1、1,重庆大学自动化学院,电机学及拖动基础,2,第五章 异步电机（二）,三相异步电动机的运行原理,3,主要内容,第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程 第二节 三相异步电动机的等效电路及相量图 第三节 三相异步电动机的功率和转矩 第四节 三相异步电动机的工作特性及其测取方法 第五节 三相异步电动机参数的测定 第六节 三相异步电动机的转矩与转差率的关系 第七节 单相异步电动机,4,第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程,定子绕组接到对称三相电源U1，产生对称三相电流I1； 形成按正弦分布、以转速ns旋转的定子合成磁动势F1； 建立旋转的气隙主磁场Bm； 气隙旋转磁场切割定、转子绕组，产生对称三相感
2、应电动势E1、E2s； 转子回路中通过对称三相电流I2； 在气隙磁场和转子电流相互作用下，产生电磁转矩，转子随着旋转磁场方向转动。,一 异步电动机负载时的物理情况,5,空载运行时：nns，n0，E2s0，I20建立Bm的励磁磁动势Fm0就是定子绕组产生的三相基波合成磁动势F10，即Fm0=F10,异步电动机空载运行时的电磁关系,负载运行时：nns，n增大，E2s增大，I2增大转子电流I2也将形成转子磁动势F2,F2的性质？与F1的关系？对气隙主磁场的影响？,6,绕线型：转子绕组为对称三相绕组，转子电流是对称三相电流，形成的磁动势无疑是旋转的。 鼠笼型：导条形成一种对称的多相绕组（一般每对极下的
3、导条数就是相数），转子感应电势为对称多相电动势，转子电流为对称多相电流，形成的合成磁动势？用矩形磁动势波叠加法分析，也是旋转的。,（一）转子磁动势的分析,转子磁动势是一种旋转磁动势，且近似按正弦规律分布,笼型转子的磁动势,7,1、F2的旋转方向 若定子电流相序A-B-C，产生逆时针方向的旋转磁场 由于nns，因此旋转磁场在转子中感应电动势相序为a-b-c，则转子电流相序也为a-b-c 由转子电流形成的旋转磁动势F2的方向也是按a-b-c的相序,转子绕组的相序,转子磁动势F2与定子磁动势F1的旋转方向相同。,8,2、F2的转速大小 旋转磁场以n=ns-n的相对转速切割转子绕组 转子绕组中感应的多
4、相电动势和电流的频率为： 转子磁动势F2相对于转子本身的转速为： 转子磁动势F2相对于静止的定子的转速为：,转子磁动势F2与定子磁动势F1的转速是相同的，均为ns即，F2与F1在空间上保持相对静止。,9,F2与F1相对静止，因此气隙内产生的旋转磁场是定、转子的合成磁动势建立的：F1+F2负载时空载时 由变压器知识，一次绕组感应电势与电源电压只差一个漏阻抗压降。而异步电机正常运行时电源电压为U1N，故可认为电动机从空载到负载的过程中，定子绕组内的感应电势E1近似不变，由此可认为：,（二）磁动势平衡,10,于是，磁动势平衡关系：或者： 表明：负载时异步电动机的定子磁动势F1包含两个分量，一个是产生
5、气隙内主磁通的励磁磁动势Fm，另一个是抵消转子磁动势作用的（-F2）,异步电动机负载运行时磁动势的平衡关系,11,磁动势和电流的关系相矢图（时空矢量图）旋转磁动势及磁场可用一种以同步角速度s旋转的矢量表示；对应的电流可用数值上等于同步角速度s的角速度旋转的相量表示；由于旋转磁动势与对应电流有一定的时空关系 当某相电流达到最大值时，旋转磁动势幅值正好位于该相绕组的轴线上如果把时间参考轴放在A相绕组的轴线上，则F与I1A始终是重合的 因此可将矢量和相量混合在一起，用相矢图分析,F2与F1的相互关系？它们与对应电流的关系？,12,负载时定子、转子磁动势和电流的相矢图：,考察Bm位于A相轴线的瞬间 B
