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1、第九章 三相异步电动机的运行原理及工作特性,异步电机与变压器一样属于单边励磁的电机，转子边电流由感应产生。从电磁关系看，异步电机与变压器相似，其定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组相当于变压器的二次绕组。因此，可以把分析变压器的理论用到分析异步电机中来。异步电机三相定、转子绕组都是对称的，正常对称运行时，各相发生的电磁过程完全相同，在分析时可只讨论一相，如电动势方程、等效电路等，根据一相计算结果，再考虑相位后推广到其它两相。,第一节 转子不动时的异步电动机,一般异步电动机转子总是旋转的，转子不动是它的一种特殊情况，即电机处于堵转状态。此时，异步电动机的运行方式与变压器二次侧短路时的运行状态
2、非常相似。其定子侧相当于变压器的一次侧，转子侧相当于变压器的二次侧，变压器的二次侧和异步电机的转子侧电动势、电流都是电磁感应产生的。其不同之处在于，异步电机三相合成磁动势为旋转磁动势，变压器为脉动磁动势；异步电机定、转子之间有气隙，空载励磁电流较大，而变压器一、二次绕组之间磁路无气隙，空载励磁电流较小；异步电机的绕组是分布绕组，而变压器的绕组为集中绕组。,1、参考方向的规定,图91 三相绕线式异步电机参考方向规定,当三相异步电机定子绕组接交流电源时，其转子不动可分为转子绕组开路和转子堵转两种情况。,转子绕组开路时，转子回路没有电流，不产生磁动势。此时，电机气隙中的磁动势只有定子磁动势 ，因此称
3、其为励磁磁动势，相应的定子电流 称为励磁电流。,励磁磁动势,2.转子绕组开路时异步电机的电磁关系,(1). 磁动势和磁通,电机中合成基波旋转磁动势,主磁通和定子漏磁通,图92 异步电机的主磁通和漏磁通,通过气隙同时交链定子和转子绕组的磁通称为主磁通，不交链转子绕组只交链定子绕组的磁通称为定子绕组漏磁通。漏磁通主要有槽部漏磁通和端部漏磁通。主磁通通过气隙，并同时交链定子和转子绕组，分别在其上感应电动势，异步电动机就是依靠主磁通实现定、转子之间能量传递的。漏磁通只与自身绕组交链，只起电压降作用，不传递能量。,转子不动时，以频率 交变的主磁通 将在定、转子相绕组中感应同频率的感应电动势 和 ，其有效
4、值为：,（2）感应电动势,定、转子一相感应电动势有效值的比值，称为电动势比，用 表示。,与变压器类似，漏电动势可以用漏抗压降来表示，有：,定子每相绕组漏电抗，用简化符号 表示，定子漏电抗主要有定子槽漏电抗和端部漏电抗。,（3）电压平衡方程,转子一相绕组的电压方程为：,定子一相绕组的电压方程为：,三相异步电机转子绕组开路时，定子和转子都是静止的，电机内部的电磁关系与三相变压器空载运行时相似。,图93 三相异步电动机转子绕组开路时的电磁关系示意图,图94 转子绕组开路时三相异步电机等效电路,(4) 等效电路,定子绕组中流过三相对称电流，建立旋转磁动势。该磁场同时切割定子和转子绕组，并感应电动势。因
5、为转子绕组闭合，转子绕组中有电流流过，转子电流建立转子旋转磁动势。转子旋转磁动势的旋转方向与定子的旋转磁动势相同。,3.转子绕组堵转时异步电机的电磁关系,定、转子磁动势关系,定子绕组在外加电压和内部感应电动势共同作用下，流过电流 ；转子绕组在转子电动势作用下，流过电流 ，整个电机处于电磁平衡状态。,转子不动时，转子感应电动势的频率 ，即转子感应电动势频率与定子电流频率相同。 因此，转子旋转磁场的速度 。可见，转子旋转磁动势和定子旋转磁动势在空间以同转向、同速度旋转，即二者相对静止。,电压平衡方程,漏电动势用漏抗压降来表示，有：,定、转子回路电动势方程为：,异步电机转子不动时，其定子电流和转子电
6、流分别产生同转向、同转速的旋转磁动势 和 ，二者在空间保持相对静止。只有 和 相对静止才能共同作用在一个磁路上，建立所需要的旋转磁场，以实现机电能量转换。如果合成磁动势用 表示，则可得到与变压器类似的磁动势平衡方程。,磁动势平衡方程,磁动势平衡方程,，称为异步电机的电流变比；,，为定子绕组电流的负载分量。,讨论：定子电流有两个分量，一个是励磁分量 ，用以产生励磁磁动势 ，励磁电流的大小决定于感应电动势所需要的主磁通大小（ ）以及主磁路的磁阻。由于异步电机中主磁通两次穿过气隙，磁路磁阻大，所以需要的励磁电流也大，可达到额定电流的2060，电机的容量越小，励磁电流分量所占的分量也大。定子电流的另一
