1、第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机5.1 三相异步电动机运行时的电磁过程5.2 三相异步电动机的等效电路及相量图5.3 三相异步电动机的功率和转矩5.4 三相异步电动机的工作特性及测取方法5.5 三相异步电动机参数的测定5.6 三相异步电动机的转矩与转差率的关系 在了解了异步电动机的概貌，阐明了磁动势和磁场以及电动势等这些参与电磁过程的基本物理量以后，本章首先分析异步电动机负载运行时的电磁过程，然后将电磁过程用基本方程式加以综合。和变压器一样，可从这些方程式导出等效电路与相应的相量图，并用等效电路与相量图去分析功率和转矩，从而得出异步电动机的工作特性，并说明工作特性测取的方法，为
2、交流拖动系统的分析奠定基础本章小结第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机5.1 5.1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程一、一、异步电动机负载时的物理情况异步电动机负载时的物理情况 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n0旋转的旋转磁动势F1，由旋转磁动势F1建立旋转的气隙主磁场Bm。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
3、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。异步电动机空载运行时，建立气隙磁场Bm的励磁磁场Fm0就是定子绕组产生的三相基波合成磁动势F10即Fm0=F10第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机空载的情况下：空载的情况下：nns,I20 当电机带有机械负载后：当电机带有机械负载后：nns,I2增大。增大。不论转子是绕线型还是笼不论转子是绕线型还是笼型，转子磁动势型，转子磁动势F2都是一种旋都是一种旋转磁动势。转磁动势。（一）转子磁动势分析（一）转子磁动势分析笼型转子笼型转子的磁动势的磁动势第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机2 2、F2转速的大小转
4、速的大小 如果相序为如果相序为A-B-C的异步电动机定的异步电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋转，因为转，因为nn0，则转子电流相序为，则转子电流相序为a a-b-c-b-c 。则转子磁动势则转子磁动势F2的旋转方向也按照相序的旋转方向也按照相序a-a-b-cb-c，即：按逆时针方向。，即：按逆时针方向。1 1、转子磁动势、转子磁动势F2的旋转方向的旋转方向 转子绕组内感应电动势和电转子绕组内感应电动势和电流的频率为流的频率为21()6060ssssp nnpn nnfsfnf2为转差频率，转子电流形成的转子磁为转差频率，转子电流形成的转子磁动势动
5、势F2的旋转方向与的旋转方向与F1的旋转方向相同，的旋转方向相同，它相对于转子的转速为它相对于转子的转速为n，而相对于，而相对于定子的转速为定子的转速为n+n=ns第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机（二）磁动势平衡（二）磁动势平衡转子磁动势转子磁动势F2与定子磁动势与定子磁动势F1相对静止，得到合成磁动势相对静止，得到合成磁动势F1+F2负载时负载时)(21mmmBFFF空载时空载时)(00010mmmBFF电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小，差不电动机从空载到负载，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，可以近似认为多和电源电压相平衡。所以
6、，可以近似认为0mm于是于是mmmFFFF021)(21FFFm第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机两极异步电动机的定两极异步电动机的定子、转子绕组示意图子、转子绕组示意图负载时定子、转子负载时定子、转子磁动势和电流的相磁动势和电流的相矢图矢图第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机（三）电磁关系（三）电磁关系有效值有效值mWkNfE111144.4mWskNfE222244.4异步电动机的负载运异步电动机的负载运行时的电磁关系行时的电磁关系相量表达式相量表达式mWkNfE111144.4 jskNfkNfEmWmWs221222244.4 j44.4 j定、转子的漏磁通在
7、各自绕组中感应产生漏电动势定、转子的漏磁通在各自绕组中感应产生漏电动势1111144.4 jWkNfEskNfkNfEsWsWs22212222244.4 j44.4 j第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机二、基本方程式二、基本方程式（一）磁动势平衡方程式（一）磁动势平衡方程式mFFF21222221111111129.029.029.0IpkNmFIpkNmFIpkNmFWmWmWmWWWIpkNmIpkNmIpkNm1112222111129.029.029.022222111229.029.0IpkNmIpkNmFWW)(21IIIm励磁电流励磁电流负载电流负载电流令令221
