单相异步电动机原理

1、第四章 感应电机 异步电机主要用作电动机，将电能转换为异步电机主要用作电动机，将电能转换为 机械能，拖动各种生产机械。结构简单、制造、机械能，拖动各种生产机械。结构简单、制造、 使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高， 得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调 速性能差。速性能差。 感应电机（异步电机）：定、转子间靠感应电机（异步电机）：定、转子间靠 电磁感应作用，在转子内感应电流以实电磁感应作用，在转子内感应电流以实 现机电能量转换。现机电能量转换。 第四章 感应电机 第一节第一节 三相异步电动机的基本工作原

2、理三相异步电动机的基本工作原理 一、转动原理 1 1、电生磁、电生磁：三相对称绕组通以三相对称绕组通以 三相对称电流产生圆形旋转磁场。三相对称电流产生圆形旋转磁场。 2 2、磁生电、磁生电：旋转磁场切割转旋转磁场切割转 子导体感应电动势，产生感生电子导体感应电动势，产生感生电 流。流。 3 3、电磁力、电磁力：转子载流（有功转子载流（有功 分量电流）体在磁场作用下受分量电流）体在磁场作用下受 电磁力作用，形成电磁转矩，电磁力作用，形成电磁转矩， 驱动电动机旋转，将电能转化驱动电动机旋转，将电能转化 为机械能。为机械能。 X A Z B C Y No Image No Image No Imag

3、e No Image No Image No Image No Image Sanxiangboxingtu A相相B相相C相相 第四章 感应电机 异步电机外形图 异步电机结构图 第二节第二节 异步电机的基本结构异步电机的基本结构 第四章 感应电机 第四章 感应电机 第四章 感应电机 一.定子 定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚 度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子 冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。 第四章 感应电机 定子铁心定子铁心 第四章 感应电机 定子铁心的槽形主要有三种：半闭口槽适用于小型异步电机 ，其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适用于

4、低压中型异步 电机，其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电 机，其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。 第四章 感应电机 一一. 定子定子 定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流 、实现机电能量转换。 第四章 感应电机 外壳和机座外壳和机座 机座：固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。 第四章 感应电机 二. 转子 转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子绕组。 由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转子外圆周上冲 制均匀分布的形状相同的槽。 转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼型绕组 和绕线型绕组。 转轴：支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。 第二节

5、第二节 异步电机的基本结构异步电机的基本结构 第四章 感应电机 二二. 转子转子 笼型绕组：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根 导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸 出槽外部分与端环联接起来。这种笼型绕组一般为铝浇 铸的，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用 铜条焊接而成。 第四章 感应电机 二. 转子 绕线型绕组：与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。 一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三 个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是 可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动 机的起动性能、调节其转速。 第四章 感应电机 三. 气隙

6、 定、转子之间的间隙，也是电 机主磁路的组成部分。 气隙大小对异步电机的性能影 响很大。 为了减小电机主磁路的磁阻 ，降低电机的励磁电流，提高电 机的功率因数，气隙应尽可能小 。异步电机气隙长度应为定、转 子在运行中不发生机械摩擦所允 许的最小值。 中、小型异步电机中，气隙 长度一般为0.21.5mm。 第四章 感应电机 u 额定功率额定功率P PN N：是转轴上输出的机械功率，单位为W或kW。 u 额定电压额定电压U UN N：施加在定子绕组上的线电压，单位为V。 u 额定电流额定电流I IN N：电动机在额定电压、额定频率下，轴端输出额 u 定功率时，定子绕组的线电流，单位为A。 u 额定

7、频率额定频率f fN N：我国电网频率fN=50Hz。 u 额定转速额定转速n nN N：电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定 u 功率时，转子的转速，单位为r/min。 u 额定效率额定效率N N u 额定功率因数额定功率因数coscosN N NNNNN cos3IUP 四、异步电动机的额定值四、异步电动机的额定值 三相异步电动机额定值之间的关系 第四章 感应电机 五、异步电机的转差率五、异步电机的转差率 同步转速n1-定子绕组中流过频率为f1的三 相对称电流，在气隙中产生的基波旋转磁场相 对于定子绕组的转速为n1。该转速大小取决于 电流的频率f1和绕组的极对数p，转向为从超前 电流相

8、绕组转向滞后电流相绕组。 转子转速n-转子的机械转速。 p f n 1 1 60 1 1 n nn s 转差率s-同步转速n1与转子转速n之差对 同步转速n1之比值 第四章 感应电机 根据转差率的大小和正负根据转差率的大小和正负, ,异步电机有三种运行状态异步电机有三种运行状态 机械能机械能 转变为电能转变为电能 电能和机械能电能和机械能 变成内能变成内能 电能转变为机电能转变为机 械能械能 能量关系 制动制动制动制动驱动驱动电磁转矩 转差率 转速 外力使电机快速 旋转 外力使电机沿磁 场反方向旋转 定子绕组接对 称电源 实现 发电机发电机电磁制动电磁制动电动机电动机状态状态 1 0nn 0n

