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1、第五章 异步电机,结构及基本工作原理,异步电机运行原理,参数测定 功率 电磁转矩,起动 调速 制动,5.2异步电机的基本工作原理,5.3异步电动机额定值,5.1异步电机的基本类型和基本结构,作业,5.1 异步电机的基本类型和基本结构,按定子绕组供电电源相数,按转子绕组的结构,异步电机,通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能,一、异步电机分类:,结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式。单相异步电动机都是鼠笼式的。,二、异步电动机结构（图5.1、图5.2）,感应电机,定子绕组,定子铁心,机座,笼型,转子铁心 (笼型 绕线型),转轴,转子绕组,绕线型,5.2 异步电机的基本工作原理,电动机运行
2、发电机运行 电磁制动,异步电机外部条件发生变化时，有三种不同的运行方式。,定子接电网 转子带负载,定子接电网 原动机驱动,定子接电网、转子带机械负载； 应用于升降机械等。,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E2,电磁力F,一、异步电动机工作原理,传统结构,图5.8 工作原理,小结： 转子转动三条件： 旋转磁场 n1 =60f/p 转子导体闭合，产生电流 nn1,思考题：为什么异步电机转子的转速 nn1？（分析）,同步转速n1-旋转磁场的转速。该转速取决于电流的频率f和绕组的极对数p。,转子转速n-转子的机械转速。异步电机的特点是转子转速与同步转速始终不相等。,二、
3、转差率,n1=60fp,转差率s-同步转速n1与转子转速n之差对同步转速n1之比值。,转差率为异步电动机的一个基本变量，在分析异步电动机运行时有着重要的地位。起动瞬间:n=0,s=1理想空载时：n=n1,s=0 运行时转差率一般很小，,根据转差率可以区分异步电机运行状态,电动机:s0，1 电磁制动:s1 发电机:s0 输出机械功率定子：e1i1a0 从电网吸收电功率,三、感应电机三种运行状态,图5.11 电动机状态,1、电动机状态, 0nn1 0snn1 - s0,图5.12 发电机状态,3、制动状态, -n0 s,吸收电功率吸收机械功率 =转子电阻热损耗,电磁关系转子：Tem与n反方向Tem
4、为制动转矩定子：i1a 、e1反方向。 能量转换关系转子：Tem0吸收机械功率 定子：e1i1a0 从电网吸收电功率,图5.13 制动状态,5.3 异步电动机额定值,额定电压UN(V)：额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；额定功率PN (kW)：额定运行时，电动机的输出机械功率； 额定频率fN(Hz)：规定的电源频率(50Hz)； 额定电流IN： (A),额定电压、频率下轴端输出额定功率时，定子绕组上的线电流；,额定转速n： (r/min),额定运行时，电动机的转子转速； 额定效率、额定功率因数等,图5.1 三相异步电动机的结构,图5.2 三相异步电动机的结构,图5.3 定子铁心,图5.4
5、 定子绕组,图.5 铁心和机座,图5. 绕线转子,图5.鼠笼转子,传统结构异步电机已介绍,1. 三层三相定子绕组,2. 双转子异步电动机,3.新型绕线式异步电动机：定子三相绕组，转子两相绕组。,4.新型定子双绕组自激异步发电机，一套功率绕组，一套控制绕组。,目前异步电机新型结构有哪些?,查阅资料 开展讨论,动画 异步电机转动,图5.9 交流绕组模型图,交流电机的旋转磁场,机械旋转磁场(如:旋转磁极式同步电机的磁场) 电气旋转磁场,图5.10绕线式转子的联结,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,分析：异步电机,例5.1 有一台50Hz的感应电动机，其额定转速nN 730rmin
6、，试求该机的额定转差率。,解：s = (n1-nN) /n1 = （750-730）/750=0.02667,5.4转子静止时的异步电机,5.5异步电机的等效电路,5.6异步电机等效电路的简化,作业,转子开路时，其电流为0，定子电流为 , 三相电流 依次滞后， 则旋转磁势的转向亦是ABC(顺时针方向），速度为同步转速n1, 基波幅值为,5.4.1 转子绕组开路,5.4 转子静止时的异步电机,其中 （励磁阻抗） 对于一相定子绕组异步电动机电动势变比为,5.4.2 转子绕组短路 转子绕组短路，转轴卡住，在定子方加一低电压（相当于变压器做短路试验）。 一、定子磁动势与转子磁动势相对静止,5.4.3
7、电动势平衡方程式,5.4.4 磁动势平衡方程式,因定、转子旋转磁动势F1、F2在空间相对静止，则仿照变压器的分析方法，将上式改为 在异步电动机气隙中，全部磁动势由定子电流产生。F1的励磁分量F0产生旋转磁场，负载分量F1L平衡转子磁动势F2。,在转子静止短路时，F2与 角大小无关，为了分析简化，选择同相位进行分析。对绕线电机，转子相数与定子相数相等，则,其中ki为异步电动机的电流变比：用定、转子相电流平衡方程式可描述磁动势平衡方程式,5.4.5 转子绕组的折算,折算方法： 用一个相数为m1、匝数为N1、绕组系数为kN1的等效转子绕组代替原转子绕组，并保持极对数不变。 折算原则转子上的各种功率不
