三相感应电动机(电机拖动)

西安电子科技大学机电工程学院《电机与拖动》

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MultimediaInteractiveTeachingCourseware王卫东西安电子科技大学机电工程学院WangWeidongSchoolofElectro-MechanicalEngineeringXidianUniversity西安电子科技大学机电工程学院2概述交流电机电机直流电机鼠笼式

绕线式异步（感应）电机

同步电机他励并励串励复励西安电子科技大学机电工程学院34.1三相异步电机的基本工作原理与结构4.2*交流电机的电枢绕组4.3三相异步电机转子静止时的运行分析4.4三相异步电机转子转动时的运行分析4.5三相电动机的功率和转矩4.6三相异步电动机的工作特性4.7三相异步电动机的参数测定课后作业第四章三相异步电动机西安电子科技大学机电工程学院4交流电机主要包括异步电机(感应电机)和同步电机两大类；两类电机在结构上既具有共同之处，又各有其自身特点。共同之处在于定子铁心和绕组，不同之处在于转子结构和绕组。三相感应（异步）电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。工业应用：拖动电机、泵、压缩机、轧钢设备、机床、轻工矿山机械等农业应用：水泵、拖拉机、及其他农副产品的加工机械。民用电器：电扇、洗衣机、电冰箱、空调等（单相异步）

优点：结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、效率高等。

缺点：功率因数低、异步电机运行时必须从电网中吸收滞后性的无功功率，功率因数总小于1。同步电动机功率因数可调，对单机容量大，转速恒定的机械，一般采用同步电动机拖动。4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构西安电子科技大学机电工程学院5同步电机同步电机西安电子科技大学机电工程学院6异步电机异步电机西安电子科技大学机电工程学院7一、三相异步电动机的基本工作原理1、简化结构YBZXAC转子定子定子绕组（三相）机座转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势和电流。三相定子绕组：产生旋转磁场线绕式鼠笼式鼠笼转子西安电子科技大学机电工程学院82、旋转磁场的产生AYCBZ(•)电流出()电流入X对称三相电流各相电流瞬时表达式为：西安电子科技大学机电工程学院9分析－1：AXYCBZAXBYCZ规定：电流为正值时，从每相线圈的首端(A、B、C)流入．由线圈的末端(x、y、z)流出。合成磁场方向：向下西安电子科技大学机电工程学院10分析－2同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向：西安电子科技大学机电工程学院11旋转磁场旋转磁场是一种极性和大小不变，且以一定速度旋转的磁场在对称三相绕组中流过对称三相电流时，即会产生旋转磁场动画西安电子科技大学机电工程学院124、旋转磁场的转速大小一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°如右图所示情况：电流频率为f[Hz]，则磁场每秒旋转f圈。每分钟旋转：n1=60fn1称为同步转速西安电子科技大学机电工程学院135、极对数的概念——pAXYCBZAXBYCZ上面所分析的情况，合成磁场只有一对磁极——则极对数为1，即：p=1西安电子科技大学机电工程学院14极对数（p）的改变将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYCZ西安电子科技大学机电工程学院15分析－1：极对数C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'西安电子科技大学机电工程学院16分析－2：同步转速西安电子科技大学机电工程学院176、工作原理定子上有三个完全相同的绕组AX，BY，CZ，空间上相差120°电角度，称为三相绕组，三相绕组可以接成星形－Y形，也可接成三角形－△形，转子槽内放有导条，导体两端用短路环互相连接起来，形成笼型闭合绕组。三相笼型感应电动机示意图西安电子科技大学机电工程学院18定子磁场与转子西安电子科技大学机电工程学院19工作原理旋转的气隙磁场用磁极S和N表示并假设转向为逆时针，旋转磁场切割转子导体，转子导体中感应电动势e2=

BlDv。e2的方向用右手定则判定，（磁场逆时针，相当于转子导体顺时针），在闭合转子绕组中产生电流i2

电流i2

与气隙磁场相互作用，使导体受到电磁力f＝Bli，

f

的方向由左手定则判定。f将产生力矩Tx=fD/2,(D为转子外径),所有的转子导条所产生的力矩之和即为转轴所受的电磁转矩T

，方向与旋转磁场转向一致.

