1、第四章 感应电机 异步电机主要用作电动机，将电能转换为异步电机主要用作电动机，将电能转换为机械能，拖动各种生产机械。结构简单、制造、机械能，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。速性能差。 感应电机（异步电机）：定、转子间靠感应电机（异步电机）：定、转子间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转换。现机电能量转换。第四章 感应电机第一节第一节 三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机
2、的基本工作原理一、转动原理1 1、电生磁、电生磁：三相对称绕组通以三相对称绕组通以三相对称电流产生圆形旋转磁场。三相对称电流产生圆形旋转磁场。2 2、磁生电、磁生电：旋转磁场切割转旋转磁场切割转子导体感应电动势，产生感生电子导体感应电动势，产生感生电流。流。3 3、电磁力、电磁力：转子载流（有功转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。为机械能。XAZBCYSanxiangboxingtu A相相B相相C相相第四章 感应电机异步电机外形图 异步电机结构图第二
3、节第二节 异步电机的基本结构异步电机的基本结构第四章 感应电机第四章 感应电机第四章 感应电机一.定子 定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。第四章 感应电机定子铁心定子铁心第四章 感应电机 定子铁心的槽形主要有三种：半闭口槽适用于小型异步电机，其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适用于低压中型异步电机，其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电机，其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。 第四章 感应电机一一. 定子定子 定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流、实
4、现机电能量转换。第四章 感应电机外壳和机座外壳和机座 机座：固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。第四章 感应电机二. 转子 转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。 转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼型绕组和绕线型绕组。 转轴：支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。 第二节第二节 异步电机的基本结构异步电机的基本结构第四章 感应电机二二. 转子转子 笼型绕组：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。这种笼型绕组一般为铝浇铸的
5、，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。第四章 感应电机二. 转子 绕线型绕组：与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速。 第四章 感应电机 三. 气隙 定、转子之间的间隙，也是电机主磁路的组成部分。 气隙大小对异步电机的性能影响很大。 为了减小电机主磁路的磁阻，降低电机的励磁电流，提高电机的功率因数，气隙应尽可能小。异步电机气隙长度应为定、转子在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值。 中、小型异步电
6、机中，气隙长度一般为0.21.5mm。第四章 感应电机额定功率额定功率P PN N：是转轴上输出的机械功率，单位为W或kW。 额定电压额定电压U UN N：施加在定子绕组上的线电压，单位为V。 额定电流额定电流I IN N：电动机在额定电压、额定频率下，轴端输出额 定功率时，定子绕组的线电流，单位为A。 额定频率额定频率f fN N：我国电网频率fN=50Hz。 额定转速额定转速n nN N：电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定 功率时，转子的转速，单位为r/min。额定效率额定效率N N额定功率因数额定功率因数coscosN N NNNNNcos3IUP 四、异步电动机的额定值四、异步电
