1、1. 理解转子静止和旋转时的电磁关系和物理过程2. 掌握转子绕组归算（折算) 的目的、原理和方法3. 掌握转子磁动势的相对转速，理解转子旋转时异步电动机定、转子磁动势保持相对静止的原因；4.掌握归算后的基本方程式、相量图和等效电路5.掌握空载试验和短路试验的原理、方法和参数计算6.了解笼型异步电动机转子的极数、相数和匝数,本节基本要求,三相异步电动机的运行原理,概述 转子静止时的异步电动机 转子旋转时的异步电动机 笼型转子的极数、相数和匝数 异步电动机的参数测定,主要内容,三相异步电动机的运行原理,定性分析 定量计算,简介：分析异步电动机运行中的电磁过程，研究各电磁量之间的相互关系，得出异步电
2、动机的等效电路，建立定量分析异步电动机的理论基础。,1 概述,三相异步电动机的运行原理,异步电机与同步电机的主要联系 相同点：借助于电磁感应作用传递能量 不同点： 同步电机的转子磁场是由通入的直流产生的；异步电机的转子磁场是由转子感应电流产生的。 在对称稳态时，同步电机气隙磁场只在定子中感应电动势，为单边感应（直流电机与其类似）；异步电机气隙磁场在定、转子两边都感应电动势，为双边感应（变压器与其类似）,研究对象：首先分析三相对称且稳态运行的绕线转子异步电动机，任取一相或一个量进行分析。仅考虑基波的作用，不考虑高次谐波的影响，最后对笼型电动机的一些特殊问题进行分析。 规定正方向： 定、转子各相电
3、气物理量的规定正方向和变压器相同 磁动势、磁通的规定正方向为由定子到转子的方向； 定、转子A和a相绕组的轴线分别为 A和 a。规定 A为计算空间角度的起点，假设在转子静止状态下 a在 A前 电角度。,1 概述,三相异步电动机的运行原理,规定正方向,1 概述,三相异步电动机的运行原理,图16-1 异步电机的规定正方向,研究目的便于和已经熟悉的变压器进行对比，且具有实际意义，因为移相器、感应调压器就是不转的异步电动机。 研究对象两种转子静止的情况：转子绕组开路和转子堵转,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,一、转子绕组开路,转
4、子电流为零，相当于调压器副边开路。 电磁过程三相 三相主要关系,磁动势F0 主磁通 ：由电动机的磁化特性确定 磁动势 电流 电动势 、 主磁通 电动势 电流,(一)磁动势 电流 幅值： 相位：,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,一、转子绕组开路,图16-2 磁动势 与电流的相位关系,(二)电动势 、 主磁通,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,一、转子绕组开路,频率： 大小：1）定子电动势,三相 三相,当磁密波最大值处在定子或转子坐标轴+A或+a时，定子或转子磁链A相的磁链就会达到最大,(二)电动势 、 主磁通,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的
5、运行原理,一、转子绕组开路,大小：2）转子电动势气隙磁密 转过（90 ）空间电角度时，转子a相绕组磁链最大，当 时，应落后于时轴（ 90 ）电角度，而落后于计时起点 。,(二)电动势 、 主磁通,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,一、转子绕组开路,大小：3）电动势比（有效匝比）： 相位1）定子电动势：,定子电动势落后于定子磁链90,图16-3 定子绕组A相磁链和电动势相位,(二)电动势 、 主磁通,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,一、转子绕组开路,相位2）转子电动势：,转子电动势的大小是定子电动势的1/ke倍，其相位决定于转子的位置，根据这一原理，可制
6、成移相器,图16-4 定、转子绕组A(a)相磁链和电动势相位,(三)电动势 电流,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,一、转子绕组开路,原理和思路：F0I0，E1 ，但磁动势F0与主磁通 却是非线性关系，不易用解析式表示。为了跳过非线性的磁场问题，把磁场的问题转化成电路的问题，和变压器一样，引入一个激磁参数Zm，直接把I0与E1联系起来，这个参数称为激磁阻抗。,(三)电动势 电流,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,一、转子绕组开路,表达式：,激磁参数物理意义：Zmrmjxm激磁阻抗； rm激磁电阻或铁耗等效电阻xm激磁电抗。,讨论：1） xm是对应于气隙主
