1、电机及拖动基础,电子与信息工程学院 电气工程及自动化系 杨玉杰 朱连成,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,2/67,第一节 三相异步电动机的基本原理,如图所示，如在某种因素的作用下，使磁极以n1的速度逆时针方向旋转，形成一个旋转磁场，转子导体就会切割磁力线而感应电动势e。 感应电动机的旋转磁场是由装在定子铁心上的三相绕组，通入对称的三相电流而产生的。,一、三相异步电动机的基本工作原理,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,3/67,用右手定则可以判定，在转子上半部分的导体中，感应电动势的方向为 ，下半部分导体的感应电动势的方向为 ，在感应电动势的作用下，导体中就有电流i
2、，若不计电动势与电流的相位差，则电流i与电动势e同方向。载流导体在磁声中将受到一电磁力的作用，由左手定则可以判定电磁力F的方向。由电磁力F所形成的电磁转矩T使转子以n的速度旋转，旋转方向与磁场的旋转方向相同。即异步电动机的基本工作原理,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,4/67,异步电动机的转子速度不可能等于磁场旋转的速度，这种电动机一般也称之为异步电动机。旋转磁场的旋转速度n1称为同步转速。由于转子转动的方向与磁场的旋转方向是一致的，所以如果n=n1，则磁场与转子之间就没有相对运动，它们之间就不存在电磁感应关系，也就不能在转子导体中感应电动势、产生电流，也就不能产生电磁转矩。,
3、2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,5/67,转子转速n与旋转磁场转速 n1 之差称为转差n,转差与磁场转速n1之比,称为转差率s。,式中： n1：旋转磁场同步转速； n ：转子转速。 一般n略小于n1。 当n=nN时，s为额定转差率，sN一般为2%-6%。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,6/67,二、三相异步电机的结构,绕线转子异 电机剖面图1转子绕组 2段盖 3轴承 4定子绕组 5转子 6定子 7集电环 8出线盒,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,7/67,1结构： 1)定子：定子铁芯，定子绕组，机座 2)转子：转子铁芯，转子绕组（笼型绕组、绕线
4、型绕组）。 3)气隙：中小型气隙大小可达0.21.5mm；大型气隙可达12mm.,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,8/67,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,9/67,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,10/67,2)绕线转子照片,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,11/67,3）绕线型绕组接线示意图,3、气隙 气隙大：产生同样大小 磁通所需的励磁电流就 答，从而电机的功率因数小； 气隙小：制造困难或运 行时定转子间易发生摩擦。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,12/67,三、 三相异步电动机的铭牌数据,额定功率 电动机
5、在额定运行时输出的机械功率,单位 kW,额定电压 在额定运行状态下，电网加在定子绕组的线电压，单位 V,额定电流 电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位 A,额定频率 我国的电网标准频率为 50Hz,额定转速 电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的转速，单位 r/min,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,13/67,第二节 三相异步电动机的定子磁场和感应电动势,一、交流绕组的一些基本知识和基本量,交流绕组产生的磁场既是时间的函数，又是空间的函数,异步电动机从定子绕组上输入电功率后，产生旋转磁场，它切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，旋转磁场切割转
6、子绕组，在转子绕组中产生相应的感应电动势，通过电磁感应使转子绕组中产生电磁转矩，将能量传递给转子，使转子输出机械能，实现能量转换。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,14/67,2、线圈组成交流绕组的单元是线圈。线圈是由一匝或多匝串联而成，它有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,15/67,4、槽距角 相邻槽之间的电角度称为槽距角 若Q1为定子槽数，p为极对数，则槽距角,5、每极每相槽数q 每一极每相绕组所占槽数，用符号q表示（m相数）,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,16/67,二、单相绕组的磁动势 脉振磁
7、动势,（一）整距线圈的磁动势,1、单个线圈的磁动势,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,17/67,整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，空间的分布总是一个矩形波。这种从空间上看位置固定，从时间上看大小在正负最大值之间变化的磁动势，称为脉振磁动势。脉振的频率就是交流电流的频率。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,18/67,四极整距线圈的磁动势,应用傅氏级数对矩形波进行分解。矩形波中含有1，3，5，奇次谐波，又对称于纵轴。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,19/67,1、整距线圈的线圈组磁动势,（二）线圈组的磁动势,2019年7月23日3时59分,电机及拖
8、动基础,20/67,2、短距线圈的线圈组磁动势,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,21/67,短距线圈节距缩短的（电）角度,称为基波磁动势的短距系数,式中,短距线圈组的磁动势,同理，对于v 次谐波,式中,称为谐波磁动势的短距系数,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,22/67,（三）相绕组的磁动势,绕组由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该打一个折扣kq1； 线圈由整距改为短距的基波合成磁动势幅值应该打一个折扣ky1；因此，由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数kw1=kq1ky1，称为基波绕组系数。