7、动机的额定值三相异步电动机额定值之间的关系第四章 感应电机五、异步电机的转差率五、异步电机的转差率同步转速n1-定子绕组中流过频率为f1的三相对称电流，在气隙中产生的基波旋转磁场相对于定子绕组的转速为n1。该转速大小取决于电流的频率f1和绕组的极对数p，转向为从超前电流相绕组转向滞后电流相绕组。转子转速n-转子的机械转速。pfn116011nnns转差率s-同步转速n1与转子转速n之差对同步转速n1之比值第四章 感应电机根据转差率的大小和正负根据转差率的大小和正负, ,异步电机有三种运行状态异步电机有三种运行状态机械能机械能转变为电能转变为电能电能和机械能电能和机械能变成内能变成内能电能转变为
8、机电能转变为机械能械能能量关系制动制动制动制动驱动驱动电磁转矩 转差率 转速外力使电机快速旋转外力使电机沿磁场反方向旋转定子绕组接对称电源实现发电机发电机电磁制动电磁制动电动机电动机状态状态10nn 0n1nn 10 s1s0s六、异步电机的三种运行状态六、异步电机的三种运行状态第四章 感应电机第三节第三节 交流电机的绕组交流电机的绕组一、三相交流绕组的构成原则一、三相交流绕组的构成原则 交流绕组是电机实现能量转换的一个主要部件。按槽内交流绕组是电机实现能量转换的一个主要部件。按槽内层数分有单层、双层绕组；单层又分等元件式、同心式、链层数分有单层、双层绕组；单层又分等元件式、同心式、链式和交叉
9、式等；双层又有叠绕和波绕之分；按每极每相所占式和交叉式等；双层又有叠绕和波绕之分；按每极每相所占槽数又分为整数槽和分数槽绕组。槽数又分为整数槽和分数槽绕组。三相绕组遵循的原则三相绕组遵循的原则（1 1）均匀原则：各相绕组在每极下所占的槽数应相等；）均匀原则：各相绕组在每极下所占的槽数应相等；（2 2）对称原则：三相绕组的结构完全一样，在电机的空间上）对称原则：三相绕组的结构完全一样，在电机的空间上 互相错开互相错开1201200 0电角度电角度；（3 3）电动势相加原则：线圈两个边的电动势应相加；线圈与）电动势相加原则：线圈两个边的电动势应相加；线圈与 线圈之间的连接也应符合这一原则。线圈之间
10、的连接也应符合这一原则。（4 4）在产生一定大小电动势和磁动势、且保证绝缘性能和机）在产生一定大小电动势和磁动势、且保证绝缘性能和机 械强度可靠的条件下，尽量减少用铜量，并且制造检修方便。械强度可靠的条件下，尽量减少用铜量，并且制造检修方便。第四章 感应电机 线圈（绕组元件）：线圈（绕组元件）：是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈按一定规律的排列和联结。线圈可以区分为多匝线圈和单匝线圈。与线圈相关的概念包括：有效边有效边；端部端部；线圈节距线圈节距等二、三相交流绕组的基本概念二、三相交流绕组的基本概念第四章 感应电机 极距极距：沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围； 用长度表示/用槽数表示； 电角度
11、：电角度： 转子铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360度。 从电磁角度看，一对NS极构成一个磁场周期，即1 对磁极为360电角度； 电机的极对数为p时，气隙圆周的角度数为p 360电角度。电角度机械角度电角度机械角度P第四章 感应电机 单层绕组一个槽中只放一个元件边； 双层绕组一个槽中放两个元件边。第四章 感应电机 一个槽所占的电角度数称为槽距角，用表示； 每个极域内每相所占的槽数称为每极每相槽数，用q表示。pmZq2槽距角，相数，每极每相槽数槽距角，相数，每极每相槽数第四章 感应电机交流绕组单层绕组双层绕组同心式绕组链式绕组交叉链式绕组等元件式整距叠绕组双层叠绕组双层波绕组三、交流绕组的形
12、式三、交流绕组的形式第四章 感应电机整距单层叠绕组整距单层叠绕组第四章 感应电机同心式绕组同心式绕组第四章 感应电机链式绕组链式绕组第四章 感应电机交叉链式绕组交叉链式绕组第四章 感应电机双层叠绕组双层叠绕组第四章 感应电机四、单层叠绕组的构成四、单层叠绕组的构成1. 1. 分极分相：分极分相：将总槽数按给定的极数均匀分开（N、S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。 将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。 实例：Z24（槽）、m3（相）、2p4（极）的单层叠绕组基本步骤：pmZq2每极每相槽数第四章 感应电机pmZq2第四章 感应电机2. 2. 连线圈和线圈组：连线圈和