7、磁通的电抗，与气隙大小、电源频率、绕组匝数、主磁路铁心材料、尺寸以及磁路饱和程度有关。气隙大，磁导小，激磁电流大，故气隙越小越好。 2）尽管激磁阻抗的物理意义与变压器的相似，但在数值大小上和变压器的相差较大，尤其是激磁电抗。变压器的主磁通几乎不经过气隙，主磁路的磁导大，激磁电抗大，相应的激磁电流就小，其标么值为0.010.1；而异步电动机的主磁通两次经过气隙，主磁路的磁导小，激磁电抗小，相应的激磁电流就大，其标么值为0.20.5。,(四)方程式、相量图和等效电路,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,一、转子绕组开路,方程式：,相量图：,图16-5异步电动机转子绕组开路时的相量
8、,(四)方程式、相量图和等效电路,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,一、转子绕组开路,等效电路,图16-6 异步电动机转子绕组开路时的等效电路,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,转子被外力固定不动，相当于调压器副边短路，称为异步电动机的堵转。,定、转子基波磁动势同转向、同转速旋转，两者相对静止,(一)磁动势分析,定子三相,转子三相,磁动势平衡：,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,与 空间电角度为(90+ ),和转子的具体位置( )无关。定、转子之间没有电路上的联系，转子对定子的影响是通过转子磁动势的
9、作用实现的。转子a相相轴的位置不影响磁动势的分析结果，为简便，将定、转子相轴与时间轴重合。,时空相矢图：,1）定子A相相轴与时轴重合，转子a相相轴在定子A相相轴前,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,时空相矢图：,2）定子A相相轴、转子a相相轴与时轴重合,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,电流形式的磁动势关系和电流比：,定子电流由激磁分量和负载分量组成；前者产生气隙磁密；后者产生的磁动势用来抵消转子磁动势，消除转子磁动势对气隙主磁通的影响。,电流比：,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路
10、,(二)电动势分析,定子三相,转子三相,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,(二)电动势分析,漏抗物理意义：任一相的漏抗由三相决定。定子漏抗是由定子三相对称电流联合产生的定子漏磁通在定子每一相中引起的电抗；转子漏抗是由转子三相对称电流联合产生的转子漏磁通在转子每一相中引起的电抗；,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,(三)转子绕组的归算,定、转子简仅有磁的联系，没有电路上的直接联系。要进行归算：用一个等效的转子（相数为m1，有效匝数为N1kw1）代替实际的转子，同时，保持电磁关系和能量转换关系不变。,2 转子静止时的异步电
11、动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,(三)转子绕组的归算,归算的条件：1）主磁通不变；2）转子磁动势不变；3）转子有功损耗和无功功率不变。,1、电动势的归算,2、电流的归算,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,(三)转子绕组的归算,3、阻抗的归算,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,(四) 归算后的方程式、相量图和等效电路,1、方程式,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,(四) 归算后的方程式、相量图和等效电路,2、相量图,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原
