第六章异步电机的建模与特性分析

1、 三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、三相异步电机主要用作电动机，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，得以广制造、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、起动和调速性能差。泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。 6.1 6.1 三相异步电机的基本工作原理和结构三相异步电机的基本工作原理和结构 6.2 6.2 三相交流电机的绕组三相交流电机的绕组 6.3 6.3 三相交流电机绕组的感应电动势三相交流电机绕组的感应电动势 6.4 6.4 三相交流电机绕组的磁势三相交流电机绕组的磁势 6.5 6.

2、5 三相异步电动机的空载运行与三相异步电动机的空载运行与负载负载 6.66.6三相异步电动机的等效电路和相量图三相异步电动机的等效电路和相量图. . 6.76.7三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡 6.86.8三相异步电动机的运行特性三相异步电动机的运行特性 6.1三相异步电动机的基本工作原理与结构 6.1.16.1.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构 一、定子部分 1.1.定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。导磁部分。 2 2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分

3、。导电部分。 3 3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。 二、转子部分 1 1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。 2 2、转子绕组：、转子绕组： 1 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一 根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2 2）绕线式转子：转）绕线式转子：转 子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。 异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允

4、许达异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达 到的最小值。到的最小值。 三、气隙 按转子结构分按转子结构分： 绕线型异步电动机绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机 继续 继续 下面是它主要部件的拆分图。下面是它主要部件的拆分图。 右图是一台三相鼠笼型异步电右图是一台三相鼠笼型异步电 动机的外形图。动机的外形图。 鼠笼型转子鼠笼型转子 铁心和绕组铁心和绕组 结构示意图结构示意图 三相绕线型三相绕线型 转子结构图转子结构图 返回 6.1.2 6.1.2 三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的基本工作原理 U2 U1 W2 V1 W1 V2 1 n n 一、转动原理 1

5、1、电生磁、电生磁：三相对称绕组通三相对称绕组通 往三相对称电流产生圆形旋转往三相对称电流产生圆形旋转 磁场。磁场。 2 2、磁生电、磁生电：旋转磁场切割旋转磁场切割 转子导体感应电动势和电流。转子导体感应电动势和电流。 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。 二、转差率 1 1 nn s n 转差率转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种 运行

6、情况。运行情况。 转子未转动时转子未转动时，;s,n10 电机理想空载时电机理想空载时，.s,nn0 1 作为电动机，转速在作为电动机，转速在 1 0n范围内变化，转差率在范围内变化，转差率在0 0 1 1范围内变。范围内变。 负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。 转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转 速为：速为： 1 1n = (- s)n 额定运行时，转差率一般在额定运行时，转差率一般在0.010.060.010.06之间，即电机转速接之间，即电机转速接

7、近同步速。近同步速。 同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用 s s表示，表示，即：即： 三、异步电机的三种运行状态 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 机械能转变为电机械能转变为电 能能 电能和机械能变电能和机械能变 成内能成内能 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 外力使电机快速外力使电机快速 旋转旋转 外力使电机沿磁外力使电机沿磁 场反方向旋转场反方向旋转 定子绕组接对定子绕组接对 称电源称电源 实现 发电

8、机发电机电磁制动电磁制动电动机电动机状态状态 1 0 n n 0n n 10 s1s0s 6.1.3 6.1.3 型号和额定值型号和额定值 一、型号 例例: : 额定值关系有：额定值关系有：3 NNNNN PU I cos )VkV(U N 或或额额定定电电压压 额定运行状态时加在额定运行状态时加在 定子绕组上的线电压定子绕组上的线电压. . )kW(PN额额定定功功率率 额定条件下转轴上额定条件下转轴上 输出的机械功率。输出的机械功率。 )A(I N 额额定定电电流流 在额定运行状态下流在额定运行状态下流 入定子绕组的线电流入定子绕组的线电流. min)/r(nN额额定定转转速速 额定运行时

9、电额定运行时电 动机的转速动机的转速. N N f 额额定定效效率率 额额定定频频率率 额额定定功功率率因因数数 N cos 二、额定值二、额定值 三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机 的定子部分完全相同。的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕 组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活 地接成地接成“Y Y”形或形或“D D”形。形。 U1 V1 W1U1 V1 W1 W2 U 2 V2W2 U2 V2 D联结联结 Y联结联结 三、

