第4章 异步电机

1、大连理工大学电气工程系,第 4 章 异步电机,4.1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,4.2 三相交流电机的绕组,4.3 三相交流绕组的磁动势,4.4 三相交流绕组的电动势,4.5 三相异步电动机的等效电路,4.6 三相异步电动机的功率和转矩,4.7 三相异步电动机的工作特性和参数测定,4.8 单相异步电动机,*4.9 三相异步发电机,第 4 章 异步电机,4.1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,4.2 三相交流电机的绕组,4.3 三相交流绕组的磁动势,4.4 三相交流绕组的电动势,4.5 三相异步电动机的等效电路,4.6 三相异步电动机的功率和转矩,4.7 三相异步电动机的工作特性和

2、参数测定,4.8 单相异步电动机,*4.9 三相异步发电机,大连理工大学电气工程系,4.1 三相异步电机的基本结构与工作原理,4.1.1 基本结构 1. 定子 定子铁心、定子绕组、 机座和端盖等。,定子铁心的硅钢片,大连理工大学电气工程系, 定子铁心,大连理工大学电气工程系, 定子绕组,对称三相绕组。,大连理工大学电气工程系, 定子,大连理工大学电气工程系, 定子接线盒,星形(Y)联结,三角形()联结,大连理工大学电气工程系,转子铁心、转子绕组、转轴、风扇等。,转子铁心冲片,2. 转子：,大连理工大学电气工程系, 笼型异步电动机的转子,第 4 章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,

3、绕线式异步电动机的转子, 转子绕组 绕线式：对称三相绕组。 笼式：对称多相绕组。,大连理工大学电气工程系, 三相笼型异步电动机的部件图,三相异步电动机的部件图,大连理工大学电气工程系, 三相绕线型异步电动机的结构,绕线异步电动机示意图,大连理工大学电气工程系, 三相笼型异步电动机的结构,大连理工大学电气工程系,大连理工大学电气工程系,4.1.2 额定值,三相异步电动机 型 号 Y132S6功 率 3 kW 频 率 50Hz 电 压 380 V 电 流 7.2 A 联 结 Y 转 速 960r/min 功率因数 0.76 绝缘等级 B,2p = 6,轴上输出额定机械功率,线电压,线电流,大连理工

4、大学电气工程系,大连理工大学电气工程系,V2 V1,4.1.3 三相异步电动机的工作原理,一、旋转磁场 1. 旋转磁场的产生 三相 (多相) 电流 三相 (多相) 绕组 旋转磁场。 三相绕组：,W2 W1,U1 U2,大连理工大学电气工程系,横截面,大连理工大学电气工程系,U V W,i1 = Imsint i2 = Imsin(t120O) i3 = Imsin(t +120O),i1 i2 i3,t = 0O 时 i1 = 0，i2 0， i3 0,N S,大连理工大学电气工程系,t = 0时 i1 = 0，i2 0， i30,N S,N S,t = 120o 时 i10，i2 = 0，i

5、3 0,大连理工大学电气工程系,N S,N S,t = 240o 时 i1 0，i20，i3 = 0,t = 360o 时 i1= 0，i2 0，i30,大连理工大学电气工程系,i 变化一周,旋转磁场转一圈,i 每秒钟变化 50 周,旋转磁场转 50 圈,旋转磁场转 3000 圈,i 每分钟变化 (5060) 周,n1 = 3000 = 60 f1 (r / min),2. 旋转磁场的转速 n1, 同步转速,每相绕组由一个线圈组成,每相绕组由两个线圈串联组成,大连理工大学电气工程系,t = 0o 时 i1 = 0，i2 0， i3 0,N,S,N,S, 磁极对数 p p = 2 电流变化一周

6、旋转磁场转半圈 n1 = 1500, 当磁极对数 p = 3 时 n1 = 1000,大连理工大学电气工程系,f = 50 Hz 时： 1 2 3 4 5 6 3000 1500 1000 750 600 500,3. 旋转磁场的转向 ( n1 的转向) U (i1) V(i2) W(i3) 怎样改变 n1的方向 ? V(i1) U(i2) W(i3),大连理工大学电气工程系,二、 工作原理,对称三相绕组 通入对称三相电流,旋转磁场 (磁场能量),磁场线切割 转子绕组,转子绕组中 产生 e 和 i,转子绕组在磁场中 受到电磁力的作用,转子旋转起来,机械负载 旋转起来,三相交流电能,感应,电磁

