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1、电机学电机学主讲：马宏忠主讲：马宏忠目目 录录 第一篇第一篇 变变 压压 器器 第一章第一章 绪绪 论论 第四篇第四篇 同同 步步 电电 机机 第三篇第三篇 异异 步步 电电 机机 第二篇第二篇 交流电机的共同问题交流电机的共同问题第三篇第三篇 异异 步步 电电 机机第十章第十章 三相异步电动机的启动和调速三相异步电动机的启动和调速第十一章第十一章 单相意图电动机及异步电机的单相意图电动机及异步电机的 其他运行方式其他运行方式第九章第九章 异步电机的理论分析与工作特性异步电机的理论分析与工作特性第九章第九章 异步电机的理论分析与异步电机的理论分析与工作特性工作特性第二节第二节 异步电机的基本原
2、理异步电机的基本原理第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路第四节第四节 异步电机的参数异步电机的参数第五节第五节 异步电动机的功率平衡式和转矩平衡式异步电动机的功率平衡式和转矩平衡式第六节第六节 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性第一节第一节 异步电机的基本结构异步电机的基本结构第七节第七节 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性第一节第一节 异步电机的基本结构异步电机的基本结构前言 异步电机又称感应电机是交流电机的一种。优点：结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，效率较高、价格较低。缺陷：1.调速和起动性能不佳; 2.功率因数总是滞后的，增加了电力系统的无功负
3、担。运用：总的来说：主要作为电动机使用，是当今应用最广，需要量最大的一种电机。构造：定子、转子、空气隙、端盖、轴承和机座等部件。第一节第一节 异步电机的基本结构异步电机的基本结构一、定子 异步电机定子主要包括定子绕组、铁芯和机座三部分。二、转子 异步电机转子主要包括转子绕组、铁芯和转轴三部分。 异步电机的转子结构可以分为笼型和绕线型两大类。v绕组转子异步电机第一节第一节 异步电机的基本结构异步电机的基本结构三、铭牌的额定值（1型号（2额定功率PN）：指电动机在额定方式下运行时，转轴上输出的机械功率。单位为W和kW。 （3额定电压UN）：指电动机在额定方式下运行时，定子绕组应加的线电压。单位为V
4、和kV 。第一节第一节 异步电机的基本结构异步电机的基本结构（4额定电流IN）：指电动机在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的线电流。单位为A。（5额定频率fN）：额定状态下电源的交变频率，我国的电网频率为50 Hz。（6额定转速nN）：指在额定状态下运行时的转子转速。单位为rpm。 除上述数据外，还标出额定运行时，电机的功率因素以及相数、接线法、防护等级、绝缘等级与温升、工作方式等有关项目。第二节第二节 异步电机的基本原理异步电机的基本原理一、异步电机的运行状态当对称三相电流流入异步电机三相定子绕组在气隙中便产生一旋转磁场，以同步速 旋转转子绕组与其有相对运动切割）在闭合的转子绕组
5、产生感应电动势和感应电流，旋转磁场与转子导体中的电流互相作用产生电磁转矩。第二节第二节 异步电机的基本原理异步电机的基本原理v异步电机的转子转速n 总是略低于电动机或略高于发电机旋转磁场转速v他们之间的差 ，称为转差速度v定义转差速度与同步转速的比值为转差率 ，即v 第二节第二节 异步电机的基本原理异步电机的基本原理v转差率是决定异步电机运行状态的重要变量：v异步电动机的负载情况发生变化，v转子导体中的电动势电流和电磁转矩相应变化v则转子转速和转差率随之变化。 第二节第二节 异步电机的基本原理异步电机的基本原理按照转差率大小正负，电机可分为三种状态：电动机运行发电机运行电磁制动1、电动机运行
6、转速低于同步转速 0nS0 bxn1FnFe0第二节第二节 异步电机的基本原理异步电机的基本原理2、发电机运行 发电机状态转速大于同步转速 n n0 S0第二节第二节 异步电机的基本原理异步电机的基本原理 3、电磁制动 相对转速大于同步转速 n1（实际上异步电机主要作为电动机运行）bxn1FnFe0第二节第二节 异步电机的基本原理异步电机的基本原理二、异步电机的主磁通和漏磁通主磁通：穿过气隙，与定转子绕组交链漏磁通不属于主磁通的磁通（槽、端部，谐波）第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路（一转子不动时的异步电机从电路的角度来看，转子不动时异步电机的电路方程与次级短路时的变压
