電機(jī)原理與拖動基礎(chǔ) 課件 第7章－三相異步電動機(jī)原理

第7章三相異步電動機(jī)原理第7章三相異步電動機(jī)原理

7.1三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)和原理

7.2三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)的電磁關(guān)系

7.3三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電磁關(guān)系

7.4三相異步電動機(jī)的功率傳遞和轉(zhuǎn)矩平衡7.5三相異步電動機(jī)的工作特性7.6三相異步電動機(jī)的參數(shù)測定

一、三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)鼠籠式異步電動機(jī)外形繞線式異步電動機(jī)外形7.1三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)和原理異步電動機(jī)定子1異步電動機(jī)定子２鼠籠式轉(zhuǎn)子繞線式轉(zhuǎn)子繞線式定子與轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)定子上有三相對稱的交流繞組鼠籠繞組繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)剖面圖三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時，將在電機(jī)氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(swf)二、三相異步電動機(jī)的工作原理異步電動機(jī)定子上有三相對稱的交流繞組轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)子導(dǎo)體通過端環(huán)自成閉路，并通過感應(yīng)電流感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力電磁力作用在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)(swf).swf旋轉(zhuǎn)磁場１.swf旋轉(zhuǎn)磁場２.swf電磁力驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)三相異步電動機(jī)定子繞組加對稱電壓后，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)氣隙磁場，轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體切割該磁場產(chǎn)生感應(yīng)電勢。由于轉(zhuǎn)子繞組處于短路狀態(tài)會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)子電流。轉(zhuǎn)子電流與氣隙磁場相互作用就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速一定低于磁場同步轉(zhuǎn)速，因為只有這樣轉(zhuǎn)子導(dǎo)體才可以感應(yīng)電勢從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩。所以該電機(jī)被稱為異步機(jī)，也叫感應(yīng)電機(jī)。三、三相異步電動機(jī)的名牌數(shù)據(jù)

四、異步電動機(jī)的工作原理

定子對稱三相繞組

有三相對稱電流

定子和轉(zhuǎn)子間有旋轉(zhuǎn)磁場（n0

）切割轉(zhuǎn)子均勻分布的閉環(huán)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢NSn0轉(zhuǎn)子閉合導(dǎo)體有電流如不考慮相位差，電勢方向同電流方向由左手定則知轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受力，其方向同磁場反向，這時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，即電動機(jī)工作，轉(zhuǎn)速為n。

六、三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n能否超過同步轉(zhuǎn)速n0

？答在無外力作用時，電動狀態(tài)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不能超過同步轉(zhuǎn)速n0。即n<n0

。ffn用右手定則知N極下轉(zhuǎn)子電動勢方向指里，S極下轉(zhuǎn)子電動勢方向指外

假設(shè)n=n0

，旋轉(zhuǎn)磁場不切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，則無感生電動勢，無電流，也就無電磁力，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)了。只由n<n0

旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子才受到電磁轉(zhuǎn)矩。這就是異步電動機(jī)的由來。定義（n0-n）為轉(zhuǎn)差，把轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速n0

之比的百分值叫做轉(zhuǎn)差率S。即：

S=（n0-n）/n0*100%

如果用一原動機(jī)或其它轉(zhuǎn)矩去拖動異步電動機(jī)，使它的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，n>n0,S<0,旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的n0nTN

方向相反，導(dǎo)體中的電動勢與電流方向都反向。由左手定則知電磁力與旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，這是制動轉(zhuǎn)矩。這時原動機(jī)對異步電動機(jī)輸入機(jī)械功率，而通過電磁感應(yīng)由定子向電網(wǎng)輸送電功率，電動機(jī)處在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。

如果異步電動機(jī)的外轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子逆著旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，即n<0,S>1,此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電動勢和電流反向仍和電動機(jī)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩方向仍與旋轉(zhuǎn)磁場一致，n0n

但與外轉(zhuǎn)矩方向（n)相反。電磁轉(zhuǎn)矩是制動轉(zhuǎn)矩，此時電網(wǎng)對電動機(jī)輸送電功率，從轉(zhuǎn)子吸收機(jī)械功率。TN7.2三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時的電磁關(guān)系

定子通入三相對稱電流，空間會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，其切割速度為Δn=n0-n，導(dǎo)體會產(chǎn)生感生電動勢，各導(dǎo)體的電勢大小和方向隨旋轉(zhuǎn)磁場的移動而變化。其變化規(guī)律是磁極中心線上的導(dǎo)體電勢最大（因為E=Kφ）。旋轉(zhuǎn)磁場移動，而最大電動勢也同一速度同磁極中心一起沿轉(zhuǎn)子圓周移動。

