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第四篇 异步电机,第8章 异步电动机的基本工作原理和主要结构,8.1异步电动机的主要用途和分类 一、异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。 异步电动机的优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特征。 异步电动机的缺点:功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于。,异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。所以，异步电机又叫感应电机。 二、异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类法： （1）按定子相数分有 单相异步电动机； 两相异步电动机； 三相异步电动机。 （2）按转子结构分有 绕线式异步电动机； 鼠笼式异步电动机。后者又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机。 此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。,异步电机也可作为异步发电机使用。单机使用时，常用于电网尚未到达的地区，又找不到同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合上。在异步电动机的电力拖动中，异步电机回馈制动时，即运行在异步发电机状态。,8.2 异步电动机的主要结构,异步电动机在结构上也是由定子、转子、气隙组成。,一、异步电动机的定子： 异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。 1、定子铁心：是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆。下图所示为定子槽,其中(a)是开口槽，用于大、中型容量的高压异步电动机中；(b)是半开口槽，用于中型500V以下的异步电动机中；(c)是半闭口槽，用于低压小型异步电动机中。,2、定子绕组： 高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，如图(a)所示。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形或形，如图(b)所示。定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。,3、机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此，机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。 二、气隙： 异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.21.5mm左右。,三、异步电动机的转子： 异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的 。 1、转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。 2、转子绕组：分为笼型和绕线型两类。 1）笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个松鼠笼子，如图（a) 所示，因此又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也有用铝的。,如果用的是铜料，就需要把事先做好的裸铜条插入转子铁心上的槽里，再用铜端环套在伸了两端的铜条上，最后焊在一起，如图(b)所示。如果用的是铸铝，就连同端环、风扇一次铸成，如图(c)所示 。笼型转子结构简单、制造方便、是一种经济、耐用的电机，所以应用极广。,2）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如图所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。 与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小，起动转距大，或需平滑调速的场合使用。,8.3 异步电动机的铭牌数据,三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等。 8.3.1 异步电动机的型号： 电机产品的型号一般采用大写印刷体的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。例如Y系列三相异步电动机表示如下：,Y 100 L 1 2,异步电动机 极数,铁心长度代号,机座中心高 机座长度代号,我国生产的异步电动机种类很多，下面列出一些常见的产品系列。 