西安电子科技大学机电工程学院20工作原理在电磁转矩的作用下，转子就会沿着n1的方向转起来。即使轴上不带任何负载，转子也不可能加速到与n1相等如果负载增加而使Tz>T时,转子减速,当n降低到使T增至T=Tz时,达到新的平衡,转子以更低转速稳定运行.Tz越大n越低。西安电子科技大学机电工程学院21电动机的驱动转矩是电磁转矩T

,方向与转子方向一致,由于产生电磁转矩的转子电流是靠电磁感应作用产生的，所以称感应电动机由于转子转速始终低于同步转速，即n与n1之间必须存在差异,因而又称异步电机。转差的存在是感应电机运行的必要条件转差率：转差率是感应电机的一个基本参数,对电机运行有着极大的影响。普通感应电动机,为了使得运行时的效率较高,通常设计使得其额定转速略低于它的同步转速，即额定转差率SN很小，小于5%西安电子科技大学机电工程学院22例题：某三相50[Hz]感应电动机，nN=720[r/min],求：额定转差率和极对数解：n1必为比nN略高的750[r/min]。西安电子科技大学机电工程学院23二、三相异步电机的结构三相笼型异步电机的结构示意图

它主要由定子和转子两大部分组成，定子转子间是间隙，此外还有端盖、轴承、机座，风扇等部件。西安电子科技大学机电工程学院241.定子

定子铁芯作为电机主磁通磁路的一部分，并安放定子绕组为减少涡流磁滞消耗，定子铁芯采用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。西安电子科技大学机电工程学院251.定子定子绕组：建立磁场，感应电动势以实现机电能量转换其在槽内可以是单层，也可以是双层布置。三相绕组的六个端点引出机外，根据需要可接成Y型、△型，对于高电压大中型容量的异步电动机定子绕组采用Y型联结，只有三根引线，中小容量低电压的电动机，通常把六根都引出来。西安电子科技大学机电工程学院261.定子机座、端盖等是辅助部件，也是不可缺少的。西安电子科技大学机电工程学院272.转子转子铁芯也是组成主磁路的一部分，并安放转子绕组，也用硅钢片迭压而成。西安电子科技大学机电工程学院282.转子转子绕组产生感应电动势流动电流并产生电磁转矩，结构可分为：鼠笼式绕线式三相绕组：小容量采用△连接，中大容量Y型连接，转子绕组三条引线分别接到三个集电环上，用一套电刷装置引出可外接电阻或其他装置串到转子绕组中------用于调速。西安电子科技大学机电工程学院293.其他附件电机轴西安电子科技大学机电工程学院304.气隙定子与转子的气隙比同容量直流电机的气隙小的多，仅为0.2-1.5mm。气隙大小对电动机的性能影响很大：大：功率因数变差小：装配困难。运行不可靠高次谐波磁场增强。

西安电子科技大学机电工程学院31引线

三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电机的定子部分完全相同。对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D联结Y联结西安电子科技大学机电工程学院32四、铭牌及额定值★铭牌：型号，额定值，绕组联结方式，生产厂家等。型号举例：Y132S-4Y--异步电动机；132--机座中心高度132mmS--短铁心；4-极数。额定值:正常运行时的主要数据指标。绕组联结方式：△接法或者Y接法。西安电子科技大学机电工程学院33四、铭牌及额定值⑴额定功率-,指额定工况下，从轴上输出的机械功率⑵额定电压-,指额定工况下，定子绕组出线端的线电压⑶额定电流-,指在额定电压额定频率下，轴上输出额定功率时，定子绕组中流过的线电流⑷额定频率-,国家工频50Hz⑸额定转速-