8、IkIi则则mIII21222111WWikNmkNmk 异步电动机异步电动机的电流比的电流比式中式中m1、m2为定子、转子的相数；为定子、转子的相数；Im为对应于励磁磁动势的励磁为对应于励磁磁动势的励磁电流。电流。F Fm为励磁磁势为励磁磁势第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机（二）电动势平衡方程式（二）电动势平衡方程式111112222()()()()ssUEEI REEIRR R为转子电阻的外加电阻为转子电阻的外加电阻1(jX)mmmmmEI ZIR Zm为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻抗；抗；Xm称为励磁电
9、抗；称为励磁电抗；Rm为反映铁耗的励磁电阻。为反映铁耗的励磁电阻。111jEI X 定子漏电抗定子漏电抗222jssEI X 转子漏电抗转子漏电抗skNfkNfEsWsWs22212222244.444.4因此因此sEEs2222sXX ssEEs22第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机旋转时异步电旋转时异步电动机的电路动机的电路异步电动机负载时的基本方程式列出如下异步电动机负载时的基本方程式列出如下111111111jUEI RI XEI Z 222222()jsEE sIRRI X s1(jX)mmmmmEIRI Z miIIkI211第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步
10、电动机5.2 5.2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图11112211221112212144.4 j44.4 jEkEkNkNkNkNkNfkNfEeWWWWmWmW2211WWekNkNk 为电动势比为电动势比 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，作等效电路遇到的两大障碍是：(1)定转子电路的频率不相同；(2)定转子边的相数，匝数，绕组系数等不相等。一、异步电动机的等效电路一、异步电动机的等效电路（一）频率归算（一）频率归算频率归算 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。在这里，就是用一个具
11、有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路。第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机所谓“等效”是指：1）进行代换后，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）必须和实际转子电路一样。转差率为s的异步电动机转子电路频率：1111126060)(sfpnnnnnnpf转子静止时s=1；则转子频率等于定子频率。频率折算既是用静止的转子代替旋转的转子。频率折算后，希望磁势平衡不变，即转子电流不变。222222222jXsREjsXREsZEIss第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机222222222jXsREjsXREsZEI
12、ss转子不动，转子电阻为 的异步电动机的转子电流，和转子以转差率s旋转的，转子电阻为R2的异步电动机转子电流相等。2221RRsssR 推论：频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻 ，即可以把原来旋转的转子看成静止的转子。21Rss频率归算后的频率归算后的定、转子电路定、转子电路第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机 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。静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率。静止的转子中多了一个附加电阻，而电流没有变，所以多了一个电阻功率。附加电阻
13、上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。对频率折算的讨论第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机（二）、绕组折算用绕组（m1、N1、kw1）等效替代绕组（m2、N2、kw2）代替的原则是：磁势平衡不变 功率平衡不变 电流折算：根据磁势不变：222221112211122221 9.029.02IkIkNmkNmIpIkNmpIkNmiwwww第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机电势、阻抗折算 电势折算：磁通应不变。22221122121211112 44.444.4EkEkNkNEkNfEkNfEewwww 阻抗折算：功率不变。222222111122222122222122