6、m的空间位移与m的时间位移一致 由于磁滞和涡流损耗的存在，Bm滞后Fm一个铁耗角Fe 根据电磁感应定律，感应电动势滞后于绕组磁链90o电角度 F2在空间上滞后于Bm的电角度为 在相矢图中，磁动势矢量的方向与对应电流相量方向一致 Fm与-F2相加，得到F1,13,励磁磁动势Fm建立气隙内主磁场Bm，其主磁通为 主磁通 分别在定、转子绕组中，感应出对称的定子电动势 和转子电动势 ：有效值分别为：相位上均滞后 90o电角度 与 的相量表达式分别为：,（三）电磁关系,14,此外，定、转子电流产生的漏磁通在各自绕组内感应出漏电动势 和 ：另外，定、转子绕组中还有因电阻存在而产生的电压降和 。,异步电动机
7、负载运行时的电磁关系,15,二 基本方程式,由磁动势与相电流的关系：,（一）磁动势平衡方程式,m1定子绕组的相数 m2转子绕组的相数 Im对应于励磁磁动势的励磁电流,16,在时空矢量图中，磁动势矢量的方向与电流相量方向一致，磁动势平衡方程式也可以写成：,令 ，并使：,则：,ki异步电动机的电流比,变换的前提变换前后转子磁动势保持不变，即：,17,负载时异步电动机的定子电流可以看成由两部分组成：一部分为励磁电流分量，其作用是产生气隙主磁通；另一部分为负载电流分量，其作用是抵消转子电流所产生的磁效应。,从而将磁动势的矢量关系变换为对应电流的相量关系，得到用电流相量表达的磁动势平衡方程式：,18,由
8、负载运行时的电磁关系，可列出异步电动机定、转子绕组的电动势平衡方程式：,（二）电动势平衡方程式,R转子绕组的外加电阻 对于笼型转子，则R=0,19,Zm表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻抗 Xm反映气隙主磁通的励磁电抗 Rm反映铁耗的励磁电阻,X1表征定子绕组漏磁通磁路特性的一个参数，称为定子漏电抗 X2s表征转子绕组漏磁通磁路特性的一个参数，称为转子漏电抗,和变压器一样，把感应电势 和漏电动势 、 作为电压降来处理，即：,20,转子漏电势的有效值为：,转子不动时，n=0、s=1，这时f2=f1，用E2表示转子不动时转子漏电势的有效值：转子转动时，转子漏电势有效值：,转子绕组漏电
9、抗也有这种关系：,同理，转子电动势的有效值：,21,定、转子绕组的电动势平衡方程式可改写成：,如外加电阻R=0，旋转时异步电动机的电路为：,注意：定、转子绕组的相数、有效匝数、电动势和电流的频率均不相同定、转子电路还不能连接起来。,22,异步电动机负载时的基本方程式：,其中， ke电动势比,23,第二节 三相异步电动机的等效电路及相量图,直接求解5个基本方程式，不仅计算十分复杂，而且由于转子电路的频率f2与定子电路的频率f1不同，直接联立求解这些频率不同的电路相量方程式是没有物理意义的。因此，需要将耦合电路中的一个电路归算到另一个电路，导出所谓等效电路的方法。,24,一 异步电动机的等效电路,
10、在不改变定子绕组中的物理量（定子电动势、电流及功率因数等）和异步电动机的电磁性能的前提下，将转子绕组进行“归算”，然后将归算后的转子绕组与定子绕组直接联系起来，即可得到异步电动机的等效电路：1）频率归算和变压器不同；2）绕组归算和变压器一样。,25,所谓“频率归算”保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在异步电动机中，就是用一个具有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路。 所谓“等效”是指1）等效后转子电路对定子电路的电磁效应不变，即保持F2不变（同转速、幅值、空间位移角）；2）等效后转子电路的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等）必须和