Y系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。 JQ2 和JQO2系列是高起动转矩异步电动机，用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。JQ2 是防护式和JQO2是封闭式的。 JS系列是中型防护式三相鼠笼异步电动机。 JR系列是防护式三相绕线式异步电动机。用在电源容量小、不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上。 JSL2 和JRL2系列是中型立式水泵用的三相异步电动机，其中JSL2 是鼠笼式，JRL2是绕线式。,JZ2 和JZL2系列是起重和冶金用的三相异步电动机，JZ2是鼠笼式，JZL2是绕线式。 JD2 和JDO2系列是防护式和封闭式多速异步电动机。 BJO2 系列是防爆式鼠笼异步电动机。 JPZ系列是旁磁式制动异步电动机。 JZZ系列是锥形转子制动异步电动机。 JZT系列是电磁调速异步电动机。 其他类型的异步电动机可参阅产品目录。,8.3.2 异步电动机的额定值： 异步电动机的额定值包含下列内容： （1）额定功率 PN 指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是kw。 （2）额定电压 UN 指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V。 （3）额定电流IN 指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。 （4）额定频率f 指我国规定工业用电的频率是50Hz。 （5）额定转速n 指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为r/min 。 （6）额定功率因数 指电动机定子加额定负载时，定子边的功率因数。,8.3.3如何根据电机的铭牌进行定子的接线？ 如果电动机定子绕组有六根引出线，并已知其首、末端，分几种情况讨论。 （1）当电动机铭牌上标明“电压380/220V，接法Y/”时，这种情况下，究竟是接成Y或，要看电源电压（线电压）的大小。如果电源电压为380V，则接成Y接；电源电压为220V时，则接成接。 （2）当电动机铭牌上标明“电压380V，接法时”时，则只有这一种接法。但是在电动机起动过程中，可以接成Y接，接在380V电源上，起动完毕，恢复接法。 对有些高压电动机，往往定子绕组有三根引出线，只在电源电压符合电动机铭牌电压值，便可使用。,8.4 异步电动机的工作原理,工作原理： 三相异步电动机定子接三相电源后，电机内便形成圆形旋转磁动势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针转，如图所示。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力f，用左手定则确定受力方向，如图所示。,转子受力，产生转矩T，为电磁转矩，方向与旋转磁动势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转后，转速为n，只要nn1（n1为旋转磁动势同步转速），转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力，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。记为异步电动机转差率：,注意：在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低与旋转磁场的转速（同步转速）。转差率是一个表征异步电动机运行状态的一个基本参数。感应电动机的转速随负载的变化而变化。,第9章 异步电动机的运行分析,9.1 三相异步电动机转子不转、转子绕组开路时的电磁关系 正常情况下，电机转子总是旋转的，但是为了分析问题的方便，在这里我们首先从转子静止出发进行分析。 9.1.1 正方向的规定：,9.1.2 磁通及磁动势： 1、励磁磁动势：我们给异步电动机通入对称的三相交流电时，根据我们前面所学的可知将会在气隙中会产生一个旋转的气隙磁场，这个旋转的磁场会同时切割定转子绕组，这样，在两个绕组内会产生相应的感应电动势，但是由于转子绕组是开路的所以，没有电流，即没有磁动势，由此可见，在这种情况下，整个气隙磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流产生，为此，定子磁动势又叫做励磁磁动势，定子电流亦叫做励磁电流。,（a） （b） （c）,而由于整个分析过程是完全对称的，所以我们在分析时仅以A相为例来进行讲解。下面我们来看一下由电流产生的旋转磁场的磁动势的特点： 1）幅值： 2）转向：逆时针转向。A1B1C1 3）转速：相对于定子绕组以角频率 旋转。 4）瞬间位置：正如前面所分析的，当A相电流达到正最大 时，他所对应的磁动势也达到正最大。,转子不转的三相异步电机，相当于一台副边开路的三相变压器，其中定子绕组是原绕组，转子绕组是副绕组，只是在磁路中，异步电机定、转子铁心中多了一个空气隙磁路而已。 