铭牌上还标明，定子绕组相数、绕组接法以及绝缘等级绕线式还有转子绕组接法，转子额定电压和电流等

额定运行时的效率额定运行时的功率因数西安电子科技大学机电工程学院34五、异步电动机的分类1、按定子绕组供电电源的相数单相异步电动机两相异步电动机三相异步电动机在民用生活中，电扇、洗衣机、电冰箱和空调器等一般由单相异步电动机来拖动。三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，例如：风机、泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械、农业生产中的脱粒机和粉碎机、农副产品中的加工机械等等。西安电子科技大学机电工程学院352、按转子绕组的结构型式分绕线式感应电动机起动、制动及调速性能好笼型感应电动机：单笼、双笼和深槽式三种结构简单、制造容易、成本低、运行可靠鼠笼型异步电动机绕线型异步电动机西安电子科技大学机电工程学院36一、交流绕组（几个概念）1、分类

相数：单相、两相和三相

槽内层数：单层、双层和单双层混合

双层绕组可分为迭绕和波绕

单层绕组可分为等元件式、同心式、链式和交叉式等等。按每极每相槽数可分为：整数槽和分数槽绕组4.2交流电机的电枢绕组*西安电子科技大学机电工程学院372、几个术语（1）线圈（绕组元件）：是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈按一定规律将单匝线圈或多匝线圈排列和联结而成。与线圈相关的概念包括：有效边；线圈节距西安电子科技大学机电工程学院38导体－单匝线圈－多匝线圈－相绕组1根导体多匝线圈相绕组单匝线圈(两根导体)西安电子科技大学机电工程学院39★极距两相邻磁极轴线之间的距离用长度表示：用槽数表示：D为定子内径，Z1为定子的总槽数，p为极对数西安电子科技大学机电工程学院40★电角度转子铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360度。从电磁角度看，一对N-S极构成一个磁场周期，即1对极为360电角度电机的机对数为p时，气隙圆周的角度数为p×360电角度。西安电子科技大学机电工程学院41★节距-1一个线圈两个有效边之间所跨过的槽数称为线圈的节距，用y表示。y<τ时，线圈称为短距线圈；y=τ时，线圈称为整距线圈；y>τ时，线圈称为长距线圈。西安电子科技大学机电工程学院42★槽距角，相数，每极每相槽数，相带一个槽所占的电角度数称为槽距角，用α表示：相数用m表示，m=3每极每相槽数指每个极域内每相所占的槽数，用q表示：

相带指在每个极距内同属于一相的槽在圆周上连续所占有的区域西安电子科技大学机电工程学院43二、交流绕组的构成原则每极槽数用极距τ表示：

每极每相槽数：

如线圈的一个边在N极下，则另一个应在S极下。均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等：对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开120电角度。如槽距角为α，则相邻两相错开的槽数为120/α