7、个分量是负载分量， ，它所产生的磁动势用来平衡转子磁动势 ，它与 大小相等，方向相反，以抵消转子磁动势的作用，以维持建立主磁通所需要的磁动势。因此，转子电流增加，将引起定子电流增加。这些关系与变压器相似。,折算方法是：将转子绕组相数为 ，匝数为 ，绕组系数为 的实际绕组，折算到定子侧相数为 ，匝数为 ，绕组系数为 的等效绕组。而折算前后转子绕组的电磁性能和平衡关系不变，即磁动势大小和相位不变。,转子绕组的折算,（1）电流的折算,保持折算前后磁动势,（2）电动势及电压的折算,保持折算前后电磁功率不变，有：,为电动势变比。,（3）阻抗的折算 折算前后绕组的铜耗不变，有：,根据折算前后功率因数不变的
8、原则，有：,经过折算后异步电机的基本方程为：,等效电路,图9-5 异步电动机转子不动时的等效电路,第二节 转子旋转时的异步电动机,当转子以转速n旋转后，电机主磁通仍以同步转速切割定子绕组，产生感应电动势，所以定子回路电动势平衡方程不变。而转子绕组以相对速度 n2 = n1 - n切割主磁通，所以转子中感应电动势的频率、大小及漏抗都将发生变化。,1.转子感应电动势,转子绕组感应电动势的频率为：,f2=sf1，称为转差频率。由于异步电动机在额定转速下运行时，转差率 s 很小，所以正常运行时，转子频率很低，为1-3Hz。,由于频率改变，所以转子感应电动势也变化，有效值为：,2.转子电动势平衡方程,因
9、为转子回路不变，所以电动势方程形式不变，为：,此时，转子漏抗为：,转子旋转时，定子磁动势 相对与定子的转速仍为 ，而频率为 的转子电流产生的转子旋转磁动势 的转速为 ，这里要注意的是，这个速度是旋转磁场相对于转子的速度。转子旋转磁场相对于静止的定子来说，速度应该是转子本身的转速 加上转子磁动势相对于转子的转速 ，即 相对定子的转速为：,3.磁动势平衡方程,。,转子旋转时，转子磁动势相对于定子的旋转速度不变，定子磁动势和转子磁动势仍然保持相对静止，这说明转子旋转时内部电磁过程和转子不动时相似，不同的是转子回路的频率，由 变为,3.磁动势平衡方程,转子旋转时，磁动势平衡方程仍为：,。,4.频率折算
10、,转子转动后，转子绕组中感应电动势的频率与定子绕组中感应电动势不同，所以不能直接得到转子旋转时异步电动机的等效电路，必须将转子的频率进行折算，将旋转的转子折算为不动的转子，这样使定、转子两边具有相同的频率，才能得到电机的等效电路。只要保持折算前后转子中电流的大小和相位不变，也就是转子磁动势的大小和相位相对于定子而言不变，那么从定子侧观察，旋转的实际转子和等效的静止转子效果就完全相同。,4.频率折算,转子转动后转子电流为：,只要等效的静止转子满足 ，则完成了频率折算。,讨论： 与 大小和相位相同，但频率已从 变成 了，这一步就是转子绕组的频率折算。进行频率折算后，电动势由 变为 ，电抗由 变为
11、，而电阻则由 变为 。,频率折算的物理意义是：用一个静止的具有电阻为 的等效转子去代替电阻为 R2 的实际旋转转子，等效转子与实际转子具有相同的转子磁动势。,频率折算后，转子电阻分解为两项：,讨论：右边第一项代表转子本身的电阻，可见要完成转子的频率折算只需在转子回路中串入一个附加电阻 即可。附加电阻 在转子电路中将消耗功率，实际电机转子中并不存在这项电阻损耗，但要产生轴上的机械功率。由于静止的转子要与实际的转子等效，因此，消耗在电阻 上的功率就代表了实际电机轴上所产生的总机械功率，这就是附加电阻的物理意义，即 是异步电动机轴上总机械功率的等效电阻。,经过频率折算后，再考虑转子绕组的折算，最终得
12、到异步电机的基本方程为:,5.等效电路,图9-6 异步电动机转子转动时的等效电路,讨论： 1. 轻载时，电机转差率很小， ， ，等效电阻 ，转子边电流 ，电机相当于转子侧开路，此时，转子电流接近于零，定子电流几乎全部是励磁电流，用以产生主磁通和定、转子漏磁通，因此，定子功率因数很低，与变压器空载运行相似。,2. 异步电动机起动时， ， ，等效电阻 ，由于阻抗很小，电流 很大，相当于变压器二次侧开路工作状态。此时，定子电流大，但功率因数低。因为一般来说， ，所以转子边功率因数低，定子边功率因数也低。,3. 额定负载时，转差率 ，如 ，则附加电阻 ，此时转子电路基本上呈阻性，转子电流不大，同时由于转子电流频率很低，电阻较电抗大很多，所以转子侧功率因数较高，定子侧功率因数也较高。,6. 相量图,图97 异步电动机的相量图,7.T型等效电路的简化,图98 型等效电路,图99 简化等效电路,
