电机学教学课件

第一节三构身步电动机的工行腐理

夕“吉构姆

*旋转磁场的产生*三相异步电动机的工作原理*三相异步电

动机的转速与运行状态

一.三相异步也动机工作原理与运行

状忠

三相异步电动机工作原理

通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应

作用

在转子绕组内所感生电流间相互作用，以产生电

磁转矩，实现拖动作用

（一）旋转磁场的产生

旋转磁场是一种极性和大小不变并以一定转速旋

转的磁场

旋转磁场可由电机三相对称绕组中通以三相对称

电流后形成

所谓三相对称绕组：

三个彼此互隔120。分布在定子铁心内圆的线

圈，称为对称三相绕组。

三相对称绕组(图3-三ml)

所谓对称三相电流，可表示为：

以=人cos或

iB=Imcos(fi#-120°)

ic=Imcos(fi#-240°)

三相对称电流波形(图3二2)

选择几个特定瞬间，如：

或=0°(f=0)

就=120°«=773)

收二240。。=2773)

威=360°«二，)

规定:

电流为正值时，由每相线圈的首端（A、B、C）流出,

由线圈末端（X、Y、Z）流入

画出3t=0、120、240、360这四个特定瞬间的电

流方向与磁力线分布情况

两极旋转磁场形成示意图（图出11）

我们可以用如下动画帮助理解三相电流通入对称三相绕组后是

如何建立合成磁场

因此可知：对称三相电流通入对称三相绕组后建

立的合成磁场，犹如一对磁极旋转

产生的磁场，其大小不变。

当时间分别经过T/3,2T/3,T周期时

合成磁场在空间相应地转过120、240、360度

1.旋转磁场的方向

按A-B-C顺序旋转

2.旋转磁场的转速.

(1)对于一台两极电机

当三相电流随时间变化经过一个周期T,

旋转磁场在空间转过360°,即对应电流变化一

周。

因此，如果电流每秒钟变化G次，

旋转磁场每秒钟将转过匕转，即

转速=fi(r/s)=60fi(r/m)

(2)对于一台四极电机

绕组分布如下图所示：

四极旋转磁场形成示意图(图蹈)

从瞬间«t=0°到3t=120°、240°、360°,

合成磁场在空间相应

转过60°、120°、180°o即旋转磁场仅转过

1/2转

旋转磁场每秒钟将转过ft/2转，即

转速=fi/2(r/s)=60fi/2(r/m)

⑶当电机为p对极电机时

电流变化一周，旋转磁场转过1/p转

极对数为P的旋转磁场的转速为

fi/p(r/s)=60fi/p(r/m)

旋转磁场的这一转速用n。表示，称为同步转速

(二)三相异步电动机的工作原理

对称三相绕组接到对称三相电源

1.产生旋转磁场

在定子、转子之间的气隙建立了以同步转速no

旋转的旋转磁场

2.产生感应电动势

根据电磁感应定律，转子导条内会感应产生感应

电动势

感应电动势产生（图五4）

3.产生电磁转矩

当导条端接部分短接时，

（如不考虑导条中电流与电动势的电位差），

电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向

根据电磁力定律，

因导条载有感应电流，必然会受到电磁力作用

电磁力的方向用左手定则决定

所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的电

磁转矩

转子跟着旋转磁场方向旋转

（三）三相异步电动机的转速与运行状态

1.异步电动机名称的由来

一般情况下，异步电动机的转速不能达到旋转磁

场的同步转速n0

因为

若旋转磁场与转子导条之间没有相对运动，

就不可能有感应电动势，

因此就不会产生电磁转矩

所以转子转速n与旋转磁场必定“异步”

异步电动机由此而命名

2.转差率

定义转差率：

式%)=幺心*10。%

%

一般情况下，异步电动机运行时转差率变化不大

空载转差率在0.5%以下

满载转差率在5%以下

3.异步电动机三种运转状态：

异步电动机的三种运转状态(图3二立)

