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1、 第四章 异步电动机原理4-1 基本工作原理与结构一、 异步电动机的基本工作原理原理：定子旋转磁场以速度n0切割转子导体感生电动势（发电机右手定则），在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n顺n0方向旋转（电动机左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。(n不能等于n0)特点：电动机内必须有一个以n0旋转的磁场。实现能量转换的前提； 电动运行时n恒不等于n0（异步）必要条件nn0； 建立转矩的电流由感应产生。感应名称的来源。空间120度 对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时，产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场，每电源周期旋转一周，即两个极距；某相绕
2、组中电流达到最大值时，磁极轴线恰好旋转到该相绕组轴线上。每相空间对称分布串联线圈数增加，合成磁场磁极对数也增加：例：由3个线圈增加到6个，依次滞后60度机械角度对称分布：p=2时，电源电压变化一周，磁场在空间旋转半周，即180度机械角度；对应电角度仍为。结论：空间对称分布的多相绕组，流过时间上对称的多相电流时，合成磁通势为旋转磁通势，由此磁通势建立的磁场为旋转磁场。定子绕组的主要功能：建立旋转磁通势。重要结论：交流电机中的合成磁场旋转速度 ,f为电源频率。二、 基本结构阅读三、 铭牌数据额定功率：额定运行状态下的轴上输出功率，单位：kW。额定电压：额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位：V
3、。额定电流：额定运行状态下电动机定子绕组的线电流，单位：A。额定转速：额定运行状态下电动机的转速，单位：r/min。额定频率：电动机电源电压标准频率。4-2 三相异步电动机的定子绕组与磁势()目标：定量分析确定三相合成磁势的数学表达式旋转磁场的理论定量分析，为确定电动机的电磁转矩大小和方向作准备。一、 一相定子绕组及其磁通势取p=1，U相绕组为例:绕组匝数Ny,通过电流每磁感应线磁路磁势;忽略铁心磁压降,认为气隙均匀,则气隙中磁势处处相等: 。 磁势空间位置固定、幅值随电流按正弦规律不断改变其大小和符号：空间脉振磁势。机电角度的换算：P=1时，机械弧度相当于电弧度 所以：x机械弧度相当于电弧度
4、，即机械弧度x为一个极踞时电弧度等于。将瞬间的空间矩形波磁势按级数展开参考文献1、p192，得 I为电流有效值：。结论：一相定子绕组流过正弦电流时在气隙中产生的磁势为脉振磁势：存在问题：集中整距绕组磁势、磁场为矩形分布转子感应电势畸变性能对策：单层分布绕组抑制高次谐波磁势、磁场接近正弦波：1、 单层整距分布绕组将原集中在一个槽内的线圈边分布到相邻的q个槽内：a：槽距角：相邻两槽间弧长对应的电角度；基波磁势最大值 ：v次谐波磁势最大值： ；v=3、5、7、结论：采用整距分布绕组后，线圈组基波、谐波磁势幅值均下降，下降比例等于；谐波磁势下降比例远大于基波。合成磁势较接近正弦波。2、 双层短距分布绕
5、组双层短距绕组进一步抑制高次谐波：短距角：极距与线圈跨距y1之差： 基波短距系数： ；V次谐波短距系数：。，高次谐波磁势被显著减小。 基波短距分布绕组系数： 线圈匝数：Ny ；分布：q；层：2；磁极对数：p。一相总串联匝数一相绕组基波磁势幅值：二、 交流电动机绕组磁通势的性质1、 一相绕组基波磁势：是一个空间呈余弦分布、幅值随时间按正弦规律变化的脉振磁势。分析：利用三角公式性质：空间呈正弦分布 幅值为常数；令正弦值1，可得波顶（幅值）运动方程 波顶运动线速度：米/秒 波顶旋转速度： 结论：一相绕组所建立的脉振磁势可分解成两个旋转磁势，幅值均为脉振磁势幅值的一半，转速相同(r/min)，方向相反
6、。2、 三相绕组合成磁通势的性质旋转磁场源于空间对称分布的三相绕组中流过三相电流形成的合成旋转磁势。假定则三相绕组的基波磁势为：将它们分解成两个旋转磁势：三相绕组的基波合成磁势为：三相的三次谐波磁势：对应基波的一个极距，三次谐波已经是3个极距：各相三次谐波磁势的空间位置相同，因三相电流在时间上互差120度电角度，使三相合成三次谐波磁势为0。 推论：三的倍数次谐波磁势都为0。其余5、7次谐波磁势，由于采用分布、短距绕组已被削弱到极小，所以三相绕组产生的磁势可以忽略谐波分量。的性质：空间正弦分布、幅值固定、以旋转。某相电流达到最大值时，的幅值正好旋转到该相绕组的轴线上。假定分别从Y型联结的定子绕组
7、U、V、W输入，则时，在各自绕组轴线上形成磁势：，矢量合成得到三相合成磁势的模为,与Fu同方向。时，在各自绕组轴线上形成磁势：，矢量合成得到三相合成磁势的模为,与Fv同方向。时，在各自绕组轴线上形成磁势：，矢量合成得到三相合成磁势的模为,与Fw同方向。的旋转方向取决于三相电流的相序。 若三相电流由正相序切换为负相序，则Fs1改变旋转方向：正相序： 负相序：。在异步电动机中建立定子、气隙旋转磁场()。定子、转子绕组结构相同：同为三相分布绕组、有相同的磁极对数。结构和变压器相似，但存在气隙，漏抗、漏磁均大于变压器。4-3 三相异步电动机的运行分析一、转子不转时异步电动机内的电磁过程（一）转子绕组开
