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1、第14章 三相异步电机的运行原理,自动化院电气工程系,内容,14.1 三相异步电机转子不转时的电磁关系14.2 三相异步电机转子旋转时的电磁关系,先分析转子不转、转子绕组开路， 再分析转子绕组短路、转子堵转， 最后分析转子旋转。,以三相绕线转子异步电机为例。,内容,14.1 三相异步电机转子不转时的电磁关系,1. 转子绕组开路时的电磁关系,参考方向规定,定子绕组电压和电流：电动机惯例 转子绕组电压和电流：发电机惯例 磁动势、磁通、磁通密度：出定子，进转子为正。,参考方向规定,空间坐标轴线（原点）取在定、转子的A 相绕组的轴线上。 空间角度 以逆时针方向为正。,励磁磁动势,定子三相绕组接在交流三
2、相对称电源上，定子绕组中流过三相对称电流 。 三相电流产生基波旋转磁动势F0 。,转子绕组开路，没有电流，所以此时磁路中只有定子磁动势F0 ，产生气隙磁场。 F0称为励磁磁动势， 称为励磁电流。,励磁磁动势,幅值： 转向：沿A、B、C方向（逆时针）。 转速： 瞬时位置：某相电流达到正最大值时，磁动势的正幅值就位于该相绕组轴线。,励磁磁动势产生的气隙磁场,励磁磁动势F0 作用在磁路中产生基波气隙磁场，用基波磁通密度表示。 基波磁通密度在空间也按正弦分布，可用空间矢量 B 表示，转速也为1 。 与 B 相对应的基波磁通，经过气隙，和定转子绕组同时交链，称为主磁通。 气隙中每极磁通量（主磁通）,主磁
3、通与漏磁通,作用 主磁通：同时交链定、转子绕组，起着定、转子间能量传递的媒介作用。 漏磁通：只交链定子绕组自身，称为定子漏磁通，包括槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通。,定、转子绕组的主磁链,气隙磁通密度波在空间上正弦分布，且是旋转的。 定、转子绕组是静止的。 所以定、转子绕组的磁通或磁链是随时间变化的。 当磁通密度波的幅值在绕组轴线处时，绕组交链的磁链最大。,感应电动势的有效值和相位,电动势有效值与频率、绕组有效匝数和每极磁通量m成正比。 电动势滞后产生它的主磁链 90 。,定、转子一相感应电动势有效值为,电压变比,比值ke称为电压变比，是定、转子相电动势之比。 ke等于定、转子绕组有效匝数之
4、比。,漏磁感应电动势,定子绕组漏磁通在定子绕组中感应的漏磁电动势的瞬时值为,X1是表示E1与I0间线性关系的常系数，称为定子绕组每相漏电抗。,引入电抗参数表示定子漏磁电动势,电压方程式,定、转子绕组一相电压方程式,R1为定子绕组的每相电阻。,、 分别是定、转子绕组的相电压。,定子漏阻抗,Z1R1j X1 ，称为定子绕组每相漏阻抗。,得到：,代入,电磁关系小结,转子绕组开路时的电磁关系,电磁关系小结,既有电路的问题，也有磁路的问题，电与磁之间又有密切的联系。 将这种复杂的电磁关系用熟悉的交流电路的形式表示出来，就可使分析和计算大为简化。 以上是建立等效电路的基本思路。,励磁电流,励磁电流产生的气
5、隙磁通密度相对定、转子旋转，并在定、转子铁心中产生铁耗，铁耗由电源供给。,励磁电流可分解为两个分量：,有功分量 无功分量,铁耗,B,主磁通感应电动势的等效表示,考虑主磁通在铁心中引起的铁耗时，如何用电路的形式表示 与 之间的关系？,应引入一个阻抗Zm,Zm称为励磁阻抗； Xm称为励磁电抗，反映铁心磁路的磁化特性 ； Rm称为励磁电阻，对应于铁耗pFe的等效电阻。,电压方程式，等效电路,代入,得到,完全可用电路来描述。,一相等效电路,2. 转子堵转时的电磁关系,堵转：转子三相绕组短路（即绕组出线端短接），且转子堵住不转，定子接交流电源。,转子中就会流过电流，产生转子磁动势，与定子磁动势共同起作用
6、。,转子磁动势,幅值： 转向：沿着A2B2C2方向旋转。 转速： 瞬时位置：某相电流达到最大值，合成磁动势正幅值就位于该相绕组的轴线。,转子三相对称电流 流过对称三相绕组产生转子合成基波旋转磁动势F2 。,转子磁动势的转向,转子静止，气隙磁通密度波相对转子的转速为n1 ，方向为逆时针。 转子感应电动势的相序为A2B2C2（正序）。,转子电流相序也为正序。 转子磁动势F2由+A2轴转向+B2轴，再转向+C2轴（逆时针旋转）。,定、转子磁动势关系,定子磁动势F1 与转子磁动势F2 的转速、转向都相同，两者在空间保持相对静止。,作用在磁路中的磁动势是定、转子磁动势的合成，由合成磁动势产生气隙磁通密度
7、波。 合成磁动势仍用F0 表示，F0F1F2 。 F0 是励磁磁动势。,（F2）：与转子磁动势F2 相反，抵消F2对气隙磁通密度的影响；F0 ：产生气隙磁通密度B 的磁动势分量。,定子磁动势和励磁磁动势,定子磁动势 F1 可看作由两部分组成：,F1 F0 （F2）,F0 F1 F2,转子漏磁通在转子绕组中感应漏磁电动势，可以用漏电抗上的压降表示，,转子漏磁通,转子电流也要产生漏磁通，转子漏磁通只交链转子绕组。,X2 称为转子绕组每相漏电抗。,电压方程式,转子一相电压方程式,转子感应电动势、电流的频率均为f1 。,定子一相电压方程式,转子回路功率因数角,堵转时的电磁关系,转子绕组的折合,为了得到
