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第5章 异步电机本讲稿第一页，共六十二页第一节第一节 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（1）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，这个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布、并三相交流电流，这个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布、并且以同步转速且以同步转速n0旋转的旋转磁动势旋转的旋转磁动势F1，由旋转磁动势，由旋转磁动势F1建立旋转的气隙主建立旋转的气隙主磁场磁场Bm。（2）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）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。就顺着旋转磁场的方向转动。本讲稿第二页，共六十二页空载的情况下：空载的情况下：nn0,I20 当电机带有机械负载后：当电机带有机械负载后：nn0,I2增大。增大。本讲稿第三页，共六十二页根据前一章的知识可知，定子三相的感应电动势表根据前一章的知识可知，定子三相的感应电动势表达式为：达式为：若转子静止，转子三相的感应电动势表达式若转子静止，转子三相的感应电动势表达式为：为：本讲稿第四页，共六十二页下面分析转子运动时的转子感应电动势。下面分析转子运动时的转子感应电动势。当转子运动时，当转子运动时，-t是随着时间变化的（是随着时间变化的（为转子机械角速度，为转子机械角速度，rad/srad/s），根据前一章的推导，），根据前一章的推导，axax、byby、czcz绕组绕组所交链的磁通表达式为所交链的磁通表达式为根据电磁感应公式根据电磁感应公式本讲稿第五页，共六十二页可以求出转子运动时的感应电动势为可以求出转子运动时的感应电动势为推导几个关系推导几个关系本讲稿第六页，共六十二页可以求出转子运动时的感应电动势为可以求出转子运动时的感应电动势为上式可以写为上式可以写为可以看出，不管转速为多少，感应电动势总是三相对称的。可以看出，不管转速为多少，感应电动势总是三相对称的。本讲稿第七页，共六十二页转子感应电动势的瞬时值为转子感应电动势的瞬时值为注意：定子和转子中的电动势是不同频率的，定子电动势频率为注意：定子和转子中的电动势是不同频率的，定子电动势频率为f，转子感应电，转子感应电动势为动势为sf考虑转子也采用了短距和分布线圈形式，转子感应电动势的有效值为考虑转子也采用了短距和分布线圈形式，转子感应电动势的有效值为本讲稿第八页，共六十二页若转子回路闭合，则转子内将有电流流通，转子电流的频率与转若转子回路闭合，则转子内将有电流流通，转子电流的频率与转子感应电动势频率一致，并且也互差子感应电动势频率一致，并且也互差120120o o；因此因此转子也是对称三相对称电流流过对称三相绕组转子也是对称三相对称电流流过对称三相绕组，所产生的磁，所产生的磁动势也为旋转磁动势。动势也为旋转磁动势。2、F2转速的大小转速的大小 如果相序为如果相序为A-B-C的异步电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向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转，因为旋转，因为nn0，则转子电流相序为，则转子电流相序为a-b-c。则转子磁动势。则转子磁动势F2的旋转方向的旋转方向也按照相序也按照相序a-b-c，即：按逆时针方向。，即：按逆时针方向。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流的频率为转子绕组内感应电动势和电流的频率为f2为转差频率，转子电流形成的为转差频率，转子电流形成的转子磁动势转子磁动势F2的旋转方向与的旋转方向与F1的旋转方向的旋转方向相同，它相对于转子的转速为相同，它相对于转子的转速为n，而相对于定子的转速为，而相对于定子的转速为n+n=n0本讲稿第九页，共六十二页磁动势平衡关系磁动势平衡关系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负载时负载时空载时空载时电动机从空载到负载，电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小定子绕组的感应电动势的变化很小，差不多和，差不多和电源电压相平衡。