异步电机的理论分析与运行特性

异步电机的理论分析与运行特性第一页，共六十六页，编辑于2023年，星期六第一节异步电动机的基本结构第二页，共六十六页，编辑于2023年，星期六三相异步电动机由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两个基本部分构成。一、定子定子铁芯：起导磁作用。为减小铁芯损耗，采用0.35~0.5mm硅钢片冲制、涂漆、叠压而成，内圆均匀开槽，用于嵌放定子三相绕组。定子绕组：起导电作用。漆包线绕制线圈，若干线圈按一定规律连接成三相对称绕组，定子三相绕组可以接成星形或三角形。机座：起支撑和固定作用。中小型电机采用铸铁或铸铝机座，大电机的机座由钢板焊接而成。第三页，共六十六页，编辑于2023年，星期六三相异步电动机定子绕组接法第四页，共六十六页，编辑于2023年，星期六联接方式对电机参数的影响UVWUlUΦIlIΦUlIlIΦUVWUΦ星形接法：三角形接法：第五页，共六十六页，编辑于2023年，星期六二、转子铁芯：起导磁作用。硅钢片冲制、涂漆、叠压而成，外圆开槽，用于嵌放转子绕组。绕组：起导电作用，分为鼠笼型和绕线型两种。相应的电机称为笼型转子异步电动机和绕线转子异步电动机。笼型绕组：用铝浇铸而成或用铜条焊接而成，所有导条都通过端环自行形成闭合回路。

绕线型绕组：铜线绕成的三相对称绕组，星形接法，通过集电环引出，可自成回路也可通过外电阻形成闭合回路。第六页，共六十六页，编辑于2023年，星期六第七页，共六十六页，编辑于2023年，星期六绕线型转子的外形结构

第八页，共六十六页，编辑于2023年，星期六绕线转子异步电动机转子绕组结构示意图第九页，共六十六页，编辑于2023年，星期六1、型号：如：Y160Ll-42、额定功率PN：电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率，单位：W或kW。3、额定电压UN：电动机额定运行时，加在定子绕组应加的线电压，单位：V或kV

。4、额定电流IN：电动机在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的线电流，单位：A。5、额定频率f：我国规定电网工频为50Hz。6、额定转速nN：额定状态下运行时的转子转速，单位：r/min。三、异步电动机的额定参数第十页，共六十六页，编辑于2023年，星期六1、电动机转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力FF电磁转矩TnF异步电动机基本知识第十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期六2、空载电流和空载磁动势异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。由于转子的电流几乎为0，所以，旋转磁场主要是由空载电流建立的。这和变压器的空载磁场主要由原边的电流建立是一样的。第十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期六

尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场.4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大.5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1.第十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期六一、异步电机的运行状态正常情况下，异步电机的转子转速n与气隙旋转磁场的转速n1之间总有一定的差值（n1–n）。定义转差率第二节异步电机的运行状态和磁场异步电机负载变化时，转子导体内的感应电动势、电流和电磁转矩相应变化，转子转速和转差率也随之变化。转差率是反映异步电机运行状态的重要变量，按照转差率的大小和正负，异步电机可分为电动机运行、发电机运行和电磁制动三种状态。第十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期六1、电动机运行特点：电磁力Fe、转速n与n1同方向。n<n1，0<s<1。2、发电机运行特点：n>n1，s<0，Fe

与n反方向。3、电磁制动特点：n与n1反方向，s>1，Fe

与n反方向。第十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期六二、异步电机的磁场定子磁场相对定子转速转子电流频率转子磁场相对转子转速转子磁场相对定子转速为结论：定、转子电流产生的磁场转速相同，在空间上相对静止，与转子转速无关。第十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期六1、主磁通：基波磁动势产生的互磁通。特点：同时交链定子绕组和转子绕组，并同时在定子绕组和转子绕组内感应出电动势。主磁通和转子感应电流相互作用产生有用的电磁转矩，并实现机电能量转换。主磁路构成：定子磁轭定子齿（2段）空气隙（2段）转子齿（2段）转子磁轭第十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期六2、漏磁通：除主磁通之外的磁通。定子电流和转子电流分别产生：槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通。定子槽漏磁通和端部漏磁通只与定子绕组交链，不与转子绕组交链，不传递能量。

