第4章异步电机

第4章异步电机4.1三相异步电动机的基本结构与工作原理

4.2三相交流电机的绕组4.3三相交流绕组的磁动势4.4

三相交流绕组的电动势4.5三相异步电动机的等效电路4.6三相异步电动机的功率和转矩4.7三相异步电动机的工作特性和参数测定第4章异步电机4.1三相异步电动机的基本结构与工作原理

4.2三相交流电机的绕组4.3三相交流绕组的磁动势4.4

三相交流绕组的电动势4.5三相异步电动机的等效电路4.6三相异步电动机的功率和转矩4.7三相异步电动机的工作特性和参数测定4.1三相异步电机的基本结构与工作原理4.1.1基本结构1.定子定子铁心、定子绕组、机座和端盖等。定子铁心的硅钢片●

定子铁心●

定子绕组对称三相绕组。●定子●定子接线盒U1V1

W1W2U2V2U1V1

W1U2V2

W2U1V1

W1W2

U2V2星形(Y)联结3~U1V1

W1W2

U2V2三角形(△)联结3~转子铁心、转子绕组、转轴、风扇等。转子铁心冲片2.转子：笼型绕组铜条笼型转子铸铝笼型转子●

笼型异步电动机的转子●

绕线式异步电动机的转子●

转子绕组绕线式：对称三相绕组。笼式：对称多相绕组。●

三相笼型异步电动机的部件图三相异步电动机的部件图●

三相绕线型异步电动机的结构绕线异步电动机示意图●三相笼型异步电动机的结构

4.1.2额定值

三相异步电动机型号Y132S－6功率3kW

频率

50Hz电压380V

电流7.2A

联结Y转速960r/min

功率因数0.76

绝缘等级

B2p=6轴上输出额定机械功率P1N=√3

UNINcosNPN=NP1N=√3

UNINcosNN线电压线电流V2

V14.1.3三相异步电动机的工作原理一、旋转磁场1.旋转磁场的产生●三相(多相)电流

→三相(多相)绕组

→旋转磁场。●三相绕组：W2

W1U1U2U1V1

W1U2V2

W2横截面U1U2V1V2W2W1流出流入U←V←W←U1U2V1V2W2W1i1=Imsinωti2=Imsin(ωt－120O)i3=Imsin(ωt+120O)ωtOImi1

i2

i3ωt=0O时i1=0，i2＜0，i3

＞0××NSU1U2V1V2W2W1ωt=0°时i1=0，i2＜0，i3＞0NSU1U2V1V2W2W1NSωt=120o时i1＞0，i2=

0，i3＜

0U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NSNSωt=240o时i1＜

0，i2＞0，i3=0ωt=360o时i1=0，i2＜0，i3＞0i

变化一周→旋转磁场转一圈i每秒钟变化50周→旋转磁场转50圈→旋转磁场转3000圈i每分钟变化(50×60)周n1

=3000=60f1(r/min)2.旋转磁场的转速n1——同步转速U1U2V1V2W2W1U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相绕组由一个线圈组成每相绕组由两个线圈串联组成U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××ωt=0o

时i1=0，i2＜0，i3

＞0NSNSU1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3×××ωt=120o

时i1＞0

，i2

=0

，i3＜0NSNS×ωt=360o

时i1=0，i2＜0，i3

＞0U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3×××NSNS×ωt=240o时i1＜

0，i2＞0，i3=0U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××NSNS●磁极对数p

p=2●电流变化一周→旋转磁场转半圈

n1

=1500●当磁极对数p=3时

n1

=100060f12=60f13=60f1pn1=

f=50Hz时：

123456300015001000750600500pn1/(r/min)

3.旋转磁场的转向(n1的转向)

U(i1)→V(i2)→W(i3)

怎样改变n1的方向?V(i1)→U(i2)→W(i3)U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××NSNSU1U2V1V2W2W1NS二、工作原理对称三相绕组通入对称三相电流旋转磁场(磁场能量)磁场线切割转子绕组转子绕组中产生e和

i转子绕组在磁场中受到电磁力的作用转子旋转起来机械负载旋转起来三相交流电能感应电磁转矩输出机械能量NSn1n11.电磁转矩的产生××××nM3~3~M3~3~2.转子旋转的方向与旋转磁场的转向相同。正转反转怎样改变转子的转向?nn起动时：n=0,△n=n1转差率:●

