第八章异步电机的启动和制动

第八章异步电机的启动和制动第1页，共89页，2023年，2月20日，星期三3、分类：单相电动机（1）按定子相数分两相电动机三相电动机①绕线式异步电动机（2）、按转子结构分②鼠笼式异步电动机 ③单鼠笼、双鼠笼，深槽式。①无换向器异步电动机（3）按有无换向器分②换向器异步电动机此外，还有高压异步机、低压异步机；高起动转矩、高转差率、高转速等。异步电动机还可作为发电机使用，或用于风力发电等特殊场合。给边远山区等无电区提供电力。第七章异步电动机原理第2页，共89页，2023年，2月20日，星期三图7.1是一台鼠笼式三相异步机的结构图定子：机座、定子铁芯和定子绕组。绕组有六根引出线，可换接成Y或△组成：转子：转子铁芯、转子绕组和转轴转子绕组鼠笼,绕线式，也有三相，可接成（大容量接成△）（小容量接成Y)气隙：中小型异步机中，一般只0.2～1.5mm端盖:7.1.2、三相异步电动机的结构：

（针对无换向器的三相异步机）第七章异步电动机原理第3页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理第4页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理图7.2是一台鼠笼式三相异步机的定子铁心图7.3是三相异步机的定子槽结构第5页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理第6页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理图7.7是一台鼠笼式三相异步机的转子外形图第7页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.1.3、异步电动机的结构形式：

根据不同的冷却方式和保护方式、开启式：防护式：防止外界杂物落入内部，并能防止45°方向的水滴，铁屑掉入电机内部，风冷封闭式：与外部空气隔开，采用风冷（设计散热好）防爆式：内部和外界的易燃、易爆气体隔开，全封闭异步机分第七章异步电动机原理第8页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.1.4、异步机的铭牌数据：第七章异步电动机原理例：Y系列三相异机表示如下：

Y100L1-21、型号：采用大写的印刷体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，再用该汉字的第一个拼音字母组成。我国生产的常见产品系列：P212-213异步机机座长度代号铁芯长度代号极数机座中心高第9页，共89页，2023年，2月20日，星期三2、额定值：包括：（1）额定功率PN：额定运行时轴上输出的机械功率（KW）（P2）（2）额定电压UN：额定运行时加到定子绕组上的线电压。（V）（3）额定电流IN：指电动机加f1的UN，轴输出PN时，定子绕组中的线电流。（A）（4）额定f1：我国规定为50HZ。（定子），（转子为f2）（5）额定转速nN：指电动机加f1的UN，轴输出PN时的转速(r/min)（6）额定功率因数cosΦ:指电动机在额定负载时，定子边的功率因数。（7）绝缘等级与温升：绝缘等级：是指绝缘材料的耐热能力，分B、E、F、…….,温升是指电动机运行时高出周围环境温度值。我国规定：环境温度为40°。允许温升越高，说明绝缘材料的耐热能力越好.电机的线负荷若高的话，可缩小电机的体积。 第七章异步电动机原理第10页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理电动机的额定输出转矩可由额定功率、转速计算即：

T2N=9550

PNnN（N·m）（r/min）（KW）

此外，铭牌上还标明了工作方式，连接方法等，对绕线式异步电机还有转子参数等等。第11页，共89页，2023年，2月20日，星期三关于电机引出线的接法：（根据铭牌标注）（1）当电动机铭牌上标明“电压380V/220V，接法Y/△”时，其接法要看电源电压的大小如果电源电压为380V，则接成Y,如果电源电压为220V，则接成△.（2）当电动机铭牌上标明“电压380V，接法△”时，则只有一种△接法，但电动机起动过程中，可以接成Y接法，接到380伏电源上启动,待启动完毕后恢复△接法.对高压电机，往往只有三根引出线。只要电源电压符合电动机铭牌电压值，便可使用。第七章异步电动机原理第12页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.1.5、异步电动机的工作原理：如图7.8所示：第七章异步电动机原理U2U1W2V1W1V2转子旋转后，转速为n，只要n＜n1，转子导条与磁场仍有相对运动，就会产生与转子不转时相同方向的电动势，电流及电磁力，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。→载流导体在磁场中受力的作用f〈方向用左手定则〉→产生转矩T〈便是电磁转矩〉，电磁转矩的方向与旋转磁通势同方向，转子便在该方向旋转起来。定子接三相电源后→电机内形成圆形旋转磁通势（方向为逆时针转）→由于转子与旋转磁密有相对运动，所以转子导条中有感应电势e（方向由右手定则确定）→由于转子导体端部短接即闭合，所以转子有电流（方向同e的方向）第13页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.2.1规定正方向：（a）中：磁通势，磁通和磁密是从定子出来进入转子为正方向。定、转子空间坐标轴的纵轴都选在A相绕组的轴线处，A1（定）A2（转）为简单起见，设+A1与+A2两轴重叠在一起。第七章异步电动机原理正常运行的异步机转子总是旋转的，但是为了便于理解，先从转子不转时进行分析，最后再分析转子旋转的情况。先讨论绕线式：7.2三相异步机转子不转，转子绕组开路时的电磁关系：图7.9，转子绕组开路时三相绕线式异步机的正方向。图（b）中：U1.E1.I1分别为定子相电压，相电动势，相电流，箭头方向为正方向、U2.E2.I2分别为转子相电压，相电动势，相电流，箭头方向为正方向.●●●●●●第14页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理7.2.2磁通及磁通势：一、励磁磁通势：三相异步机的定子绕组接到三相对称电源上，定子绕组就会有三相对称电流，将产生合成旋转磁通势F0。其特点为:其①幅值为：②转向：由电流的相序决定，如果电流相序为A1→B1→C1，则F0的转向是从+A1→+B1→+C1，即逆时针方向③转速：ω1=2πn1/60（rad/s）④瞬间位置：F0应画在+A1轴后面90°空间电角度的地方。