所以，可以近似认为电源电压相平衡。所以，可以近似认为于是于是本讲稿第十页，共六十二页异步电机中时间相量和空间矢量的关系异步电机中时间相量和空间矢量的关系时间参考轴也取时间参考轴也取A相轴线。即相轴线。即A相电流相量相电流相量在起始时刻位于在起始时刻位于A相轴线上，此时相轴线上，此时A相电流相电流达到最大。达到最大。任何时刻某一相的电流瞬时值为该相量在该相轴任何时刻某一相的电流瞬时值为该相量在该相轴线上的投影。线上的投影。时间相量与空间矢量的耦合在某一个线圈所交链时间相量与空间矢量的耦合在某一个线圈所交链的磁通是正弦变化的这一概念中得到了体现。的磁通是正弦变化的这一概念中得到了体现。在上一章的分析中，得出如下结论：在上一章的分析中，得出如下结论：当某一相电流达到最大值时，励磁磁动势的幅值与该相轴线相重合。因当某一相电流达到最大值时，励磁磁动势的幅值与该相轴线相重合。因此选择此选择A相轴线作为空间参考轴，表示空间位置的起点。相轴线作为空间参考轴，表示空间位置的起点。本讲稿第十一页，共六十二页两极异步电动机的定子、转子绕组示意图负载时定子、转子磁动势和电流的相矢图本讲稿第十二页，共六十二页本讲稿第十三页，共六十二页电磁关系电磁关系定子、转子感应电动势有效值定子、转子感应电动势有效值相量表达式相量表达式定、转子的漏磁通在各自绕组中感应产生漏电动势定、转子的漏磁通在各自绕组中感应产生漏电动势本讲稿第十四页，共六十二页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本讲稿第十五页，共六十二页二、基本方程式二、基本方程式（一）（一）磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式式中式中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电流。为对应于励磁磁动势的励磁电流。励磁电流负载电流令令则则异步电动机的电流比本讲稿第十六页，共六十二页（二）（二）电动势平衡方程式电动势平衡方程式R为转子电阻的外加电阻为转子电阻的外加电阻Zm为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻抗；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；xm称为励称为励磁电抗；磁电抗；rm为反映铁耗的励磁电阻。为反映铁耗的励磁电阻。定子漏电抗转子漏电抗因此因此本讲稿第十七页，共六十二页旋转时异步电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定子电压平衡方程：定子电压平衡方程：转子电压平衡方程：转子电压平衡方程：电动势方程：电动势方程：磁动势平衡方程：磁动势平衡方程：本讲稿第十八页，共六十二页第二节第二节 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为电动势比为电动势比转子静止时异步电动机的定、转子感应电动势的关系转子静止时异步电动机的定、转子感应电动势的关系本讲稿第十九页，共六十二页一、一、异步电动机的等效电路异步电动机的等效电路（一）（一）频率归算频率归算异步电机中，由于转子是旋转的，随着转速不同，转子电动势的频率是不同异步电机中，由于转子是旋转的，随着转速不同，转子电动势的频率是不同的，这为问题的分析带来了麻烦，因此需要将不同的转速变换到一个特定的的，这为问题的分析带来了麻烦，因此需要将不同的转速变换到一个特定的转速下研究问题。转速下研究问题。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。而等效于转子的电路去代换实际转子电路。所谓所谓“等效等效”是指：是指：1）进行代换后，转子电路对定子电路的电磁效应不变。）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）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。和实际转子电路一样。本讲稿第二十页，共六十二页静止转子电路中电流静止转子电路中电流下面考虑两种转子电路下面考虑两种转子电路（1）静止；（）静止；（2）以转差率）以转差率s旋转的转子；旋转的转子；以转差率以转差率s旋转的转子旋转的转子从旋转磁动势幅值的计算公式中可以看出，若保持两者电流幅值相等，从旋转磁动势幅值的计算公式中可以看出，若保持两者电流幅值相等，则可以使两者产生的旋转磁动势幅值为相等。