第9章異步電機的理論分析與運行特性

1、第九章第九章 異步電機的理論分析與運行異步電機的理論分析與運行特性特性n9.1 異步電機的基本結構異步電機的基本結構n9.2 異步電機的運行狀態(tài)和磁場異步電機的運行狀態(tài)和磁場n9.3 三相異步電機的等效電路三相異步電機的等效電路n9.4 異步電機的參數異步電機的參數n9.5 異步電動機的功率平衡式和轉矩平衡式異步電動機的功率平衡式和轉矩平衡式n9.6 異步電動機的機械特性及穩(wěn)定運行條件異步電動機的機械特性及穩(wěn)定運行條件n9.7 異步電動機的工作特性異步電動機的工作特性第九章第九章 異步電機的理論分析與運行特性異步電機的理論分析與運行特性第一節(jié)第一節(jié) 異步電機的基本結構異步電機的基本結構 優(yōu)點：

2、優(yōu)點：結構簡單結構簡單，制造、使用和維護方便。，制造、使用和維護方便。 運行可靠，效率較高，運行可靠，效率較高，價格低廉價格低廉，堅固耐用。，堅固耐用。 缺點：缺點：轉速不易調節(jié)轉速不易調節(jié) 鼠籠式異步電動機的鼠籠式異步電動機的起動性能較差起動性能較差 勵磁電流由電網供給，勵磁電流由電網供給，功率因數滯后功率因數滯后 用途：主要用于電動機（用途：主要用于電動機（90%90%電氣原動機為異步電動機）電氣原動機為異步電動機）概述概述異步電動機的結構異步電動機的結構定子定子StatorStator：固定部分轉子轉子RotorRotor：旋轉部分氣隙氣隙Air GapAir Gap：很小，0.2-2.

3、0mm對電機性能影響很大異步電機結構視頻異步電機結構視頻異步電機異步電機定子繞組定子繞組定子鐵心定子鐵心轉子轉子機座機座(風罩、風扇等）、電刷風罩、風扇等）、電刷鼠籠型鼠籠型轉子鐵心轉子鐵心轉軸（含軸承）、換向片轉軸（含軸承）、換向片轉子繞組轉子繞組繞線型繞線型定子定子氣隙氣隙一、異步電機的定子一、異步電機的定子1 1、定子鐵心、定子鐵心磁路部分，放置定子繞組磁路部分，放置定子繞組一般采用導磁性能良好和磁損耗小的電工一般采用導磁性能良好和磁損耗小的電工硅鋼片硅鋼片疊成疊成內圓周均勻開槽的圓筒型內圓周均勻開槽的圓筒型2定子槽形定子槽形散嵌繞組成型繞組效率和功率因數較高，繞組嵌線工藝復雜，小容量及

4、中型低壓電機可嵌放成型線圈大型低壓電動機絕緣放置可靠、繞組下線方便高壓電動機3定子繞組定子繞組電路部分，產生感應電勢和電磁轉矩電路部分，產生感應電勢和電磁轉矩n定子繞組通常應用定子繞組通常應用雙層短距繞組雙層短距繞組，小型電機可，小型電機可應用單層繞組。應用單層繞組。二、異步電動機的轉子二、異步電動機的轉子1 1、轉子鐵心、轉子鐵心磁路部分、支撐轉子繞組磁路部分、支撐轉子繞組一般由一般由硅鋼片硅鋼片疊成。在轉子鐵心上開有槽，以供放置疊成。在轉子鐵心上開有槽，以供放置或澆注轉子繞組?；驖沧⑥D子繞組。2 2轉子槽轉子槽槽形的選擇主要決定于對槽形的選擇主要決定于對運行性能運行性能和和起動性能起動性能

