第四章 三相異步電動機

1、三相異步電動機主要由三相異步電動機主要由定子和轉子定子和轉子兩大部分組成。兩大部分組成。1.1.定子部分定子部分定子是電動機的固定部分，主要由定子是電動機的固定部分，主要由機座、定子鐵心和定子繞組機座、定子鐵心和定子繞組三個部分組成的。三個部分組成的。（1 1）機座：）機座：主要起支撐保護作用。主要起支撐保護作用。（2 2）定子鐵心：）定子鐵心：是電動機磁路的一部分，裝在機座里。為了是電動機磁路的一部分，裝在機座里。為了降低定子鐵心里的鐵損耗，定子鐵心用降低定子鐵心里的鐵損耗，定子鐵心用0.5mm0.5mm厚的硅鋼片疊壓厚的硅鋼片疊壓而成的，在硅鋼片的兩面還應途上絕緣漆，以減小渦流損耗。而成的

2、，在硅鋼片的兩面還應途上絕緣漆，以減小渦流損耗。（3 3）定子繞組：）定子繞組：三相對稱繞組嵌放在定子鐵心內圓的槽內，三相對稱繞組嵌放在定子鐵心內圓的槽內，三相繞組在空間相差三相繞組在空間相差120120電角度電角度，每相繞組的兩端分別用，每相繞組的兩端分別用U1-U1-U2U2、V1-V2V1-V2、W1-W2W1-W2表示，根據(jù)需要結成表示，根據(jù)需要結成Y Y形或形或形。形。2.2.轉子部分轉子部分轉子是電動機的旋轉部分，主要由轉子是電動機的旋轉部分，主要由轉子鐵心、轉子繞組和轉轉子鐵心、轉子繞組和轉軸軸組成。組成。（1 1）轉子鐵心：）轉子鐵心：是電動機磁路的一部分，用來安放轉子繞組，是

3、電動機磁路的一部分，用來安放轉子繞組，它用它用0.5mm0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。鐵心固定在轉軸或轉子支架厚的硅鋼片疊壓而成。鐵心固定在轉軸或轉子支架上，整個轉子的外表呈圓柱形。上，整個轉子的外表呈圓柱形。（2 2）轉子繞組：）轉子繞組：分為分為籠型籠型和和繞線型繞線型兩類。兩類?；\型繞組：籠型繞組：在轉子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條在轉子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導條聯(lián)結起來，稱為兩端各用一個銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導條聯(lián)結起來，稱為銅排銅排轉子轉子，如圖所示。也可用鑄鋁的方法，把轉子導條和端環(huán)、，如圖所示。也可用鑄鋁的方法，把轉子導條和端環(huán)、風

4、扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為風扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉子鑄鋁轉子，如圖所示。，如圖所示。100kW以下的異步電動機一般采用鑄鋁轉子?；\型繞組結構以下的異步電動機一般采用鑄鋁轉子?；\型繞組結構簡單，堅固，成本低。簡單，堅固，成本低。籠型轉子鐵籠型轉子鐵心和繞組結心和繞組結構示意圖構示意圖 定子和轉子配合方式定子和轉子配合方式下面是它主要部件的拆分圖。下面是它主要部件的拆分圖。 右圖是一臺三相籠型感應電動右圖是一臺三相籠型感應電動機的外形圖。機的外形圖。4. 1. 1 三相交流電的旋轉磁場和旋轉磁動勢三相交流電的旋轉磁場和旋轉磁動勢 在三相異步電動機中實現(xiàn)機電能量轉換的前提在三相異步

5、電動機中實現(xiàn)機電能量轉換的前提是必須產(chǎn)生一種旋轉磁場。所謂旋轉磁場是必須產(chǎn)生一種旋轉磁場。所謂旋轉磁場, ,就是一種就是一種極性不變且以一定轉速旋轉的磁場。根據(jù)理論分析極性不變且以一定轉速旋轉的磁場。根據(jù)理論分析和實踐證明和實踐證明, ,在多相對稱繞組中流過多相對稱電流時在多相對稱繞組中流過多相對稱電流時, ,會產(chǎn)生一種大小恒定的旋轉磁場即圓形旋轉磁場會產(chǎn)生一種大小恒定的旋轉磁場即圓形旋轉磁場（磁感應強度矢量頂點的軌跡為一圓）。（磁感應強度矢量頂點的軌跡為一圓）。 三相異步電動機的定子繞組為三相對稱繞組，三相異步電動機的定子繞組為三相對稱繞組，只要三相對稱繞組通入三相對稱交流電，就會在氣只要三

6、相對稱繞組通入三相對稱交流電，就會在氣隙中產(chǎn)生旋轉磁場。隙中產(chǎn)生旋轉磁場。U1iViUiwV2W2W1V1U2i0TiutiViW三相定子三相定子繞組中通繞組中通過的電流過的電流120sin120sinsintIitIitIimwmvmuW2t1t2t3t4W1V1W2U1U2V2SNV1V2U1W2W1U2SNW1U2W2V1U1V2SNt1時刻時刻W1U1V1U2V2t2時刻時刻t3時刻時刻三相電動機旋轉磁場的產(chǎn)生三相電動機旋轉磁場的產(chǎn)生 SNU1W2U2V2W1V1MWMVUIiIiit866. 0866. 000i0TiutiViW SNV1U2V2W2U1W1MWVMUIiiIit8

7、66. 00866. 0120i0TiutiViW SNW1V2W2U2V1U10866. 0866. 0240WMVMUiIiIiti0TiutiViW SNU1W2U2V2W1V1MWMVUIiIiit866. 0866. 00360i0TiutiViW結論：在通入按正弦規(guī)律變化結論：在通入按正弦規(guī)律變化的三相交流電流時，就會在定的三相交流電流時，就會在定子鐵心中產(chǎn)生一個極性不變，子鐵心中產(chǎn)生一個極性不變，轉速一定的旋轉磁場。轉速一定的旋轉磁場。i0TiutiViWSNSNSNSNSNSN在定子旋轉磁場的帶動下，處于旋轉磁場中的在定子旋轉磁場的帶動下，處于旋轉磁場中的轉子，會按照定子旋轉磁