11、实际转子电路一样。,（一）频率归算,26,由f2=sf1，得出当s=1时，f2=f1，这一关系说明：转子频率和定子频率相等时，转子是静止的。因此，转子频率的归算，需用一个静止的转子电路去代替实际转动的转子电路。能否等效？从转子磁动势的转速看，频率为f2的实际转子电流产生的转子磁动势的绝对转速是同步转速，频率为f1的静止转子电流产生的转子磁动势的绝对转速仍然是同步转速 从转子磁动势的幅值与空间位移角看，转子电流的相量不变，则F2矢量的大小和空间位移角不变,27,可以看出，除改变与频率有关的参数和电动势以外，用R2/s去代替R2，即可保持 、F2不变。,若R=0，则：,静止转子电路中的电流：,有效
12、值和相位角：,28,从功率看，作电动机运行时，0s1，转子电阻由R2变为R2/s，相当于转子电路中串入一个附加电阻：静止转子电路中在附加电阻上产生的这部分虚拟的功耗，实质上表征了异步电动机的机械功率。因此，用静止的转子去代替实际转子，在功率和损耗方面也是等效的。,频率归算相当于转子电路中串加一个附加电阻(1-s)R2/s，把实际转子等效为一个静止转子。,29,频率归算后，定、转子电路的电动势还不相等，即： 定、转子电路仍不能连接起来。 和变压器绕组归算一样，异步电动机的绕组归算：就是人为地用一个相数、每相串联匝数以及绕组因数和定子绕组一样的绕组，去代替相数为m2、每相串联匝数为N2以及绕组因数
13、为kw2并经过频率归算后的转子绕组。 归算原则：归算前后，转子对定子的电磁效应不变，即转子磁动势、转子总的视在功率、转子铜耗以及转子漏磁场储能均保持不变。,（二）绕组归算,30,电流归算原则转子磁动势不变归算后的转子电流有效值为：,ki电流比,31,阻抗归算由转子铜耗和漏磁场储能不变,频率和绕组归算后的异步定、转子电路图：,32,异步电动机归算后的基本方程式：,归算后的定、转子电动势方程式：,磁动势方程式：,励磁支路的电动势方程式：,33,由归算后的基本方程式，可导出：,相应的电路异步电动机的T形等效电路,R1、X1：定子绕组的电阻和漏电抗 R2、X2：归算后转子绕组的电阻和漏电抗 Rm：与定
14、子铁心损耗对应的励磁电阻 Xm：与主磁通对应的铁心磁路励磁电抗,（三）异步电动机的等效电路,等效电路以电路形式综合了异步电机的电磁过程，因此它必然反映异步电机的各种运行情况。,34,几种异步电机的典型运行情况,1、空载运行： nns，s0， 转子相当于开路，定子中的电流 滞后于外加电压 接近90o电角度，功率因数是滞后的，且很低,2、额定负载运行： sN5% 归算后的转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高；定子电流中负载分量起主要作用，定子功率因数能达到0.80.85；定子漏阻抗压降影响不大， 和相应的主磁通只比空载时略小。,35,3、起动时的情况： 转子堵转时，n=0，s=1， 相当于电路短
15、路状态，所以起动电流（即堵转电流）很大，功率因数也较低。,4、异步发电机运行： nsn，-s0， 相应的机械功率为负值，表示从转子轴上输入机械功率。每相输入功率分配如下：转子机械功率=转子铜耗+传给定子的功率,36,5、电磁制动状态运行： 转子反旋转磁场方向旋转，s1， 产生的机械功率也为负值，表示从转子轴上输入机械功率。这时由定子传到转子的电磁功率以及轴上吸收的机械功率，都供给了转子的铜耗。,（四）等效电路的简化,因为励磁电流占总负载电流的比例并不很小，故励磁支路只能前移，不能略去异步电动机的近似等效电路,37,二 异步电动机的相量图,异步电动机T形等效电路的相量图,为参考相量和 均滞后于