對于每根導(dǎo)體而言，其感生電動勢是一個正弦電動勢（因為磁通是正弦的）。NNSSΔnNNSΔn

旋轉(zhuǎn)磁場以Δn（=n0-n)相對轉(zhuǎn)子切割轉(zhuǎn)子繞組，電動機(jī)的極對數(shù)為P（任何類型的電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的極對數(shù)必須相等），設(shè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感生電動勢頻率為f2。則f2=PΔn/60==sf1分析轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流假設(shè)導(dǎo)體是純電阻導(dǎo)體電流和電勢同時達(dá)到最大或最小，（如有電感則電流滯后電壓一個角度），轉(zhuǎn)子的電流同轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動勢同頻率。定子繞組的電動勢:電動機(jī)氣隙中有旋轉(zhuǎn)磁場，它以同步轉(zhuǎn)速n0=60f1/P旋轉(zhuǎn)，分布接近于正弦，好象是旋轉(zhuǎn)的磁極，既切割轉(zhuǎn)子繞組（Δn），又切割定子繞組（n0），在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在定子繞組中也產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，都是三相對稱的。異步機(jī)的磁勢平衡

定子三相繞組電流在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢，稱定子磁勢，用F1表示，F(xiàn)1切割轉(zhuǎn)子，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生電動勢，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體閉合有電流，而轉(zhuǎn)子電流也會產(chǎn)生磁動勢，用F2表示。轉(zhuǎn)子電流最大值始終在N極（S極）NS下，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁勢跟電流最大值的線圈的軸線一致，即轉(zhuǎn)子磁勢和定子磁勢同步運(yùn)行。這樣在電機(jī)氣隙中有合成磁勢，用F0表示。

ΣF=F0=F1+F2三者是矢量和，是同步運(yùn)行。此式稱為異步電動機(jī)的磁勢平衡方程。合成磁勢F0既切割定子繞組(以n0切割)，又切割轉(zhuǎn)子繞組(以Δn切割)。F1F2如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，同步轉(zhuǎn)速n0，F(xiàn)1切割轉(zhuǎn)子的速度為Δn。ΣF=F1+F2方程適合各種旋轉(zhuǎn)設(shè)備。

使用異步電動機(jī)就要知道它的轉(zhuǎn)矩、電流等參數(shù)，怎樣求它們，一種方法是借助于電動機(jī)的等值電路，也就是說象把變壓器等效成一個等值電路一樣，也把電動機(jī)等效成一個等值電路。

一相繞組所交鏈的磁通有兩部分：一部分是主磁通交鏈全部繞組（對應(yīng)E），另一部分是等效漏磁通（端接漏磁通、槽漏磁通…),它反映僅交鏈一相或部分繞組和其余相繞組不發(fā)生交鏈作用。主異步電動機(jī)從定子（一次側(cè)）電源吸收電功率，通過電磁耦合把電功率傳到轉(zhuǎn)子。I1I2轉(zhuǎn)子開路時的異步電動機(jī)定子加三相對稱電壓，定子三相繞組有三相對稱電流。轉(zhuǎn)子開路無電流，也無電磁功率傳到轉(zhuǎn)子上（P=I2R=0），類似變壓器空載。

勵磁電流I0產(chǎn)生主磁通、漏磁通。旋轉(zhuǎn)磁動勢會在定轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感生電動勢。主磁通在定子產(chǎn)生的感生電動勢E1為：E1=4.44f1kw1N1φm

，kw1代表反映繞組短距和分布使電動勢減少情況。φm為主磁通，N1定子繞組匝數(shù)。主磁通在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感生電動勢E2為：E2=4.44f1kw2N2φm

（轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)定轉(zhuǎn)子同是f1）把E1與E2比稱為異步電動機(jī)的電動勢比：Ke=E1/E2=kw1N1/kw2N2

電動勢比是等效匝數(shù)比。定子漏磁通在定子會產(chǎn)生漏抗電動勢Eσ1=-jI0x1定子等效電路、方程式、向量圖轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時的異步電動機(jī)用強(qiáng)制方法把轉(zhuǎn)子堵住，這也叫轉(zhuǎn)子短路（相當(dāng)變壓器短路）。