异步电动机三种运转状态的动画表示

1).发电机状态即n〉n0,s<0

电磁转矩方向和旋转磁场及转子的旋转方向相反

异步电机通过电磁感应由定子向电网输送电功

率，

电机处在发电机状态

2).电动机状态

3).电磁制动状态即n<0,s>1

电磁转矩方向与旋转磁场方向一致，但与外转矩

方向相反

异步电机同时从转子输入机械功率、从定子输入

电功率

两部分功率一起变为电机内部的损耗

第一革三秘身步也动机的工6鹰理

上储构嶙

*定子*转子*气隙

二.异步也动机结构

三相鼠笼电动机剖面图（图3二ga）

三相饶线电动机剖面图（图3二G）

（一）定子

1.定子铁心

由导磁性能较好的0.5mm厚且冲有一定槽形的硅

钢片叠压而成

定子槽（图匠d）

2.定子绕组

异步电机定子部分的电路是许多线圈按一定规律

联接而成

定子绕组（图3-6e）

3.机座

主要是固定和支撑定子铁心

中小型异步电动机一般采用铸铁机座

大中型异步电动机一般采用钢板焊接的机座

三相饶线电动机装配结构图（图3二6b）

三相鼠笼电动机装配结构图（图3二加）

（二）转子

1.转子铁心

主磁通磁路的一部分

由0.5毫米厚冲槽的硅钢片叠成，

固定在转轴或转子支架上，外表面成圆柱形

2.转子绕组

a.笼型绕组

笼型绕组由插入每个转子中的导条和两端的环形

端环组成

鼠笼转子（图曜）

b.绕线型绕组

与定子绕组一样也是一个对称三相绕组，

这个对称三相绕组接成星形，接到转轴上三个集

电环，

再通过电刷使转子绕组与外电路接通

饶线转子示意图（图3-10）

（三）气隙

中小型电机一般为0.2'2mm

三相饶线电动机装配结构图（图3二弛）

第二吊三和导步也动机的程牌敷据

异步电动机铭牌（p3-3）

1.额定功率：

额定运行时的输出的机械功率,单位为kw

2.额定电压：

额定运行状态下，加在定子绕组的线电压，单位

为V

3.额定电流：

额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组中

的线电流，单位为A

4.额定频率：

我国标准工业用电频率为50HZ

5.额定转速：

额定电压、额定功率及额定频率下的转速，单位

为r/min

第三节三和身步电动机的定孑倭

旋转磁场由旋转磁通势来建立,

所以对磁场的要求，也就是对磁通势的要求

本章以三相单层和双层绕组为例说明绕组的排列

和联接

一・交流绕组的一些基本知识与基本

量

（一）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

若电机磁场在空间按正弦规律分布

当有导体经过N、S一对磁极时

导体中所感应（正弦）电动势的变化为一个周期,

即经过360电角度

这样，电机若有P对磁极

电机圆周按电角度计算就为P*360。，而机械角

度仍为360°

故：电角度二P*机械角度

（二）线圈（图3-Ha）

线圈由一匝或多匝串联而成，两个引出线分别叫

首端和末端

（三）节距

一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节

距，用力表示

一般用槽数计

线圈可范围分为：

整距绕组：y1二T

短距绕组：yi<T

长距绕组：yi>T

（四）槽距角a

相邻槽之间的电角度叫槽距角a

如。为定子槽数

目360°

-------

a

（五）每极每相槽数q

每一个极下每相绕组所占的槽数,用符号q表示

m—相数

第三节三和身步咆动机的定孑偷

*极距的计算*线圈中的电流方向*确定相带*画定子槽的展开图

二•交流统组的挑列和连接

举例：给定电机的极数2p=4,槽数Qi二24

（一）极距的计算

异步电动机形成磁极效应

要在对称三相绕组中通入对称三相电流后才显示

出来

因此必须根据给定的定子槽数Q1和极数2p来

确定极距

片9（槽数）

2P

（二）线圈中的电流方向

在相邻极距内属于一个相绕组，而相隔一个极距

的线圈边，

有相反方向电流时，才能建立极数符合给定要求

的磁通势和磁场

磁极的形成取决于流过线圈边的电流（图3-11）

（三）确定相带

每个极距内属于每相的槽所占有的区域称为“相

带”

每个相绕组所有相带均需相隔一个极距

因为一个极距为180°电角度，

三相电机一个极距内有三个相带（ABC或XY

Z）

所以三相绕组每个相带为60°

一般三相异步电动机都采用60度相带的三相绕

组

（四）画定子槽的展开图

将槽编号，分相带，并确定各相的相带

下面将用实例进行说明

第三节三栩身步电动机的定孑倭

n皿

三.三相单星统组

分析一台槽数24的四极三相电动机绕组构成

（一）计算极距

Q24£

T=—=—=6

2P4

（二）计算每极每相槽数

qc=Q=----2--4---=2

Imp2x3x2

（三）划分相带

相AZBXCY

带

（四）组成线圈组

A相的线圈组应由线圈边1、7,2、8、13、19和

14、20

分别组成的四个线圈，并分两组串联而构成

相绕组的构成（图3-12）

第三革三和身步电劫机的定孑倭

印,三相双层绕组

双层绕组每个槽内有上下两个线圈边

双层绕组的嵌放（图3-15）

整个绕组的线圈数等于槽数

这种线圈形式便于绕制，端接部分形状排列整齐,

有利于散热和增强机械强度，

可以选择最有利的节距“，以改善磁通势和电动

势波形

以一台三相四极36槽的双层叠绕组为例

说明三相双层绕组的排列和联接

（一）计算极距

（二）选择节距

采用短节距y尸8槽

（三）计算每极每相槽数

“=乌=」^=3

2mp2x3x2

（四）划分相带，画展开图

相带AZBXCY

第•・对10,11,13,14,16,17,

1,2,34,5,67,8,9

极121518

第一对19,20,22,23,25,26,28,29,31,32,34,35,

极212427303336

三相双层叠绕组展开图（图3-16.a）

（五）组成线圈

作出电机的圆形接线图如下：

圆形接线图（图3-16.b）

正相带A、B、C和负相带X、Y、Z,

各线圈组间的联接均为反向联接，方能产生要求

的磁极对数。

*A相一路串联的连接顺序

一路串联的连接顺序（图3-18）

圆形接线图表示（图3-18b）

*A相两路并联的连接顺序

两路并联的连接顺序（图3-19）

第团革三杓身步电动机的定孑磁通势

*整距线圈的磁通势*线圈组的磁通势*相绕组的磁通势

分析方法：

1.一个线圈的磁通势

2.一个线圈组以及一个相绕组的磁通势

3.三个相绕组的磁通势叠加得出合成磁通势

一•单相统组的磁通势-脉振磁通势

（一）整距线圈的磁通势

对一台两极电机进行分析

这种整距线圈所产生的磁通势在空间分布波形是

一个矩形波，

其周期为两个极距,

其幅值等于磁力线所包围的全电流的一半

整距线圈的磁通势(图3-21)

cot=0,i二J2I时，整距线圈磁通势用方程式

表示为

/(X)=*-£<X<£

F(x)=-—NI,-<x<—

,2722

(3-8)