16、90o电角度则超前于 一个Fe电角度由 和 决定由 和 相加得出由 和 得到,38,注意一点： 定子电流永远滞后于电源电压，即异步电动机的功率因数始终是滞后的。,39,例5-1 一台2p=4的三相异步电动机，数据如下：,定子绕组为三角形联结，试求额定负载时的定子电流、转子电流、励磁电流、功率因数、输入功率和效率。,解,40,（1）用T形等效电路计算：,、设 ，定子电流为：,定子线电流有效值为：,41,、定子功率因数：,、定子输入功率：,、转子电流 和励磁电流 ：,、效率：,42,（2）用近似等效电路计算,负载支路阻抗：,励磁支路阻抗：,、转子电流（即负载电流）：,、励磁电流：,43,、定子电流
17、：,定子线电流有效值：,、定子功率因数：,、定子输入功率：,、效率：,两种方法比较：用近似等效电路算出的定、转子电流将比用T形等效电路算出的稍大，且电动机功率越小相对偏差越大,44,第三节 三相异步电动机的功率和转矩,直流电动机：磁场由定、转子绕组双边的电流共同激励；气隙磁场随着负载变化，产生电枢反应。,异步电动机：磁场仅由定子绕组一边的电流来建立；气隙磁场基本上与负载大小无关，无电枢反应。,异步电动机的机电能量转换过程和直流电动机相似：输入电功率电磁感应输出机械功率 机电能量转换的关键在于：作为耦合介质的磁场对电气系统和机械系统的作用和反作用。,45,一 功率转换过程,功率转换过程：输入从定
18、子绕组输入电功率P1定子定子铜耗pCu1 + 定子铁耗pFe + 电磁功率Pe转子转子铜耗pCu2 + 转子铁耗pFe + 总机械功率Pmech输出总机械功率Pmech-机械损耗pmech - 附加损耗p =净机械功率P2,通常，转差率很小，转子铁心中磁通变化频率很低，转子铁耗可忽略不计 如果转差率较大，则f2较大，就应该考虑转子铁耗,46,异步电动机的能量转换关系,47,二 功率方程式,U1定子相电压 I1 定子相电流定子功率因数角转子功率因数角 sPe转差功率,转速n越低，转差率s越大，即转差功率越大，则转子铜耗就越大,48,三 转矩方程式,由机械功率方程式：除以转子的机械角速度，得到稳态
19、转矩方程式：电动机稳态运行时的转矩平衡规律电磁转矩与总的机械转矩相平衡。,Te电磁转矩 T2输出机械转矩，或负载制动转矩 T0空载转矩，,电磁转矩Te既可用转子的总机械功率除以转子机械角速度来计算，也可用电磁功率除以同步角速度来计算：,49,四 电磁转矩公式,代入归算过的转子电动势，,得到异步电动机的电磁转矩公式：式中，,转矩常数,可见，异步电动机的电磁转矩Te的大小：与每极磁通m、归算后转子电流的有功分量 成正比。,50,第四节 三相异步电动机的 工作特性及其测取方法,异步电动机的工作特性U1=U1N、f=fN时，n=f(P2)、I1=f(P2)、 =f(P2)、Te=f(P2)、=f(P2
20、)。,直流电动机工的作特性U=UN，R=0、If=IfN时，n=f(P2) 、Te=f(P2)、=f(P2) 或 n=f(Ia)、 Te=f(Ia)、=f(Ia)。,51,一、工作特性的分析,1、转速特性,空载时：P20 I2 0 s 0 nns 负载增加时： P2nE2sI2Tes,对异步电动机： 额定负载时转差率为1.5%5%，n=(1-sN)ns=(0.9850.95) ns,52,2、定子电流特性,电流平衡方程式,空载时：P20 I2 0 I1Im 负载增加时： P2nE2sI2F1I1P2,3、功率因数特性,对电源来说，异步电动机相当于一个感性阻抗 空载时：I1Im ，功率因数约为0
