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1、第四章异步电机（二）三相异步电动机的运行原理及单相异步机第一节三相异步电动机运行时的电磁过程一、异步电动机负载时的物理情况： 空载电磁关系： 空载时，空载转矩很小，转子电流也很小，其产生的磁势可忽略。电磁关系如下：011111111FrIEFIUsmmEEF21 00转子绕组感应电势定子绕组感应电热020I负载电磁关系： 负载时，电机输出一定的转矩，转子电流及其产生的磁势不能忽略。电磁关系如下：011111111FrIEFIUsmmEEF21 00转子绕组感应电势定子绕组感应电热20ISsEFrIF222222（一）转子磁势2F的分析绕线式转子绕组为三相对称绕组，通以三相对称电流。如第三章所述
2、， 合成磁势将为旋转磁势。鼠笼式转子绕组 可视为多相对称绕组（导条为单层，所有导条并接于端环，故每对极下的导条数即为相数）。如图4-2 所示利用矩形磁势叠加分析方法可知由于气隙磁密mB为旋转的，转子磁势也是旋转的且近似按正弦规律分布，故可用旋转矢量2F表示。实际上有一般的结论：对称绕组通以对称电流时，合成磁势将为旋转磁势。由此可见转子绕组建立的磁势也为旋转磁势。1、2F的旋转方向：当绕组的空间分布确定（标号确定），三相合成磁势的基波的旋转方向取决于所通电流的相序。如图4-3（ P127）所示，设相序为A-B-C 的异步机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋转，观察mB变化情况，因nn故 a先
3、感应电势达最大值后b 感应电势达最大值c 感应电势最大值即相序为a b c。 故转子电流，相序也为 a、b、c 即旋转磁场旋转方向与1F相同。2、2F转速大小mB以)(0nn相对速度切割转子绕组，可以证明任何类型的电机定、转子的极对数必须相同，则转子绕组感应电势和电流频率为：1 0000 26060)(sfnnnnpnnpf此称转差频率故转子电流产生的磁势相对于转子的转速n 为： n=nn nnnnsnspfpf0 00 00126060则2F相对于定子的速度为：00nnnnnn即同步速。又由于1F、2F转向相同，故1F、2F相对静止，实际上有一般结论：定、转子磁势相对静止是一切电机能够正常运
4、行的必要条件。 （二）负载时的相矢图1、磁势平衡关系：负载后，定、转子磁势相对静止，它们合成为气隙磁势mF建立气隙磁感应强度mB产生气隙磁道m（为时间量即相量） ：mFFF21mBm；空载时为：010mFF0mB0m类似变压器，若忽略漏阻抗，则1EU即0mm从另一角度，磁势平衡关系可表为：抵消转子磁势的分量建立气隙磁场的分量)(21FFFm2、相量矢量图（相矢图）异步电机的电磁参量都是正弦变化的，故可用复平面的复矢量来表达。 对于随时间作正弦变化的量如电压、电流、 磁通， 要表征不同时刻值发生变化，在复平面上表现为以f2角速度旋转的复矢量；由于这些量只有大小，没有方向，这种复矢量称为时间相量。
5、对于空间上某位置x 处的磁势、 磁密， 其值的变化是由于沿气隙作正弦分布的三相基波合成磁势以Pn6020的空间角速度旋转所致。在复平面上表现为以角速度旋转的复矢量；由于这些量不仅有大小、还有磁力线方向的 问题，故称为空间矢量。（1）是相矢图的基础由于fPfPPn2606026020；故从数学上可用同一复平面来描述时间相量和空间矢量，此即相矢图。当然，如下面分析所揭示，这些相量、矢量间存在着内存联系，这可分析带来了方便。（2）空间矢量与时间相量的关系 相矢图分析的目的就是要在同一复平面上分析交流电机的电磁关系。为此必须理清为什么能在同一复平面上同时描述空间矢量和时间相量，即它们之间的关系。A、