F0＝W1kw1I0P4π2232第15页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理I0●E1●E2●+j(a)E1●E2●+j+A1,+A2I0●Bδ●F0●(c)I0●+A1,+A2Bδ●(b)图7.10励磁电流、励磁磁通势以及定、转子绕组电动势向量图若把时间参考轴+j与空间坐标轴+A1+A2三者重叠在一起，则如图(c)图(a)为时间相量图.图(b)为空间向量图.而三相绕组的F合已在第六章中讲述(如图6.28)。第16页，共89页，2023年，2月20日，星期三图6.28三相六个旋转磁通势的合成ωFA’·FA’’·FB’·FC’·ωωωFC’’·FB’’·α=0°+Aα=240°+Cα=120°+B第七章异步电动机原理第17页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理

转子开路的三相异步电动机，相当于一台付边开路的三相变压器，其中定子绕组是原绕组，转子绕组是付绕组，只是异步电机定，转子铁心中多了一个空气隙磁路而已。●●●●

转子由于开路，绕组无电流，当然不会产生转子磁通势。这时作用在磁路上只有定子磁通势F0，于是F0就要在电机的磁路里产生磁通。故F0也叫励磁磁通势，I0叫励磁电流。●●●●第18页，共89页，2023年，2月20日，星期三二、主磁通与定子漏磁通：第七章异步电动机原理主磁通：励磁磁通势F0产生的磁通，通过气隙同时链着定、转子两个绕组的磁通叫～(气隙每极主磁通用φ1表示)漏磁通：不链转子而只链定子绕组本身的磁通叫定子绕组漏磁通,用φs1表示.第19页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理φ1所对应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波，用空间向量表示时为Bδ，Bδ是气隙磁密的最大值，Bδ的位置在最大值处。如果不考虑主磁路里磁滞、涡流的影响，Bδ应与F0同方向。●●●●●气隙每极主磁通:

φl=Bδτl式中:Bδ是气隙平均磁密，τ是定子极距，l为轴向有有效长度。2π2π第20页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理7.2.3感应电动势设每极主磁通Φ1在定、转子绕组中感应电动势的有效值分别为E1和E2，则：E1=4.44f1w1kw1Φ1E2=4.44f1w2kw2Φ1定、转子每相电动势之比为：ke==(亦叫电压变比)w1kw1w2kw2E1E2通过第六章的分析可得出：E1和

E2同相位，但气隙磁密Bδ领先两电动势相量90°。其时空向量图如右：●●Bδ●E1●E2●+j+A1,+A2第21页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理7.2.4励磁电流：其向量如图7.12为了分析问题方便，采用折合算法把转子绕组向定子边折合，即把w2kw2看成和定子的w1kw1一样，则转子绕组的每相感应电动势==ke

E1●E2’●E2●与变压器一样，电动机的励磁电流I0也由有功分量I0a和无功分量I0r组成。即：I0

=I0a+

I0r●●●●Bδ●E1●E2●F0●I0●I0a●I0r●+j+A1,+A2

第22页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理由图可见：在时空向量图上，F0与I0相位相同，I0r与Bδ相位一样，I0和F0领先Bδ一个不大的角度。●●●●●●●Bδ●E1●E2●F0●I0●I0r●I0a●+j+A1,+A2

第23页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理7.2.5电压方程式：

根据图7.9（b）所示正方向，定子一相回路的电压方程式为：U1=-E1+I0r1-Es1=-E1+I0r1+jI0x1

=-E1+I0（r1+jx1）=-E1+I0Z1●●●●●●●●●●●式中：Z1=r1+jx1为定子一相绕组的漏阻抗Es1=-jI0x1（Es1为定子漏电动势），可看成定子电流I0在漏电抗x1上压降。●●●●其相量图如7.13综上所述，异步电机转子开路时的电压方程式以及相量图,与三相变压器付边绕组开路时的情况完全一样。图7.13E1●E2●jI0x1●I0●I0r1●Φ0

U1●-E1●第24页，共89页，2023年，2月20日，星期三于是定子一相电压平衡等式为：7.2.6等值电路：第七章异步电动机原理三相异步机转子开路时的等值电路与三相变压器空载时一样。如用（励磁电流）在励磁阻抗Zm上的压降表示-，则-=（rm+jxm）=Zm式中:rm叫励磁电阻，为等效铁损耗参数；xm叫励磁电抗I0●I0●E1●I0●E1●U1=-E1+I0（r1+jx1）