14、21RkKRkNmkNmmmRIImmRRImRImeiww电抗和漏阻抗可同样折算。绕组归算后的绕组归算后的定、转子电路定、转子电路第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机三、异步电动机的等效电路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：mmmmmmRZIjXRIEIIIXjsRIEEjXIEU)(;);(1212221211111第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机T形等效电路第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机简化等效电路第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机几种
15、异步电动机的典型运行情况几种异步电动机的典型运行情况1 1、空载运行、空载运行0s21sRs 2 2、额度负载下运行、额度负载下运行05.0Ns转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。3 3、起动时的情况、起动时的情况0n1s210sRs 附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。4 4、异步发电运行、异步发电运行snn 0s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。出）机械功率。5 5、电磁制动状态运行、电磁制动状态运行1s
16、 ，附加电阻为负值，表示从转子轴，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。上输入（而不是输出）机械功率。第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机二、异步电动机的相量图二、异步电动机的相量图 在时间相量图中，一个频率为f，随时间按正弦规律变化的物理量可以用一个长度等于有效值I，角速度 的旋转矢量表示；f2当取纵轴为为时间参考轴、任何瞬间旋转矢量在时轴上的投影，即为缩小 倍的该物理量的瞬时值；2)sin(2tII如对于t时轴I原则上，时轴可按需任意取，但时轴取得不同，计算时间的起点也不同，一个时间相量只有一根时轴。第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机 三相电机
17、中，对称的三相电流 、如果采用一根时轴，则用互差1200的旋转相量 、来表示。AiBiCiAIBICI 为减少相量的数目，将各相对称的同一物理量用一根统一的时间量表示，而每相的时间相量都以该相的相轴为时轴t轴AIBICI单时轴多相量1IA相B相C相多时轴单相量第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机 在空间矢量图中，任意一个沿空间按正弦规律分布的物理量，如绕组磁势的基波，用一个空间矢量 表示。1F1F 和三相相轴之间的夹角分别表示磁势波的正波幅在空间上与三相相轴的电角度，用以说明空间相量具体位置的相轴，只需画出一相就够了。利用统一时间相量的概念，将时间相量和空间相量联系在一起，画在同一
18、张矢量图上，即为交流电机理论中的时空相量图。1FA相B相C相第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机取各相相轴作为该相的时轴，假设t0时，mAIi 电流相量 与 重合。据旋转磁场理论，由定子三相电流所产生的三相合成基波磁势幅值与 重合，即 与 重合，与 重合。AA1A1I1F1I 由于时间相量 的角频率 与空间矢量 的电角频率 相等，在任意时刻，与 都重合，称 与 在时空图上同相。1I1F11F1I1F1I 时空图上：作用下，建立气隙基波旋转磁场 不计及铁耗，幅值与 重合；计及铁耗，幅值滞后 一个 角。1F1B1B1F1B1FFea 与 重合时，穿过A相绕组的磁通达最大，代表定子对称三
19、相磁通的 与 重合，与 重合，两者相等，任何时刻 与 同相。mm1BA1BA1B1B 由 所生的定子对称三相电势的统一电势相量 落后 900。1Em1B第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机异步电动机近似等效电路的相量图异步电动机近似等效电路的相量图异步电动机的相量图类似于变压器相量图,从转子电路方程出发可以一步一步作出异步电机相量图。2E22IXj2I22IsR1mI2I1I1E11IjX1U11IR第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机例例5-15-1一台一台2对极的三相异步电动机，有对极的三相异步电动机，有关数据如下：关数据如下：kW10NPV380NUmin/r14
20、52Nn11.33/R 相12.43/X 相21.12/R 相24.4/X 相7/mR 相90/mX相定子绕组为三角形接法，试求额定负载时的定子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、输入功电流、转子电流、励磁电流、功率因数、输入功率和效率。率和效率。解解N1500 14521500ssnnsn21.12350.032Rs第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机（1）用）用T形等效电路计算形等效电路计算22jX(35j4.4)35.4 7.15 RsjX(7j90)90.4 85.54 mmmZR2222(/jX)35.4 7.1590.4 85.