6、电流相量I与磁势矢量F由于三相时间量对称，故时间相量以一相分析即电流I为一相相量。 空间矢量则为三相合成量即磁势为三相合成磁势F，F为幅值（应特别指出磁参量没有有效值的概念）。以 A 相为例进行分析：取A相时轴与该相相轴重合；如图 4-6 （P129）所示。观察瞬时值最大这一瞬间：由于时间复相量与时轴重合时其瞬时值最大，利用当某相电流最大时，三相合成旋转磁势的幅值处于该相相轴这一结论，即磁势F矢量与相轴重合；故有电流相量I与磁势矢量F同相位。另一方面 , 由三相合成磁势的计算公式可知磁势F的幅值F与相电流的有效值I成固定的比例关系。因此一相的 电流相量图可与三相合成磁势矢量图建立联系。注意：
7、对转子而言，要保证相轴和时轴重合，时轴随相轴旋转。B、磁通相量和磁感应强度矢量B 尽管都是磁参量，但磁通量表征磁力线与绕组交链的情况, 只有大小问题即为时间相量；而磁感应强度为空间矢量，当磁感应强度矢量B的幅值处于某相绕组轴线时，与该相绕组交链的磁通量为最大( 即每极磁通量), 此时在相量图上则表现为磁通相量与时轴重合。由于取某相时轴与该相相轴重合，故磁通相量和磁感应强度矢量B同相位。在第三章第五节绕组感应电势的计算部分的分析时，已指出磁通相量幅值m与磁感应强度矢量幅值mB成固定比例关系（应注意将B随空间位置作正弦变化的情况转化为随时间作正弦变化的情况。）3 、异步电机负载时的相矢图以气隙磁感
8、应强度mB与相轴重合这一瞬间为例，可作出异步电机负载时的相矢图，如图4-7 所示。在相矢图中各相、矢量有下列关系：mF超前mB一个铁耗角FemB、m同相位（mB幅值位于A相轴线时，气隙磁场与A相绕组交链的磁通为最大，即m与时轴重合）电势时间相量1E滞后m90o电角度（也可从0 ddddttNe即 e 瞬时值为0，1E与时轴垂直。 ） ；同样转子感应电势sE2滞后m90o电角度转子电流2I滞后sE2一个角度2（绕组为感性）转子磁势矢量2F与转子电流相量2I重合由磁势平衡方程mFFF21作出定子磁势矢量)(21FFFm作出定子电流相量1I。（三）异步电机的电磁关系的相量形式在第三章已知感应电势有效
9、值与每极磁通量1的关系，利用楞次定律可写出它们的相量关系1的下标改为m代表劢（激）磁。mwkNfE111144.4mwkNfjE111144.4mwmwskNsfkNfE2212222)(44. 444. 4skNfjEmw221244. 4同理，对于漏电势有：1111144. 4wkNfjEskNfjEsws2221244.4二 基本方程式（一）磁势平衡方程磁势平衡方程为mFFF21； 在相矢图中取时轴与相轴重合即时间相量每一相的时轴都取为该相的相轴，则三相合成基波磁势矢量F与所分析相的电流相量始终重合（同相位）。利用三相合成磁势幅值F与一相电流有效值I 之间的关系即可得出电流相量形式的磁势
10、平衡方程：由1111 129.0IPkNmFw、mw mIPkNmF111 29.0、2222 229.0IPkNmFw则有：mwwwIPkNmIPkNmIPkNm111 2222 1111 29.029.029 .0若令221121ww ikNkNmmk称为电流变比；221IkIi则磁势平衡方程变为电流相量的形式：mIII21或)(21IIIm （二）电势平衡方程 在图 4-9 （P133）所示的旋转时异步电动机电路参考方向下。由电磁关系有：1111)()(rIEEU)()(2222RrIEESsR转子绕组外加电阻，起动、调速用。笼型转子R=0 注： 上述电压、电势方程也可用耦合电路的观点导
11、出（P133 P136） 类似变压器处理可引入电抗来描述感应电势)(1mmmmmjxrIZIEmZ励磁抗mr反映铁耗的励磁电阻mx对应于气隙主磁通m的励磁电抗111xI jE1x反映定子绕组漏磁的参数、定子漏抗。ssxI jE222sx2转子旋转转子绕组漏磁的参数。222122222244.444. 4EsKNfsKNfEwws令2E为 s=1 时即转子不动n=0 时转子绕组漏电势。 sxLfLfxss221222222x为转子不动时的转子漏电抗。( 三) 异步机负载时的基本方程式 综上分析异步机负载时的基本方程式总结如下：1111111111)()(ZIZIjxrIjxrIxI jrIEUm
