chap5 第5章 三相异步电动机原理2-1

1、第第5 5章章 三相异步电动机三相异步电动机 原理原理-2-2第一节第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程 当三相异步电动机的定子绕组接到对当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过三相称三相电源时，定子绕组中就通过三相交流电流。若不计谐波和齿槽影响，这交流电流。若不计谐波和齿槽影响，这个对称三相交流电流将在气隙内形成按个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布、并且以同步转速正弦规律分布、并且以同步转速ns旋转旋转的旋转磁动势的旋转磁动势F1，由旋转磁动势，由旋转磁动势F1建立建立旋转的气隙主磁场旋转的气隙主磁场Bm。 这个旋转磁场切割定

2、子、转子绕组，这个旋转磁场切割定子、转子绕组，分别在定子、转子绕组内感应出定子电分别在定子、转子绕组内感应出定子电动势和转子电动势。在转子电动势作用动势和转子电动势。在转子电动势作用下转子回路中有对称三相电流流过。于下转子回路中有对称三相电流流过。于是，在气隙磁场和转子电流的相互作用是，在气隙磁场和转子电流的相互作用下，产生了电磁转矩，转子就顺着旋转下，产生了电磁转矩，转子就顺着旋转磁场的方向转动。磁场的方向转动。一、一、空载运行时的电磁关系空载运行时的电磁关系1、 空载运行时的物理过程空载运行时的物理过程1 1rI1U0I10m0F F（）1Em011E2 sE20I 空载时，电动机的转速接

3、近于同步转速（空载时，电动机的转速接近于同步转速（ ）,可以认为旋转磁场不切割转子绕组，则可以认为旋转磁场不切割转子绕组，则 ， ，故励磁磁通势，故励磁磁通势 为完全由定子绕组产生的为完全由定子绕组产生的三相基波合成磁动势三相基波合成磁动势 ， 为励磁电流。为励磁电流。snn2sE02I010F0Im0F一、一、 空载运行时的电磁关系空载运行时的电磁关系 2、我们已知旋转磁场同时切割定转子绕组我们已知旋转磁场同时切割定转子绕组, ,在定转在定转子绕组内将会产生感应电动势子绕组内将会产生感应电动势E E1 1,E,E2s2s。从电磁关系看，。从电磁关系看，异步电动机和变压器极为相似，参照变压器原

4、、副异步电动机和变压器极为相似，参照变压器原、副边感应电动势，未加推导地给出异步电机定、转子边感应电动势，未加推导地给出异步电机定、转子感应电动势表达式如下感应电动势表达式如下: :1m11w12sm22w2j4.44j4.44Ef N kEf N k 下面对上式做如下说明下面对上式做如下说明: :n对异步电机，分析感应电动势与分析磁通势相似：先分析一对异步电机，分析感应电动势与分析磁通势相似：先分析一个线圈内的感应电势，而后用相量相加的方法得出线圈组及个线圈内的感应电势，而后用相量相加的方法得出线圈组及相绕组的基波感应电势，所以相绕组的基波感应电势，所以定、转子感应电动势定、转子感应电动势为

5、三相对为三相对称的称的基波合成相电动势基波合成相电动势。nKw1Kw1、Kw2Kw2表示基波绕组系数，参照变压器原副边感应电势表表示基波绕组系数，参照变压器原副边感应电势表达式，对于变压器，可视其达式，对于变压器，可视其Kw1Kw1、Kw2Kw2等于等于1 1。事实上变压器。事实上变压器的绕组是集中和整距的，其主磁通同时交链着每匝线圈，每的绕组是集中和整距的，其主磁通同时交链着每匝线圈，每匝感应电动势大小、相位相同，匝感应电动势大小、相位相同， KwiKwi=1=1 。而交流绕组采用。而交流绕组采用分布和短距后，有效磁链减小，并打一折扣分布和短距后，有效磁链减小，并打一折扣KwiKwi。故。故