8、場的方向轉動起來。轉子，會按照定子旋轉磁場的方向轉動起來。旋轉磁場的形成旋轉磁場的形成 在三相定子繞組空間排序不變的條件下,旋轉磁場的轉向旋轉磁場的轉向取決于三相電流的相序取決于三相電流的相序,即從電流超前相轉向電流滯后相,若要若要改變旋轉磁場的方向，只需將三相電源進線中的任意兩相對改變旋轉磁場的方向，只需將三相電源進線中的任意兩相對調即可調即可。 U1iViUiwV2W2W1V1U2W2W1U1V1U2V2i0TiutiViW三相定子三相定子繞組中通繞組中通過的電流過的電流120sin120sinsintIitIitIimwmvmu式中： 定子交流電流的頻率,單位為Hz； p 旋轉磁場的磁極

9、對數(shù)； 旋轉磁場的轉速旋轉磁場的轉速 , 亦稱同步轉速同步轉速 , 其單位常采用r/min。 國產(chǎn)的異步電動機 , 定子繞組所接交流電源的頻率為50 Hz , 所以不同極對數(shù)的異步電動機對應的同步轉速也就不同 , 如下表所示。minr60111單位為單位為pfsrpfn（4-1）1f1np1234n1(r/ min) 3000 1500 1000 750 三相異步電動機定子三相對三相異步電動機定子三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電稱交流繞組通入三相對稱交流電流時，將在電機氣隙空間產(chǎn)生旋流時，將在電機氣隙空間產(chǎn)生旋轉磁場，轉子繞組的導體處于旋轉磁場，轉子繞組的導體處于旋轉磁場中轉磁場中 ，轉子導

10、體切割磁力，轉子導體切割磁力線會產(chǎn)生感應電勢，根據(jù)右手定線會產(chǎn)生感應電勢，根據(jù)右手定則可以判斷感應電勢方向則可以判斷感應電勢方向 ，又，又因為轉子導體通過端環(huán)自成閉路，因為轉子導體通過端環(huán)自成閉路，所以轉子導體中會通過感應電流。所以轉子導體中會通過感應電流。感應電流與旋轉磁場相互作用產(chǎn)感應電流與旋轉磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，根據(jù)左手定則可以判生電磁力，根據(jù)左手定則可以判斷電磁力的方向。電磁力作用在斷電磁力的方向。電磁力作用在轉子上將產(chǎn)生電磁轉矩，并驅動轉子上將產(chǎn)生電磁轉矩，并驅動轉子旋轉。轉子旋轉。 異步電動機的工作原理示意圖異步電動機的工作原理示意圖轉子轉子(電動機電動機)的轉速的轉速 能能等

11、于旋轉等于旋轉磁場轉速磁場轉速嗎？嗎？轉子與旋轉磁場間沒有相對運動轉子與旋轉磁場間沒有相對運動如果如果1nn 轉子不切割磁場不能生成感應電流轉子不切割磁場不能生成感應電流轉子不是載流導體則不能產(chǎn)生電磁力轉子不是載流導體則不能產(chǎn)生電磁力三相對稱定子繞組三相對稱定子繞組對稱三相交流電對稱三相交流電旋轉磁場旋轉磁場靜止的轉子導體靜止的轉子導體切割切割感應電動勢感應電動勢感應電流感應電流電磁力電磁力轉子轉動轉子轉動 %10011nnnsSN=1.5%-5%1)1 (nsn安培定律電磁感應定律 例例4.1 某臺50 Hz的三相異步電動機的額定轉速 =730 r/min , 空載轉差率s0=0.267%。

12、試求該電機的極對數(shù)、同步轉速、空載轉速和額定負載時的轉差率。 解解 因為電源頻率為50 Hz , 同步轉速 Nn時，所以4,300050606011ppppfn,minr730minr750N1nn。已知由于額定轉速略低于同步轉速，因此該電機的同步轉速必定為750r/min , 相應的極對數(shù)為p=4。 空載轉速為minr748minr%267.017501010snn%67.2%100750730750%1001N1Nnnns額定轉差率為風風罩罩端端蓋蓋定定子子風風葉葉電動機電動機定子定子定子鐵心定子鐵心機座機座定子繞組定子繞組轉子轉子轉子鐵心轉子鐵心轉軸轉軸轉子繞組轉子繞組定子鐵芯是由定子鐵

13、芯是由0.5mm厚的厚的，在其內圓沖有分布的槽。，在其內圓沖有分布的槽。定子鐵定子鐵芯芯的的：一是槽內可用來：一是槽內可用來；二是定子鐵心；二是定子鐵心。定子繞組由銅導線繞制而成。構成定子繞組由銅導線繞制而成。構成。機座是電動機的機座是電動機的，是機械結構的組成部分，一般用鑄鐵或鑄鋼制成。，是機械結構的組成部分，一般用鑄鐵或鑄鋼制成。123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evisionSizeBD ate:13-Jul-2003Sheet of File:F:f電 路 圖 電 工 學D raw n B y:U 1W 1U 2V 1V 2W 1W 2U 1U 2

14、V 1V 2W 2U 1V 1W 1W 2U 2V 2U 1V 1W 1W 2U 2V 2定子繞組的接法：定子繞組的接法：Y Y形和形和形形 。三相定子繞組由機殼外面的接線盒引出：三相定子繞組由機殼外面的接線盒引出： 左下圖為左下圖為Y Y接連線圖；右下圖為接連線圖；右下圖為接連線圖。接連線圖。轉子鐵心是也是由轉子鐵心是也是由0.5mm厚的厚的，在其外，在其外圓沖有分布的槽。圓沖有分布的槽。轉子鐵心可嵌放轉轉子鐵心可嵌放轉子繞組，構成電機子繞組，構成電機磁路的另一部分。磁路的另一部分。轉子鐵心轉子鐵心籠形轉子繞組籠形轉子繞組鑄鋁籠形轉子鑄鋁籠形轉子轉子繞組大部分是澆轉子繞組大部分是澆鑄鋁籠型，