9、 1 nn 10 s1s0s 六、异步电机的三种运行状态六、异步电机的三种运行状态 第四章 感应电机 第三节第三节 交流电机的绕组交流电机的绕组 一、三相交流绕组的构成原则一、三相交流绕组的构成原则 交流绕组是电机实现能量转换的一个主要部件。按槽内交流绕组是电机实现能量转换的一个主要部件。按槽内 层数分有单层、双层绕组；单层又分等元件式、同心式、链层数分有单层、双层绕组；单层又分等元件式、同心式、链 式和交叉式等；双层又有叠绕和波绕之分；按每极每相所占式和交叉式等；双层又有叠绕和波绕之分；按每极每相所占 槽数又分为整数槽和分数槽绕组。槽数又分为整数槽和分数槽绕组。 三相绕组遵循的原则三相绕组遵

10、循的原则 （1 1）均匀原则：各相绕组在每极下所占的槽数应相等；）均匀原则：各相绕组在每极下所占的槽数应相等； （2 2）对称原则：三相绕组的结构完全一样，在电机的空间上）对称原则：三相绕组的结构完全一样，在电机的空间上 互相错开互相错开1201200 0电角度电角度； （3 3）电动势相加原则：线圈两个边的电动势应相加；线圈与）电动势相加原则：线圈两个边的电动势应相加；线圈与 线圈之间的连接也应符合这一原则。线圈之间的连接也应符合这一原则。 （4 4）在产生一定大小电动势和磁动势、且保证绝缘性能和机）在产生一定大小电动势和磁动势、且保证绝缘性能和机 械强度可靠的条件下，尽量减少用铜量，并且制

11、造检修方便。械强度可靠的条件下，尽量减少用铜量，并且制造检修方便。 第四章 感应电机 线圈（绕组元件）：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 规律的排列和联结。线圈可以区分 为多匝线圈和单匝线圈。 与线圈相关的概念包括： 有效边有效边；端部端部；线圈节距线圈节距等 二、三相交流绕组的基本概念二、三相交流绕组的基本概念 第四章 感应电机 极距极距：沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围； 用长度表示/用槽数表示； 电角度：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NS极构成一个磁场周期，即1 对磁极为360电角度； 电机的极对数为p时，气隙

12、圆周的角度数为p 360电 角度。 电角度机械角度电角度机械角度P 第四章 感应电机 单层绕组一个槽中只放一个元件边； 双层绕组一个槽中放两个元件边。 第四章 感应电机 一个槽所占的电角度数称为槽距角，用表示； 每个极域内每相所占的槽数称为每极每相槽数，用q表示。 pm Z q 2 槽距角，相数，每极每相槽数槽距角，相数，每极每相槽数 第四章 感应电机 交流绕组 单层绕组 双层绕组 同心式绕组 链式绕组 交叉链式绕组 等元件式整距叠绕组 双层叠绕组 双层波绕组 三、交流绕组的形式三、交流绕组的形式 第四章 感应电机 整距单层叠绕组整距单层叠绕组 第四章 感应电机 同心式绕组同心式绕组 第四章

13、感应电机 链式绕组链式绕组 第四章 感应电机 交叉链式绕组交叉链式绕组 第四章 感应电机 双层叠绕组双层叠绕组 第四章 感应电机 四、单层叠绕组的构成四、单层叠绕组的构成 1. 1. 分极分相：分极分相： 将总槽数按给定的极数均匀分开（N、S极相邻分布）并标记 假设的感应电势方向。 将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角 度。 实例：Z24（槽）、m3（相）、2p4（极）的单层叠绕组 基本步骤： pm Z q 2 每极每相槽数 第四章 感应电机 pm Z q 2 第四章 感应电机 2. 2. 连线圈和线圈组：连线圈和线圈组： 将一对极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线 圈

14、，共有q个线圈。 将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组； （共有多少个线圈组？） 以上连接应符合电势相加原则。 第四章 感应电机 线圈组连接线圈组连接 第四章 感应电机 将属于同一相的q 个线圈组连成一相绕组， 并标记首尾端。 串联与并联：电势相 加原则。 最大并联支路数ap 。 连相绕组连相绕组 第四章 感应电机 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组； 接法或Y接法； 连三相绕组连三相绕组 第四章 感应电机 第四节第四节 交流绕组建立的磁动势交流绕组建立的磁动势 一、交流电机定子单相绕组的磁势一、交流电机定子单相绕组的磁势 1、单个整距集中绕组的磁势、单个整距集中绕组的磁势 一

15、个整距线圈在异步电机中产生的磁势 第四章 感应电机 磁力线穿过转子铁心，定子铁心和两个气隙 相对于气隙而言，由于铁心磁导率极大，其上消耗的磁 势降可以忽略不计 ，线圈在一个气隙上施加的磁势为： yyy iNf 2 1 如果通过线圈的电流为正弦波， 则矩形波的高度也将按正 弦变化。 一个位置固定，幅 值随时间按正弦变 化，矩形脉振磁势。 矩形脉振磁势矩形脉振磁势 第四章 感应电机 脉振磁势可以表示为 tcosF tcos 2 2 y yyy INf yyy INF 2 2 为幅值 按照富立叶级数分解的方法可以把矩形波分解为基波和 一系列谐波 基波幅值为： yyyyyy ININFF9 . 0 2