谐波磁通虽然同时与定子绕组和转子绕组交链，但谐波磁通与转子电流相互作用产生的是有害的附加转矩，所以把谐波磁通归为漏磁通。第十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期六定子电压平衡转子电压平衡气隙磁动势平衡异步电动机的电磁关系第三节三相异步电机的等效电路第十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期六一、转子不动时的异步电机由于转子绕组是短路的，从电路分析角度看，转子不动时异步电机的电路与次级短路时变压器的电路方程相似，变压器的一次绕组相当于异步电机的定子绕组，二次绕组相当于异步电机的转子绕组。分析方法：类比法，即根据三相异步电机内部的电磁关系和变压器类似的特点，在研究异步电机等效电路时，可借助于变压器的电磁理论。第二十页，共六十六页，编辑于2023年，星期六1、电压平衡式注意：转子绕组相数可以不等于定子绕组相数！但是它们产生的磁场的极对数必须相等。第二十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期六与变压器类似，当定子外加电压U1一定时，E1基本不变，从而决定了气隙基波磁通Φm和励磁电流Im也基本不变。气隙磁通由定子电流和转子电流共同产生，虽然定转子电流随负载而变化，但它们应满足磁动势平衡式F1+F2=Fm。转子绕组磁动势：合成磁动势：定子绕组磁动势：2、磁动势平衡式第二十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期六3、绕组归算定子、转子的相数、有效匝数不同，为建立等效电路，需要进行绕组归算，一般将转子方面的各物理量归算到定子方面。电流的归算：归算前后转子磁动势保持不变电流变比：第二十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期六电动势的归算：归算前后转子视在功率保持不变电压变比：阻抗的归算：归算前后转子铜耗保持不变阻抗变比：第二十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期六笼型转子绕组的参数：相数：等于每对极的导条数，m2=Z2/p。每相串联匝数：N2=1/2。则笼型转子电机绕组归算的变比为：电压变比：阻抗变比：电流变比：第二十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期六二、转子转动后的异步电机1、转子转动后对转子各物理量的影响由于f2=sf1，转子转动后，转子回路频率发生变化，转子感应电动势和转子漏抗也发生变化。转子电动势：转子漏抗：转子转动后转子回路电压平衡式：第二十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期六2、频率归算转子转动后，转子回路参数的频率f2=sf1，与定子回路参数频率f1不同。为实现定转子参数间的运算，需要把转子频率变换成与定子相同的频率。由于转子不动时的频率与定子相同，所以频率归算后的转子是静止的。原则：归算前后转子电流的大小和相位不变。第二十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期六分子分母同除以s并整理得：从上式可以看出，频率归算后转子回路的电阻可以分解为两个分量，除了转子实际电阻r2外，还有一个附加的电阻r2(1-s)/s。由于实际转子是旋转的，有机械功率输出，而归算后的转子是静止的，没有机械功率输出，该附加电阻上的电功率正好模拟了转子总的机械功率。第二十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期六第二十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期六3、基本方程式和等效电路为构成等效电路，转子参数经过频率归算后还应该进行绕组归算，将转子参数归算到定子侧。归算后的异步电动机的基本方程为：第三十页，共六十六页，编辑于2023年，星期六从上图可以看出：异步电机的等效电路与变压器带纯电阻负载的等效电路相似；转子不动的异步电机等效电路与变压器短路的等效电路相似；理想空载的异步电机等效电路与变压器空载的等效电路相似。第三十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期六4、相量图注意：异步电机的定子电流总是滞后于定子电压，异步电机正常运行时必须从电源输入感性无功功率。第三十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期六第四节异步电机的参数一、异步电机等效电路参数的测定1、r1：用电桥测量后换算到标准温度时的值。2、rm、xm：通过空载实验测得的数据计算。实验方法：f=fN、n≈n1时，电压从U=(1.1~1.2)UN开始下调到0.3UN左右，测量空载特性曲线I0=f(U1)和P0=f(U1)。第三十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期六空载输入总功率由于铁耗近似与电压平方成正比，而机械损耗与电压无关，可通过，将pFe和pmec分离，如图所示。铁耗和机械损耗之和为第三十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期六空载实验时，s≈0，转子可认为是开路的，根据U1=UN

时的数据，可求出励磁阻抗：励磁电阻空载总阻抗为励磁电抗为第三十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期六

：通过短路（堵转）实验测得的数据计算。实验方法：在转子不动的情况下，调节外加电压，使短路电流由1.2IN逐渐减小到0.3IN，画出短路特性曲线Ik=f(Uk)和Pk=f(Uk)。根据短路实验查出Ik=IN