12、理,二、转子绕组短路,3、等效电路,(四) 归算后的方程式、相量图和等效电路,2 转子静止时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、转子绕组短路,讨论： 1）转子静止、转子绕组开路，转子无反磁动势，定子电流很小，U1E14.44f1W1kw1m ,m决定于外加电源电压的大小。 2）转子静止、转子绕组短路，转子有电流，有反磁动势，定子电流很大，抵消反磁动势。 U1I1(Z1+ Z2) 2I1Z1 3）x1* x2* =0.080.12， I1* U1*/(x1* + x2*) =1/(0.160.24)= 47。堵转实验一般在降压情况下进行。,3 转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行
13、原理,一、磁动势分析,(一)转子电流的频率,定子三相,转子三相,(二)转子磁动势相对于转子的速度,3 转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,一、磁动势分析,(三)转子磁动势相对于定子的速度,不论转子静止还是旋转，定、转子基波磁动势都以同步转速相当于定子旋转，两者相对静止，这是各类旋转电机产生平均转矩，实现机电能量转换的必要条件之一。,例51 有一台50Hz的感应电动机，其额定转速nN 730rmin，试求该机的额定转差率,解：s = (n1-nN) /n1 = 750-730/750=0.02667,例5-2有一台50HZ、三相、四极的感应电动机转子的转差率s=5%，试求： （1）
14、转子电流的频率； （2）转子磁动势相对于转子的转速； （3）转子磁动势在空间的转速。,解(1)转子电流的频率f2 = sf1 =0.0550=2.5Hz(2)转子磁动势相对于转子的转速n2=60f2/p=(602.5)/2=75r/min (3) 转子磁动势在空间的转速n2 + n = n2+n1(1-s)=1500r/min,3 转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、电动势分析,定子三相,转子三相,3 转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、电动势分析,3转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,二、电动势分析,3转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的
15、运行原理,三、转子的频率归算等效静止转子,等效条件：转子电流大小和相位不变,等效静止时,旋转时,数值关系:,3 转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,三、转子的频率归算等效静止转子,相数和匝数归算后,3 转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,四、基本方程式、相量图和等效电路,基本方程式:,3 转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,四、基本方程式、相量图和等效电路,相量图:,3 转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,四、基本方程式、相量图和等效电路,T型等效电路:,3转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,四、基本方程式、相量图和等效电路
16、,准确变换等效电路基本方程式:,3 转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,四、基本方程式、相量图和等效电路,准确变换等效电路:（小容量）,3 转子旋转时的异步电动机,三相异步电动机的运行原理,四、基本方程式、相量图和等效电路,简化等效电路: （大容量） C=1,三相异步电动机的运行原理(总结）,1）运行时，异步电动机近似于一台带纯电阻负载的变压器。n=0,s=1时，相当于一台副边短路的变压器；空载时， s 0，r2/s 趋于无穷大，转子相当于开路，定子电流基本为激磁电流，功率因数很低。 2）异步电机可以看作一台广义的变压器，不仅可以变换电压、电流、频率、相位和相数，而且可以实现机电
17、能量变换。r2(1-s)/s为机械功率的等效电阻。3）机械负载的变化由s的变化来体现。P2(机) T2 n s E2s I2s I1 P1(电)达到新的平衡4）异步电机功率因数总是滞后的，吸收感性无功。5）异步电机与变压器虽具有形式相同的等效电路，但参数相差较大。如：xm异* xm变*,4 笼型转子的极数、相数和匝数,三相异步电动机的运行原理,由绕线转子异步电动机分析得到的基本方程式、相量图和等效电路完全适用于笼型异步电动机。,笼型转子的相数、极 数和匝数如何确定？,定、转子极数相等是旋转电机产生平均转矩的必要条件。,绕线式转子有明显的相数和极 数，且设计制造与定子相同,4 笼型转子的极数、相