电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。

西安电子科技大学机电工程学院44三、三相单层整距绕组（举例）单层绕组在每一个槽内只安放一个线圈边总线圈数等于总槽数的一半。举例：

总槽数Z1＝24，极对数p=2，相数m1=31、计算参数2、划分相带

平面上画出24根线表示定子的z1=24个槽，并标出1,2,3…编号

q=2共有12个相带，按AZBXCY的顺序依次给12个相带命名。西安电子科技大学机电工程学院45相带表槽号1,23,45,67,89,1011,12相带名A1Z1B1X1C1Y1槽号13,1415,1617,1819,2021,2223,24相带名A2Z2B2X2C2Y2西安电子科技大学机电工程学院46图示：ABCXYXABCZYZN1S1N2S2定子槽数Z=24，极数2p=4的交流绕组每极每相槽数qq=1：集中绕组q=2~6：分布绕组一对极下，顺序为AZBXCY若电流从A进,则从X出;方向相反,故AX互差180°电角度西安电子科技大学机电工程学院47三相单层迭绕组的展开图如图所示画出A相绕组的联接形式同理画出B相和C相绕组联接形式。最后将三相绕组联接成Y形或△形。西安电子科技大学机电工程学院48三相单层绕组的改进形式为了缩短端部连线，节省用铜或者便于嵌线，在实际的应用中，单层绕组常采用以下几种改进的形式。同心式链式西安电子科技大学机电工程学院49补充：时空相量图时间相量图：根据电路原理、凡随时间作正弦变化的物理量(如电动势、电压、电流、磁通等)，都可以用一个以其交变角频率作为角速度而环绕时间参考轴(简称时轴t）逆时针旋转的时间矢量(即相量)来代替。该相量在时轴上的投影即为缩小倍的该物理量的瞬时值。单时轴多相量表示法：在电机中，往往是对称的多相系统。例如对称三相电流iA、iB和iC如果采用一根公共的时轴t，用三根互差120度的相量IA，IB，IC才能表示此三相电流——这就是通常说的单时轴多相量表示法。西安电子科技大学机电工程学院50多时轴单相量表示法为了减少相量的数目——采用多时轴单相量表示法，即每相的时间相量都以该相的相轴为时轴，而各相对称的同一物理量用一根统一的时间相量来代表。如图，只用一根统一的电流相量I1即可代表定子的对称三相电流。可证明，I1在各相相轴上的投影即为该时刻该相定子电流瞬时值的倍。西安电子科技大学机电工程学院51空间相量图：西安电子科技大学机电工程学院52统一的时空相量图：将时间相量和空间相量联系起来，画在一张矢量图中——交流电机中的常用的时空相量图。鉴于时间相量与空间相量的旋转频率一致，即对于任意时刻各矢量（相量）的相位关系不变西安电子科技大学机电工程学院53时空相量图画法规则：以各相绕组的轴线（其正方向与该绕组电流正方向符合右手螺旋关系）作为该相的时间相量的时轴；各相对称的同一物理量可以用一根统一时间相量来代替；统一时间相量在各相轴上的投影即等于该相物理量的瞬时值的倍。在时空相量图中，统一电流相量与由该对称电流所建立的基波磁动势矢量同相；而基波磁密矢量与由它在对称多相绕组中所交链的统一磁通相量同相。在时空相量图中，如果不计铁耗，基波磁密矢量与产生它的基波磁动势矢量同相；若考虑铁耗，则落后于一个铁耗角。根据统一相量，，空间矢量，及电机的基本方程式，可以画出其他相（矢）量。西安电子科技大学机电工程学院544.3三相异步电机转子静止时的运行分析分析方法：由简到繁，由易到难。先从转子不转时进行分析，再分析转子旋转的情况。先讨论绕线式异步电动机，再讨论鼠笼式异步电机。假设：感应电机定子和转子绕组均为对称多相绕组相数：m1和m2匝数：N1和N2基波绕组系数：kw1和kw2极对数：p1=p2下面以m1=m2=3的绕线式电动机为例进行分析。转子不转且转子绕组开路时的电磁关系西安电子科技大学机电工程学院55一、磁通与磁动势定子对称三相绕组外施频率为,相序为A-B-C,相电压为的对称三相电压,定子绕组中就有对称的三相电流通过,其正方向如图所示。定子绕组在气隙中建立的圆形基波旋转磁动势F0幅值:转向：A-B-C逆时针旋转相对定子转速为瞬间位置：与同相。三相感应电动机运行示意图1.励磁磁动势西安电子科技大学机电工程学院562.磁通主磁通：通过气隙同时链着定、转子两个绕组的磁通定子漏磁通：只交链定子绕组本身的磁通旋转气隙每极主磁通在定、转子绕组中感应的电动势（相电动势）变比二、感应电动势西安电子科技大学机电工程学院57三、励磁电流四、电压方程式定子一相绕组的漏阻抗j西安电子科技大学机电工程学院58五、等效电路定子边的电动势平衡方程为等效电路为与三相变压器副绕组开路一样西安电子科技大学机电工程学院59假设：感应电机定子和转子绕组均为对称多相绕组相数：m1和m2匝数：N1和N2基波绕组系数：kw1和kw2极对数：p1=p2下面以m1=m2=3的绕线式电动机为例进行分析。转子堵转时的电磁关系西安电子科技大学机电工程学院60一、磁通与磁动势定子对称三相绕组外施频率为,相序为A-B-C,相电压为的对称三相电压,定子绕组中就有对称的三相电流通过,其正方向如图所示。定子绕组在气隙中建立的圆形基波旋转磁动势F1幅值:转向：A-B-C逆时针旋转相对定子转速为瞬间位置：与同相。三相感应电动机运行示意图西安电子科技大学机电工程学院61物理情况分析：由在气隙中产生基波旋转磁场,在定子绕组中分别感应出电动势为和,由于转子绕组自行闭合,所以在作用下转子绕组中就有对称三相电流通过，其正方向如图示。转子对称三相电流也要建立一个圆形基波旋转磁动势,其幅值:对产生它的转子绕组的转速:,式中为转子电流频率。由于转子被堵住,气隙基波磁场以同一个转速切割转子绕组,所以在定子绕组中感应电动势的频率相同,即:西安电子科技大学机电工程学院62物理情况分析：转速大小：转子静止时的转子基波磁动势跟定子基波磁动势在空间上转速相等。转速方向：转子三相感应电动势的相序为a-b-c,逆时针(转子)与转向一致。F1和F2同步旋转，可以矢量相加而成一个合成基波磁动势Fm,从而:当转子电流，气隙基波磁密由与的合成磁动势所建立,称之为励磁磁动势。为了分析方便，我们假设这个基波励磁磁动势是由定子对称三相电流中的分量流过对称的三相绕组所建立的，称为励磁电流，其大小由所决定:西安电子科技大学机电工程学院63二、转子堵转时的三相感应电动机的基本方程式根据时空相量图和感应电机的电流变化可见当时,定子电流包含两个分量:一个是励磁电流分量用于建立，以便在气隙中建立磁场，另一个是负载电流分量,用来建立磁动势，来抵消转子磁动势的，使气隙磁场保持不变.感应电机不变。空载时，。1.磁动势平衡方程式的电流形式西安电子科技大学机电工程学院64根据运行示意图可得：转子自行闭合：转子回路电流：功率因数角：2.电动势平衡方程式定子一相绕组的漏阻抗转子静止时转子一相绕组的漏阻抗西安电子科技大学机电工程学院65