10、接线三、接线 6.2交流电机的绕组 6.2.1 交流绕组的基本知识 一、基本要求和分类 1 1）三相绕组对称；）三相绕组对称； 2 2）力求获得最大的电动势和磁动势；）力求获得最大的电动势和磁动势； 3 3）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦；）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦； 4 4）节省用铜量；）节省用铜量； 5 5）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好； 6 6）工艺简单、便于制造、安装和检修。）工艺简单、便于制造、安装和检修。 二、交流绕组的基本概念二、交流绕组的基本概念 1 1、极距、极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离

11、。若定子的两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的 槽数为槽数为Z Z，磁极对数为，磁极对数为p p，则极距：，则极距： Z = 2 p 2 2、线圈节距、线圈节距 y 一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。 .y的的绕绕组组为为整整距距绕绕组组 3 3、电角度、电角度 p电电角角度度机机械械角角度度 .y的的绕绕组组为为短短距距绕绕组组 4 4、槽距角、槽距角a 相邻两个槽之间的电角度相邻两个槽之间的电角度： 0 360p = Z 6 6、相带、相带 每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极每个极面下的导体平

12、均分给各相，则每一相绕组在每个极 面下所占的范围，用电角度表示称为相带。面下所占的范围，用电角度表示称为相带。 每一个极面下每相所占的槽数为每一个极面下每相所占的槽数为 5 5、每极每相槽数、每极每相槽数q 2 Z q = pm 6.2.26.2.2 三相单层绕组三相单层绕组 单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于 定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。 一、单层链式绕组 单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同

13、的线圈连接而 成，整个外形如长链。成，整个外形如长链。 链式绕组的每个线链式绕组的每个线 圈节距相等并且制造方圈节距相等并且制造方 便；线圈端部连线较短便；线圈端部连线较短 并且省铜。主要用于并且省铜。主要用于 q=2q=2的的4 4、6 6、8 8极小型三极小型三 相异步电动机。相异步电动机。 二、单层交叉式绕组二、单层交叉式绕组 单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成， 同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互 相交叉。相交叉。 交叉式绕组由交叉式绕组由

14、两大一小线圈交叉两大一小线圈交叉 布置。线圈端部连布置。线圈端部连 线较短，有利于节线较短，有利于节 省材料，并且省铜。省材料，并且省铜。 广泛用于广泛用于q1q1的且为的且为 奇数的小型三相异奇数的小型三相异 步电动机步电动机。 三、单层同心式绕组 同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心 形状的线圈组构成。形状的线圈组构成。 同心式绕组端同心式绕组端 部连线较长，适用部连线较长，适用 于于q=4q=4、6 6、8 8等偶等偶 数的数的2 2极小型三相极小型三相 异步电动机。异步电动机。 优点优点 不适宜于大 中型电机 元件少，结构简元

15、件少，结构简 单，嵌线方便，单，嵌线方便， 槽内无层间绝缘槽内无层间绝缘 广泛应用于广泛应用于10kW10kW以下的以下的 异步电动机定子绕组异步电动机定子绕组 单层绕组为单层绕组为 整距绕组整距绕组 缺点 电动势和磁动电动势和磁动 势波形较差势波形较差 铁损和噪铁损和噪 声较大声较大 起动性 能较差 三相 单层 绕组 的优 缺点 6.2.3 6.2.3 三相双层绕组三相双层绕组 双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每 一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为 y

16、y 的另一槽的下层。的另一槽的下层。 双层绕组分双层叠绕组（如图双层绕组分双层叠绕组（如图2a=12a=1）和双层波绕组（略）和双层波绕组（略）。 双层绕组的特点：双层绕组的特点： 1 1）线圈数等于槽数；）线圈数等于槽数； 2 2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数； 3 3）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。 优 点 可以选择最有利的节可以选择最有利的节 距，使电动势和磁动距，使电动势和磁动 势波形更接近正弦波势波形更接近正弦波 所有线圈的形状所有线圈的形状 和尺寸相同，便和尺寸相同，便 于实现机械

