[工学]第05章 感应电机

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1、第五章：感应电机第1节: 感应电机的结构 第2节：感应电机的工作原理和运行状态 第3节: 三相感应电动机的磁动势和磁场 第4节：三相感应电动机的基本方程、相量图和等效电路 第5节：三相感应电动机的参数测定 第6节：鼠笼转子参数的计算 第7节：感应电动机的功率关系、功率方程和转矩方程 第8节： 感应电动机的电磁转矩及机械特性第9节： 感应电动机的工作特性及其计算 第10节: 感应电动机的起动及深槽和双笼电机 第11节：感应电动机的调速 第12节：特殊感应电动机 第13节：感应发电机 第14节：感应电动机在不对称电压下的运行分析 第五章：感应电机5-1 感应电机的结构感应电机主要由静止的定子和转动

2、的转子两大部分组成，定、转子之间有一很小的空气隙。 一、定子(a) 半闭口槽 (b) 半开口槽 (c) 开口槽 感应电动机的定子槽形 定子铁心是主磁路的一部分，铁心由0.5mm厚的硅钢片叠成，在定子铁心内圆上有均匀分布的槽，用来嵌放定子绕组。定子铁心采用的槽形主要有：半闭口槽、半开口槽和开 口槽. 5-1 感应电机的结构三相定子绕组可接成星形接法或三角形接法 (a) 星形接法 ( b)三角形接法感应电动机接线板 5-1 感应电机的结构二、转子转子由转子铁心、转子绕组和转轴等组成，转子绕组也是电路的一部分，有鼠笼式和绕线式两种形式 。根据加工工艺的不同，鼠笼转子分为铸铝式和焊接式两种 (a) 鼠

3、笼式焊接转子 (b) 鼠笼式铸铝转子 鼠笼转子 5-1 感应电机的结构绕线式转子绕组和定子绕组相似，在转子槽内嵌有三相绕组，通过滑环、电刷与外部接通 。绕线式转子 一、感应电动机的工作原理5-2 感应电机的工作原理和运行状态 感应电动机工作原理 感应电动机工作原理是建立在电磁感应定律和电磁力定律基础上 二、感应电机的运行状态设感应电机的转速为n，旋转磁场的转速为同步速ns，二者之间的相对速度 称为转差速度，定义转差速度与同步 速之比为转差率s 5-2 感应电机的工作原理和运行状态 转差率是感应电机的一个重要参数，根据其正负和大小可以判断电机的运行状态，感应电机的运行状态分为电动机运行状态、发电

4、机运行状态和电磁制动运行状态三种 。5-2 感应电机的工作原理和运行状态 感应电机的三种运行状态 三、感应电动机的额定值感应电动机的额定值及有关技术数据主要有： 5-2 感应电机的工作原理和运行状态 （1）额定功率：指额定运行时输出的机械功率，单位为瓦（W）或千瓦（kW）； （2）额定电压：指额定运行状态下定子绕组应加的线电压，单位为伏（V）或千伏（kV）； （3）额定电流：指额定电压和额定功率下运行时的定子绕组线电流，单位为安（A）或千安（kA）； （4）额定功率：指电动机供电电压的频率。我国规定工频为50赫兹（Hz）； （5）额定转速：指电机额定运行时的转速，单位为 转/分（r/min）。

5、 除此以外，铭牌上还标出额定运行状态下的功率因数、效率、相数、接线方式和温升等。对绕线式电机，还应标出定子外加额定电压时的转子开路电压和转子额定电流等。 对于三相感应电动机，额定功率为 5-2 感应电机的工作原理和运行状态 式中 、 分别为额定运行时的功率因数和效率 1953年参照前苏联的A、AO系列设计了J、JO系列电机。1961年全国统一设计了J2、JO2系列，采用了E级绝缘，提高了性能。1971年起，设计了JO3系列电机，与老产品相比，重量平均减轻25.2%，起动转矩提高34.5%。1979年开始，组织了Y系列电动机的统一设计，采用B级别绝缘。上世纪90年代，又设计了替代Y系列电动机的Y

6、2系列，与Y系列相比，Y2系列提高了防护等级和绝缘等级，安装尺寸及功率等级符合IEC标准。目前已完成了Y3系列的设计，Y3系列电机全部采用冷轧硅钢片，具有效率高、噪音低、起动性能好等优点。 5-2 感应电机的工作原理和运行状态 四、国产电动机简介本节分析空载和负载时感应电机的磁动势和磁场 一、空载运行时的磁动势和磁场5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场1、空载磁动势和空载电流感应电动机空载时，将定子绕组接至对称三相电压，便有对称三相电流 在定子绕组中流过，该电流称为空载电流。若不计谐波磁动势，则该定子电流建立一基波旋转 磁动势F1，其幅值为 在F1作用下产生气隙磁场Bm，Bm沿气隙圆周正弦分布

7、并以同步转速旋转 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场空载运行时定子磁动势F1近似为产生气隙主磁场的激磁磁动势Fm，空载电流 近似等于激磁电流 。空载磁动势和磁场 空载电流包括两部分，绝大部分是用来产生旋转磁场，称为磁化电流，为无功分量，小部分用以供给空载损耗，为有功分量。 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场2、主磁通、定子漏磁通和感应电动势根据磁通通过的路径的不同，将磁通分为两部分：主磁通和漏磁通。由基波旋转磁动势产生的通过气隙并与定子绕组和转子绕组同时交链的磁通称为主磁通。主磁通为每极下的磁通量，用 表示 。四极感应电机主磁通分布图 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场定子三相电流除产生