16、 244 1 高次谐波的幅值为 yyyy INFF9 . 0 11 矩形波脉振磁势的分解矩形波脉振磁势的分解 第四章 感应电机 基波在空间按正弦分布；在时间上，任何一个位置的磁势 都按正弦变化。所以基波是一个正弦分布的正弦脉振磁势 （驻波） 。其表达式为： tcoscos 11 xFf yy 第四章 感应电机 1 , s ft 1 t 1 t 2 t 2 t 3 t 3 t s 第四章 感应电机 由q个线圈构成的线圈组，由于线圈与线圈之间错开一个槽 距角，称为分布绕组。 2、 （1）整距分布绕组的磁势）整距分布绕组的磁势 分布绕组有利于削弱谐波分布绕组有利于削弱谐波 第四章 感应电机 取单个线

17、圈的基波进行分析（为正弦脉振磁势），q个正 弦脉振磁势在空间依次错开一个槽距角； 线圈组的磁势为： 1111 9 . 0 qyyqyq kqNIkqFF 2 sin 2 sin 1 1 1 q q qF F k y q q 第四章 感应电机 （2）双层短距绕组的磁势）双层短距绕组的磁势 双层整距绕组可以等效 为两个整距单层绕组 两个等效单层绕组在空间 分布上错开一定的角度，这 个角度等于短距角； 双层短距绕组的磁势等 于错开一个短距角的两个 单层绕组的磁势在空间叠 加。 111wyq kkk 短距绕组有利于削弱谐波短距绕组有利于削弱谐波 分布系数分布系数 短矩系数短矩系数 第四章 感应电机 多

18、极电机：如果只看每 对极产生的磁动势，与 上面的两极电机完全一 样，所以多极电机只研 究每对极磁动势即可。 一相绕组的总磁动势 平均作用于各个磁极， 单相绕组磁动势，不是 一相绕组的总磁动势， 而是其作用于一个磁极 的磁动势。 2 yyi N 2 yyi N -900 900270 0 需澄清的两个概念需澄清的两个概念 第四章 感应电机 二、三相基波旋转磁势二、三相基波旋转磁势 单相正弦脉振磁势的分解： 设A相绕组通过电流： tcos2Iia 其基波磁势为: tcoscos 1 xFfa -11 FF t)cos( 2 1 t)cos( 2 1 xFxFfa F最高点的运行轨迹为xt ，即最高

19、点的位置随时间 以角速度运动。 F最高点的运行轨迹为xt ，即最高点的位置随时 间以角速度运动。 第四章 感应电机 脉振驻波分解为两个行波脉振驻波分解为两个行波 x A 脉振驻波脉振驻波 右行行波右行行波 左行波波左行波波 第四章 感应电机 No Image No Image No Image No Image No Image No Image No Image No Image 结论结论: （1）单相绕组的基波磁动势为脉动单相绕组的基波磁动势为脉动, ,它可以分解为大小相等、它可以分解为大小相等、 转速相同而转向相反的两个旋转磁势。转速相同而转向相反的两个旋转磁势。 （2 2）反之）反之,

20、 ,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动 磁动势磁动势. . （3）正反两个旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，所以称）正反两个旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，所以称 这两个磁动势为圆形旋转旋转磁动势。这两个磁动势为圆形旋转旋转磁动势。 第四章 感应电机 三相基波磁势合成旋转磁势 三相对称电流： 三相对称电流通过三相对称绕组时各自产生的磁势： )480 cos( 2 1 ) cos( 2 1 )240 cos()240cos( )240 cos( 2 1 ) cos( 2 1 )120 cos()120cos( ) cos( 2 1 ) cos(

21、 2 1 coscos 0 11 00 1 0 11 00 1 111 txFtxFtxFf txFtxFtxFf txFtxFtxFf c b a )120 tcos(2 )120- tcos(2 tcos2 0 0 Ii Ii Ii c b a 第四章 感应电机 三相合成磁势为三相合成磁势为 ) cos( 2 3 11 txFffff cba 三相对称交流绕组通过三相 对称电流时将产生旋转磁势。 第四章 感应电机 关于旋转磁势的进一步讨论关于旋转磁势的进一步讨论 三相对称交流绕组通过三相对称交流电流时，三个反向旋 转磁势在空间错开120电角度相互抵消，三个正向旋转磁势 在空间同相位，合成一

22、个圆形旋转磁势。 圆形旋转磁势的幅值为： 1 1 1 1 11 35. 19 . 0 2 3 2 3 ww k p NI k p NI FF 圆形旋转磁势的转速为： p f n 60 1 当某相电流达到最大值时，旋转磁势的波幅刚好转到该相 绕组的轴线上，旋转磁势的转向:由带有超前电流的相转向带 有滞后电流的相。 N1为每相的串联匝数，/p 为每极每相的匝数 第四章 感应电机 )120 tcos(2 )120- tcos(2 tcos2 0 0 Ii Ii Ii c b a ) cos( 2 3 11 txFf 改变旋转磁场转向 的方法：调换任意 两相电源线（改变 相序） 旋转磁势旋转磁势 第四

23、章 感应电机 三相（m相，m3）对称绕组通入三相（m相，m3）对称 电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形 旋转磁动势，它有以下主要性质 (1)(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/23/2倍（倍（m/2m/2倍）。倍）。 (2)(2)转向由电流相序决定转向由电流相序决定, ,从超前电流相转到滞后电流相。从超前电流相转到滞后电流相。 (3)(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数。转速决定于电流的频率和电机的磁极对数。 p f n 60 1 (4)(4)当某相电流达最大值时当某相电流达最大值时, ,旋转磁动势的波幅位置与该相绕组的旋转磁动势的波幅位