起动时:●

额定运行时:3.转子转速n——

转子电磁感应最强n↑→△n↓→转子电磁感应消失→转子电磁感应减弱→n↑→n=n1→电磁转矩T=0n

＜n1→

n↓n=0，s=1sN=0.01~0.09s=n1－nn1×100%●理想空载时:n=n1，s=0●

正常运行时:0＜n＜n1，1＞s＞0异步！●

起动时：

n=0，△n=n1，I2=I2max，f2=f1。●起动过程中:

n↑→△n↓→I2(I1)↓

→f2↓。●

稳定运行时：△n=n1－n

很小→

f2=sf1

很低。5.电磁转矩Te的大小

T∝Φ，I2cos24.转子电路电量的变化T=CTΦmI2cos25.三相异步电机的四象限运行正向电动机状态：●n与T同方向●

0＜n＜n1

●1＞s＞0nTO发电机状态：●n与T反方向●

n＞n1●s＜0制动状态：●

n与T反方向●

n＜0●s＞1反向电动机状态

表3.1.2

异步电机的各种运行状态

状态制动状态堵转状态电动机状态理想空载状态发电机状态转子转速转差率n＜0s＞1n=0s=10＜n＜n1

1＞s＞0n=n1s=0n＞n1s＜0V2

V14.2三相交流电机的绕组三相绕组W2

W1U1U21.基本概念(1)机械角度和电角度电角度=机械角度×极对数机械角度：转子铁心横截面是一个圆，其几何角度是360度。从电磁角度看，一对N，S极就构成一个磁场周期，磁场转过一对磁极，导体中的电流变化一个周期，即一对磁极为360度电角度。电机极对数为p时，气隙圆周的电角度为p×360度。U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××NSNS

三相电机:m=3(3)极对数p(4)槽数Q(5)槽距角α：

(6)极距τ：α=p·360°Q相邻两个槽中心线之间的距离。相邻两磁极中心线间的距离。τ=πD2p●用尺寸表示：●槽数表示：

Q2pτ=●用电角度表示：τ=π(2)相数mNSU1U2V1V2W2W1

线圈两线圈边的距离。其表示方法与极距的表示方法一样也有三种。(8)每极每相槽数qq=Q2pm(7)线圈节距y1(9)槽电动势星形图和相带*每个极距内属于每相的槽所占的区域称相带NSU1U2V1V2W2W12.交流绕组的种类(1)按相数分类:

单相绕组、三相绕组、两相绕组。●整距绕组:y1=τ●

短距绕组:y1＜τ●长距绕组:y1

＞τNSU1U2V1V2W2W1NSU1U2(2)按线圈节距分类(3)按每极每相槽数分类●集中绕组：q=1●分布绕组：q＞1NSU1U2U3U4U5U6(4)按每个槽内线圈的层数分类●单层绕组●双层绕组NS●双层绕组:

双层集中绕组外层(上层):U1、U3内层(下层):U2、U4U1U2U4U3NSU2U1U4U3

双层分布绕组外层(上层):U1、U3内层(下层):U2、U4(5)按线圈之间的联结方式分类:

叠绕组、波绕组、同心绕组等。例如：Q=12，p=1，m=3，y1

=τ。每极每相槽数：Q2pmq==122×1×3=23.三相单层绕组槽距角：α=p×360°Q=1×360°12=30°线圈节距：

Q2py1=τ==122×2=6圈边首端尾端123456789101112三相单层绕组为整距绕组123456789101112U1U2V1V2123456789101112U1U2W2W1V1W2三相单层绕组NS例如：Q=12，p

=1，m

=3，y

1=5。

由计算得：

q=2，α=30°，y1＜。4.三相双层绕组1234567891011121串联U1U2●注：实线为上层线圈边，虚线为下层线圈边。NS123456789101112U1U21'8V1V23'102'2'9NS123456789101112U1U2W2V2V1W2三相双层绕组绕组磁动势实际上是绕组的气隙磁动势1.单相绕组的磁动势（脉振磁动势）U1U2NS12Fyx=0OfyU1U2U1x4.3三相交流绕组的磁动势1）整距线圈的磁动势3次谐波5次谐波整距线圈磁动势波形的分解由于对称关系，只存在基波和3，5，7次谐波结论基波磁动势的幅值是矩形波磁动势的4/倍；谐波磁动势幅值为基波幅值的1/ν倍；基波磁动势波长与原矩形波长一样，磁极对数亦相同；谐波的波长为基波的1/ν，极对数为极波的ν倍。基波幅值线圈匝数基波2）整距分布绕组的基波磁动势合成线圈组磁动势幅值分布因数3）双层短距分布绕组的基波磁动势双层短距等价为两个整距绕组的磁动势合成两整距绕组在空间错开角度分布因数线圈组磁动势幅值短距因数分布因数4）单相绕组的磁动势基波相绕组的磁动势=每对极下该相绕组的合成磁动势绕组基波磁动势的幅值（统一公式）绕组因数每相串联匝数N＝2pqNy