8、等效电路，需要像分析变压器时一样，对绕组进行折合。 通常将转子绕组折合为与定子绕组一样。 转子只通过转子磁动势F2 对定子起作用，因此折合时需要保证F2 的大小和空间相位不变。,转子绕组的折合,折合后的转子绕组相数、每相串联匝数、绕组因数都和定子绕组的一样。 转子磁动势F2 在折合后必须保持不变。用一套与定子绕组完全相同的等效转子绕组（m1相数，N1匝，绕组系数kdp1）替代实际转子绕组（m2相数，N2匝，绕组系数kdp2）,ki 电流变比,转子绕组的折合,F0 F1 F2,定、转子磁动势关系转变为定、转子电流关系，好像定、转子之间存在电路联系，为建立等效电路奠定了基础。,转子绕组的折合,转子
9、相电动势的折合值,转子相电流的折合值,转子每相阻抗的折合值,折合后，转子绕组电阻铜耗和电抗上的无功功率都不变。,基本方程式、等效电路,等效电路,基本方程式,相量图,相量图与基本方程式相对应，是基本方程式的图形表示。,14.2 三相异步电机转子旋转时的电磁关系,三相异步电机的转子绕组通常是短路的。笼型绕组本身是短路的；绕线型绕组通过集电环、电刷及附加电阻（如果有）短路。 分析三相异步电机定子绕组接至三相对称电源，转子绕组短路（直接短路或经过附加电阻短路）且转子旋转时的电磁关系。,转差率,转子绕组短路的异步电机，要实现机电能量转换，转子转速n的大小或方向必须和同步转速n1的不同。,用转差率 s 描
10、述转速n与同步转速n1的差别：,令n10，则当n与n1同向时，n0；否则，n0。,转差率与运行状态,电动机状态 n1n0 1s0,发电机状态 nn10 s0,电制动状态 n10，n 0 s1,转子电压方程式,转子感应电动势、电流的频率,异步电机正常运行时，转差率s很小。 通常s0.010.05，则 f20.5Hz2.5Hz。,气隙磁通密度B 相对转子的转速为 (n2=n1n) ； 转子感应电动势、电流的频率为,f2 称为转差频率。,转子电压方程式,转子回路电压方程式,E2 是主磁通为m，且转子频率为f1即转子静止时的感应电动势。,转子电压方程式,转子回路电压方程式,X2s 是转子频率为f2 时
11、的转子漏电抗，X2 是转子不转时（f2f1）的转子漏电抗。 正常运行时， X2s n0,定、转子磁动势关系,转向：逆时针 转速： 定子磁动势F1 ：相对于定子转速为n1 ； 转子磁动势F2 ：相对于转子转速为,F2 相对定子的转速为,结论：定、转子基波磁动势保持相对静止。,定、转子磁动势关系,转子以转差率s 旋转时，定、转子磁动势F1与F2 始终保持相对静止，二者共同产生气隙磁场。 可对F1与F2进行矢量合成，得到合成磁动势F0 ，即 F1F2F0 ，F0是励磁磁动势。,转子旋转时的合成磁动势即励磁磁动势与堵转时的不同（幅值及空间相位）。,电磁关系小结,转子旋转时的电磁关系,转子电量的频率与定
12、子不同，无法直接连接或者一起画相量图，无法得到等效电路。,转子绕组频率折合,转子通过其磁动势F2对定子起作用。 不论转子频率f2为多少，F2 相对定子的转速始终为n1 。 因此，只要保证F2 的大小和空间相位不变，转子电流的频率是多少，对定子侧的关系并无影响。,据此可对转子频率进行变换 。,E2ssE2 X2s sX2,转子绕组频率折合,转子电动势、电流的频率已由f2变为f1 ，用转子不转时的量来表示了。 转子电流的有效值和相位都未变化。,转子绕组频率折合,转子旋转时的实际电路,保持转子磁动势F2的幅值和相位不变，使转子频率由实际的f2变为f1 转子绕组的频率折合。,等效电路（转子不转时）,I
13、2I2s ， 2 不变,F2不变（幅值和相位）,转子绕组的折合,频率折合后，定、转子的频率都是 f1 。 为了得到等效电路，还需用转子堵转时的处理方法，将转子绕组折合到定子侧，即进行转子绕组折合。,基本方程式、等效电路,基本方程式,在对转子进行频率折合和绕组折合后，可得转子旋转时的基本方程式。,基本方程式、等效电路,T型等效电路,时空相矢量图,讨 论,空载时，转差率s很小， ，转子电流很小，空载电流约等于励磁电流，定子功率因数很低。,额定负载运行时，通常转差率sN0.05，转子等效电路为电阻性，定、转子侧功率因数都较高，可达0.8 以上。,讨 论,定子漏阻抗Z1不大，从空载到额定负载时，I1Z1与电压U1相比都较小，定子电动势E1U1。 主磁通m与电动势E1成正比。 只要电压U1不变，从空载到额定负载，m基本不变，励磁电流I0也基本不变。,起动或堵转时，主磁通m与额定负载时相比变化很大，约为空载时的一半。,小结,14.1 三相异步电机转子不转时的电磁关系转子绕组开路 转子堵转14.2 三相异步电机转子旋转时的电磁关系,
