第14章三相异步电机的运行原理(精品).ppt

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1、电电 机机 学学清华大学出版社清华大学出版社国家国家“十一五十一五”规划教材规划教材主编：孙旭东主编：孙旭东上页上页下页下页目录目录第第1414章章 重点与难点重点与难点 p1.1.频率折合频率折合p2.2.等效电路及其参数等效电路及其参数 （1 1）等效电路）等效电路 （2 2）等效电路中的参数）等效电路中的参数p3.3.主磁通的大小主磁通的大小上页上页下页下页目录目录目 录第一节第一节第一节第一节12第二节第二节第二节第二节上页上页下页下页目录目录第14章 三相异步电机的运行原理p先分析转子不转、转子绕组开路先分析转子不转、转子绕组开路;p再分析转子绕组短路、转子堵转再分析转子绕组短路、转

2、子堵转;p最后分析转子旋转。最后分析转子旋转。以三相绕线转子异步电机为例。以三相绕线转子异步电机为例。上页上页下页下页目录目录14.1 14.1 三相异步电机转子不转时的电磁关系三相异步电机转子不转时的电磁关系1.1.转子绕组开路时的电磁关系转子绕组开路时的电磁关系l参考方向规定参考方向规定p定子绕组电压和电流：电动机惯例定子绕组电压和电流：电动机惯例p转子绕组电压和电流：发电机惯例转子绕组电压和电流：发电机惯例p磁动势、磁通、磁通密度：出定子，进磁动势、磁通、磁通密度：出定子，进转子为正。转子为正。上页上页下页下页目录目录参考方向规定参考方向规定p空间坐标轴线（原点）取在定、空间坐标轴线（原

3、点）取在定、转子的转子的A 相绕组的轴线上。相绕组的轴线上。p空间角度空间角度 以逆时针方向为正。以逆时针方向为正。上页上页下页下页目录目录励磁磁动势励磁磁动势p定子三相绕组接在交流三相对称电源上，定子三相绕组接在交流三相对称电源上，定子绕组中流过三相对称电流定子绕组中流过三相对称电流 。p三相电流产生基波旋转磁动势三相电流产生基波旋转磁动势 。w转转子子绕绕组组开开路路，没没有有电电流流，所所以以此此时时磁磁路路中只有定子磁动势中只有定子磁动势F0，产生气隙磁场。，产生气隙磁场。wF0称为励磁磁动势，称为励磁磁动势，称为励磁电流。称为励磁电流。上页上页下页下页目录目录励磁磁动势励磁磁动势p幅

4、值：幅值：p转向：沿转向：沿A A、B B、C C方向方向（逆时针）。（逆时针）。p转速：转速：p瞬时位置：某相电流达瞬时位置：某相电流达到正最大值时，磁动势到正最大值时，磁动势的正幅值就位于该相绕的正幅值就位于该相绕组轴线。组轴线。三三相相对对称称，只只需需考考察一相（察一相（A相）。相）。上页上页下页下页目录目录励磁磁动势励磁磁动势p转子转子A A相轴线相轴线+A2在空间在空间超前定子超前定子A A相轴线相轴线+A1 的的空间电角度为空间电角度为 。w励励 磁磁 磁磁 动动 势势 F0与与+A2轴轴之之间间的的空空间间电电角角度度为为900（在作图时刻）。（在作图时刻）。上页上页下页下页目

5、录目录励磁磁动势产生的气隙磁场励磁磁动势产生的气隙磁场w励励磁磁磁磁动动势势F0 作作用用在在磁磁路路中中产产生生基基波波气气隙隙磁场，用基波磁通密度表示。磁场，用基波磁通密度表示。w基基波波磁磁通通密密度度在在空空间间也也按按正正弦弦分分布布，可可用用空间矢量空间矢量 B 表示，转速也为表示，转速也为1。w由由于于气气隙隙均均匀匀，当当不不计计磁磁滞滞、涡涡流流损损耗耗时时，基基波波气气隙隙磁磁通通密密度度与与励励磁磁磁磁动动势势波波形形相相同同，相位相同（相位相同（B 与与F0 同相）。同相）。w气隙中每极磁通量（主磁通）气隙中每极磁通量（主磁通）上页上页下页下页目录目录定、转子绕组的主磁