8、变，主磁通 不变，对电网等效。 折算条件折算前后转子磁动势F2不变，转子上的各种有功功率、无功功率保持不变。,各物理量、参数折算转子电流的折算 原则：前后F2不变。简化的电流平衡方程,转子绕组电动势的折算 原则：主磁通 不变 。,转子相电阻、漏电抗的折算原则：有功功率不变（相电阻）、无功功率不变（漏电抗）。,可以证明折算前后转子回路的功率因数不变。总之，将转子电路中各量折算到定子方时，电动势、电压乘以ke,电流除以ki，电阻、电抗、阻抗乘以keki 转子不转且短路时，将转子的量折算到定子方时，有如下的方程组：,5.5 负载旋转时的异步电动机及其等效电路,转子感应电动势和电流的频率 f2 为转子
9、旋转时，转子绕组每相电动势为：E2为转子不转时的相电动势。 对应转子频率f2的转子漏电抗为为对应转子频率f1的转子漏电抗。,. 转子绕组的电动势和电流磁动势,转子电流注意：因定、转子电流频率不同，故不能将定、转子平衡方程联立求解。,5.5.2 定、转子磁动势依然相对静止,设定子A相轴线为定子磁动势轴线，定子磁动势为设在t=0时，转子a相绕组轴线与定子A相轴线重合。则定子旋转磁动势切割转子绕组的速度为转子绕组感应电动势、电流的频率为相应的电角速度为,经过t时间，转子轴线沿转子旋转方向转过电角度 。则,转子旋转磁动势与定子旋转磁动势角频率、极对数、转速都相同，转向也一致。定、转子旋转磁动势在气隙中
10、相对静止。定子方电动势平衡方程与转子静止与否无关。不管电动机运行在什么状态（s或n为何值），上述结论都成立。,定子和转子磁动势之间的速度关系，如图5.14所示。图5.15表示三相绕线型转子的转子磁动势的空间相位。,例题,负载时的磁动势方程：,2.负载时的磁动势方程,三、定子绕组电势平衡方程式,四、 转子电压方程,定子,转子,定子绕 组内,转子绕 组内,5.5.3 异步电机的等效电路,等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在异步电动机中，作等效电路遇到的两大障碍是： (1) 定转子电路的频率不相同； (2) 定转子边的相数，匝数，绕组系数等不相等。,一、频率折算,转差率为s的异步电动机转子电路频
11、率：,转子静止时s=1；则转子频率等于定子频率。,频率折算既是用静止的转子代替旋转的转子。,频率折算后，希望磁势平衡不变即转子电流不变。,推论：频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻，即可以把原来旋转的转子看成静止的转子。,不论静止或旋转的转子，转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。 静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率。 附加电阻消耗的电功率等于电机输出的机械功率。即：,对频率折算的讨论,二、绕组折算,用绕组（m1、N1、kw1）等效替代绕组（ m2、N2、kw2 ）代替的原则是： 磁势平衡不变 功
12、率平衡不变,电流折算：根据磁势不变：,电势、阻抗折算,电势折算：磁通应不变。,阻抗折算：功率不变。,电抗和漏阻抗可同样折算。,异步电动机方程式,经过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式,折算后转子电路方程式：,图5.16 T形等效电路,5.6 异步电机等效电路的简化,图5.17 简化等效电路,相量图,异步电动机的相量图类似于变压器相量图,从转子电路方程出发可以一步一步作出异步电机相量图。,图5.18 相量图,图5.14 定转子磁动势之间的速度关系,转子磁动势波F2,气隙磁场Bm,转子,转子磁动势波F2,气隙磁场Bm,转子,图5.15 转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置,例5-2有一台50H
13、Z、三相、四极的感应电动机转子的转差率s=5%，试求： （1）转子电流的频率； （2）转子磁动势相对于转子的转速； （3）转子磁动势在空间的转速。,解(1)转子电流的频率f2 = sf1 =0.0550=2.5Hz(2)转子磁动势相对于转子的转速n2=60f2/p=(602.5)/2=75r/min (3) 转子磁动势在空间的转速n2 + n = n2+ns(1-s)=1500r/min,5.7 异步电动机的参数测定,5.8 功率、转矩平衡方程式,5.9 电磁转矩三种表达式,5.10 异步电动机的工作特性,作业,5.7 异步电动机的参数测定,一、空载试验,目的：测定Zm（rm+jxm)、铁耗p
14、Fe和机械损耗,方法：在额定频率下， 转子轴端不带负载，用调压器调节电源电压， 使定子端电压从1.2UN开始降落， 直至速度降落， 电流回升。,图5.19 空载特性曲线,图5.20 铁耗和机械损耗分离,参数计算激磁电阻 空载电抗 激磁电抗,目的： 测定短路阻抗 、转子电阻 、短路电抗,方法：堵住转子（S1）， 调节定子外施电压， 使短路电流由1.2IN逐渐减小到0.3IN。,二、短路试验,测定： 、 和,简化计算：,为满足电动机不同的运行数据， 应选取不同的短路电流， 进行短路试验， 求不同的短路参数。,5.9 功率、转矩平衡方程式,一、功率平衡方程式,异步电动机从电源获取电功率，即输入功率：,此一功率首先通过定子绕组，产生定子铜耗：,图5.21 异步电机T型等效电路表示的各种功率,铁耗（主要为定子铁耗）：,电磁功率：,功率传递（1）,转子铜耗：,机械功率,机械损耗和附加损耗,输出的机械功率,异步电动机的功率平衡方程式：,功率传递（2）,图5.22 功率流程图,P1,Pem,P2,pcu1,pFe,pcu2,pmec,P mec,两个重要关系式,转子的电磁功率分两部分：一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗越多，电机效率越低。正常运行时电机的转差率均很小。,
