电机原理与拖动基础 课件 第7章－三相异步电动机原理

第7章三相异步电动机原理第7章三相异步电动机原理

7.1三相异步电动机结构和原理

7.2三相异步电动机转子不转的电磁关系

7.3三相异步电动机转子旋转的电磁关系

7.4三相异步电动机的功率传递和转矩平衡7.5三相异步电动机的工作特性7.6三相异步电动机的参数测定

一、三相异步电动机结构鼠笼式异步电动机外形绕线式异步电动机外形7.1三相异步电动机结构和原理异步电动机定子1异步电动机定子２鼠笼式转子绕线式转子绕线式定子与转子异步电动机定子上有三相对称的交流绕组鼠笼绕组绕线转子异步电动机剖面图三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场(swf)二、三相异步电动机的工作原理异步电动机定子上有三相对称的交流绕组转子导体切割磁力线，并产生感应电势转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转(swf).swf旋转磁场１.swf旋转磁场２.swf电磁力驱动转子旋转三相异步电动机定子绕组加对称电压后，产生一个旋转气隙磁场，转子绕组导体切割该磁场产生感应电势。由于转子绕组处于短路状态会产生一个转子电流。转子电流与气隙磁场相互作用就产生电磁转矩，从而驱动转子旋转。电动机的转速一定低于磁场同步转速，因为只有这样转子导体才可以感应电势从而产生转子电流和电磁转矩。所以该电机被称为异步机，也叫感应电机。三、三相异步电动机的名牌数据

四、异步电动机的工作原理

定子对称三相绕组

有三相对称电流

定子和转子间有旋转磁场（n0

）切割转子均匀分布的闭环导体转子导体产生感应电动势NSn0转子闭合导体有电流如不考虑相位差，电势方向同电流方向由左手定则知转子导体受力，其方向同磁场反向，这时转子转动，即电动机工作，转速为n。

六、三相异步电动机的转速与运行状态转子转速n能否超过同步转速n0

？答在无外力作用时，电动状态转子转速n不能超过同步转速n0。即n<n0

。ffn用右手定则知N极下转子电动势方向指里，S极下转子电动势方向指外

假设n=n0

，旋转磁场不切割转子导体，则无感生电动势，无电流，也就无电磁力，转子不转了。只由n<n0

旋转磁场和转子导体有相对运动，转子才受到电磁转矩。这就是异步电动机的由来。定义（n0-n）为转差，把转差与同步转速n0

之比的百分值叫做转差率S。即：

S=（n0-n）/n0*100%

如果用一原动机或其它转矩去拖动异步电动机，使它的转速超过同步转速，n>n0,S<0,旋转磁场切割转子导体的n0nTN

方向相反，导体中的电动势与电流方向都反向。由左手定则知电磁力与旋转磁场和转子的旋转方向相反，这是制动转矩。这时原动机对异步电动机输入机械功率，而通过电磁感应由定子向电网输送电功率，电动机处在发电机状态。

如果异步电动机的外转矩使转子逆着旋转磁场的方向旋转，即n<0,S>1,此时转子导体中的电动势和电流反向仍和电动机一样，电磁转矩方向仍与旋转磁场一致，n0n

但与外转矩方向（n)相反。电磁转矩是制动转矩，此时电网对电动机输送电功率，从转子吸收机械功率。TN7.2三相异步电动机转子不转时的电磁关系

定子通入三相对称电流，空间会产生旋转磁场，而旋转磁场切割转子导体，其切割速度为Δn=n0-n，导体会产生感生电动势，各导体的电势大小和方向随旋转磁场的移动而变化。其变化规律是磁极中心线上的导体电势最大（因为E=Kφ）。旋转磁场移动，而最大电动势也同一速度同磁极中心一起沿转子圆周移动。

对于每根导体而言，其感生电动势是一个正弦电动势（因为磁通是正弦的）。NNSSΔnNNSΔn

旋转磁场以Δn（=n0-n)相对转子切割转子绕组，电动机的极对数为P（任何类型的电机定、转子的极对数必须相等），设转子导体感生电动势频率为f2。则f2=PΔn/60==sf1分析转子导体中的电流假设导体是纯电阻导体电流和电势同时达到最大或最小，（如有电感则电流滞后电压一个角度），转子的电流同转子的感应电动势同频率。定子绕组的电动势:电动机气隙中有旋转磁场，它以同步转速n0=60f1/P旋转，分布接近于正弦，好象是旋转的磁极，既切割转子绕组（Δn），又切割定子绕组（n0），在转子绕组中产生感应电动势，在定子绕组中也产生感应电动势，都是三相对称的。异步机的磁势平衡

