1、本章要求,目的要求：理解异步电机工作原理，理解异步电机的磁路系统，理解转子静止时异步电机的运行，掌握转子旋转时异步电机的运行，掌握异步电动机的功率和转矩平衡关系，掌握异步电动机电磁转矩的计算 重点难点：转子旋转时异步电机的运行，异步电动机的功率和转矩平衡关系，异步电动机电磁转矩的计算 考核点：转子旋转时异步电机的运行，异步电动机的功率和转矩平衡关系，异步电动机电磁转矩的计算,用途： 工业、农业和日常生活 容量：几瓦几千千瓦 主要用作电动机，90动力来源,9.1 异步电机的结构及额定值,拖动各种生产机械,日常生活中,特征 转速与同步速不等 定转子没有电的联系 感应电机：能量通过电磁感应传递,分类
2、 相数：三相和单相 单相异步机可用于家用电器 转子：鼠笼式和绕线式 鼠笼式：结构简单、牢固 绕线式：可用于改善启动性能和调速,优点： 结构简单，制造、使用和维护方便 运行可靠，效率高，价格低廉 异步电动机系列，品种，规格繁多 应用最广、需求最大,缺点： 转速不易调节 鼠笼式电机的起动性能差 异步电机的激磁须由电网供给，功率因素滞后，增加系统无功负担,定子 定子铁芯 硅钢片迭成，各片间绝缘 定子齿、槽 定子绕组 通常用双层三相对称短距绕组 小型电机可用单层绕组,转子 转子铁芯 硅钢片迭成，各片间绝缘 转子齿、槽 转子绕组 鼠笼式 焊接鼠笼和铸铝鼠笼 线绕式 对称绕组，相数可以不为三相,气隙 定、
3、转子之间的间隙，一般用表示。异步电机的气隙很小，中、小型异步电机=0.21.5mm。 为减小激磁电流，气隙应尽可能地小 气隙应为机械条件所容许的最小值,定子槽形 半闭口槽 槽口宽度小于槽宽的一半，适用于散嵌绕组 应用于小型电动机 优点：可减小主磁路的磁阻以减小激磁电流,半开口槽 槽口的宽度略大于槽宽的一半，简化嵌线 适用于500V以下的中型电动机 优点：也可减小主磁路磁阻以减小激磁电流,开口槽 槽口的宽度等于槽宽 适用于500V以上的大中型电动机 优点： 易于嵌成形绕组。绕组预制成形，绝缘处理后，整体放入,鼠笼转子槽形 通常采用半闭口槽 槽形取决于对起动和运行性能的要求 小功率电机采用平行齿
4、槽面积大，转子电阻小，运行性能好,功率较大电机采用平行槽 槽面积相对减小，转子电阻增大，起动性能好,凸形槽、刀形槽可进一步提高起动转矩,闭口槽可减小杂散损耗，但漏磁较大，功率因素低,鼠笼转子的制造 焊接 用铜条焊接成鼠笼状 铸铝 用铝代替铜 可采用浇铸法或压铸法，将熔化的铝注入转子槽中 风扇与转子做成一个整体,鼠笼转子的结构图,鼠笼转子的装配图,线绕转子的结构特点 与定子有相同极数的对称绕组 相数可以与定子不同，通常采用三相星形连接 转子上有集电环，与转子绕组相连 集电环上有一电刷，与外接变阻器相连 改善起动性能 起动完毕切除外接变阻器 调节转速,线绕转子的装配图,异步电动机的铭牌和额定值 额
5、定功率 额定方式下运行时，轴上输出的机械功率 额定电压 额定方式下运行时，定子绕组应加的线电压,额定电流 额定电压和额定功率运行时，流入定子绕组的额定线电流 额定频率 工业频率为 额定转速 额定状态运行时的转子转速,其他 电机的功率因数，相数，接线法 外壳防护等级及绝缘等级 线绕式异步电机：还标明定子外施额定电压时转子开路电压及转子额定电流,国产电动机简介 J，JO系列 1953年：中小型三相鼠笼式异步电机 J2，JO2，JO3，JO4系列 60年代：E级绝缘，减轻质量和体积,Y系列 80年代：B级绝缘，性能优良，运行可靠 Y2系列 90年代：CAD技术，体积更小，效率更高,派生系列和专用系列
6、 YR线绕式转子电动机 YX高效率电动机 YA、YB、YF 防爆类异步电动机 YZ 起重及冶金用异步电动机 YD 变极多速异步电动机 YCT 电磁调速异步电动机,YLJ 力矩异步电动机 YQ 高起动转矩异步电动机 YH 高转差率异步电动机 YDF 电动阀门异步电动机 YTD 电梯异步电动机 YEZ 锥形转子制动异步电动机,新型单相异步机的发展 单相电阻起动 单相电容起动 单相电容运转 单相罩极,9.2 三种运行状态,9.2.1 三相异步电机原理异步电机定子绕组接在三相对称交流电网上，转子绕组对称短路。定子绕组中流过三相对称电流，在气隙中将建立基波旋转磁场。这个基波旋转磁场在短路的转子绕组中感应
