2）在s0范围内， ，特性在第象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态，如图左上部所示,机械特性在 S0和s0两个范围内近似对称。（3）在s1范围内，nO，特

58、性在第象限，T0，也是一种制动状态，如图右下部所示。在第象限电动状态的特性上，B点为额定运行点，其电磁转矩与转速均为额定值。A点， T=0,为理想空载运行点。C点是电磁转矩最大点。D点n=0，转矩为为TS，是起动点（见图，是起动点（见图 ）。）。1nn 1nn 三相异步电动机的固有机械特性sn0nNsNnmsm10TNTstTmaxTABCD2 几个特殊点几个特殊点., 1, 0) 1 (stemTTsnAA点，此时：位于动瞬间，其工作点电动机接通电源开始起起动点2212211221)()(23xxrrfrpUTst将将s1代入式中，得到起动转矩代入式中，得到起动转矩为为: 从式中看出，TSt

59、与电压平方成正比，而且转子电阻越大，起动转矩越大，漏电抗越大，起动转矩越小。 起动转矩倍数:起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数，用 表示， 电动机起动时，只有TSt大于(1.11.2)倍的负载转矩才可顺利起动。一般异步电动机起动转矩倍数 。 TKNstTTTK2 . 18 . 0TK （2）最大转矩点）最大转矩点B: 正、负最大电磁转矩可以从参数表达式求得，令 :得到最大电磁转矩:最大转矩对应的转差率称为临界转差率0dsdT221211121)(2321xxrrfpUTm221212xxrrsm 一般情况下， 值不超过 的5%，可以忽略。这样一来，有: 也就是说，异步发电机状态和电动机状

60、态的最大电磁转矩绝对值可近似认为相等，临界转差率也近似认为相等，机械特性具有对称性。21r221xx)()(232121221121xxrsxxfpUTmm 过载倍数:最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最大转矩倍数，又称过载能力，用表示为 一般三相异步电动机=1.62.2,起重、冶金用的异步电动机=2.22.8。 NmTT。不可能达到同步转速点界作用，异步电机本身这是理想状态，没有外。，达到同步转速。此时：运行点，即转子转速点是电动机的理想空载同步转速点段为硬特性。的线性，这也说明了固有特性略小于同步转速，电动机的额定转速很小，一般。额定运行时转差率，点，此时：作点位于电动机额定运行时，工）额