15、大功率也鑄鋁籠型，大功率也有銅條制成的籠型轉有銅條制成的籠型轉子導體，構成電機電子導體，構成電機電路的一部分。由轉軸路的一部分。由轉軸輸出機械能。輸出機械能。在轉子鐵芯的每個槽內插入一根導條, 在伸出鐵心的兩端分別用兩個導電端環(huán)把所有的導條連接起來,形成一個自行閉合的短路繞組。如果去掉鐵心, 剩下來的繞組形狀就像一個關松鼠的籠子, 故稱之為籠型繞組三相異步電動機三相異步電動機型號 Y132M-4 功率 7.5KW 頻率 50Hz電壓 380V 電流 15.4A 接法 轉速 1440r/min 絕緣等級 B 工作方式 連續(xù)標準編號 工作制 S1 B級絕緣 年 月 編號 電機廠Y表示三相異步機，表

16、示三相異步機，132（mm）表示機）表示機座中心高度；座中心高度；M代表中機座（代表中機座（L長機座、長機座、S短機座）；短機座）；4代表磁極數(shù)。代表磁極數(shù)。(額定額定)功率指的是電動機輸出的功率。功率指的是電動機輸出的功率。(額定額定)電壓、電流均指電動機額定運行電壓、電流均指電動機額定運行情況下的定子線電壓、線電流的數(shù)值。情況下的定子線電壓、線電流的數(shù)值。(額定額定)轉速指的是電動機轉子的轉速轉速指的是電動機轉子的轉速n 。123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evisionSizeBD ate:13-Jul-2003Sheet of File:F:f電

17、路 圖 電 工 學D raw n B y:U 1W 1U 2V 1V 2W 1W 2U 1U 2V 1V 2W 2U 1V 1W 1W 2U 2V 2U 1V 1W 1W 2U 2V 2絕緣等級決定了電動機的允許溫升。絕緣等級決定了電動機的允許溫升。(AEBFHC) （1）連續(xù)）連續(xù)(S1)：按額定功率長期連續(xù)使用：按額定功率長期連續(xù)使用（2）短時）短時(S2)：在規(guī)定時間內按額定功率：在規(guī)定時間內按額定功率運行運行（3）斷續(xù)）斷續(xù)(S3)：以間歇方式運行：以間歇方式運行額定值關系有：額定值關系有：3NNNNNPU I cos例例4. 2 一臺Y160M22三相異步電動機的額定數(shù)據(jù)如下：PN=

18、15 kW, UN=380 V， =0.88, =88.2%,定子繞組為連接。試求該電動機的額定電流和對應的相電流。 NcosN解解 該電動機的額定電流為相電流為 從此題看,在數(shù)值上有IN2PN , 這也是額定電壓為額定電壓為380 V的的三相異步電動機三相異步電動機的一般規(guī)律。在實際中, 可以根據(jù)此規(guī)律對額定電流進行估算 , 即每千瓦按每千瓦按2 A電流估算電流估算。A4 .29882. 088. 038031015cos33NNNNNUPIA1734.293NN II 我國統(tǒng)一設計和生產(chǎn)的異步電動機經(jīng)歷了三次換代。第一次是1953年設計的J系列和JO系列；第二次是1958年設計的J2系列和

19、JO2系列；第三次是20世紀70年代設計的Y系列, 從20世紀80年代開始,Y（IP23）系列替代J2系列 , Y（IP44）系列替代JO2系列, IP是防護的英文縮寫, 指外殼結構防護形式。 Y系列產(chǎn)品效率高、節(jié)能、啟動轉矩大、噪聲低、振動小, 其性能指標、規(guī)格參數(shù)和安裝尺寸等完全符合國際電工委員會（IEC）標準,便于進出口產(chǎn)品的配套。常用Y系列三相異步電動機的型號、名稱、使用特點和場合如表4-2 所示。同心式繞組鏈式繞組交叉式繞組整距疊繞組交流繞組單層繞組雙層繞組雙層疊繞組雙層波繞組 單層繞組與雙層繞單層繞組與雙層繞組相比，電氣性能組相比，電氣性能稍差，但槽利用率稍差，但槽利用率高，制造工

20、時少，高，制造工時少，因此小容量的電動因此小容量的電動機（機（P PN N10kW10kW），），一般都采用單層繞一般都采用單層繞組。組。 三相異步電動機定子繞組的種類很多, 但無論怎么分類, 構成繞組的原則是一致的, 下面僅以三相單層繞組為例說明繞組的排列和連接規(guī)律。 為了便于掌握繞組的排列和連接規(guī)律, 先介紹一些交流繞組的基本術語。1.電角度與機械角度電角度與機械角度 電機圓周在幾何上度量為360, 這個角度稱為機械角機械角度度。從電磁觀點看, 若磁場在空間按正弦規(guī)律分布, 則經(jīng)過N、S一對磁極恰好相當于正弦曲線的一個周期。若有導體去切割這種磁場, 則經(jīng)過N、S一對磁極, 導體中所感應的正

21、弦電動勢亦變化一個周期, 變化一個周期即經(jīng)過360電角度電角度, 因而一對磁極占有的空間是一對磁極占有的空間是 360電角度電角度。若電若電機有機有 p 對磁極對磁極, 電機圓周按電角度計算就為電機圓周按電角度計算就為p360電角電角度度, 而其機械角度總是而其機械角度總是 360, 因此因此 電角度電角度=p機械角度機械角度 2. 線圈線圈 線圈由一匝或多匝串聯(lián)而成, 是組成交流繞組的基本單元。每個線圈放在鐵心槽內的部分稱為有效邊有效邊, 槽外的部分稱為端端部部,如下圖所示。 3. 極距極距 每個磁極沿定子鐵心內圓所占的范圍稱為極距。極距可用磁極所占范圍的長度或定子槽數(shù)或電角度表示： pD2

22、 或或pz21或或001802360pp式中：D 定子鐵心內徑;Z1 定子鐵心槽數(shù)。 4. 節(jié)距節(jié)距y 一個線圈的兩個有效邊所跨定子內圓上的距離稱為節(jié)距, 一般節(jié)距 用槽數(shù)計算。節(jié)距應接近極距。 = 的繞組稱為整距繞組整距繞組; 的繞組稱為短距繞組短距繞組; 的繞組稱為長距繞組長距繞組。常用的是整距和短距繞組。 5. 槽距角槽距角 相鄰兩槽之間的電角度稱為槽距角,槽距角可表示為yyyy10360zpa 6. 每極每相槽數(shù)每極每相槽數(shù)q 每個極下每相繞組所占有的槽數(shù)稱為每極每相槽數(shù),每極每相槽數(shù)q可表示為式中： 定子繞組的相數(shù)。對三相定子繞組 , =3。 7. 相帶相帶 每個極距內屬于同一相的槽