磁通分布一*般表达式为：

(3-9)

i/?rr

A<X<

£(%/)=-Nyi=--N/cosat,~22

I/2年37

<X<

fy^,t)=--Nyi=--NyIcosd2^2

应用傅氏级数，把(图3-21)中①t二0时的矩形波进行分

解

对矩形波进行傅氏展开(图立区)

这样，整距线圈所产生的脉振磁通势表达式为:

£(%/)=%(%)cos以

牙1"1「牙

--------NJcos—x——cos3—%+—cos5一龙…cosat

才2,[尸3尸5尸

八c.rr牙1、7T1_JT

=0.97V,,/cos—%——cos3—x+—cos5一龙…cosal

y尸3尸5尸

（二）线圈组的磁通势

组成线圈组的线圈（或者是等效的线圈组的线圈）

相互隔一个槽距角a,且串联

下面按整距线圈和短距线圈两种情况，分析线圈

磁通势。

1、整距线圈的线圈组磁通势

以一个q二3的整距线圈组为例，

整距线圈的线圈组磁通势（图3-25）

这三个矩形磁通势波形的幅值都相同，

在空间彼此相隔a电角度

将矩形磁通势分解成基波及一系列谐波

对三个幅值相等在空间互差a电角度的整距线圈

基波磁通势Fy］、Fy2、Fy3相加

可得出线圈组的基波合成磁通势Fql

(3-12)

+>4+”心

由（图3-25）可得:

Fc{=2Rsin-

(3-13)q2

F,=27?sin—

(3-14)712

由式（3~13）和式（3-14）可得:

.q0

sm

4A/2

月2八一V‘二四色।二q可以及成

•“4'2

qsm.t

(3-15)

其中基波磁通势的分布系数:

sm--

k-____—

qsin一

(3-16)2

同理得线圈高次谐波磁通势的幅值Fqv为

口14V2

Fq广qF=q——亍NI7k

(3-17)”贫？

其中，V次谐波磁通势的分布系数:

smq"一

k=..........—

6fsm——

(3-18)2

2、短距线圈的线圈组磁通势

以q=2,T=6,yk5的双层短距叠绕组为例

其一对极下属同一相的两个线圈组

可等效为相差一个a角的上层和下层整距线圈组

双层短距叠绕组（图近鸵）

双层短距叠绕组合成磁通势（图3-27）

其中

<f=宾—1--

（3-19）\r）丁,

上层和下层整距线圈组的合成磁通势中

基波磁通势的幅值均为Fql,

两个线圈组的基波合成磁通势的幅值Fog。

(3-20)

其中

(3-21)

称为基波磁通势的短距系数

同理，v次谐波合成磁通势的幅值F0v(P=1)为

(3-22)尸眼尸1)=

其中，谐波磁通势的短距系数

y

kv.=sin—=cosz-

(3-23)/22

（三）相绕组的磁通势

综合关于整距线圈和线圈组磁通势的分析，得出

结论

1.绕组由集中的改为分布

基波合成磁通势幅值打一个折扣kql；

2.线圈由整距改为短距

基波合成磁通势幅值打一个折扣kyl,

3.绕组由集中、整距改为分布、短距的实际绕组

以后

基波合成磁通势幅值打一个折扣kqlkvl

4.基波绕组系数

kwi-kqikyi

类似地

绕组由集中、整距改为分布、短距的实际绕组以

后，

对其谐波合成磁通势也要打一个折扣kwv二kqvkyv

一个相绕组的磁通势

是指每对极下这个相绕组的合成磁通势

每一对极的磁通势和磁阻组成一个对称的分支磁

路

所以单相绕组基波合成磁通势的幅值

是指相绕组在一对极下线圈中电流所形成磁通势

的基波的幅值

极对数为P,每极每相槽数为q的双层短距绕组,

每个线圈组由q个线圈组成，

如每个线圈的匝数为Ny,

则一个相绕组每对极下线圈匝数是2qNy

如相绕组的串联总匝数为N,有下列关系：

­N=e2zqN

(3-26)P

那么基波合成磁通势幅值为

4=2々际==?(2*既心

7T2

—no&T

一■/安匝/极

(3-27)P

v次谐波磁通势的幅值F0v为:

*4A/21Nk…

F*=—x——x......—/

*牙2/，p

1次”

=0.9

1〒安匝/极

(3-28)

单相绕组的磁通势方程式为

7T11'冗If_7TI1

fg)=0.喙kcos一%一—左板3cos3—%+-kcos5—%一—左腐cos

yw\r3r5w5r7

单相绕组的磁通势的性质可归纳几点：

1.单相绕组的磁通势是一种在空间位置固定、幅

值随时间变化的脉振磁通势

2.单相绕组基波磁通势幅值的位置与绕组的轴线

相重合，其幅值为

(3-27)

3.单相绕组脉振磁通势中v次波磁通势的幅值为

(3-28)

可见谐波次数愈高，幅值愈小

4.单相绕组的磁势方程式

(3-29)

二.三相统组的磁通势•旋转磁通势

从数学推导方面进行，首先考虑三相基波合成磁

通势，

取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，

空间坐标的选取(图3-temlO)