24、置与该相绕组的 轴线重合。轴线重合。 No Image No Image No Image No Image No Image No Image No Image No Image 总结总结 第四章 感应电机 三相绕组的合成三相绕组的合成 次谐波磁动势讨论次谐波磁动势讨论 三次谐波磁动势的极对数是基波的三倍， 三相绕组各自建立的 三次谐波磁动势表达式 )240 cos(3cos)240 cos()240( 3cos )120 cos(3cos)120 cos()120( 3cos cos3cos 0 3 00 33 0 3 00 33 33 txFtxFf txFtxFf txFf c b a

25、 三相合成的三次谐波磁动势 0 3333 cba ffff 三相合成的三次谐波磁动势为零。三相合成的三次谐波磁动势为零。 这个结论可推广到6k3的谐波次数。 第四章 感应电机 第五节第五节 交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势 电势：这里我们指在基波磁场的作用下而感生的电势。 （变压器）： （电机）： mw kNfE 111 44. 4 m NfE 11 44.4 ky1：基波短距系数 y1/18/95/67/93/42/3 ky110.9850.9660.940.9250.866 kq1：基波分布系数 q123456 kq110.9660.960.9580.9570.957 mw kNf

26、E 111 44.4 第四章 感应电机 第六节第六节 转子静止时的异步电动机转子静止时的异步电动机 将异步电动机转 轴卡住，转子绕组短 路，在定子方施加三 相对称电压，此时称 其为转子静止时的异 步电机。 第四章 感应电机 一、定、转子基波磁动势空间相对静止一、定、转子基波磁动势空间相对静止 u 定子三相对称绕组中，流过频率为定子三相对称绕组中，流过频率为f1的三相对称电流的三相对称电流I1，产，产 生圆形旋转基波磁动势生圆形旋转基波磁动势F1，相对于定子绕组的转速为同步，相对于定子绕组的转速为同步 转速转速n1，n160f1/p，转向为从超前电流相绕组轴线转向滞，转向为从超前电流相绕组轴线转

27、向滞 后电流相绕组轴线。后电流相绕组轴线。 u 定子旋转磁场定子旋转磁场切割转子绕组，产生频率为切割转子绕组，产生频率为f2（ f2 pn1 /60= f1 ）的三相对称感应电动势）的三相对称感应电动势在闭合的转子绕组中产在闭合的转子绕组中产 生三相对称电流生三相对称电流I2产生圆形旋转基波磁动势产生圆形旋转基波磁动势F2，相对于转，相对于转 子绕组的转速为子绕组的转速为n2，n260f2/pn1，转向为从超前电流相，转向为从超前电流相 绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线，即与定子旋转磁动势绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线，即与定子旋转磁动势 F1同转向。同转向。 F2与与F1同转速、同转向，故空间

28、保持相对静止：同转速、同转向，故空间保持相对静止：n2 n1 第四章 感应电机 二、电磁关系二、电磁关系 U1 . I1 . F1 I2 . F2 Fm Bm . m E1 . E2 . N1 N2 . 1E . 1 . 2E . 2 +I1R1 . +I2R2 . 12m FFF 第四章 感应电机 1111 ZIEU 2222 jXRIE 1. 电压平衡方程式与电动势变比 三、电压、磁动势平衡方程式三、电压、磁动势平衡方程式 第四章 感应电机 R R1 1、R R2 2和和X X1 1、 、X X2 2分别为定、转子绕组的电阻和漏电抗。 分别为定、转子绕组的电阻和漏电抗。 Z Zm m= =

29、R Rm m+j+jX Xm m为励磁阻抗，为励磁阻抗，R Rm m为励磁电阻，它是一个代表铁耗的为励磁电阻，它是一个代表铁耗的 等效电阻；等效电阻；X Xm m为励磁电抗，它反映了主磁通在电路中的作用。为励磁电抗，它反映了主磁通在电路中的作用。 主磁通在定、转子绕组的感应电动势。主磁通在定、转子绕组的感应电动势。 m111 44. 4kfNjE w m222 44. 4kfNjE w 22 11 2 1 w w e kN kN E E k 定、转子绕组电动势之比称为定、转子绕组电动势之比称为电动势变比电动势变比KeKe 第四章 感应电机 2. 磁动势平衡方程式与电流变比 由于定、转子磁动势由

30、于定、转子磁动势F1F1与与F2F2空间保持相对静止，故可以合成为空间保持相对静止，故可以合成为 一等效的励磁磁动势：一等效的励磁磁动势： 0 111 2 w222 1 w111 2 2 2 I p kNm I p kNm I p kNm w 021 FFF 222 111 w w i kNm kNm k 电流变比：电流变比： 010 2 1 III k I I L i （三相合成基波磁势的幅值： ） 0 11 0 2 24 2 I p kNm F w 第四章 感应电机 0 2 2 2 w222 1 w111 I p kNm I p kNm L I I1L 1L称为定子电流的负载分量。在负载运

31、行时，异步电 称为定子电流的负载分量。在负载运行时，异步电 动机定子电流动机定子电流I I1 1分成分成I I0 0和和I I1L 1L两个分量： 两个分量：I I0 0是励磁电流用于是励磁电流用于 建立电机铁心中的主磁通建立电机铁心中的主磁通m m，I I1L 1L是负载分量用于建立磁 是负载分量用于建立磁 动势动势F F1L 1L去抵消二次侧磁势 去抵消二次侧磁势F F2 2。 2. 磁动势平衡方程式与电流变比 第四章 感应电机 3. 转子静止时的基本方程式组 11011101 (j)UEIRXEI Z 定子侧： 转子侧： 222222 (j)UIRXI Z 定转子关联方程： . 12 .

