第三篇-异步电机

电机学ElectricalMachinery异步电机是使用最广泛的一种交流电机，它主要用作电动机，以驱动生产机械和生活用具。电动机的转速随负载大小改变而略有改变，与电源频率间没有严格不变的关系。它也可以用作发电机，但性能远较同步发电机差。异步电机的转子电流是依据电磁感应原理由定子磁场感应产生的，所以也称为感应电机。有三相和单相两种。异步电机结构简单、制造方便、坚固耐用、又有较高的运行效率和令人满意的工作特性，从而获得广泛应用。其主要不足是不能经济地在较宽的范围内实现平滑调速，以及具有总是滞后的功率因数。第七章

三相异步电动机工作原理第八章

异步电动机功率、转矩和运行分析第七章

三相异步电动机工作原理第八章

异步电动机功率、转矩和运行分析第一节

异步电机基本知识第二节

三相异步电动机磁场及感应电动势第三节

负载运行时基本方程式等效电路、相量图一.

异步电动机基本原理异步电机结构上分成定子（固定不动的部分）和转子（旋转的部分）两大部件，两者之间存在着“气隙”。异步电机定子上设置有三相对称绕组，当接通三相电源后，三相电流产生的基波合成磁场是一个旋转磁场。旋转磁场转速，其转向取决于三相电流的相序。异步电机转子上有三相或多相闭合绕组。转子导体切割定子旋转磁场产生感应电动势，并产生感应电流。设和同相，则转子带电流导体在旋转磁场中受电磁力f作用。各个导体的电磁力合成电磁转矩M驱动转子转动，这就是异步电动机工作原理。设转子转速为n，则转子导体与定子旋转磁场相对切割速度：△n=n1-n，当n=n1时，△n=0，e2=0，i2=0，即转子与旋转磁场间无相对切割运动。所以n≠n1是异步电动机维持运行的必要条件。定义转差率s：

s又称滑差，它是表征异步电机运行状态的一个基本变量。二.

异步电机的三种运行状态(1)电动机运行状态（0<n<n1，0<s<1）(2)发电机运行状态（n>n1，-∞<s<0）(3)电磁制动运行状态（n<0，1<s<+∞

）三.

异步电动机结构简介(1)定子1.定子铁心定子铁心是电机磁路主要部分，由0.5mm厚的硅钢冲片叠成整体，压入机座内，冲片内圆上冲制有相同形状的槽，用来安放绕组。2.定子绕组图7-6三相异步电动机引出线(a)△接法；(b)Y接法定子绕组是电动机电路部分。小型异步电动机定子绕组由高强度漆包圆线绕成；中、大型电机使用矩形截面导线预先制好的成型线圈。每相绕组按一定规律连接，三相构成对称绕组。图7-6三相异步电动机引出线(a)△接法；(b)Y接法异步电动机主绝缘指：①对地绝缘----绕组与铁心间绝缘；②相间绝缘----各相线圈间绝缘；③匝间绝缘----线圈的各线匝之间的绝缘。3.机座机座主要用来支撑定子铁心和绕组。中、小型异步电机多采用铸铁机座，大型电机则采用钢板焊接机座。(2)转子1.

转轴和转子铁心转轴用来支撑和固定转子铁心并传递电磁转矩给机械负载；转子铁心也是电机磁路的一部分，由0.5mm厚的硅钢冲片叠压成圆柱体，套装在转轴上。铁心外圆上冲制有均匀分布的槽，用来嵌放转子绕组。2.

转子绕组转子绕组分成笼型和绕线型。⑴

笼型转子图7-7笼型转子(a)铜条笼型转子；(b)铸铝笼型转子有铜条转子和铸铝转子两种；笼型转子结构简单，制造方便，经济耐用，应用广泛。⑵

绕线型转子在转子铁心槽内，嵌放三相对称绕组，绕组的三根出线接在转轴上的三个滑环上，利用电刷与滑环的滑动接触引出转子电流。四.