则可以使两者产生的旋转磁动势幅值为相等。x2指指50Hz下的电抗值。下的电抗值。若将转子改为静止以后，同时修若将转子改为静止以后，同时修改转子电阻和电抗值，则可以保改转子电阻和电抗值，则可以保证转子转子电流幅值不变证转子转子电流幅值不变。本讲稿第二十一页，共六十二页转子真实电阻为转子真实电阻为r2，但在等效静止转子中电阻为，但在等效静止转子中电阻为r2/s，出现了一个附加电阻。，出现了一个附加电阻。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变压器模型变压器模型本讲稿第二十二页，共六十二页（二）（二）绕组归算绕组归算经过频率归算以后，异步电机变成了变压器模型。后面的处理过程与变压器经过频率归算以后，异步电机变成了变压器模型。后面的处理过程与变压器的处理过程完全一致，只是需要注意要在转子产生的磁场中要考虑三相的合的处理过程完全一致，只是需要注意要在转子产生的磁场中要考虑三相的合成磁场。成磁场。用一个假想的转子绕组替代真实的转子绕组，它与定子绕组具有相同的参数。用一个假想的转子绕组替代真实的转子绕组，它与定子绕组具有相同的参数。假想转子绕组和真实绕组需要产生同样的旋转磁动势。假想转子绕组和真实绕组需要产生同样的旋转磁动势。假想绕组流过假想电流所假想绕组流过假想电流所产生的磁动势。产生的磁动势。真实转子绕组流过真实转子真实转子绕组流过真实转子绕组所产生的磁动势。绕组所产生的磁动势。本讲稿第二十三页，共六十二页由转子由转子总的视在功率总的视在功率不变不变式中式中本讲稿第二十四页，共六十二页由转子铜耗和漏磁通储能不变由转子铜耗和漏磁通储能不变转子铜耗不变转子铜耗不变由漏磁通储能不变由漏磁通储能不变计算出参数归算关系为计算出参数归算关系为异步电机归算的总结异步电机归算的总结本讲稿第二十五页，共六十二页（三）（三）异步电动机的等效电路异步电动机的等效电路本讲稿第二十六页，共六十二页经过归算后，定子、转子的电动势方程式经过归算后，定子、转子的电动势方程式磁动势方程式磁动势方程式励磁支路的电动势方程式励磁支路的电动势方程式本讲稿第二十七页，共六十二页二、异步电动机的相量图二、异步电动机的相量图 根据根据T T形等效电路，可以画出相应的相量图。形等效电路，可以画出相应的相量图。本讲稿第二十八页，共六十二页几种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、空载运行、空载运行2、额度负载下运行、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。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、起动时的情况附加电阻为零，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、异步发电运行、异步发电运行转差率为负，附加电阻也为负值。表示从转差率为负，附加电阻也为负值。表示从转子轴上输入转子轴上输入（而不是输出）机械功（而不是输出）机械功率。率。5、电磁制动状态运行、电磁制动状态运行附加电阻为负值，表示从附加电阻为负值，表示从转子轴上输入转子轴上输入（而不是输出）机械功率。（而不是输出）机械功率。本讲稿第二十九页，共六十二页（四）（四）等效电路的简化等效电路的简化异步电机近似等效电路本讲稿第三十页，共六十二页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、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。功率因数、输入功率和效率。例例5-15-1一台一台2对极的三相异步电动机，有关数据如下：对极的三相异步电动机，有关数据如下：相/7W=mr相/4.42W=x相/12.12W=r本讲稿第三十一页，共六十二页解：解：电机额定运行时转差率为电机额定运行时转差率为电机转子电阻（含负载等效电阻）为电机转子电阻（含负载等效电阻）为（1）用）用T形等效电路计算形等效电路计算本讲稿第三十二页，共六十二页转子支路阻抗为：转子支路阻抗为：励磁支路阻抗为：励磁支路阻抗为：转子支路和励磁支路并联阻抗为：转子支路和励磁支路并联阻抗为：定子支路和（转子支路和励磁支路并联）的串联阻抗为：定子支路和（转子支路和励磁支路并联）的串联阻抗为：本讲稿第三十三页，共六十二页设设 ，定子电流，定子电流定子线电流有效值定子线电流有效值定子功率因数定子功率因数定子输入功率定子输入功率本讲稿第三十四页，共六十二页转子电流转子电流 和励磁电流和励磁电流效率效率本讲稿第三十五页，共六十二页（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励磁支路阻抗励磁支路阻抗本讲稿第三十六页，共六十二页转子电流（即负载电流）转子电流（即负载电流）励磁电流励磁电流定子电流定子电流定子线电流有效值定子线电流有效值定子功率因数定子功率因数本讲稿第三十七页，共六十二页定子输入功率定子输入功率效率效率本讲稿第三十八页，共六十二页第三节第三节 三相异步电动机的功率和转矩三相异步电动机的功率和转矩一、功率转换过程一、功率转换过程功率关系能量转换关系本讲稿第三十九页，共六十二页二、功率方程式二、功率方程式U1定子相电压；定子相电压；I1 定子相电流；定子相电流；定子功率因数角；定子功率因数角；转子功率因数角；转子功率因数角；本讲稿第四十页，共六十二页电磁功率分析电磁功率分析输入功率定子铜耗定子铁耗电磁功率输入功率定子铜耗定子铁耗电磁功率电磁功率转子铜耗总机械功率电磁功率转子铜耗总机械功率总机械功率机械损耗功率附加损耗功率输出机械功率总机械功率机械损耗功率附加损耗功率输出机械功率本讲稿第四十一页，共六十二页总机械功率总机械功率电磁功率：转子铜耗：总机械功率电磁功率：转子铜耗：总机械功率等于多少？等于多少？本讲稿第四十二页，共六十二页三、转矩方程式三、转矩方程式式中式中 电动机输出的机械转矩；电动机输出的机械转矩；机械损耗转机械损耗转矩；矩；附加损耗转矩；附加损耗转矩；空载转矩；空载转矩；电磁转矩。电磁转矩。异步电机总的机械转矩（电磁转矩）为：异步电机总的机械转矩（电磁转矩）为：本讲稿第四十三页，共六十二页四、电磁转矩公式四、电磁转矩公式转矩常数转矩常数本讲稿第四十四页，共六十二页例例5-2 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。解解定子和转子的铜耗、及定子铁耗定子和转子的铜耗、及定子铁耗本讲稿第四十五页，共六十二页同步角速度同步角速度转子机械角速度转子机械角速度总机械功率总机械功率电磁功率电磁功率负载制动功率负载制动功率空载制动功率空载制动功率电磁转矩电磁转矩或者或者本讲稿第四十六页，共六十二页第四节第四节 三相异步电动机的工作特性及其测取方法三相异步电动机的工作特性及其测取方法一、工作特性的分析一、工作特性的分析1、转速特性、转速特性当电机处于空载运行时，电机转速接近于同步转速；当电机处于空载运行时，电机转速接近于同步转速；当电机负载增加时，转速略为下降，转子电流加大；当电机负载增加时，转速略为下降，转子电流加大；电机在额定负载时转差率为电机在额定负载时转差率为1.55，电机由空载到额定负载转速变，电机由空载到额定负载转速变化很小。化很小。本讲稿第四十七页，共六十二页2、定子电流特性、定子电流特性根据电机磁动势平衡方程根据电机磁动势平衡方程当电机处于空载运行时，定子电流几乎全部是励磁电流；当电机处于空载运行时，定子电流几乎全部是励磁电流；当电机负载增加时，转子电流加大，定子电流也相应增加；当电机负载增加时，转子电流加大，定子电流也相应增加；磁动势方程式磁动势方程式本讲稿第四十八页，共六十二页3、功率因数特性、功率因数特性当电机处于空载运行时，定子电流几乎全部是励磁电流，功率因数很低；当电机处于空载运行时，定子电流几乎全部是励磁电流，功率因数很低；当电机负载增加时，转子电流加大，定子电流中的有功分量逐渐增大；当电机负载增加时，转子电流加大，定子电流中的有功分量逐渐增大；当负载超过额定值时，转子的功率因数变小，转子的电流的无功分量开始增加，当负载超过额定值时，转子的功率因数变小，转子的电流的无功分量开始增加，功率因数开始下降。功率因数开始下降。本讲稿第四十九页，共六十二页4、电磁转矩特性、电磁转矩特性5、效率特性、效率特性由于异步电机在负载不超过额定值时，转速变化很小，因此电磁转矩近由于异步电机在负载不超过额定值时，转速变化很小，因此电磁转矩近似和输出功率似和输出功率P2成正比。成正比。和变压器一样，异步电机的损耗可以分为不变损耗（铁耗）和可变损和变压器一样，异步电机的损耗可以分为不变损耗（铁耗）和可变损耗（铜耗）两个部分：耗（铜耗）两个部分：当电机空载时，输出为零，电机此时效率非常低；当电机空载时，输出为零，电机此时效率非常低；随着电机负载加大，可变损耗开始上升，但相对输出功率增加较慢，随着电机负载加大，可变损耗开始上升，但相对输出功率增加较慢，电机效率上升；电机效率上升；随着电机负载进一步加大，可变损耗开始较之输出功率增加变快，电机效率开随着电机负载进一步加大，可变损耗开始较之输出功率增加变快，电机效率开始下降。