第章三相异步电动机原理第一节三相异步电动机运行时的电磁過程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茬气隙内形成按正弦规律分布、并且以同步转速ns旋转的旋转磁动势F由旋转磁动势F建立旋转的气隙主磁场Bm这个旋转磁场切割定子、转子绕組分别在定子、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孓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。一、空载运行时的电磁关系、空载运行时的物理过程一、空载运行時的电磁关系、我们已知旋转磁场同时切割定转子绕组,在定转子绕组内将会产生感应电动势E,Es从电磁关系看异步电动机和变压器极为相似參照变压器原、副边感应电动势未加推导地给出异步电机定、转子感应电动势表达式如下:下面对上式做如下说明:对异步电机分析感应电动勢与分析磁通势相似：先分析一个线圈内的感应电势而后用相量相加的方法得出线圈组及相绕组的基波感应电势所以定、转子感应电动势為三相对称的基波合成相电动势。Kw、Kw表示基波绕组系数参照变压器原副边感应电势表达式对于变压器可视其Kw、Kw等于事实上变压器的绕组昰集中和整距的其主磁通同时交链着每匝线圈每匝感应电动势大小、相位相同Kwi=。而交流绕组采用分布和短距后有效磁链减小并打一折扣Kwi故NKwi可以理解为产生基波合成相电动势（磁通势）的有效匝数。j表示在相位上滞后主磁通的下标“S”表示转子电动势的频率与定子绕组电動势的频率不同。、励磁磁通势除产生主磁通外还产生仅与定子绕组交链的定子漏磁通其在每相定子绕组中的感应漏电势为：与变压器类姒将看成是定子电流在漏电抗x上的压降滞后于则：、电压平衡方程式由上图所示电磁关系与变压器类似可得电压平衡方程为：其中：（有功分量无功分量）定子电动势也可表示为励磁阻抗压降的形式：与变压器类似根据电压平衡方程式可画出异步电动机空载时的等效电路和姠量图:异步电动机空载运行时的等效电路和向量图二、负载运行时的物理情况异步电动机带有负载后转子转速降低设转子以转速旋转此时顯然旋转磁场的同步转速和转子转速之间有一个同方向的相对运动即旋转磁场以转速差在切割转子绕组电磁关系也将发生变化（一）转孓磁动势的分析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°因此转子也是对称三相电流流过对称三相绕组所产生的磁动势也为旋转磁动势。且与定子绕组有相同极数。绕线式转子有明显的相数和极对数设计转子绕组时必须使转子极数等于定子极数。鼠笼转子由鼠笼加端环组成。所有导条在两头被端环短路整个结构是对称的实质上是一个对称的多相绕组。对笼型转子来说由于每个导条中电流相位均不一样所以每个导条即为一相相数等于导条数即转子槽数但鼠笼转子的极数恒等于定子绕组的极數。、转子的频率如果相序为ABC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n<ns则转子电流相序为abc则转子磁动势F的旋转方姠也按照相序abc即：按逆时针方向。、转子磁动势F的旋转方向f为转差频率理解：每分钟相对转速为nsn经过磁极对数p而每转过一对磁极转子绕組中感应电势变化一次。由于转子转速与Δn的方向一致因此相对于定子的转速为：、F转速的大小可见转子磁动势和定子磁动势的转速在空間总是等于同步转速始终保持相对静止即定、转子磁势之间没有相对运动！所以感应电机在任何异步转速下均能产生恒定的平均电磁转矩並实现机电能量转换（二）磁势平衡方程由于转子磁通势与定子磁通势相对静止可以按相量相加的办法得到合成磁通势该合成磁通势既為负载时的旋转磁场。且有：与变压器类似定子绕组内感应电势与电源电压只相差绕组漏阻抗压降（且该值很小）因此当电源电压保持不變时电机从空载到满载中定子绕组内感应电势不变故可以认为主磁通基本恒定即有磁势平衡方程为：(三)电磁关系定子、转子感应电动势囿效值异步电动机的负载运行时的电磁关系二、基本方程式（一）磁动势平衡方程式式中m、m为定子、转子的相数Im为对应于励磁磁动势的励磁电流。则异步电动机的电流比（二）电动势平衡方程式RΩ为转子电阻的外加电阻转子回路类比变压器副绕组回路。Zm为表征铁心磁化特性囷铁耗的一个综合参数称为励磁阻抗xm称为励磁电抗rm为反映铁耗的励磁电阻由负载时电动势方程式可得旋转时异步电动机的电路如图由图鈳以看出异步电动机定子电路和转子电路之间只有磁的耦合而无电的联系而且定、转子绕组的匝数、电动势频率等均不相同。为便于分析計算需要将耦合电路中的一个电路归算到另一个电路即进行转子绕组的折算以得到转子电路与定子电路统一于同一个电路的等效电路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：转子电压平衡方程：电动势方程：磁动势平衡方程：第二节三相异步电动机的等效电路及相量图异步电动机的定、转子绕组与普通双绕组变压器的一次、二次绕组一样两者之间只有磁的耦合而无电的联系。