7、转矩,输出机械能量,大连理工大学电气工程系,1. 电磁转矩的产生,n,大连理工大学电气工程系,2. 转子旋转的方向,与旋转磁场的转向相同。,正转,反转,怎样改变转子的转向?,n,n,大连理工大学电气工程系,起动时：n = 0, n = n1,转差率 :, 起动时:, 额定运行时:,3. 转子转速 n, 转子电磁感应最强,nn,转子电磁感应消失,转子电磁感应减弱,nn = n1,电磁转矩 T = 0,n n1, n,n = 0，s = 1,sN = 0.01 0.09, 理想空载时:,n = n1，s = 0, 正常运行时:,0nn1， 1s0,异步！,大连理工大学电气工程系, 起动时： n =

8、 0，n = n0 ，I2 = I2max ，f2 = f1 。 起动过程中: nnI2 (I1) f2。 稳定运行时： n = n1n 很小 f2 = s f1 很低。 5. 电磁转矩 Te的大小 T ，I2cos2,4. 转子电路电量的变化,T = CTm I2cos2,大连理工大学电气工程系,6. 三相异步电机的四象限运行,正向电动机状态： n 与T 同方向 0nn0 1s0,发电机状态： n 与T 反方向 nn0 s0,制动状态： n 与T 反方向 n0 s1,反向电动机状态,n0 s1,n = 0 s = 1,0nn1 1s0,n = n1 s = 0,nn1 s0,大连理工大学电气

9、工程系,V2 V1,4.2 三相交流电机的绕组,三相绕组,W2 W1,U1 U2,大连理工大学电气工程系,1. 基本概念 (1) 机械角度和电角度,转子转一圈，U 相绕组中 的感应电动势变化一周。,转子转一圈，U 相绕组中 的感应电动势变化两周。,电角度= 机械角度极对数,大连理工大学电气工程系,三相电机: m = 3 (3) 极对数 p (4) 槽数 Q (5) 槽距角：,(6) 极距：,相邻两个槽中心线之间的距离。,相邻两磁极中心线间的距离。,用尺寸表示：,槽数表示：,用电角度表示：,=,(2) 相数 m,大连理工大学电气工程系,线圈两线圈边的距离。 其表示方法与极距的表示 方法一样也有三

10、种。 (8) 每极每相槽数 q,(7) 线圈节距 y1,(9)槽电动势星形图和相带 *每个极距内属于每相的槽所占的区域称相带 *将槽内导体电动势以相量表示，把所有槽导体电动势相量都画出来，构成一个辐射星形图，称槽电动势星形图。,大连理工大学电气工程系,(9) 槽电动势星形图与相带 （60相带）,U1,U2,W2,W1,V1,V2,Q36，2p4 m=3 q=3 =20,大连理工大学电气工程系,2. 交流绕组的种类 (1) 按相数分类: 单相绕组、三相绕组、两相绕组。,整距绕组: y1= 短距绕组: y1 长距绕组: y1 ,(2) 按线圈节距分类,大连理工大学电气工程系,(3) 按每极每相槽数

11、分类 集中绕组：q = 1 分布绕组： q1 整数槽绕组： q为整数 分数槽绕组： q为分数,(4) 按每个槽内线圈的层数分类 单层绕组 双层绕组,大连理工大学电气工程系,双层绕组:,双层集中绕组 外层(上层): U1、U3 内层(下层): U2、U4,双层分布绕组 外层(上层): U1、U3 内层(下层): U2、U4,(5) 按线圈之间的联结方式分类: 叠绕组、波绕组、同心绕组等。,大连理工大学电气工程系,例如：Q = 12，p = 1，m = 3，y =。 每极每相槽数：,3. 三相单层绕组,槽距角：,线圈节距：,首端 尾端,三相单层绕组为整距绕组,大连理工大学电气工程系,U1,U2,W