32、 11m / e i Ek E II kI 定子主电动势方程： . 1mmmmm jEI ZZRX 5个方程式，5个未知量： 模型完备，可以定解 1 E 1 I 2 E 2 I m I 第四章 感应电机 1111 2222 012 12 10m UEI Z EIRjX III EE EI Z 四、绕组折算和等效电路四、绕组折算和等效电路 1. 折算到定子方的方程式组为 第四章 感应电机 四、绕组折算和等效电路四、绕组折算和等效电路 经折算后，同 变压器类似， 可得异步电动 机在转子静止 时的T型等效 电路。 2. 等效电路 第四章 感应电机 21s fsf 2222 2 ss Xf LsX 2

33、 2 22 s s s E I RjX 第七节第七节 转子旋转时的异步电动机转子旋转时的异步电动机 （4 4） 转子相电流转子相电流 一、转子旋转对转子侧各量的影响一、转子旋转对转子侧各量的影响 （1 1） 转子系统频率转子系统频率f f2s 2s （2 2） 转子相绕组感应电动势转子相绕组感应电动势E E2s 2s （3 3） 转子相绕组漏阻抗转子相绕组漏阻抗 f2s=p(n1-n)/60 22222 44.4sEkNfE mwss 第四章 感应电机 112 nnsnnn转子旋转磁动势相对定子的速度为转子旋转磁动势相对定子的速度为 可见可见, ,无论转子转速怎样变化无论转子转速怎样变化, ,

34、定、转子磁动势总是定、转子磁动势总是 以同速、同向在空间旋转，在空间上总是保持相对静止，以同速、同向在空间旋转，在空间上总是保持相对静止， 共同建立稳定的气隙主磁场。共同建立稳定的气隙主磁场。 12ms FFF 二、定转子磁动势空间仍相对静止二、定转子磁动势空间仍相对静止 F F1 1与与F F2s 2s仍可空间矢量合成，等效为合成的激磁磁动势 仍可空间矢量合成，等效为合成的激磁磁动势 第四章 感应电机 定子侧：定子侧： 转子侧：转子侧： . 2s2s22s (j)EIRX 1101 UEI Z （2 2）磁动势方程式）磁动势方程式 12ms FFF 三、基本方程式三、基本方程式 （1 1）电

35、压方程式）电压方程式 第四章 感应电机 等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在 异步电动机中，做等效电路遇到的两大障碍：异步电动机中，做等效电路遇到的两大障碍： (1)(1)定转子电路的频率不相同；定转子电路的频率不相同； (2)(2)定转子边的相数，匝数，绕组系数不相等。定转子边的相数，匝数，绕组系数不相等。 折算的目的：求出等值电路。折算的目的：求出等值电路。 折算的内容：频率、匝数、相数。折算的内容：频率、匝数、相数。 折算的原则：等效。折算的原则：等效。 四、四、 转子系统的折算与等效电路转子系统的折算与等效电路 第四章 感应电机 转子系统的频

36、率转子系统的频率f f2s 2s sfsf1 1与定子系统的频率与定子系统的频率f f1 1不不 相同，导致二者的基本方程式和等效电路均无法实相同，导致二者的基本方程式和等效电路均无法实 现直接连通，得到统一的等效电路，因此，需将转现直接连通，得到统一的等效电路，因此，需将转 子系统的频率子系统的频率f f2s 2s折算为定子系统的频率 折算为定子系统的频率f f1 1 。 第四章 感应电机 1 f 1 R 1 X 2 R n 1 U 1 I 1 E I 2s 2 sX 2 f 2 sE 第四章 感应电机 转差率为转差率为s s的异步电动机转子电路频率：的异步电动机转子电路频率： 1 1 1

37、11 2 6060 )( sf pn n nnnnp f 转子静止时转子静止时s=1s=1；则转子频率等于定子频率。；则转子频率等于定子频率。 频率折算即是用静止的转子等效代替旋转的转子。频率折算即是用静止的转子等效代替旋转的转子。 频率折算后，磁势平衡不变。频率折算后，磁势平衡不变。 频率折算频率折算 转子电流不变。转子电流不变。 第四章 感应电机 2 2 2 22 2 2 2 22 jX s R E jsXR Es Z E II s s S 22 2 1 RR s s s R 结论：结论： 频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加 电阻，

38、电阻， 即可以把原来旋转的转子看成静止即可以把原来旋转的转子看成静止 的转子。的转子。 2 1 R s s 第四章 感应电机 等效图等效图 第四章 感应电机 u 不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转， 即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势 平衡依然维持。 u 静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少 了机械功率。 u 静止的转子中多了一个附加电阻，而电流没有变，所以 多了一个电阻功率。 u 附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。 对频率折算的讨论对频率折算的讨论 第四章 感应电机 异步电机频率折算后的方程式组与变压器的完全相对 应，因此可以再通过绕