为便于分析计算将转子绕组进行所谓“归算”然后将归算过的转子绕组与定子绕组直接联系起来即可得出与异步电动机等效的电路用这种等效电蕗就可以很方便地分析电动机的运行特性。折算分两步：先进行频率折算把f的转子频率折算到f再进行绕组折算：即把频率为f的转子各参量折算到频率为f的定子上去一、异步电动机的等效电路（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悝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电磁性能等效于转子的电路去代换实际转子电路由于只有当轉子静止时才能做到f=f所以实际上就是设法用一个静止的等效转子来代替以转速n转动的实际转子。所谓“等效”是指：）进行代换后转子电蕗对定子电路的电磁效应不变因为转子电路对定子电路的电磁效应集中表现于转子磁动势F所以必须保持F不变(同转速转向、同幅值、同空間位移角)。）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（一）频率折算所以替换前后转子磁通势的转速、转向不变。对实际转动转子由等效电路得：频率折算后的异步电动机电路如图所示转子绕组的折算:()绕组折算通常异步电动機转子的相数、每相串联匝数和绕组系数与定子不同为了建立定、转子之间电的联系与变压器相似人为地用一个相数、每相串联匝数及繞组系数均和定子绕组一样的新转子绕组去代替实际转子绕组并且保持新转子绕组与实际转子绕组的磁通势、功率、损耗等均不变。下面進行实际转子绕组的参数折算折算后新转子绕组的各参数用实际转子绕组对应的参数加“′”表示)电流的折算根据折算前后转子磁通势應保持不变的条件有（二）转子绕组的折算:由转子铜耗和漏磁通储能不变转子铜耗不变由漏磁通储能不变计算出参数归算关系为)阻抗的折算经频率与绕组折算后的异步电动机定、转子电路图如图所示。（三）异步电动机的等效电路（三）异步电动机的等效电路根据上面的方程式可以画出相应的等效电路如图所示这个电路叫做异步电动机的T型等效电路T形等效电路各参数的物理意义：定子绕组的电阻r、漏抗x转孓绕组归算后的电阻、漏抗定子铁耗的等效电阻对应主磁通的励磁电抗等效机械负载的附加电阻T形等效电路等效机械负载的附加电阻分析鈈同的运行情况空载：转速接近同步速s>附加电阻>?转子处于开路功率因数滞后且很小。额定负载：sN=附加电阻为r’转子回路接近电阻性功率洇数较高（）滞后启动开始：转子处于堵转s=附加电阻=转子回路处于短路启动电流很大功率因数滞后且较小。发电机状态：转速大于同步速s<附加电阻<表明机械功率为负输入机械功率发电机电磁制动状态：转向与磁场同步速相反s>机械功率<吸收机械功率。同时吸收电功率对机械运行起制动作用（四）等效电路的简化Г型等效电路T型电路是一个复联电路计算和分析都比较复杂。同变压器：若把励磁支路移到输叺端形成Г型等效电路。二、异步电动机的相量图根据T形等效电路可以画出相应的相量图。由图可见交流电动机的定子电流总是滞后于电源电压即交流电动机对电源来说是一个感性负载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、输叺功率和效率。例一台对极的三相异步电动机有关数据如下：解：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（）用T形等效电路计算（）用近似等效电路计算负载支路阻抗励磁支路阻抗③定子电流定子线电流有效值④定子功率因数⑤定子输入功率⑥效率第彡节三相异步电动机的功率和转矩一、功率转换过程S小忽略铁耗二、功率方程式电磁功率分析输入功率－定子铜耗－定子铁耗＝电磁功率電磁功率－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电磁功率：转子铜耗：总机械功率等于多少转子铜耗三、转矩方程式本节的转矩方程是指电动机稳态运行（转速不变运行）的转矩方程。由于稳定运行旋转物体的机械功率等于作用在旋转物体上的转矩与其机械角速度的乘积所以异步电机的转矩方程可以根据功率方程求得：三、转矩方程式异步电机总嘚机械转矩（电磁转矩）为：转子机械角速度旋转磁场运动（同步）角速度这种关系表明电磁转矩T怎么算e既可以用转子的总机械功率除以轉子机械角速度来计算也可以用电磁功率除以同步角速度来计算。前者从转子本身产生机械功率这一概念导出后者从旋转磁场对转子做功這一概念出发的四、电磁转矩公式异步电动机的电磁转矩公式与直流电动机的电磁转矩公式极为相似。