第四章异步电机原理

第四章异步电机原理第一页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础2/67第一节三相异步电动机的基本原理如图所示，如在某种因素的作用下，使磁极以n1的速度逆时针方向旋转，形成一个旋转磁场，转子导体就会切割磁力线而感应电动势e。感应电动机的旋转磁场是由装在定子铁心上的三相绕组，通入对称的三相电流而产生的。一、三相异步电动机的基本工作原理第二页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础3/67

用右手定则可以判定，在转子上半部分的导体中，感应电动势的方向为，下半部分导体的感应电动势的方向为，在感应电动势的作用下，导体中就有电流i，若不计电动势与电流的相位差，则电流i与电动势e同方向。载流导体在磁声中将受到一电磁力的作用，由左手定则可以判定电磁力F的方向。由电磁力F所形成的电磁转矩T使转子以n的速度旋转，旋转方向与磁场的旋转方向相同。即异步电动机的基本工作原理第三页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础4/67

异步电动机的转子速度不可能等于磁场旋转的速度，这种电动机一般也称之为异步电动机。旋转磁场的旋转速度n1称为同步转速。由于转子转动的方向与磁场的旋转方向是一致的，所以如果n=n1，则磁场与转子之间就没有相对运动，它们之间就不存在电磁感应关系，也就不能在转子导体中感应电动势、产生电流，也就不能产生电磁转矩。第四页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础5/67转子转速n与旋转磁场转速n1之差称为转差△n,转差与磁场转速n1之比,称为转差率s。

式中：n1：旋转磁场同步转速；

n

：转子转速。一般n略小于n1。当n=nN时，s为额定转差率，sN一般为2%-6%。第五页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础6/67二、三相异步电机的结构绕线转子异电机剖面图1—转子绕组2—段盖3—轴承4—定子绕组5—转子6—定子7—集电环8—出线盒第六页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础7/671结构：1)定子：定子铁芯，定子绕组，机座2)转子：转子铁芯，转子绕组（笼型绕组、绕线型绕组）。3)气隙：中小型气隙大小可达0.2~1.5mm；大型气隙可达12mm.第七页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础8/672、转子异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。1）笼型绕组铜条笼型转子铸铝笼型转子第八页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础9/67第九页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础10/672)绕线转子照片第十页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础11/673）绕线型绕组接线示意图3、气隙气隙大：产生同样大小磁通所需的励磁电流就答，从而电机的功率因数小；气隙小：制造困难或运行时定转子间易发生摩擦。第十一页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础12/67三、三相异步电动机的铭牌数据额定功率——电动机在额定运行时输出的机械功率,单位kW额定电压——在额定运行状态下，电网加在定子绕组的线电压，单位V额定电流——电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位A额定频率——我国的电网标准频率为50Hz额定转速——电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的转速，单位r/min第十二页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础13/67第二节三相异步电动机的定子磁场和感应电动势一、交流绕组的一些基本知识和基本量交流绕组产生的磁场既是时间的函数，又是空间的函数异步电动机从定子绕组上输入电功率后，产生旋转磁场，它切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，旋转磁场切割转子绕组，在转子绕组中产生相应的感应电动势，通过电磁感应使转子绕组中产生电磁转矩，将能量传递给转子，使转子输出机械能，实现能量转换。第十三页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础14/672、线圈——组成交流绕组的单元是线圈。线圈是由一匝或多匝串联而成，它有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。1、电角度与机械角度电机圆周在几何上分成360°，这个角度称为机械角度。若磁场在空间按正弦波分布，则经过N、S一对磁极恰好相当于正弦曲线的一个周期。因此，一对磁极所占有的空间是360°电角度。可见，一个具有p对磁极电机，电机圆周按电角度计算就为p×360°，而机械角度总是360°

。电角度=p×机械角度第十四页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础15/674、槽距角α

——相邻槽之间的电角度称为槽距角若Q1为定子槽数，p为极对数，则槽距角5、每极每相槽数q——每一极每相绕组所占槽数，用符号q表示（m——相数）3、节距——一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用y1表示，一般用槽数计算。节距应该接近极距τ。——整距绕组，——短距绕组，——长距绕组第十五页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础16/67二、单相绕组的磁动势–脉振磁动势（一）整距线圈的磁动势整距线圈磁动势分布曲线整距线圈所建立的磁场分布1、单个线圈的磁动势第十六页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础17/67ωt=0,i=Imωt=90°,i=0ωt=180°,i=-Im