2）主磁通和漏磁通： 主磁通：同时铰链定子、转子、气隙构成闭和回路的磁通，气隙里每极主磁通量用1 表示 漏磁通：只铰链定子绕组就形成闭和回路，叫定子漏磁通，用 表示。,如图所示：,由于气隙是均匀的，励磁磁动势F0产生的主磁通1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。用空间向量表示为 ， 的位置载其最大值处， 为是气隙磁密的最大值。气隙里每极主磁通为： 气隙磁密和励磁磁动势同方向，这是因为磁动势达到最大值时，该处的磁密也为最大。（在不考虑磁滞、涡流的影响下）,9.1.3 感应电动势: 我们以知旋转磁场同时切割定转子绕组,在定转子绕组内将会产生感应电动势E1,E2,根据我们前面所学的知识可知: 定子、转子每相电动势之比叫电压变化，用ke表示，即:,二、 的相位关系： 我们以知感应电动势总是滞后于产生他的磁通900，而在转子不转，且转子绕组开路的情况下，定子和转子是被同一个磁通所铰链，所以，很显然，两个感应电动势之间是同相位的。 9.1.4 励磁电流： 和前面分析变压器的情况是一样的，励磁电流也是由IFe 和I两分量组成。,有功分量IFe很小，因此 领先 一个不大的角度。在时间空间向量图上， 与 相位相同，与 相位一样， 和 领先 一个不大的角度。 9.1.5 电压方程式： 从前面的图中，我们可以得到相应的电动势平衡方程式，但是在这里需要注意的一点是：定子绕组的漏磁通在定子绕组内也会产生一个电动势，我们称之为定子漏电动势，用 表示， 所以，电压方程式为：,式中Z1=R1+ j 是定子一相绕组的漏阻抗。上式用相量表示时，与三相变压器副绕组开路时的情况，完全一样。,9.1.6 等值电路： 与三相变压器空载时一样，异步电动机也能找出并联或串联的等值电路。以知： 于是，电压平衡等式为,作成电路图： 转子回路电压方程式：,9.2 三相异步电动机转子堵转时的电磁关系,堵转:即堵住转子让转子不转的现象,实际上就是对转子进行了短路.下面,我们就来详细的分析一下,当转子被短路情况下的电机的电磁关系. 9.2.1 磁动势和磁通: 1)磁动势:异步电动机转子被短路的这种情况和变压器副边短路的情况类似.,现在,转子被短路,所以,当在定子绕组内通入三相对称电流后,产生的沿逆时针方向旋转的磁场,不仅在定子绕组内产生磁动势,在转子绕组内也会产生磁动势,下面我们就来详细的进行分析. 一、转子侧磁动势的特点： 在三相对称的转子 绕组里流过三相对称电流 时，产生的转子空间旋转磁动势 的特点： 1）幅值： 2）转向：假设气隙旋转磁密是逆时针方向旋转，在转子绕组内感应产生的电动势及电流的相序,就应为A2B2C2。 3）转速：相对于转子绕组为 注意：现在定转子被同一个磁通所铰链，所以，产生的电流的频率是相等的。 4）瞬间位置： 当A相电流达到正的最大值时，与他相对应的磁动势也达到正的幅值。 与副边短路的三相变压器一样，当异步电机转子绕组短路时，定子边电流不再是 ，用 表示。由定子电流产生的气隙空间旋转磁动势用 表示，叫定子旋转磁动势。定子旋转磁动势的特点与转子绕组开路时一样，仅幅值不同。,转于绕组短路的三相异步电机，作用在磁路上的磁动势有两个：一为定子旋转磁动势 ；一为转子旋转磁动势。由于它们的旋转方向相同，转速又相等，只是一前一后地旋转着，我们称它们为同步旋转。 既然它们是同步旋转，又作用在同一个磁路上，把它们按向量的关系加起来，得到合成的磁动势仍用 表示。即:,这个合成的旋转磁动势 ，才是产生气隙每极主磁通 的磁动势。主磁通 在定、转子相绕组里感应电动势 和 2）漏磁通： 在这种情况下,除了定子侧的漏磁通外,转子侧有电流也要产生漏磁通,表现为 注意，变压器中的主磁通是脉振磁通， 是它的最大振幅。在异步电动机中，气隙里主磁通的却是旋转磁通，它对应的磁密波沿气隙圆周方向是正弦分布，以同步速相对于定子在旋转， 表示气隙里每极的磁通量。,9.2.3 定转子回路方程: 根据前面的分析可知: 式中: 是转子绕组的漏阻抗. 转子相电流为:,式中 是转子绕组回路的功率因数角. 显然，上式中的转子侧的感应电动势和电流、电抗等的频率都是 ，转子电流在相位上滞后与电动势 时间电角度。 根据定、转子磁动势合成关系，有 改写成,从上面的分析我们可以看出，当转子侧电流不为零时，他也会产生一个磁动势，而此时定子侧的磁动势此时变成了 ， 这就可以认为定子旋转磁动势里包含着两个分量：一个分量是大小等于 ，而方向与 相反，用 表示。它的作用是抵消转子旋转磁动势对主磁通的影响；另一个分量就是励磁磁动势 。它是用来产生气隙旋转磁密的。由于这种情况下定子磁动势已变为 了，定子绕组里的电流也就变为 了。,定子回路的电压方程式为： 9.2.3 转子绕组的折合（折算）： 从前面的分析我们可以看出，分别对定转子进行分析太过麻烦，异步电动机定、转子之间没有电路上的联结，只有磁路的联系，这点和变压器的情况相类似 ，所以在这里我们仍采用折算的方法，把转子折算到定子侧，用一个新转子，它的相数、每相串联匝数以及绕组系数都分别和定子的一样（三相、 ）,但是关键的一点是：要保证转子侧在折算前后对整个磁场的影响不能发生改变，即折算前后转子的总视在功率、有功功率、转子的铜耗和漏磁场储能均保持不变。