电机学之异步电机

1、电机学 Electric Machinery,西安交通大学电气工程学院 苏少平,2011.8,（异步电机基本理论）,就数量而言，异步电机是产量最大、应用领域最广泛的机种。 异步电机结构简单、成本低、操作方便、坚固耐用，是电动机家族中最为实用的类型。 近年来，随着风电等可再生能源的大力发展，异步电机作为发电机运行又有了用武之地。 电力电子技术的发展更使得异步电机脱掉了“调速性能不好”的帽子，应用将更加广泛。 本章主要介绍：异步电机的工作原理、结构、方程式、相量图、等效电路、电磁转矩、工作特性等基本理论知识。,概 述,13-1 异步电机的工作原理及运行状态,一、异步电动机的工作原理,模型图：定子有

2、三相对称交流绕组，转子有对称多相短路绕组。 定子绕组接三相对称交流电时产生圆形旋转磁场。 转子导体切割旋转磁场，能感应出电势和电流。 载流的转子绕组在磁场受到电磁力的作用，产生电磁转矩拖动转子旋转。异步电机又称感应电机。,二、异步电机的转差率,异步电机转子转速 n 与定子旋转磁场转速 n1 之间存在着转速差 Dn = n1 n , Dn与n1的比值称为转差率 s 。 转子不动时 s = 1; 理想空载时 s = 0; 电动运行时 0 s 1 。,三、异步电机的三种运行状态,电动机运行状态：定子旋转磁场(等效为旋转磁极)“拖动”转子旋转，转子转速n低于旋转磁场的转速n1 。,判断电磁转矩的方向,

3、制动运行状态：定子旋转磁场与转子转向相反，即 n 0，电磁转矩与转子转向相反，起阻碍作用。,发电运行状态：原动机拖动转子致其转速 n 高于定子磁场的转速 n1, 电磁转矩与转子转向相反，起阻碍作用。,132 异步电动机的基本结构,一、异步电机的大致结构,定子与同步电机定子结构类似：圆筒形叠片结构，内圆有槽，槽内嵌放三相对称交流绕组，用来产生旋转磁场。 转子是圆柱体叠片结构，表面有槽，槽内嵌放短路的多相绕组，产生电流和电磁转矩。 还有一些结构部件：机座、端盖、风扇、轴、轴承等。 定转子之间的气隙很小，但对电机的性能影响很大。,二、异步电机的按结构分类,鼠笼式异步电动机：结构简单，坚固，成本低，运

4、行性能不如绕线式。 绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。,三、异步电动机铭牌数据,型号举例：Y 132 S4 ， 中心高为132mm；短机座；4极。,额定电压:UN 额定电流:IN 额定功率:PN 额定转速: nN 额定频率: fN 额定效率: hN 额定功率因数: cosjN,例13-1 一台异步电动机，铭牌丢失，已知其容量为11kW，额定电压为380V，测得负载时转速为1460r/min， 试： (1)判断其极数；(2)求转差率；(3)估算工作电流,解： (1) 从转速判断，同步转速为1500r/min,其极数为：,(2)转差率：,(3)工作电流估算:(cosj=0.

5、8 ,h=0.9),133 异步电动机磁势平衡,一、异步电动机运行时的电磁过程,定子磁场：交流电产生的电气旋转磁场，设转向顺时针。,转速为,转子磁场：转子中交流电的频率为,转速为,转子本身转速为,转子磁场的绝对转速为,结论：异步电机定转子产生的电气旋转磁场同步。,电机中的实际旋转磁场(合成磁场)为定转子磁场的矢量和。,合成磁场对应的合成磁通量(主磁通F)、合成磁动势(激磁磁势Fm)大小由电源电压U1决定，保持不变。 理想空转时，转子转速与定子磁场同步，不切割磁力线，转子电流为0， Fm全部为空载时的定子磁势F0 。 加载后，转子减速并且切割定子磁场，感应出转子电流I2 并产生转子磁势F2 ，瞬