堵轉(zhuǎn)時定、轉(zhuǎn)子等效電路圖定、轉(zhuǎn)子電動勢方程磁動勢方程U1I1r1x1E1_+E2r2x2I2折算原則：折算前后維持磁動勢和功率關(guān)系不變。

在近似計算時認(rèn)為：電網(wǎng)的容量大，電網(wǎng)頻率f1和電網(wǎng)電壓U1是常數(shù)。正常負(fù)載范圍內(nèi)感應(yīng)電動勢E1≈U1

。故感應(yīng)電動勢E1常數(shù)，主磁通φm（E1∝φm)必然恒定不變。主磁通不變則合成磁勢的大小不變。這是非常重要的結(jié)論。轉(zhuǎn)子繞組的折算：同變壓器一樣，為了分析和計算，也可以把轉(zhuǎn)子繞組折算到定子上去。假想一個新的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子的相數(shù)、繞組串聯(lián)匝數(shù)、繞組系數(shù)等參數(shù)與定子完全一致，這樣使新轉(zhuǎn)子的E2’和E1相等，就可以把轉(zhuǎn)子折算到定子電路上。轉(zhuǎn)子等值電路轉(zhuǎn)子頻率統(tǒng)一的合成磁勢F0切割轉(zhuǎn)子，且切割速度為Δn(=n0-n)轉(zhuǎn)子繞組中感生電動勢的頻率為

f2=(n0-n)P/60=sf1n=0,s=1.f2=f1,電機(jī)沒轉(zhuǎn)。n=n0,s=0,f2=0,理想空載狀態(tài)（S可以反映電動、再生制動、反接制動）。轉(zhuǎn)子電動勢E2S=4.44f2kw2N2φm=4.44sf1kw2N2φm=sE20(導(dǎo)體切割磁場產(chǎn)生感生電動勢的公式，f電頻率）E2S轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的電動勢，E20轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時的電動勢（E2=E1/ke）。7.3三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的電磁關(guān)系轉(zhuǎn)子電阻忽略集膚效應(yīng)，轉(zhuǎn)子對頻率變化小，電阻不變。

r2s=r20=r2轉(zhuǎn)動不轉(zhuǎn)實際

轉(zhuǎn)子電抗X2S=2πf2L2=2πsf1L2=sx20轉(zhuǎn)動不轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電流已知轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后的電動勢、電阻、電抗可以求出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后的電流E2Sr2x2sI2Sf2章目錄轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的折算、等效電路根據(jù)以上公式可以畫出異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的定、轉(zhuǎn)子等效電路圖。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的定、轉(zhuǎn)子等效電路圖E1≠E2s，f1≠f2不能形成一個電路。需要折算。由公式r1x1E1U1E2Sr2x2sf2f1I2S轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時電流f2轉(zhuǎn)子不動時電流f1轉(zhuǎn)子不動時的電動勢為E20，阻抗為r2/s+jx20,而轉(zhuǎn)動與不動的電流相等，I2S=I2。阻抗角不變，有轉(zhuǎn)子磁動勢F2不變（因F2轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、幅值、相位角不變），滿足等效變換原則。r1x1E1U1E2（E20）r2/sx2（

x20）f1電動機(jī)頻率折算后的定轉(zhuǎn)子等效電路I2形成一個電路由堵轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子電動勢折算E’2=E1=keE2和電流的折算I2=kiI’2電阻的折算r’2=kekir2,電抗的折算x’2=kekix2把電路中的各量變成變換后的值r1x1E1U1E’2r’2/sx’2f1電動機(jī)折算后的定轉(zhuǎn)子等效電路I’2

7.4三相異步電動機(jī)的功率和電磁轉(zhuǎn)矩7.4.1三相異步電動機(jī)功率傳遞和功率方程式感應(yīng)電動機(jī)運(yùn)行時損耗的種類和性質(zhì)都與直流電動機(jī)相似電磁功率Pem:輸入的電功率P1扣除了定子繞組的銅耗pCU1和定子鐵耗pFe1后，余下的功率Pem=P1-pFe-pcu1總機(jī)械功率PΩ:電磁功率減去轉(zhuǎn)子繞組的銅耗pcu2