7、电动势并产生相应的电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用而产生电磁转矩。,相绕组磁势及其基波 (见04旋转磁势),三相合成磁势及其基波,转差 率 s =(n1-n)n1 同步转速n1 -n1=60f1p 转子转速n -转子的机械转速,三种运行方式当异步电机的负载发生变化时，转子的转差率随之变化，使得转子导体的电势、电流和电磁转矩发生相应的变化，因此异步电机转速随负载的变化而变动。 电动机运行 发电机运行 电磁制动,电动机运行 异步电动机转速通常在同步转速以下，电磁力Fe克服外力F作功,n,b,Delta n ,当转子转速低于旋转磁场转速时转差率0sl。设定子三相电流所产生的气隙旋转磁场为逆时针
8、转向，按右手定则即可确定转子导体 “切割”气隙磁场后感应电动势的方向。由于转子绕组是短路的，转子导体中便有电流流过。转子感应电流与气隙磁场相互作用，将产生电磁力和电磁转矩；按左手定则，电磁转矩的方向与转子转向相同，即电磁转矩为驱动性质的转矩。此时电机从电网输入功率，通过电磁感应，由转子输出机械功率，电机处于电动机状态感应电动机。,发电机运行输入机械功率，输出电功率 异步电机作为发电机运行，转速大于同步速,Delta n ,若电机用原动机驱动，使转子转速高于旋转磁场转速(n n1)，则转差率s0。此时转子导体中的感应电动势以及电流的有功分量将与电动机状态时相反，因此电磁转矩的方向将与旋转磁场和转
9、子转向两者相反，即电磁转矩为制动性质的转矩。为使转子持续地以高于旋转磁场的转速旋转。原动机的驱动转矩必须克服制动的电磁转矩；此时转子从原动机输入机械功率，通过电磁感应由定于输出电功率，电机处于发电机状态。,电磁制动电磁转矩制止转子的加速,b,Delta n ,若由机械或其他外因使转子逆着旋转磁场方向旋转(n1。此时转子导体“切割”气隙磁场的相对速度方向与电动机状态时相同，故转子导体中的感应电动势和电流的有功分量与电动机状态时同方向，电磁转矩方向亦相同。但由于转子转向改变，故对转子而言，此电磁转矩表现为制动转矩。此时电机处于电磁制动状态，它一方面从外界输入机械功率，同时又从电网吸取电功率，两者都
10、变成电机内部的损耗。,电机稳定运行时定转子之间的作用力（电磁力）拉不断的橡皮筋,=,主磁通和漏磁通主磁通 由基波磁势产生的互磁通，交链着定子绕组和转子绕组 用m表示 主要路径：定转子齿、轭，气隙 最重要特征：穿过气隙,漏磁通 除去主磁通以外的磁通, 不传递能量 定、转子绕组漏磁通只匝链定、转子绕组本身,漏磁通组成 不穿过气隙的 槽漏磁通 端部漏磁通 穿过气隙的 谐波漏磁通，但不产生有用转矩,槽漏磁通,端部漏磁通,谐波磁通全部归于漏磁通 谐波电势为全部电势与基波电势之差 谐波磁通称为差异漏磁通，简称差漏磁通 定转子漏磁通均包含 槽漏磁通 端部漏磁通 谐波漏磁通,9.3三相异步电机的等效电路转子不
11、动时的异步电机 电磁物理过程假设条件： 不考虑漏磁，气隙中只有基波磁通 定转子中只有基波电势 漏电势作用以漏抗上的压降表示,将异步电动机转轴卡住，转子绕组短路，在定子方施加一三相对称的低电压，此时异步电动机的运行称为转子静止时的运行，也称为堵转试验或短路试验（相当于变压器做短路实验）,定子对称三相绕组流过对称的三相电流产生圆形旋转磁动势F1 产生旋转磁场同时切割定子、转子绕组产生三相对称的感应电动势转子绕组中出现三相对称的电流转子绕组产生圆形旋转磁动势F2 与F1 同转速、同转向，保持相对静止。实际电机旋转磁场是F2 与 F1 共同作用的结果。,堵转条件下异步电机电磁过程分析,转子不动时的定、