定子三相绕组电流在电机气隙中产生旋转磁势，称定子磁势，用F1表示，F1切割转子，则转子导体产生电动势，转子导体闭合有电流，而转子电流也会产生磁动势，用F2表示。转子电流最大值始终在N极（S极）NS下，转子电流产生的磁势跟电流最大值的线圈的轴线一致，即转子磁势和定子磁势同步运行。这样在电机气隙中有合成磁势，用F0表示。

ΣF=F0=F1+F2三者是矢量和，是同步运行。此式称为异步电动机的磁势平衡方程。合成磁势F0既切割定子绕组(以n0切割)，又切割转子绕组(以Δn切割)。F1F2如转子转速为n，同步转速n0，F1切割转子的速度为Δn。ΣF=F1+F2方程适合各种旋转设备。

使用异步电动机就要知道它的转矩、电流等参数，怎样求它们，一种方法是借助于电动机的等值电路，也就是说象把变压器等效成一个等值电路一样，也把电动机等效成一个等值电路。

一相绕组所交链的磁通有两部分：一部分是主磁通交链全部绕组（对应E），另一部分是等效漏磁通（端接漏磁通、槽漏磁通…),它反映仅交链一相或部分绕组和其余相绕组不发生交链作用。主异步电动机从定子（一次侧）电源吸收电功率，通过电磁耦合把电功率传到转子。I1I2转子开路时的异步电动机定子加三相对称电压，定子三相绕组有三相对称电流。转子开路无电流，也无电磁功率传到转子上（P=I2R=0），类似变压器空载。

励磁电流I0产生主磁通、漏磁通。旋转磁动势会在定转子中产生感生电动势。主磁通在定子产生的感生电动势E1为：E1=4.44f1kw1N1φm

，kw1代表反映绕组短距和分布使电动势减少情况。φm为主磁通，N1定子绕组匝数。主磁通在转子产生的感生电动势E2为：E2=4.44f1kw2N2φm

（转子不转定转子同是f1）把E1与E2比称为异步电动机的电动势比：Ke=E1/E2=kw1N1/kw2N2

电动势比是等效匝数比。定子漏磁通在定子会产生漏抗电动势Eσ1=-jI0x1定子等效电路、方程式、向量图转子堵转时的异步电动机用强制方法把转子堵住，这也叫转子短路（相当变压器短路）。

堵转时定、转子等效电路图定、转子电动势方程磁动势方程U1I1r1x1E1_+E2r2x2I2折算原则：折算前后维持磁动势和功率关系不变。

在近似计算时认为：电网的容量大，电网频率f1和电网电压U1是常数。正常负载范围内感应电动势E1≈U1

。故感应电动势E1常数，主磁通φm（E1∝φm)必然恒定不变。主磁通不变则合成磁势的大小不变。这是非常重要的结论。转子绕组的折算：同变压器一样，为了分析和计算，也可以把转子绕组折算到定子上去。假想一个新的转子，该转子的相数、绕组串联匝数、绕组系数等参数与定子完全一致，这样使新转子的E2’和E1相等，就可以把转子折算到定子电路上。转子等值电路转子频率统一的合成磁势F0切割转子，且切割速度为Δn(=n0-n)转子绕组中感生电动势的频率为

f2=(n0-n)P/60=sf1n=0,s=1.f2=f1,电机没转。n=n0,s=0,f2=0,理想空载状态（S可以反映电动、再生制动、反接制动）。转子电动势E2S=4.44f2kw2N2φm=4.44sf1kw2N2φm=sE20(导体切割磁场产生感生电动势的公式，f电频率）E2S转子转动时的电动势，E20转子不转时的电动势（E2=E1/ke）。7.3三相异步电动机转子旋转时的电磁关系转子电阻忽略集肤效应，转子对频率变化小，电阻不变。

r2s=r20=r2转动不转实际

转子电抗X2S=2πf2L2=2πsf1L2=sx20转动不转转子电流已知转子转动后的电动势、电阻、电抗可以求出转子转动后的电流E2Sr2x2sI2Sf2章目录转子转动时的折算、等效电路根据以上公式可以画出异步电动机转子旋转时的定、转子等效电路图。转子旋转时的定、转子等效电路图E1≠E2s，f1≠f2不能形成一个电路。需要折算。由公式r1x1E1U1E2Sr2x2sf2f1I2S转子转动时电流f2转子不动时电流f1转子不动时的电动势为E20，阻抗为r2/s+jx20,而转动与不动的电流相等，I2S=I2。阻抗角不变，有转子磁动势F2不变（因F2转速、转向、幅值、相位角不变），满足等效变换原则。r1x1E1U1E2（E20）r2/sx2（

x20）f1电动机频率折算后的定转子等效电路I2形成一个电路由堵转时转子电动势折算E’2=E1=keE2和电流的折算I2=kiI’2电阻的折算r’2=kekir2,电抗的折算x’2=kekix2把电路中的各量变成变换后的值r1x1E1U1E’2r’2/sx’2f1电动机折算后的定转子等效电路I’2