PΩ=Pem-pcu2轉(zhuǎn)子軸端輸出的機(jī)械功率P2:總機(jī)械功率減去機(jī)械損耗pΩ和附加損耗ps

P2=PΩ-（pΩ+ps）感應(yīng)電動機(jī)的功率平衡方程式:P1輸入電功率Pem電磁功率P2輸出機(jī)械功率pcu1定子損耗pFe鐵損pcu2轉(zhuǎn)子銅損p機(jī)械損耗P總機(jī)械功率ps附加損耗定子銅耗：電動機(jī)鐵耗（即定子鐵耗）：從電路的觀點(diǎn)來看，輸入功率P1減去R=和Rm上的損耗pcu1和pFe后，應(yīng)等于在電阻上所消耗的功率，即頻率折算后，必需引入電阻的物理意義感應(yīng)電動機(jī)的特性中兩個重要的公式：說明：轉(zhuǎn)差s越大，電磁功率消耗在轉(zhuǎn)子銅耗中的比重就越大，電動機(jī)效率就越低，所以感應(yīng)電動機(jī)一般都運(yùn)行在s=0.02-0.06的范圍內(nèi)。只要知道了感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子銅耗和轉(zhuǎn)速，就可求出電磁功率Pem和總機(jī)械功率PΩ。7.4.2三相異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，作用在電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的有三個轉(zhuǎn)矩1）電磁轉(zhuǎn)矩Tem：使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)2）空載制動轉(zhuǎn)矩T0：機(jī)械損耗和附加損耗所引起3）反作用轉(zhuǎn)矩T2：電動機(jī)所拖動的負(fù)載感應(yīng)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩等于電磁功率除以同步角速度，也等于總機(jī)械功率除以轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。7.4.3三相異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，作用在電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的有三個轉(zhuǎn)矩電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式：Tem=T2+T0

將式代入式，得電磁轉(zhuǎn)矩公式一、電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式式中CT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)，，對已制成的電動機(jī)CT為一常數(shù)。若取I′2的單位為A，Φm的單位為Wb時，轉(zhuǎn)矩Tem的單位為N·m。感應(yīng)電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的重要性質(zhì)：感應(yīng)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩在磁通一定時，并不是與電流I′2成正比，而是與電流的有功分量成正比。二、電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式根據(jù)感應(yīng)電動機(jī)的簡化等效電路將上式代入式

，單位為N·m。因為式中表示了轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系，所以也稱為T-s曲線方程?？紤]到此時U1≈E′2，可得電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式：7.5三相異步電動機(jī)的工作特性感應(yīng)電動機(jī)的工作特性：指在額定電壓、額定頻率下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n、定子電流I1、功率因數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩Tem、效率η與輸出功率P2的關(guān)系曲線，即n、、Tem、η=f（P2）。7.5.1工作特性分析一、轉(zhuǎn)速特性n=f（P2）

sPem=pcu2感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速特性n=f（P2）是一根對橫軸稍微下降的曲線，與并勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整特性相似。P2nn空載時電流很小，隨著負(fù)載電流增大，電機(jī)的輸入電流增大。二、定子電流特性I1＝f（P2）電流I1P2三、功率因數(shù)特性功率因數(shù)cos

1空載時，定子電流基本上是個勵磁電流，功率因數(shù)很低，僅為0.1-0.2隨著負(fù)載的增加，定子電流的有功分量增加，功率因數(shù)逐漸上升，在額定負(fù)載附近，功率因數(shù)達(dá)最大值.超過額定負(fù)載后，由于轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)差增大，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)下降較多，使定子電流中與平衡的無功分量也增大，功率因數(shù)反而有所下降。轉(zhuǎn)速的變換范圍很小，從空載到滿載，轉(zhuǎn)速Ω變化不大，可以認(rèn)為T2與P2成正比.異步電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T2=f（P2）為一直線。而Tem=T2+T0，因T0近似不變，所以Tem=f（P2）也為一直線.四、電磁轉(zhuǎn)矩特性Tem＝f（P2）電磁轉(zhuǎn)矩TemP2五、效率特性η=f(P2)各種類型的電動機(jī)，其效率特性形狀是完全相同的。效率

7.5.2工作特性求取空載實驗負(fù)載實驗

7.6三相異步電動機(jī)的參數(shù)測定7.6.1空載實驗要計算工作特性，事先要知道電機(jī)參數(shù)。和變壓器一樣，通過做空載和短路試驗，求出、、、、和。目的：測定勵磁支路的參數(shù)Rm、Xm以及鐵耗pFe和機(jī)械損耗pΩ。方法：電動機(jī)空載、定子接到額定頻率的三相對稱電源，改變定子端電壓的大小可測得對應(yīng)的空載電流I0和空載輸入功率P0測定：相電壓U1、空載相電流I0、空載輸入總功率P0。計算：畫