异步电动机铭牌数据、额定值1.型号由汉语拼音字母、数字和符号组成。Y—112M—4异步电动机中心高mm（机轴中心到底脚平面的垂直距离）例：Y系列中、小型异步电动机Y-112M-4，其意义是：机座类别（L-长机座；M-中机座；S-短机座）极数2.额定值电动机按额定值运行称为额定运行状态。⑴额定功率PN和额定转速nN⑵额定频率fN⑶额定电压UN⑷额定电流IN⑸额定效率ηN和额定功率因数cosφN3.铭牌上其他重要数据⑴绝缘等级与额定温升QN⑵定子绕组接法⑶工作方式⑷防护等级第一节

异步电机基本知识第二节

三相异步电动机磁场及感应电动势第三节

负载运行时基本方程式等效电路、相量图一.空载运行时磁动势及磁场异步电动机定子绕组与三相电源相接，转轴上不带任何机械负载“空转”的运行情况，称为空载运行。旋转磁势在电机内会产生旋转磁通，根据磁通的性质和流通路径将其分为主磁通和漏磁通。1.主磁通基波旋转磁场产生的磁通经过定、转子铁心和两段小气隙，它属于工作磁通，可同时匝链和切割定子和转子绕组的磁通叫主磁通。转子导体切割主磁通并在其中感生电流。导体感生电流在磁场中受到电磁力的作用而形成驱动转矩，使电机旋转。1.主磁通2.漏磁通定子绕组的漏磁通，它属于非工作磁通，异步电动机的漏磁通有：①槽漏磁通：由槽的一壁横越至槽的另一壁的漏磁通。②端部漏磁通：匝联绕组端部的漏磁通。③谐波漏磁通谐波磁势会产生谐波磁通。电机正常运转时，谐波磁通不会产生有用的转矩。尽管谐波磁通也能同时匝链定子和转子绕组，也将其归入漏磁通。二.主电动势E1和激磁阻抗Zm因空载运行时，n=n1,所以E2=0,I2=0，所以空载运行时定子磁动势F10基本上为产生气隙主磁场的激磁磁动势Fm，空载时电流就近似等于激磁电流Im，考虑铁心损耗时，Im超前Bm铁心损耗角αFe。当气隙中主磁场以同步转速旋转时，Φm将在定子绕组中感应电势E1,因在相位上E1滞后Φm90度，所以用向量表示有：当定子接入对称三相电压u1后，定子中便流过对称三相电流(空载电流)产生一基波合成旋转磁场。与变压器分析一样，把E1作为电压降来处理，引入Zm。式中：Zm、xm、rm分别为激磁阻抗、激磁电抗、激磁电阻。⑴Zm表示电机主磁路磁化特性和铁耗特性的综合参数。⑵

xm是表征磁路磁化特性发热参数，与主磁通Φm大小相对应。⑶

rm是表示电机磁路铁特性的参数。三.漏电动势和定子绕组漏磁电抗除产生Φm

外，定子电流还产生仅与定子绕组铰链的漏磁通。将在定子绕组中感应漏电动势。四.负载运行时转子磁动势F2当负载运行后，，出现。

F2也为旋转磁势。若定子旋转磁场正向旋转则转子感应电动势的相序为正序，转子电流也为正序，也产生正向旋转的磁动势F2。

即F2与F1转向相同，如定子旋转磁场的转速为n1，转子转速为n，此时定子旋转磁场以的速度切割转子，所以在转子中感应电动势的频率：转子电流产生的磁动势F2相对于转子的转速为：而转子本身有以n的速度旋转，所以转子磁势相对于定子的转速为：即无论转子的实际转速为多少，转子磁势F2和定子磁势F1在空间的转速总是等于n1，它们之间没有相对运动。由于F1与F2相对静止，就可以把F1和F2合成起来，所以异步电动机负载时在气隙内产生的旋转磁势是定、转子合成磁势：（7-9）五.磁动势平衡方程定子磁势包含两个分量：一个是产生主磁通的磁势另一个是抵消转子磁势作用的分量，因Fm基本不变，当负载增加即F2增加时，F1也相应的增加以补偿F2（即负载变化对定子的影响是通过F2起作用的）。磁动势平衡关系可用电流形式表达。由磁动势公式，有：令电流变比：则：（7-10）定子电流包含两个分量：一个是激磁电流，用来产生电机激磁磁动势，建立电机主磁场；另一个是定子电流的负载分量，用来产生，以便与转子磁动势去磁平衡。（7-10）第一节