13、线圈组： 将一对极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线 圈，共有q个线圈。 将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组；（共有多少个线圈组？） 以上连接应符合电势相加原则。 第四章 感应电机线圈组连接线圈组连接第四章 感应电机 将属于同一相的q个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。 串联与并联：电势相加原则。最大并联支路数ap。连相绕组连相绕组第四章 感应电机 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组； 接法或Y接法；连三相绕组连三相绕组第四章 感应电机第四节第四节 交流绕组建立的磁动势交流绕组建立的磁动势一、交流电机定子单相绕组的磁势一、交流电机定子单相绕组的磁势1、单个整距集中绕组的磁
14、势、单个整距集中绕组的磁势 一个整距线圈在异步电机中产生的磁势第四章 感应电机 磁力线穿过转子铁心，定子铁心和两个气隙 相对于气隙而言，由于铁心磁导率极大，其上消耗的磁势降可以忽略不计 ，线圈在一个气隙上施加的磁势为： yyyiNf21 如果通过线圈的电流为正弦波， 则矩形波的高度也将按正弦变化。 一个位置固定，幅值随时间按正弦变化，矩形脉振磁势。矩形脉振磁势矩形脉振磁势第四章 感应电机 脉振磁势可以表示为 tcosF tcos22yyyyINfyyyINF22为幅值 按照富立叶级数分解的方法可以把矩形波分解为基波和一系列谐波 基波幅值为：yyyyyyININFF9 . 022441 高次谐波
15、的幅值为yyyyINFF9 . 011 矩形波脉振磁势的分解矩形波脉振磁势的分解第四章 感应电机基波在空间按正弦分布；在时间上，任何一个位置的磁势都按正弦变化。所以基波是一个正弦分布的正弦脉振磁势（驻波） 。其表达式为： tcoscos11xFfyy第四章 感应电机1,sft1t1t2t2t3t3ts第四章 感应电机 由q个线圈构成的线圈组，由于线圈与线圈之间错开一个槽距角，称为分布绕组。2、 （1）整距分布绕组的磁势）整距分布绕组的磁势 分布绕组有利于削弱谐波分布绕组有利于削弱谐波第四章 感应电机 取单个线圈的基波进行分析（为正弦脉振磁势），q个正弦脉振磁势在空间依次错开一个槽距角； 线圈组
16、的磁势为：11119 . 0qyyqyqkqNIkqFF2sin2sin111qqqFFkyqq第四章 感应电机（2）双层短距绕组的磁势）双层短距绕组的磁势 双层整距绕组可以等效为两个整距单层绕组 两个等效单层绕组在空间分布上错开一定的角度，这个角度等于短距角； 双层短距绕组的磁势等于错开一个短距角的两个单层绕组的磁势在空间叠加。111wyqkkk短距绕组有利于削弱谐波短距绕组有利于削弱谐波分布系数分布系数短矩系数短矩系数第四章 感应电机多极电机：如果只看每对极产生的磁动势，与上面的两极电机完全一样，所以多极电机只研究每对极磁动势即可。 一相绕组的总磁动势平均作用于各个磁极， 单相绕组磁动势，
17、不是一相绕组的总磁动势， 而是其作用于一个磁极的磁动势。 2yyiN2yyiN-9009002700需澄清的两个概念需澄清的两个概念第四章 感应电机二、三相基波旋转磁势二、三相基波旋转磁势 单相正弦脉振磁势的分解： 设A相绕组通过电流： tcos2Iia 其基波磁势为: tcoscos1xFfa-11FF t)cos(21 t)cos(21xFxFfa F最高点的运行轨迹为xt ，即最高点的位置随时间 以角速度运动。 F最高点的运行轨迹为xt ，即最高点的位置随时间以角速度运动。第四章 感应电机脉振驻波分解为两个行波脉振驻波分解为两个行波xA脉振驻波脉振驻波右行行波右行行波左行波波左行波波第四
18、章 感应电机结论结论:（1）单相绕组的基波磁动势为脉动单相绕组的基波磁动势为脉动, ,它可以分解为大小相等、它可以分解为大小相等、转速相同而转向相反的两个旋转磁势。转速相同而转向相反的两个旋转磁势。（2 2）反之）反之, ,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势磁动势. .（3）正反两个旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，所以称）正反两个旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，所以称这两个磁动势为圆形旋转旋转磁动势。这两个磁动势为圆形旋转旋转磁动势。第四章 感应电机 三相基波磁势合成旋转磁势 三相对称电流：三相对称电流通过三相对称绕组时各自产生的磁势