6、NKwiNKwi可可以理解为产生基波合成相电动势（磁通势）的有效匝数。以理解为产生基波合成相电动势（磁通势）的有效匝数。n-j-j表示表示 在相位上滞后主磁通在相位上滞后主磁通 。n 的下标的下标“S”S”表示转子电动势的频率与定子绕组电动表示转子电动势的频率与定子绕组电动势的频率不同。势的频率不同。12sE ,Em9012sE ,E3、励磁磁通势、励磁磁通势 除产生主磁通外，还产生仅与定子除产生主磁通外，还产生仅与定子绕组交链的定子漏磁通绕组交链的定子漏磁通 ，其在每相定子绕组中，其在每相定子绕组中的感应漏电势为：的感应漏电势为： 与变压器类似，将与变压器类似，将 看成是定子电流在漏电抗看成

7、是定子电流在漏电抗x1上上的压降，的压降， 滞后于滞后于 ，则：，则：1111w1j4.44Ef N k 0I 901Em0F11E101jI xE 4 4、电压平衡方程式、电压平衡方程式由上图所示电磁关系，与变压器类似，可得电压平衡由上图所示电磁关系，与变压器类似，可得电压平衡方程为：方程为：其中：其中： （有功分量（有功分量+ +无功分量）无功分量）定子电动势也可表示为励磁阻抗压降的形式：定子电动势也可表示为励磁阻抗压降的形式：0 1rI1U0Im0Fm 011E2 sE20I 101jI xE 00111111UEI (r +jx )EI Z 0FeuIII001mmmEI (r +jx

8、 )I Z与变压器类似，根据电压平衡方程式可画出与变压器类似，根据电压平衡方程式可画出异步电动机空载时的等效电路和向量图异步电动机空载时的等效电路和向量图: :mFeII0I1E1E2E10XI j1 0rI1U异步电动机空载运行时的等效电路和向量图异步电动机空载运行时的等效电路和向量图异步电动机带有负载后，转子转速降低，设转子以异步电动机带有负载后，转子转速降低，设转子以转速转速 旋转，此时显然，旋转磁场的同步转速和转旋转，此时显然，旋转磁场的同步转速和转子转速之间有一个同方向的相对运动，即旋转磁场子转速之间有一个同方向的相对运动，即旋转磁场以转速差以转速差 在切割转子绕组，电磁关系也将发在

9、切割转子绕组，电磁关系也将发生变化。生变化。二、二、负载运行时的物理情况负载运行时的物理情况nsn n 负载时，不再认为负载时，不再认为 ， ，且，且 也形成也形成了磁动势了磁动势 ，要弄清异步电机负载的物理情况，首，要弄清异步电机负载的物理情况，首先要分析转子磁动势的性质。先要分析转子磁动势的性质。2sE02I02F2I（一）转子磁动势的分析（一）转子磁动势的分析 n若转子回路闭合，则转子内将有电流流通，转子电若转子回路闭合，则转子内将有电流流通，转子电流的频率与转子感应电动势频率一致，并且也互差流的频率与转子感应电动势频率一致，并且也互差120；因此；因此转子也是对称三相电流流过对称三相转

10、子也是对称三相电流流过对称三相绕组，绕组，所产生的磁动势也所产生的磁动势也为旋转磁动势为旋转磁动势。且与定子且与定子绕组有相同极数。绕组有相同极数。n绕线式转子绕线式转子有明显的相数和极对数，设计转子绕组有明显的相数和极对数，设计转子绕组时，必须使时，必须使转子极数等于定子极数转子极数等于定子极数。n鼠笼转子由鼠笼加端环组成。所有导条在两头被端鼠笼转子由鼠笼加端环组成。所有导条在两头被端环短路，整个结构是对称的，实质上是一个对称的环短路，整个结构是对称的，实质上是一个对称的多相绕组。对多相绕组。对笼型转子笼型转子来说，由于每个导条中电流来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，每个导条即为一

11、相，相数等相位均不一样，所以，每个导条即为一相，相数等于导条数即转子槽数。但于导条数即转子槽数。但鼠笼转子的极数恒等于定鼠笼转子的极数恒等于定子绕组的极数。子绕组的极数。2、转子的频率、转子的频率 如果相序为如果相序为A-B-C的异步电动机定的异步电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋转，因为旋转，因为n0，附加电阻-，转子处于开路；功率因数滞后，且很小。额定负载额定负载：sN=5%，附加电阻为19r，转子回路接近电阻性；功率因数较高（0.8-0.85）滞后。启动开始启动开始：转子处于堵转，s=1，附加电阻=0，转子回路处于短路；启动电流很大，功率因数滞