39、组折算，得到转子旋转时异步电机 的等效电路。 1. 折算的目的、方法和条件 目的：为了简化计算，便于导出一体化的等效电路。 方法：把转子绕组折算到定子侧。用一个相数为m1、匝数为 N1、绕组系数为kw1(与定子相同的)的等效转子绕组来替代 实际的转子绕组。 条件：折算前后磁动势F2不变；折算前后转子的各种功 率不变。 绕组折算绕组折算 第四章 感应电机 电流折算：根据磁势不变： 22 222 111 2 21112222 1 9 . 0 2 9 . 0 2 I k I kNm kNm I p IkNm p IkNm iw w ww 绕组折算绕组折算 第四章 感应电机 电势折算：磁通应不变。 2

40、2 22 11 2 2121211112 44. 444. 4 EkE kN kN E kNfEkNfE e w w ww 阻抗折算：功率不变。 22 2 222 111 1 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 212 2 21 RkKR kNm kNm m m R I I m m R RImRIm ei w w 电抗和漏阻抗可同样折算电抗和漏阻抗可同样折算。 电势、阻抗折算电势、阻抗折算 第四章 感应电机 2 2 22 22 2 2 Xj s R IE kk X j ksk R Ik k E eiei i e 经过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式 折算后转子电路方程式： mmmmm

41、 m R ZIjXRIE III Xj s R IEE jXIEU )( ; ; );( 1 21 2 2 212 11111 第四章 感应电机 T形等效电路形等效电路 第四章 感应电机 简化等效电路简化等效电路 第四章 感应电机 2 2 I s R 2 2 I s R 2 2 I s R 相量图相量图 第四章 感应电机 1 1）异步电动机主磁场为旋转磁场，变压器主磁场为脉动磁场）异步电动机主磁场为旋转磁场，变压器主磁场为脉动磁场 4 4）由于存在气隙）由于存在气隙, ,异步电动机漏抗较变压器的大。异步电动机漏抗较变压器的大。 5)5)异步电动机通常采用短距和分布绕组异步电动机通常采用短距和分

42、布绕组, ,计算时需考虑绕组系数计算时需考虑绕组系数, , 变压器则为整距集中绕组变压器则为整距集中绕组, ,可认为绕组系数为可认为绕组系数为1 1。 2 2）异步电动机空载时）异步电动机空载时E E2 20,I0,I2 20 0, ,变压器变压器E E2 200，I I2 2=0 =0 。 3 3）由于存在气隙，异步电动机）由于存在气隙，异步电动机I I0 0为为(20(203030)I)I1N 1N，而变压 ，而变压 器仅为器仅为2 21010。 异步电动机与变压器的差别异步电动机与变压器的差别 第四章 感应电机 1 r 1 x 2 r 2 x 2 1 r s s 1 U 1 I 0 I

43、2 I m r m x 1cu p Fe p 2cu p mec P em P 1 P 功率平衡关系 五、功率平衡方程和转矩平衡方程五、功率平衡方程和转矩平衡方程 第四章 感应电机 输入功率 11111 cosIUmP 定子铜损1 2 111 rImp cu 定子铁损mFe rImp 2 01 电磁功率 s r ImppPP Fecuem 22 2111 转子铜损 2 2 212 2 222 rImrImp cu 机械功率 2 2 212 2 22 11 r s s Imr s s ImPmec 输出功率admeccuem ppPPP 22 第四章 感应电机 P1Pem P2 pcu1 pFe

44、 pcu2 p0 Pmec 流程图流程图 第四章 感应电机 在式 的两边同时除以机械角速度 得： 02 pPP mec 60 2 n 02 pPP mec 即即： 02 TTT em 02 TTTem或或 11 )1( )1( ememmec em P s PsP T 电磁转矩电磁转矩 转矩平衡关系转矩平衡关系 第四章 感应电机 2 2 cosICT Tem 1、物理表达式 2 21 2 2 11 22 11 )()(2xx s r rf s r pUm Tem 2、参数表达式 s s s s T T m m em max 2 3、实用表达式 电磁转矩的三种表达方式电磁转矩的三种表达方式 第四

45、章 感应电机 2 2 cosICT Tem 表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的。 2 2 cosI 1. 物理表达式物理表达式 第四章 感应电机 2、参数表达式、参数表达式 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 cos R XS X S R S R 221 1 1111 cos 2 44. 4 I f kNpfm T w 2 21 2 2 1 1 2 )( XX S R R U I 根据简化电路得到 的转子电流 转子侧功率因数 第四章 感应电机 2 21 2 2 11 22 11 )()(2xx s r rf s r Upm Tem 2. 参数

46、表达式参数表达式 说明：电磁转矩与电源参数（、f）、结构参数 （r、x、m、p）和运行参数（s）有关。 1. T Tem em与 与U U1 12 2成正比。成正比。 2. f2. f1 1 T Tem em 。 3. 3. 漏电抗漏电抗X Xk k T Tem em 。 第四章 感应电机 max T 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 300 250 200 150 100 50 0 1 2 R 2 2 R 3 2 R 4 2 R 1 2 2 2 3 2 4 2 RRRR 1 1 S T 起动起动 最大值最大值 额定额定 第四章 感应电机 最大转矩可以根据高等数学中求极值的方法求得。