=I0（rm+jxm）+I0（r1+jx1）=I0（Zm+Z1）●●●●●●转子回路电压方程式为：U2=E2●●其等值电路为（P219图7.14）图7.14转子绕组开路时异步电机的等值电路￠￠r1rmI0·U1·jX1jXmE1=E2

··’第25页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.3三相异步电动机转子堵转时的电磁关系：第七章异步电动机原理1、磁通势：7.3.1磁通势与磁通图中转子短路、并堵转，定子接额定电压，各量的正方向如图。●图7.15转子绕组短路并堵转的三相异步电机￠A1I1·U1·E1

·￠￠C1B1定子●A2I2·E2

·C2B2转子●第26页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理①幅值：F2＝W2kw2I2P4π2232（1）转子：由于转子短路，所以转子线电压=0，相电压也为0，即U2=0,但感应电势E2≠0，所以I2≠0（三相对称）在三相对称的转子绕组里流过三相对称电流I2时，就产生转子空间旋转磁通势F2，其特点为：····②转向：假设气隙旋转磁密Bδ逆时针方向旋转，在转子绕组里感应电动势及产生I2的相序为A2→B2→C2，则F2也是逆时针方向旋转的.即从+A2→+B2→+C2（A相轴线处→B相轴线处→C相。。。）···③转速：相对于转子绕组的转速为同步转速。n2＝＝＝n1ω2＝2πPn2/60

＝ω160f2p60f1p第27页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理④、瞬间位置：图7.15，I2为A2相绕组里的电流，当I2达正最大值时，F2应转到A2相绕组的轴线处，即+A2处···可见，画时空向量图时，应使磁通势F2与I2重合，如图7.16··Bδ●+j+A1,+A2

90°+Φ2ω2F0·●F1-F2·E2●●I2Φ2●F2图7.16转子堵转时转子电动势、电流以及磁通势的时空向量图第28页，共89页，2023年，2月20日，星期三②转向：逆时针方向旋转第七章异步电动机原理（2）定子：异步机转子堵转时（转子绕组短路），定子边电流不再是I0，而是I1。（与三相变压器付边短路时一样）由I1产生的空间旋转磁通势用F1表示，叫定子旋转磁通势。··●●①幅值：F1＝W1kw1I1P4π2232·★F1的特点：③转速：相对于定子绕组的角频率为ω1，用机械转速表示为n1·④瞬间位置：当定子A1相电流I1达正最大值时，F1应在A1相绕组的轴线处，画向量图时，F1应与I1重合。··●第29页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理综上所述：转子绕组短路的三相异步机，作用在磁路上的磁通势有两个，一个为定子旋转磁通势F1；另一个是转子旋转磁通势F2。它们的旋转方向相同，转速相等，只是一前一后的旋转着。我们称它们为同步转速。·●其合成磁通势:F0=F1+F2····F0是产生气隙每极主磁通Φ1的磁通势。

Φ1在定、转子相绕组里感应电动势E1和E2。这与转子开路时情况不一样。····第30页，共89页，2023年，2月20日，星期三2、漏磁通：

第七章异步电动机原理同样，转子电流I2也要产生漏磁通，表现的电抗为x2（一相），同定子，x2=常数.定子电流所产生的漏磁通，表现的漏电抗仍为x1，由于漏磁路一般是线性的，所以x1为常数。以上说x1、x2为常数是指一般情况，但当电动机是直接起动时，由于起动电流很大，约为（4～7）IN，这时定、转子的漏磁路也会出现饱和现象，使x1、x2变小。在异步电动机里，把磁通分为主磁通和漏磁通的方法与变压器的分析方法是一样的。但要注意：变压器中的主磁通φ是脉振磁通，φm是它的最大振幅；在异步机中，气隙里主磁通φ1却是旋转磁通，它对应的磁密波沿气隙圆周方向按正弦分布，以同步速n1相对于定子在旋转。转子漏磁通第31页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.3.2定、转子回路方程：第七章异步电动机原理转子：0

=-E2－I2（r2+jx2）

=E2－I2Z2●●●●漏阻抗电压方程式●I2=

=e-jφ2●E2r2+jx2r22

+x22E2转子相电流:转子绕组回路功率因素角φ2=arctgx2r2上式E2、I2、X2等的频率f2=f1，即与定子同频率，转子电流I2滞后电动势(E2)φ2时间电角度，而与F2同方向。请看图7.16.··●·●Bδ●+j+A1,+A2

90°+Φ2ω2F0·●F1-F2·E2●●I2Φ2●F2图7.16转子堵转时转子电动势、电流以及磁通势的时空向量图图7.15A2I2·E2

·C2B2转子●第32页，共89页，2023年，2月20日，星期三定子：第七章异步电动机原理U1=-E1+I1（r1+jx1）

●●●回路电压方程式：●●（与转子绕组开路相似）（只是I0→I1）已知合成磁通势:F0=F1+F2···则:F1=F0+(-F2）···可理解为：F1里包含两个方量：●故此，定子电流就变成了I1●●①大小等于F2，而方向与F2相反，其作用是抵消转子旋转磁通势F2对主磁通的影响。②F0为励磁磁通势：用来产生气隙磁密Bδ●●●●第33页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.3.3、转子绕组的折合：