简单的说就是转子侧的磁动势没有改变，不影响定子边。 根据定、转子磁通势的关系： 可以写成,令 这样可得,简化为： 而折算前后的电流的关系为：,电流变比 式中 是转子绕组的相数，只有绕线式三相异步电动机转子绕组是三相，鼠笼式异步电动机转子绕组一般不是三相，而是相。 经过折算，从表面上看，好像定、转子之间真的在电路上有了联系。,这样，我们就可以对相关的量进行折算。 于是转子回路的电压方程式 ：,于是折合后转子漏阻抗与折合前转子漏阻抗的关系为： 折合前后的功率关系不变。例如转子里的铜损耗，用折合后的关系表示为：,折合前后的无功功率也不变。例如转子漏抗上的无功功率，用折合后的关系式表示为 即折算后的量我们全部用“”来表示.,9.2.4基本方程式、等值电路和相量图： 整理可的基本方程式：,异步电动机定、转子的漏阻抗标么值都是比较小的，如果在它的定子绕组加上额定电压，这时定、转子的电流都很大，大约是额定电流的47倍。这就是异步电动机加额定电压直接起动而转速等于零的瞬间情况。如果使电动机长期工作在这种状态，则有可能将电机烧坏。 有时为了测量异步电动机的参数，采用转子绕组短路并堵转实验。为了不使电动机定转子过电流，必须把加在定子绕组上的电压降低，以限制定、转子绕组中的电流。,9.3 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系,前面我们分析了转子不转、开路和转子堵转、短路情况下的异步电动机的工作原理，下面我们来看一下转子旋转时将会是怎样的电磁关系。 一、转差率：当转子以转速 开始旋转时，此时显然，气隙磁场不在以同步转速 切割转子绕组，同步转速和转子转速之间有一个同方向的相对运动，即此时的气隙磁场是以一个 在切割转子绕组：,s是一个没有量纲的数，它的大小也能反映电动机转子的转速。例如 时， ; 时， ； 时s为负；电动机转子的转向与气隙旋转磁密 的转向相反时，s1。一般： 二、转子电动势： 当异步电动机转子以转速 恒速运转时，此时一些相应的物理量将要结合转差率发生相应的变化转子回路的电压方程式为：,此时在转子绕组内感应产生的感应电动势和感应电流及其他一些相关的参数的频率发生了变化。因为现在切割速度为： 表现在电动机转子上的频率 为： 为此转子频率也叫转差频率。正常运行的异步电动机，转子频率约为0.52.5Hz。 转子旋转时转子绕组中感应电动势为：,上式说明了当转子旋转时，每相感应电动势与转差率s成正比。 转子漏抗 是对应转子频率时的漏电抗。它与转子不转时转子漏电抗 (对应于频率 Hz)的关系为： = s,正常运行的异步电动机， 9.3.3 定、转子磁动势及磁动势关系 下面对转子旋转时，定、转子绕组电流产生的空间合成磁动势进行分析。 1定于磁动势 ： 前面我们以多次详细的介绍了，在这里不在重复。 2、转子旋转磁动势 ： （1）幅值：,（2）转向：由于现在的气隙磁场在切割转子绕组时仅是切割速度发生了变化，而它的旋转方向并没有发生改变，所以此时是以 的速度沿逆时针方向切割转子绕组，因此：产生电流的相序仍然是 由转子电流入产生的三相合成旋转磁动势的转向，相对于转子绕组而言，仍为逆时针方向旋转。 （3）转速：,（4）瞬间位置：当转子绕组哪相电流达正最大值时，正好位于该相绕组的轴线上。 3合成磁动势：搞清楚了定、转子三相合成旋转磁动势的特点后，现在希望站在定子绕组的角度上看定、转子旋转磁动势 （1）幅值：关于定、转子磁势的幅值，不因站在定子上看而有什么改变，仍为前面分析的结果。 （2）转向：二者的转向相对于定子都为逆时针方向旋转。,（3）转速：相对与定子绕组而言，定子磁动势 的转速为 ，而转子我们分开看：首先转子磁动势相对于转子的转速为 而转子本身又是以转速n 旋转，为此站在定子绕组上看转子旋转磁动势的转速为 于是，转子旋转磁动势相对于定子绕组的转速为：,可见，转子磁动势和定子磁动势的转速在空间总是等于同步转速，始终保持相对静止，即定、转子磁势之间没有相对运动！所以，感应电机在任何异步转速下均能产生恒定的电磁转矩，并实现机电能量转换。 所以：合成的总磁动势，仍用 来表示。即 这种情况下的合成磁动势，与前面介绍过的两种情况下的励磁磁动势，就实质来说都一样，都是产生气隙每极主磁通的励磁磁动势。就大小来说，不一定都一样大。,9.3.4 转子绕组频率的折合: 通过对转子旋转的分析可知,转子旋转后,转子频率的大小仅仅影响转子旋转磁动势相对于转子本身的转速 ,转子旋转磁动势相对于定子的转速永远为同步转速,与转子电流的频率无关,另外,定转子之间是通过磁动势相联系的,所以只要保持转子旋转磁动势的大小不变,至于电流的频率是多少无所谓.根据这个概念,我们对下式进行变换:,同时，在频率变换的过程中，除了电流有效值保持不变外，转子电路的功率因数角 也没有发生任何变化。即 在上式的推导过程中，并没做任何的假设，结果证明了两个电流 和 的有效值以及初相角完全相等,但此时的频率以从 变成 ,下面我们来分析一下这两个有效值相等的电流和它们的频率如何。,由此可见,频率折算是用一个静止的电阻为 的等效转子去代替电阻为R2的实际旋转的转子,等效转子将于实际转子具有相同的转子磁动势.,此时，转子电路虽然经过这种变换，但是从定子边看转子旋转磁通势并没有发现任何不同，两个情况下产生的磁通势的幅值大小是完全一样的，这就是转子电路的频率折算，即：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。 