18、数和匝数,三相异步电动机的运行原理,一、笼型转子的极对数,在空间按正弦分布的主磁场b相对于定子转速为n1，以n1=n1-n=sn1的相对转速切割转子导条。在导条产生感应电动势ec，且ec与b成正比，故ec与b 同相位。每根导条功率因数角为2，导条中电流ic波滞后于ec波2角。转子磁动势F2亦为正弦波，以转速n1相对于定子旋转。,笼型转子无特定的极数，其极数始终等于定子的极数。,4 笼型转子的极数、相数和匝数,三相异步电动机的运行原理,二、笼型转子的相数,设转子总导条数为Z2(即转子槽数)，极对数为p，则相邻两根导条之间相差的空间电角度为2p360/ Z2，这也是相邻两根转子导条电动势(电流)的
19、相位相差的电角度。同相位的电流构成一相。导条分布均匀，一对磁极范围内的导条数为Z2/p,若Z2/p为整数，则相数 m2 Z2/p；若Z2/p不为整数，则相数 m2 Z2。,W2=1/2(每相串联匝数：每对极每相只有一个导体） kw1=1(无短距和分布）,三、笼型绕组的匝数和绕组因数,5 异步电动机的参数测定,三相异步电动机的运行原理,一、空载试验,1、目的：测定铁耗pfe、机械损耗pm和激磁参数Zmrmjxm,利用等效电路计算异步电动机的运行特性，应首先知道其参数。这些参数(r1, x1, r2, x2, rm, xm)可通过空载和短路（堵转）两个试验求得。,2、方法和步骤：电机轴上不带负载，
20、定子接到额定频率的三相对称电源上，通过三相调压器对电机供电，使定子端电压从(1.11.3)UN开始，逐渐降低电压，空载电流逐渐减少，直到电动机转速发生明显下降，空载电流开始明显回升为止。记录电动机的相电压U1、空载相电流I0、空载损耗p0。绘制空载特性曲线。,5 异步电动机的参数测定,三相异步电动机的运行原理,一、空载试验,3、空载特性图,4、分析计算,1）铁耗和机械损耗的确定空载时，转子电流小，转子铜耗可忽略不计。定子输入功率消耗在定子铜耗m1I02r1、铁耗pfe、机械损耗pm上 。p0=m1I02r1+pfe+pm r1可由电桥测出，记下室温，折算到75C。从输入功率p0中扣除定子铜耗，
21、得铁耗pfe和机械损耗pm之和p0 ：p0 =p0-m1I02Rr1=pfe+pmec,5 异步电动机的参数测定,三相异步电动机的运行原理,一、空载试验,4、分析计算,1）铁耗和机械损耗的确定损耗分离：在p0中，机械损耗pm与电压U1无关。pfe可近似认为与磁密的平方成正比，因而可近似认为与电压的平方成正比。故p0与U12的关系曲线近似为一直线。其延长线与纵轴交点即为机械损耗pm，从而得到铁耗pfe。pfe B2 m2 E12 U12,5 异步电动机的参数测定,三相异步电动机的运行原理,一、空载试验,4、分析计算,2）激磁参数的确定 （额定电压）,5 异步电动机的参数测定,三相异步电动机的运行
22、原理,二、短路(堵转)试验,1、目的：测定短路阻抗、转子电阻和定、转子漏抗。,2、方法和步骤： 将转子堵住，在定子端施加电压，从0.4UN开始逐渐降低，记录定子相电压Uk、定子相电流Ik、定子端输入功率Pk，作出短路特性Ik=f(Uk)，pk=f(Uk) 。根据短路特性曲线，取额定电流点的Uk(相电压)、Ik(相电流)、pk(三相短路损耗)。,5 异步电动机的参数测定,三相异步电动机的运行原理,二、短路(堵转)试验,3、堵转阻抗特性图,4、分析计算,1）堵转时的等效电路,堵转阻抗特性图,堵转时的等效电路,5 异步电动机的参数测定,三相异步电动机的运行原理,4、分析计算,2）短路参数计算 （额定
23、电流）,二、短路(堵转)试验,小结,三相异步电动机的运行原理,异步电机与变压器的区别,1）异步电机的磁场为旋转磁场，空间矢量；变压器的磁场时间相量。 2）异步电机为旋转电机，定、转子频率不同，除进行相数和匝数的归算外，还需可以进行频率的归算；变压器为静止电器，原、副边频率相同，不需进行频率的归算。3）异步电机转子绕组短路，输出机械功率，在等效电路中 由(1-s)r2/s来模拟机械功率的大小，负载性质为纯电阻性；变压器副边接电负载，其性质可以是电阻性、电感性或电容性。 4）异步电机的绕组一般为分布、短距绕组，计算磁动势和电动势时需乘以绕组因数；变压器的绕组为集中绕组，不存在绕组因数的问题。5）异步电机的主磁路存在气隙；变压器的主磁路气隙很小；xm异* I0变*,