23、所連續(xù)占有的區(qū)域稱為相帶。因為一個極距為180電角度,而三相繞組在每個極距內均分,占有等分相同的區(qū)域,所以在每個極距內每相繞組占有的區(qū)域都是60電角度,即每個相帶為60電角度,這樣排列的三相對稱繞組稱為60相帶繞組相帶繞組。pmzq1121m1m 三相異步電動機一般都采用60相帶繞組。如下圖所示, 其中圖(a)和圖(b)分別對應兩極和四極的60相帶。由于U、V、W三相對稱繞組的軸線在空間互隔120電角度,因此一對磁極范圍一對磁極范圍內相帶的排列順序為內相帶的排列順序為U1、W2、V1、U2、W1、V2。 圖 4 - 13 60相帶繞組(a) 兩極； (b) 四極 單層繞組的每一個槽內只有一個線

24、圈邊單層繞組的每一個槽內只有一個線圈邊,整個繞組的線整個繞組的線圈數(shù)等于槽數(shù)的一半圈數(shù)等于槽數(shù)的一半。下面以下面以4極極24槽電機為例說明三相單槽電機為例說明三相單層繞組的排列和連接規(guī)律層繞組的排列和連接規(guī)律。 1. 計算繞組數(shù)據(jù)計算繞組數(shù)據(jù)642421pz223224211pmzq極距每極每相槽數(shù) 2.根據(jù)每極每相槽數(shù)q劃分相帶劃分相帶 q=2 說明相鄰兩個槽組成一個相帶, 兩對極共有12個相帶。每對極按U1、W2、V1、U2、W1、V2的順序給相帶命名, 如表4-3 所示。由表可知, 劃分相帶實際上是給定子每個槽劃分相屬, 如屬于U相繞組的槽號有1、2、7、8、13、14、19、20這8個

25、槽。 3. 畫定子繞組展開圖畫定子繞組展開圖 在平面上畫24根垂直線表示定子的24個槽和槽中的線圈邊, 并且按1、2、3順序編號。 先畫U相繞組。如下圖所示,從同屬于U相的1號槽開始, 根據(jù) , 把1號槽的線圈邊和7號槽的線圈邊組成一個線圈, 6y 線圈之間串聯(lián)線圈之間串聯(lián)或線圈組之間串并或線圈組之間串并聯(lián)的原則是聯(lián)的原則是, 同一相同一相的相鄰極下的線圈的相鄰極下的線圈邊電流方向應相反邊電流方向應相反, 以形成符合要求的以形成符合要求的磁場極數(shù)。磁場極數(shù)。6y4. 單層繞組的改進單層繞組的改進 上圖所示是一整距等元件繞組，稱為單層整距疊繞單層整距疊繞組組。為了縮短端部連線，節(jié)省用銅量和便于嵌

26、線、散熱, 在實際應用中, 單層繞組常采用以下幾種改進的形式。6y 1) 鏈式繞組 以上例U相繞組為例, 保持保持圖4-14(a)中U相繞組的各線圈邊槽號相繞組的各線圈邊槽號及其電流方向不變及其電流方向不變, 如圖4-14(b)所示, 僅將各線圈邊按照 y=-1 的規(guī)律連接起來組成線圈, 而各線圈之間按尾尾相連, 首首相連的規(guī)律,連成一路串聯(lián),就構成了鏈式繞組。 從電磁觀點看從電磁觀點看,圖4-14(b)所示的鏈式繞組與鏈式繞組與圖4-14(a)所示的整距疊整距疊繞組是等效的繞組是等效的。但鏈式繞組不僅為等元件繞組, 而且線圈跨距小, 端部短, 可節(jié)省用銅量, 還有 q=2 的兩個相鄰的線圈各

27、朝兩邊翻, 散熱好。因此 , q=2 的單層繞組常采用鏈式繞組。 圖4-14 三相單層(q=2）U相繞組展開圖(a) 整距疊繞組；(b) 鏈式繞組6y51y 由于定子三相繞組依次相差120電角度, 因此仿照U相繞組, 可分別畫出滯后于U相120電角度的V相繞組（從6號槽開始）、滯后于V相120電角度的W相繞組（從10號槽開始）, 從而得到三相對稱繞組U1U2、V1V2、W1W2的展開圖,如圖4 -15 所示。應該注意在實際嵌線中, 三相繞組并不是一相相分開嵌線, 而是三相連續(xù)輪換地嵌線, 從而構成三相對稱繞組。圖 4 - 15 三相單層鏈式繞組展開圖 2) 交叉式繞組 以以4極極36槽電機為例

28、槽電機為例分析, 其極距=9, 每極每相槽數(shù)q = 3, 因此相鄰3個槽組成一個相帶, 共有12個相帶。 槽槽 號號 與與 相相 帶帶 對對 照照 表表 相帶相帶 槽號槽號U1W2V1U2W1V2第一對極1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二對極19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36 圖 4 - 16 三相單層( q = 3）U相繞組展開(a) 整距疊繞組； (b) 交叉式繞組81y72y9y 3) 同心式繞組 以以2極極24槽電機為例槽電機為例分析,其極距 =12,每極每相槽數(shù)q = 4,

29、因此相鄰4個槽組成一個相帶, 共有6個相帶。槽槽 號號 與與 相相 帶帶 對對 照照 表表相相 帶帶U1W2V1U2W1V2槽 號23，24，1，23，4，5，67，8，9，1011，12，13，1415，16，17，1819，20，21，22 圖 4-17 三相單層( q=4）U相繞組展開圖(a) 整距疊繞組； (b) 同心式繞組111y92y12y優(yōu)點優(yōu)點不適宜于大中型電機元件少，結構簡元件少，結構簡單，嵌線方便，單，嵌線方便，槽內無層間絕緣槽內無層間絕緣廣泛應用于廣泛應用于10kW10kW以下的以下的異步電動機定子繞組異步電動機定子繞組單層繞組為單層繞組為整距繞組整距繞組缺點電動勢和磁動