21、.10.2 负载增加时：I2有功分量I1有功分量功率因数 额定负载时最大 超过额定负载后：s2I2无功分量功率因数,53,4、电磁转矩特性,5、效率特性,可变损耗小于不变损耗时，效率随负载的增加而增加； 可变损耗等于不变损耗时，效率最大； 可变损耗大于不变损耗时，效率随负载的增加而减小。,负载不超过额定值时，转速变化很小，T0可以认为基本不变。,54,第五节 三相异步电动机 参数的测定,空载状态的励磁参数：励磁阻抗Zm、Rm、Xm决定于电动机主磁路的饱和程度，是一种非线性参数。,堵转电流时的参数：对应堵转电流的漏阻抗Z1、R1、X1、 、 、与电动机的饱和程度无关，是一种线性参数,分别通过空载
22、试验和堵转试验测定。,55,一、空载试验与励磁参数的确定,1、空载试验,异步电动机在额定电压、额定频率下，轴上不带任何负载运行。,调节电源电压从（1.11.3）开始，下降到转速发生明显变化时，测量点，记录端电压、空载电流、空载功率和转速。,56,2、励磁参数与铁耗及机械损耗的确定,(1)机械损耗和铁耗的分离,铁耗与端电压平方成正比 机械损耗仅与电动机转速有关 空载状态下，电动机转速nns,空载时，s0，I20,57,(2)励磁参数的确定,空载时，s0，等效电路中的附加电阻无穷大，电路呈开路状态。,58,二、堵转试验及堵转时参数的确定,堵转时，s=1，n=0，即附加电阻为零。从U10.4U1N开
23、始往下测量57个点，记录端电压、堵转电流和功率，并测量定子绕组的电阻。 根据测量数据绘制电动机的堵转特性I1k=f(U1)，p1k=f(U1)。,59,Zm 励磁支路相当于开路，铁耗忽略不计。 输出功率和机械损耗为零，全部输入功率都变成定子铜耗转子铜耗。,Im0，故 I1=I1K，则,对于大中型异步电动机 对于100KW以下的小型异步电动机 (2、4、6极) ， ， (8、10极) 。,60,第六节 三相异步电动机的 转矩与转差率的关系,三相异步电动机的机械功率为输出机械转矩与转 速的乘积；输出转矩是输出机械功率的主要成分；转速的派生量为转差率，是异步电动机的基本变 量之一;研究Te与s的关系
24、还可以借以阐明其他如单相异步 电动机、伺服电动机等电动机的工作原理。,61,已知,由近似等效电路可得,则,62,临界转差率sm,最大转矩,令dTe/ds=0，即可求得最大转矩Tmax，以及所对应的转差率临界转差率sm,正号对应于电动机状态，负号对应于发电机状态,通常 故,63,有sm和Tmax公式可知:,电动机各参数及电源频率不变时， 与 成正比，sm不变,电源频率与电压不变时， sm与 近似地与 成正比,与 之值无关， sm则与 成正比,对于绕线式 异步电动机，当转子电路串联某一电阻R时，可使 sm=1（相当于n=0），即起动是有最大转矩Tmax。此时转子电路的总电阻为,由此可求得,64,第
25、七节 单相异步电动机,由单相电源供电基本原理建立在三相异步电动机的基础上结构和特性方面与三相异步电动机不同,65,一、单相异步电动机的工作原理,由单相交流电 所建立的磁动势是一种脉振磁动势，仅考虑基波分量：,一个脉振磁动势可分解为两个幅值相等(为脉振磁动势幅值一 半)，转速相同但方向相反的两个旋转磁动势。 用空间矢量表示：F+称为正转磁动势；F-称为反转磁动势。,1.单相交流电建立的磁动势,66,F+ 和F-分别建立正转磁场和反转磁场，磁通分别为+和- 两个磁场切割转子绕组，产生正转和反转转矩Te+和Te-。,正转磁场,反转磁场,单相异步电动机特性： 电动机静止时，合成转矩为零，电动机无起动转
26、矩； 若外力拖动电动机正向或反向转动，撤去外力后，电动机将继续加速到接近同步转速。,Te-s曲线,单相异步电动机起动的关键脉振磁动势变成旋转磁动势,67,从电磁效应考虑，可用定子磁动势轴线 及其垂直轴线（分别为d轴和q轴）上各有两根导条的转子代替n根导条均匀分布的实际笼型转子。 电机不转时，脉振磁场仅仅在线圈1-1内产生感应电动势和电流。 线圈1-1两根导体边所受电磁力互相抵消，不能形成电磁转矩。 用外力拖动转子逆时针旋转，线圈2-2切割脉振磁场，感应产生电动势及电流；线圈1-1不切割磁场，无电动势和电流。,转子转动后，电动机内的电磁情况发生了什么变化？,68,设 ，则每极脉振磁通为：,分别在