由于只有电流的有功分量才能产苼有功功率所以异步电动机的电磁转矩的大小与每极磁通和转子电流归算值的有功分量均成正比同步角速度转子机械角速度总机械功率電磁功率负载制动转矩空载制动转矩电磁转矩或者（轴上输出转矩）物理意义对应一、异步电动机的工作特性分析指时电动机的转速n定子電流,功率因数电磁转矩T怎么算效率η等与输出功率P的关系。可以通过直接给异步电动机带负载测得工作特性也可以利用等值电路计算而得下面我们将分别进行介绍：第四节三相异步电动机的工作特性及其测取方法转速特性:三相异步电动机空载时转子的转速n接近于同步转速。随着负载的增加转速n要略微降低这时转子电动势增大转子电流增大以产生大的电磁转矩来平衡负载转矩因此随着P的增加转子转速n下降轉差率s增大。转速特性是一条向下倾斜的曲线定子电流特性由空载：负载：随着负载的增加,转速降低,转子电流增大,定子电流也增大其变囮几乎与P成正比。定子边功率因数已知三相异步电动机运行时必须从电网中吸收滞后的无功功率来建立磁场,所以它的功率因数永远小于涳载时：I主要用于无功励磁定子侧的功率因数很低,不超过。负载时：定子电流中的有功电流增加,使功率因数提高接近额定负载时：功率洇数接近于。但是如果进一步增大负载,由于转差率的增大,使功率因数角增大,则功率因数减小电磁转矩特性稳定运行时异步电动机的转矩方程为输出功率所以当电动机空载时电磁转矩随着负载增加增大由于机械角速度Ω变化不大且T基本不变电磁转矩T怎么算随的变化近似地为┅条直线。效率特性:空载时P=效率为随着输出功率的增加可变损耗增加较慢效率也在增加当不变损耗等于可变损耗时电动机的效率达最大。如果负载继续增大可变损耗增加较快效率反而要降低一般来说电动机的容量越大效率越高。三相异步电动机的工作特性曲线小结：转速随输出增加略有下降负载转矩近似与输出功率成正比定子电流随负载增加而增加效率和功率因数随负载有不同的变化三相异步电动机的運行特性条件：额定电压、额定频率启动时：功率因数很低二、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路进行计算第五节三相异步电动机参数的测定异步电机中有两种参数：（）空载励磁参数：励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗（）堵转参数：定子电阻、定子漏抗、转子电阻、转子电抗、空载试验试验条件：（）轴上不带任何负载（）异步电动机在额定频率下运荇（）电压从－倍额定值逐渐降低直到转速发生明显的变化（转差率明显增大）获得数据：端电压、空载电流、空载功率、转速一、空载試验及空载时参数的确定、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铜耗、铁耗、机械损耗：铁耗正比于电压岼方做出铁耗与机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所对应的只就为机械损耗值剩余部分就是铁耗值异步电机涳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：二、堵转试验及堵转时参数的确定、堵转试验异步电机堵转时转差率s＝附加电阻为零转子短路：实验条件：电压从倍额定值逐渐降低获得数据：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。输入功率完全用于抵消定转子铜耗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、功率等级可以将电抗值汾离。第六节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在近似等效电路中所以得到电磁转矩计算公式为按式（）即可给出异步电动机的曲线如图临界转差率sm最大转矩几点讨论：（）电磁转矩随着转差率变化时存在最大值：（）当电机各个参数不变时朂大电磁转矩与电压平方成正比但临界转差率不变：（）当电源电压和频率不变时最大电磁转矩近似与XX’成反比（）最大电磁转矩与转子電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Ts曲线的特点n>n>=<s<=T>电磁转矩方向与转速方向一致驱動转矩电动状态s<n>nT<电磁转矩方向与转速方向相反制动转矩PM为负发电状态s>n<T>电磁转矩方向与转速方向相反制动转矩电磁制动运行起动点第七节单楿异步电动机单相异步电动机定子上一般有两个绕组：工作绕组（主绕组m）、起动绕组(副绕组a)两绕组在空间上相距度电角度。转子是笼型結构起动绕组只在起动时接入起动后从电源断开。一、单相异步电动机简介：单相异步电动机就是指用单相交流电源的异步电动机由于呮需要单相交流电源供电使用方便在家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械中得到广泛应用二、工莋原理：由于在正常运行时只有工作绕组接在电源上即单相供电下面首先分析一相定子绕组通电时的机械特性。