电机与电气控制(第2版)第七章(1)

第7章三相异步电动机

内容提要：本章主要介绍三相异步电动机的结构和基本工作原理。交流绕组的不同形式的连接规律和特点。交流感应电势的产生。三相异步电动机的运行分析。三相异步电动机参数的测定。三相异步电动机的功率和转矩平衡关系。工作特性；机械特性的特点及变化规律。7.1三相异步电动机基本工作原理和结构

7.1.1三相异步电动机基本工作原理7.1.1.1三相旋转磁场的产生1．三相旋转磁场产生的条件（1）三相电动机的特点

（2）三相对称电流

7.1三相异步电动机基本工作原理和结构

2．旋转磁场的产生过程7.1三相异步电动机基本工作原理和结构

3．旋转磁场的转向4．旋转磁场的转速n0（又称同步转速）

7.1三相异步电动机基本工作原理和结构

7.1.1.3转差率S例7.1一台Y2-160M-4型三相异步电动机，额定转速 nN=1460r/min，求该电动机的额定转差率SN。7.1三相异步电动机基本工作原理和结构

7.1.2三相异步电动机的结构7.1三相异步电动机基本工作原理和结构

7.1.2.1定子1.定子铁芯2.定子绕组7.1三相异步电动机基本工作原理和结构

3.机座7.1.2.2转子1.转子铁芯2．转子绕组7.1三相异步电动机基本工作原理和结构

3．转轴7.1三相异步电动机基本工作原理和结构

7.1.2.3气隙

7.1.3三相异步电动机的主要指标 1．型号

2．三相异步电动机的额定值

7.2三相交流绕组

7.2.1三相交流绕组基本术语1．线圈（绕组元件）2．极矩

3．节距y4．机械角度与 电角度5．槽距角6．每极每相槽 数q7．相带8．极相组（线圈组）7.2三相交流绕组

7.2.2三相绕组的构成原则7.2三相交流绕组

7.2.3三相单层绕组实例说明三相单层绕组不同绕组形式的连接规律。例7.2一台Y2-90L-4型三相异步电动机，定子槽数Z1=24，2P=4，支路数a1=1，分析绕组的不同形式的连接方法和规律。7.2三相交流绕组

解：（1）计算绕组数据。①极距：（槽）②每极每相槽数： （槽）③槽距角： a1

7.2三相交流绕组

解：（2）各相所占槽号的划分。 U相：1、2；7、8；13、14；19、20槽 V相：5、6；11、12；1718；23、24槽 W相：9、10；15、16；21、22；3、4槽 该电机为4极，每极下分为3个相带，共3

4=12个相 带，每个相带内有2个槽。相带次序排列分别为：U1、 W2、V1、U2、W1、V2、U1、…。各相带内电流 方向以U相为正，V、W相为负标出，如图7.11（b） 所示。7.2三相交流绕组

7.2.3.1等元件整距绕组等元件整距U相 绕组的连接规律2.三相等元件整距 绕组展开图7.2.3.2链式绕组1．链式U相绕组的 连接规律7.2三相交流绕组

7.2.3.2链式绕组2．三相链式绕组展开图

7.2三相交流绕组

7.2.3.3同心式绕组1．同心式U相绕组的 连接规律2．三相同心式绕组展 开图7.2三相交流绕组

7.2.3.4交叉链式绕组交叉链式绕组主要用于q=奇数（如q=3）的4极或2极三相异步电动机定子绕组中。下面以一实例说明其连接规律。例7.3一台Y2-132S-4型三相异步电动机，Z1=36槽、2P=4极、a=1，定子采用单层交叉链式绕组。解：（1）计算绕组数据。①极距： （槽）②每极每相槽数：（槽）③槽距角：7.2三相交流绕组

（2）磁极和相带的划分。将36槽分为4极，每极下9槽，每极每相占3个槽，共3

4=12个相带，每极下按U1、W2、V1、U2、W1、V2、U1、…排列标注。（3）各相所占槽号的划分。 U相：1、2、3；10、11、12；19、20、21； 28、29、30槽V相：7、8、9；16、17、18；25、26、27；34、 35、36槽 W相：13、14、15；22、23、24；31、32、 33；4、5、6槽各相电流标注正方向如图7.11（c）所示。