19、：)480 cos(21) cos(21)240 cos()240cos()240 cos(21) cos(21)120 cos()120cos() cos(21) cos(21 coscos011001011001111txFtxFtxFftxFtxFtxFftxFtxFtxFfcba)120 tcos(2)120- tcos(2 tcos200IiIiIicba第四章 感应电机三相合成磁势为三相合成磁势为) cos(2311txFffffcba 三相对称交流绕组通过三相对称电流时将产生旋转磁势。第四章 感应电机关于旋转磁势的进一步讨论关于旋转磁势的进一步讨论 三相对称交流绕组通过三相对称交
20、流电流时，三个反向旋转磁势在空间错开120电角度相互抵消，三个正向旋转磁势在空间同相位，合成一个圆形旋转磁势。 圆形旋转磁势的幅值为：11111135. 19 . 02323wwkpNIkpNIFF 圆形旋转磁势的转速为：pfn601 当某相电流达到最大值时，旋转磁势的波幅刚好转到该相绕组的轴线上，旋转磁势的转向:由带有超前电流的相转向带有滞后电流的相。N1为每相的串联匝数，/p为每极每相的匝数第四章 感应电机)120 tcos(2)120- tcos(2 tcos200IiIiIicba) cos(2311txFf 改变旋转磁场转向的方法：调换任意两相电源线（改变相序） 旋转磁势旋转磁势第四
21、章 感应电机三相（m相，m3）对称绕组通入三相（m相，m3）对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质(1)(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/23/2倍（倍（m/2m/2倍）。倍）。(2)(2)转向由电流相序决定转向由电流相序决定, ,从超前电流相转到滞后电流相。从超前电流相转到滞后电流相。(3)(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数。转速决定于电流的频率和电机的磁极对数。pfn601(4)(4)当某相电流达最大值时当某相电流达最大值时, ,旋转磁动势的波幅位置与该相绕组的旋转磁动势的波幅位置与该相绕组的 轴线重合
22、。轴线重合。总结总结第四章 感应电机三相绕组的合成三相绕组的合成 次谐波磁动势讨论次谐波磁动势讨论三次谐波磁动势的极对数是基波的三倍， 三相绕组各自建立的三次谐波磁动势表达式)240 cos(3cos)240 cos()240( 3cos)120 cos(3cos)120 cos()120( 3cos cos3cos03003303003333txFtxFftxFtxFftxFfcba三相合成的三次谐波磁动势03333cbaffff三相合成的三次谐波磁动势为零。三相合成的三次谐波磁动势为零。这个结论可推广到6k3的谐波次数。 第四章 感应电机第五节第五节 交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动
23、势电势：这里我们指在基波磁场的作用下而感生的电势。（变压器）：（电机）： mwkNfE11144. 4mNfE1144.4 ky1：基波短距系数 y1/18/95/67/93/42/3ky110.9850.9660.940.9250.866 kq1：基波分布系数 q123456 kq110.9660.960.9580.9570.957mwkNfE11144.4第四章 感应电机第六节第六节 转子静止时的异步电动机转子静止时的异步电动机 将异步电动机转轴卡住，转子绕组短路，在定子方施加三相对称电压，此时称其为转子静止时的异步电机。第四章 感应电机一、定、转子基波磁动势空间相对静止一、定、转子基波磁
24、动势空间相对静止u 定子三相对称绕组中，流过频率为定子三相对称绕组中，流过频率为f1的三相对称电流的三相对称电流I1，产，产生圆形旋转基波磁动势生圆形旋转基波磁动势F1，相对于定子绕组的转速为同步，相对于定子绕组的转速为同步转速转速n1，n160f1/p，转向为从超前电流相绕组轴线转向滞，转向为从超前电流相绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线。后电流相绕组轴线。u 定子旋转磁场定子旋转磁场切割转子绕组，产生频率为切割转子绕组，产生频率为f2（ f2 pn1 /60= f1 ）的三相对称感应电动势）的三相对称感应电动势在闭合的转子绕组中产在闭合的转子绕组中产生三相对称电流生三相对称电流I2产生圆形旋转