17、化于实现机械化 端部排列整齐端部排列整齐 机械强度高机械强度高 可组成较可组成较 多的并联多的并联 支路支路 缺点 嵌线 困难 用铜用铜 量大量大 6.36.3交流电机绕组的感应电动势交流电机绕组的感应电动势 6.3.1 6.3.1 线圈的感应电动势及短距系数线圈的感应电动势及短距系数 一、一根导体的电动势 二、整距绕组的电动势 每个整距绕组由每个整距绕组由N Nc c个相同和线匝组成，每个整距线圈的个相同和线匝组成，每个整距线圈的 电动势电动势: : 111 444 y (y)ctc EN E.fN 电动势频率电动势频率: : 60 pn f 电动势大小电动势大小: : 1 2 22 1c

18、E.f 电动势波形电动势波形: :Blve 随时间变化的波形随时间变化的波形 取决于气隙磁密在取决于气隙磁密在 空间的分布波形空间的分布波形 三、短距线圈的电动势 每个短距线圈的电动势每个短距线圈的电动势: : 1 4 44 11()cy E.fN k yy 称为称为短距系数短距系数： 线圈短距时电动线圈短距时电动 势比整距时打的势比整距时打的 一个折扣一个折扣 0 90 1 1 1 y (y ) y y (y ) E y ksin() E 6.3.2 6.3.2 线圈组的感应电动势及分布系数线圈组的感应电动势及分布系数 一组线圈由一组线圈由q q个线圈组成个线圈组成, ,若若q q个线圈为集

19、中绕组时个线圈为集中绕组时, ,各线圈各线圈 电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为: : 1111 4.44 q (q= )cy E=fqN k 若若q q个线圈为分布绕组个线圈为分布绕组, ,放在放在q q个槽内个槽内, ,各线圈电动势大小相各线圈电动势大小相 同同, ,相位相差相位相差电角度电角度, ,电动势为电动势为: : 11111 4 444 44 11()cyqc E.fqN kk.fqN k qqw 1 1 1 2 2 q (q1) q q (q=1) qa sin E k= a E qsin 称为称为基波分布系数基波分布系数: 线圈组

20、电动势等于集线圈组电动势等于集 中线圈组电动势打的中线圈组电动势打的 一个折扣一个折扣. 称为称为基波绕组基波绕组 系数。系数。 111wyq k= kk 6.3.3 6.3.3 一相绕组的基波感应电动势一相绕组的基波感应电动势 一绕组有一绕组有2a2a条支路，一条支路由若干个线圈组路串联组成。条支路，一条支路由若干个线圈组路串联组成。 一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势 111 4.44 pw E=fNk 一、一相绕组的基波电动势 对单层绕组：对单层绕组： 2 c pqN N= a 对双层绕组：对双层绕组： c 2pqN N= 2a 二、短距

21、绕组、分布绕组对电动势波形的影响 0 90 2 2 4 44 ksin() sin k sin E.fNkk y q pyq y q q 对V次谐波： 1 pp nn p n ff 60 改善电动势波形的方法改善电动势波形的方法: : 00 1 py E,k,y时时采采用用 .k y 尽尽可可能能小小让让0 （）（）采用短距绕组来削弱高次谐波采用短距绕组来削弱高次谐波 （）采用分布绕组来削弱高次谐波（）采用分布绕组来削弱高次谐波 尽尽可可能能小小让让 q k 改善主磁极磁场的分布改善主磁极磁场的分布 改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势 采用接线消除线电动势中的

22、三及其倍数的奇次谐波采用接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波 00 5 4 55 py E,k,y时时 6.4交流电机绕组的磁动势 6.4.1 6.4.1 单相绕组的磁动势单相绕组的磁动势 一、整距集中绕组的磁动势 一台两极气隙均匀的交流电机一台两极气隙均匀的交流电机, ,一个整距一个整距 绕组通入交流电流绕组通入交流电流, ,线圈磁动势在某瞬间的分线圈磁动势在某瞬间的分 布如图布如图, ,由全电流定律得由全电流定律得: : iNiHdl c 忽略铁心磁阻忽略铁心磁阻, ,磁动势完全降落在两磁动势完全降落在两 个气隙上个气隙上. .每个气隙的磁动势为每个气隙的磁动势为: : ttsinFs

23、inINiNf cmcccc 2 1 2 1 空间分布为空间分布为矩形波矩形波, ,随时间按随时间按正弦规律正弦规律变变 化化. .变化变化频率为电流频率频率为电流频率。 空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁脉动磁 动势动势。 矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波: : 13 3 ( , )sincossincos.sincos. cccc fx tFtxFtxFtx 基波磁动势为基波磁动势为: : 1 42 0 9 2 ccccc FN I. N I 11 ( , )sincos c