30、電動勢和磁動勢波形較差勢波形較差鐵損和噪鐵損和噪聲較大聲較大起動性能較差三相單層繞組的優(yōu)缺點異步電動機氣隙中的磁場旋轉時, 定子繞組切割旋轉磁場將產(chǎn)生感應電動勢, 經(jīng)推導可得每相定子繞組的基波每相定子繞組的基波感應電動勢感應電動勢為式中： 定子繞組的電流頻率,即電源頻率(Hz)； 每極基波磁通(Wb)； 每相定子繞組的串聯(lián)匝數(shù)； 定子繞組的基波繞組因數(shù),它反映了集中、 整距繞組（如變壓器繞組）變?yōu)榉植?、短距繞組后,基波電動勢應打的折扣,一般 0.9 1。1w111144. 4kNfE (4 - 4)1f11N1wk1wk 同理可得轉子轉動時每相轉子繞組的基波感應電動轉子轉動時每相轉子繞組的基波

31、感應電動勢勢為式中： 轉子繞組的轉子電流頻率(Hz)； 每相轉子繞組的串聯(lián)匝數(shù)； 轉子繞組的基波繞組因數(shù)。1w22s2244. 4kNfE( 4 5 )2f2N2wk 三相感應電動機的定、轉子電路間沒有直接的電的聯(lián)系，它們之間的聯(lián)系是通過電磁感應關系而實現(xiàn)的，這一點和變壓器相似。定子繞組相當于變壓器的一次繞組定子繞組相當于變壓器的一次繞組 轉子繞組相當于變壓器的二次繞組轉子繞組相當于變壓器的二次繞組 三相異步電動機的空載運行是指電動機的定子繞組接三相交流電源, 軸上不帶機械負載時的運行狀態(tài)。 空載運行時的電磁關系空載運行時的電磁關系如下：1U0I0F111E1EsE202I10rI 與變壓器一

32、樣, 主磁通和漏磁通分別在定子繞組中感應的電動勢為式中： X1每相定子繞組的漏電抗, 11111j4.44wkNfE011w1111jj4.44IXkNfE( 4 6 )1112LfX 仿照變壓器的分析方法,可得定子繞組的電動勢平衡方程式為定子繞組的電動勢平衡方程式為： 式中： Z1每相定子繞組的漏阻抗, Z1= r1+jX1 由于I0相對額定電流很小, I0|Z1| E1, 因此在上式中將 忽略, 得10ZI11EU或1w111144. 4kfNEU1011010110111jZIErIXIErIEEU 上式說明,當電源頻率一定時當電源頻率一定時,電動機的主磁通電動機的主磁通 僅與外施電僅與

33、外施電壓壓U1成正比。成正比。一般情況下, 由于電壓U1為額定值,因此主磁通 基本恒定, 當負載變化時, 也基本不變。111 另外,與變壓器一樣, 的電磁表達式也可通過引入勵磁參數(shù)而轉化為阻抗壓降的形式,即1Em0mm01jXZIrIE式中：rm勵磁電阻, 是反映鐵心損耗的等效電阻； Xm勵磁電抗, 是反映鐵心磁化性能的一個綜合參數(shù),它對應氣隙主磁通 ； Zm勵磁阻抗, 。1mmmjXrZ 根據(jù)電動勢平衡方程式,可作出與變壓器相似的等效電路, 如圖所示。1E0IrmXmX1r11U西 安電子 科 技大 學 出 版社 1電磁關系電磁關系 負載運行時的電磁關系負載運行時的電磁關系如下：1U1I1F

34、111E1EsE211rI0F2I2F22E22rI 負載運行時的磁動勢平衡方程式為：負載運行時的磁動勢平衡方程式為：021FFF2轉子電流頻率和轉子電動勢轉子電流頻率和轉子電動勢 轉子繞組中感應的轉子電動勢和電流的頻率為: 與變壓器相似, 主磁通 在轉子繞組中感應的電動勢為 轉子漏磁通 在轉子繞組中感應的漏電動勢為 式中： X2s轉子轉動時轉子轉動時每相轉子繞組的漏電抗 , 12SXIkNfE222w222S2jj4.441w222S2j4.44kNfE2222LfXS 轉子轉動時轉子轉動時, 轉子電動勢的有效值轉子電動勢的有效值為 由于轉子電動勢的頻率為f2 = s f1 , 當轉子靜止時

35、, s =1 , f2 = f1,因此轉子靜止時轉子靜止時,轉子電動勢的有效值轉子電動勢的有效值為 故轉子轉動與轉子靜止時的轉子電動勢有以下關系轉子轉動與轉子靜止時的轉子電動勢有以下關系：1w222244. 4kNfEs1w221244. 4kNfE 21w2211w222244. 444. 4sEkNsfkNfEs 同理, 轉子轉動時的漏電抗轉子轉動時的漏電抗 X2s 與轉子靜止時的漏電抗與轉子靜止時的漏電抗X2 也有以下關系也有以下關系：22122222sXLsfLfXs 我們把 E1 與 E2 的比值稱為電動勢比電動勢比電動勢比kew22w111w2211w1112144. 444. 4

36、kNkNkNfkNfEEke 可見, 異步電動機的電動勢比是定、轉子繞組的每相有異步電動機的電動勢比是定、轉子繞組的每相有效串聯(lián)匝數(shù)比效串聯(lián)匝數(shù)比,這與變壓器的電壓比是一、二次繞組的匝數(shù)之比有所不同。 1磁動勢平衡方程式磁動勢平衡方程式021FFF 上式中, 每個磁動勢與對應的相電流的關系分別為0w11102w22221w111129 . 029 . 029 . 0IpkNmFIpkNmFIpkNmF(4-18)(4-19)式中: m1、m2定、轉子繞組的相數(shù)。 把式（4-19）代入式（4-18）中, 可得0211IIkIiw222w111kNmkNmki(4-20)式中: ki異步電動機的電