双层

pqNy

单层基波磁动势

单相绕组的脉振磁动势●

脉振磁磁动势：轴线不变，大小和方向随时间交变三相基波磁动势的表达式为2.三相基波磁动势的合成三相基波磁动势的分解单相脉振磁动势可以分解为两个转速相等、转向相反的旋转磁动势，每一个旋转磁动势的幅值为原脉振磁动势幅值的一半。三相绕组基波磁动势的合成三相绕组基波磁动势幅值旋转磁动势波SNn1旋转磁动势波结论(1)极数：基波旋转磁动势的极数与绕组的极数相同。(2)幅值：基波合成磁势的幅值保持恒定，为每相基波磁动势幅值的3/2倍。(3)转速：基波旋转磁动势的转速就是磁场的同步转速。波幅的旋转角速度磁动势旋转速度结论(4)波幅位置：当某相电流达到最大值时，合成磁动势波幅就恰好移至该相绕组的轴线上。(5)旋转方向：磁动势波的旋转方向是顺着x增加的方向。因此，三相合成基波磁动势的旋转方向决定于三相电流的相序，总是由超前电流相转向滞后电流相。(6)单相脉振磁动势的分解：可以分解为两个转速相等、转向相反的旋转磁动势，每一个旋转磁动势的幅值为原脉振磁动势幅值的一半。3、高次谐波磁动势

磁极的磁场=基波磁场+奇次谐波磁场v次谐波的极对数：pv=vpv次谐波磁动势幅值：v次谐波的绕组系数：kwv=kyvkqv

基波极对数pv次谐波的短距因数：v次谐波的分布因数：kqv=q22sinvqsinv(1)在同步电机中，谐波磁动势所产生的磁场在转子表面产生涡流损耗，使电机发热，↓。

(2)在异步电机中，谐波磁场产生寄生转矩，影响其起动性能；损耗↑，cos↓，温升↑，↓。

y=(0.8~0.83)τ

改善气隙磁场分布：采用短距绕组和分布绕组。◆谐波磁动势的影响：◆当时，可以消除v次谐波4、三相定子绕组建立的磁场主磁场气隙磁密4.4三相交流绕组的电动势1.整距线圈的电动势旋转磁场在整距线圈中产生的磁通线圈(串联匝数为Ny)的感应电动势有效值2.短距的影响

1）整距线圈的电动势SNy=τEc'Ec"Ec'Ec"EcEy=Ec'－Ec"=2Ec'2）短距线圈的电动势SNEc'Ec"τy1Ec'EcEc"

－y1τ=180°yτ180oEy=Ec'－Ec"Ey=2Ec'

siny1τ90°=2Ec'

ky1

Ey=4.44fky1

NyΦm

短距因数：

ky1=siny1τ90°=短距线圈的电动势整距线圈的电动势3.分布绕组（线圈组）的感应电动势●集中绕组：

Eq=q个线圈电动势的算术和=qEy●分布绕组：

Eq=q个线圈电动势的相量和＜

qEyα已知：相邻两个线圈电动势的相位差为α。如：q=3，则：Ey1Ey2Ey3αEy1Ey2Ey3αααq2REqEy=2Rsin2Eq=2Rsinq

2Eq=Ey2qsin2αsin=qEy2qsin2αqsin=qEy

kq1分布因数：kq1=2qsin2qsin=分布绕组的电动势集中绕组的电动势Eq=4.44f1ky1

kq1q

NyΦm

绕组因数

kw

：kw1=ky1

kq1Eq=4.44f1kw

q

NyΦm4.每相绕组的电动势E=4.44fkw

NΦm

有效匝数4.5三相异步电动机的等效电路异步电动机与变压器电磁作用过程相同，可采用变压器的分析方法进行分析

变压器与异步电动机电磁作用过程对比变压器 异步电动机一次绕组、二次绕组 定子、转子一次通电、二次感应 定子通电、转子感应 合成磁动势 合成旋转磁动势交变主磁通 通过绕组的磁通交变f2=p(n1－n)60=s

f1●

转子电路的频率：E2s=

4.44s

f1

kw2N2Φm

一、转子电路的电动势和磁动势=pn160n1－nn1=

sE2

●

电压方程0=E2s－Z2sI2sE2s=

－j4.44f2

kw2N2Φm

式中：E2=

4.44f1

kw2N2Φm

——

转子静止时的电动势。转差频率X2s=

2πf2

L2式中：

X2

=

2πf1

L2

——

转子静止时的漏电抗。●

转子每相电流：I2s=E2sR2+jX2s=sE2R2+jsX2=2πs

f1

L2

X2s=

s

X2

2.定子旋转磁动势

●幅值：●转向：与定子电流的相序一致●转速：n12.转子旋转磁动势

●幅值：F2=0.9m2kw2N2

I2s2p●转向：与转子电流的相序一致，即与定子旋转磁通势的旋转方向一致。●转速

(1)转子旋转磁动势相对于转子的转速：

n2=p60f2=s

n1(2)转子旋转磁通势相对于定子的转速：

n2+n=s

n1+(1－s)

n1=n1●

结论(1)转子旋转磁动势与定子旋转磁动势在空间是沿同一方向以同一速度旋转的；(2)二者组成了统一的合成旋转磁通势，共同产生旋转磁场。3.磁动势平衡方程(1)理想空载时：