12、mmmmmmmmmZIjxrIE)(1；22222222222)0)()(zIRjsxrIsxI jRrIEsEs若起动电阻m iIIkI211第二节三相异步电动机的等效电路及相量图一、异步电动机的等效电路 类似于变压器、异步机定、转子绕组只有磁联系而没有电的联系，为便于分析，同样应采用“折算”或“归 算”的办法画在一起。 （一）频率归算： 定、转子绕组是相对运动的，频率是不同的， 频率折算的目的就是用静止的转子电路即频率与定子一样代替实 际的转子电路。等效的条件：（1）对定子影响不变，即保持磁势2F不变（同转速、同幅值、同空间位移角）（2）转子的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等）不变。
13、上述条件分析如下：（1）磁势2F不变：在作转子每相的相矢图时，取时轴与该相相轴重合 （作定、转子每相相矢图时应注意转子时轴是随其相轴旋转的），则实际转子磁势2F的确定取决于转子电流相量2I，若2I不变，则可根据2I确定转子磁势2F（与2I重合）。222222222 2 jxsrEjsxrEsjxrEIs由于2E、2x为转子静止时的参数。即转子旋转变为转子静止的处理，只要将转子电阻2r除以 s，其它参数为转子静止的参数，即可保持转子电流2I不变，从而磁势2F不变。 即转子静止时，转子的等效电流2I为：222 22 jxsrEII（2）转子功率不变 频率归算后异步电动机的定、转子电路图如图4-11
14、 （P139）所示：转子有功功率为22 222 2rIrI不变。22II故无功不变。同时要维持转子磁势不变等效电路中串入的电阻21rss其功率22 21rssI应理解为机械功率：电动机状态：00nn即10s22 21rssI为正即转子输出机械功率；电磁制动状态：0n即0s，22 21rssI为负即转子输入机械功率；发电机状态：0nn即0s，22 21rssI为负即转子输入机械功率；（二）绕组归算： 绕组归算的目的是定、转子电路联接起来，等效的条件仍为电磁效应不变，即转子磁势， 转子总的视在功率，转子铜耗及转子漏磁场储能不变。以归算至定子侧为例： （ 1）磁势不变：2222 21119.0229
15、.0IpKNmIPKNmww则22 111222 21IkIKNmKNmIiww222111ww iKNmKNmk称为电流变比。（ 2）总视在功率不变：222221IEmIEm22 2211 2EkEKNKNEe ww2211ww eKNKNk称为电动势比（3）转子铜耗不变：22 2222 21rImrIm2 2221112211 2rkkKNmKNmKNKNrie wwww（4）漏磁储能不变，即：22 2222 212121LImLIm22 2221112211 2LkkLKNmKNmKNKNLie wwww则22xkkxie 转子绕组归算后的异步电动机的定、转子电路如图4-12（ P140
16、）所示。（三）异步电机的等效电路归算后定、转子电势方程为：11111111)(ZIEjxrIEU2222222222)1()()1(ZIssrIx jrIssrIE频率归算后 , 转子为静止 ,即与定子一样, 故12EE 与同相位 , 即12EE 与同相位，其有效值为112221 2211 2 2211 2),(44.4EfEKNfKNKNEKNKNEmw wwww频率为为静止值mmZIEE12( 这样定、转子电路可相联接) 磁势平衡：mIII21 对应于上述电势方程的等效电路如图4-13（P140）所示则 )1()1(2222111 rssZZrssZZ ZIUmm异步电机典型运行的等效电路分析： 1、异步电动机的空载运行：很小约滞后相当于转子电路开路cos90101120UIIrsssnnm2、异步机带有额定负载时85.08 .0cos20%52222高约为呈电阻性且转子归算后总电阻约IIIrsrSmN3、起动时n=0, s=1相当于短路状态01 2rss, 起动电流大，功率因数低。4、发电机：snn0为负值，21rs