12、转子回路，没有电的直接联系。,n1=60f1/p f2=n1p/60=(60f1/p)*p/60=f1,n0，异步机与变压器类似 定子绕组相当于变压器的原边 转子绕组相当于变压器的副边，且短路区别呢 ？ ？,电压平衡方程式 下标1表示定子侧，2表示转子侧为定子的电阻和漏抗为转子的电阻和漏抗,电磁关系（n=0时） 电磁关系与变压器类似 定转子电流频率相同 转子为多相绕组，流过对称电流，产生旋转磁场,转子的旋转磁场速度与定子的相同 定转子电流共同产生合成磁场 外加电压与感应电势和漏阻抗压降平衡 感应电势反映主磁通的大小,磁势平衡式,I1L称为定子电流的负载分量。在负载运行时，异步电动机定子电流I1
13、分成Im和I1L两个分量：Im是励磁电流用于建立电机铁心中的主磁通m，I1L是负载分量用于建立磁动势F1L去抵消二次侧磁势F2。,定转子绕组的磁势 m1、m2分别为定转子绕组的相数,定子绕组和转子绕组必须有相同极数,所得方程里既有电量，又有磁量实质是一个电磁混合问题,处理办法：折算，简化关系，消去磁量,难点，注意听了！,折算 定义：就是把转子绕组折算到定子 特征：转子绕组折算到定子后 有相同相数 有相同匝数 有相同的绕组系数 目的：求得等效电路，简化问题，找出定、 转子边电的联系 原则：折算前后电机的电磁关系不变考点！,电流的折算： 转子磁势保持不变等效转子实际转子,电流比,电势的折算： 转子
14、视在功率保持不变,阻抗的折算 保持转子铜耗不变,阻抗的折算 保持转子无功不变,归算后的平衡式对等效转子列出的量,等效电路（一相转子静止时）,转子静止时的运行状况雷同于变压器， 有完全类似的等效电路，该问题已解决。要是能找到旋转运行时各量与静止运行 的关系就好了！,转子转动后的异步电机磁场,转子转动后对转子各物理量的影响 转子电势和电流的频率（转子为参考）,转子旋转时，转子绕组的电势、电流的频率决定于气隙中的旋转磁场和转子的相对转速。气隙中旋转磁场以（n1-n）的转速切割转子，故转子绕组中电势和电流的频率为f2。,f2亦称为转差频率。当转子不转时，n=0，s=1，f2=f1。异步电机在作电动机额
15、定运行时，s值很小，一般在0.010.04范围内变化。当f1=50Hz时，f2=0.5Hz2Hz，可见此时转子铁心中主磁通交变的频率很低，转子铁耗很小，可以忽略不计。,转子基波磁势相对于转子的转速 转子基波磁势相对于定子的转速 不论转子如何转动转子 基波磁势与定子基波磁势没有相对运动！,考过若干次了！呵呵,转子转动后的基本方程（找关系）,转子旋转时，定、转子绕组中电流频率不同，故不能将定、转子平衡方程式联立求解。,由于异步电机定、转子无电的直接联系，转子只是通过其磁动势F2对定子作用，因此只要保证F2不变，可以用一个静止的转子来代替旋转的转子，而定子方各物理量不发生任何变化，即对电网等效-频率
16、归算。,频率折算 原因：n0时，定转子电流频率不同 目的：用等效的转子电路代替实际转子电路，且与定子电路同频率 原则：折算后转子电流的大小和相位不变，即损耗、功率不变 归算对定子回路没有影响,上式告诉我们，不能简单地将旋转的转子堵住，而应在转子回路中串入一个(1-s)R2/s的电阻，使得回路电阻变为R2/s，再将其堵转，这样才能保证I2=I2s。上述分析说明，转子回路中串入一个(1-s)R2/s的模拟电阻并堵转起来，与原旋转的转子相比，F2不变，这种变换称为频率折算。,最令人费解的方程,电流频率的变化：,折算前后的变化：用r2/s代替r2,经过频率折算，用等效的静止的转子来代替原来旋转的转子,
17、转动时的电路,频率归算后的电路,频率折算的物理意义 频率折算：将转动的转子等效为不转的转子 折算后，转子回路中增加了一个电阻，即模拟电阻： 模拟电阻应反映电机的转动 模拟电阻电功率为 ，模拟了轴上的机械功率,9.4 等效电路及相量图参数,目的：找出定转子各量间的电的联系。,思路：频率折算，旋转转子=静止转子绕组折算，静止转子=等效转子,革命成功分了两步走。,9.4.1 频率折算,I2sE2sR2X2s,I2E2R2X2,9.4.2 绕组折算,对异步机进行了频率归算后，因定转子频率不同而发生的问题解决了，但还不能把定转子电路联系起来，因,所以还要象变压器的处理方法一样，进行绕组归算，才能得出两个