7、器的电路方程相似变压器的初级相当于异步电机的定子绕组次级绕组相当于转子绕组。尽管异步电机与变压器的的磁场性质、结构和运行方式不相同，但他们内部的电磁关系时相通的。所以在研究异步电机的等效电路时，可以借助变压器的电磁理论。 第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路 转子不动时的定、转子电路第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路 转子不动时的异步电机与变压器的等效第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路1、电压平衡方程 定子绕组的电压平衡式和转子不动时转子绕组的电压平衡式分别为（与变压器类比解释各参量的意义）第三节第三节 三相异步电机的等效电
8、路三相异步电机的等效电路2、磁动势平衡方程 定子绕组磁动势 转子绕组磁动势 合成磁动势 磁动平衡式为第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路3、绕组的归算 一般将转子方面的各物理量归算到定子方面。（1电流的归算 根据归算前后转子磁动势保持不变，即： 式中 为电流变比。 第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路（2电动势的归算 根据归算前后转子视在功率保持不变，即 式中 为电动势变比。 第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路（3阻抗的归算 根据归算前后转子铜耗保持不变，即 式中 为阻抗变比。 电阻变比也适用于转子电抗、阻抗的归算。第三节第三
9、节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路二、转子转动后的异步电机 1、转子转动后对转子各物理量的影响 从电路角度看，转子转动后转子频率的变化将影响转子电动 势和漏抗等参数的变化。 转子电流的频率 转子电动势 转子漏抗 转子转动后转子回路电压平衡式 第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路二、转子转动后的异步电机2、频率归算 由以上分析可知，转子转动后转子回路的参数频率为而定子回路参数的频率仍为 电路中频率应相同，所以进行频率归算：2.2.频率归算频率归算 第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路转动时的电路(频率归算前)转动时的电路(频率归算后)第三
10、节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路3、基本方程转子参数经频率归算后还应进行绕组归算，归算后异步电动机转子转动后的基本方程为第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路4、等效电路 根据上式可画出异步电机的 型等效电路第三节第三节 三相异步电机的等效电路三相异步电机的等效电路4、向量图与接有纯电阻负载时的变压器向量图类似。异步电机的模拟电阻压降相当于变压器的次级侧电压，其余部分没什么区别。第四节第四节 异步电机的参数异步电机的参数异步电机的参数异步电机的参数 基本方程式、等效电路图和向量图分析基本方程式、等效电路图和向量图分析交流电机普遍方法。交流电机普遍方法。
11、 通过等效电路可以算出电机的电流、功通过等效电路可以算出电机的电流、功率、功率因数、效率以及转矩。率、功率因数、效率以及转矩。第四节第四节 异步电机的参数异步电机的参数v两种参数v励磁参数: v决定于电机主磁路的饱和程度.v是一种非线性参数.v短路参数: v基本上与电机的饱和程度无关,v是一种线性参数.v测定方法：两种试验v空载试验v短路试验一一 空载试验与励磁参数的确定空载试验与励磁参数的确定(一)空载试验:在UN、fN下,轴上不带负载。将电动机运转一段时间(30min)使其机械损耗达到稳定值,然后调节电源电压从(1.101.20) UN开始,逐渐降低到可能达到的最低电压值(约0.3UN).