5、的要求。的要求。3 3轉子繞組轉子繞組鼠籠式轉子：鼠籠式轉子：鑄鋁、焊接鑄鋁、焊接斜槽形式轉子繞組轉子繞組感應電勢、流過電流和產生電磁轉矩感應電勢、流過電流和產生電磁轉矩l與定子繞組有相同的極數，相同相數的對稱繞組與定子繞組有相同的極數，相同相數的對稱繞組l通常采用對稱的三相繞組，連接成星形，常用通常采用對稱的三相繞組，連接成星形，常用波繞組波繞組l轉子的一端裝有三個轉子的一端裝有三個集電環(huán)集電環(huán)l繞線轉子可外串變阻器，改變異步機的繞線轉子可外串變阻器，改變異步機的起動性能起動性能線繞轉子：線繞轉子：RRRR繞繞線線轉轉子子實實物物圖圖4. 4. 轉軸轉軸三、異步電機的氣隙三、異步電機的氣隙特

6、點：特點：氣隙很小，在中、小型電機中一般為氣隙很小，在中、小型電機中一般為0.20.22.0mm2.0mm氣隙大：氣隙大：磁阻大，勵磁電流大，功率因數低磁阻大，勵磁電流大，功率因數低 氣隙磁場諧波含量減少，改善啟動性能氣隙磁場諧波含量減少，改善啟動性能氣隙小：氣隙?。?受加工工藝及機械安全所限制受加工工藝及機械安全所限制異步電機結構視頻異步電機結構視頻四、銘牌的額定值四、銘牌的額定值 異步電動機的額定值異步電動機的額定值n額定功率額定功率P PN N: : 指額定運行時，轉軸上指額定運行時，轉軸上輸出輸出機械功率（機械功率（W W或或kWkW）n額定電壓額定電壓U UN N: : 指額定運行時

7、定子繞組外加指額定運行時定子繞組外加線電壓線電壓（V V或或kVkV）額定電流額定電流I IN N: : 指在額定電壓和額定功率狀態(tài)下運行時，流入指在額定電壓和額定功率狀態(tài)下運行時，流入定子繞組的定子繞組的線電流線電流（A A）n額定頻率額定頻率f:f: 我國工業(yè)頻率為我國工業(yè)頻率為50Hz50Hzn額定轉速額定轉速n nN N: : 指在額定狀態(tài)下運行時的轉子轉速（指在額定狀態(tài)下運行時的轉子轉速（r rminmin）NNNNNIUPcos3第二節(jié)第二節(jié) 異步電機的運行狀態(tài)和磁場異步電機的運行狀態(tài)和磁場異步電機的三種運行方式異步電機的三種運行方式電動機運行電動機運行發(fā)電機運行發(fā)電機運行電磁制動

8、電磁制動 運行方式判斷依據運行方式判斷依據根據作用于轉子上的根據作用于轉子上的電磁轉矩的方向電磁轉矩的方向，以及定子電勢，以及定子電勢e e和和定子電流定子電流i i有功分量所產生的有功分量所產生的電功率的正負電功率的正負來判斷來判斷 電磁過程（以電動機為例）電磁過程（以電動機為例）定子三相對稱繞組定子三相對稱繞組加三相對稱電流加三相對稱電流I I1 1在氣隙產在氣隙產生生旋轉磁場旋轉磁場n n1 1切割轉子繞組切割轉子繞組在轉子繞組在轉子繞組感應電感應電勢勢E E2 2轉子繞組是閉合繞組轉子繞組是閉合繞組產生轉子電流產生轉子電流I I2 2轉轉子帶電繞組在氣隙磁場中受到電磁力的作用子帶電繞組

9、在氣隙磁場中受到電磁力的作用產生產生電磁轉矩電磁轉矩帶動轉子轉動帶動轉子轉動n (nnn (nn1 且同向）且同向）n電磁轉矩電磁轉矩Te與與n反向反向，起阻力矩作用。（原動力矩，起阻力矩作用。（原動力矩克服電磁轉矩作功）克服電磁轉矩作功）Bxn1nFFe發(fā)電機運行方式結論：發(fā)電機運行方式結論：n異步電機轉子的轉速異步電機轉子的轉速nnnn1 1，即，即s0s0nn n與與n n1 1同向，電磁轉矩同向，電磁轉矩T Te e與與n n反向，反向，T Te e為阻力矩為阻力矩n轉子轉子輸入機械功率，輸入機械功率，定子輸出電功率定子輸出電功率n典型應用：風能發(fā)電典型應用：風能發(fā)電Bxn1nFFe3