异步电机基本知识第二节

三相异步电动机磁场及感应电动势第三节

负载运行时基本方程式等效电路、相量图一.负载运行时物理情况等效电路(Equivalentcircuit)法是分析异步电动机的重要手段。在异步电动机中，作出等效电路需要进行两个折算：(1)转子电路的频率折算；(2)与定子方面具有同样相数、匝数、绕组系数的转子绕组折算。二.定、转子电压方程（7-11）1.定子电压方程2.转子电压方程气隙磁场在转子绕组上引起的电动势为：（7-12）漏磁通在转子每相绕组中感应产生的漏磁电动势为：（7-13）其中：转子每相电压方程：（7-14）负载运行时电动机定、转子的电量频率不同，相数和有效匝数也不同，定转子电路间仅靠磁通耦合无电的直接联系，可以用一个简单电路来表示。三.折算1.

频率折算频率折算指在保持整个电磁系统的电磁性能不变的前提下，把一种频率的参数及物理量换算成另一种频率的参数及有关物理量。所谓绕组的折算，就是人为的用一个相数，匝数以及绕组系数和定子一样的绕组去代替原来的转子绕组，在折算中必须保证折算前后转子的电磁效应不变。2.

绕组折算2.

绕组折算⑴电流的折算：折算前后磁动势不变。⑵电动势的折算：折算前后转子侧视在功率不变。⑶阻抗折算：折算前后损耗及磁场储能不变。阻抗折算时应乘以kuki，即：阻抗折算后，转子铜耗和磁场储能不变。将m2相、N2Kw2匝的转动转子绕组折算成m1相、N1Kw1匝的静止转子时，应将转子电动势（电压）乘以ku；转子电阻变为r2/s，再乘以kuki；转子电抗乘以kuki；则折算前后保证了物理情况不变。四.异步电动机T型等效电路和相量图折算后基本方程式：等效电路是分析和计算感应电动机性能的有力工具。在给定参数和电源电压的情况下，若已知s，则电机的转速、电流、转矩、损耗和功率均可用等效电路算出。图7-17异步电动机相量图图7-17异步电动机相量图五.简化等效电路图7-18简化等效电路第七章

三相异步电动机工作原理第八章

异步电动机功率、转矩和运行分析第一节

异步电动机功率及转矩方程第二节

异步电动机转矩——转差率曲线第三节

异步电动机工作特性第四节

异步电动机启动方法第一节

异步电动机功率及转矩方程第二节

异步电动机转矩——转差率曲线第三节

异步电动机工作特性第四节

异步电动机启动方法一.损耗及功率平衡方程输入功率P1中扣除pCu1和pFe，得传递到转子侧的电磁功率：（8-1）电磁功率数值上等于转子回路各等值电阻的损耗：其中：（8-2）式中：pCu2为转子绕组的铜损耗；PM为模拟电阻上的损耗，称为内机械功率。由（8-2）可推得：由（8-3）得：（8-3）考虑摩擦阻力、风阻等机械损耗和高次谐波等因素引起的附加损耗，电机轴上的输出功率为：（8-4）总损耗计有以下几项：（8-4）⑴铜损耗pCu：其大小与电流平方成正比；⑵铁损耗pFe：主磁通引起，当U1不变时，pFe基本不变；⑶机械损耗：轴承摩擦、风阻等引起，其大小与电机转速、摩擦系数等因素有关；⑷附加损耗pad：又称杂散损耗，通常根据经验估计。例如：大型电机pad≈0.5%PN；小型电机pad≈（1-3）%PN。功率流程及损耗关系为：电机运行效率为：令空载损耗，得：二.转矩平衡方程则内机械功率以转速n输出的转矩M为：（8-7）即：由于：（8-8）所以：三.电磁转矩M的物理概念同步角速度可表示为：电磁功率可表示为：又：所以：（8-9a）（8-9b）式（8-9a）表示用转子电流折算值时电磁转矩的表示式；式（8-9b）表示用转子电流实际值时电磁转矩的表示式式（8-9a）和式（8-9b）表明：异步电动机电磁转矩M大小与气隙主磁通幅值和转子电流有功分量二者乘积成正比。第一节