12、测量79点,每次记录端电压,空载电流,空载功率和转速.根据记录数据,绘制电动机的空载特性曲线.一一 空载试验与励磁参数的确定空载试验与励磁参数的确定(二) 机械损耗和铁耗的分离一一 空载试验与励磁参数的确定空载试验与励磁参数的确定二二 短路试验及短路参数之确定短路试验及短路参数之确定（1） 短路试验:短路指T形电路中的附加电阻 的状态.n=0,因此必须在电动机堵转情况下进行.故短路试验也称为堵转试验.试验方法一般从I1=1.2IN （或：U1=0.4UN开场,逐步降低电压.到I1=0.3IN 测量57点,每次记录端电压,定子短路电流和短路功率,测量定子绕组的电阻.根据记录数据,绘制异步电动机的
13、短路特性I1s=f(U1),p1s=f(U1)二二 短路试验及短路参数之确定短路试验及短路参数之确定v（2短路参数的确定 (与变压器相同)v由于 励磁支路开路: v全部输入功率都变成定子铜耗与转子铜耗.二、异步电机的等效电路及其简化二、异步电机的等效电路及其简化令根据T型等效电路，可写出如下两个方程式。联立求解得二、异步电机的等效电路及其简化二、异步电机的等效电路及其简化 和 都很复杂，式中 是一个复系数在异步电机中，略去 则复数系数变成实数，即第四节第四节 异步电机的参数异步电机的参数 求转子电流的较准确近似等效电路求定子电流的较准确近似等效电路第四节第四节 异步电机的参数异步电机的参数异步
14、电机的简化等效电路c=1）第五节第五节 异步电机的功率平衡式和异步电机的功率平衡式和 转矩平衡式转矩平衡式一、功率平衡式 本节将用有效电路来分析异步电动机的能量关系见右图输入电功率定子铜耗定子铁耗转子铜耗总的机械功率 异步电动机的各种损耗总的机械功率又称内功率。第五节第五节 异步电机的功率平衡式和异步电机的功率平衡式和 转矩平衡式转矩平衡式异步电动机的功率流程图异步电动机总的功率式正常运转的时候转子铁芯中磁通的变化的频率很低，仅有13Hz,所以转子铁耗可以略去不计。第五节第五节 异步电机的功率平衡式和异步电机的功率平衡式和 转矩平衡式转矩平衡式两个重要关系：由于两个重要关系：由于电磁功率：电磁
15、功率：转子铜耗：转子铜耗：机械功率：机械功率：所以：所以： 又叫转差功率又叫转差功率第五节第五节 功率平衡式和转矩平衡式功率平衡式和转矩平衡式二、转矩平衡式旋转电机的机械功率：电机的转矩与它的机械角速度乘积.总机械功率除以转子角速度 得到转矩平衡式，即式中 ：为电动机轴上的输出机械转矩，即负载转矩； ：为电动机轴上的总机械转矩:Tem，即电磁转矩； 为电动机空载(制动)转矩；第五节第五节 功率平衡式和转矩平衡式功率平衡式和转矩平衡式三、关于电磁转矩电磁转矩与功率式中 或 为电机的同步角速度：留意：比较下式含义：具体例子详见书 例9-1）第六节第六节 异步电机的机械特性异步电机的机械特性 称为异
16、步电动机的电磁转矩-转差率曲线，简称T-s曲线，又称为机械特性曲线，它是异步电动机最主要的特性。一、电磁转矩表达式 第六节第六节 异步电机的机械特性异步电机的机械特性二、T-s曲线由上式可画出T-s曲线如右：该曲线是按电动机运行方式导出按照转差率划分电机有三种状态：1、 T0， T与n方相同，为电动机状态。2、 T0, nn0 ，T与n方向相反,制动转矩，为发电机状态。3、 T0,T与n方向相反，为制动状态。第六节第六节 异步电机的机械特性异步电机的机械特性v为什么异步电机起动电流大，起动转矩并不大？v可参书P157 图9-20第六节第六节 异步电机的机械特性异步电机的机械特性二、最大转矩 1
17、.临界转差率与最大转矩求最大转矩可用 ,由此求得产生最大转矩时的转差率 ：临界转差率，其中“ ”号，电动机取“+”号，发电机去“-”号。代入转矩表达式，求得最大转矩为第六节第六节 异步电机的机械特性异步电机的机械特性2.过载能力由此得到以下几点结论：第六节第六节 异步电机的机械特性异步电机的机械特性第六节第六节 异步电机的机械特性异步电机的机械特性三、异步电机稳定运行范围电动机的稳定运行条件为对恒转矩负载， 第六节第六节 异步电机的机械特性异步电机的机械特性四、电磁转矩简化计算公式从略）对大型电机实用公式 第七节第七节 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性定义：第七节第