时的数据，则短路阻抗为：第三十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期六异步电机堵转时的等效电路如图所示，由于短路实验所加电压较低，铁耗可以忽略不计，即rm=0。由于存在气隙，异步机的励磁电流较大，励磁电抗虽然比转子漏抗大得多，但励磁回路也不宜开路。根据等效电路，短路阻抗：整理得短路电阻和短路电抗分别为：第三十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期六对于一般的异步电机，有，则：代入短路阻抗表达式得：则：第三十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期六对于大型异步电机，激磁电抗远大于转子阻抗，可以把励磁回路看成是开路的，则：等效电路中所有定子侧的参数均为实际值，由此算出的定子侧的量也是实际值；转子侧的参数均为归算值，由此算出的转子侧电动势、电流也是归算值，而不是实际值，但由于归算是在功率不变的条件下进行的，所以算出的转子有功功率、损耗和转矩均与实际值相同。第三十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期六异步电机等效电路的简化根据T形等效电路，各条支路的电流为：第四十页，共六十六页，编辑于2023年，星期六以上各式中的复系数由于等效电路中各电阻远小于各电抗，如略去电阻，则该复系数可简化为实系数转子电流可简化为：则求转子电流的近似等效电路为：第四十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期六根据T形等效电路和转子电流近似计算公式，定子电流可表示为：整理得：则求定子电流的近似等效电路为：第四十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期六容量较大的异步电机，由于x1<<xm，所以c≈1，得到的等效电路为简化的等效电路：第四十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期六第五节异步电动机的功率平衡式和转矩平衡式，速度越低，转差率越大，转子铜耗越大，总的机械功率越小，效率越低。一、功率平衡式第四十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期六注意，转子回路也有铁耗，只是对于50Hz的异步电机，转子回路频率只有1~3Hz，转子铁耗很小，可以忽略不计。第四十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期六二、转矩平衡式将功率平衡式两边同时除于转子角速度Ω，得到转矩平衡式：其中电磁转矩第四十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期六第六节异步电动机的机械特性及稳定运行条件一、机械特性三相异步电动机在电源电压、频率和参数为额定值时，电磁转矩与转差率或转速之间的关系，称为异步电动机的机械特性。把较准确的转子电流表达式代入得：第四十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期六第四十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期六上式表明电磁转矩与主磁通以及转子电流有功分量的乘积成正比，常用于定性分析T-s曲线变化规律。电磁转矩的物理表达式第四十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期六转子电流折算值：转子电流随转速（转差率）变化规律：1、n=n0时，s=0，转子电流为零。2、接近同步速时，s很小，转子电抗可以忽略，转子电流与s近似成线性关系。3、转速较低时，s较大，转子电抗不可以忽略，转子电流仍随s增大而增大，但不成线性关系。第五十页，共六十六页，编辑于2023年，星期六转子功率因数：转子功率因数随转速的增大而增大，低速运行时转子功率因数很低，起动时大约在0.2左右。接近同步速时转子功率因数接近1。第五十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期六第五十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期六将sk代入转矩表达式可以得到最大转矩Tm：令dT/ds=0，可以求得出现最大转矩时的转差率，该转差率称为临界转差率，用sk表示：两式中电动状态时取“+”号，制动状态取“-”号思考：电动状态与制动状态的最大转矩相等吗？第五十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期六对于大容量的电机，c≈1，，则有：最大转矩与额定转矩的比值称为最大转矩倍数，其值大小反映电动机短时过载的极限：一般异步电动机过载倍数KT=1.8~2.5。第五十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期六结论：1、最大电磁转矩Tm与电源电压U1平方成正比;临界转差率sk与电源电压U1无关。2、临界转差率sk与转子回路电阻成正比；最大电磁转矩Tm与转子电阻无关。3、频率f1越高，最大电磁转矩Tm和临界转差率sk越小；4、漏抗越大，最大电磁转矩Tm和临界转差率sk越小；第五十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期六第五十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期六第五十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期六起动瞬间电动机的电磁转矩称为起动转矩，用Tst表示，将s=1代入转矩表达式得：起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数，用Kst表示:很显然，只有Tst>TZ，电动机才能起动。一般异步电动机的

Kst=1.0~2.0。第五十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期六思考1：如何获得最大的起动转矩？可在转子回路中串入合适的电阻，使得Tst=Tm，此时：也就是求得：思考2：所串电阻是否越大越好？此时再增大所串的电阻，起动转矩反而减小。第五十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期六3、电磁转矩的简化计算公式如取c1=1，则电磁转矩和最大转矩可简化为第六十页，共六十六页，编辑于2023年，星期六展开得：将