12、2,W1,大连理工大学电气工程系,V1,V2,三相单层绕组,大连理工大学电气工程系,例如：Q = 12，p = 1，m = 3，y = 5。 由计算得： q = 2，= 30，y 。,4. 三相双层绕组,1,串联,U1 U2, 注：实线为上层线圈边，虚线为下层线圈边。,大连理工大学电气工程系,大连理工大学电气工程系,三相双层绕组,大连理工大学电气工程系,绕组磁动势实际上是绕组的气隙磁动势 1. 单相绕组的磁动势,x = 0,4.3 三相交流绕组的磁动势,1）整距线圈的磁动势,大连理工大学电气工程系,整距线圈磁动势波形的分解,由于对称关系，只存在基波和3，5，7次谐波,大连理工大学电气工程系,结

13、 论 基波磁动势的幅值是矩形波磁动势的4/倍； 谐波磁动势幅值为基波幅值的1/倍； 基波磁动势波长与原矩形波长一样，磁极对数亦相同； 谐波的波长为基波的1/，极对数为极波的倍。,基波幅值,基波,大连理工大学电气工程系,2）整距分布绕组的基波磁动势合成,线圈组磁动势幅值,分布因数,大连理工大学电气工程系,3）双层短距分布绕组的基波磁动势,双层短距等价为两个整距绕组的磁动势合成,两整距绕组在空间错开角度,分布因数,线圈组磁动势幅值,大连理工大学电气工程系,4） 单相绕组的磁动势基波,相绕组的磁动势=每对极下该相绕组的合成磁动势,绕组基波磁动势的幅值（统一公式）,绕组因数,基波磁动势,大连理工大学电

14、气工程系,单相绕组的脉振磁动势 脉振磁磁动势：轴线不变，大小和方向随时间交变,大连理工大学电气工程系,三相基波磁动势的表达式为,2. 三相基波磁动势的合成,大连理工大学电气工程系,三相基波磁动势的分解,单相脉振磁动势可以分解为两个转速相等、转向相反的旋转磁动势，每一个旋转磁动势的幅值为原脉振磁动势幅值的一半。,大连理工大学电气工程系,三相绕组基波磁动势的合成,三相绕组基波磁动势幅值,大连理工大学电气工程系,旋转磁动势波,大连理工大学电气工程系,旋转磁动势波,大连理工大学电气工程系,结论,(1) 极数：基波旋转磁动势的极数与绕组的极数相同。 (2) 幅值：基波合成磁势的幅值保持恒定，为每相基波磁

15、动势幅值的3/2倍。 (3) 转速：基波旋转磁动势的转速就是磁场的同步转速。,波幅的旋转角速度,磁动势旋转速度,大连理工大学电气工程系,结论,(4) 波幅位置： 当某相电流达到最大值时，合成磁动势波幅就恰好移至该相绕组的轴线上。 (5) 旋转方向：磁动势波的旋转方向是顺着x增加的方向。因此，三相合成基波磁动势的旋转方向决定于三相电流的相序，总是由超前电流相转向滞后电流相。 (6) 单相脉振磁动势的分解：可以分解为两个转速相等、转向相反的旋转磁动势，每一个旋转磁动势的幅值为原脉振磁动势幅值的一半。,大连理工大学电气工程系,3、高次谐波磁动势,磁极的磁场 = 基波磁场 + 奇次谐波磁场 v 次谐波

16、的极对数：,pv = v p,v 次谐波磁动势幅值：,v 次谐波的绕组系数：,kwv = kyv kqv,基波极对数 p,v 次谐波的短距因数：,v 次谐波的分布因数：,大连理工大学电气工程系,(1) 在同步电机中，谐波磁动势所产生的磁场 在转子表面产生涡流损耗，使电机发热， 。 (2) 在异步电机中，谐波磁场产生寄生转矩， 影响其起动性能；损耗，cos，温升，。 y = ( 0.8 0.83 ) 改善气隙磁场分布；采用短距绕组和分布绕组。, 谐波磁动势的影响：,大连理工大学电气工程系,4、三相定子绕组建立的磁场,主磁场气隙磁密,大连理工大学电气工程系,4.4 三相交流绕组的电动势,1. 整距

17、线圈的电动势,旋转磁场在整距线圈中产生的磁通,线圈(串联匝数为Ny)的感应电动势,有效值,大连理工大学电气工程系,2. 短距的影响 1）整距线圈的电动势,2） 短距线圈的电动势,= 2Ec ky1,大连理工大学电气工程系,Ey = 4.44 f ky1 Nym,短距因数：,3. 分布绕组（线圈组）的感应电动势 集中绕组： Eq = q 个线圈电动势的算术和,= q Ey, 分布绕组： Eq = q 个线圈电动势的相量和, q Ey,大连理工大学电气工程系,已知：相邻两个线圈电动 势的相位差为。 如：q = 3， 则：,= q Ey kq1,大连理工大学电气工程系,分布因数：,Eq = 4.44