并以正相序方向作为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A、B、C三个相的基波磁通势表达式为

f^=F.cos—JVCOS就

r

=-F.cosfa--7xF\+-1F.cosl^+-7Tx

22

fBX=乙＜；0$(兰工一120。)©0$(疗-120。)

r

1(Jr]1(7F

--F.cos玄----x+-FcosZJt+—x-240°

22A

fC[-F&cos(二v-240°)cos(zzZ-2400)

r

1(Jr11(万

=-Fcosa----x+-Fcoswt+—A:-1200

2A2Ac

1.三相绕组的基波合成磁通势

3i宽、

[(取)=〃+/i+几=]&cos^~~x

由此表达式知f1(x,t)表示一个幅值恒定、正弦

分布的行波。

即是一个沿气隙圆周旋转的旋转磁通势波。

2.三相合成基波磁通势的性质

⑴三相绕组的基波合成磁通势的幅值

F、=-F.=0.9^^-I

(3-33)22p

三相绕组的基波合成磁通势可表示为

’7T'

=FcoszzZ—x

{r

(3-34)，

(2)三相绕组合成磁通势的转速

可以通过对磁通势波上特殊点(例如波幅这一点)

的转速来确定

对于波幅这一点，其幅值始终为储，

因此只要满足COS(Bt-兀X/t)=1,则fi

(x,t)=F1

7F八加

zzZ——X=0—X=wt

而波幅这点始终满足手5尸

所以当时间t增大以后，要使COS(XUt—7ix/t)

=1,

波幅所在点随时间而变的空间位移X必须增大。

这个距离如以长度计算为X,以空间位移角度计

算即为兀X/t

所以，将磁通势波任意点的空间位移角0二兀x

/t对时间t求导数

可求出波幅旋转的角速度

%二/■二〃电角度/。

(3-36)dtdt

可得转速nO(r/min)

(3-37)

当某相电流达到最大值，旋转磁通势的幅值就将

转到该相绕组的轴线处

例如：当3t=0时,A相电流达到最大值,A相的

磁通势为

%二”s；%cos0°二尸产

而旋转磁通势为

f{-F{cos或—x=cos-x

可见储与在空间同一位置上，即位于A相绕组的

轴线上.

对称三相绕组中通以对称三相电流时，三相基波

合成磁通势具有下列特性：

1、三相基波合成磁通势是一个旋转磁通势，

转速为同步转速n0=60fi/p,旋转方向决定

于电流的相序.

2、幅值R不变.为各相脉振磁通势幅值的3/2倍.

3、三相电流中任一相电流的瞬时值达到最大值

时，

三相基波合成磁通势的幅值在这一相绕组的

轴线上.

第㈤节三和身步电动机的定孑磁通势

第五节三和身步也动机定孑侑勾的电

*导条的电势*线圈电势

分析方法：

1.线圈的感应电动势

2.线圈组的感应电动势

3.相绕组的感应电动势一一相电势

*物理上正弦分布形状磁极以n。速度旋转产生

的磁场

*基波旋转磁势所产生的磁场

对定子绕组产生的磁效应是相同的，为直观计,

下面以前者为例进行分析

一•线圈的感应电势

（一）导条的电势

1.感应电势的频率

一对极时

磁极转一周，感应电势交变一次

P对极时

磁极转一周，感应电势交变P次

所以导体中感应电势频率

2.感应电势波形和大小

以n。速度旋转磁极产生的磁场（图无运⑤

由于J=5.第

式中B,为气隙磁密，

所以eA瞬时值取决于导体切割气隙磁密时所在

空间Bs的大小

若气隙磁密在空间按正弦波规律分布，

同时考虑电动机气隙均匀，

即电机磁路沿径向各处磁阻相等且为Rm

(磁路经由转子-气隙-定子-气隙-转子

闭合)

则气隙磁密BB可表述为

fF冗

B产—=-cos(d?-Z--x)=瓦/os(①•£---x)

&&c弋

选适当坐标使导条A所在处x=0,则

Bs=Bimcos(ot

所以

eA=^-/v-cosdrf

=&„cos&

感应电势波形随时间按正弦规律变化

按正弦规律分布磁密波幅与平均值的关系（图3-tem6）

考虑到

加二万J

v=-2pr

60

则可以得到：

耳=1Bl^-2pr

lm2G60

=冗吧B"

60s

其中0m为一个磁极下的磁通量

单根导条的感应电势有效值

玛=窄*2.22/q

（二）线圈电势

1.整距线圈

整距线圈的电势的计算（图红行）

EA=ElmCOScot

Ex二ElmCOS(cot-1800)二-EIn,COS(cot)

所以

葭=7-K=24

整距单匝线圈电势有效值：

EAX=4.44f10m

2.短距线圈

短距线圈的电势的计算(图3-tem8)

显然有

0=—71

T

短距单匝线圈电势有效值

E超—2玛siriy

=2Esin—

AT

=2凡•K八

3.线圈基波电势

若线圈匝数为Ny,则线圈基波电势有效值为

Ey=4.44fiNyKyl0m

第办单三和身步电动机定孑依织的也

二.线圈组感应电势

分布式线圈组（图3-tem9）

线圈相隔槽距角a

线圈组电势：

Eql=41/°+q1/&+41/2”+..・

和对磁势分析类似，可得q个线圈构成线圈组电

势为

Eqi=q-EyiKqi=4.44。・q・NyKyiKqi0m

=4.44frq.NyKwl0m

第卫节三和身步也动机定孑倭勾的电

二•线圈组感应电势

相电势由定子绕组中构成某支路的线圈组个数决

定

以3.4节中的三相四极36槽双层叠线圈为例，

对A相绕组来说：共有四个线圈组分别由线圈

(1,2,3)、(10,H,12)、(19,20,21)和(28,29,30)