24、c fx tFtx 基波磁动势最大值为基波磁动势最大值为: : 整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线， 空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化仍然为仍然为脉动磁动势脉动磁动势。 二、单相脉动磁动势 1 1、整距分布绕组的磁动势、整距分布绕组的磁动势 cqycyqp Ikk)qN(kFF 11111 20.92 每个绕组由每个绕组由q q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开 槽距角槽距角,绕组的基波磁动势为绕组的基波磁动势为q q个线圈基波磁动势的空间

25、矢量个线圈基波磁动势的空间矢量 和：和： 111qcq kqFF 2 2、一组双层短距分布绕组的基波磁动势、一组双层短距分布绕组的基波磁动势 双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动 势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响： 3 3、相绕组的磁动势、相绕组的磁动势 每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p p 对磁极，就有对磁极，就有p p条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波 磁动势就是该绕

26、组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若 每相电流为每相电流为I Ip p: : xcostsinI p Nk .xcostsinFt)(x,f p 1w pp 90 11 单相绕组的基波磁动势是在空间按余弦规律分布，单相绕组的基波磁动势是在空间按余弦规律分布， 幅值大小随时间按正弦规律变化的幅值大小随时间按正弦规律变化的脉动磁动势脉动磁动势。 三、单相脉动磁动势的分解 即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。 1111 11 11 22 ppp +- pp f (x,t) F

27、 sincosxF sin(x)F sin(x) = f (x,t)+ f (x,t) p ttt 先分析)xtsin(F)t ,x(f pp 11 2 1 取幅值点分析 2 xt ;x,t 22 0 时时 ;x,t0 2 时时 ;x,t 22 时时 x t)(x,f 1p 2 2 综上分析综上分析 。 )t ,x(f,x)t ,x(f)( pp 向向旋旋转转磁磁动动势势 称称为为正正故故轴轴正正方方向向移移动动朝朝随随着着时时间间推推移移 11 1 。)t ,x(f)( p 势势幅幅值值的的一一半半的的幅幅值值为为单单相相基基波波磁磁动动 1 2 min)/( 60 )/( 2 2 )/(2

28、)3( 1 r p f sr p f p f n smf dt dx v 旋转速度 线速度为 。x,)t ,x(f)t ,x(f pp 的的负负方方向向只只是是旋旋转转方方向向是是性性质质基基本本一一致致的的性性质质与与 11 可见 (1)(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、 转速相同而转身相反的两个旋转磁场。转速相同而转身相反的两个旋转磁场。 (2)(2)反之反之, ,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉 动磁动势。动磁动势。 （3）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，

29、大）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大 小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为 圆形旋转磁动势。圆形旋转磁动势。 6.4.2 6.4.2 三相绕组基波合成磁动势三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势旋转磁动势 三相的合成磁动势：三相的合成磁动势： 取取U U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为 x x的参考方向、的参考方向、U U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动 势为：势为： )xtsin(F)xtsin(F)xco

30、s()tsin(Ff )xtsin(F)xtsin(F)xcos()tsin(Ff )xtsin(F)xtsin(FxcostsinFf pppW pppV pppU 3 4 2 1 2 1 3 2 3 2 3 4 2 1 2 1 3 2 3 2 2 1 2 1 1111 1111 1111 111 3 2 p f (x,t) =Fsin(t-x) = F sin(t-x) 可见：三相合成磁动势也是一个可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势圆形旋转磁动势。 交流电机三相对称绕组交流电机三相对称绕组, , 通入三相对称电流，磁动势是三相通入三相对称电流，磁动势是三相 的合成磁动势。的合成磁动

31、势。 为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规 律变化，律变化，U U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电 流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示： U2 U1 W2 V1 W1 V2 1 n 用图解法分析用图解法分析不同时刻三相合成磁动势不同时刻三相合成磁动势 合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电 流的相。流的相。 产生圆形旋转磁动势的条件：产生圆形旋转磁动势的条件：一是三

32、相或多相对称绕组；二一是三相或多相对称绕组；二 是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形 旋转磁动势。旋转磁动势。 三相对称绕组通入三相对称电流，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。 (2)(2)转向由电流相序决定转向由电流相序决定, ,从载有超前电流相转到载有滞后电从载有超前电流相转到载有滞后电 流相流相. . (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