6、链定、转子绕组的主磁链p气隙磁通密度波在空间上正弦分布，且是气隙磁通密度波在空间上正弦分布，且是旋转的。旋转的。p定、转子绕组是静止的。定、转子绕组是静止的。p所以定、转子绕组的磁通或磁链是随时间所以定、转子绕组的磁通或磁链是随时间变化的。变化的。p当磁通密度波的幅值在绕组轴线处时，绕当磁通密度波的幅值在绕组轴线处时，绕组交链的磁链最大。组交链的磁链最大。上页上页下页下页目录目录定、转子绕组的主磁链定、转子绕组的主磁链以图中时刻作为计时起点。以图中时刻作为计时起点。N2 为转子绕组的每相串联匝数；为转子绕组的每相串联匝数；kdp2 为转子绕组的基波绕组因数。为转子绕组的基波绕组因数。上页上页下

7、页下页目录目录定、转子绕组的主磁链定、转子绕组的主磁链定、转子一相绕组的主磁链也可用相量表示。定、转子一相绕组的主磁链也可用相量表示。上页上页下页下页目录目录主磁通感应电动势主磁通感应电动势w定子绕组的感应电动势（一相）定子绕组的感应电动势（一相）p转子绕组的感应电动势（一相）转子绕组的感应电动势（一相）上页上页下页下页目录目录感应电动势的有效值和相位感应电动势的有效值和相位p电动势有效值与频率、绕组有效匝电动势有效值与频率、绕组有效匝数数和每和每极磁通量极磁通量m成正比。成正比。p电动势滞后产生它的主磁链电动势滞后产生它的主磁链 90。上页上页下页下页目录目录电压变比电压变比p比值比值ke称

8、为电压变比，是定、转子称为电压变比，是定、转子相电动势相电动势之比。之比。pke等于定、转子绕组有效匝数之比。等于定、转子绕组有效匝数之比。上页上页下页下页目录目录主磁通感应电动势主磁通感应电动势p感应电动势也可以用相量表示。感应电动势也可以用相量表示。感感应应电电动动势势相相量量滞滞后后于于磁链相量磁链相量90。上页上页下页下页目录目录励磁电流励磁电流计及铁心的磁滞和涡流损耗时，励磁磁动势计及铁心的磁滞和涡流损耗时，励磁磁动势F F0 超前超前磁通密度磁通密度B B 一个小角度；相应地，定子励磁电流相一个小角度；相应地，定子励磁电流相量超前定子磁链相量一个同样的小角度。量超前定子磁链相量一个

9、同样的小角度。励励磁磁电电流流可可分分解解为为两个分量：两个分量：有功分量有功分量无功分量无功分量铁耗铁耗B上页上页下页下页目录目录时空相矢量图时空相矢量图将将空间矢量图与时间相量图画在一起。空间矢量图与时间相量图画在一起。+A1轴轴与与定定、转转子子的的时时轴轴+j1、+j2重合。重合。电电流流、磁磁链链相相量量和和磁磁动动势势、磁通密度矢量都重合在一起。磁通密度矢量都重合在一起。电电动动势势相相量量滞滞后后于于产产生生它它的的磁链相量磁链相量90。通通过过相相矢矢量量图图可可以以方方便便地地确定相量、矢量的位置。确定相量、矢量的位置。上页上页下页下页目录目录主磁通主磁通与漏磁通与漏磁通p作

10、用作用p主磁通：主磁通：同时交链同时交链定、转子绕组，起定、转子绕组，起着定、转子间能量着定、转子间能量传递的媒介作用。传递的媒介作用。p漏磁通：漏磁通：只交链定只交链定子绕组自身，称为子绕组自身，称为定子漏磁通，包括定子漏磁通，包括槽漏磁通、端部漏槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通。磁通和谐波漏磁通。上页上页下页下页目录目录漏磁感应电动势漏磁感应电动势p定子绕组漏磁通在定子绕组中感应的漏磁电动势定子绕组漏磁通在定子绕组中感应的漏磁电动势的瞬时值为的瞬时值为X1是是表表示示E1与与I0间间线线性性关关系系的的常常系系数数，称称为定子绕组每相漏电抗。为定子绕组每相漏电抗。p引入电抗参数表示定子漏磁