组成。

*A相绕组并联支路数为1时

其联接顺序为

A-(1,2,3)-(12,11,10)-(19,20,21)

-(30,29,28)-X

的1条支路构成

*A相绕组并联支路数为2时

其联接顺序为

A-(1,2,3)-(12,11,10)-X和

A-(19,20,21)-(30,29,28)-X

的2条支路的并联构成

*A相绕组并联支路数为4时

其联接顺序为

A-(1,2,3)-X

A-(12,11,10)-X

A-(19,20,21)-X

A-(30,29,28)-X

的4条支路的并联构成

当考虑电机每条支路的串联匝数为N

基波电势有效值为E0i=4.44fiNKW10m

第况量巨阳螫鱼醯睡泌遨逊酗簿缀

糜

第一节三构身步电动机机核储俊的

三仲表9式

一.异步电动机机械特性的物理表达式

1.异步电动机电磁转矩表达式：

T=C*L

2.转矩常数表达式：

_p喇匕

3.转子电流表达式：

E(

F一「2

2

」"」，Y+"

4.转子电路功率因数表达式:

，RJs耳,

COS（Z＞；=一,2=__=cos也

J（//弓+尺：晒+dX?

可以看出：

转差与电流、功率因数的关系及异步电动机机械特性（图二）

1.电流与转差关系（图”1）

最初与S成正比地增加，

12'

S较大时，12’增加逐步减缓

2.功率因数与转差关系（图上1）

s=0,cos（p'2=1

随着n的逐步下降，s增加，cos（pl将逐步下

降

3.合成曲线

两条曲线相乘，并乘以常数CTJ①m,即得n=f（T）

的曲线，

称为异步电动机的机械特性。

（图9-1）

反映了不同转速时T与①m及转子电流的有功

，

分量I2'COS(p2间的关系

在物理上，这三个量的方向遵循左手定则

第一节三和身步电动机机核储俊的

三科表仁式.

二.异步也动机机械特性的参数表达式

采用参数表达式可直接建立异步电动机工作时转

矩和转速关系并进行定量分析

区‘=行律时①“9-5)

Q=1^1

P(9-6)

m

T二S味

6。(9-7)

以=(9-8)

J

COS/：=+

Z；(9-9)

T_网尸g

Qo2s(9-10)

由异步电动机的近似等效电路：

r尹二,U,———

21v■

=+尺+(%+*;)

131(9-14)

1.异步电动机的机械特性参数表达式:

U片

丁二3_________上________

Q°,+3+(x+x；y

's)(9-15)

2.异步电动机的机械特性

异步电动机的机械特性(图史乜)

因为异步电动机机械特性为二次方程式,

所以在某一转差率Sm时，转矩有一最大值Tm,

该值称为异步电动机的最大转矩

求出生产Tm时的转差sm

3.对应异步电动机的最大转矩Tm为

T/5

'Q2［土尺+斤斤可］(%］乃

正号对应于电动机状态，而负号则适用于发电机

状态

考虑R«(Xi+X2’)，可得:

R；

s小土

乂+汉（9-18）

7«±―必—

海―2Q（X+X；）

（9-19）

可以看出:

4.几点规律

1）当电动机各参数及电源频率不变时,

Tm与（V成正比，Sm因与Ux无关而保持不变

2）当电源频率及电压不变时,

Sm与T,„近似地与（X1+X2'）成反比

3）「与Rz'之值无关，s“与Rz'成正比

5.电动机过载倍数KT

T

1(9-21)

一般异步电动机的K,约等于1.8~3.0

起重冶金机械用的电动机，L可达3.5

过载倍数KT是电动机短时过载的极限

6.起动转矩倍数Kst

与(9-23)

异步电动机起动转矩Tst,即为S二1时电机的

电磁转矩

第一节三和身步电动机机械储俊的三

仲表仁式

三.机械特性的实用表达式

考虑机械特性参数表达式及最大转矩1m的表

达式,机械特性可简化为

（7?、

2T1+5」

一（3

一"雪2s3

s*S耳（9.24）

忽略R,可以得到异步电动机机械特性的实用表

达式

T=2/

ss

一+二

2s(9-25)

这里

I=£1(9-26)

1=9550%

%(9-27)

n-n、

*—0M

\-

4(9-29)

当电动机在额定负载下运行时，转差率很小，忽

略S/Sm,得：

2T

T---s

s*(9-31)

第二节三和解步色动机的机械捕傕

一•异步也动机的国有机械特性

异步电动机在下述条件下工作：

额定电压

额定频率

电动机按规定接线方法接线

定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）

时的机械特性曲线n=f（T）,称之为固有机械

特性

（图23）其中：

起动点额定工作点同步速点最大转矩点

电动状态最大转矩回馈制动最大转矩

ABH点八占、、

PP'

名二冬(9-33)

M>1^1(9-34)

可见:

回馈制动时异步电动机过载能力大于电动状态时

的过载能力

二人为机械特性

由电动机的机械特性参数表达式可见：

异步电动机电磁转矩T的数值是由某一转速n

（或s）下，

电源电压Ux、

电源频率力、

定子极对数P、

定子及转子电路的电阻Ri、R2'