25、基波磁动势产生圆形旋转基波磁动势F2，相对于转，相对于转子绕组的转速为子绕组的转速为n2，n260f2/pn1，转向为从超前电流相，转向为从超前电流相绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线，即与定子旋转磁动势绕组轴线转向滞后电流相绕组轴线，即与定子旋转磁动势F1同转向。同转向。 F2与与F1同转速、同转向，故空间保持相对静止：同转速、同转向，故空间保持相对静止：n2 n1 第四章 感应电机二、电磁关系二、电磁关系U1.I1.F1I2.F2FmBm.mE1.E2.N1N2.1E.1.2E.2+I1R1.+I2R2.12mFFF第四章 感应电机1111ZIEU2222jXRIE1. 电压平衡方程式与电动势
26、变比三、电压、磁动势平衡方程式三、电压、磁动势平衡方程式第四章 感应电机R R1 1、R R2 2和和X X11、X X22分别为定、转子绕组的电阻和漏电抗。分别为定、转子绕组的电阻和漏电抗。Z Zm m=R=Rm m+j+jX Xm m为励磁阻抗，为励磁阻抗，R Rm m为励磁电阻，它是一个代表铁耗的为励磁电阻，它是一个代表铁耗的等效电阻；等效电阻；X Xm m为励磁电抗，它反映了主磁通在电路中的作用。为励磁电抗，它反映了主磁通在电路中的作用。 主磁通在定、转子绕组的感应电动势。主磁通在定、转子绕组的感应电动势。m11144. 4kfNjEwm22244. 4kfNjEw221121wwek
27、NkNEEk 定、转子绕组电动势之比称为定、转子绕组电动势之比称为电动势变比电动势变比KeKe第四章 感应电机2. 磁动势平衡方程式与电流变比由于定、转子磁动势由于定、转子磁动势F1F1与与F2F2空间保持相对静止，故可以合成为空间保持相对静止，故可以合成为一等效的励磁磁动势：一等效的励磁磁动势：01112w2221w111222IpkNmIpkNmIpkNmw021FFF222111wwikNmkNmk 电流变比：电流变比：01021IIIkIILi（三相合成基波磁势的幅值： ）01102242IpkNmFw第四章 感应电机0222w2221w111IpkNmIpkNmLI I1L1L称为定
28、子电流的负载分量。在负载运行时，异步电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动机定子电流I I1 1分成分成I I0 0和和I I1L1L两个分量：两个分量：I I0 0是励磁电流用于是励磁电流用于建立电机铁心中的主磁通建立电机铁心中的主磁通m m，I I1L1L是负载分量用于建立磁是负载分量用于建立磁动势动势F F1L1L去抵消二次侧磁势去抵消二次侧磁势F F2 2。2. 磁动势平衡方程式与电流变比第四章 感应电机3. 转子静止时的基本方程式组11011101(j)UEIRXEI Z 定子侧：转子侧：222222(j)UIRXI Z定转子关联方程：.12.11m/eiEk
29、EII kI定子主电动势方程：.1mmmmmjEI ZZRX5个方程式，5个未知量：模型完备，可以定解1E1I2E2ImI第四章 感应电机111122220121210mUEI ZEIRjXIIIEEEI Z 四、绕组折算和等效电路四、绕组折算和等效电路 1. 折算到定子方的方程式组为 第四章 感应电机四、绕组折算和等效电路四、绕组折算和等效电路 经折算后，同变压器类似，可得异步电动机在转子静止时的T型等效电路。2. 等效电路第四章 感应电机21sfsf22222ssXf LsX2222sssEIRjX第七节第七节 转子旋转时的异步电动机转子旋转时的异步电动机（4 4） 转子相电流转子相电流一
30、、转子旋转对转子侧各量的影响一、转子旋转对转子侧各量的影响（1 1） 转子系统频率转子系统频率f f2s2s（2 2） 转子相绕组感应电动势转子相绕组感应电动势E E2s2s（3 3） 转子相绕组漏阻抗转子相绕组漏阻抗f2s=p(n1-n)/602222244.4sEkNfEmwss第四章 感应电机112nnsnnn转子旋转磁动势相对定子的速度为转子旋转磁动势相对定子的速度为 可见可见, ,无论转子转速怎样变化无论转子转速怎样变化, ,定、转子磁动势总是定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，在空间上总是保持相对静止，以同速、同向在空间旋转，在空间上总是保持相对静止，共同建立稳定的气隙主磁场
31、。共同建立稳定的气隙主磁场。12msFFF二、定转子磁动势空间仍相对静止二、定转子磁动势空间仍相对静止F F1 1与与F F2s2s仍可空间矢量合成，等效为合成的激磁磁动势仍可空间矢量合成，等效为合成的激磁磁动势 第四章 感应电机定子侧：定子侧：转子侧：转子侧：.2s2s22s(j)EIRX1101UEI Z （2 2）磁动势方程式）磁动势方程式12msFFF三、基本方程式三、基本方程式（1 1）电压方程式）电压方程式第四章 感应电机 等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在异步电动机中，做等效电路遇到的两大障碍：异步电动机中，做等效电路遇到的两大障碍：