10、、電磁制動、電磁制動n外力拖動使轉子與旋轉磁場的外力拖動使轉子與旋轉磁場的旋轉方向相反旋轉方向相反（n與與n1反向）反向），則旋轉磁場切割轉子導體的，則旋轉磁場切割轉子導體的相對轉速大于同步轉速相對轉速大于同步轉速 n電磁力電磁力的方向與外施力方向相反，的方向與外施力方向相反，起制動作用起制動作用Bxn1nFFe電磁制動運行方式結論：電磁制動運行方式結論：n異步電機轉子的轉速異步電機轉子的轉速n0n1 s1 nn n與與n n1 1反向，反向，T Te e與與n n反向，反向，T Te e為阻力矩（制動）為阻力矩（制動）n定子定子輸入電功率輸入電功率，轉子，轉子輸入機械功率輸入機械功率，都轉變

11、，都轉變?yōu)殡姍C內部的損耗為電機內部的損耗( (主要是銅耗主要是銅耗) )n典型應用：起重機下放重物典型應用：起重機下放重物Bxn1nFFeNSn1nT0TeNSn1nT0TeNSn1nTeT0S 反映異步電機運行狀態(tài)和負載情況反映異步電機運行狀態(tài)和負載情況10n0n1s電磁制動電磁制動電動機電動機發(fā)電機發(fā)電機起動點起動點理想空載點理想空載點異步電動機轉差率的幾種特殊情況：異步電動機轉差率的幾種特殊情況：空載時轉差率：空載時轉差率：0.5% 滿載時轉差率：滿載時轉差率：5%u 起動時，起動時，n=0，s=1u 理想空載時，無阻力轉矩，理想空載時，無阻力轉矩，n=n1，s=0u實際空載時，實際空載

12、時，nn1 ，s0u 負載阻力轉矩越大時，轉子電動勢和電流負載阻力轉矩越大時，轉子電動勢和電流越大，因而必須有較大的轉差率越大，因而必須有較大的轉差率s二、異步電機的磁場二、異步電機的磁場空載時：空載時：定子加三相交流電定子加三相交流電產生旋轉磁場產生旋轉磁場pfn1160轉速1111126060)(sfnnnpnnnpfnnsnpsfpfn111226060負載時：負載時：轉子感應電動勢（電流）頻率轉子感應電動勢（電流）頻率轉子磁場相對轉子的轉速轉子磁場相對轉子的轉速n2：112)(nnnnnn則轉子磁場相對定子轉速：則轉子磁場相對定子轉速：主磁通主磁通mmn由由基波磁動勢產生基波磁動勢產生

13、，是每極的基波磁通量，是每極的基波磁通量n同時交鏈定轉子繞組，實現同時交鏈定轉子繞組，實現能量傳遞能量傳遞n以同步速旋轉：以同步速旋轉：pfn1160氣隙磁場：氣隙磁場：21FFF（均以（均以n1旋轉）旋轉）l 主磁路（主磁通經過的路徑）：主磁路（主磁通經過的路徑）：空氣隙、定子齒、轉子齒、定子軛、轉子軛空氣隙、定子齒、轉子齒、定子軛、轉子軛漏磁通漏磁通n漏磁通漏磁通除去主磁通以外的磁通除去主磁通以外的磁通n漏磁通包含三個部分：槽漏磁通、端部漏磁通和漏磁通包含三個部分：槽漏磁通、端部漏磁通和諧波漏磁通諧波漏磁通n槽漏磁通和端部漏磁通。僅只交鏈單個繞組，槽漏磁通和端部漏磁通。僅只交鏈單個繞組，不