及电抗X1、X2'等参数决定

人为地改变电源电压、电源频率、定子极对数、

定子和转子电路的电阻及电抗等参数，

可得到不同的人为机械特性。

（一）降低电源电压ux

最大转矩L及起动转矩T“与IV成正比地降

低；

S.与口的降低无关

1.降低电网电压对电动机的影响

过载能力下降

负载电流上升

从机械特性物理表达式进行分析

因为电网电压下降，电动机气隙磁通下降，

所以在电动机带一定负载转矩情况下，

转子电流增加

2.降低电源电压的机械特性

异步电动机降低电源电压的机械特性（图叱）

(二)转子电路内串联对称电阻

由(9T6)(9-17)知道：

最大转矩L不变；

sm随串联电阻增大而增加

1.转子电路串联对称电阻时机械特性

异步电动机转子电路串联对称电阻时机械特性(图上5)

2.转子电路串联对称电阻用途

(1)绕线转子异步电动机的起动

(2)调速

(三)定子电路串联对称电抗

由(9-16)(9-17)知道：

最大转矩Tm随串联电抗增大而减小；

Sm随串联电抗增大而减小

1.转子电路串联对称电抗时机械特性

异步电动机转子电路串联对称电抗时机械特性（图9二g）

2.用途：

用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机

的起动电流

（四）定子电路串联对称电阻

由（9-16）（9-17）知道：

最大转矩T,随串联电阻增大而减小；

sm随串联电阻增大而减小

1.转子电路串联对称电阻时机械特性

异步电动机转子电路串联对称电阻时机械特性（图9二?）

2.用途：

用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机

的起动电流

（五）转子电路接入并联阻抗

1.电路

异步电动机转子电路接入并联阻抗的电路（图9二8）

2.机械特性

异步电动机转子电路接入并联阻抗的机械特性（图9二⑥

3.对人为机械特性的解释

1）起动初期

因为转子频率相当大，感抗较大，转子电流的大

部分将流过电阻Rst

所以起动转矩相当大，相当于转子电路串大电

阻

2）转子加速

转子频率逐步降低，转子频率将变得很小，Xst之

值很小

所以相当于电动机转子串联很小对称电阻时的

机械特性

3）几乎恒定的转矩

适当的参数配合,

可使电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的

转矩

4）电抗器参数选取

接入并联阻抗的转子等效电路

接入并联阻抗转子的等效电路（图叱）

其中:

工=（3〜4）工

R：=尺（9-36）

尺,=16K（%37）

第三节三和身步电动机的各仲珍赭以1

6

一・电动运行状忠

电动状态下异步电动机的机械特性（图9-10）

第三单三和身步电动机的各彳中当施优

为嶙

*回馈制动状态*反接制动状态*能耗制动状态

二.制动运行状态

有三种制动状况：

*回馈制动状态

*反接制动状态

*和能耗制动状态

（一）回馈制动状态

回馈制动状态的特点是电动机转速高于同步速度

1.位能负载的回馈制动状态

带位能负载时进入回馈制动状态（图9-11）

2.对回馈制动状态的说明

位能负载使转速高于同步速度n0,即n〉n0

时，

转差率s=(n0-n)/n0<0,

转子感应电动势sEz反向，转子电流的有功分量

为12a'

转子电流的无功分量为心'

(9-39)

当S变负后,

转子电流的有功分量改变了方向，

无功分量的方向不变

3.回馈制动状态时相量图

可以绘出回馈制动状态下的相量图

异步电动机处于回馈制动状态时的相量图（图9T2）

4.回馈制动状态时的功率

因为口与L之间的相位差角（p>>90°

所以定子功率Pi二mUIiCoscpi为负

说明此时电动机将电能回馈电网

由于L'cosq）2为负

所以T二CTJ①皿L'cosq）2也变为负，

说明此时电动机电磁转矩与转向相反,

因此这时的电动机既回馈电能，又在轴上产生机

械制动转矩

因为异步电动机轴上输出机械功率

耳二TQ(9-40)

所以P2也变为负，

说明此时电动机由轴上输入机械功率

5.回馈制动的机械特性

异步电动机回馈制动时的机械特性(图9-13)

6.回馈发电的问题

回馈发电状态时

由于转子电流的无功分量方向不变

所以定子必须接到电网，并从电网吸取无功功率

才能建立电动机的磁场

如果在异步电动机定子脱离电网的同时，又希望

能发电

则定子三相必须接上连接成三角形或星形的三相

电容器

异步电动机定子连接三相电容器（图9-14）

当电容器接成三角形时，电容量取值C可参考下

式选择

C.1/X10

括2球“（9”

Io—电动机的励磁电流（A）,可取Io=O.3I1N

电容器也可接成星形，这时电容量取值C参考下

式选择

7Mxi06

L——

2以外（9-42）

（二）反接制动状态

分为转速反向的反接制动和定子两相倒相的反接

制动

反接制动状态的特点是电动机转速和旋转磁场方

向相反

1.转速反向的反接制动

1）转速反向反接制动电路图

异步电动机转速反向反接制动（图9T5）

异步电动机转速反向反接制动时的机械特性（图9T6）

2）对转速反向反接制动的说明

转子转速方向与电动状态相反

因此转差率：

n0-（-H）_H0+n

AJ——11

拉。4（9-43）

转子由定子输入的电功率（电磁功率）为

S,

5=31：

(9-44)