21、54(27.6j13.89)(/jX)35.4 7.1590.4 85.54mmRsZRsZ22122(/jX)33.23 29.43(/jX)mmRsZZRsZ设设 ，定子电流，定子电流V03801U1122122380 0A11.4229.43 A(/jX)33.23 29.43(/jX)mmUIRsZZRsZ定子线电流有效值定子线电流有效值A8.19A42.113第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机定子功率因数定子功率因数)(87.043.29coscos1滞后定子输入功率定子输入功率W11326W87.042.113803cos31111IUP212290.411.42A9
22、.97A(/)103.5mmZIIRsjXZ 转子电流转子电流 和励磁电流和励磁电流2ImI22122/35.411.42A3.91A(/)103.5mmRsjXIIRsjXZ效率效率%26.88%100113301000012PP第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机（2）用近似等效电路计算）用近似等效电路计算负载支路阻抗负载支路阻抗122/jX(1.33j2.4335.1j4.4)(36.43j6.83)37.1 10.6 ZRs励磁支路阻抗励磁支路阻抗jX(7j90)90.4 85.54 mmmZR转子电流（即负载电流）转子电流（即负载电流）12122380 0A10.2410
23、.6 A/jX37.1 10.6UIZRs 励磁电流励磁电流A54.852.4A54.854.9003801mmZUI第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机定子电流定子电流A1.2945.12A)065.6 j396.10(21 IIIm定子线电流有效值定子线电流有效值A6.21A45.123定子功率因数定子功率因数)(874.01.29coscos1滞后定子输入功率定子输入功率W12405W874.045.123803cos31111IUP效率效率%6.80%100124001000012PP第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机5.3 5.3 三相异步电动机的功率和转矩
24、三相异步电动机的功率和转矩一、功率平衡方程式功率变换和传递是电动机的主要功用,结合等效电路分析异步电动机功率流向。异步电动机从电源获取电功率，即输入功率：11111cosIUmP 此一功率首先通过定子绕组，产生定子铜耗：12111RImpcu第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机 电磁功率首先提供转子铜耗；22212IRmpcu 剩余的电磁功率全部转化为机械功率；22211IRssmP 机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗)%35.0(NadPpp 其余功率为输出的机械功率adppPP2 异步电动机的功率平衡方程式：pPpppppPPadcuFecu12112功率传递（2）第五章 三
25、相异步电动机的运行原理及单相异步电动机 电磁功率首先提供转子铜耗；22212IRmpcu 剩余的电磁功率全部转化为机械功率；22211IRssmP 机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗)%35.0(NadPpp 其余功率为输出的机械功率adppPP2 异步电动机的功率平衡方程式：pPpppppPPadcuFecu12112功率传递（2）第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机流程图几个重要的关系1222211 ;nns)(PP s;PP IsRmPemememP1PemP2pcu_spFepcu_rp P 第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机转矩方程式转矩由机械功率产生转矩
26、平衡方程为adppPP2022)(MMMppPPadPPMemem12e2e1 2122211cos2ssPRpTm Im E Isf 111e22122coscos2WmTmpm N kTICI 2111T1WkNpmC转矩常数转矩常数电磁转矩公式第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机例例5-25-2 根据根据例例5-1中的数据，还知道电动机的机械损耗中的数据，还知道电动机的机械损耗 ，额定负载时的附加损耗，额定负载时的附加损耗 ，试计算各种功率和转矩。，试计算各种功率和转矩。mech100WpW50p22Fe33 3.917W321WmmpI R 22Cu22233 9.981.
27、12W335WpI R 22Cu11133 11.421.33W520WpI R 解：解：定子和转子的铜耗、及定子铁耗定子和转子的铜耗、及定子铁耗150022rad/s157rad/s6060ssn同步角速度同步角速度rad/s152rad/s6014522602n转子机械角速度转子机械角速度第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机总机械功率总机械功率mech2mech(10000 10050)W10150WPPpp电磁功率电磁功率emechCu2(10150335)W10485WPPp负载制动功率负载制动功率mN79.65mN1521000022PT空载制动功率空载制动功率mech0
28、150N m0.99N m152ppT电磁转矩电磁转矩e20(65.790.99)N m66.78N mTTT或者或者ee10485N m66.78N m157nPT meche10150N m66.78N m152PT 第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机一、异步电动机工作特性分析一、异步电动机工作特性分析异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量（转速、定子电流、电磁转矩、功率因数及效率等）随输出功率变化的关系曲线。利用等值电路来计算工作特性。1。转差率特性随着负载功率的增加，电磁功率增加，转子电流需要增大，故转差率随输出功率增大而增大。转差率sP25.