14、不傳遞能量傳遞能量n諧波漏磁通諧波漏磁通由高次諧波磁動勢所產生的諧波磁由高次諧波磁動勢所產生的諧波磁通，交鏈轉子繞組并在其中感應電勢通，交鏈轉子繞組并在其中感應電勢, ,有傳遞能有傳遞能量，產生有害附加電磁轉矩量，產生有害附加電磁轉矩定子的槽漏磁通和端部漏磁通，只交鏈單個繞定子的槽漏磁通和端部漏磁通，只交鏈單個繞組，沒有互感作用，組，沒有互感作用，不傳遞能量不傳遞能量槽漏磁通和端部漏磁場槽漏磁通和端部漏磁場n諧波磁場極對數諧波磁場極對數 ，旋轉速度，旋轉速度 n諧波磁場在諧波磁場在定子繞組定子繞組上的感應電動勢頻率上的感應電動勢頻率pp1nn 1116060fpnnpf諧波漏磁通諧波漏磁通(

15、(差異漏磁通）差異漏磁通）n諧波磁場在諧波磁場在轉子繞組轉子繞組的感應電動勢頻率：的感應電動勢頻率：606012nnpnnpf6012nnpf 可見：兩者頻不率同?；ù磐óa生有用的電磁可見：兩者頻不率同?；ù磐óa生有用的電磁轉矩，而諧波磁通產生轉矩，而諧波磁通產生有害的附加電磁轉矩有害的附加電磁轉矩，所，所以將以將諧波磁通歸為漏磁通諧波磁通歸為漏磁通 基波磁場在基波磁場在轉子繞組轉子繞組中感應電動勢頻率：中感應電動勢頻率：課課 時時 小小 結結1.異步電機的優(yōu)缺點？基本結構？異步電機的優(yōu)缺點？基本結構？2.異步電機的運行方式及判別依據？異步電機的運行方式及判別依據？（重點）（重點）3.異步

16、電機轉差率的定義？轉差率與運行方式異步電機轉差率的定義？轉差率與運行方式的關系？的關系？ （重點）（重點）4.異步電機的磁場？（定子、轉子、氣隙）異步電機的磁場？（定子、轉子、氣隙）5.異步電機的主磁路？漏磁通包括哪些？異步電機的主磁路？漏磁通包括哪些？第三節(jié)第三節(jié) 三相異步電機的等效電路三相異步電機的等效電路11111111111eNIFrIUIUr21EEm氣隙氣隙02I02空載時：空載時：轉子轉子定子定子空載時轉軸阻力矩小，空載時轉軸阻力矩小，nn1 E2 0 I2 0* 異步電機的電磁物理現象異步電機的電磁物理現象:思考思考:與變壓器二次側空載運行的區(qū)別與變壓器二次側空載運行的區(qū)別?2

17、222222222rIUeNIFIr11111111111eNIFrIUIUr21EEm定子定子轉子轉子氣隙氣隙負載時：負載時：負載時轉軸阻力矩負載時轉軸阻力矩 nx1，c11。2121121121112xxjsrrUxcxjsrcrUI2111121111IxxjrrUcIxxjrrUImmmm第五節(jié)第五節(jié) 異步電機的功率和轉矩平衡異步電機的功率和轉矩平衡1r1x2r2x21rss1U1I0I2Imrmx1cupFep2cupiPemP1P一、功率平衡關系一、功率平衡關系輸入功率11111cosIUmP 定子銅損12111rImpcu定子鐵損mmFerImp21電磁功率srImppPPFec

18、uem22 2111轉子銅損22 2122222rImrImpcu機械功率22 21222211rssImrssImPi輸出功率02pPppPPiadmeci1PemPiP2P1CuP2CuPFePadmecPP異步電動機的功率流程圖異步電動機的功率流程圖admecFecucupppppppPP2121功率平衡式：功率平衡式：重要公式：重要公式：n電磁功率（電磁功率（通過基波旋轉磁場傳遞到轉子通過基波旋轉磁場傳遞到轉子）n總的機械功率（內功率）總的機械功率（內功率） Pi = Pem- pcu2=(1-s)Pemn軸上的輸出功率軸上的輸出功率 P2=Pi- pmec- padspsrImssr