27、线圈1-1和线圈2-2中感应出变压器电动势ed和速度电动势eq,q轴线圈可以认为是一种电抗器，其阻抗是一种纯电感， 滞后于 90o电角度。,与 同相位，因此， 及 其建立的脉振磁动势Fq在时间上滞后于 和建立 的定子脉振磁动势Fd 90o电角度。,69,单相异步电动机转动时，存在空间和时间上均相差90o电角度两种脉振磁动势：,合成磁动势为：,若Fd=Fq=F1，则,正转圆形旋转磁动势,70,如FdFq=F1，若FdFq，则F+=(Fd+Fq)/2 (Fd-Fq)/2 ，即正转磁动势幅值大于反转磁动势幅值。,用矢量描述合成磁动势,F+为正转（逆时针）磁动势矢量，F-为反转磁动势矢量； t=0时，
28、 F+ 与F-重合； t=/3，2/3时， 等几个瞬间，F+ 与F-合成，结果为正弦分布、幅值变动、非恒速旋转的磁动势，其矢量端的轨迹为一椭圆。 合成磁动势的幅值（椭圆长轴）为正转和反转磁动势幅值之和，最小幅值（椭圆短轴）为正转和反转磁动势幅值之差。,71,单相异步电动机一经转动，由于出现交轴磁动势，其磁动势即由脉振磁动势变为旋转磁动势； 随着转速的增大，Eq与n称正比，Iq与Fq逐渐增大， F+ 增加，F- 减小，合成磁动势接近于圆形旋转磁动势；,单相异步电动机付诸实用的关键问题起动问题,72,二、单相异步电动机起动方法,单相异步电动机静止时，其脉振磁动势由正、反幅值相等的旋转磁动势合成无起
29、动转矩； 削弱其中一个磁动势，则变成旋转磁动势产生起动转矩； 解决单相异步电动机起动的根本措施使电动机中再建立一个脉振磁动势，其相位和位置不同于原来存在的脉振磁动势。 按照起动方法和结构的不同，分为分相式和罩极式两种,73,分相式电动机的主绕组和辅助绕组(气动绕组)空间上相差90电角度，接在同一单相电源上。 在辅助绕组中串入适当的电容、电阻或电感，使两个绕组电流的相位不同，获得空间上相差90o而时间上相差一定电角度的两种脉振磁动势。 两种脉振磁动势合成一种旋转磁场，从而产生起动转矩。 分为电阻分相和电容分相,1、分相式电动机,74,1）电阻分相电动机,辅助绕组用细铜丝绕制，匝数较多，使得其电阻
30、增大，电流超前于主绕组电流，形成两相电流 均为感性阻抗，相位差达不到90o，起动转矩小，起动电流大,2）电容分相电动机,辅助绕组串联适当的电容，使电动机辅助绕组中的电流相位超前主绕组电流相位90 起动转矩较大，起动电流较小,75,2、罩极式电动机,定子铁心每极上装有集中绕组(主绕组)，每极极靴的一边开槽嵌入短路铜环，称为罩极线圈； 穿过短路铜环的总磁通是由两部分磁通合成的， 与未穿过铜环部分的磁通 形成一定的相位差。 两个磁通在空间位置和时间相位上均有差异。,76,三、单相异步电动机的用途,小容量单相异步电动机用于日常生活、家用电器、医疗器械以及某些工业装置。 罩极式主要用于小台扇、电唱机和录音机中，容量一般在几十瓦以下； 电容分相式电动机应用于需要较大起动转矩的装置，如空气压缩机、空气调节器、电冰箱等，容量在几百瓦以下。,77,本章小结,掌握三相异步电动机负载运行时的电磁过程分析方法：转子磁动势的方向、大小；磁动势平衡；电磁关系；基本方程式 掌握三相异步电动机等效电路分析方法：根据频率和绕组归算后的基本方程式和电磁关系，画出等效电路 掌握三相异步电动机的功率转换过程，功率方程式，转矩方程式，电磁转矩公式 掌握三相异步电动机的工作特性 掌握三相异步电动机转矩与转差率的关系 理解单相异步电动机的工作原理和起动方法,78,第五章 结束,