转子轴上机械功率为

月二匕（1-S）⑼45）

S>1,P2为负值，即电动机由轴上输入机械功率

转子电路的损耗为

利-月（9-46）

△P2数值上等于PT与P2之和，所以反接制动时

能量损耗极大

3）用途

可以用于稳定下放位能性负载

2.定子两相倒相的反接制动

1）定子两相倒相的反接制动电路图和机械特性

异步电动机定子两相倒相的反接制动及其机械特性（图9-17）

no与原转速方向相反（即对应于n0）

所以转差率:

f。居（9-47）

2）用途

可以用于迅速停车或反向

优点：制动效果强

缺点：能量损耗大，制动准确度差

（三）能耗制动状态

1.方法

由于定子两相绕组内通入直流电流，

在定子内形成一固定磁场

当转子旋转时，其导体即切割此磁场，

在转子中产生感应电动势及转子电流

根据左手定则，可以确定出转矩的方向与电动机

的转速方向相反，

电动机产生的转矩为制动转矩

2.电路图

3.原理

4.机械特性

异步电动机能耗制动及其机械特性（图9-18）

对能耗制动机械特性的定性解释（图9~L8c）

翁。量三相异步电动机的起动与调速

第一举三构身步名动机的起动方

一.三相笼型异步电动机的起动方法

三相笼型异步电动机的起动方法有直接起动和降压起

动两种方法。

（一）直接起动

（1）异步电动机的功率小于7.5KW

(2)异步电动机的功率大于7.5KW时

Ki=Iist/I1N<0.25[3+(电源总容量/起动电

动机容量)]

(二)降压起动

(1)定子串电阻或电抗起动

定子串电阻起动电路(图10T,10-2)

定子串电抗起动电路(图10T,S10-2)

定子串电阻或电抗起动的方法特点为：

起动平稳、运行可靠、方法简单

降压后，起动转矩Tst与电压的平方成正比例地

降低

起动电流Lt与电压成正比例地降低

(2)用自耦变压器起动

自耦变压器(图10-3)

定子串自耦变压器起动电路(图10-4)

由变压器原理知:

Ux/U1=N2/Ni

设起动时：

电压电流」

U11st

Uxlx

根据(ffllO-3)则有:

Ix/Ist=(Ux/Ui=)-/♦(式10-4)

而利用变压器原理可以得到：

Ii/L=(Ux/Ui=)N2/N1(式10-5)

由(式10-4)(式10-5)可以得到:

2

Ii/Lt=(N2/NJ2或L-Ist(N2/N.)

这样，利用自耦变压器后异步电动机起动时有关

参数的比较如下

利用自耦变|利用自耦变压

压器前器后

定子起动电

(N2/NJUi

压

定子起动电

1st(2/Ni)Ist

流

从电网吸收

1st(N2/N。21st

起动转矩Tst(M/NMTst

采用自耦变压器起动时起动电流1st与起动转矩

Tst以同样规律变化

自耦变压器若采用不同抽头（40%,68%和80%）便

可满足不同的起动要求

（3）定子绕组星-三角形接法切换起动

定子绕组星-三角形接法切换起动电路（图10-5）

定子绕组星-三角形切换起动方法适用于

运行时接成三角形，且每相绕组有两个引出端的

三相异步电动机

笼型异步电动机分别为星形和三角形接法时起动

时有关参数的比较如下：

星形接法三角形接法

定子线电压U1Ui

定子相电压57.7%UiU.

定子相电流57.7%IstIM

从电网吸收线

57.7%Lt173%Lt

电流

起动转矩丁武

33.3%Tst

采用定子绕组星-三角形切换起动方法起动时，起动

电流1st与起动转矩Tst

均降为（三角形接法）全压起动时的1/3

第二节改善超劫俊能的三杓监步电动

机皿I

一.深揩异步也动机

深槽异步电动机槽内导条电流分布（图10T2）

深槽异步电动机的槽型窄而深，

处于槽底等效线匝的漏电抗大于处于槽口等效线匝的

漏电抗。

起动时，由于异步电动机转子电路频率较高，

电流大部分集中在槽口部分的导体（集肤效应），转

子的等效电阻大。

起动结束以后，异步电动机转子电路频率较低（1-3

Hz）,

集肤效应消失，转子导条电阻变为较小的直流电阻。

二.双笼型异步电动机

双笼型异步电动机电机结构（图10T3）

工作原理与深槽异步电动机基本一致

双笼型异步电动机机械特性（图10T4）

第三革导步电动机的直板翎速曲

(一)变极调速的原理

(1)电动机转速使如何改变的？

改变定子的极对数便可改变异步电动机的同

步转速

n0=60fi/p

从而改变电动机的转速

(2)适用电动机

变极调速一般只适用于鼠笼式电动机调速

(3)如何改变异步电动机的极对数

(a)改变定子绕组联结方法可以改变定子极

对数

如何改变定子极对数(图11-D

(b)常用的两种三相绕组改变联结方法

改变定子极对数的联结方法(图“-2)

(4)改变异步电动机的极对数是有级调速

(二)变极调速的机械特性

(1)异步电动机的容许输出功率为：

P2-r|Pi二3r|UxIicos(pi

(2)假定不同极对数情况下电动机的效率和

功率因数保持不变，则有：

P2正比于UxL

(3)如果忽略定子损耗，电动机的电磁功率

Pem等于输入功率Pi,则电动机转矩为：

T=9550Pem/n0

正比于Uxli/no正比于pUxL

(4)如果在变极过程中施于异步电动机的线

电压保持不变，

电动机绕组流过额定电流，则由Y联结改为

YY连接时的转矩比为：

TY/TYY=UxIN(2p)/UX(2IN)P=1

此调速方法近似为恒转矩，其机械特性如下

图:

由Y联结改为YY连接时的机械特性（图11-3a）

（5）同样，如果在变极过程中施于异步电动

机的线电压保持不变，

电动机绕组流过额定电流，则由D联结该为

YY连接时的功率比为：

PD/PYY=UXIN/0.577Ux（2IN）=0.866

使用此调速方法时，容许输出为近似恒功率,

其机械特性如下图：

由D联结该为YY连接时的机械特性（图ll-3b）

第㈤节三构监步电动机的受频辆

速

（一）变频调速的原理

（1）电动机转速使如何改变的？

改变供电频率便可改变异步电动机的同步转

速

n0=60fi/p

从而改变电动机的转速

(2)变频调速的特点

变频调速可以适用于各种交流电动机调速，

有较大的调速范围、

很好的调速平滑性与足够硬度的机械特性

(3)变频调速应注意的问题

变频调速时，希望调速过程中磁通中保持

不变。为什么？

①〉①N将引起磁路过分饱和

①N将使电动机容许输出转

矩T下降

(4)如何使磁通①保持不变？

由电动势方程：

Ux=Ex=4.44fiNikwi①

因此，在频率变化时若使Ex/f;为定值即可,

近似的L/fi为定值也可

(5)如何在变频调速时使电动机的过载能力保持

不变？

由异步电动机的最大转矩公式：

丁机1?72

T二土--------------*——

w。。2[±尺+静：+(乂+工丫

可引出最大转矩公式的近似表达式：

T«±--------

/—2Q(M+X；)

考虑到

。0二2兀fi/p

X1+X2'=27cfi(Li+L2')

则可以得到：

2

Tm-C(Ejfj或者当电压比较大时有

L二C(U/fJ2

(二)变频调速的机械特性

若保持(Ux/fl)二恒值，可以得到异步电动

机变频时的机械特性

异步电动机采用变频调速的机械特性(图H-4)

当电压值较高时各根机械特性基本平行的解

释：

因为：

n()二60f/p

,

sm=r2/(xi+X2')=/27if(Li+L2)

所以：

An=noSm

二60f/2Kfp(Li+

L2')

二60「2'/2Kp(Li+L2)

与频率无关，即Ani=An2,电压值较高时

各根机械特性基本平行

第总节三构身步力动机的毙荏转差翎

速12^

一.转子6路串电阻调速

电路原理图（图11-5）

机械特性（图11-6）

二.改变火子电压调速

机械特性.转子电阻较小.带风机类负载时（图11-7）

机械特性.转子电阻较大.带恒转矩负载时（图口-8）

闭环系统示意图（图11-9）

闭环机械特性（图UTO）

三.串极调速

（一）串极调速的一般原理

(1)为何被称为串极调速

串极调速适用于绕线转子异步电动机

与其他电动机或电子设备串级联接以实现平滑调

速

在异步电动机转子电路内引入与电动机转子频率

相同的感应电动势Er

以调节异步电动机的转速

(2)引入感应电动势Ef与E2s同相

未引入Ef时，转子电流为：

j_E2s

2

引入Ef后，转子电流变为：

j=底+/

2―啊+//

因此转子电流L增加

异步电动机转矩T增加

使电动机转速增加，转差率下降

从而使下降

E2S+Ef

一直加速到新的稳定点，调速过程结束。

(3)引入感应电动势Ef与E2s反相

引入Ef后，转子电流变为：

I_/—吗

2啊

因此转子电流L下降

异步电动机转矩T下降

使电动机转速下降，转差率增加

从而使增加

E2S+Ef

一直减速到新的稳定点，调速过程结束。

(二)串极调速的机械特性

机械特性（图沸-20）

（三）晶闸管串极调速的基本原理

原理线路图（图11-21）

第12章异步电机的分析方法

内容提要

工作原理/等效电路/功率平衡

转矩平衡/机械特性/工作特性

12-1异步电动机的工作原理

异步电机最主要的运行方式是电动机运行。

一、异步电动机是如何转动起来的？

异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；（示意图，模型图）

三相对称交流绕组通过三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；（动画1,

动画2）

转子绕组的导体处于旋转磁场中（照片，鼠笼转子照片，示意图）切割磁力线，并产生感

应电势。

转子导体通过端环自成闭路，从而产生感应电流。（鼠笼转子照片）

感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力。

电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。（动画）

根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。

二、转差，转差率（为什么叫异步电动机？）

切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。

转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁力线。

旋转磁场的转速用nl表示，称为同步转速；转子的实际转速用n表示，转差△n=nl-n。

转差率:s=（nl-n）/nl

转差率是异步电动机的一个基本变量，在分析异步电动机运行时有着重要的地位。

起动瞬间，n=O,s=l

理想空载时：n=nl,s=O

电动运行时,s在0-1之间。

转差率一般很小，如s=0.03。

制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即nl与n反向，s>l

发电运行时，n高于同步转速nl,s〈0.

根据转差率可以区分异步电动机运行状态：（看图1200-1）

三、电势平衡方程式

1、定子绕组电势平衡方程式

定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压降）包括：

主电势（感应电势）：

定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组

切割，并在其中产生感应电势。有效值：El=4.44flNlOlkwl

漏磁电势（漏抗压降）

定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。

漏抗压将：Elo=-jHXlo

电阻压降：R1H

方程式：Ul=-El+(Rl+jXl0)I1=-E1