11、电动势引入电抗参数表示定子漏磁电动势上页上页下页下页目录目录电压方程式电压方程式定、转子绕组一相电压方程式定、转子绕组一相电压方程式R1为定子绕组的每相电阻。为定子绕组的每相电阻。、分别是定、转子绕组的相电压。分别是定、转子绕组的相电压。上页上页下页下页目录目录定子漏阻抗定子漏阻抗Z1R1j X1 ，称为定子绕组每相漏阻抗。称为定子绕组每相漏阻抗。得到：得到：代入代入上页上页下页下页目录目录电磁关系小结电磁关系小结p转子绕组开路时的电磁关系转子绕组开路时的电磁关系上页上页下页下页目录目录小结小结p既有电路的问题，也有磁路的问题，电既有电路的问题，也有磁路的问题，电与磁之间又有密切的联系。与磁之

12、间又有密切的联系。p将这种复杂的电磁关系用熟悉的交流电将这种复杂的电磁关系用熟悉的交流电路的形式表示出来，就可使分析和计算大路的形式表示出来，就可使分析和计算大为简化。为简化。p以上是建立等效电路的基本思路。以上是建立等效电路的基本思路。上页上页下页下页目录目录主磁通感应电动势的等效表示主磁通感应电动势的等效表示p考虑主磁通在铁心中引起的铁耗时，如何用电路考虑主磁通在铁心中引起的铁耗时，如何用电路的形式表示的形式表示 与与 之间的关系？之间的关系？w应引入一个阻抗应引入一个阻抗Zm Zm称为励磁阻抗；称为励磁阻抗；Xm称为励磁电抗，反映铁心磁路的磁化特性称为励磁电抗，反映铁心磁路的磁化特性 ；

13、Rm称为励磁电阻，对应于铁耗称为励磁电阻，对应于铁耗pFe的等效电阻。的等效电阻。上页上页下页下页目录目录电压方程式，等效电路电压方程式，等效电路代入代入得到得到完全可用电路来描述。完全可用电路来描述。一相等效电路一相等效电路上页上页下页下页目录目录2.转子堵转时的电磁关系l堵转：转子三相绕组短堵转：转子三相绕组短路（即绕组出线端短接）路（即绕组出线端短接），且转子堵住不转，定，且转子堵住不转，定子接交流电源。子接交流电源。转转子子中中就就会会流流过过电电流流，产产生生转转子子磁磁动动势势，与与定定子子磁磁动势共同起作用。动势共同起作用。上页上页下页下页目录目录转子磁动势转子磁动势幅值：幅值：

14、转向转向：沿着：沿着A A2 2B B2 2C C2 2方向旋转。方向旋转。转速：转速：瞬时位置：某相电流达到最大值，合成磁动势正瞬时位置：某相电流达到最大值，合成磁动势正幅值就位于该相绕组的轴线。幅值就位于该相绕组的轴线。转转子子三三相相对对称称电电流流 流流过过对对称称三三相相绕绕组组产产生生转子合成基波旋转磁动势转子合成基波旋转磁动势F2。上页上页下页下页目录目录转子磁动势的转向转子磁动势的转向p转子静止，气隙磁通密度波转子静止，气隙磁通密度波相对转子的转速为相对转子的转速为n1，方向为，方向为逆时针。逆时针。p转子感应电动势的相序为转子感应电动势的相序为A A2 2B B2 2C C2

15、 2（正序）。（正序）。w转子电流相序也为正序。转子电流相序也为正序。w转转子子磁磁动动势势F2由由+A2轴轴转转向向+B2轴轴，再再转转向向+C2轴轴（逆时针旋转）。（逆时针旋转）。上页上页下页下页目录目录定、转子磁动势关系定、转子磁动势关系定子磁动势定子磁动势F F1 与转子磁动势与转子磁动势F F2 的转速、转向都相同，的转速、转向都相同，两者在空间保持相对静止。两者在空间保持相对静止。w作作用用在在磁磁路路中中的的磁磁动动势势是是定定、转转子子磁磁动动势势的的合合成成，由由合合成成磁磁动动势势产产生生气气隙隙磁磁通通密密度度波。波。w合成磁动势仍用合成磁动势仍用F0 表示，表示，F0F