18、 f 1 ky1 kq1 q Nym,绕组因数 kw ： kw1 = ky1 kq1 Eq = 4.44 f1 kw q Nym 4. 每相绕组的电动势,E = 4.44 f kw Nm,大连理工大学电气工程系,4.5 三相异步电动机的等效电路,异步电动机与变压器电磁作用过程相同，可采用变压器的分析方法进行分析,变压器 与异步电动机电磁作用过程对比 变压器异步电动机 一次绕组、二次绕组定子、转子 一次通电、二次感应定子通电、转子感应 合成磁动势合成旋转磁动势 交变主磁通通过绕组的磁通交变,大连理工大学电气工程系,= s f1, 转子电路的频率：,E2s = 4.44 s f1 kw2N2m,一

19、、转子电路的电动势和磁动势,= sE2, 电压方程,式中：E2 = 4.44 f1 kw2N2m 转子静止时的电动势。,大连理工大学电气工程系,X2s = 2f2 L2,式中： X2 = 2f1 L2 转子静止时的漏电抗。 转子每相电流：,= 2s f1 L2 X2s = s X2,大连理工大学电气工程系,2. 转子旋转磁动势 幅值：,转向：与转子电流的相序一致，即与 定子旋转磁通势的旋转方向一致。,转速 (1) 转子旋转磁动势相对于转子的转速：,= s n1,(2) 转子旋转磁通势相对于定子的转速： n2 + n,= s n1 + (1s) n1,= n1,大连理工大学电气工程系, 结论 (

20、1) 转子旋转磁动势与定子旋转磁动势在空间是沿同一方向以同一速度旋转的； (2) 二者组成了统一的合成旋转磁通势， 共同产生旋转磁场。,大连理工大学电气工程系,3. 磁动势平衡方程,(1) 理想空载时： I2s = 0， I1 = I0 旋转磁动势的幅值为：,(2) 负载时：,大连理工大学电气工程系,二、定、转子电路的电压方程 1. 定子, 定子绕组感应电动势的频率：, 与交流电源同频率。,2. 转子, 转子每相电流：,大连理工大学电气工程系,R1 jX1,jX2 R2,f1,f2,m1、 kw1N1 m2、 kw2N2, 频率折算,等效电路,大连理工大学电气工程系, 频率归算的物理含义：,用

21、一个静止的、电阻为 R2 /s 的等效转子去代 替电阻为 R2 的实际旋转的转子，等效转子与实 际转子具有同样的转子磁通势 F2 。,n0,n0,取决于电流的相位。,i2s 与 i2 的相位相同。, 频率归算后，定子的所有物理量不变， 定子传送到转子的功率也不变。,大连理工大学电气工程系,转子所产生的机械功率相对应的等效电阻,总机械功率：,f1,m1、 kw1N1 m2、 kw2N2,jX2 R2,大连理工大学电气工程系,三、 绕组折算,用一个相数和有效匝数与定子绕组相同的转 子绕组去等效代替实际的转子绕组。 等效代替：保证电磁效应和所有物理量保持 不变。 (1) 电动势的折算： 折算前：,E

22、2 = 4.44 f1 kw2N2m,折算后：,E2 = E1 = 4.44 f1 kw1N1m,定、转子的电动势之比：,大连理工大学电气工程系,(2) 电流的折算：,折算前：,折算后：,= F2,E2 = E1 = ke E2,电流比：,第 4 章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,(3) 阻抗的折算：,折算前：,折算后：,阻抗比：,= ke ki,Z2 = kZ Z2,R2 = kZ R2 X2 = kZ X2,第 4 章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,异步电机的基本方程式,第 4 章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,四、异步电机的等效电路,大连理工大学