第七章异步电动机原理

异步机定、转子之间没有电的联接，只有磁的联系。这与变压器类似。★折合依据：对异步机而言，从定子边看转子，只有F2与定子旋转磁通势F1起作用，只要维持F2的大小、相位不变就可以了，至于转子边的电势，电流及每相串联的匝数是多少无关紧要。根据这一点，我们设想：把实际电动机的转子抽出，换上一个新的转子，它的相数，每相串联匝数以及绕组系数都分别和定子一样，这时在新换的转子中，每相的参数用E2’、I2’

、Z2’

=r2’

+jx2’

表示，但由于F2仍和原转子产生的一样，所以在新转子中产生的旋转磁通势F2并没有改变，所以不影响定子边。●●●●●●●第34页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理根据定、转子磁通势的关系：F1+F2=F0···可以写成：I1+I2＝I042W1kw12π2P42W2kw22π2P42W1kw12π2P●●●●42W1kw12π2Pm242W2kw22π2PI2＝I2’●令则I1+I2’＝I042W1kw12π2P42W1kw12π2P42W1kw12π2P●●●化简得：（7-6）I1+I2’

=I0···（7-5）由（7-5）得：I2’

=I2··1KiI2’是什么？●第35页，共89页，2023年，2月20日，星期三从（7-6）式可见，异步机定，转子之间本来没有电路上的直接联系，经过上述变换，把复杂的相数，匝数和绕组系数统统消掉后，剩下来的只是电流之间的联系。这种联系是一种存在于等效电路上的联系。第七章异步电动机原理式中：ki===keI2I2’

3m23W1kw1m2W2kw2称为电流变比转子绕组的相数电压变比计算法ki可用两种方法得到试验法在计算异步电动机时，如果能求得转子折合电流I2’

，要想求原转子的实际电流I2，则I2=kiI2’

●●●●第36页，共89页，2023年，2月20日，星期三利用折合关系（7-3）式变为：第七章异步电动机原理以上把异步电动机转子绕组的实际相数m2、匝数W2和绕组系数KW2硬看成和定子的相数3、匝数W1和绕组系数KW1完全一样的办法，称为转子绕组向定子绕组折合，I2’

称为转子折合电流。●0

=-E2’

－I2’

（r2’

+jx2’

）

=E2’

－I2’

Z2’●●●●（7-7）折合后转子漏阻抗与折合前转子漏阻抗的关系为：

r2’

=KeKir2

x2’

=KeKix2Φ2’

=arctg=arctg=Φ2（说明：折合前后漏阻抗角没变）x2’

r2’

KeKir2KeKix2第37页，共89页，2023年，2月20日，星期三折合前后功率关系也不变。第七章异步电动机原理例如，转子里的铜耗为：3I2’

2r2’

=32KeKir2=m2I22r2I2Ki转子里的无功功率为：3I2’

2X2’

=32KeKiX2=m2I22X2I2Ki（∵ki=ke）3m2第38页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.3.4、基本方程式、等值电路和相量图：（转子堵转、转子绕组短路时）(3)相量图如7.19第七章异步电动机原理＝z1－U1·I1·E1·I2·’I0·I1·＋＝E1=E2

··’-E1=I0（rm+jXm）●●E2’

=I2’

（r2’

+jX2’

）●●(1)基本方程式:(2)等值电路如图7.18图7.18转子堵转、转子绕组短路时的等值电路￠￠r1rmI1·U1·jX1jXmr2’jX2’E1=E2

··’I2’·I0·U1●I0·-E1·jX1I1·r1I1·Φ1I1●-I’2·I’2●E1=E2’●·jI2’X2’●I2’r2’●图7.19转子堵转、转子绕组短路时的相量图第39页，共89页，2023年，2月20日，星期三值得注意的问题：异步机定、转子的漏阻抗标值都是比较小的，如果在它的定子绕组加上额定电压，这时定、转子的电流很大，大约为（4～7）IN。如果长期工作在此状态，则有可能将电机烧坏。

为了测量异步机的参数，采用转子绕组短路并堵转实验，为使电机不过流，可在定子绕组上的电压不能大。第七章异步电动机原理第40页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.4三相异步电动机转子旋转时的电磁关系：第七章异步电动机原理7.4.1、转差率：n1-n转差率s：s=───n1正常运行的异步电动机，转子转速n接近于同步转速n1，s很小,一般s=0.01～0.05异步机定子绕组接三相对称电源，转子绕组短路，这时便有电磁转矩作用在转子上，如果不堵住，转子将沿气隙旋转密Bδ旋转的方向转起来。设逆时针方向转。其转速n＜n1，而不能相等（因为转子与Bδ之间必需要有相对运动，才会有感应电动势，否则就不会有感应电势及电流，电磁转矩=0）●●第41页，共89页，2023年，2月20日，星期三当异步机转子以n恒速运转时，转子回路的电压方程式为：第七章异步电动机原理7.4.2、转子电动势：