9、,对于v 次谐波 kwv=kqvkyv,对于单相绕组磁动势性质： 1）单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值 随时间变化的脉振磁动势。 2）单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,23/67,3）单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为 而v 次谐波磁动势幅值为：谐波次数越高，幅值越小。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,24/67,三、三相绕组的磁动势 旋转磁动势,取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为x的正方向，同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点，则三相的基波磁动势为：,2019年7
10、月23日3时59分,电机及拖动基础,25/67,利用三角公式,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,26/67,（m1为相数）,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,27/67,三相绕组合成磁动势是一个大小不变、旋转的行波,旋转磁场的转速,可以得出结论，当某相电流达到最大值，旋转磁动势的幅值就将转到该相绕组的轴线处。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,28/67,如果电流是正序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向B相，再转向C相。如果电流是负序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向C相，再转向B相。 因此，如果要改变三相异步电动机磁场的旋转方向，只要改变定子电流的相
11、序，把定子绕组三个出线端的任意两个（例如B端和C端）对调即可。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,29/67,从而可得出,结论：一个正弦分布的幅值为F1,的脉振磁势波可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势波，其幅值均为F1/2，转速均为同步转速。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,30/67,三相基波合成磁动势（旋转磁动势）特性： 1）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速 ，旋转方向决定于电流的相序。 2）幅值F1不变，为各相脉振磁动势幅值的1.5倍，旋转幅值轨迹是一个圆。 3）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合成磁动势的幅值，恰好在
12、这一组绕组的轴线上。,4）推论： m相对称绕组中通以m相对称电流时，所形成的m相合成磁动势也是圆形旋转磁动势，其幅值为各相脉振磁动势幅值的m/2，其转速仍为同步转速。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,31/67,三次谐波表达式为：,结论：交流电机的磁场中不含三及三的倍数次谐波,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,32/67,旋转磁场的产生,规定,()电流出,()电流入,三相电流合成磁 场 的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,o,取决于三相电流的相序,旋转磁场的旋转方向,结论： 任意调换两根 电源进线，则旋转 磁场反转。,任意调换两根电源
13、进线,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,36/67,五、三相异步电动机定子绕组的电动势,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,37/67,1、绕组的感应电动势,气隙磁密分布,定子绕组内切割气隙磁场，在定子绕组中所感应产生的电动势。,1）整距线圈的电动势,瞬时值的表达式,有效值的表达式,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,38/67,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,39/67,2、线圈组的感应电动势,一个线圈组电动势的有效值为,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,40/67,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,41/67
14、,3、相绕组的感应电动势相电势,对单层绕组而言，每个相绕组有p个线圈组，并联支路数为a，每个线圈的匝数为Ny，则每个相绕组串联匝数为,对双层绕组而言，每个相绕组有2p个线圈组，每个相绕组串联匝数为,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,42/67,例一台四极三相异步电动机，定子槽数为36，计算其基波和5次、7次谐波磁动势的分布系数。,解 计算每相每极槽数q和值,基波分布系数,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,43/67,五次谐波分布系数,七次谐波分系系数,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,44/67,第三节 三相异步电动机运行原理,一、三相异步电动机的空载
15、运行 （一）空载运行的空载电流和磁动势,1.空载电流:电动机空载，定子三相绕组接到对称的三相电源时，在定子绕组中流过的电流。输出功率为0即负载转矩为0。此时的电流用于产生空载磁场。 2.空载电流： 3.空载磁势：,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,45/67,主磁通0：作用：传递能量的媒介作用；路径：定子气隙转子气隙定子。 漏磁通1 ： 不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降作用； 包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次谐波。,空载磁通：,（二）空载时电压平衡方程式及等效电路,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,46/67,二、异步电动机负载运行,（一）负载时气隙磁动势,1
16、.当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过三相交流电流。若不计谐波和齿槽影响，这个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布、并且以同步转速n1旋转的旋转磁动势 ，由旋转磁动势 建立旋转的气隙主磁场Bm。,2.转子磁动势这个旋转磁场切割定子、转子绕组，分别在定子、转子绕组内感应出定子电动势和转子电动势。在转子电动势作用下转子回路中有对称三相电流流过。于是，在气隙磁场和转子电流的相互作用下，产生了电磁转矩，转子就顺着旋转磁场的方向转动。同时由于转子回路中有三相电流流过，因此转子绕组中也产生磁动势,3、转子磁动势 的旋转方向,如果相序为A-B-C的异步电动机定子电流所产生的