6、间改变了电机内的合成磁势Fm 。 但Fm在U1不变时最终还要回到原值。结果是定子磁势发生了改变，由空载时的F0 变为F1 ，变化量称为负载分量F1L 。 F1L应该刚好抵消F2 ，以维持合成磁势不变。 F2对应于转子电流I2 ，F1L对应于定子电流的负载分量I1L 。即I1L随着I2的改变而改变。,二、异步电动机的磁势平衡,134 异步电动机电势平衡,一、定子电势平衡方程,二、转子电势平衡方程,例 132 一台 50Hz下运行的4极异步电动机，额定转速nN=1425r/min，转子电路参数R2=0.02W， X2s=0.08W，定转子每相有效匝数比ke=10，当E1=200V时，求： （1）起

7、动时，转子绕组每相的 E2、I2、cosj2 及转子频率 f2; （2）额定转速下转子绕组每相的 E2s、I2、cosj2及转子频率 f2。,解： （1）起动时 s =1,（2）额定运行时,135 异步电动机等效电路和相量图,(1)定转子电路的频率不相同； (2)定转子边的相数、匝数、绕组系数均不相等，与变压器类似，定转子等效电路无法连接在一起。 频率折算和绕组折算是解决以上问题的途径。,一、绘制异步电动机等效电路时遇到的问题,二、频率折算,转子不动时时s =1，f2 = f1 。 用一个不动的转子等效代替一个转差率为s的实际旋转转子，就可以统一频率。,旋转电机,等效不动电机,频率折算的方法：

8、给转子电路增加一个附加电阻。 附加电阻上消耗的电功率等于原来旋转电机的机械功率。,三、绕组折算,遵循磁势不变原则，用一个与定子绕组(m1/N1/kw1)相同的等效绕组来替代实际的转子绕组(m2/N2/kw2),折算前后转子电路电势方程具有相同的形式，磁势平衡转换为电流关系。,四、 T形等效电路,将感应电势用阻抗压降形式表示。 将定转子电路合并起来，合成一个完整的T形等效电路。,变压器相比较，异步机的Zm要小， Z1要大。,五、近似等效电路,六、相量图,13-6 功率平衡和转矩平衡,一、功率流程,二、功率平衡方程,二、转矩平衡方程,动力转矩(即电磁转矩)由机械功率产生,阻力转矩由机械负载(输出功

9、率)和机械损耗产生,13-7 电磁转矩和机械特性,一、电磁转矩,电磁功率中一部分被转子电阻消耗，其余转化为机械功率，产生电磁转矩：,二、机械特性,电磁转矩与转速之间的关系曲线称为机械特性。在异步电动机中，转速用s表示，所以其机械特性即为 T-s 曲线。,异步电机正常稳定运行的区间在M(最大转矩点)-O(理想空载点)之间。,三、最大转矩,(1) 最大转矩与电压平方成正比 (2) 最大转矩近似与漏电抗成反比。 (3) 最大转矩的值与转子电阻无关，但最大转矩对应的转差率可以由转子电阻控制。,的值与转子电阻无关,由转子电阻控制,过载能力,四、起动转矩,将 s=1 代入 T-s 公式就可求得起动转矩。

10、(1)起动转矩与电压平方成正比； (2)漏电抗越小，起动转矩越大。 (3)要增大起动转矩，可以增加转子回路电阻。当串入电阻后，如果sm =1，则起动转矩即为最大转矩。,五、机械特性的估算,机械特性的估算流程,13-8 工作特性,一、工作特性定义,异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量转差率、转矩、电流、效率、功率因数分别随输出功率变化的关系曲线。,二、工作特性,139 参数测定,一、空载试验求,通过堵转试验求得,二、堵转试验测定短路参数,总结复习,异步电动机为什么能够转起来？ 异步电动机的转速为什么小于同步转速？ 异步电机的三种运行状态是什么？对应的转差率范围是什么？ 异步电动机按转子结构如何分类？ 鼠笼式异步电动机的优缺点是什么？ 绕线式异步电动机的优缺点是什么？ 异步电机转子电路的频率如何计算？ 异步电动机转子绕组产生的旋转磁场相对于转子的转速如何计算？相对于定子的转子又如何计算？ 转子电路与定子电路没有电联系，为什么转子电流增大时定子电流也增大？ 怎样把转子频率折算到定子频率？ 异步电机的绕组折算与变压器的绕组折算有什么不同？ 什么是附加电阻，其物理意义是什么？,电源电压改变时，异步电机T型等效电路中哪些参数是变化，哪些参数是不变的？ 异步电动机的功率流程是怎样的？ 转子