37、流比, 式（4-20）就是用電流相量表達的磁動勢平衡方程式, 該式經(jīng)變換可得202011IIIkIIi 上式說明負載運行時負載運行時, 異步電動機的定子電流可看成由兩異步電動機的定子電流可看成由兩部分組成部分組成 , 一部分是勵磁電流一部分是勵磁電流 ,用以產(chǎn)生主磁通用以產(chǎn)生主磁通 ； 另一另一部分是負載電流部分是負載電流 ,用以抵消轉子電流所產(chǎn)生的磁效應用以抵消轉子電流所產(chǎn)生的磁效應。0I12I2電動勢平衡方程式電動勢平衡方程式 仿照變壓器的分析,可得三相異步電動機負載運行時定、轉子繞組的電動勢平衡方程式分別為p2S22p222s22p22s2S21111111111111jjRIZIRIr

38、IXIRrIEEZIErIXIErIEEU式中：Z2s轉子轉動時每相轉子繞組的漏阻抗 , Z2s= r2 + j X2s Rp轉子電路的外串電阻轉子電路的外串電阻,若為籠型轉子籠型轉子, 則Rp=0綜上所述, 異步電動機負載運行時的基本方程式異步電動機負載運行時的基本方程式如下：02121m0mm01p22s2p22s222s2111111111jjjIIkIEkEZIXrIERIZIRIXrIEsEZIEXrIEUie 根據(jù)定、轉子電路的電動勢平衡方程式，可分別作出電動機的等效定、轉子電路,如圖4-21所示。 圖4-21所示的電動機電路因定、轉子電路的頻率不同因定、轉子電路的頻率不同, 要得

39、到像變壓器要得到像變壓器那樣的那樣的 T 形等效電路形等效電路, 首先必須進行頻率歸算首先必須進行頻率歸算 , 然后再和變壓器一樣進行然后再和變壓器一樣進行繞組歸算繞組歸算。圖 4 21 三相異步電動機的定、轉子電路 1 頻率歸算頻率歸算 三相異步電動機的頻率歸算實質上就是用一個具有定子頻率的等效轉子電路去代換實際的轉子電路。這里的“等效”包括兩個含義： (1) 代換以后,轉子電路對定子電路的電磁效應不變,即轉子磁動勢必須保持不變（同轉速、同幅值、同相位角）。 (2) 等效轉子電路的各種功率必須和實際轉子電路一樣。 因為f2=s f1 , 當轉子靜止時, f2 =f1 , 這說明轉子頻率和定子

40、頻率相等時,轉子是靜止的, 所以要進行頻率歸算,就需用一個靜止的轉子電路去代換實際轉動的轉子電路。 經(jīng)過頻率歸算后的三相異步電動機的定、轉子電路，如圖4-22 所示。圖4-22 頻率歸算后的三相異步電動機的定、轉子電路 圖4-22 頻率歸算后的三相異步電動機的定、轉子電路 圖中, r2 為轉子的實際電阻, (1-s) r2/s 相當于轉子電路串入的一個附加電阻, 它與轉差率 s 有關。在附加電阻 (1-s) r2 /s上會產(chǎn)生損耗 ，而實際轉子電路中并不存在這部分損耗,只產(chǎn)生機械功率,因此附加電阻就相當于等效負載電阻附加電阻就相當于等效負載電阻, 附附加電阻上的損耗實質上就是異步電動機的總機械

41、功率加電阻上的損耗實質上就是異步電動機的總機械功率。srsI2221 2 繞組歸算繞組歸算 與變壓器一樣,三相異步電動機的繞組歸算就是用一個相數(shù)、每相串聯(lián)匝數(shù)以及繞組因數(shù)和定子繞組一樣的等效繞組去代換參數(shù)分別為m2、N2、kw2 并經(jīng)過頻率歸算的轉子繞組。這里的“等效”與頻率歸算時的“等效”具有相同的含義。 為了區(qū)別起見, 歸算后的各轉子物理量均加“”表示。 1) 電流的歸算電流的歸算 22w111w22221IkIkNmkNmIi2) 電動勢的歸算電動勢的歸算22w22w112EkEkNkNEe(4-25) 根據(jù)式（4-25）及式（4-17）可得122122EEEEEkEe3) 阻抗的歸算阻

42、抗的歸算22rkkrie22XkkXie 注意：歸算只改變轉子各物理注意：歸算只改變轉子各物理量的大小量的大小, 并不改變其相位。并不改變其相位。21EEke22ZkkZie 3 T形等效電路形等效電路 經(jīng)過頻率歸算和繞組歸算后經(jīng)過頻率歸算和繞組歸算后, 三相異步電動機負載運行時的基本方程式如下：m0mm0121021222222222211111111j1j1jZIXrIEEEIIIZIrssIXrIrssIEZIEXrIEU 仿照變壓器的分析方法, 根據(jù)歸算后的基本方程式, 首先可畫出異步電動機的等效定、轉子電路如圖4-23(a)所示, 然后再演變?yōu)閳D4-23(b)所示的 T 形等效電路。

43、 圖 4-23 三相異步電動機的等效電路(a) 等效定、轉子電路； (b) T形等效電路 三相異步電動機的 T 形等效電路以電路形式綜合了電動機的電磁過程, 因此它必然反映電動機的各種運行情況。下面我們從從 T 形等效電路去看幾種典型的運行情況形等效電路去看幾種典型的運行情況。 1) 異步電動機空載運行時異步電動機空載運行時 電動機空載運行時, 轉差率 s0, T 形等效電路中代表機械負載的附加電阻 /s , 轉子電路相當于開路, 這時轉子電流 , , 且 主要用于產(chǎn)生主磁通, 所以空載空載運行時運行時, 定子電流即空載電流很小定子電流即空載電流很小, 且且功率因數(shù)很低功率因數(shù)很低。21rs0

44、2I01II0I 2) 異步電動機額定運行時異步電動機額定運行時 異步電動機帶有額定負載時, 轉差率 sN0.020.06, 這時 , 轉子電路基本上是電阻性的, 所以轉子的功率因數(shù) 1,定子電流 由勵磁分量 和負載分量 兩部分組成, 且增加到額定值, 定子的功率因數(shù) 0.80.9。22Xsr1I2cos0I2I1cos 3) 異步電動機啟動時異步電動機啟動時 異步電動機的“啟動”瞬間即為轉子的“堵轉”狀態(tài), 此時, s =1, 代表機械負載的附加電阻 , 相當于轉子電路處于短路狀態(tài), 所以轉子電流很大轉子電流很大, 轉子功率因數(shù)很低轉子功率因數(shù)很低, 使定子電流即啟動使定子電流即啟動電流也很