7.4三相异步电动机的功率和电磁转矩7.4.1三相异步电动机功率传递和功率方程式感应电动机运行时损耗的种类和性质都与直流电动机相似电磁功率Pem:输入的电功率P1扣除了定子绕组的铜耗pCU1和定子铁耗pFe1后，余下的功率Pem=P1-pFe-pcu1总机械功率PΩ:电磁功率减去转子绕组的铜耗pcu2

PΩ=Pem-pcu2转子轴端输出的机械功率P2:总机械功率减去机械损耗pΩ和附加损耗ps

P2=PΩ-（pΩ+ps）感应电动机的功率平衡方程式:P1输入电功率Pem电磁功率P2输出机械功率pcu1定子损耗pFe铁损pcu2转子铜损p机械损耗P总机械功率ps附加损耗定子铜耗：电动机铁耗（即定子铁耗）：从电路的观点来看，输入功率P1减去R=和Rm上的损耗pcu1和pFe后，应等于在电阻上所消耗的功率，即频率折算后，必需引入电阻的物理意义感应电动机的特性中两个重要的公式：说明：转差s越大，电磁功率消耗在转子铜耗中的比重就越大，电动机效率就越低，所以感应电动机一般都运行在s=0.02-0.06的范围内。只要知道了感应电动机的转子铜耗和转速，就可求出电磁功率Pem和总机械功率PΩ。7.4.2三相异步电动机电磁转矩电动机稳定运行时，作用在电动机转子上的有三个转矩1）电磁转矩Tem：使电动机旋转2）空载制动转矩T0：机械损耗和附加损耗所引起3）反作用转矩T2：电动机所拖动的负载感应电动机的电磁转矩等于电磁功率除以同步角速度，也等于总机械功率除以转子的机械角速度。7.4.3三相异步电动机电磁转矩平衡关系电动机稳定运行时，作用在电动机转子上的有三个转矩电动机的转矩平衡方程式：Tem=T2+T0

将式代入式，得电磁转矩公式一、电磁转矩的物理表达式式中CT——转矩常数，，对已制成的电动机CT为一常数。若取I´2的单位为A，Φm的单位为Wb时，转矩Tem的单位为N·m。感应电动机电磁转矩的重要性质：感应电动机的电磁转矩在磁通一定时，并不是与电流I´2成正比，而是与电流的有功分量成正比。二、电磁转矩的参数表达式根据感应电动机的简化等效电路将上式代入式

，单位为N·m。因为式中表示了转矩T与转差率s的关系，所以也称为T-s曲线方程。考虑到此时U1≈E´2，可得电磁转矩的参数表达式：7.5三相异步电动机的工作特性感应电动机的工作特性：指在额定电压、额定频率下，电动机的转速n、定子电流I1、功率因数、电磁转矩Tem、效率η与输出功率P2的关系曲线，即n、、Tem、η=f（P2）。7.5.1工作特性分析一、转速特性n=f（P2）

sPem=pcu2感应电动机的转速特性n=f（P2）是一根对横轴稍微下降的曲线，与并励直流电动机的转速调整特性相似。P2nn空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。二、定子电流特性I1＝f（P2）电流I1P2三、功率因数特性功率因数cos

1空载时，定子电流基本上是个励磁电流，功率因数很低，仅为0.1-0.2随着负载的增加，定子电流的有功分量增加，功率因数逐渐上升，在额定负载附近，功率因数达最大值.超过额定负载后，由于转速降低，转差增大，转子功率因数下降较多，使定子电流中与平衡的无功分量也增大，功率因数反而有所下降。转速的变换范围很小，从空载到满载，转速Ω变化不大，可以认为T2与P2成正比.异步电动机的输出转矩T2=f（P2）为一直线。而Tem=T2+T0，因T0近似不变，所以Tem=f（P2）也为一直线.四、电磁转矩特性Tem＝f（P2）电磁转矩TemP2五、效率特性η=f(P2)各种类型的电动机，其效率特性形状是完全相同的。效率

7.5.2工作特性求取空载实验负载实验

7.6三相异步电动机的参数测定7.6.1空载实验要计算工作特性，事先要知道电机参数。和变压器一样，通过做空载和短路试验，求出、、、、和。目的：测定励磁支路的参数Rm、Xm以及铁耗pFe和机械损耗pΩ。方法：电动机空载、定子接到额定频率的三相对称电源，改变定子端电压的大小可测得对应的空载电流I0和空载输入功率P0测定：相电压U1、空载相电流I0、空载输入总功率P0。计算：画