I2S为在上述情况下转子的相电流X2S是转子转速为n时，转子绕组一相的漏电抗r2为转子一相绕组的电阻。●E2S=I2S（r2+jx2S）（7-8）●●转子转速为n时，转子绕组的相电动势第42页，共89页，2023年，2月20日，星期三★电动机转子上的频率(也叫转差频率)为：正常运行的异步机,f2约为0.5～2.5HZ★转子旋转时转子绕组中感应电动势为:第七章异步电动机原理Pn2P(n1-n)Pn1n1-nf2=──=────=──·───=f1s606060n1E2s＝4.44f2W2Kw2φ1＝4.44sf1

W2Kw2φ1＝sE2

式中：

(

Kw2

＜1）（称基波绕组系数）E2为转子不转时转子绕组中感应电势.此式说明:转子旋转时,每相感应电动势与s成正比。第43页，共89页，2023年，2月20日，星期三转子漏抗：X2S=sX2(X2中的频率为f2)(X2为转子不转时转子漏电抗,其对应的f2=f1)由上述可见,当转子以不同的转速旋转时,X2S是个常数,它与s成正比。正常运行的异步电机,X2S＜＜X2第七章异步电动机原理请注意:E2并不是异电机堵转时真正的电动势.因为堵转时,气隙主磁通φ1的大小要发生变化(这在以后再说明).上式中的E2

＝4.44

f1

W2Kw2φ1其中φ1是电机正常运行时气隙里每极磁通量,认为是常数.第44页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.4.3定,转子磁通势用磁通势关系:第七章异步电动机原理★特点:(1)幅值：F2

=I2S42W2kw22π2P(2)转向:在气隙磁密作用下,转子感应I2的相序为A2→B2→C2,则合成磁通势F2的转向也是+A2→+B2→+C2.●●定子通三相电源后,在定子绕组中流过的电流为I1,产生旋转磁通势F1,其特点与7.3节分析的一样.●●1、定子磁通势F1:

●2、转子旋转磁通势F2●第45页，共89页，2023年，2月20日，星期三3、合成磁通势：

第七章异步电动机原理60f2则：n2=───P(4)、瞬间位置：当转子绕组哪相电流达最大值时，F2正好位于该相绕组的轴线处。●(3)、转速：转子电流I2的频率为f2，空间转速为n2

●从定子的角度上看定、转子旋转磁通势F1、F2，其幅值和转向均与前面单独分析一致，转速F1与前面分析一样，而转子则要站在定子的角度来分析。●●●第46页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理n1-ns=───n1前面讲过，转子F2相对于转子绕组的逆时针转速为n2。由于转子本身相对于定子绕组有一逆时针转速n，为此站在定子绕组上看转子F2的转速应为n2+n。●●∴F2相对于定子的转速为：

n2+n=sn1+n=n1●即：站在定子上看转子F2，它也是逆时针方向，以转速n1旋转看，可见F1与F2它们相对于来说，都是同转向以相同的转速n1一前一后同步旋转着。●●●60f260sf1已知：n2=───=────=sn1PP第47页，共89页，2023年，2月20日，星期三I0通常有多大呢？对于一般的异步机来说，大约为（20～50）%IN。第七章异步电动机原理这样，合成总磁通势就可用向量的办法加起来即：F0=F1+F2●●●对前面已介绍的二种情况下的F0，就实质来说都是一样，都是产生每极主磁通，φ1的励磁磁通势F0，但三种情况下的F0主大小来说，不一定都一样大。现在介绍的F0才是异步机运行时的励磁磁通势，对应的I0是励磁电流。●●●●●第48页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理7.4.4转子绕组f2的折合：

在前面已分析过：①.f2的大小仅仅影响F2相对于转子本身的转速，而F2相对于定子的相对转速永远为n1，而与f2

的大小无关。②.定、转子间的联系是通过磁通势相联系，只要保持F2的大小不变，即每极安匝数不变就行，至于电流的频率是多少无所谓。...第49页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理依据这二个概念，我们将转子回路的电压方程式E2S=I2S（r2+jx2s）··以上推导说明：I2S与I2的有效值以及初相角完全相等。··变换为:····