45、大電流也很大, 定子功率因數(shù)也很低定子功率因數(shù)也很低。012srs 4 近似等效電路近似等效電路 圖4-24(b)所示的 T 形等效電路是一個混聯(lián)電路, 計算和分析都比較復雜。因此在實際應用時,常把勵磁支路前移到輸入端, 如圖4-25 所示。這樣電路就簡化為單純的并聯(lián)電路, 使計算簡單, 這種等效電路稱為異步電動機的近似等效電路。 必須注意：必須注意：三相異步電動機的電動勢平衡方程式和等效電路都是針對三相異步電動機的電動勢平衡方程式和等效電路都是針對每相繞組而言的每相繞組而言的。r1X11I1U2I21rss2r2XrmXm0I西 安 電 子 科 技 大 學 出 版 社圖4-25 三相異步電動

46、機的近似等效電路 例例4. 3 有一臺 Y 形連接的三相繞線轉子異步電動機, UN=380 V, fN=50 Hz , nN=1400 r/min , 其參數(shù)為r1= =0.4 , 1= =1 , Xm=40 , 忽略rm , 已知定、轉子有效匝數(shù)比為4。 (1) 求額定負載時的轉差率 sN 和轉子電流頻率 f2N ; (2) 根據(jù)近似等效電路求額定負載時的定子電流I1、轉子電流 I2、勵磁電流 I0 和功率因數(shù) 。2r1cos2X 解解 (1) 額定負載時的轉差率04. 015001440150011nnnsNN25004. 02NNNfsf59.10j210.4j10.040.4j14 .

47、 0j221XsrZN額定負載時的轉子電流頻率 (2) 根據(jù)近似等效電路可知 負載支路阻抗10.89 勵磁支路阻抗j40jmmXZ220 33801U設以定子相電壓為參考相量, 則00Vr1X11I1U2I21rss2r2XrmXm0I西 安 電 子 科 技 大 學 出 版 社 轉子電流A89.1072.2089.1059.100220j2N2112XsrZUI 勵磁電流Am10905 .5j400220.ZUI 定子電流A65.2322.22905 . 589.1072.20021III 由于定子繞組為 Y 形連接,相電流即是線電流, 所以各線電流有效值為A5 . 5 ,A 22.2201I

48、IA88.8272.20422IkIi 因為繞線轉子異步電動機的定、轉子相數(shù)相等,所以該電動機的 ke = ki = 4 , 轉子線電流有效值為 功率因數(shù)92. 065.23coscos1（滯后） 異步電動機負載運行時, 由電源供給的從定子繞組輸入的電功率為P1 , 由T 形等效電路可以看出 , 1的一小部分用于定子電阻上銅損耗 pCu1 , 還有一小部分用于定子鐵心中的鐵損耗 pFe , 余下的大部分電功率借助于氣隙旋轉磁場由定子傳送到轉子, 這部分功率就是異步電動機的電磁功率Pem。 從定子傳遞到轉子的電磁功率扣除轉子銅損耗 pCu2 , 便是使轉子旋轉的總機械功率Pm ?？倷C械功率扣除機

49、械損耗 pm 和附加損耗 pad 后,才是軸上輸出的凈機械功率P2。圖 4 - 25 三相異步電動機的功率流程圖根據(jù)上述功率轉換過程 , 可建立功率平衡方程式如下： em11PppPFeCum2emPpPCu2admmPppP圖 4 - 25 三相異步電動機的功率流程圖綜上可得admCu2Fe1Cu12pppppPPadmCu2FeCu11pppppPpP1三相異步電動機的效率為%10012PP 另外, 由圖4-23等效電路又可知 12111Cum201Fe11111,cosrImprImpIUmPsrImIEmP22212221emcos22 212rImpCusrsImP22 21m1 圖

50、 4-23 三相異步電動機的等效電路(a) 等效定、轉子電路； (b) T形等效電路 上式中, U1、I1、cos 分別為定子的相電壓、相電流和功率因數(shù), cos 為轉子的功率因數(shù)。12比較可得em2sPpCuemm1PsP 將功率平衡方程式 Pm=P2+pm+pad 兩邊同除以轉子的機械角速度, 可得轉矩平衡方程式為ppPPadm2m即02TTT式中：T電動機的電磁轉矩,;55. 9mmnPPT;55. 9222nPPTT2電動機的輸出機械轉矩, T0電動機的空載轉矩, 。nppppTadmadm055. 9因為電動機在額定運行時額定運行時, P2=PN , T2=TN , n=nN , 所

51、以NNN55. 9nPT 根據(jù)公式（4-39） Pm=(1-s)Pem 又因為 =2n/60=2n1(1-s)/60=(1-s)1 所以1em1em1emm55. 911nPPsPsPT例例4. 4 有一臺 Y 形連接的6極三相異步電動機 , PN=145 kW, UN=380 V , fN=50 Hz。額定運行時pCu2=3000 W , pm+pad=2000 W, pCu1+pFe=5000 W, cos =0.8。試求： (1) 額定運行時的電磁功率Pem、額定轉差率sN、額定效率N和額定電流IN。 (2) 額定運行時的電磁轉矩T、額定轉矩 TN 和空載阻轉矩T0 。 解解 (1) 額

52、定運行時額定運行時的電磁功率1kW150321452admNemCupppPP 由式（4-38）可知額定轉差率為02. 01503em2NPpsCu 額定運行時的輸入功率為kW1555150Fe1Cuem1ppPP 額定效率為%5 .93%100155145%1001NNPP 額定電流為A4 .2948 . 0380310155cos331N1NUPI (2) 由于此電機是 6 極異步電動機,因此其同步轉速 n1=1000 r/min。minr98002. 01100011NNsnn 額定運行時的電磁轉矩為mN5 .143210001015055. 955. 931emnPT額定轉速為 額定轉