18、七节 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性（1转速特性：（2定子电流特性：第七节第七节 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性（3功率因数特性(*)： 第七节第七节 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性（4电磁转矩特性： （5效率特性： 异步电动机的效率为损耗： P2增加时，效率上升得很快；当不变损耗=可变损耗时,效率达到最大值；随后负载继续增加，可变损耗增加很快，效率就要降低。电动机容量越大,效率就愈高.第七节第七节 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性第十章第十章 三相异步电机的启动和调速三相异步电机的启动和调速 第一节第一节 起动电流和起动转矩起动电流和起动转矩 第二节第二
19、节第二节第二节 谐波转矩及其对起动的影响谐波转矩及其对起动的影响谐波转矩及其对起动的影响谐波转矩及其对起动的影响 第三节第三节第三节第三节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动 第四节第四节第四节第四节 笼型异步电动机的调速笼型异步电动机的调速笼型异步电动机的调速笼型异步电动机的调速 第五节第五节第五节第五节 绕线转子异步电动机的起动和调速绕线转子异步电动机的起动和调速绕线转子异步电动机的起动和调速绕线转子异步电动机的起动和调速第一节第一节 起动电流和起动转矩起动电流和起动转矩定义： 异步电动机的起动是指电机从静止状态加速到稳态转速的整个过程，它包括
20、最初起动状态和加速过程。主要指标：起动电流和起动转矩希望：起动电流小、起动转矩大实践：起动电流大、起动转矩不大不宜说起动转矩小） 第一节第一节 起动电流和起动转矩起动电流和起动转矩起动时 ，定子电流很大（额定电流的57倍）最初起动转子功率因数很小：所以转矩不大：本节内容：怎样尽可能使：起动电流小、起动转矩大第二节第二节 谐波转矩及其对起动的影响谐波转矩及其对起动的影响* * 异步电机的气隙中除了存在基波磁场之外，还有一系列谐波磁场，这些谐波磁场对电机有多方面的影响。一、异步电机的高次空间谐波磁场产生的主要原因1、绕组分布非正弦引起的谐波磁场 (1) 实际磁势阶梯分布，含有谐波，其中5、7次较强
21、 (2) 高次谐波中， 次较强，因其与基波绕组系统相同。谐波可写成与定子齿数有关的谐波，故常称为定子绕组齿谐波。第二节第二节 谐波转矩及其对起动的影响谐波转矩及其对起动的影响* *、定、转子齿槽存在引起磁导齿谐波定、转子铁芯的内圈和外圈上有齿槽存在，引起气隙磁导不均匀，面对齿部磁导较大，面对槽口磁导较小，即使气隙磁动势按正弦分布，由于齿槽磁导变化也会引起谐波磁场，为与绕组谐波相区别，称由磁导变化引起的谐波为磁导齿谐波。第二节第二节 谐波转矩及其对起动的影响谐波转矩及其对起动的影响* *二、高次谐波磁场产生的谐波转矩及其对起动的影响二、高次谐波磁场产生的谐波转矩及其对起动的影响由高次谐波磁场所产
22、生的谐波转矩，按性质可分为由高次谐波磁场所产生的谐波转矩，按性质可分为异步附加转异步附加转距和同步附加转矩。距和同步附加转矩。、异步附加转矩、异步附加转矩异步电机是由定子旋转磁场与由该磁场感应的转子电异步电机是由定子旋转磁场与由该磁场感应的转子电流所产生的转子磁场相互作用所产生的转矩，其中只流所产生的转子磁场相互作用所产生的转矩，其中只有极对数相同的那些磁场才会产生异步转矩。有极对数相同的那些磁场才会产生异步转矩。 异步谷异步谷第二节第二节 谐波转矩及其对起动的影响谐波转矩及其对起动的影响* *、同步附加转矩同步附加转矩是由独立电源的极对数相同的两个磁场，以相同转速且同方向旋转而产生的转矩。如