E2Ss

E2E2I2S=───=────=────=I2r2+jX2S

r2+jX2·

s

r2s+jX2·E2S、I2S、X2S分别是异步机转子旋转时，转子绕组一相的电动势，电流和漏电抗。E2、I2、X2分别是异步机转子不旋转时，一相的电动势，电流和漏电抗。（但不是堵转）····式中：Φ2=arctg=arctg=arctgx2Sr2

sx2r2

X2r2s转子电路的功率因数角:第50页，共89页，2023年，2月20日，星期三下面来分析，这两个有效值相等的电流I2S和I2的频率关系：第七章异步电动机原理图7.21（a）为异步电动机实际运行时，转子一相的电路其转子电路的频率为f2。图7.21转子频率折合￠￠r2I2S·E2S·jX2S（f2）￠￠r2/SI2·E2·jX2（f1）（a)（b)转子经过这种变换，从定子边看，F2并没有发现任何不同。即F2的幅值完全一样。这就是转子电路的频率折合。也就是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的电路了。●●图（b）是等效电路，其I2却是转子不转时的电势E2除以转子等效阻抗Z2得到的，其对应频率为f1，这两个电流的频率虽然不同，但有效值相等，在转子中产生的旋转磁通势F2的幅值是一样的。●●●第51页，共89页，2023年，2月20日，星期三异步机转子电路进行了频率折合后（并考虑到相数、匝数及绕组系数都折合到定子边）转子回路的电压方程式为：第七章异步电动机原理这样，原来电动机定、转子旋转磁通势的关系I2·’I0·I1·＋＝E2’

=I2’

（+jX2’

）●●r2’SF2

=I2’42W1kw12π2P·’·F2F0·F1＋＝又可用电流的关系来表示。即：F2的幅值为：●第52页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.4.5、基本方程式，等值电路和时空向量图根据上面五个基本方程式,便可画出等值电路和时空向量图第七章异步电动机原理与异步机转子绕组短路并将转子堵转相比较，转子旋转时的基本方程式只有转子绕组回路的电压方程式有所不同，其余都一样，即为：＝z1－U1·I1·E1·I2·’I0·I1·＋＝E1=E2

··’-E1=I0（rm+jXm）●●E2’

=I2’

（+jX2’

）●●r2’sE2’

=I2’

（r2’

+jX2’

）●●转子绕组短路并堵转时的电压方程式为第53页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理图7.22三相异步电动机的T型等值电路￠￠r1rmI1·U1·jX1jXmr2’jX2’E1=E2

··’I2‘·I0·r2’(1-S)S从等值电路可见，与转子堵转，绕组短路时的等值电路相比，转子回路增加了一项值的电阻。r2’(1-s)s①、当空载时，转子的转速接近同步转速n1，s很小，r2’/s→∞，I2可认为等于零，这时定子电流I1就是励磁电流I0，电动机的功率因数很低。②、当电动机运行于额定状态时，s≈0.05，r2‘/s约为r2’的20倍左右，等值电路转子边呈电阻性，功率因数COSφ2较高，这时定子边的COSφ1也较高，可达0.8～0.85第54页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理图7.23三相异步电动机时空向量图U1●I0·-E1·jX1I1·r1I1·Φ1I1●-I’2·I2’●E1=E2’●·jI2’X2’●I2’●r2’SF2●Bδ●F0●F1●-F2●Φ2根据上述五个基本方程式画出异步机的时间空间向量图如图7.23第55页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.4.6、鼠笼转子如鼠笼转子有m2根鼠笼条，则相数为m2，每相绕组匝数为1/2，绕组系数为1。鼠笼转子异步机电磁关系与绕线式相同，也采用折合算法，等值电路及时空间向量图的方法分析。道理一样，方法相同，仅仅失合系数的数值不同而已。第七章异步电动机原理鼠笼转子每相邻两根导条电动势/电流相位相差的电角度与它们空间相差的电角度是相同的，导条是均匀分布的，一对磁极范围内有m2根鼠笼条，转子就感应产生m2相对称的感应电动势和电流。鼠笼转子产生的旋转磁通势的转向与绕线式一样，也就是与定子旋转磁通势转向一改，F1与F2一前一后同步旋转，其极数也与定子相同。因此鼠笼转子的三相异步机磁通势关系也为：··F2F0·F1＋＝●●第56页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.5、三相异步机的功率与转矩电磁功率减去转子绕组的铜耗Pcu2,就是传输给电机转轴上的机械功率，用Pm表示第七章异步电动机原理7.5.1、功率关系：

铁耗：PFe=PFe1=3I02rm也可表示为：PM=3E2I2cosφ2=m2E2I2cosφ2转子铜耗：Pcu2=3I22r2=sPM输入功率：P1=3U1I1cosφ1定子铜耗为：Pcu1=3I12r1则:Pm=PM－Pcu2=3I2’2

=3I2’2=(1-s)PM

（-r2’

）r2’sr2’1-ss第57页，共89页，2023年，2月20日，星期三p

m表示机械损耗，即轴承及风阻等磨擦阻转矩。PS为附加损耗，是定转子齿槽及谐波磁势所产生的损耗。PS一般不易计算，往往根据经验估算：大型机：PS=0.5%小型机：PS=（1～3）%PN或更大些转轴上真正输出的功率:P2=Pm-p

m-pS┄┄┄（7-11）

p0=p

m+pS第七章异步电动机原理空载损耗第58页，共89页，2023年，2月20日，星期三所以：P2=P1-pcu1-pFe-pcu2-pm-pSPM=P1-pcu1-pFe（P243）图7.24将异步机功率流程图形象地表示出来了。通常异步运行时,电磁功率，转子回路铜耗和机械功率三者之间的定量关系是：