19、ImrImPpPcuicuem2222122212221212221222111cosIEmsrImppPPFecuem二、異步電動機轉矩平衡二、異步電動機轉矩平衡由功率平衡式兩邊除以轉子機械角速度由功率平衡式兩邊除以轉子機械角速度得到得到T2負載轉矩，電動機軸上的輸出機械轉矩負載轉矩，電動機軸上的輸出機械轉矩T電磁轉矩，電動機軸上的總的機械轉矩電磁轉矩，電動機軸上的總的機械轉矩Tmec 機械損耗轉矩；機械損耗轉矩；Tad 附加損耗轉矩；附加損耗轉矩；T0=Tmec +Tad 空載制動轉矩空載制動轉矩02TTTTTTadmec電磁轉矩電磁轉矩 T1MiPPT1160216026021602MM

20、MMiiPnPsnPnPsnPP轉子機械運動角速度旋轉磁場運動角速度課課 時時 小小 結結n異步電動機的參數測定？異步電動機的參數測定？n異步電動機的近似等效電路和簡化等效電路？異步電動機的近似等效電路和簡化等效電路？n異步電動機的功率平衡？（重點：兩個表達式）異步電動機的功率平衡？（重點：兩個表達式）n異步電動機的轉矩平衡？異步電動機的轉矩平衡？n書面作業(yè)書面作業(yè)(P166)：9-1、9-2、9-5一、電磁轉矩和機械特性一、電磁轉矩和機械特性第六節(jié)第六節(jié) 異步電動機的機械特性及穩(wěn)定運行條件異步電動機的機械特性及穩(wěn)定運行條件三相異步電動機在外施電壓、頻率和參數為規(guī)定值時，三相異步電動機在外施電

21、壓、頻率和參數為規(guī)定值時，電磁轉矩電磁轉矩T T與轉差率與轉差率s s（或轉速（或轉速n n）之間的函數關系）之間的函數關系，可用，可用曲線表示，稱為異步電動機的電磁轉矩曲線表示，稱為異步電動機的電磁轉矩- -轉差率曲線（也轉差率曲線（也稱稱T-sT-s曲線，或機械特性曲線曲線，或機械特性曲線） 機械特性機械特性它是異步電動機最主要的特性它是異步電動機最主要的特性電磁轉矩的三種表達式電磁轉矩的三種表達式1、電磁轉矩、電磁轉矩參數表達式參數表達式：2211221122111222111xcxsrcrsrUpmsrImpPTem電動機狀態(tài)電動機狀態(tài)發(fā)電機狀態(tài)發(fā)電機狀態(tài)電磁制動狀態(tài)電磁制動狀態(tài)起動點

22、起動點s=1最大電磁轉矩點最大電磁轉矩點s=sk額定點額定點sk0理想空載點理想空載點s=02222111222111coscos2cosICIkNpmIEmpPTmTmNem可見：可見：電磁轉矩與氣隙磁通和轉子電流電磁轉矩與氣隙磁通和轉子電流的有功分量的乘積成正比的有功分量的乘積成正比2、電磁轉矩、電磁轉矩物理表達式物理表達式：1112NTkNpmC -電機轉矩常數電機轉矩常數1 0 s 22cosICTmT11112ZIUEE222222xsrEI222222cosxsrsr理想空載T=0 n=n1 s=0I2=0負載后，出現轉差s，nn1成正比近似與較大不變變化不大，近似很小負載較小時，

23、sICTxsrsrrssrxsrImmT222 2222222222 222222coscosEEEEs進入不穩(wěn)定工作區(qū)域增大而下降隨減小較多增加減慢較大后當sICTxsrsrxsrImT222 222222 22222coscosEs負載后，出現轉差s，n0，電動機加速，電動機加速l TTL時，時，TJTa 減速速減速速n、s T 回到回到a點點 TL=Ta 電動機穩(wěn)定運行電動機穩(wěn)定運行a點是穩(wěn)定運行點點是穩(wěn)定運行點TsTLabaTL+L0sk1TsTLabbTL+L0sk1分析分析原來：原來：b點點干擾干擾Lb點點干擾消除后，干擾消除后，TLTb 減速減速n、s T n 直到直到n=0，停