32、(1)(1)定转子电路的频率不相同；定转子电路的频率不相同；(2)(2)定转子边的相数，匝数，绕组系数不相等。定转子边的相数，匝数，绕组系数不相等。 折算的目的：求出等值电路。折算的目的：求出等值电路。 折算的内容：频率、匝数、相数。折算的内容：频率、匝数、相数。 折算的原则：等效。折算的原则：等效。四、四、 转子系统的折算与等效电路转子系统的折算与等效电路第四章 感应电机 转子系统的频率转子系统的频率f f2s2s sfsf1 1与定子系统的频率与定子系统的频率f f1 1不不相同，导致二者的基本方程式和等效电路均无法实相同，导致二者的基本方程式和等效电路均无法实现直接连通，得到统一的等效电
33、路，因此，需将转现直接连通，得到统一的等效电路，因此，需将转子系统的频率子系统的频率f f2s2s折算为定子系统的频率折算为定子系统的频率f f1 1 。第四章 感应电机1f1R 1X2Rn1U1I1E I2s 2sX2f2sE第四章 感应电机 转差率为转差率为s s的异步电动机转子电路频率：的异步电动机转子电路频率：1111126060)(sfpnnnnnnpf转子静止时转子静止时s=1s=1；则转子频率等于定子频率。；则转子频率等于定子频率。频率折算即是用静止的转子等效代替旋转的转子。频率折算即是用静止的转子等效代替旋转的转子。 频率折算后，磁势平衡不变。频率折算后，磁势平衡不变。频率折算
34、频率折算转子电流不变。转子电流不变。第四章 感应电机2222222222jXsREjsXREsZEIIssS2221RRsssR 结论：结论：频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻，电阻， 即可以把原来旋转的转子看成静止即可以把原来旋转的转子看成静止的转子。的转子。21Rss第四章 感应电机等效图等效图第四章 感应电机u 不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。 u 静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了机械功率。 u 静止的转子中多了一个附加电阻
35、，而电流没有变，所以多了一个电阻功率。 u 附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。 对频率折算的讨论对频率折算的讨论第四章 感应电机 异步电机频率折算后的方程式组与变压器的完全相对应，因此可以再通过绕组折算，得到转子旋转时异步电机的等效电路。1. 折算的目的、方法和条件目的：为了简化计算，便于导出一体化的等效电路。方法：把转子绕组折算到定子侧。用一个相数为m1、匝数为N1、绕组系数为kw1(与定子相同的)的等效转子绕组来替代实际的转子绕组。 条件：折算前后磁动势F2不变；折算前后转子的各种功率不变。绕组折算绕组折算第四章 感应电机 电流折算：根据磁势不变：222221112211122
36、221 9 . 029 . 02IkIkNmkNmIpIkNmpIkNmiwwww绕组折算绕组折算第四章 感应电机 电势折算：磁通应不变。22221122121211112 44. 444. 4EkEkNkNEkNfEkNfEewwww 阻抗折算：功率不变。22222211112222212222212221RkKRkNmkNmmmRIImmRRImRImeiww电抗和漏阻抗可同样折算电抗和漏阻抗可同样折算。电势、阻抗折算电势、阻抗折算第四章 感应电机22222222XjsRIEkkXjkskRIkkEeieiie经过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式折算后转子电路方程式：mmmmmmRZ
37、IjXRIEIIIXjsRIEEjXIEU)(;);(1212221211111第四章 感应电机T形等效电路形等效电路第四章 感应电机简化等效电路简化等效电路第四章 感应电机22IsR22IsR22IsR相量图相量图第四章 感应电机1 1）异步电动机主磁场为旋转磁场，变压器主磁场为脉动磁场）异步电动机主磁场为旋转磁场，变压器主磁场为脉动磁场4 4）由于存在气隙）由于存在气隙, ,异步电动机漏抗较变压器的大。异步电动机漏抗较变压器的大。5)5)异步电动机通常采用短距和分布绕组异步电动机通常采用短距和分布绕组, ,计算时需考虑绕组系数计算时需考虑绕组系数, ,变压器则为整距集中绕组变压器则为整距集