12、后，且较小。发电机状态发电机状态：转速大于同步速，s0，附加电阻1，机械功率n=0 0s0电磁转矩方向与转速方向一致电磁转矩方向与转速方向一致驱动转矩驱动转矩-电动状态电动状态sn1 T1 n0电磁转矩方向与转速方向相反电磁转矩方向与转速方向相反制动转矩制动转矩-电磁制动运行电磁制动运行起动点正相序正相序负相序负相序三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性第七节第七节 单相异步电动机单相异步电动机n单相异步电动机定子上一般有单相异步电动机定子上一般有两个绕组：工作绕组（主绕组两个绕组：工作绕组（主绕组m）、起动绕组）、起动绕组(副绕组副绕组a) ，两绕，两绕组在空间上相距组在空间上相距

13、90度电角度。转度电角度。转子是笼型结构。起动绕组只在起子是笼型结构。起动绕组只在起动时接入，起动后从电源断开。动时接入，起动后从电源断开。 一、单相异步电动机简介一、单相异步电动机简介：n单相异步电动机就是指用单相交单相异步电动机就是指用单相交流电源的异步电动机，由于只需要流电源的异步电动机，由于只需要单相交流电源供电，使用方便，在单相交流电源供电，使用方便，在家用电器（洗衣机、电冰箱、电风家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械用器械中得到广泛应用。中得到广泛应用。二、工作原理：二、工作原理： 由于在正常运行时只有工作绕组接在电源上，

14、即单相供由于在正常运行时只有工作绕组接在电源上，即单相供电，下面首先分析一相定子绕组通电时的机械特性。电，下面首先分析一相定子绕组通电时的机械特性。 1 1、一相定子绕组通电时的机械特性：、一相定子绕组通电时的机械特性：n单相异步电动机只有工作绕组单相异步电动机只有工作绕组通入单相交流电时，将产生空通入单相交流电时，将产生空间正弦分布的脉振磁通势间正弦分布的脉振磁通势F F，一，一个脉振磁通势可以分解为转速个脉振磁通势可以分解为转速相同、转向相反的两个旋转磁相同、转向相反的两个旋转磁通势通势F+F+、F-,F-,且且F+=F-F+=F-。n单相异步电动机的鼠笼转子在单相异步电动机的鼠笼转子在这

15、两个旋转磁通势这两个旋转磁通势F+F+、F-F-的分的分别作用下别作用下, ,将分别产生使电动机将分别产生使电动机正转和反转的电磁转矩正转和反转的电磁转矩T+T+、T-T-。F+F-T+T-正相序正相序负相序负相序三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性n 单相异步电动机的鼠笼转子所受的正转和反转的电磁转矩单相异步电动机的鼠笼转子所受的正转和反转的电磁转矩T+T+、T-T-，与鼠笼转子在三相异步电动机正向旋转磁通势与鼠笼转子在三相异步电动机正向旋转磁通势F+F+（电源相序为正时）和反向旋转磁通势（电源相序为正时）和反向旋转磁通势F- F- （电源相序为（电源相序为负时）作用下所受到的电

16、磁转矩形状完全一样。即有：负时）作用下所受到的电磁转矩形状完全一样。即有：一相定子绕组通电时的机械特性一相定子绕组通电时的机械特性T=T+T-为合成电为合成电磁转矩磁转矩 如右图所示，如右图所示，T=f(s)为为单相单相异步电机只有工作绕组通异步电机只有工作绕组通电时的机械特性曲线。通电时的机械特性曲线。通过该曲线可以看出：过该曲线可以看出：n(1) 单相异步电动机单相异步电动机(单绕组单绕组通电时通电时)起动转矩为零，不起动转矩为零，不能自起动。能自起动。n(2) 若其它原因使电动机起若其它原因使电动机起动后，合成电磁转矩能使动后，合成电磁转矩能使电动机继续正转或反转运电动机继续正转或反转运