33、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刚好转到该旋转磁动势的波幅位置刚好转到该 相绕组的轴线位置上相绕组的轴线位置上 6.5.1.1 6.5.1.1 空载运行时的电磁关系空载运行时的电磁关系 6.5.1三相异步电动机的空载运行 一、主、漏磁通的分布 为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的 磁通分为主磁通和漏磁通。磁通分为主磁通和漏磁通。 主磁通同时交链定、转子绕组，主磁通同时交链定、转子绕组， 其路径为：定子铁心其路径为：定子铁心气隙气隙转子转子 铁心铁心气隙气隙

34、定子铁心。主磁通起定子铁心。主磁通起 传递能量的作用。传递能量的作用。 除了主磁通以外的磁通称为漏除了主磁通以外的磁通称为漏 磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通 和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗 压降作用。压降作用。 二、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异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。 .I ,I :I, a r 0 00 0 功功分分量量 损损耗耗的的有有另另一一个个是是用用来来供供给给铁铁心心的的无无功功分分量量产产生生主主磁磁通通 一一是是用用来来由由两两部部分分组组成成异异步步电电动动机机

35、空空载载电电流流与与变变压压器器一一样样 基基波波幅幅值值为为载载磁磁动动势势产产生生的的旋旋转转磁磁动动势势为为空空三三相相空空载载电电流流,FI 00 0 I p kNm F 1w11 0 0.9 2 .III ar000 :即即 .F，I，E， 、, 000 22 于于是是乎乎为为零零 转转子子之之间间相相对对速速度度几几定定接接近近同同步步速速转转子子转转速速很很高高空空载载运运行行时时 .II,I,II rar00000 即即基基本本为为一一无无功功性性质质电电流流所所以以由由于于 三、电磁关系 10R I 1 U ()三相系)(I 三三相相系系统统 0 )(F三三相相合合成成 0

36、1 E 0 1 1 E 0 2 E 6.5.1.2 6.5.1.2 空载运行时的电压平衡方程空载运行时的电压平衡方程 一、感应电动势 与变压器一样与变压器一样, ,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势 0 1111 4.44 w kNfjE 101 XI jE 可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。 二、电压平衡方程与等效电路 与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时 定子每相电压方程式：定子每相电压方程式： 0111010110111 IZEX

37、I jRIERIEEU 同样也有：同样也有： 100mmm E = - I (R + jX) = - I Z 根据上两式，可以作出空载时根据上两式，可以作出空载时 等效电路。等效电路。 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：有差别的： 1 1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动）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. . ;I ,E,I ,E)00002 2222 变变压压器器异异步

38、步电电动动机机空空载载时时 %.% %,%I,) 102 30203 0 的仅为的仅为 而变压器而变压器为为异步电动机异步电动机由于存在气隙由于存在气隙 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布绕组, ,计算时需考虑绕组计算时需考虑绕组 系数系数, ,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. 6.5.2.1 6.5.2.1 负载运行时的电磁关系负载运行时的电磁关系 6.5.2三相异步电动机的负载运行 11I R 1 1 E 22I R 2 2 E )( 1 三相系统U )(I三三相相系系统统 1 )(I多相系统多相系

39、统 2 1 F 2 F 0 F 0 1 E s E2 6.5.2.2 6.5.2.2 转子绕组各电磁量转子绕组各电磁量 一、转子电动势的频率 感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度, , 故转子电动势的频率为故转子电动势的频率为: : 111 21 11 60 p(n - n)n - npn f = sf nn 转子不转时,.ff,s ,n 12 10 理想空载时,.f,s ,nn00 21 二、转子绕组的感应电动势 转子旋转时的感应电动势转子旋转时的感应电动势: : 02222 444 ws kNf.E 转子不转时的感应电动势转子不转时的

40、感应电动势: : 02212 444 w kNf.E 二者关系为二者关系为: : 22s E= sE 三、转子绕组的漏阻抗 电抗与频率正比于电抗与频率正比于, ,转子旋转时转子漏电抗转子旋转时转子漏电抗: : 222 2LfX s 二者关系二者关系: : 22s X= sX . 转子绕组的漏阻抗转子绕组的漏阻抗: : 2222 jsXRjXRZ 2ss 四、转子绕组的电流 转子绕组为闭合绕组转子绕组为闭合绕组, ,转子电流为转子电流为 22 2 22 2 2 2 2 jsXR Es jXR E Z E I s s s s 转子不转时转子漏电抗转子不转时转子漏电抗: : 222 2LfX 当转速