18、电路有电的联系的等效电路。所谓绕组的归算，就是人为的用一个相数，匝数以及绕组系数和定子一样的绕组去代替原来的转子绕组，在折算中必须保证归算前后转子的电磁效应不变。,由转子磁势不变,得出归算后转子电流,由电势与匝数和绕组系数成正比,E1和E2是等电位点，就可以将定转子电路连接起来。,1 电流的折算：除以Ki,2 电势的折算：乘以Ke,3 阻抗的折算：乘以Ke Ki,各参数均为每相值！,必考！,相量图,等效电路及简化 计算电机电流、功率、功率因数、效率及转矩 等效电路包含六个参数，可由空载和短路试验求得,为简化计算，可将T形等效电路进行简化 由于异步机激磁电流相对较大，简化与变压器略有不同,修正系
19、数: 异步电机中，,转子电流,求转子电流的较准确近似电路,定子电流,求定子电流的较准确近似等效电路,异步电动机的简化等效电路,容量较大的电机，,9.5 功率、转矩平衡方程(重点),输入到三相异步机的电功率,U1，I1：定子绕组的每相值,： U1，I1间的夹角,输入功率的一小部分转化为定子铜耗,输入功率的一小部分转化为定子铁心损耗，忽略转子铁心损耗,输入功率扣除定子铜耗和定子铁耗后，其余部分是经由气隙，传递到转子的功率，称为电磁功率。,输入到转子的电磁功率有一部分转化为转子铜耗。,电磁功率扣除转子铜耗后转化为模拟电阻功率。,模拟电阻功率扣除机械损耗和附加损耗得到电机轴上输出机械功率P2。,转子铜
20、耗与电磁功率关系。（重要）,U1,r1,x1,r2,x2,I2,r2(1-s)/s,rm,xm,Im,I1,pCu1,pFe,P,pCu2,PM,异步电动机的各种损耗,异步电动机的功率流程图（重要）,P1,pCu1,PM,pFe,pCu2,pad,P2,pmech,P,异步电动机的功率对照表,转矩平衡式负载转矩： 电磁转矩： 机械损耗转矩： 附加转矩： 空载制动转矩：,例13.1 三相笼型异步机，PN=4KW，U1N=380V，nN=1442 r/m，定子每相312匝（三角形接线），kW1=0.96，R1=4.47，X1=6.7 ，Xm=188 ， Rm=11.9，转子26槽，R2=0.000
21、0769 X2=0.000238 。假设pm+p=80W，求额定转速运行时 定子相电流、功率因数、输入功率、输出功率以及效率。解：转子参数折算到定子绕组，电压电流比分别为：,电阻和漏抗折算为：,画出等效电路：,1）求定子电流I1：选择定子相电压为参考相量,定子阻抗：,转子阻抗：,励磁阻抗：,定子相电流为：,2）求功率因数,转子电流折算值：,励磁电流：,3）输入功率：,4）输出功率：,5）效率：,与近似等效电路的对比略。,9.6 电磁转矩和机械特性,9.6.1 电磁转矩,异步电机作为一类广泛使用的原动机，其转矩转速特性是电机选用时的重要因素。,特点：公式繁杂 要求：看看公式的来龙去脉，记住重点,
22、1：旋转磁场机械角速度，与n1对应,：转子机械角速度，与n对应,CM：转矩常数 2 ：转子回路功率因数,转矩公式的物理意义：异步电机的电磁转矩和主磁通、转子电流的有功分量成正比。 用近似等效电路进行简化计算，可得到：,9.6.2 机械特性,电动机状态,发电机状态,电磁制动状态,s,Tst,T,异步电机的Ts曲线,-,+,0,1,1 启动点: n=0,s=1,2 额定工作点: nN,sN,3 三种工作状态：电动、发电、制动,4 最大转矩点:Tmax，sm,T-S曲线规律的解释,理想空载时:n=n1，s=0，I2=0，T=0,s增大到一定程度，r2/s变小，转子阻抗仅略有变化，I2增长变慢，但 会
23、急剧下降。转子电流虽大，但有功分量减小，电磁转矩随s增大而减小。,0,1,2,3,4,5,0,0.5,1,1.5,2,T,I2,E2,cos2,n,n1,cos2,E2,T,I2,电磁转矩的变化规律,9.6.3 最大转矩 最大转矩时的转差率,最大转矩的结论： 电动机取正号，发电机取负号 电源的频率和电机参数不变时， 与电源电压的平方成正比 电源电压和频率一定时， 与定转子漏抗成反比 最大转矩与转子电阻无关，但临界转差率与转子电阻成正比。,0,s,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,r2,r2,r2,r2,T,r2r2 r2 r2,转子电阻对T-s曲线的影响,稳态运行范围和过载能力 电机转矩