24、轉，停轉 b點是不穩(wěn)定運點是不穩(wěn)定運行點。行點。b思考：干擾使電動機運行于思考：干擾使電動機運行于b點的情況？點的情況？穩(wěn)定運行條件穩(wěn)定運行條件dsdTdsdTL穩(wěn)定運行范圍：穩(wěn)定運行范圍：s=0sk1、指恒轉矩負載情況下。、指恒轉矩負載情況下。2、不同負載類型其穩(wěn)定運、不同負載類型其穩(wěn)定運行范圍不同行范圍不同第七節(jié)第七節(jié) 異步電動機的工作特性異步電動機的工作特性l工作特性：工作特性：轉速特性轉速特性 n =f(P2)負載轉矩特性負載轉矩特性 T2=f(P2)定子電流特性定子電流特性 I1=f(P2)功率因數特性功率因數特性 cos 1=f(P2)效率特性效率特性 =f(P2)l測定方法：測定

25、方法：直接負載試驗法直接負載試驗法和解析式法和解析式法l條件：條件：外施電源電壓外施電源電壓U1和頻率和頻率f1不變不變一、轉速特性一、轉速特性 n= f (P2)空載時，空載時，T T2 20 0，T TT T0 0，n n0 0接近接近n n1 1，s s很小。很小。隨著負載增大隨著負載增大P P2 2T=TL+T0s( (很小，如很小，如S SN N=0.01=0.010.050.05）n（很?。ê苄。?硬特性硬特性0nP2PNn很小很小硬特性硬特性n0n1nN二、負載轉矩特性二、負載轉矩特性 T2=f(P2)602222nPPT在正常運行范圍內，轉速變化不大（硬特性），負載在正常運行

26、范圍內，轉速變化不大（硬特性），負載轉矩與輸出功率近似為直線。轉矩與輸出功率近似為直線。0T2P2PN尾部稍彎尾部稍彎T2N三、定子電流特性三、定子電流特性 I1=f(P2)隨著負載增加，隨著負載增加，I I2 2相應增大，定子電流相應增大，定子電流I I1 1也相應增大也相應增大I I2 2與輸出功率與輸出功率P P2 2不成正比，不成正比，I I1 1與輸出功率呈非線性關系與輸出功率呈非線性關系21IIIm0I1P2PNI1NIm四、功率因數特性四、功率因數特性cos 1=f(P2)l空載時空載時，電流主要成分是磁化電流（無功分量），功率因，電流主要成分是磁化電流（無功分量），功率因數很低

27、，數很低，coscos 1 1 0.20.2l負載時負載時，P2 P1、Q1變化不大變化不大 cos1但負載增加到一定值時，但負載增加到一定值時，ns2=tg-1sx2/r2 cos2cos10.20cos1P2PNl功率因數最大值：功率因數最大值：通常設計在通常設計在額定負載或略低于額定負載時額定負載或略低于額定負載時五、效率特性五、效率特性 =f(P2)l 效率隨負載變化的規(guī)律決定于損耗的分配比例效率隨負載變化的規(guī)律決定于損耗的分配比例l 空載空載 =0=0負載負載P P2 2 到可變損耗等于不變損耗到可變損耗等于不變損耗 max P2銅耗銅耗 l 設計時最大效率在設計時最大效率在0.7-10.7-1范圍內范圍內0P2PN課課 時時 小小 結結1.電磁轉矩的三種電磁轉矩的三種表達式表達式及其機械特性曲線？及其機械特性曲線？2.異步電動機機械特性曲線的四個特殊運行點？異步電動機機械特性曲線的四個特殊運行點？3.Tmax、sk、Tst與與r2和和U1的關系及曲線的變化？的關系及曲線的變化？ （重點）（重點）4.過載能力（最大轉矩倍數）和起動轉矩倍數？過載能力（最大轉矩倍數）和起動轉矩倍數？5.根據異步電