8、主磁通 外，还产生仅与定子绕组交链而不与转子绕组交链的磁通称为定子漏磁通，用 表示。漏磁通包括三部分：即槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通。 槽漏磁通和端部漏磁通 主磁路主要由定、转子铁心和气隙组成是一个非线性磁路，受磁路饱和程度影响较大；而漏磁路的磁阻可认为是常值。 感应电动机空载运行时的电磁关系如下图所示 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场感应电动机空载运行时的电磁关系 主磁通在定子中感应出对称三相感应电动势，其表达式为 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场漏磁通将在定子三相绕组中感应的电动势，其表达式为 式中称为定子漏抗，称为定子漏电感 二、负载运行时的磁动势和磁场当感应电动机带负载时，

9、转速低于空载转速，因而定子旋转磁场与转子的相对速度增加，转子感应电动势增大，电机内部电磁关系发生变化。 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场1、负载时的转子磁动势感应电动机负载运行时转子绕组中产生感应电动势，进而产生转子电流，产生转子磁动势F2。 转子感应电动势的频率为：分析可知 F1与F2转速相等，转向相同，在空间始终保持相对静止 ，感应电机在任何转速下均能产生恒定的电磁转矩。感应电机负载时气隙内的磁场由定、转子磁动势共同产生的。 当负载运行时，转子磁动势除了与定子磁动势共同产生主磁场外，还产生仅与转子绕组交链的漏磁通，转子漏磁通也包括槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通三种。 5-3 三相感应

10、电动机的磁动势和磁场2、转子反应负载时感应电动机转子磁动势对气隙磁场的影响称为转子反应。 负载 后定子电流中除激磁分量外，还有一个补偿转子磁动势的负载分量 所产生的磁动势F1L与转子磁动势F2大小相等，方向相反，以维持气隙内主磁通基本不变。 负载变化对定子的影响是通过F2起作用的5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场即 F1L=F2 转子磁动势与主磁场相互作用产生电磁转矩，绕线式电机的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势 幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场绕线式电机的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势 幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场笼

11、型电动机的的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势 幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场笼型电动机的的转子磁动势及磁场分布 转子磁动势 幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场3、负载运行时的电磁关系感应电动机负载运行时的电磁关系 5-3 三相感应电动机的磁动势和磁场三、激磁阻抗及漏抗与变压器中的分析方法类似，引入激磁阻抗表征主磁通对电路的电磁效应，则定子感应电动势与激磁电流之间具有以下关系 定、转子漏磁通感应电势与定、转子电流之间有以下关系5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 1、磁动势方程即负载时的定子磁动势可分为两部分，一部分是用来产

12、生主磁通的激磁磁动势Fm，另一部分用来抵消转子磁动势的负载分量-F2。考虑到 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 式中为定、转子绕组的电流变比 为归算到定子边的转子电流 则：或：5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 磁动势矢量图及电流相量图 该图为 感应电动 机的磁动势矢量图和电流相量图，考虑转子漏阻抗时，转子磁动势F2滞后于激磁磁场Bm的角度为5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 二、电压方程感应电动机负载运行时，主磁通分别在定、转子绕组中 产生感应电动势 定、转子漏磁通分别在定、转子绕组中产生漏电动势 定、转子绕组电阻分别产生电阻压降 和5-4电动机的基本方程、相量图和等效电

13、路 采用变压器中各物理量正方向的规定，根据基尔霍夫第二定律可分别列写出定、转子电路的电压方程式 或式中5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 将转子电路中与频率有关的物理量都注有下标s，用以表示转子转动时的参数，它们与转差率的关系为 则定、转子电路的电压平衡方程式可改写为 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 ( a) 定子等效电路 (b) 转子等效电路定、转子等效电路 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 三、感应电动机的等效电路及相量图定、转子耦合电路示意图 由上图可见定、转子电路之间只有磁的耦合，没有电的联系需要进行相应的频率和绕组归算，即把一个电路归算到另一个电路中去。通常将

14、转子侧物理量归算到定子侧。 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 1、频率归算频率归算是指在保持电磁系统的电磁性能不变的前提下，把一种频率的物理量换算成另一种频率的物理量。 对感应电机进行频率的归算是将转子电路的频率归算成定子电路的频率。要使转子电路的频率等于定子电路的频率，应该用一个静止的转子代替实际转动的转子 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 静止电动机定、转子耦合电路示意图 电阻 为表征机械功率的电阻 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 2、绕组归算对感应电机进行了频率归算后，虽然解决了定、转子频率不同的问题，但不能把定、转子电路连接起来。因此还要像变压器中那样进行绕组

15、归算。 在归算中必须保证归算前后转子的电磁效应不变，归算后转子各物理量斜上方标符号。由归算前后转子磁动势不变得：5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 归算后转子电流为 由感应电动势与匝数、绕组因数的关系得：式中为电压变比 由归算前后转子铜耗和漏磁场储能保持不变得: 则：5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 经过绕组归算，可得到转子各物理量的归算值 经频率和绕组归算后，感应电动机的基本方程为 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 归算后的定、转子等效电路 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 3、感应电机的等效电路归算后 ，可将定、转子电路连接在一起，所得等效 电路称为 “T”型

16、等效电路。 感应电动机的 “T”型等效电路 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 由等效电路可得式中：为转子等效阻抗 为修正系数 5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 对“T”型等效电路简化后可得到感应电动机的“”型等效电路 感应电动机的“”型等效电路 可取5-4电动机的基本方程、相量图和等效电路 4、感应电机的相量图相量图画法如下 感应电动机的相量图 5-5 三相感应电动机的参数测定 1、空载试验与激磁参数的测定 1、空载试验空载试验的目的是测取激磁参数，并分离出铁耗和机械损耗 。 试验时电机轴上不带负载，定子绕组接到额定频率的对称三相电源，先将电机空载运行一段 时间（约20分钟左右）使其机械损耗达