38、中绕组, ,可认为绕组系数为可认为绕组系数为1 1。2 2）异步电动机空载时）异步电动机空载时E E2 20,I0,I2 20 0, ,变压器变压器E E2 200，I I2 2=0 =0 。3 3）由于存在气隙，异步电动机）由于存在气隙，异步电动机I I0 0为为(20(203030)I)I1N1N，而变压，而变压器仅为器仅为2 21010。异步电动机与变压器的差别异步电动机与变压器的差别第四章 感应电机1r1x2r2x21rss1U1I0I2Imrmx1cupFep2cupmecPemP1P功率平衡关系五、功率平衡方程和转矩平衡方程五、功率平衡方程和转矩平衡方程 第四章 感应电机输入功率1
39、1111cosIUmP 定子铜损12111rImpcu定子铁损mFerImp201电磁功率srImppPPFecuem22 2111转子铜损22 2122222rImrImpcu机械功率22 21222211rssImrssImPmec输出功率admeccuemppPPP22第四章 感应电机P1PemP2pcu1pFepcu2p0 Pmec流程图流程图第四章 感应电机在式 的两边同时除以机械角速度 得：02pPPmec602 n02pPPmec即即：02TTTem02TTTem或或11)1()1(ememmecemPsPsPT电磁转矩电磁转矩转矩平衡关系转矩平衡关系第四章 感应电机22cosI
40、CTTem1、物理表达式22122112211)()(2xxsrrfsrpUmTem2、参数表达式ssssTTmmemmax23、实用表达式电磁转矩的三种表达方式电磁转矩的三种表达方式第四章 感应电机22cosICTTem表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的。22cosI1. 物理表达式物理表达式第四章 感应电机2、参数表达式、参数表达式22222222211cosRXSXSRSR22111111cos244. 4IfkNpfmTw22122112)(XXSRRUI根据简化电路得到的转子电流转子侧功率因数第四章 感应电机22122112211)()(2
41、xxsrrfsrUpmTem2. 参数表达式参数表达式说明：电磁转矩与电源参数（、f）、结构参数（r、x、m、p）和运行参数（s）有关。1. T Temem与与U U1 12 2成正比。成正比。2. f2. f1 1 T Temem 。3. 3. 漏电抗漏电抗X Xk k T Temem。第四章 感应电机maxT1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 300250200150100 50 012R22R32R42R12223242RRRR 11ST起动起动最大值最大值额定额定第四章 感应电机最大转矩可以根据高等数学中求极值的方法求得。 221212)(0XXRRSdSdTm令：221212
42、12111max21XXRRUmT代入转矩公式，得过载能力：最大转矩与额定转矩之比：NmTTmax（1.62.2)临界转差率临界转差率第四章 感应电机u最大转矩与电网电压的平方成正比； u最大转矩近似与漏电抗成反比； u最大转矩的位置可以由转子电阻的大小来调整； u最大转矩的值与转子电阻值没有关系；u频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；u异步电动机调节转子电阻机械特性变化（软硬特性的变化）。22121212111max21XXRRUmT第四章 感应电机22122112211)()(2xxrrfrpUmTst当其它参数一定时当其它参数一定时:1、起动转矩与电源电压平方成正比；2、频率越高，起
43、动转矩越小； 漏抗越大，起动转矩越小；NststTTK4、起动转矩倍数起动转矩起动转矩Tst和起动转矩倍数和起动转矩倍数Kst3、绕线式异步电动机在转子回路串入适当的电阻可以增大起动转矩（转子回路电阻越大，起动转矩先增后减 ）。 当 时，起动转矩最大221212)(XXRR第四章 感应电机三个重要关系式三个重要关系式sPpemcu2sPPemmec1 可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。2221;IsRmPem第四章 感应电机ssssTTmmmem2已知电机的
44、额定功率、额定转速、过载能力NNNnPT9550NTmTT11nnnsNN)1(2TTNmss忽略空载转矩，有NmmNmNssssTT2将将Tm和和sm代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式实用表达式实用表达式第四章 感应电机电动机组原来运行于某一转电动机组原来运行于某一转速，由于受到外界扰动而使速，由于受到外界扰动而使转速发生变化，当外界扰动转速发生变化，当外界扰动消失时，机组仍能恢复到原消失时，机组仍能恢复到原来的转速运行的，则称机组来的转速运行的，则称机组能稳定运行。能稳定运行。稳定运行：稳定运行：分析特性曲线：A点 A点 A点 C点： C点 ?点 TS01TmABCAC六