41、降低时当转速降低时, ,转差率增大转差率增大, ,转子电流也增大转子电流也增大. . 五、转子绕组的功率因数 2 22 2222 2222 RR cos= R + XR + (sX) 转子功率因数与转差率有关转子功率因数与转差率有关, ,当转差率增大时当转差率增大时, ,转子功率因转子功率因 数则减小。数则减小。 六、转子旋转磁动势 转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势. . 2 222 2 90 2 I p kN . m F w 1)1)幅值幅值 2)2)转向转向 转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同转子电流相序与定子旋转磁动势

42、方向相同, ,转子旋转磁转子旋转磁 动势的方向与转子电流相序一致动势的方向与转子电流相序一致. . 1 nnn)(nnn 12 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, ,定、转子磁动势总是以同速、定、转子磁动势总是以同速、 同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。 6.5.2.3 6.5.2.3 磁动势平衡方程磁动势平衡方程 021 FFF 磁动势的平衡方程为：磁动势的平衡方程为： 可以改写为：可以改写为： L FF)F(FF 10201 . ,F,F; ,F:

43、L 主主磁磁通通的的影影响响用用来来抵抵消消转转子子磁磁动动势势对对 即即它它用用平平衡衡转转子子磁磁动动势势另另一一个个是是负负载载分分量量产产生生气气隙隙磁磁通通 它它用用来来一一个个是是励励磁磁磁磁动动势势个个分分量量定定子子旋旋转转磁磁动动势势包包括括两两表表明明 210 0 写成磁动势幅值公式写成磁动势幅值公式： 0 111 2 222 1 11 0.9 2 0.9 2 0.9 2 I p kNm I p kNm I p kNm ww1w : kNm kNm k w w i 有有两两边边除除以以电电流流变变比比 222 111 0 2 1 I k I I i 6.5.2.4 6.5.

44、2.4 电动势平衡方程电动势平衡方程 根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程： 111111111 U = -E + I R + jI X = -E + I Z 22222222 0 ssss = E - I R - jI X= E + I Z :kEE: e 之比称为电动势比之比称为电动势比与转子不转时电动势与转子不转时电动势其中其中 21 22 11 2 1 w w e kN kN E E k 6.6.1 6.6.1 折算折算 6.6三相异步电动机的等效电路和相量图 频率折算频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系

45、就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系 统统, ,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。 一、频率折算 在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件两个条件： 一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。 转子回路电流转子回路电流 2 1 2s2s22 2 2s2s22 222 EEsEE I = - s ZR + jXR + jsX R + jX +R s .F, ,R s s , 不不变变同同时时保保持持转转子子磁磁动动势势为为定定子子

46、频频率率就就可可以以将将转转子子频频率率折折算算 电电阻阻在在转转子子回回路路中中串串联联一一个个用用一一个个不不转转的的转转子子并并且且可可见见 2 2 1 222222s222 I)sXj(REsI)jX(REU s 2 R s s1 实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折 算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多 了一个附加电阻了一个附加电阻 。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功 率等效机械损耗和机械功率之和率等效机械损耗和机械

47、功率之和总的机械功率。总的机械功率。 2 1 R s s 从等效电路角度，可以把从等效电路角度，可以把 看成是异步电动机的看成是异步电动机的” 电阻负载电阻负载”，其上的压降可以看成是转子回路的端电压，其上的压降可以看成是转子回路的端电压: 二、绕组折算 。 。 k、Nm k、Nm w w 同同 本本相相折折算算的的方方法法与与变变压压器器基基组组 的的实实际际转转子子绕绕及及取取代代 等等效效转转子子及及绕绕组组相相同同的的 定定子子绕绕组组折折算算就就是是用用一一个个和和 222 111 122 EEkE e i 2 2 k I I 22 22 XkkX RkkR ei ei 6.6.2

48、等效电路 一、绕组后的基本方程 111111 XI jRIEU 222222 XI jRIEU 021 III 12 EE 01 I )jXR(E mm 222 1 R s s IU 二、T型等效电路和简化等效电路 由基本方程可以作出等效电路由基本方程可以作出等效电路: : T T型等效电路型等效电路简化等效电路简化等效电路 从等效电路分析可知从等效电路分析可知: : ; ,I ,R s s ,s ,nn,) 电电机机相相当当于于开开路路 总总机机械械功功率率近近似似为为零零理理想想空空载载时时0 1 02 220 ; ,R s s ,s ,n,) 短短路路状状态态 电电机机处处于于总总机机械