PM：pcu2：Pm=1：S：（1-s）┈┈┈（7-12）第七章异步电动机原理此式说明：若电磁功率一定，转差率S越小，转子回路铜耗越小，机械功率越大。第59页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.5.2、转矩关系：第七章异步电动机原理由（7-11）P2=PM-P0都除以Ω即为：T2=T-T0T

=PmΩ轴的角速度机械功率=Pm

2πn60=Pm

2πn160(1-S)

=PMΩ1同步角速度（7-13）输出转矩电磁转矩第60页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.5.3、电磁转矩的物理表达式：第七章异步电动机原理T

=PMΩ1=2πn160=─────────’3I22r2’=2πn1603E2I2cosφ23πf1

W2Kw2φ1I2cosφ222πn160P

W2Kw2φ1I2cosφ232==CTjφ1I2cosφ2转矩系数当Φ1的单位为Wb，I2的单位为A时，则T的单位为N.m。从上式可见：异步电动机电磁转矩T与气隙每极磁通和转子电流的有功分量的乘积成正比。第61页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.6、三相异步机的机械特性：7.6.1、机械特性的参数表达式：在异步机的等值电路中，由于励磁阻抗比定、转子漏阻抗大很多，可把T型等值电路（图7.23，P233）励磁阻抗这一段电路认为是开路来计算I2’

，误差很小。第七章异步电动机原理异步机的机械特性:即U1、f1和参数固定的条件下，电磁转矩T与n或S的函数关系。T

=PmΩ1=2πn160=2πf1

P’3I22r2s’’3I22r2s’I2’=─────────────r2S’（r1+）2+（x1+x2’）2

U1第62页，共89页，2023年，2月20日，星期三将I2’表达式代入上面电磁转矩公式中得：只要固定U1、f1及阻抗等参数，则T只是s的函数即T=f（s）曲线便为机械特性的T-s曲线第七章异步电动机原理T

=r2S’[（r1+）2+（x1+x2’

）2]2πn1603U12r2s’=2πf1

3PU12r2s’r2S’[（r1+）2+（x1+x2’

）2]（7-14）机械特性的参数表达式第63页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理7.6.2、固有机械特性：1、固有机械特性曲线：即U1、f1均为额定值，定、转子回路不串入任何电路元件时的机械特性，叫固有机械特性.如图7.25(T─S)或（T─n）T－Tmn01.0ABn1TmTN21●●2.0-smsm-n1s图7.25三相异步电动机固有机械特性●曲线2为负相序曲线曲线1为正电源相序由图可见：固有机械特性曲线的特点：理想空载运行点额定运行点电磁转矩最大点C●起动点1）、在0＜S≤1即n1＜n≤0的范围内，特性曲线在第一象限，T与n都为正，即同方向，从正方向规定判断，与n1同方向，电动机工作在这范围内是电动状态。2）、在S＜0范围内，n＞n1，特性在第二象限，T为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态。在此范围内的曲线与S＞0时近似对称。3）、在S＞1范围内，n＜0，特性在第三象限，T＞0，也是一种制动状态。第64页，共89页，2023年，2月20日，星期三2、最大电磁转矩：第七章异步电动机原理正、负最大电磁转矩可从参数表达式求得：由=0得最大转距为：dTds2πf1

[±r1+Tm

=±─────────────r12+（x1+x2’

）2]

3PU1212临界转差率（最大转矩所对应的转差率）为：式中：+号适用于电动机状态-号适用于发电机状态sm

=±───────r12+（x1+x2’

）2

r2’

（7-16）（7-15）第65页，共89页，2023年，2月20日，星期三说明:异步机处于发电和电动机状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。通常λ=1.6～2.2冶金起重用λ=2.2～2.8注意：异步机不能长期工作在最大转矩处，因为电流过大温升起出额定值，将会烧毁电机，同时最大转矩处运行也不稳定。第七章异步电动机原理一般，r12不超过（X1+X2‘）2的5%，可忽略r1的影响，故有：TmTN异步机的过载能力λ=最大转矩额定转矩2πf1Tm

=±───────（x1+x2’

）3PU1212sm

=±─────（x1+x2’

）r2’

Tm∝U12Tm∝──sm与U1无关1x1+x2’由右式得第66页，共89页，2023年，2月20日，星期三3、起动转矩：

(一般KT=0.8～1.2）第七章异步电动机原理起动时，n=0，s=1时的电磁转矩称为起动转矩。Ts=2πf1

3PU12r2’[（r1+r2’）2+（x1+x2’