7.2三相交流绕组

（4）交叉链式U相绕组连接规律。根据U相的各相带电流方向如图7.15（a）所示，连接U相绕组，U1相带内任何一槽线圈边与U2相带内任何一槽的线圈边都可组成一个线圈，但考虑到节距应尽可能短，故可将线圈边2-10和3-11组成两个连接在一起的大线圈，节距y1=8；线圈边12-19组成一个小线圈，节距y2=7；再将线圈边20-28和21-29组成两个连接在一起的大线圈；30-1组成另一小线圈。根据已知每相支路数a=1，将U相4个大小不同的线圈沿电流方向串联起来，便得U相绕组展开图，如图7.15（b）所示。从图可见，线圈间采用的是尾-尾相连，头-头相接的连接规律，称为反串法。但它又是大、小线圈交叉连接，故又称为交叉链式绕组。7.2三相交流绕组

（5）三相交叉链 式绕组展开图。7.2三相交流绕组

7.2.3.5三相单层绕组的特点从以上的分析可知，单层绕组每槽内只有一个线圈边，嵌线方便，槽利用率高，不论节距如何变化，从整个磁场观点来看，仍然属于整距绕组。节距的改变仅是为了缩短端部接线。磁场分布仍不变，单层绕组一般多用于10kW以下的电动机。其特点是：（1）线圈数等于总槽数的1/2。（2）每相最大并联支路数等于磁极对数，即am=P。（3）每相线圈组数（极相组数）等于磁极对数P。

7.2三相交流绕组

7.2.4三相双层绕组例7.4已知一台三相交流电机定子绕组数据如下：Z1=36，2P=4极，a=1，y

7

/9。试分析三相双层短距叠绕组的连接规律，并画出三相绕组展开图。解：（1）计算绕组数据。 ①极距： （槽） ②每极每相槽数： （槽） ③槽距角： ④节距：

7.2三相交流绕组

（2）相带及各相槽号的划分。相带的划分和各相槽号的划分与36槽4极交叉链式绕组相同。不过单层绕组U1相带内只能与U2相带内线圈边组成一个线圈，而双层绕组不受此限制，而是同一线圈上层边在U1相带，下层边可以在U2相带，也可以在V1相带某一槽，具体在哪一槽，这要由y来决定。可见，双层绕组每一槽上、下层可能属于同一相的两个不同线圈边，也可能不属于同一相的线圈边，因此，层间电压较高，故需可靠的层间绝缘。

7.2三相交流绕组

（3）U相双层叠绕组连接规律。U相绕组的槽号（上层）1、2、3；10、11、12；19、20、21；28、29、30槽。根据线圈节距y=7，故1号槽上层边与8号槽下层边组成一个线圈，2号槽上层边与9号槽下层边组成一个线圈，3号槽上层边与10号槽下层边组成一个线圈，将这q(q=3)个线圈沿电流方向串起来构成一个线圈组，其余以此类推。将10、11、12；19、20、21；28、29、30号槽线圈分别构成另外三个线圈组。可见，双层绕组的每相线圈组数等于磁极个数2P，这4个线圈组可以串联也可并联，若全部并联，可得每相最大并联支路数am=2P=4，称作4路进火。若两两线圈组串联后再并联，得每相支路数a=2，称作2路进火，如图7.17（1）中（b）所示。根据例7.4已知a=1，将U相4个线圈组沿着电流方向全部串起来，便得U相绕组展开图，如图7.16（b）所示。1条支路称作单路进火，如图7.17（1）中（a）所示。展开图中，实线表示槽中上层边，虚线表示下层边。

7.2三相交流绕组

7.2三相交流绕组

（4）三相双层短距绕组展开图。

7.2三相交流绕组

（5）圆形接线参考图。

7.3交流绕组的感应电势

7.3.1线圈感应电势1．导体电势Ec12．整距线圈电势3．短距线圈电势Ey4．短距系数KP7.3交流绕组的感应电势

7.3.2线圈组电势Eq和分布系数Kd1．采用集中绕组时线圈组电势2．若采用分布绕组时线圈组电势Eq3．分布系数7.3交流绕组的感应电势

7.3.3每相电势E11．单层绕组匝数N1的计算2．双层绕组匝数N1的计算3．定子绕组每相电势E14．转子不动时，转子绕组每相电势E27.4三相异步电动机空载运行7.4.1三相异步电动机与变压器的异同1．二者相似之处2．二者的主要区别7.4三相异步电动机空载运行7.4.2转子不动（转子开路）时的空载运行1．空载运行的物理情况2.空载运行时定子、转子电压平衡关系