始下降。本讲稿第五十页，共六十二页本讲稿第五十一页，共六十二页二、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；也可以利用等效电可以用直接负载法，通过做实验求取；也可以利用等效电路进行计算。路进行计算。本讲稿第五十二页，共六十二页第五节第五节 三相异步电动机参数的测定三相异步电动机参数的测定异步电机中有两种参数：异步电机中有两种参数：（1）空载励磁参数：励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗）空载励磁参数：励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗（2）堵转参数：定子电阻、定子漏抗、转子电阻、转子电抗）堵转参数：定子电阻、定子漏抗、转子电阻、转子电抗本讲稿第五十三页，共六十二页1、空载试验、空载试验试验条件：试验条件：（1）轴上不带任何负载；）轴上不带任何负载；（2）异步电动机在额定频率下运行；）异步电动机在额定频率下运行；（3）电压从）电压从1.11.3倍额定值逐渐倍额定值逐渐降低，直到转速发生明显的变化降低，直到转速发生明显的变化（转差率明显增大）（转差率明显增大）获得数据：获得数据：端电压、空载电流、空载功率、转速端电压、空载电流、空载功率、转速一、空载试验及空载时参数的确定一、空载试验及空载时参数的确定空载特性曲线本讲稿第五十四页，共六十二页2、励磁参数与铁耗及机械损耗的确定、励磁参数与铁耗及机械损耗的确定异步电机空载时，输入功率补偿定子异步电机空载时，输入功率补偿定子铜耗、铁耗、机械损耗：铜耗、铁耗、机械损耗：铁耗正比于电压平方，做出铁耗与机铁耗正比于电压平方，做出铁耗与机械损耗之和与电压平方的曲线械损耗之和与电压平方的曲线；延长该曲线与纵轴的相交，该交点延长该曲线与纵轴的相交，该交点所对应的只就为机械损耗值；所对应的只就为机械损耗值；剩余部分就是铁耗值；剩余部分就是铁耗值；本讲稿第五十五页，共六十二页异步电机空载时，转差率近似为零，负载引起异步电机空载时，转差率近似为零，负载引起的附加电阻为无穷大，等效电路开路：的附加电阻为无穷大，等效电路开路：本讲稿第五十六页，共六十二页二、堵转试验及堵转时参数的确定二、堵转试验及堵转时参数的确定1、堵转试验、堵转试验异步电机堵转时，转差率异步电机堵转时，转差率s1，附，附加电阻为零，转子短路：加电阻为零，转子短路：实验条件：实验条件：电压从电压从0.4倍额定值逐渐降低倍额定值逐渐降低获得数据：获得数据：堵转电压、堵转电流、堵转功率堵转电压、堵转电流、堵转功率忽略励磁支路，忽略定子中的铁耗，机械损耗为零。输入功率完全用于忽略励磁支路，忽略定子中的铁耗，机械损耗为零。输入功率完全用于抵消定转子铜耗。抵消定转子铜耗。本讲稿第五十七页，共六十二页从异步电机堵转时的等效电路可知从异步电机堵转时的等效电路可知根据不同的电机极对数、功率根据不同的电机极对数、功率等级可以将电抗值分离。等级可以将电抗值分离。本讲稿第五十八页，共六十二页第六节第六节 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转矩与转差率的关系异步电机中电磁转矩计算为异步电机中电磁转矩计算为在近似等效电路中在近似等效电路中所以得到电磁转矩计算公式为所以得到电磁转矩计算公式为本讲稿第五十九页，共六十二页本讲稿第六十页，共六十二页临界转差率临界转差率sm最大转矩最大转矩几点讨论：几点讨论：（1 1）电磁转矩随着转差率变化时，存在最大值：）电磁转矩随着转差率变化时，存在最大值：（2 2）当电机各个参数不变时，最大电磁转矩与电压平方成正比，但临界转差率）当电机各个参数不变时，最大电磁转矩与电压平方成正比，但临界转差率不变：不变：（3 3）当电源电压和频率不变时，最大电磁转矩近似与）当电源电压和频率不变时，最大电磁转矩近似与X X1 1+X+X2 2成反比成反比（4 4）最大电磁转矩与转子电阻无关，但通过改变转子电阻能够改变临界转差率，）最大电磁转矩与转子电阻无关，但通过改变转子电阻能够改变临界转差率，这对于增加异步电机的启动转矩格外重要。这对于增加异步电机的启动转矩格外重要。本讲稿第六十一页，共六十二页本学期课程全部结束本学期课程全部结束谢谢各位同学！谢谢各位同学！本讲稿第六十二页，共六十二页