23、果不是同步旋转，其平均转矩等于零。 如：定、转子齿谐波独立，有可能形成同步附加转矩第二节第二节 谐波转矩及其对起动的影响谐波转矩及其对起动的影响* *三、削弱和消除附加谐波转矩的措施（绕组采用分布和适当短距以减弱绕组谐波磁场，特别是对次谐波和次谐波。（斜槽是削弱齿谐波作用的一个有效方法。（选择合理的定、转子槽配合，可消除或削弱齿谐波转矩。（减少气隙磁导变化削弱磁导齿谐波，如定、转子采用半闭口槽，小电机转子用闭口槽等。（增大气隙能有效地削弱高次谐波和齿谐波磁场，随之减少附加转矩，但是增大气隙使励磁电流增加，功率因数下降，一般不采用。第三节第三节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动一台异步电
24、动机采用什么起动方法，需要看供电系统的容量、负载的性质以及用户对起动的要求而定。 就负载情况而言，可归纳为以下三种典型情况：重载起动，起动时有比较大的阻力距；轻载或空载起动，起动时阻力距很小；风机类负载：负载起动时最初时阻力距很小，随转速上升，负载转矩几乎按转速平方上升。三种典型负载起动特性00.20.40.81.0sT1230.6第三节第三节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动v一、直接起动v把全部电源电压直接加到电动机的定子绕组，也称全压起动。v主要问题：起动电流较大，造成电网电压下降，影响其它用电设备v一般规定，异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动。如果功率大于7.5kW，
25、而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也允许直接起动v简单估算：S电机(0.20.3)S变压器,可以直接起动第三节第三节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动v二、电阻减压或电抗减压起动v在电源端串入电阻、或电抗v串电阻：损耗增加v串电抗：起动功率因数更低第三节第三节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动三、自耦变压器起动对自耦变压器Tr）：设变比为k, 那么：第三节第三节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动v对电机：v直接起动时：电压U1，电流Ist，起动转矩为Tstv经Tr后，电压：U2U1/k v加在电机上，电机电流正比减小，为v该电流再经Tr,其原方电路再降k倍，即为
26、：v电机转矩正比电机上电压平方：第三节第三节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动v结论：v自耦变的变比为v电机电压为原来的v电机电流为原来的v电机从源吸取的电流为原来的第三节第三节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动四、星三角YD起动正常运行： D起动： Y 直接起动：电压U1，电流Ist，起动转矩为TstY起动，电压：电机电流正比减小，为线电流：即从电源吸取的电流：电机转矩正比电机上电压平方：所以，相当于变比为 的自耦变起动五、深槽转子异步电机起动五、深槽转子异步电机起动 槽槽底底比比槽槽口口股股线线的的漏漏电电抗抗大大。导导条条中中电电流流密密度度j的的分分布布自自上上而而下下