8、路时定子电势和转子电势的大小、频率假定：转子绕组开路、定子绕组U相轴线和转子绕组u相轴线重合。定子绕组接三相交流电源。则： 1) 定子绕组中产生三相对称正弦电流（空载电流），形成旋转磁通势和沿气隙正弦分布、幅值固定的气隙旋转磁场，旋转速度为。2)旋转磁场在定子绕组、转子绕组中感生频率均为f的正弦电动势；3)假定定转子绕组轴线重合，则两电动势同相。定量分析：记一个磁极下气隙磁通密度的平均值为，则半个电源周期中一根导体内感应电动势的平均值为：v为导体切割磁场的相对速度，由于旋转磁场的转速，它转过两个极距所需的时间应当等于周期，所以有；由于正弦函数最大值是平均值的倍，有效值是最大值的，所以一根导体内
9、感应电动势的有效值 定子绕组一个线圈组的串联匝数为，总导体数为2，折算为2，为定子绕组基波系数，每相绕组中串接有p个这样的线圈组，记一相定子绕组的总串联匝数，则最后得到一相定子绕组中感应电动势的有效值为 同理可得转子不转时一相转子绕组中的感应电动势有效值为，且。 电动势变比定义为：当定子与转子绕组轴线不重合时，两电势有相位差，但有效值不变。与变压器比较：变压器一相绕组：；变比异步电机一相绕组（n=0时）：；变比(二)转子堵转、转子绕组短路时的磁通势平衡方程式假定定、转子绕组轴线UU、uu轴线重合；转子绕组短路转子电流产生。的性质： 三相产生的合成磁通势仍是旋转磁通势 与有相同的转速：，(n=0
10、、转子不转) 旋转磁势转向相同，空间相对静止可合成矢量为（假定正向按电动机惯例：正电压产生正电流） （空间坐标、三相） 电机磁场由定、转子磁通势共同建立： (时间坐标、单相)（三）空间矢量和时间向量间的关系时空矢量图电流（时间）相量的性质：当U相电流达到最大值时，在+j轴线上，旋转角频率；磁势（空间）矢量的性质：当U相电流达到最大值时，在U相绕组轴线上，旋转角频率。f：定子电流频率。取U相电流的时轴与该相相轴重合，则磁势和电流有相同的初相，且在任一瞬时二者均保持相同的相位。此关系不因定、转子绕组轴线不重合而改变。(四)一相定、转子绕组间的磁势平衡方程相分离：为建立异步电动机的等值电路，须从三相
11、合成的磁势平衡方程中分离出一相定、转子绕组间的磁势平衡方程。已知：在时空矢量图上有相同的相位、角频率和旋转方向标量方程可扩展为矢量方程：，相应有，一般有：同理有：，即：此即一相定、转子绕组间的磁势平衡方程，其中，为磁路线性化后的正弦励磁电流。或：；异步电动机电流变比；称为定子电流的励磁分量。(五)电动势平衡方程（n=0、转子绕组短路）因磁通势实现了相分离故三相绕组可用一相为代表讨论，延用变压器负载运行各电磁量的假定正向，有以线性电抗等效代换,则折算处理：二、转子旋转时异步电动机的电磁过程1、转子电势的变化转子不转时，转子电势频率和定子电势频率、电源电压频率相等：设转子转速为n，则定子旋转磁场切
12、割转子导体的相对速度下降为转子导体扫过一对磁极空间的时间变长，使转子电势频率减小为定义: 为异步电动机的转差率。因切割速度降为，所以转子电势有效值也减小为 又因电抗与电源频率成正比，所以转子漏电抗也减小为 使转子电流减小为 2、时的磁势平衡与电势平衡方程关键在于：时，是否仍相对静止。因转子电流频率降为, 所以在转子上的转速为转子转速为n，相对于定子的转速为转速仍然相同、旋转方向一致，空间相对静止，与n无关。，磁势平衡方程形式相同。对也可相分离，由问题：定、转子电流频率不同不能相加。对策：零速等效（三）零速等效（频率折算）按转子电流不变原则进行频率折算，将上式改写为：。转子电流频率也相应为。,异
13、步电机的一相等值电路可变为：其中，等效电机轴上有功功率。(四)T型等值电路将转子绕组折算到定子侧（与变压器折算方法同），并用取代，得向定子侧折算： 折算后的基本方程组： 等值电路和相量图：绕线转子结论完全适用于笼型转子。笼型转子的多相绕组可等效为三相绕组。笼型转子的极对数自动跟随定子极对数。4-4 利用等值电路分析三相异步电动机的功率与转矩一、 功率平衡方程输入功率 ，式中为定子相电压、相电流。 电磁功率 ; 定子铜耗 定子铁耗 。转子铜耗 风摩损耗 杂散损耗 (谐波损耗)空载损耗 机械功率 轴上输出功率 由等值电路可知： 电磁功率又可表达为 故 机械功率 转子铜耗 称为转差功率。 综上：异步电动机轴上输出功率 二、 转矩平衡方程定义：异步电机电磁转矩 轴上输出转矩 空载转矩 即：又结论：与他励直流电机电磁转矩比较：直流：形式基本相同直流电机在励磁不变时电磁转矩和电枢电流成正比 异步机即使磁通不变，电磁转矩仅取决于转子电流的有功分量直流电机在磁通、电流不变时，电磁转矩为常数；而异步机转子电流是有效值，不是瞬时值，因此即使电磁转矩各项不变，瞬时值仍会不同。转子功率因素角是转差率s即转速n的函数。即使磁通不变，不同转速下同样电流得到的电磁转矩也