仿照变压器：将感应电动机中由定子的励磁电流产生气隙合成基波磁动势,建立气隙基波磁场及主磁通,从而在定子绕组中感应电动势的电磁过程,用定子的励磁电流在阻抗上的压降来代表,即:3.主电动势表达式电动势变比励磁阻抗励磁电阻励磁电抗和西安电子科技大学机电工程学院66rm反映铁耗大小：不计铁耗rm=0，则：基本方程式组：基本方程式组：西安电子科技大学机电工程学院67转子堵转时的时空相量图：时空相量图：某时刻的Fm如图所示Bm落后Fm一个铁耗角与Bm相位重合E1和E2都滞后与90度I2滞后于E2为F2与I2同相通过F2和Fm可推出F1

转子堵转的三相异步电机与三相变压器副边短路的情况相类似F2在空间的位置只与j2有关，与q12无关西安电子科技大学机电工程学院68转子静止时的电磁关系如下图：西安电子科技大学机电工程学院69三、转子绕组的折算通常这给计算和绘矢量图带来不便，无法画等效电路图。仿照变压器的折算方法，将实际转子用一个相数、每相串连匝数以及基波绕组系数等都与定子绕组完全相同的等效转子来替代，并保持电磁本质不变——称为转子绕组的折算。原因：方法：西安电子科技大学机电工程学院70折算转子电流的折算值（基波磁动势不变）转子电动势的折算值（磁通不变）转子阻抗的折算值（功率不变）西安电子科技大学机电工程学院71基本方程式电路图西安电子科技大学机电工程学院724.4三相异步电机转子转动时的运行分析一、转子转动时的物理情况