而把上式得到的电阻的形式再进行变形，可以分解成， 很明显和转子不转时相比，转子侧多了一个电阻。,注意:它的电动势为转子不转时 （注意不是转子堵转时的电动势），转子回路的电阻变成 ，漏电抗变成 。对其中转子回路电阻来说，除了原来转子绕组本身电阻 外，相当于多串一个大小为 的电阻,由等效电路可见.而这个电阻很重要！,我们知道在转子旋转时有机械能产生，在经过了频率折算后，得到转子侧的频率和定子侧的频率相等，而我们知道在转子静止转子短路的情况下，我们得到两侧的频率相等的情况，能量是不能凭空消失的，所以，显然，此时我们是用一个静止的转子电阻来代替旋转的转子电阻，即用在静止的转子上消耗的电功率来等值代替旋转的时候产生的机械能。 再考虑把转子绕组的相数、匝数以及绕组系数都折合到定子边，转子回路的电压方程式则变为 ：,当异步电动机转子电路进行了频率折合后， 转子旋转磁通势的幅值可写成: 再考虑转子绕组的相数、匝数折合， 为:,这样一来，定、转子旋转磁动势的关系 ，又可写 : 9.3.5 基本方程式、等值电路和时间空间向量图 : 与异步电动机转子绕组短路并把转子堵住不转时相比较，在基本方程式中，只有转子绕组回路的电压方程式有所差别，其他几个方程式都一样。可见，用式（7-10）代替式（7-7），就能得到异步电动机转子旋转时的基本方程式，为:,这样就可以画出相应的等值电路:,从等效电路图上我们可以看出，转子电路中多了一个表征机械负载的等效电阻 ，而在这个电阻上消耗的电功率在数值上刚好和转子旋转时的机械功率相等。,当异步电动机空载时，转子的转速接近同步速，转差率s很小， /s趋于， 电流可认为等于零,这时定子电流就是励磁电流,电动机的功率因数很低。 当电动机运行于额定负载时，转差率 /s 约为 的20倍左右，等值电路里转子边呈电阻性，功率因数COS 较高。这时定子边的功率因数COS 也比较高，可达0.80.85.,由于异步电动机定子漏阻抗不大,异步电动机从空载到额定负载运行时，由于定于电压不变，主磁通1基本上也是固定的数值。因此励磁电流也差不多是个常数。但是，当异步电动机刚起动时，转速n0（s=1），这时定子电压全部降落在定、转子的漏阻抗上，已知定、转子漏阻抗 ，这样，定、转子漏阻抗上的电压降近似为定子电压一半左右。也就是说，近似是的一半左右，气隙主磁通1也将变为空载时的一半左右,这样,根据上述五个基本方程式画出的异步电动机时间空间相量图，与三相变压器带纯电阻负载运行时的相量图相似。,9.3.6 鼠笼转子: 鼠笼转子每相邻两根导条电动势(电流)的相位相差的电角度与他们空间相差的电角度是相同的,导条是均匀分布的.若一对磁极范围内有m2根导条,转子就感应产生m2相对称的感应电动势和电流.若一对磁极范围内的导条数不为整数,则取m2等于转子槽数. 对于鼠笼转子的整个分析过程和前面我们所用的方法相同,所以,在这里我们不在进行详细的分析.,第10章 三相异步电动机及机械特性,10.1 三相异步电动机的功率与转矩 10.1.1 功率关系: 当三相异步电动机以转速n稳定运行时，从电源输入的功率为 : 定子铜损耗 为:,在正常情况下，转子的转速接近与同步转速，所以转子回路的铁耗很小，我们给予忽略，因此只计定子回路的铁耗： 从等值电路看出，传输给转子回路的电磁功率等于转子回路全部电阻上的损耗。 电磁功率也可表示为 ：,转子绕组中的铜损耗为： 这样电磁功率减去转子铜耗，剩下的就是等效电阻上的损耗，而此损耗实际上是电机转轴上总的机械功率，用 表示。 电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，把这部分功率叫做机械损耗，用 表示。,当然除了这些损耗外，还有一些附加损耗等， 这样，输出功率为： 所以整个功率传递过程中的功率关系为： 功率流程图：,从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的定量关系是： 10.1.2 转矩关系： 机械功率 除以轴的角速度就是电磁转矩 ，即：,式中1为同步角速度（用机械角表示），对功率表达式进行变形： T0是空载转矩 10.1.3 电磁转矩的物理表达式： 电磁功率除以同步机械角速度 得电磁转矩：,式中 ： 是一常数，叫转矩系数。,10.2 三相异步电动机的机械特性,三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速 （或转差率 ）之间的函数关系。 10.2.1 机械特性的参数表达式: 已知:,异步机等值电路中，由于励磁阻抗比定、转子漏阻抗大很多，把T型等值电中励磁阻抗这一段电路前移来计算 ，误差很小,故: 代入上面电磁转矩公式中去，得到:,这就是机械特性的参数表达式。固定 、及阻抗等参数， 画成曲线便为Ts曲线。 10.2.2固有机械特性: 1)固有机械特性曲线:,有了机械特性的表达式,我们就可以作出相应的特性曲线.根据条件 的不同,特性曲线又可以分为固有机械特性曲线和人为特性曲线: 固有机械特性曲线:三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变，定、转子回路不串入任何电路元时的机械特性称为固有机械特性，如图. 