异步电动机功率及转矩方程第二节

异步电动机转矩—转差率曲线第三节

异步电动机工作特性第四节

异步电动机启动方法一.电磁转矩与转差率的关系——M-s曲线在电源电压额定的情况下，电磁转矩与转差率之间的关系就称为转矩转差率曲线，或曲线。由异步机等效电路：（8-10）（8-10）

M-s曲线时一条二次曲线，电动机运行段为s=1~0一段。⑴

s=1（n=0）时，M=Mst称为启动转矩。⑵当n=n1（s=0）时，M=0，此刻转子转速与气隙磁场同步，△n=0，所以e2=0，i2=0，称为理想空载运行状态。⑶当转差s=sm时，电动机产生最大电磁转矩Mm，通常sm=0.1~0.2。⑷电动机额定状态运行时，sN=0.02~0.05，对应的电磁转矩为额定转矩MN。二.最大转矩与启动转矩（8-11a）（8-11b）把sm代入（8-10）求得Mm：（8-11a）（8-11b）计及r1时，发电状态时Mm值要略大于电动状态时的Mm值。Mm的大小与以下因素有关：国家标准规定：一般三相异步电动机Km=1.6~2.2；起重、冶金专用异步电动机，Km=2.2~2.8。（8-13）（8-14）国家标准规定：一般异步电动机Kst=1.0~2.0；起重、冶金专用异步电动机要求启动转矩大的场合，Kst=2.8~4.0。三.异步电动机机械特性

转速n改变，电动机输出转矩M相应改变，其函数关系n=f(M)称为异步电动机的机械特性。机械特性处于第一象限时：0<s<1，0<n<n1为电动机运行状态，M、n均有正值，转子转速n与气隙磁场同步转速n1同向，M为原动转矩；机械特性处于第二象限时：s<0，n>n1，电磁转矩为负值，即制动性质，电磁功率也是负值，所以是发电状态；机械特性处于第四象限时：s>1，n<0

，电磁转矩为正值，但转速n反向，所以M为制动性质，是制动运行状态；异步电动机U1、f1均为额定值，定转子回路内不串入外电阻情况下获得的机械特性称为固有机械特性。改变外接电压，或者定转子回路串入外接电阻得到的机械特性称为人为机械特性。四.异步电动机运行的稳定性问题图8-9稳定运行条件分析恒转矩负载ML与电动机机械特性相交于A、B两点，该两点处均满足转矩平衡条件，然而A点是稳定运行点，而B点运行却不稳定。图8-9稳定运行条件分析第一节

异步电动机功率及转矩方程第二节

异步电动机转矩——转差率曲线第三节

异步电动机工作特性第四节

异步电动机启动方法异步电动机运行时，必须从电网中吸收滞后的无功功率，因此它的功率因数总是小于1的。空载时，功率因数很低，不超过0.2。当负载增大时，定子电流中有功电流部分增大，从而使增大，在额定负载附近有最高值。当负载继续增大，由于s值增大较多，会使转子功率因数角变大，从而又使变小。第一节

异步电动机功率及转矩方程第二节

异步电动机转矩——转差率曲线第三节

异步电动机工作特性第四节

异步电动机启动方法一.笼型异步电动机启动方法1.直接启动将电源与电动机直接接通，又称全压启动。（8-20）启动时，同时电抗也会减小，所以Ist=(5~7)IN。这样大的启动冲击电流引起供电网压降，从而会影响同一供电网上其他电动机的工作。同时：⑴

启动初s=1，转子回路功率因数角大，小，所以启动时转子有功电流小。⑵启动冲击电流引起的定子漏阻抗压降IstZ1很大，则电动势较小，对应的值比正常运行减小很多。所以最初启动转矩很小。2.降压启动⑴

定子绕组串入电抗器启动⑵自耦变压器启动⑶星形-三角形换接启动图8-15Y-△启动原理接线二.绕线型异步电动