47、 2 21 2 1 2 )( 0 XXR R S dS dT m 令： 2 21 2 1 2 1 2 11 1 max 2 1 XXRR Um T 代入转矩公式，得 过载能力：最大转矩与额定转矩之比： N m T Tmax （1.62.2) 临界转差率临界转差率 第四章 感应电机 u最大转矩与电网电压的平方成正比； u最大转矩近似与漏电抗成反比； u最大转矩的位置可以由转子电阻的大小来调整； u最大转矩的值与转子电阻值没有关系； u频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小； u异步电动机调节转子电阻机械特性变化（软硬特性的变化）。 2 21 2 1 2 1 2 11 1 max 2 1 XXRR

48、 Um T 第四章 感应电机 2 21 2 211 2 2 11 )()(2xxrrf rpUm T st 当其它参数一定时当其它参数一定时: 1、起动转矩与电源电压平方成正比； 2、频率越高，起动转矩越小； 漏抗越大，起动转矩越小； N st st T T K 4、起动转矩倍数 起动转矩起动转矩Tst和起动转矩倍数和起动转矩倍数Kst 3、绕线式异步电动机在转子回路串入适当的电阻可以 增大起动转矩（转子回路电阻越大，起动转矩先增后 减 ）。 当 时，起动转矩最大 2 21 2 12 )( XXRR 第四章 感应电机 三个重要关系式三个重要关系式 s P p em cu 2 s P P em

49、mec 1 可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分， 一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功 率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。 因此正常运行时电机的转差率均很小。 2 2 2 1 ;I s R mP em 第四章 感应电机 s s s s T T m m m em 2 已知电机的额定功率、额定转速、过载能力 N N N n P T9550 NTm TT 1 1 n nn s N N )1( 2 TTNm ss 忽略空载转矩，有 N m m N m N s s s s T T 2 将将Tm和和sm代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式 实用表达式实用表达

50、式 第四章 感应电机 电动机组原来运行于某一转电动机组原来运行于某一转 速，由于受到外界扰动而使速，由于受到外界扰动而使 转速发生变化，当外界扰动转速发生变化，当外界扰动 消失时，机组仍能恢复到原消失时，机组仍能恢复到原 来的转速运行的，则称机组来的转速运行的，则称机组 能稳定运行。能稳定运行。 稳定运行：稳定运行： 分析特性曲线： A点 A点 A点 C点： C点 ?点 T S 0 1 Tm A B C A C 六机械特性和运行稳定性分析六机械特性和运行稳定性分析 第四章 感应电机 u如变压器一样，对于已制成的异步电机可以通过空载试验和 短路试验来测定其参数。 u试验目的：测定励磁电阻Rm、励

51、磁电抗Xm、铁耗pFe、机械损 耗pmec。 u试验方法：试验时电机轴上不带负载，用三相调压器对电机 供电，使定子端电压从(1.11.3)UN开始，逐渐降低电压，空 载电流逐渐减少，直到电动机转速发生明显下降，空载电流 明显回升为止。在这个过程中，记录电动机的端电压U1、空 载电流I0、空载损耗p0、转速n。绘制空载特性曲线如图所示 。 空载试验 七、七、 异步电动机的参数测定异步电动机的参数测定 第四章 感应电机 由于异步电动机空载运行时转由于异步电动机空载运行时转 子电流小，转子铜耗可以忽略子电流小，转子铜耗可以忽略 不计。在这种情况下，定子输不计。在这种情况下，定子输 入功率消耗在定子铜

52、耗入功率消耗在定子铜耗m1I02R1、 铁耗铁耗pFe、机械损耗、机械损耗pmec，空载，空载 附加损耗附加损耗pad0上上 p0=m1I02R1+pFe+pmec+pad0 从输入功率从输入功率p0中扣除定子铜耗，中扣除定子铜耗， 得得p0 p0=p0-m1I02R=pFe+pmec+pad0 空载试验 第四章 感应电机 u损耗分离：在在p0的三项损耗中，机械的三项损耗中，机械 损耗损耗pmec与电压与电压U1无关，在电动机转无关，在电动机转 速变化不大时，可以认为是常数。速变化不大时，可以认为是常数。 pFe+pad0可以近似认为与磁密的平方可以近似认为与磁密的平方 成正比，因而可近似认为

53、与电压的平成正比，因而可近似认为与电压的平 方成正比。故方成正比。故p0与与U12的关系曲线近的关系曲线近 似为一直线。似为一直线。 u其延长线与纵轴交点即为机械损耗其延长线与纵轴交点即为机械损耗pmec。空载附加损耗相对。空载附加损耗相对 较小，可以用其它试验将之与铁耗分离，也可根据统计值估较小，可以用其它试验将之与铁耗分离，也可根据统计值估 计计pad0，从而得到铁耗，从而得到铁耗pFe。 机械损耗的求法机械损耗的求法 第四章 感应电机 试验目的：测定短路阻抗、转子电 阻、定、转子漏抗。 试验方法：将转子堵住，在定子端 施加电压，从0.4UN开始逐渐降低， 记录定子绕组端电压Uk、定子电流