整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，空间的分布总是一个矩形波。这种从空间上看位置固定，从时间上看大小在正负最大值之间变化的磁动势，称为脉振磁动势。脉振的频率就是交流电流的频率。第十七页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础18/67四极整距线圈的磁动势磁场分布磁动势分布把以2τ

为周期的矩形磁动势波用傅氏级数分解应用傅氏级数对矩形波进行分解。矩形波中含有1，3，5，…奇次谐波，又对称于纵轴。第十八页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础19/67各线圈磁动势波合成磁动势的基波基波磁动势矢量相加线圈组的合成基波磁动势为为基波磁动势的分布系数1、整距线圈的线圈组磁动势（二）线圈组的磁动势第十九页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础20/672、短距线圈的线圈组磁动势q=2,τ=6,y1=5的双层短距叠绕组第二十页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础21/67短距线圈节距缩短的（电）角度称为基波磁动势的短距系数式中短距线圈组的磁动势同理，对于v

次谐波式中称为谐波磁动势的短距系数第二十一页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础22/67（三）相绕组的磁动势绕组由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该打一个折扣kq1；线圈由整距改为短距的基波合成磁动势幅值应该打一个折扣ky1；因此，由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数kw1=kq1ky1，称为基波绕组系数。对于v次谐波kwv=kqvkyv对于单相绕组磁动势性质：1）单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值随时间变化的脉振磁动势。2）单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合。第二十二页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础23/673）单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为

而v次谐波磁动势幅值为：谐波次数越高，幅值越小。第二十三页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础24/67三、三相绕组的磁动势–旋转磁动势取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为x的正方向，同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点，则三相的基波磁动势为：第二十四页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础25/67利用三角公式第二十五页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础26/67将三相基波磁势相加，得出三相绕组的基波合成磁动势式中（m1为相数）第二十六页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础27/67三相绕组合成磁动势是一个大小不变、旋转的行波旋转磁场的转速

可以得出结论，当某相电流达到最大值，旋转磁动势的幅值就将转到该相绕组的轴线处。第二十七页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础28/67

如果电流是正序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向B相，再转向C相。如果电流是负序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向C相，再转向B相。因此，如果要改变三相异步电动机磁场的旋转方向，只要改变定子电流的相序，把定子绕组三个出线端的任意两个（例如B端和C端）对调即可。第二十八页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础29/67从而可得出结论：一个正弦分布的幅值为FΦ1,的脉振磁势波可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势波，其幅值均为FΦ1/2，转速均为同步转速。第二十九页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础30/67三相基波合成磁动势（旋转磁动势）特性：1）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速，旋转方向决定于电流的相序。2）幅值F1不变，为各相脉振磁动势幅值的1.5倍，旋转幅值轨迹是一个圆。3）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合成磁动势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。4）推论：m相对称绕组中通以m相对称电流时，所形成的m相合成磁动势也是圆形旋转磁动势，其幅值为各相脉振磁动势幅值的m/2，其转速仍为同步转速。第三十页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础31/67三次谐波表达式为：结论：交流电机的磁场中不含三及三的倍数次谐波第三十一页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础32/67AXCZBYo旋转磁场的产生第三十二页，共七十四页，2022年，8月28日o规定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出()电流入第三十三页，共七十四页，2022年，8月28日tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相电流合成磁

场的分布情况合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600o第三十四页，共七十四页，2022年，8月28日AAXZBCYAAXZBCY取决于三相电流的相序旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。任意调换两根电源进线AXBYCZ第三十五页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础36/67四、三相异步电动机的定子磁场当对称三相绕组接通对称三相电源后，在气隙内建立一种以同步转速旋转的磁场。它是异步电动机的主磁场。异步电动机中的谐波磁场作为漏磁场来处理。五、三相异步电动机定子绕组的电动势第三十六页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础37/671、绕组的感应电动势气隙磁密分布定子绕组内切割气隙磁场，在定子绕组中所感应产生的电动势。1）整距线圈的电动势瞬时值的表达式有效值的表达式第三十七页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础38/67有效值的表达式2）短距线圈的电动势瞬时值的表达式第三十八页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础39/672、线圈组的感应电动势一个线圈组电动势的有效值为第三十九页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础40/67第四十页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础41/673、相绕组的感应电动势——相电势对单层绕组而言，每个相绕组有p个线圈组，并联支路数为a，每个线圈的匝数为Ny，则每个相绕组串联匝数为对双层绕组而言，每个相绕组有2p个线圈组，每个相绕组串联匝数为第四十一页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础42/67[例]一台四极三相异步电动机，定子槽数为36，计算其基波和5次、7次谐波磁动势的分布系数。解