从图上我们可以看出相异步电动机固有机械特性不是一条直线，它具有以下特点： （1）在0S1，即n0的范围内，特性在第象限，电磁转矩T和转速n都为正，从正方向规定判断，T与n同方向，如图所示。电动机工作在这范围内是电动状态。这也是我们分析的重点.,（2）在s0范围内，n ，特性在第象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态，如图左上部所示,机械特性在 S0和s0两个范围内近似对称。 （3）在s1范围内，nO，特性在第象限，T0，也是一种制动状态，如图右下部所示。在第象限电动状态的特性上，B点为额定运行点，其电磁转矩与转速均为额定值。A点， T=0,为理想空载运行点。C点是电磁转矩最大点。D点n=0，转矩为TS，是起动点（见图 ）。,2)最大电磁转矩: 正、负最大电磁转矩可以从参数表达式求得，令 : 得到最大电磁转矩: 最大转矩对应的转差率称为临界转差率,一般情况下， 值不超过 的5%，可以忽略。这样一来，有: 也就是说，异步发电机状态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。,过载倍数:最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最大转矩倍数，又称过载能力，用表示为 一般三相异步电动机=1.62.2,起重、冶金用的异步电动机=2.22.8。 3.起动转矩: 满足n=0，s=1的电磁转矩,将s1代入式（7-14）中，得到起动转矩为:,从式中看出，TS与电压平方成正比，而且转子电阻越大，起动转矩越大，漏电抗越大，起动转矩越小。 起动转矩倍数:起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数，用 表示， 电动机起动时，只有TS大于(1.11.2)倍的负载转矩才可顺利起动。一般异步电动机起动转矩倍数 =0.81.2。,4.稳定运行问题: 从三相异步电动机机械特性上看，当0s ，机械特性下斜，拖动恒转矩负载和泵类负载运行时均能稳定运行。当 s1，机械特性上翘，拖动恒转矩负载不能稳定运行。拖动泵类负载时，满足 处 的条件，即可以稳定运行。但是由于这时候转速低，转差率大，转子电动势 比正常运行时大很多，造成转子电流、定子电流均很大，不能长期运行。因此三相异步电动机稳定运行在0s 范围内，长期稳定运行在0s 范围内。,10.2.3 人为机械特性: 从机械特性表达式上我们可以看出我们可以通过改变一些参数使得特性曲线更满足用户的需要,这样就得到了我们的人为机械特性曲线. 1)降低定子端电压的人为机械特性: 除了自变量与因变量外，保持其它量都不变，只改变定子电压的大小，研究这种情况下的机械特性。由于异步电机的磁路在额定电压下已有点饱和了，故不宜再升高电压。下面只讨论降低定子端电压时的人为机械特性。,从表达式上可以看出,异步电机的同步转速与电压无关不同电压的人为机械性，都得通过 点。我们知道，电磁转矩T与 成正比，为此最大转矩 以及起动转矩TS都要随 的降低而按 的平方减小。而最大转矩对应的转差率 不变。如图所示。 2转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性: 绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把 三相对称电阻串入转子回路而后三相再短路。,从机械特性的表达式上可以看出,最大电磁转矩与转子每相电阻值无关，即转子串入电阻后，Tm不变。从式（10-6）看出，临界转差率: 转子回路串电阻并不改变同步转速.转子回路串三 相对称电阻后的人为机械特性图所示。 从图看出，转子回路稍串入一些电阻，可以增大 起动转矩，串的电阻合适时，,（,+R）,但是若串入转子回路的电阻再增加，则 1了。因此转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而是有一个限度，如图所示。 除了上面两种方法,还可以改变定子电源频率,这种方法我们异步电动机起动与调速方法中介绍。 10.2.4 机械特性的实用公式: 1实用公式: 实际应用时，三相异步电机的参数不易得到， 这样我们用前面的机械特性表达式就很不方便,所以,在实际工程中,若利用异步电机产品目录中给出的数据，找出异步电动机的机械特性公式，即便是粗糙些，但也很有用，这就是实用公式。下面我们进行一下推导。,以知: 代入上式,于是上式变为:,式中: 其中 大约在0.10.2范围内，上式中，显然在任何s值时，都有 而q 2可忽略，这样上式可简化为,这就是三相异步电动机机械特性的实用公式。 2实用公式的使用: 从实用公式看出，必须先知道最大转矩及临界转差率才能计算。而额定输出转矩可以通过额定功率和额定转速计算，在实际应用中，忽略空载转矩，近似认为 。过载能力可从产品目录中查到，故 便可确定。 下面再推导一下临界转差率 的计算公式。,若用额定工作点的 和 ，将其代入上式 此式使用时，额定工作点的数据是已知的。