）2

]TS∝U12TS与漏电抗成反比由上式得电动机顺利启动的条件：TS＞（1.1～1.2）TLTSTN起动转矩倍数KT=起动转矩额定转矩（7-17）第67页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理4、稳定运行问题：从机械特性可得：T－Tmn01.0ABn1TmTN1●●-smsms图7.25三相异步电动机固有机械特性●0sN★在0＜S＜Sm段：机械特性下斜，拖动恒转矩和泵类负载运行时均能稳定运行。★在0＜S＜SN段：能长期稳定运行★在sm＜s＜1范围:①拖动恒转矩负载不能稳定运行。②拖动泵类负载，满足T=TL处，的条件即可稳定运行，但此时转速低，s大，E2S=sE2比正常运行大很多，造成转子电流，定子电流均很大，故不能长期运行。dTdndTLdn＜第68页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理7.6.3、人为机械特性：从机械特性参数表达式（7-14）除自变量和因变量外，保持其它量都不变，只改变U1的机械特性。1、降低定子端电压的人为机械特性：nn10smsUNTmT00.64Tm0.25Tm0.5UN0.8UN1.0图7.29改变定子电压U1人为机械特性由图可见，同步转速n1与电压U1的大小无关。这就是说，不同电压U1的人为机械特性是一组通过n1；而转矩与U12成正比且sm与电压无关的曲线。请见（7-14）式第69页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理2、定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性：其它量不变的条件下，仅仅改变异步机定子回路电阻得图7.28的人为机械特性.nn100.5sT0RR=01.0图7.30定子串三相对称电阻的人为机械特性由图可见n1不变，Tm，TS，Sm都随定子回路电阻值增大而减小，因为电阻上消耗有功功率。第70页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理3、定子回路串三相对称电抗的人为机械特性：

与串电阻相似，n1不变，Tm，TS，sm均减小，只是电抗不消耗有功功率。

既然与串电阻相似，所以这里不详细讲，请看下面第4种人为特性。第71页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理4、转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性：（针对绕线式转子）其人为机械特性如图7.31nn10smsTmT01.0图7.29转子回路串三相对称电阻的人为机械特性sm1sm2r2r2+R1r2+R2R1＜R2特点：①、n1不变②、Tm不变③、sm∝r2’∝（r2+R）r2：转子一相总电阻R：外串电阻第72页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理由图可见，转子回路串电阻，可增大起动转矩，串的电阻合适时，可使：r2’+R’

X1+X2’sm==1Ts=Tm即：起动转矩为最大转矩R’=KeKiRKe：电压变比 Ki：电流变比式中：nn10smsTmT01.0图7.29转子回路串三相对称电阻的人为机械特性sm1r2r2+R1r2+R2R1＜R2第73页，共89页，2023年，2月20日，星期三2、如何使用实用公式：

第七章异步电动机原理在额定工作点时对应SN，TN解得：sm=sN（λ+λ2-1）7.6.4、机械特性的实用公式：1、实用公式：TTms

smsms+2=实际应用中，可忽略空载转矩，近似认为TN=T2N，过载能力λ可查产品目录。故Tm=λTNTN=9550PNnN（通常额定工作点的数据是已知的）sNsmsmsN1λ=2+则7-18式变为：（7-18）第74页，共89页，2023年，2月20日，星期三当三相异步机在额定负载范围内运行时：第七章异步电动机原理若额定工作点不知道，而异步机是工作在人为机械特性上某一点，这时可将此点的T和s代入式（7-18）找出sm。TNTNs

smsms+2·=TTm于是可忽略，则式7-18变为：s

smssmsms因为此时s＜sN而（sN=0.01～0.05)2TmsmT=·s此式条件：sN＞s＞0的范围内TλTNs

smsms+2=nn10sT01.0异步机的机械特性TNSmSN●A将额定工作点代入此式得：2λTmSmTN=sNsm=2λsN第75页，共89页，2023年，2月20日，星期三7.7、三相异步电动机的工作特性及其测试方法：第七章异步电动机原理★求工作特性的方法：①可通过直接给异步机带负载测试②可利用等值电路计算而得三相异步机的工作特性：即U1=UN，f1=fN时，n，I1、COSφ1、T、η等与输出功率功率P2的关系。图7.30为异步机的工作特性曲线。n0P2Tη图7.30异步电动机的工作特性cosφ1I1第76页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理7.7.1、工作特性分析：

空载时，转子转速n接近于n1，随着负载的增加，n略微↓，此时转子E2S↑，I2S↑，以产生大的电磁转矩来平衡负载转矩.因此，随着P2↑，n↓，s↑，如图中一下降的转速特性曲线。1、转速特性：n=f（P2）

n0P2异步电动机的转速特性第77页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理2、定子电流特性I1=f（P2）

空载时，I2‘差不多为0，定子电流为I0（励磁电流），随着P2↑，n↓，I2↑，I1↑。0P2异步电动机的电流特性I1第78页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理3、定子边功率因数COSφ1=f（P2）

运行时必须从电网中吸取无功功率，所以它的功率因数永远小于1，空载时，COSφ1很低，不超过0.2；当P2↑，定子中电流有功分量增加，使COSφ1↑，接近额定负载时，COSφ1最高。如果负载进一步增大，由于s↑使φ2↑，结果使COSφ1↓。0P2异步机的功率因数特性cosφ1第79页，共89页，2023年，2月20日，星期三第七章异步电动机原理4、电磁转矩特性T=f

（P2）空载时：T=T0稳定运行时：T=T2+T0输出功率：P2=T2∵T2=∴T=+T0P2ΩP2Ω随着负载↑，P2↑，而Ω变化不大，∴T随P2的变化