7.4三相异步电动机空载运行7.4.3转子转动（转子绕组短路）时的空载运行三相定子绕组通以三相对称电流，形成一旋转磁场切割定子、转子绕组而产生电势E1、E2，由于转子绕组短路I2

0，I2便产生转矩T，用以克服空载转矩T0，因转差n2(n2=n0

n)很小，E2

0，I2

0，可见，这与转子开路时空载运行相似，其基本方程式也相似。7.5三相异步电动机负载运行7.5.1转子各物理量与转差率的关系1．转子旋转时转子电势的频率f22．转子旋转时每相电势E2s3．转子旋转时的电抗X2s4．转子旋转时转子电流I2s5．转子功率因数cos

27.5三相异步电动机负载运行7.5.2磁势平衡方程式1．转子绕组磁极数2．转子绕组相数m2

7.5三相异步电动机负载运行3．定子、转子磁势相对静止4．定子、转子磁势平衡方程式

7.5三相异步电动机负载运行7.5.3电势平衡方程式7.5.4负载运行时的等值电路1．频率折算7.5三相异步电动机负载运行2．绕组折算（1）电流的折算值。（2）电势折算值。（3）阻抗的折算值3．等值电路4．异步电动机的向量图

7.6三相异步电动机参数的测定7.6.1三相异步电动机空载试验1．空载试验的目的测空载时I0、P0，求得异步电动机的激磁参数rm、Xm、Zm，机械损耗Pj和铁耗PFe。2．试验方法

7.6三相异步电动机参数的测定3．空载损耗空载状态时，转子电流很小，转子铜耗可忽略不计(PCu2

0)，因此，从电网吸收来的功率P0完全消耗在定子铜耗PCu1、铁耗PFe和机械损耗Pj上，从P0中扣除PCu1便得：4．激磁参数的计算7.6三相异步电动机参数的测定7.6.2三相异步电动机短路试验1．短路试验的目的2．短路试验方法3．短路参数的计算7.7三相异步电动机功率和转矩平衡方程式7.7.1功率平衡关系1．异步电动机的功率及损耗2．功率平衡关系3．功率间的关系

7.7三相异步电动机功率和转矩平衡方程式7.7.2异步电动机转矩平衡关系例7.5一台三相异步电动机额定数据为PN=11kW，UN=380V，nN=1459r/min，f1=50Hz，Pj=110W，Ps=30W，求额定运行时：（1）转差率SN；（2）电磁功率PM；（3）电磁转矩TN；（4）转子铜耗PCu2；（5）输出转矩T2；（6）空载转矩T0。7.7三相异步电动机功率和转矩平衡方程式解：（1）

（2）(kW)（3）(N·m)（4）(kW)（5）(N·m)（6）7.7三相异步电动机功率和转矩平衡方程式7.7.3异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性是指定子电压,条件下，n、I1、cos

1、T及n的关系曲线。1．转速特性2．定子电流特性

7.7三相异步电动机功率和转矩平衡方程式7.7.3异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性是指定子电压,条件下，n、I1、cos

1、T及n的关系曲线。1．转速特性2．定子电流特性3．转矩特性4．功率因数特性5．效率特性7.8三相异步电动机机械特性7.8.1电磁转矩的物理表达式7.8.2电磁转矩参数表达式上式虽然物理概念十分清楚，但对于鼠笼式异步电动机由于转子结构原因I2很难测量，故计算很不方便。同时物理表达式不能直接表达转速与转矩的关系，实际计算中需知道T与电机参数之间的关系。7.8三相异步电动机机械特性7.8.3最大电磁转矩Tm

7.8三相异步电动机机械特性7.8.4启动转矩Ts7.8.5转矩实用表达式

7.8三相异步电动机机械特性7.8.6异步电动机固有机械特性1．固有机械特性曲线

7.8三相异步电动机机械特性7.8.6异步电动机固有机械特性2．三相异步电动机稳定运行7.8三相异步电动机机械特性7.8.7人为机械特性人为机械特性是指人为地改变电动机参数或电源参数所得到的机械特性。降低定子电压U1的人为机械特性2.转子回路串电阻的人为机械特性本章小结1．三相异步电动机具有结构简单，造价低廉，坚固耐用，便于维护而被广泛应用。但它需从电网吸收一滞后无功电流激磁，因而电网功率因数降低了。2．三相异步电动机旋转磁场产生的条件是：三相对称绕组通以三相对称电流，其转向取决于三相电流的相序，其转速；异步电动机转子转速n总