45、机械特性和运行稳定性分析六机械特性和运行稳定性分析第四章 感应电机u如变压器一样，对于已制成的异步电机可以通过空载试验和短路试验来测定其参数。u试验目的：测定励磁电阻Rm、励磁电抗Xm、铁耗pFe、机械损耗pmec。u试验方法：试验时电机轴上不带负载，用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，空载电流明显回升为止。在这个过程中，记录电动机的端电压U1、空载电流I0、空载损耗p0、转速n。绘制空载特性曲线如图所示。空载试验 七、七、 异步电动机的参数测定异步电动机的参数测定第四章 感应电机 由于异步电动机空载运行时
46、转由于异步电动机空载运行时转子电流小，转子铜耗可以忽略子电流小，转子铜耗可以忽略不计。在这种情况下，定子输不计。在这种情况下，定子输入功率消耗在定子铜耗入功率消耗在定子铜耗m1I02R1、铁耗铁耗pFe、机械损耗、机械损耗pmec，空载，空载附加损耗附加损耗pad0上上 p0=m1I02R1+pFe+pmec+pad0 从输入功率从输入功率p0中扣除定子铜耗，中扣除定子铜耗，得得p0 p0=p0-m1I02R=pFe+pmec+pad0空载试验 第四章 感应电机u损耗分离：在在p0的三项损耗中，机械的三项损耗中，机械损耗损耗pmec与电压与电压U1无关，在电动机转无关，在电动机转速变化不大时，
47、可以认为是常数。速变化不大时，可以认为是常数。pFe+pad0可以近似认为与磁密的平方可以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成正比，因而可近似认为与电压的平方成正比。故方成正比。故p0与与U12的关系曲线近的关系曲线近似为一直线。似为一直线。u其延长线与纵轴交点即为机械损耗其延长线与纵轴交点即为机械损耗pmec。空载附加损耗相对。空载附加损耗相对较小，可以用其它试验将之与铁耗分离，也可根据统计值估较小，可以用其它试验将之与铁耗分离，也可根据统计值估计计pad0，从而得到铁耗，从而得到铁耗pFe。机械损耗的求法机械损耗的求法 第四章 感应电机 试验目的：测定短路阻抗、转子电阻、
48、定、转子漏抗。 试验方法：将转子堵住，在定子端施加电压，从0.4UN开始逐渐降低，记录定子绕组端电压Uk、定子电流Ik、定子端输入功率Pk，作出异步电机的短路特性Ik=f(Uk)，Pk=f(Uk)，如图所示。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)。短路试验短路试验第四章 感应电机 Zk =UkIk Rk=Pk3Ik2 Xk=(Zk2-Rk2)1/2 根据短路时的等效电路，由于XmRm，忽略Rm，并近似认为X1=X2。考虑到X0=Xm+X1(空载试验)，可推导出 对于大中型异步电机，由于Xm很大，励磁支路可以近似认为开路，这时 Rk=R1+R2 X1
49、 =X2=Xk2k001k2XXXRRRk2121XXX短路等效阻抗计算短路等效阻抗计算第四章 感应电机异步电动机的工作特性是指在额定电压、额定频率下异步电动机的转速n、效率、功率因数cos1、输出转矩T2、定子电流I1与输出功率P2的关系曲线。 异步电动机的工作特性可以用计算方法获得。在已知等效电路各参数、机械损耗、附加损耗的情况下，给定一系列的转差s，可以由计算得到工作特性。对于已制成的异步电动机，其工作特性也可以通过试验求得。 八八 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性第四章 感应电机第四章 感应电机九、三相异步电动机的起动九、三相异步电动机的起动 一、起动特点一、起动特点 u当异步
50、电动机直接投入电网起动时，其特点是：起动电流大（47倍额定电流），而起动转矩并不大。u原因：从等效电路看，起动瞬时s=1，异步电动机对电网呈现短路阻抗，等效阻抗小，故起动电流大；从电磁转矩的物理表达式看，因起动时转子的功率因数很低，因此转子电流的有功分量并不大，同时起动时的主磁通较正常工作时小，故起动转矩不大。第四章 感应电机 二、直接起动二、直接起动 直接起动适用于小容量电动机带轻载的情况，起动时，直接起动适用于小容量电动机带轻载的情况，起动时，将定子绕组直接接到额定电压的电网上。能否直接起动的将定子绕组直接接到额定电压的电网上。能否直接起动的判定依据为：对于经常起动的电动机，起动时引起的母