53、矩為mN14139801014555. 955. 93NNNnPT 空載阻轉矩為mN5 .1914135 .1432N0TTT 異步電動機的工作特性是指在額定電壓和額定頻率時, 電動機的轉速 n、定子電流 I1 、功率因數(shù) 、電磁轉矩 T、效率 等與輸出功率 P2 的關系。1cos1. 轉速特性轉速特性 n = f ( P2 ) 當異步電動機空載時 , P2=0 , I20 , 轉子的轉速接近于同步轉速 , 即 nn； 當負載增加,即輸出功率P2增大時, 轉子轉速會略有下降。因為只有轉速降低 ,才能使轉子電動勢 E2s 增大 , 從而使轉子電流 I2增大 , 以產(chǎn)生更大的電磁轉矩去和負載轉矩平

54、衡。所以三相異步電動機的轉速特性是一條稍向下傾斜的直線 , 如圖4-26 所示 。0P2PNT0I0I1T2Tncos1n1T, I1, n, cos1西 安電子 科 技大 學 出 版社圖4-26 三相異步電動機的工作特性曲線2. 定子電流特性定子電流特性 I1=f ( P2 ) 根據(jù)異步電動機的定子電流方程式 可知,空載時, P2 = 0 , 0 , 此時定子電流幾乎全部為勵磁電流 , 即 I1 I0 ； 隨著負載的增加 , 即 P2 增大 , 轉子轉速下降 , 轉子電流增大 , 定子電流 I1 及磁動勢幾乎隨之成正比地增大 , 來抵消轉子電流產(chǎn)生的磁動勢 , 以保持磁動勢關系的平衡； 當

55、P2 增大到一定數(shù)值時 , 由于轉子轉速下降較多 , 轉差率較大 , 轉子功率因數(shù)較低 , 這時平衡較大的負載轉矩需要更大的轉子電流 , 因而 I1 的增長比原先更快些。所以三相異步電動機的定子電流特性幾乎是一條向上傾斜的直線 , 只是負載較大時 , 曲線開始向上彎曲 , 如圖4-26 所示。201.III2I3. 功率因數(shù)特性功率因數(shù)特性 = f ( P2 ) 異步電動機空載時, P2 = 0 , 定子電流幾乎全部為勵磁電流 , 主要用于建立旋轉磁場,因此定子電流主要是感性無功分量 , 功率因數(shù) 很低 , 約為0.10.2；當負載增加 , 即 P2 增大時 , 轉子電流的有功分量增大 , 定

56、子電流的有功分量也隨之增大 , 使功率因數(shù) 提高 , 在接近額定負載時 , 功率因數(shù)達到最高；由于在空載到額定負載范圍內 , 電動機的轉差率很小 , 而且變化也很小 , 所以轉子功率因數(shù)角 幾乎不變,但負載超過額定值時 , 轉差率 s 就會變得較大 , 因此 變大 , 轉子電流的無功分量增大 , 使定子電流的無功分量也隨著增大,從而使電動機的功率因數(shù) 又重新下降。三相異步電動機的功率因數(shù)特性如圖4-26所示。1cos1cos1cos222arctanrsX21cos4. 電磁轉矩特性電磁轉矩特性 T = f ( P2 ) 根據(jù)穩(wěn)態(tài)運行時異步電動機的轉矩平衡方程式T=T0+T2 及公式 T2=

57、9.55P2/n 可知 , 空載時, P2=0 , 電磁轉矩約等于空載阻轉矩 , 即 T0； 隨著輸出功率 P2 的增大 , 若轉子轉速 n 不變 , 則 T2 隨 P2 成正比地增大 , T2 = f ( P2 )為過原點的直線。由于考慮到 P2 增大時, 轉速n 略有降低 , 因此 T2 隨 P2 的增大略向上偏離直線。因為空載阻轉矩 T0 很小,而且在負載不超過額定值時, T0可認為基本不變 , 所以電磁轉矩特性 T= f ( P2 )將比 T2= f ( P2)平行上移 T0 數(shù)值 , 如圖4 - 26 所示。5. 效率特性效率特性=f ( P2 ) 根據(jù)效率的定義 , 異步電動機的效

58、率為%100%100admCu2FeCu12212pppppPPPP 空載時, P2=0 ,=0；當負載增加但數(shù)值較小時, 可變損耗（pCu1+pCu2+pad）增加較慢 , 效率隨負載的增加而迅速上升； 當負載繼續(xù)增加時,可變損耗隨之增大 , 直至可變損耗等于不變損耗（ pFe+pm )時 , 效率達到最高； 隨后負載繼續(xù)增加時, 可變損耗增加很快 , 效率開始下降。異步電動機的效率特性如圖4-26 所示 , 和直流電動機的效率特性相似。對于中小型異步電動機 , 最大效率大約出現(xiàn)在額定負載的 時, 電動機容量越大 , 效率就越高。 由此可見 , 效率特性曲線和功率因數(shù)特性曲線都是在額定負載附

59、近達到最高 , 因此選擇電動機容量時 , 應注意使其與負載相匹配 , 如果容量選得過小 , 則電動機長期過載運行 , 就會影響其壽命； 如果容量選得過大 , 則電動機長期輕載運行 , 功率因數(shù)和效率都較低 , 浪費能源。 利用異步電動機的等效電路進行定量分析和計算時 , 必須知道等效電路中的參數(shù)。與變壓器一樣,這些參數(shù)可通過空載試驗和堵轉(短路)試驗來測定。4. 8 .1 空載試驗空載試驗W*AAW*A*M3VTFU*Q西 安電子 科 技大 學 出 版社 空載試驗的目的是通過測取異步電動機的空載電流 I0 及空載損耗 p0 分別與電動機空載電壓 U0 的關系曲線,來確定電動機的鐵損耗 pFe 和機械損耗 pm , 勵磁參數(shù)rm 和 Xm 。 圖 4-27 三相異步電動機的空載試驗接線 1. 空載試驗空載試驗 空載試驗接線圖如圖 4-27 所示。 空載試驗是在電動機空載時進行的, 定子繞組上施加額定頻率的對稱三相電壓, 將電動機啟動后, 先在額