29、4 三相异步电动机的工作特性及测取方法第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。二、定子电流特性 I1f（P2）)(21IIIm三、电磁转矩特性 Tf（P2）转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降 异步电动机的输出转矩22PT 转矩曲线为一个上翘的曲线。电磁转矩T电流I1P2电流、电磁转矩特性第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机四、定子功率因数 空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果
30、负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。P2功率因数cos1定子功率因数特性第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机五、效率特性adFecucupppppPP2122其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变；可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。异步电动机额定效率载74-94%之间；最大效率发生在(0.7-1.0)倍额定效率处二、工作特性的求取二、工作特性的求取工作特性的求取工作特性的求取 可以用直接负载法，通过做实验求取；也可可以用直接负载法，通过做实验求取；也可以利用等效电路进行计算。以利用等效电路进行计
31、算。效率P2电流I1功率因数cos1电磁转矩T转差率s第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机5.5 异步电动机的参数测定要计算工作特性，事先要知道电机参数。和变压器一样，通过做空载和短路试验，求出 、和 。1r1x2r2xmrmx一、空载实验目的：测定Zm（rm+jxm)、铁耗pFe和机械损耗；方法：在额定频率下，转子轴端不带负载，用调压器调节电源电压，使定子端电压从1.2UN开始降落，直至速度降落，电流回升。第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机测定：相电压U1、空载相电流I0、空载输入总功率P0。计算：画出 和)(10UfI)(10UfP mecFemecFepprmI
32、PPpprmIP120001200 pFe的大小近似地与外施电压的平方成正比，即21UpFe pmec仅与转速有关，pmec近似为常值；关系曲线基波是一条直线；延长直线与纵轴相交，交点以下部分，即为机械损耗pmec，额定电压时的铁耗即可从图中对应的 点求取。)(210UfP 21NU21U0Pmecp空载试验第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机又，空载运行时，02I ,2011010110 ImprxIUxIUxxxFem mm二、短路试验目的：测定短路阻抗 、转子电阻 、短路电抗kZ2rkx方法：堵住转子（S1），调节定子外施电压，使短路电流由1.2IN逐渐减小到0.3IN。第五
33、章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机测定：、和 kUkIkp2221 ,kkkkkkkkkrZxImprIUZ简化计算：2 ,2112kkxxxrrr为满足电动机不同的运行数据，应选取不同的短路电流，进行短路试验，求不同的短路参数。异步电动机的堵异步电动机的堵转特性转特性第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机5.6 5.6 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转矩与转差率的关系2112e221212(/)/()smURsTRRsXX临界转差率临界转差率sm222112()mRsRXX 211eM2211122()smUTRRXX 最大转矩最大转矩第五章 三相异步
34、电动机的运行原理及单相异步电动机本章小结本章小结 1.三相异步电动机空载与负载运行时的基本电磁关系是异步电动机原理的核心2.三相异步电动机的近似等效电路、T等效电路（频率归算，绕组归算）及相量图3.三相异步电动机的功率转换过程，功率方程式以及转矩方程式4.三相异步电动机的工作特性以及求取方法5.空载试验与堵转试验时励磁参数的测定6.转矩与转差率的关系第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机转差率 切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁力线。旋转磁场的转速用n1表示，称为同步转速；转子的实际转速用n表示，转差n=n1-n。转差率是异步电动机的一个基本变量，在分析异步电动机运行时有着重要的地位。11nnns转差率：