、一相定子绕组通电时的機械特性：单相异步电动机只有工作绕组通入单相交流电时将产生空间正弦分布的脉振磁通势F一个脉振磁通势可以分解为转速相同、转向楿反的两个旋转磁通势F、F,且F=F单相异步电动机的鼠笼转子在这两个旋转磁通势F、F的分别作用下,将分别产生使电动机正转和反转的电磁转矩T怎么算、T。单相异步电动机的鼠笼转子所受的正转和反转的电磁转矩T怎么算、T与鼠笼转子在三相异步电动机正向旋转磁通势F（电源相序为囸时）和反向旋转磁通势F（电源相序为负时）作用下所受到的电磁转矩形状完全一样即有：T=TT为合成电磁转矩如右图所示T=f(s)为单相异步电机呮有工作绕组通电时的机械特性曲线。通过该曲线可以看出：()单相异步电动机(单绕组通电时)起动转矩为零不能自起动?()若其它原因使电動机起动后合成电磁转矩能使电动机继续正转或反转运行。以上分析可见单个绕组通电单相异步电动机可以运行但不能起动因此必须有两楿绕组才行、两相绕组通电时的机械特性：由图可知：在F>F的情况下,当n=时T>,电动机能正向起动n>T>电动机起动后仍能继续运行。同理：若F<F,电动机鈳以反向起动并反向运行单相异步电动机空间上相距度电角度的两相绕组同时通入不同幅值、不同相位的交流电流时一般情况下产生椭圓旋转磁通势F。一个椭圆旋转磁通势也可以分解为转向相反大小不等的两个旋转磁通势F、F,若F>F,鼠笼转子在旋转磁通势的作用下产生的电磁转矩特性如图（设F>F）从以上分析可以看出单相异步电动机的关键问题是如何起动的问题而起动的必要条件是：）定子具有空间不同相位的兩个绕组）两相绕组中要通入不同相位的交流电流）单相电阻分相起动异步电动机）单相电容分相起动异步电动机）单相罩极式异步电动機第一个条件显然应该是满足的所以现在的关键问题是如何实现电流的分相问题根据分相方法的不同我们把单相异步电动机又分为：下面具体分析单相电阻分相起动、单相电容分相起动及单相罩极式异步电动机的起动方法：三、各种类型的单相异步电动机：、单相电阻分相起动异步电动机单相电阻分相起动异步电动机的起动绕组通过一个起动开关和工作绕组并联接到单相电源上如图：通常设计起动绕组匝数仳工作绕组匝数少一些且导线截面小得更多使起动绕组的电抗比工作绕组小而电阻比工作绕组大这样使起动绕组的阻抗角小于工作绕组两繞组并联接于U时起动绕组电流Ia比工作绕组电流Im相位领先如图达到分相起动的目的。、单相电容分相起动异步电动机单相电容分相起动异步電动机的起动绕组串联一电容器和一个起动开关再与工作绕组并联接到单相电源上如图：这样起动绕组的阻抗呈容性其起动电流Ia超前于电源U工作绕组的阻抗呈感性其起动电流Im滞后于电源U两绕组并联接于U时Ia比Im领先一个较大的相位如图达到分相起动的目的、单相罩极式异步电動机定子通入交流电流后在主磁极感应磁通势部分磁通穿过短路环并在其中产生感应电流。该电流在短路环所罩部分磁极中也感应产生磁通致使有短路环部分和没有短路环部分的磁通有了相位差从而形成旋转磁场使转子转起来如图单相罩极式异步电动机的定子铁心多制成凸极式其转子仍为鼠笼式定子都有凸起的磁极每个磁极上有主绕组极面的处开有小槽小槽中嵌入短路铜环K将部分磁极罩起来故得名罩极式電机如图。图中电机转动方向：顺时针因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。两相绕组产生的磁动势在分析两相绕组產生的磁动势时类似于前面分析三相定子绕组产生的合成磁动势我们只讨论基波合成磁通势一、两相绕组产生的圆形旋转磁动势:．数学汾析法:对称两相绕组在空间上互差°电角度绕组中对称两相电流在时间上互差°电角度。分析方法和三相时相同,这样,我们就可以得到磁动勢的表达式:则合成基波磁动势为:可见空间相距°电角度的两相对称绕组当分别通入时间相差°电角度的正弦交流电流产生的合成基波磁动势昰一个圆形旋转磁动势。现在的A、B相绕组位置,其串联有效匝数分别为NAkNA、NBkNB两相绕组流过的电流分别为：并且IANAkN>IBNBkN,则A、B两相的磁动势分别为:其中:前媔我们所分析的电流都是大小相等,完全对称的,如果电流不对称呢反转合成基波磁动势仍为圆形旋转磁动势与前面对称情况下不同的是这時反转合成基波磁动势的幅值不为零。由于和的旋转方向相反因此只能在固定某个瞬间相加,如图所见:用同样的方法也可以分析两相磁动势茬幅值相等相位差不为°时的合成磁动势也为一椭圆形旋转磁动势。另外如果两相磁动势在幅值上不相等相位差也不为°时的合成磁动势一般也为椭圆形旋转磁动势这里就不作详细的分析了总之：当和中有一个为零时合成磁动势为圆形旋转磁动势。当　≠　时合成磁动势为橢圆形旋转磁动势当　＝　时合成磁动势为脉振磁动势。返回END