17、旋转磁场按逆时针方向旋转，因为nn0，则转子电流相序为a-b-c 。则转子磁动势F2的旋转方向也按照相序a-b-c，即：按逆时针方向。即与定子磁场的转向相同。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,48/67,4、 转速的大小,转子绕组内感应电动势和电流的频率为,f2为称为转差频率，转子电流形成的转子磁动势F2的旋转方向与F1的旋转方向相同，它相对于转子的转速为n，而相对于定子的转速为n+n=n1。,即 和 相对静止,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,49/67,（二）磁动势平衡,转子磁动势F2与定子磁动势F1相对静止，得到合成磁动势F1+F2,负载时,空载时,电动机从
18、空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小，差不多和电源电压相平衡。所以，可以近似认为,于是,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,50/67,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,51/67,（三）基本电磁关系,有效值,相量表达式,定、转子的漏磁通在各自绕组中感应产生漏电动势,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,52/67,（四）基本方程式,1.磁动势平衡方程式,式中：m1、m2为定子、转子的相数；Im为对应于励磁磁动势的励磁电流。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,53/67,2.电动势平衡方程式,Zm为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称
19、为励磁阻抗；Xm称为励磁电抗；Rm为反映铁耗的励磁电阻。,因此,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,54/67,异步电动机负载时的基本方程式列出如下,旋转时异步电动机的电路,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,55/67,（五） 三相异步电动机的等效电路,为电（动）势变比,1.频率折算,频率折算 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。在这里，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。 折算条件： 1）进行折算后，转子电路对定子电路的电磁效应不变。 2）等效的转子电路的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等
20、）必须和实际转子电路一样。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,56/67,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,57/67,转子不转时转子电路中电流,转子旋转时转子电路中的电流,在附加电阻 上产生的功耗，实质上表征了异步电动机的机械功率,满足折算条件，实现了频率折算，将旋转的转子用静止的转子代替。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,58/67,2.绕组归算,由转子磁动势不变,式中：,称为电流变比,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,59/67,由转子总的视在功率不变,式中,由转子铜耗和漏磁通储能不变,称为电势变比,2019年7月23日3时59分
21、,电机及拖动基础,60/67,3. 等效电路,经过折算后，定子、转子的电动势方程式,磁动势方程式,励磁支路的电动势方程式,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,61/67,（六）几种异步电动机的典型运行情况,1、空载运行,2、额度负载下运行,转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。,3、起动时的情况,附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。,4、异步发电运行,转差率为负，附加电阻也为负值。表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,62/67,5、电磁制动状态运行,，附加电阻为负值， 表示从转子轴上输入（而 不是输出）机械功率。,20
22、19年7月23日3时59分,电机及拖动基础,63/67,例一台2对极的三相异步电动机，有关数据如下：,定子绕组为三角形接法，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,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,64/67,（1）用T形等效电路计算,设 ，定子电流,定子线电流有效值,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,65/67,定子功率因数,定子输入功率,转子电流 和励磁电流,效率,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,66/67,（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,2019年7月
23、23日3时59分,电机及拖动基础,67/67,定子电流,定子线电流有效值,定子功率因数,定子输入功率,效率,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,68/67,第四节 三相异步电动机的功率和转矩,一、功率流程图,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,69/67,二、功率平衡方程式,：转子功率因数角,输入功率,定子铜损耗：,铁耗：,转子铜损耗：,电磁功率：,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,70/67,总机械功率,三、转矩方程式,式中：T2输出转矩;,TO空载转矩,四、电磁转矩公式,注意：,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,71/67,转矩常数,中的数据，还知道电动机的机械损耗 为100w ，额定负载时的附加损耗为50w ，试计算各种功率和转矩。,例一台2对极的三相异步电动机，有关数据如下：,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,72/67,转子机械角速度,总机械功率,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,73/67,电磁功率,负载转矩,空载转矩,电磁转矩,2019年7月23日3时59分,电机及拖动基础,74/67,第五节 三相异步电动机的工作特性,一、转速特性,二、定子电流特性,三、功率因数特性,四、电磁转矩特性,五、效率特性,