17、行。行。 以上分析可见，单个绕组通电，单相异步电动机可以运以上分析可见，单个绕组通电，单相异步电动机可以运行，但不能起动，因此必须有行，但不能起动，因此必须有两相绕组两相绕组才行。才行。2 2、两相绕组通电时的机械特性：、两相绕组通电时的机械特性：由图可知：由图可知： 在在F+F-F+F-的情况下的情况下, ,当当n=0n=0时，时，T0,T0,电动机能正向起电动机能正向起动，动， n0n0，T0T0电动机起动电动机起动后仍能继续运行。同理：若后仍能继续运行。同理：若F+F-,F+F-,F+F-,鼠笼转子在旋转磁通势的作用下鼠笼转子在旋转磁通势的作用下产生的电磁转矩特性如图（产生的电磁转矩特性

18、如图（ 设设F+F-F+F- ）。）。两相绕组通电时的机械特性两相绕组通电时的机械特性 从以上分析可以看出，单相异步电动机的关键问题是如何从以上分析可以看出，单相异步电动机的关键问题是如何起动的问题，而起动的必要条件是：起动的问题，而起动的必要条件是：1 1）定子具有空间不同相位的两个绕组；）定子具有空间不同相位的两个绕组；2 2）两相绕组中要通入不同相位的交流电流；）两相绕组中要通入不同相位的交流电流；1 1）单相电阻分相起动异步电动机）单相电阻分相起动异步电动机2 2）单相电容分相起动异步电动机）单相电容分相起动异步电动机3 3）单相罩极式异步电动机）单相罩极式异步电动机 第一个条件显然应

19、该是满足的，所以，现在的关键问题是第一个条件显然应该是满足的，所以，现在的关键问题是如何实现电流的分相问题，根据分相方法的不同，我们把单如何实现电流的分相问题，根据分相方法的不同，我们把单相异步电动机又分为：相异步电动机又分为： 下面，具体分析单相电阻分相起动、单相电容分相起动下面，具体分析单相电阻分相起动、单相电容分相起动及单相罩极式异步电动机的起动方法：及单相罩极式异步电动机的起动方法：三、各种类型的单相异步电动机：三、各种类型的单相异步电动机：1 1、单相电阻分相起动异步电动机、单相电阻分相起动异步电动机n单相电阻分相起动异步电动单相电阻分相起动异步电动 机的起动绕组通过一个起动机的起动

20、绕组通过一个起动开关和工作绕组并联接到单开关和工作绕组并联接到单相电源上，如图：相电源上，如图：n通常设计起动绕组匝数比工通常设计起动绕组匝数比工作绕组匝数少一些，且导线作绕组匝数少一些，且导线截面小得更多，使起动绕组截面小得更多，使起动绕组的电抗比工作绕组小，而电的电抗比工作绕组小，而电阻比工作绕组大，这样，阻比工作绕组大，这样，使使起动绕组的阻抗角小于工作起动绕组的阻抗角小于工作绕组，两绕组并联接于绕组，两绕组并联接于U U时，时，起动绕组电流起动绕组电流IaIa比工作绕组比工作绕组电流电流ImIm相位领先，如图，达相位领先，如图，达到分相起动的目的。到分相起动的目的。.U.aI.mI.L

21、I2 2、单相电容分相起动异步电动机、单相电容分相起动异步电动机n单相电容分相起动异步电单相电容分相起动异步电动机的起动绕组串联一电动机的起动绕组串联一电容器和一个起动开关，再容器和一个起动开关，再与工作绕组并联接到单相与工作绕组并联接到单相电源上，如图：电源上，如图：n这样，起动绕组的阻抗呈这样，起动绕组的阻抗呈容性，其起动电流容性，其起动电流IaIa超前超前于电源于电源U U；工作绕组的阻抗；工作绕组的阻抗呈感性，其起动电流呈感性，其起动电流ImIm滞滞后于电源后于电源U U；两绕组并联接；两绕组并联接于于U U时，时，IaIa比比ImIm领先一个较领先一个较大的相位，如图，达到分大的相位

22、，如图，达到分相起动的目的。相起动的目的。.U.aI.mI.LI3 3、单相罩极式异步电动机、单相罩极式异步电动机 定子通入交流电流后，在主磁极感定子通入交流电流后，在主磁极感应磁通势，部分磁通穿过短路环，并应磁通势，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。该电流在短路在其中产生感应电流。该电流在短路环所罩部分磁极中也感应产生磁通，环所罩部分磁极中也感应产生磁通，致使有短路环部分和没有短路环部分致使有短路环部分和没有短路环部分的磁通有了相位差，从而形成旋转磁的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来，如图。场，使转子转起来，如图。 单相罩极式异步电动机的定子铁心单相罩极式异步电动机的定