16、1F2。wF0 是励磁磁动势。是励磁磁动势。上页上页下页下页目录目录（F F2）：与转子磁动势：与转子磁动势F F2 相反，抵消相反，抵消F F2对气对气隙磁通密度的影响；隙磁通密度的影响；F F0 ：产生气隙磁通密度：产生气隙磁通密度B B 的磁动势分量。的磁动势分量。定子磁动势和励磁磁动势定子磁动势和励磁磁动势定子磁动势定子磁动势 F F1 可看作由两部分组成：可看作由两部分组成：F1 F0（F2）F0 F1 F2上页上页下页下页目录目录w转转子子漏漏磁磁通通在在转转子子绕绕组组中中感感应应漏漏磁磁电电动动势势，可可以用漏电抗上的压降表示，以用漏电抗上的压降表示，转子漏磁通转子漏磁通w转子

17、电流也要产转子电流也要产生漏磁通，转子生漏磁通，转子漏磁通只交链转漏磁通只交链转子绕组。子绕组。X2 称为转子绕组每相漏电抗。称为转子绕组每相漏电抗。上页上页下页下页目录目录电压方程式电压方程式l转子一相电压方程式转子一相电压方程式转子感应电动势、电流的频率均为转子感应电动势、电流的频率均为f1。l定子一相电压方程式定子一相电压方程式上页上页下页下页目录目录堵转时的电磁关系堵转时的电磁关系上页上页下页下页目录目录转子位置角折合转子位置角折合p转子只通过转子磁动转子只通过转子磁动势势F F2对定子起作用。对定子起作用。wF2 与与B 两两者者一一起起同同步步旋旋转转，二二者者相相距距的的空空间间

18、电电角角度度始始终终为为902，与与 转转 子子 A相相（+A2轴轴）的的位位置置无无关关，即与即与0 无关。无关。上页上页下页下页目录目录转子位置角折合转子位置角折合p从定子侧考察从定子侧考察F F2的作用的作用时，时，0 的大小是无关紧的大小是无关紧要的。要的。p为了简单，将转子为了简单，将转子A A相相轴线轴线+A2与定子与定子A A相轴线相轴线+A1重合重合 转子位置转子位置角折合。角折合。p得到时空相矢量图。得到时空相矢量图。上页上页下页下页目录目录转子绕组的折合转子绕组的折合p为了得到等效电路，需要像分析变压器时一样，为了得到等效电路，需要像分析变压器时一样，对绕组进行折合。对绕组

19、进行折合。p通常将转子绕组折合为与定子绕组一样。通常将转子绕组折合为与定子绕组一样。p转子只通过转子磁动势转子只通过转子磁动势F F2 对定子起作用，因此对定子起作用，因此折合时需要折合时需要保证保证F F2 的大小和空间相位不变的大小和空间相位不变。上页上页下页下页目录目录转子绕组的折合转子绕组的折合p折合后的转子绕组相数、每相串联匝数、绕组因折合后的转子绕组相数、每相串联匝数、绕组因数都和定子绕组的一样。数都和定子绕组的一样。p转子磁动势转子磁动势F F2 在折合后必须保持不变。在折合后必须保持不变。ki 电流变比电流变比上页上页下页下页目录目录转子绕组的折合转子绕组的折合F F0 F F

20、1 F F2定定、转转子子磁磁动动势势关关系系转转变变为为定定、转转子子电电流流关关系系，好好像像定定、转转子子之之间间存存在在电电路路联联系系，为为建建立立等等效效电电路路奠奠定了基础。定了基础。上页上页下页下页目录目录转子绕组的折合转子绕组的折合p转子相电动势的折合值转子相电动势的折合值w转子相电流的折合值转子相电流的折合值w转子每相阻抗的折合值转子每相阻抗的折合值折折合合后后，转转子子绕绕组组电电阻阻铜铜耗耗和和电电抗抗上上的的无无功功功功率率都不变。都不变。上页上页下页下页目录目录基本方程式、等效电路基本方程式、等效电路等效电路等效电路基本方程式基本方程式上页上页下页下页目录目录相量图