49、械功功率率为为零零电电机机不不转转时时0 1 101 2 3)3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；三相异步电动机的功率因数永远滞后； 4)4)附加电阻不能用电感或电容来代替。附加电阻不能用电感或电容来代替。 5)5)在等效电路中负载的变化是用转差率在等效电路中负载的变化是用转差率s s来体现的来体现的 6.6.3 相量图 按照基本方程和等效电路可以按照基本方程和等效电路可以 作出异步电动机的相量图。作出异步电动机的相量图。 。 ， ，、 。U I, 后后的的 因因数数总总是是滞滞所所以以异异步步电电动动机机的的功功率率率率 定定的的感感性性无无功功功功电电机机需需要要从从电电源源吸吸收收一一

50、 转转子子的的漏漏磁磁通通气气隙隙中中的的主主磁磁通通和和定定 这这是是因因为为要要建建立立和和维维持持于于电电源源电电压压 总总是是滞滞后后定定子子电电流流从从相相量量图图可可见见 1 1 。 ， ，I，I ，s，n， ， 械械的的转转换换 实实现现由由电电能能到到机机吸吸取取更更多多的的电电功功率率 电电动动机机从从电电源源随随之之增增加加增增加加使使 增增大大转转差差率率下下降降转转速速增增加加时时 当当电电动动机机机机械械负负载载还还可可见见看看出出 12 6.7.1 6.7.1 功率平衡和转矩平衡功率平衡和转矩平衡 6.7三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡 异步电动机的功率和损耗有：

51、异步电动机的功率和损耗有： 一、功率平衡 输入功率输入功率 11111 cosIUmP 定子铁损定子铁损 mFe RImp 2 01 电磁功率电磁功率 s R ImppPP Fecuem 22 2111 机械功率机械功率 MEC R s s ImR s s ImP 2 2 212 2 22 11 输出功率输出功率 02 pPppPP MECadmecMEC 定子铜损定子铜损1 2 111 RImp cu 转子铜损转子铜损 cu RImRImp 2 2 212 2 222 在等效电路上表示功率和损耗在等效电路上表示功率和损耗： 1 R 1 X 2 R 2 X 2 1 R s s 1 U 1 I

52、0 I 2 I m R m X 1cu p Fe p 2cu p MEC P 1 P em P 两个重要关系式两个重要关系式 2cu em p = s P 1- MEC em P =s P 可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小可见，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。电机的转差率均很小。 二、转矩平衡 02 pPP MEC 即即 02 TTT e

53、m 02 TTTem 或或 11 1 1 s s MECemem em P()PP T () 电磁转矩电磁转矩 在式在式 的两边同时除以机械角速度的两边同时除以机械角速度 得得 02 pPP MEC 60 2 n 电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机 械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械 角速度。角速度。 6.7.2 6.7.2 三相异步电动机的工作特性三相异步电动机的工作特性 一、转速特性 ).P(fnffUU: NN2 时时和和在在定定义义 二、转矩特性 ).P(

54、fTffUU: NN22 时时和和在在定定义义 三、定子电流特性 四、定子功率因数特性 ).P(fcosffUU: NN21 时时和和在在定定义义 五、效率特性 ).P(fffUU: NN2 时时和和在在定定义义 工作特性的曲线如工作特性的曲线如 图所示：图所示： ).P(fIffUU: NN21 时时和和在在定定义义 6.8三相异步电动机的机械特性 一、物理表达式 6.8.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式 二、参数表达式 三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩 之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，之间的关系

55、，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系， 所以异步电动机的机械特性通常用所以异步电动机的机械特性通常用 表示。表示。)s( fT em 022 emT TCI cos 表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的与转子电流的 有功分量有功分量 相互作用产生的。相互作用产生的。 0 2 2 cosI 2 2 11 22 2 1112 2 em R m pU s T R f( R)( XX ) s 说明：电磁转矩与电源参数（说明：电磁转矩与电源参数（1 1、f f1 1）、结构参数（）、结构参数（R R、X X、m m、 p p）和运行参数（）和运行参数（s s）有关。）有关。 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 曲线曲线)( em Tfn 在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应