23、子铁心多制成凸极式，其转子仍为鼠笼式，多制成凸极式，其转子仍为鼠笼式，定子都有凸起的磁极，每个磁极上有定子都有凸起的磁极，每个磁极上有主绕组，极面的主绕组，极面的1/3处开有小槽，小处开有小槽，小槽中嵌入短路铜环槽中嵌入短路铜环K，将部分磁极罩，将部分磁极罩起来，故得名罩极式电机，如图。起来，故得名罩极式电机，如图。 图中电机转动方向：顺时针。因为没有短路环部分的磁通比图中电机转动方向：顺时针。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。有短路环部分的磁通领先。定子定子磁极磁极转子转子短路短路环环K主绕组主绕组.A.B两相绕组产生的磁动势两相绕组产生的磁动势 在分析两相绕组产生的磁动势时

24、，类似于前面分析在分析两相绕组产生的磁动势时，类似于前面分析三相定子绕组产生的合成磁动势，我们只讨论基波三相定子绕组产生的合成磁动势，我们只讨论基波合成磁通势。合成磁通势。一、一、 两相绕组产生的圆形旋转磁动势两相绕组产生的圆形旋转磁动势:1数学分析法数学分析法: 对称两相绕组在空间上互差对称两相绕组在空间上互差90电角度，绕组中对电角度，绕组中对称两相电流在时间上互差称两相电流在时间上互差90电角度。分析方法和电角度。分析方法和三相时相同三相时相同,这样这样,我们就可以得到磁动势的表达式我们就可以得到磁动势的表达式:1111coscoscos(90 )cos(90 )ABfFtfFtn则合成

25、基波磁动势为则合成基波磁动势为:1111111111coscoscos(90 )cos(90 )11cos()cos()2211cos()cos(180 )22cos()ABfffFtFtFtFtFtFtFtn可见，空间相距可见，空间相距90电角度的两相对称绕组，当电角度的两相对称绕组，当分别通入时间相差分别通入时间相差90电角度的正弦交流电流，产电角度的正弦交流电流，产生的合成基波磁动势是一个生的合成基波磁动势是一个圆形旋转磁动势圆形旋转磁动势。 2 2空间矢量法空间矢量法: :在在tt= =0 0时，时，A A相电流为最大，相电流为最大，其产生的正反转基波旋转磁动势其产生的正反转基波旋转磁

26、动势为为 、 ；B B相电流需再过相电流需再过9090度度电角度才到正最大值，其产生的电角度才到正最大值，其产生的正反转基波旋转磁动势正反转基波旋转磁动势 、 也也需等时间再过需等时间再过9090电角度，才能转电角度，才能转到到B B轴处。轴处。AFAFBFBF如图可见：反转的基波旋转磁动如图可见：反转的基波旋转磁动势势 、 相互抵消；两个正转的相互抵消；两个正转的基波旋转磁动势叠加即为合成基基波旋转磁动势叠加即为合成基波磁动势，且由电流超前相向电波磁动势，且由电流超前相向电流滞后相旋转，是一个幅值恒定流滞后相旋转，是一个幅值恒定的圆形旋转磁动势。的圆形旋转磁动势。AFBFn现在的现在的A、B

27、相绕组位置相绕组位置,其串联有效匝数分别为其串联有效匝数分别为NAkNA、NBkNB，两相绕组流过的电流分别为：，两相绕组流过的电流分别为：n并且并且IANAkN1 IBNBkN1,则则A、B两相的磁动势分别两相的磁动势分别为为:n其中其中:2cos2cos(90 )AABBiItiIt11coscoscos(90 )cos(90 )AABBfFtfFt110.9,0.9AABBANBNABI NI NFkFkppFF 前面我们所分析的电流都是大小相等前面我们所分析的电流都是大小相等,完全对称的完全对称的,如果电如果电流不对称呢流不对称呢?BAFFF1二、椭圆形旋转磁动势二、椭圆形旋转磁动势: : 若上例中，若上例中，IaIb，则此时的，则此时的A,B相绕组所产生的磁动势的相绕组所产生的磁动势的大小