23、电气工程系,相量图,第 4 章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,1. 极数 转子极数 = 定子极数 因为：转子中的电动势和电流是感应出来的。,六、笼型绕组的相数和极数,S N,S N N S,p1 = p2 = p, 如果两者不相等， 则转子转不起来。,大连理工大学电气工程系,2. 相数,笼型转子是对称多相绕组。 (1) 转子槽数能被极对数整除时：,每对极下的每一根导条就构成一相； 各对极下占相同位置的导条可看作是属于一相的并联导条，即每相有 p 根导条并联。 m2 = 6,(2) 转子槽数不能被极对数整除时： m2 = Q2 即每一根导条就构成一相。,3. 匝数,（一根导条相当于

24、半匝）,kW21,大连理工大学电气工程系,4.6 三相异步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,一、三相异步电动机的功率 1. 输入功率P1 P1 = 3 U1I1cos1,2. 定子铜损耗 PCu1 PCu1 = m1R1I12 = 3R1I12 3. 铁损耗 PFe（转子铁损耗忽略不计） PFe = m1RmIm2 = 3RmIm2,大连理工大学电气工程系,4. 电磁功率Pe,Pe = P1PCu1PFe Pe = m2 E2 I2cos2 = m1 E2 I2 cos2,5. 转子铜损耗 PCu2 PCu2 = m2 R2 I22 = m1 R2 I2 2 = s Pe,第 3 章

25、 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,8. 输出功率 P2 P2 = PmP0 = PePCu2P0 = P1PCu1PFePCu2P0,6. 总机械功率 Pm,Pm = PePCu2,= (1s ) Pe,7. 空载损耗 P0 P0 = Pfw + Pad,P1,Pe,P2,Pm,机械损耗,附加损耗,第 3 章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,二、三相异步电动机的转矩,Pm = P2+ P0,Te = T2 + T0, ,1. 电磁转矩 T,2. 空载转矩 T0,3. 输出转矩 T2,第 3 章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,三、电磁转矩的物理表达式 由电磁

26、功率导出,大连理工大学电气工程系,电磁转矩的物理表达式,异步电动机的电磁转矩与每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比。,CT 异步电动机的转矩常数,大连理工大学电气工程系,根据简化等效电路,四、三相异步电动机的转矩转差率曲线,1、转矩转差率特性,大连理工大学电气工程系,转矩转差率特性曲线,Te,大连理工大学电气工程系,2. 最大转矩和临界转差率,最大转矩Tm的大小与转子电阻值无关，临界转差率sm则与转子电阻成正比。,大连理工大学电气工程系,返回,1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0,300 250 200 150 100 50 0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,转子电阻

27、增大时，临界转差率增大，但最大转矩保持不变，此时e曲线的最大值将向左平移,Te,大连理工大学电气工程系,3. 起动转矩,起动转矩随转子电阻值的增加而增加，直到达到最大转矩为止。,大连理工大学电气工程系,4.7 三相异步电动机的工作特性与参数测定,当 U1= U1N， f1 = f1N 时， n = f (P2) I1 = f (P2) Te= f (P2) cos1 = f (P2) = f (P2), P2, n, I1(I2), Te, 在额定功率附近， cos1 和 最高。,工作特性,大连理工大学电气工程系,一、空载试验,空载特性曲线,1. 试验目的: 确定电动机的励磁参数、铁耗和机械损

28、耗。,大连理工大学电气工程系,2. 损耗分离法,PFeU12,PfwConst,PFe,Pfw,大连理工大学电气工程系,3. 空载参数计算,励磁电阻,空载电抗,励磁电抗,大连理工大学电气工程系,短路特性,二、堵转试验,1.试验目的：确定异步电动机的漏阻抗。,等效电路,大连理工大学电气工程系,2. 参数计算,大连理工大学电气工程系,例1 已知一台三相四极的笼型异步电动机，额定功率 PNl0kW，额定电压UN380V(三角形联结)，定子每相电阻R1=1.33,漏抗X12.43，转子电阻的归算值R2=1.12，漏抗归算值X2=4.4，激磁阻抗Rm712，Xm900，电动机的机械损耗 pfw=100W，额定负载时的杂散损耗 pad=100W。试求额定负载时电动机的转速，电磁转矩，输出转矩，定子和转子相电流，定子功率因数和电动机的效率。,大连理工大学电气工程系,大连理工大学电气工程系,定子功率因数为： （2）转子电流和励磁电流,大连理工大学电气工程系,（3）定，转子损耗,（4）输出功率和