54、Ik、 定子端输入功率Pk，作出异步电机的 短路特性Ik=f(Uk)，Pk=f(Uk)，如图 所示。根据短路特性曲线，取额定 电流点的Uk(相电压)、Ik(相电流)、 Pk(三相短路损耗)。 短路试验短路试验 第四章 感应电机 Zk =UkIk Rk=Pk3Ik2 Xk=(Zk2-Rk2)1/2 根据短路时的等效电路，由于XmRm，忽略Rm，并近似认 为X 1 =X2。考虑到X0=Xm+X1(空载试验)，可推导出 对于大中型异步电机，由于Xm很大，励磁支路可以近似认为 开路，这时 Rk=R1+R2 X 1 =X2=Xk2 k0 0 1k2 XX X RRR k21 2 1 XXX 短路等效阻抗

55、计算短路等效阻抗计算 第四章 感应电机 异步电动机的工作特性是指在额定电压、额定频率下异步 电动机的转速n、效率、功率因数cos1、输出转矩T2、定 子电流I1与输出功率P2的关系曲线。 异步电动机的工作特性可以用计算方法获得。在已知等效 电路各参数、机械损耗、附加损耗的情况下，给定一系列 的转差s，可以由计算得到工作特性。对于已制成的异步 电动机，其工作特性也可以通过试验求得。 八八 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性 第四章 感应电机 第四章 感应电机 九、三相异步电动机的起动九、三相异步电动机的起动 一、起动特点一、起动特点 u当异步电动机直接投入电网起动时，其特点是：起动电 流大

56、（47倍额定电流），而起动转矩并不大。 u原因：从等效电路看，起动瞬时s=1，异步电动机对电网 呈现短路阻抗，等效阻抗小，故起动电流大；从电磁转 矩的物理表达式看，因起动时转子的功率因数很低，因 此转子电流的有功分量并不大，同时起动时的主磁通较 正常工作时小，故起动转矩不大。 第四章 感应电机 二、直接起动二、直接起动 直接起动适用于小容量电动机带轻载的情况，起动时，直接起动适用于小容量电动机带轻载的情况，起动时， 将定子绕组直接接到额定电压的电网上。能否直接起动的将定子绕组直接接到额定电压的电网上。能否直接起动的 判定依据为：对于经常起动的电动机，起动时引起的母线判定依据为：对于经常起动的电

57、动机，起动时引起的母线 电压降不大于电压降不大于10%，对于偶尔起动的电动机，此压降不大，对于偶尔起动的电动机，此压降不大 于于15%。一般。一般7.5KW以下电机允许直接起动。以下电机允许直接起动。 三、降压起动三、降压起动 当电源容量不能承受直接起动的电流时，就需采用降当电源容量不能承受直接起动的电流时，就需采用降 压起动来减小起动电流，但相应地起动转矩也将减小，因此压起动来减小起动电流，但相应地起动转矩也将减小，因此 一般用于轻载起动工况。一般用于轻载起动工况。 第四章 感应电机 u 采用自耦变压器起采用自耦变压器起 动时，电动机的起动时，电动机的起 动转矩、起动电流动转矩、起动电流 为

58、全压直接起动的为全压直接起动的 1/a2。 u a为自耦变压器的为自耦变压器的 变比。变比。 1.1. 自耦变压器起动自耦变压器起动 第四章 感应电机 u 只有正常运行时定子绕只有正常运行时定子绕 组三角形接法，且三相组三角形接法，且三相 绕组首尾六个端子全部绕组首尾六个端子全部 引出来的电动机才能采引出来的电动机才能采 用用Y-起动器起动。起动器起动。 u 采用采用Y-起动器起动时，起动器起动时， 起动电流降为直接起动起动电流降为直接起动 的的1/3，起动转矩亦降为，起动转矩亦降为 直接起动时的直接起动时的1/3。 2.2. 星星- -三角起动器起动三角起动器起动 第四章 感应电机 u 重载

59、起动工况，绕线式异步电动机，容量较大时，起动重载起动工况，绕线式异步电动机，容量较大时，起动 电流对电网的冲击较大；又因带重载，负载要求电机提电流对电网的冲击较大；又因带重载，负载要求电机提 供较大的起动转矩。供较大的起动转矩。 u 只要转子回路串的电阻合适，就既可减少起动电流又可只要转子回路串的电阻合适，就既可减少起动电流又可 增加起动转矩。因而电机容量大、重载这两个要求可同增加起动转矩。因而电机容量大、重载这两个要求可同 时满足。绕线式异步电动机转子回路串电阻起动的原理时满足。绕线式异步电动机转子回路串电阻起动的原理 可通过可通过Tem-s曲线说明。曲线说明。 3 3、绕线型异步电动机转子

60、串电阻起动绕线型异步电动机转子串电阻起动 注：转子串入的电阻以注：转子串入的电阻以“频敏变阻器频敏变阻器”更为有力。更为有力。 起动时，起动时，f2很高，频敏变阻器的铁耗和等效电阻较大；很高，频敏变阻器的铁耗和等效电阻较大； 转速升高，转速升高，f2降低，频敏变阻器的铁耗和等效电阻随之减小。降低，频敏变阻器的铁耗和等效电阻随之减小。 第四章 感应电机 异步电动机具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方 便等优点，但在调速性能上尚比不上直流电动机。但人们 已研制出各种各样的异步电动机的调速方式，并广泛应用 于各个领域。根据异步电动机的转速公式 n=（1S）n1=(1 S)60f1p 异步电动机的