27、逐逐步步地地减减小小，如如图图b所所示示。电电流流大大部分集中到导条的上部，这种现象称部分集中到导条的上部，这种现象称为电流的集肤效应。为电流的集肤效应。由于这一效应，从由于这一效应，从而增加了起动转矩而增加了起动转矩与限制了起动电流与限制了起动电流第三节第三节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动v六、双笼转子异步电机起动第三节第三节 笼型异步电动机的起动笼型异步电动机的起动第四节第四节 笼型异步电动机的调速笼型异步电动机的调速异步电动机的转速根据负载的要求，人为地或自动地进行调节，称为调速。 异步电动机的转速公式是因此，异步电动机的调速有以下几种方法：（1改变供电电源的频率 ；（2改变
28、电动机的极对数 ；（3改变转差率 ； 改变转差率可以由改变外施电压、转子回路串电阻或电动势等。第四节第四节 笼型异步电动机的调速笼型异步电动机的调速一、变频调速改变电源频率，改变同步转速，使转速变化。特点：调速范围宽、精度高、效率较高，且能无极调速；但是需要专用的变频电源，应用上受到一定限制。发展最快。1.变频调速的基本要求主磁通 保持不变，由于 增大将引起磁路过饱和，励磁电流大大增加， 减小将使最大转矩、过载能力下降。 如略去异步电动机定子阻抗压降，那么第四节第四节 笼型异步电动机的调速笼型异步电动机的调速 为要使保持 不变，随频率变化，电动势也将随之按正比例变化，即 恒磁通变频调速机械特性
29、第四节第四节 笼型异步电动机的调速笼型异步电动机的调速对于恒功率调速，就是调频后保持输出功率不变，即 即于是定子的端电压大小与频率之间的关系为 即这种调速方法，最大转矩将随频率上升而下降。第四节第四节 笼型异步电动机的调速笼型异步电动机的调速2.变频器的基本构成整流器逆变器控制电路中间直流环节M控制指令运行指令ACDCACAC3变频器的基本构成第四节第四节 笼型异步电动机的调速笼型异步电动机的调速二、变极调速 电源频率保持不变、改变定子绕组的极对数，也可能改变同步转速，从而改变转子转速。 变极电机定子绕组的绕制方法有：双绕组变极；单绕组变极。第四节第四节 笼型异步电动机的调速笼型异步电动机的调
30、速三、改变外施电压调速 调压调速是一种比较简单的调速方法，控制电路价格较低。但是低速时转子铜耗较大，效率较低。第五节第五节 绕线转子异步电动机的绕线转子异步电动机的 起动和调速起动和调速笼型转子异步电动机：转子结构简单、成本低、运行可靠，但是其转子参数很难调整，为了改善起动特性和调速特性，大容量的异步电动机可采用绕线转子异步电动机。第五节第五节 绕线转子异步电动机的绕线转子异步电动机的 起动和调速起动和调速一、绕线转子异步电动机的起动如果既要限制起动电流，又要较大的起动转矩增大起动时的转子电阻可以大大改善起动性能，绕线转子电动机起动时转子绕组通过集电环和电刷与外接起动变阻器相连接。第五节第五节
31、 绕线转子异步电动机的绕线转子异步电动机的 起动和调速起动和调速 起动变阻器的取值：并非越大越好，应取一个合理的数值。根据异步电动机的机械特性，当 时，起动转矩等于最大转矩，设 为起动变阻器的电阻值，那么 第五节第五节 绕线转子异步电动机的绕线转子异步电动机的 起动和调速起动和调速 频敏电阻略）第五节第五节 绕线转子异步电动机的绕线转子异步电动机的 起动和调速起动和调速二、绕线转子异步电动机的调速 1. 在转子回路中接入调速电阻转子回路中接入调速阻，增大转子的转差率，转速下降。曲线1是固有机械特性曲线2、3是接入附加电阻（R串3R串2）曲线4是恒转矩的负载特性转速分别为：n1、n2、n3显然：n3n21,这种运行状态为反接制动。二、正接反转制动 正接反转制动是指定子接线保持原接法不变，如转子在外力推动下迫使反向旋转，这时电磁转矩是一制动转矩。这种制动的方法主要用于绕线转子电机作起重用。 第四节第四节 异步电机的制动运行异步电机的制动运行三、能耗制动 能耗制动是在电机断电后，立即在定子两相绕组通入直流励磁电流，产生制动转矩，使电机迅速停转。四、回馈制动 回馈制动通常用以限制电机转速，当转子转速超过同步转速，那么电磁转矩变为制动转矩，电机由原来电动机状态变为发电机状态，故又称发电机制动。