24、平衡方程，电机加速，电机减速，电机保持转速不变，稳定平衡状态,稳定运行与不稳定运行 稳定运行：扰动消除后电动机转速恢复到原有的状态是临界运行状态时，稳定运行时，不稳定运行,T,sk,b,a,a,a,T=f(s),TL=f(s),sa,sb,0,s,0,1,s,稳定运行区,稳定运行与不稳定运行,过载能力 定义： 最大转矩和额定转矩之比 用Km表示 普通电机，Km1.82.5; 特殊要求的电机，Km=2.83.0,9.6.4 启动电流和启动转矩,S=1 代入电流转矩公式,相关结论： 1 启动转矩和电压平方成正比 2 总漏抗越大启动转矩越小 3 绕线式电机可转子回路外串电阻增加启动转矩,例13.2,
25、有一台异步电动机，PN=4kW，2p=4，U1N=380V（定子绕组接法）， R1=4.7， X1=6.7 ， Rm=11.9， Xm=188，R2=3.18 ， X2=9.85 。试求：1）n=1442r/min时电磁转矩大小；2）最大转矩；3）启动电流和启动转矩。,解：1）n=1442r/min 时的转差率,2）最大转矩,3）启动电流,3）启动转矩,9.6.5 转矩的实用公式（超纲，仅供自学）,9.7 工作特性转速特性（转差率特性） 空载转速接近同步速 硬特性：随负载的增大，为维持转矩平衡需较大电磁转矩，转差率随着增大，但变化不大，转速变化也很小,空载时，P2=0, I20,0 , s0,
26、 nn1 负载时，负载电流增加，,所以,一般s(0.01 0.05) n=f(p2)是一条下降曲线。,负载转矩特性正常运行时，转速变化不大，负载转矩与输出功率近似为一直线 定子电流特性随着负载增加I2增加，I1也增大,异步电动机的工作特性,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,n,T2,I1,cos,P2,功率因数特性 轻载时， 很小， 很小， ，转子电流主要是有功分量，随着负载的增大，定子电流的增长主要是有功分量的增加， 迅速增大,负载增大到一定程度时， 增大， 也随之增大，转子电流的无功分量增加较快，定子无功电流随之增大， 减小
27、。 一般在等于或低于额定负载时有最大功率因数,超过额定负载后，转差变大，,效率特性 效率随负载而变化的规律决定于损耗的分配 不变损耗：正常运行时，机械损耗和铁耗基本保持不变 可变损耗：定转子铜耗,空载时， 。随着 增大，效率增大，直到某一负载时，可变损耗等于不变损耗，效率最大。设计电机时，通常使最大效率发生在,电机容量的选择是电机运行特性的两个重要性能指标 选择电动机容量时应与实际需要相匹配如容量过大，不仅投资增加，而且轻载时运行的效率和功率因数较低，运行费用增加，造成浪费 容量过小带动大负载，电机超载运行，铜耗急剧增大，电机过分发热而损坏。,补充例题13.3（ ）三相线绕式感应电机，转子开路
28、时，定子加 额定电压，从转子滑环上测得电压为100V，转子绕组Y接法，每相电阻R2=0.6，每相漏抗 X2=3.2 ，当n=1450 r/min时，求 1）转子电流的大小和频率；2）总机械功率。,解：1）,转子开路时，转子每相电势：,转子电流频率：,2）机械功率：,补充例题13.4 （ ）一台三相、六极、50Hz线绕式感应电机，额定负载运行时转速980r/min，转子静止时转子每相感应电势E2为110V。问额定状态时转子电势E2S大小和频率为多少？若转子不动，在定子上施加电压使电流达到额定值左右，测得转子绕组每相感应电势为10.2V，转子相电流为20A，转子每相电阻为0.1 ，不计集肤效应，试求转子电流I2和铜耗pCU2各为多少？,解：1）,2）转子不动时：,转子铜耗：,机械功率：,周1请交9-6 电机作业,OVER THANKS,