计算每相每极槽数q和α值基波分布系数第四十二页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础43/67五次谐波分布系数七次谐波分系系数第四十三页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础44/67第三节三相异步电动机运行原理一、三相异步电动机的空载运行（一）空载运行的空载电流和磁动势1.空载电流:电动机空载，定子三相绕组接到对称的三相电源时，在定子绕组中流过的电流。输出功率为0即负载转矩为0。此时的电流用于产生空载磁场。2.空载电流：3.空载磁势：第四十四页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础45/67主磁通Φ0：①作用：传递能量的媒介作用；②路径：定子—气隙—转子—气隙—定子。漏磁通Φ1σ：①不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降作用；②包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次谐波。空载磁通：（二）空载时电压平衡方程式及等效电路第四十五页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础46/67二、异步电动机负载运行（一）负载时气隙磁动势1.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正弦规律分布、并且以同步转速n1旋转的旋转磁动势，由旋转磁动势建立旋转的气隙主磁场Bm。第四十六页，共七十四页，2022年，8月28日

2.转子磁动势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，转子就顺着旋转磁场的方向转动。同时由于转子回路中有三相电流流过，因此转子绕组中也产生磁动势3、转子磁动势的旋转方向如果相序为A-B-C的异步电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋转，因为n<n0，则转子电流相序为a-b-c。则转子磁动势F2的旋转方向也按照相序a-b-c，即：按逆时针方向。即与定子磁场的转向相同。第四十七页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础48/674、

转速的大小转子绕组内感应电动势和电流的频率为f2为称为转差频率，转子电流形成的转子磁动势F2的旋转方向与F1的旋转方向相同，它相对于转子的转速为Δn，而相对于定子的转速为Δn+n=n1。即和

相对静止第四十八页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础49/67（二）磁动势平衡转子磁动势F2与定子磁动势F1相对静止，得到合成磁动势F1+F2负载时空载时电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小，差不多和电源电压相平衡。所以，可以近似认为于是第四十九页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础50/67两极异步电动机的定子、转子绕组示意图负载时定子、转子磁动势和电流的相矢图第五十页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础51/67（三）基本电磁关系有效值异步电动机的负载运行时的电磁关系相量表达式定、转子的漏磁通在各自绕组中感应产生漏电动势第五十一页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础52/67（四）基本方程式1.磁动势平衡方程式式中：m1、m2为定子、转子的相数；Im为对应于励磁磁动势的励磁电流。励磁电流负载电流令则异步电动机的电流比第五十二页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础53/672.电动势平衡方程式

Zm为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻抗；Xm称为励磁电抗；Rm为反映铁耗的励磁电阻。定子漏电抗转子漏电抗因此第五十三页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础54/67异步电动机负载时的基本方程式列出如下旋转时异步电动机的电路第五十四页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础55/67（五）三相异步电动机的等效电路为电（动）势变比1.频率折算频率折算——保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在这里，就是用一个具有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路。折算条件：1）进行折算后，转子电路对定子电路的电磁效应不变。2）等效的转子电路的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等）必须和实际转子电路一样。第五十五页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础56/67频率归算后的定、转子电路频率归算前的定、转子电路第五十六页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础57/67转子不转时转子电路中电流转子旋转时转子电路中的电流

在附加电阻上产生的功耗，实质上表征了异步电动机的机械功率满足折算条件，实现了频率折算，将旋转的转子用静止的转子代替。第五十七页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础58/672.绕组归算绕组归算后的定、转子电路由转子磁动势不变式中：称为电流变比第五十八页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础59/67由转子总的视在功率不变式中由转子铜耗和漏磁通储能不变称为电势变比第五十九页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础60/673.等效电路经过折算后，定子、转子的电动势方程式磁动势方程式励磁支路的电动势方程式第六十页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础61/67（六）几种异步电动机的典型运行情况1、空载运行2、额度负载下运行转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。3、起动时的情况附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。4、异步发电运行转差率为负，附加电阻也为负值。表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。第六十一页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础62/675、电磁制动状态运行，附加电阻为负值，表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。异步电机近似等效电路第六十二页，共七十四页，2022年，8月28日*电机及拖动基础63/67[例]一台2对极的三相异步电动机，有关数据如下：定子绕组为三角形接法，试求额定负载时的定子电流、转子电流、励磁电流、功率因数、输入功率和效率。