21、相量图p相量图与基本方程相量图与基本方程式相对应，是基本方式相对应，是基本方程式的图形表示。程式的图形表示。上页上页下页下页目录目录14.2 14.2 三相异步电机转子旋转时的电磁关系三相异步电机转子旋转时的电磁关系p三相异步电机的转子绕组通常是短路的。三相异步电机的转子绕组通常是短路的。笼型绕组本身是短路的；绕线型绕组通过集笼型绕组本身是短路的；绕线型绕组通过集电环、电刷及附加电阻（如果有）短路。电环、电刷及附加电阻（如果有）短路。p分析三相异步电机定子绕组接至三相对称分析三相异步电机定子绕组接至三相对称电源，转子绕组短路（直接短路或经过附加电源，转子绕组短路（直接短路或经过附加电阻短路）且

22、转子旋转时的电磁关系。电阻短路）且转子旋转时的电磁关系。上页上页下页下页目录目录转差率转差率转子绕组短路的异步电机，要实现机电能量转换，转子转速转子绕组短路的异步电机，要实现机电能量转换，转子转速n的大小或方向必须和同步转速的大小或方向必须和同步转速n1的不同。的不同。用转差率用转差率 s 描述转速描述转速n与同步转速与同步转速n1的差别：的差别：令令n10，则当，则当n与与n1同向时，同向时，n0；否则，；否则，n0。上页上页下页下页目录目录转差率与运行状态转差率与运行状态电动机状态电动机状态n1n01s0发电机状态发电机状态nn10s0电制动状态电制动状态n10，n 0s0上页上页下页下页

23、目录目录转子电压方程式转子电压方程式l转子感应电动势、电流的频率转子感应电动势、电流的频率u异步电机正常运行时，转差率异步电机正常运行时，转差率s很小。很小。u通常通常s0.010.05，则，则 f20.5Hz2.5Hz。气隙磁通密度气隙磁通密度B 相对相对转子的转速为转子的转速为(n1n)；转子感应电动势、电流的频率转子感应电动势、电流的频率为为f2 称为转差频率。称为转差频率。上页上页下页下页目录目录转子电压方程式转子电压方程式l转子回路电压方程式转子回路电压方程式E2 是转子不转时转子绕组的感应电动势，而不是是转子不转时转子绕组的感应电动势，而不是堵转时的电动势，因为两种情况下的主磁通不

24、同。堵转时的电动势，因为两种情况下的主磁通不同。上页上页下页下页目录目录转子电压方程式转子电压方程式l转子回路电压方程式转子回路电压方程式wX2s 是是转转子子频频率率为为f2 时时的的转转子子漏漏电电抗抗，X2 是是转转子不转时（子不转时（f2f1）的转子漏电抗。）的转子漏电抗。w正常运行时，正常运行时，X2s n0上页上页下页下页目录目录定、转子磁动势关系定、转子磁动势关系p转向转向：逆时针：逆时针p转速：转速：定子磁动势定子磁动势F1：相对于定子转速为：相对于定子转速为n1；转子磁动势转子磁动势F2：相对于：相对于转子转子转速为转速为w F2 相对定子的转速为相对定子的转速为结论：定、转

25、子基波磁动势保持相对静止。：定、转子基波磁动势保持相对静止。上页上页下页下页目录目录定、转子磁动势关系定、转子磁动势关系p转子以转差率转子以转差率s 旋转时，定、转子磁动势旋转时，定、转子磁动势F F1与与F F2 始终保持相对静止，二者共同产生气隙磁场。始终保持相对静止，二者共同产生气隙磁场。p可对可对F F1与与F F2进行矢量合成，得到合成磁动势进行矢量合成，得到合成磁动势F F0 ，即即 F F1F F2F F0 ，F F0是励磁磁动势。是励磁磁动势。w转转子子旋旋转转时时的的合合成成磁磁动动势势即即励励磁磁磁磁动动势势与与堵转时的不同（幅值及空间相位）。堵转时的不同（幅值及空间相位）