I2s=0，I1=I0旋转磁动势的幅值为：F0=0.9m1kw1N1

I02p(2)负载时：F1+F2=F0二、定、转子电路的电压方程

1.定子U1=－E1+(R1

+jX1)

I1E1=－j4.44f

1kw1

N1Φm

=－E1+Z1I1●

定子绕组感应电动势的频率：f1=pn160——与交流电源同频率。NSU1U2U1U3U2U4NNSS2.转子0=E2s－Z2sI2s●

转子每相电流：I2s=E2sR2+jX2sE1I1R1jX1jX2

R2E2sI2sf1f2+U1－m1、

kw1N1m2、

kw2N2◆

频率折算I2s=sE2R2+jsX2=E2+jX2R2s=I2等效电路●

频率归算的物理含义：

用一个静止的、电阻为R2

/s的等效转子去代替电阻为R2的实际旋转的转子.R2s=R2+1－ssR2转子所产生的机械功率相对应的等效电阻+U1－E1I1R1jX1f1E21－ssR2I2f1jX2R2m1、

kw1N1m2、

kw2N2三、绕组折算

用一个相数和有效匝数与定子绕组相同的转子绕组去等效代替实际的转子绕组。等效代替：保证电磁效应和所有物理量保持不变。(1)电动势的折算：折算前：E2=

4.44f1

kw2N2Φm

折算后：E2'

=E1=

4.44f1

kw1N1Φm

定、转子的电动势之比：=kw1N1kw2N2E2'E2ke

=E1E2=(2)电流的折算：折算前：折算后：F2=0.9m2kw2N2

I22pF2'=0.9m1kw1N1

I2'2p=F2E2'

=E1=ke

E2电流比：=m1kw1N1m2kw2N2I2I2'ki

=0.9m2kw2N2

I22p=0.9m1kw1N1

I2'2pI2kiI2'

=第4章异步电机的基本理论(3)阻抗的折算：折算前：Z2=+jX2R2s=E2I2折算后：Z2'

=+jX2'R2's=E2'I2'阻抗比：|Z2'||Z2|kZ

==E2'

I2E2

I2'=keki

Z2'

=kZ

Z2R2'

=kZ

R2X2'

=kZ

X2第4章异步电机的基本理论U1=－E1+(R1+jX1

)

I1=－(Rm+jXm)

Im异步电机的基本方程式E2'=(+jX2

'

)

I2'R2'sE2'=E1=－ZmIm

I1+I2'

=Im第4章异步电机的基本理论四、异步电机的等效电路R1jX1E1=

E2'I11－s

sR2'I2'jX2'

R2'ImRmXm+U1－E1=

E2'I11－ssR2'I2'ImRm＋R1Xm＋X1+U1－R1jX1

R2'jX2'相量图E1=E2'I2'2R2'sI2'jX2'I2'－I2'I0I1－E1R1I1jX1I1U1●

设：E1=E2'=E10o第4章异步电机的基本理论1.极数转子极数=定子极数因为：转子中的电动势和电流是感应出来的。六、笼型绕组的相数和极数NSn1nNSSNNSSNNSp1=

p2=p●

如果两者不相等，则转子转不起来。2.相数

笼型转子是对称多相绕组。(1)转子槽数能被极对数整除时：m2=Q2p

每对极下的每一根导条就构成一相；各对极下占相同位置的导条可看作是属于一相的并联导条，即每相有p

根导条并联。

m2=6(2)转子槽数不能被极对数整除时：

m2=Q2

即每一根导条就构成一相。SSNN3.匝数N2=12（一根导条相当于半匝）kW2＝14.6三相异步电动机的功率和转矩一、三相异步电动机的功率

1.输入功率P1P1=3U1I1cos12.

定子铜损耗PCu1PCu1=m1R1I12=3R1I123.

铁损耗PFe（转子铁损耗忽略不计）

PFe=m1RmIm2=3RmIm24.电磁功率PePe=P1－PCu1－PFePe=m2E2I2cos2=m1E2'

I2'cos2R2's=m1I2'21－ss=m1R2'I2'

2+m1R2'I2'

25.转子铜损耗PCu2

PCu2=m2R2I22=m1R2'

I2'

2=sPe第3章异步电机的基本理论8.输出功率P2P2=Pm－P0=Pe－PCu2－P0=P1－PCu1－P