将堵转转子的机构松开，转子就会在Bm的作用下带动一定的机械负载沿Bm的旋转方向以低于n1的转速n稳定运转。转子转动时的转子频率气隙磁场Bm以Dn=n1-n=Sn1的相对速度沿n1的方向切割转子,则Bm在转子绕组中的感应电动势频率为:西安电子科技大学机电工程学院73定、转子磁动势及其关系（3）合成旋转磁动势幅值：转向：逆时针方向旋转转速：定子旋转磁场与转子旋转磁场同步旋转同一磁路上的两个同步旋转的磁动势叠加（1）定子旋转磁动势F1（与转子不转时一样）（2）转子旋转磁动势F2F2幅值：F2转向：abc，逆时针方向旋转F2瞬间位置：F2与I2始终重合，在时空图上同相。F2转速(相对于转子)：相对定子n2=n+n2s=n1西安电子科技大学机电工程学院74转子感应电动势：转子回路电压方程：转子漏电抗：转子感应电动势当转子以不同的转速旋转时，转子的漏电抗是个变数，与转差率成正比变化。?不等频率不同由于频率不同，所以：西安电子科技大学机电工程学院75二、频率折算把以转速n稳定运行的感应电机的转子实际频率f2，用其定子频率f1

来代替，而保持代替前后电机的电磁本质不变，即：从电网输入的电流,有功功率和无功功率不变通过电磁感应而传递给转子的功率不变从轴上输出的功率也不变这种处理方法称为感应电机的频率折算。转子电流:转子漏阻抗角:分析：原理：西安电子科技大学机电工程学院76如果将转差率为S的实际转动转子堵住,且在每相中串入电阻,则转子回路每相电阻变为：，由前面转子堵转时的分析可得：显然处理后的等效静止转子的电流I2及其漏抗角与实际转动转子的电流I2S及其漏抗角相等，因此F2=F2S。对一个转差率为S的实际转动的三相感应电动机,可以将其当作转子静止不动的状态来分析.只要在其转子每相回路中增加一个附加电阻，使其转子每相电阻从实际值变成即可。分析：方法：西安电子科技大学机电工程学院77等效前：转子本身电阻的铜耗：总机械功率：等效后：静止的转子没有机械功率，但其转子回路的铜耗变成了：

等效静止转子附加电阻上的功率实质上就是表征实际转子的总机械功率。由于附加电阻是转差率S的函数，因而它可以直接反映机械负载的大小以及感应电机的运行状态。例：当n>n1且转向相同时，S<0，则，表示这时该机从轴上输入机械功率，不是电动状态。阐述：关于附加电阻西安电子科技大学机电工程学院78基本方程式相量图三、感应电动机的相量图西安电子科技大学机电工程学院79四、感应电动机的等效电路图T型等效电路附加电阻

等效负载西安电子科技大学机电工程学院80空载等值电路开路起动、堵转等值电路短路西安电子科技大学机电工程学院81如下图：简化等效电路西安电子科技大学机电工程学院82五、鼠笼型转子感应电动机*每相邻两根导条电动势（电流）相差的电角度与它们相差的空间角度相同。m2根鼠笼条产生m2相对称的感应电动势和电流，得到圆形旋转磁动势，与绕线式转子磁场一样，极数与定子相同。电磁关系与绕线式异步电动机相同。西安电子科技大学机电工程学院83西安电子科技大学机电工程学院84西安电子科技大学机电工程学院854.5三相电动机的功率和转矩一、感应电动机的功率功率关系感应电动机从电源吸收的有功功率通过电磁感应而进入转子的电磁功率西安电子科技大学机电工程学院86感应电动机的功率平衡方程式由T型等值电路可知，进入转子回路的电磁功率轴上输出的机械功率为：总损耗为：西安电子科技大学机电工程学院87分析：感应电动机的效率为

转子铜耗及总机械功率还可以表示为若n1及PM不变，

则电磁功率、转子铜耗和总机械功率三者之间的定量关系为：西安电子科技大学机电工程学院88示意图分析：T型等效电路西安电子科技大学机电工程学院89二、感应电动机的转矩带动负载的