26、。上页上页下页下页目录目录F F2、B B 相对转子的角速度都是相对转子的角速度都是2；转子电动势、电流等相量的角频率为转子电动势、电流等相量的角频率为2。转转子子本本身身(+A2轴轴)在在逆逆时时针针旋旋转转，只只能能取取某某一一时时刻刻画图。画图。转子时空相矢量图转子时空相矢量图以电动机状态为例。以电动机状态为例。上页上页下页下页目录目录电磁关系小结电磁关系小结p转子旋转时的电磁关系转子旋转时的电磁关系上页上页下页下页目录目录转转子子电电量量的的频频率率与与定定子子不不同同，无无法法直直接接连连接接或或者者一一起画相量图，无法得到等效电路。起画相量图，无法得到等效电路。转子绕组频率折合转子

27、绕组频率折合p转子通过其磁动势转子通过其磁动势F F2对定子起作用。对定子起作用。p不论转子频率不论转子频率f2为多少，为多少，F F2 相对定子的转速始终相对定子的转速始终为为n1。p因此，只要保证因此，只要保证F F2 的大小和空间相位不变，转子的大小和空间相位不变，转子电流的频率是多少，对定子侧的关系并无影响。电流的频率是多少，对定子侧的关系并无影响。据此可对转子频率进行变换据此可对转子频率进行变换。上页上页下页下页目录目录E2ssE2X2s sX2转子绕组频率折合转子绕组频率折合转子电动势、电流的频率已由转子电动势、电流的频率已由f2变为变为f1，用转子不转时的量来表示。用转子不转时的

28、量来表示。转子电流的转子电流的有效值和相位有效值和相位都未变化。都未变化。上页上页下页下页目录目录转子绕组频率折合转子绕组频率折合转子旋转时的实际电路转子旋转时的实际电路保保持持转转子子磁磁动动势势F2的的幅幅值值和和相相位位不不变变，使使转转子子频频率率由实际的由实际的f2变为变为f1 转子绕组的频率折合。转子绕组的频率折合。等效电路（转子不转时）等效电路（转子不转时）I2I2s，2 不变不变F2不变（幅值和相位）不变（幅值和相位）上页上页下页下页目录目录转子绕组的折合转子绕组的折合频率折合后，定、转子的频率都是频率折合后，定、转子的频率都是 f1。为了得到等效电路，还需用转子堵转时的处理方

29、为了得到等效电路，还需用转子堵转时的处理方法，法，将转子绕组折合到定子侧，将转子绕组折合到定子侧，即进行转子绕组即进行转子绕组折合。折合。上页上页下页下页目录目录基本方程式、等效电路基本方程式、等效电路l基本方程式基本方程式在对转子进行频率在对转子进行频率折合和绕组折合后，折合和绕组折合后，可得转子旋转时的可得转子旋转时的基本方程式。基本方程式。上页上页下页下页目录目录基本方程式、等效电路基本方程式、等效电路lT T型等效电路型等效电路上页上页下页下页目录目录时空相矢量图时空相矢量图上页上页下页下页目录目录讨讨 论论p空载时，转差率空载时，转差率s很小，很小，转子电流很小，转子电流很小，空载电

30、流约等于励空载电流约等于励磁电流，定子功率因数磁电流，定子功率因数很低。很低。w额额定定负负载载运运行行时时，通通常常转转差差率率sN0.05，转转子子等等效效电电路路为为电电阻阻性性，定定、转转子子侧侧功功率率因因数数都都较较高高，可可达达0.8 以上。以上。上页上页下页下页目录目录讨讨 论论p定子漏阻抗定子漏阻抗Z1不大，不大，从空载到额定负载时，从空载到额定负载时，I1Z1与电压与电压U1相比都相比都较小，定子电动势较小，定子电动势E1U1。p主磁通主磁通m与电动势与电动势E1成正比。成正比。p只要电压只要电压U1不变，从不变，从空载到额定负载，空载到额定负载，m基本不变，励磁电流基本不变，励磁电流I0也基本不变。也基本不变。w起起动动或或堵堵转转时时，主主磁磁通通m与与额额定定负负载载时时相相比比变变化化很很大大，约为空载时的一半。约为空载时的一半。上页上页下页下页目录目录