,若使用实用公式时，不知道额定工作点数据，更多的情况是在人为机械特性上运行（机械特性照样可以用实用公式计算），但该特性上没有额定运行点，这时可用如下公式： 异步电动机的电磁转矩实用公式很简单，使用起来也较方便，应该记住。同时最大转矩对应的转差率 的公式也应记住。,当三相异步电动机在额定负载范围内运行时，它的转差率小于额定转差率（ 0.010.05）。这就是说 忽略s/ ，式（10-8）变成为 : 经过以上简化，使三相异步电动机的机械特性呈线性变化关系，使用起来更为方便。但是，上式只能用于转差率在 s0的范围内。,10.3 三相异步电动机的工作特性及其测试方法,异步电动机的工作特性: 指 时电动机的转速n、定子电流 ,功率因数 电磁转矩T、效率等与输出功率P2的关系。 可以通过直接给异步电动机带负载测得工作特性，也可以利用等值电路计算而得。 下面，我们将分别进行介绍.,1)转速特性 : 三相异步电动机空载时，转子的转速n接近于同步转速 。随着负载的增加，转速n要略微降低，这时转子电动势 增大，转子电流 增大，以产生大的电磁转矩来平衡负载转矩。因此，随着P2的增加，转子转速n下降，转差率s增大。 2)定子电流特性 空载时,转子电流基本上为零,此时的定子电流就是励磁电流I0,随着负载的增加,转速降低,转子电流增大,定子电流也增大.,3)定子边功率因数 以知三相异步电动机运行时必须从电网中吸收滞后的无功功率来建立磁场,所以它的功率因数永远小于1.空载时,定子侧的功率因数很低,不超过0.2,接近额定负载时,定子电流中的有功电流增加,使功率因数提高,接近负载时,功率因数接近于1.但是如果进一步增大负载,由于转差率的增大,使功率因数角增大,则功率因数减小.,4)电磁转矩特性 稳定运行时异步电动机的转矩方程为 输出功率 ，所以 当电动机空载时，电磁转矩 。随着负载增加， 增大，由于机械角速度变化不大，电磁转矩T随的变化近似地为一条直线。 5) 效率特性:,空载时， = 0， 0，随着输出功率的增加，效率也在增加。在正常运行范围内因主磁通变化很小，所以铁损耗变化不大，机械损耗变化也很小，合起来叫不变损耗。定、转子铜损耗与电流平方成正比，变化很大，叫可变损耗。当不变损耗等于可变损耗时，电动机的效率达最大。对中、小型异步电动机，大约 时，效率最高。如果负载继续增大，效率反而要降低。一般来说，电动机的容量越大，效率越高。,10.3.2 用试验法测三相异步电动机的工作特性: 直接负载试验是在电源电压为额定电压、额定频率的条件下，给电动机的轴上带上不同的机械负载，测量不同负载下的输入功率、定子电流、转速n，即可算出各种工作特性，并画成曲线。,10.4三相异步电动机参数的测定,上面已经说明，为了要用等值电路计算异步电动机的工作特性，应先知道它的参数。和变压器一样，通过做空载和短路（堵转）两个试验，就能求出异步电动机的参数来。 10.4.1短路(堵转)实验:,短路试验又叫堵转试验，即把绕线式异步电机的转于绕组短路，并把转子卡住，不使其旋转，鼠笼式电机转子本身已短路。 实验过程:从 开始,然后逐渐降低电压。 实验过程:记录定子绕组加的端电压、定子电流 和定子输入功率 。试验时，还应量测定子绕组每相电阻 的大小。根据试验的数据，画出异步电动机的短路特性 、 ,如图所示。,因电压低铁损耗可忽略，为了简单起见，可认为 由于试验时，转速n0，机械损耗 ,定子全部的输入功率 都损耗在定、转子的电阻上，即 由于 所以,根据短路试验测得的数据，可以算出短路阻抗、短路电阻和短路电抗。即,10.4.2空载实验: 实验目的:为了测励磁阻抗 机械损耗pm,铁心损耗pFe 。 试验过程:转轴上不加任何负载，即电动机处于空载运行，把定子绕组接到频率为额定的三相对称电源上，当电源电压为额定值时，让电动机运行一段时间，使其机械损耗达到稳定值。用调压器改变加在电动机定于绕组上的电压，使其从（1.11.3）开始，逐渐降低电压 ,直到电动机的转速,发生明显的变化为止。记录电动机的端电压、空载电流、空载功率P。和转速n，并画成曲线。如图所示，即异步电动机的空载特性。 由于异步电动机处于空载状态，转子电流很小，转子里的铜损耗可忽略不计。所以这个时候的空载损耗全部消耗在定子铜耗,铁耗,机械损耗,和附加损耗中,既:,转换一下: 在上面的损耗中,铁耗和附加损耗是随着定子的端电压变化的,与磁密的平方成正比,近似地看成为与电动机的端电压成正比。 而机械损耗与电压无关,只要转速不变,可认为是常数.这样就可以作出 对 的关系曲线.,如图所示,把图中曲线延长与纵坐标轴交于点 ，过 做一水平虚线，把曲线的纵坐标分成两部分。由于机械损耗与转速有关，电动机空载时，转速接近于同步转速，对应的机械损耗是个不变的数值。即可由虚线与横坐标轴之间的部分来表示这个损耗，其余部分当然就是铁损耗和空载附加损耗了。 定子加额定电压时，根据空载试验测得的数据 和 ，可以算出:,式中 是测得的三相功率； 、 分别是相电流和相电压。 可从短路（堵转）试验中测出， 于是励磁电抗:,励磁电阻为:,第11章 三相异步电动机的起动、制动与调速,我们知道异步电动机的作用就是拖动负载工作，那么关于它的起动、制动和调速问题就是我们关心的重点。 在三相异步电动机电力拖动系统中，电动机转速、电磁转矩、负载转矩等物理量的正方向，都按电动机惯例规定。本章讨论三相异步电动机的起动、调速及各种运行状态。,11.1 三相异步电动机的直接起动 对于电动机来说最简单、最直接的起动方法就是我们大家能最先想到的直接起动法。由前面所介绍的机械特性出发，我们知道如果在额定电压下直接起动三相异步电动机，由于最初起动瞬间主磁通约减少到额定值的一半，功率因数cos 很低，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。以普通鼠笼式三相异步电动机为例，起动电流,起动转矩 如图所示为三相异步电动机直接起动时的固有机械特性与电流特性，其中 为定子每相电流，而 一般地说，容量在7.5kw以下的小容量鼠笼式异步电动机都可直接起动。 起动电流较大有什么影响呢？ 1、首先对于绕组来说是非常不利的，如果电机是属于频繁起动的，频繁出现短时大电流会使电动机内部发热较多而过热。 2 对于变压器而言，整个交流电网的容量相对于,单个的三相异步电动机来讲是非常大的。但是具体到直接供电的变压器来讲，容量却是有限的。若变压器额定容量相对不够大时，电动机短时较大的起动电流，会使变压器输出电压短时下降幅度较大，超过了正常规定值，例如 U 10或更严重。这样一来，影响了几个方面： （1）起动电动机本身，由于电压太低起动转矩下降很多（ ），当负载较重时，可起动不了。 （2）影响由同一台配电变压器供电的其他负载，比如说电灯会变暗，数控设备可能失常，重载的异步电动机可能停转等。,起动转矩不大有什么影响呢 ？ 很显然，电机的起动是非常吃力的， l.1-1.2的条件下，电动机才能正常起动。一般地说，如果异步电动机轻载和空载起动，直接起动时的起动转矩就够大了，但是如果是重载起动例如 ，且要求起动过程快时，某些异步电动机例如绕线式三相异步电动机， 往往小于1，直接起动的起动转矩就不够大了。,从上面分析看出，三相异步电动机直接起动有些情况下是可行的，而下面两种情况下是不可行的：变压器与电动机容量之比不足够大；起动转矩不能满足要求。 不能直接起动的第种情况下需要减小起动电流，第种情况下需要加大起动转矩。 即起动必须满足的条件是： 起动电流要足够小；起动转矩要足够大。 起动电流：,从上面两个表达式我们可以看出，降低起动电流的方法有：降低电源电压；加大定子边电抗或电阻；加大转子边电阻或电抗。加大起动转矩的方法只有适当加大转子电阻，但不能过份，否则起动转矩反而可能减小。 而直接起动的最大优点就是不需要专门的起动设备。,11.2 三想鼠笼异步电动机的降压起动,11.2.1 定子串接电抗器起动： 三相异步电动机定子串电抗器起动，起动时电抗器接入定子电路；起动后，切除电抗器，进入正常运行。显然此时的电抗器起到了分压的作用。三相异步电动机直接起动时，其每相等值电路如图（a）所示，电源电压 直接加在短路阻抗 上。定子边串入电抗X起动时，每相等值电路如图（b）所示，,加在（jX ）上，而 上的电压是 。定子边串电抗起动可以理解为增大定子边电抗值，也可以理解为降低定子实际所加电压，其目的是减小起动 电流。根据等值电路，可以得出 我们知道，三相异步电动机直接起动时转子功率因数很低，这是由于电动机设计时，短路阻抗,所至，一般说来， 因此，串电抗起动时，可以近似把 看成是电抗性质。设串电抗时电动机定子电压与直接起动时电压比值为u，则,显然，定子串电抗器起动，降低了起动电流，但起动转矩降低得更多。因此，定子串电抗器起动，只能用于空载和轻载。 工程实际中，往往先给定线路允许电动机起动电流的大小 ，再计算电抗X的大小。计算公式推导如下： 其中短路阻抗为,若定子回路串电阻起动，也属于降压起动，也可以降低起动电流。但由于外串的电阻上有较大的有功功率损耗，特别对中型、大型异步电动机更不经济，因此这里不予介绍。 11.2.2 Y一 起动： 在这里主要是利用了星三角电压之间 的关系，我们知道在星接中线电压是相电压的 倍，注意这种方法只适用与绕组在起动的时候是星接，而运行的时候是角接。如图所示：,试想一下，如果起动的时候是角接，这样，相电压等于线电压 每相起动电流为 线上的起动电流为 。而如果起动时定子绕组Y接，如图（b）所示，每根起动电压为 每相起动电流，则,线起动电流为 :,上式说明，Y一 起动时，尽管相电压和相电流与直接起动时相比降低到原来的1，但是对供电变压器造成冲击的起动电流则降低到直接起动时的13。 直接起动时起动转矩为 ，Y一 起动时起动转矩为 ，则： Y一 起动可以用于拖动 的轻负载。在轻载起动条件下，应该优先采用。,11.2.3自耦变压器（起动补偿器）降压起动： 如图所示： 我们在前边已经学过了自耦变压器的工作原理，在这里就是利用了自耦变压器有抽头可供选用，比较灵活，可以实现不同要求的降压。 电动机起动电压下降为 ， 与直接起动时电压的关系为,电动机降压起动电流为 ，与直接起动的起动电流 之间关系是： 自耦变压器原边的起动电流为 ，与 之间关系为： 因此降压起动与直接起动相比，供电变压器的起动电流的关系为：,自耦变压器起动时记起动转矩为 ，与直接起动时起动转矩 之间的关系为： 采用自耦变压器降压起动时，与直接起动相比较，电压降低到 倍，起动电流与起动转矩降低到 倍。,实际上起动用的自耦变压器，备有几个抽头供选用。例如QJ 2型有三种抽头，分别为5