《電機(jī)及拖動基礎(chǔ)》第四章 異步電動機(jī)的基本原理

1、*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)1/67第一節(jié) 三相異步電動機(jī)的基本原理如圖所示，如在某種因素的作用下，使磁極以n1的速度逆時針方向旋轉(zhuǎn)，形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體就會切割磁力線而感應(yīng)電動勢e。 感應(yīng)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場是由裝在定子鐵心上的三相繞組，通入對稱的三相電流而產(chǎn)生的。一、三相異步電動機(jī)的基本工作原理*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)2/67 用右手定則可以判定，在轉(zhuǎn)子上半部分的導(dǎo)體中，感應(yīng)電動勢的方向?yàn)?，下半部分導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢的方向?yàn)?，在感應(yīng)電動勢的作用下，導(dǎo)體中就有電流i，若不計(jì)電動勢與電流的相位差，則電流i與電動勢e同方向。載流導(dǎo)體在磁聲中將受到一電磁力的作用，由左手定則可以判定電磁力F的方向。由電磁力F所形成

2、的電磁轉(zhuǎn)矩T使轉(zhuǎn)子以n的速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同。即異步電動機(jī)的基本工作原理*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)3/67 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子速度不可能等于磁場旋轉(zhuǎn)的速度，這種電動機(jī)一般也稱之為異步電動機(jī)。旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度n1稱為同步轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與磁場的旋轉(zhuǎn)方向是一致的，所以如果n=n1，則磁場與轉(zhuǎn)子之間就沒有相對運(yùn)動，它們之間就不存在電磁感應(yīng)關(guān)系，也就不能在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢、產(chǎn)生電流，也就不能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)4/67轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速 n1 之差稱為轉(zhuǎn)差n,轉(zhuǎn)差與磁場轉(zhuǎn)速n1之比,稱為轉(zhuǎn)差率s。 式中： n1：旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速； n ：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。一般n略小于n1。

3、當(dāng)n=nN時，s為額定轉(zhuǎn)差率，sN一般為2%-6%。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)5/67二、三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)繞線轉(zhuǎn)子異電機(jī)剖面圖1轉(zhuǎn)子繞組 2段蓋3軸承 4定子繞組 5轉(zhuǎn)子 6定子 7集電環(huán)8出線盒*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)6/671結(jié)構(gòu)：1)定子：定子鐵芯，定子繞組，機(jī)座2)轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組（籠型繞組、繞線型繞組）。3)氣隙：中小型氣隙大小可達(dá)0.21.5mm； 大型氣隙可達(dá)12mm.*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)7/672、轉(zhuǎn)子異步動機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。1）籠型繞組銅條籠型轉(zhuǎn)子鑄鋁籠型轉(zhuǎn)子*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)8/67*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)9/672)繞線轉(zhuǎn)子照片*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)10/673）繞線型繞組接線

4、示意圖3、氣隙氣隙大：產(chǎn)生同樣大小磁通所需的勵磁電流就答，從而電機(jī)的功率因數(shù)?。粴庀缎。褐圃炖щy或運(yùn)行時定轉(zhuǎn)子間易發(fā)生摩擦。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)11/67三、 三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)額定功率 電動機(jī)在額定運(yùn)行時輸出的機(jī)械功率,單位 kW額定電壓 在額定運(yùn)行狀態(tài)下，電網(wǎng)加在定子繞組的線電壓， 單位 V額定電流 電動機(jī)在額定電壓下使用，輸出額定功率時， 定子繞組中的線電流，單位 A額定頻率 我國的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)頻率為 50Hz額定轉(zhuǎn)速 電動機(jī)在額定電壓、額定頻率及額定功率下的 轉(zhuǎn)速，單位 r/min*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)12/67第二節(jié) 三相異步電動機(jī)的定子磁場和感應(yīng)電動勢一、交流繞組的一些基本知識和基本量交流

5、繞組產(chǎn)生的磁場既是時間的函數(shù)，又是空間的函數(shù) 異步電動機(jī)從定子繞組上輸入電功率后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，它切割定子繞組，在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢，通過電磁感應(yīng)使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，將能量傳遞給轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)13/672、線圈組成交流繞組的單元是線圈。線圈是由一匝或多匝串聯(lián)而成，它有兩個引出線，一個稱為首端，另一個稱為末端。1、電角度與機(jī)械角度 電機(jī)圓周在幾何上分成360，這個角度稱為機(jī)械角度。 若磁場在空間按正弦波分布，則經(jīng)過N、S 一對磁極恰好相當(dāng)于正弦曲線的一個周期。因此，一對磁極所占有的空間是3

6、60電角度?？梢姡粋€具有 p 對磁極電機(jī)，電機(jī)圓周按電角度計(jì)算就為 p360，而機(jī)械角度總是360 。電角度= p機(jī)械角度*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)14/674、槽距角 相鄰槽之間的電角度稱為槽距角若Q1為定子槽數(shù)，p為極對數(shù)，則槽距角5、每極每相槽數(shù)q 每一極每相繞組所占槽數(shù)，用符號q表示 （m相數(shù)）3、節(jié)距 一個線圈的兩個邊所跨定子圓周上的距離稱為節(jié)距，用y1表示，一般用槽數(shù)計(jì)算。節(jié)距應(yīng)該接近極距。整距繞組，短距繞組，長距繞組*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)15/67二、單相繞組的磁動勢 脈振磁動勢（一）整距線圈的磁動勢整距線圈磁動勢分布曲線整距線圈所建立的磁場分布1、單個線圈的磁動勢*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)16/67t

7、=0,i=Imt=90,i=0t=180, i=-Im 整距線圈所形成的磁動勢在任何瞬時，空間的分布總是一個矩形波。 這種從空間上看位置固定，從時間上看大小在正負(fù)最大值之間變化的磁動勢，稱為脈振磁動勢。脈振的頻率就是交流電流的頻率。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)17/67四極整距線圈的磁動勢磁場分布磁動勢分布把以2 為周期的矩形磁動勢波用傅氏級數(shù)分解 應(yīng)用傅氏級數(shù)對矩形波進(jìn)行分解。矩形波中含有1，3，5，奇次諧波，又對稱于縱軸。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)18/67各線圈磁動勢波合成磁動勢的基波基波磁動勢矢量相加 線圈組的合成基波磁動勢為為基波磁動勢的分布系數(shù)1、整距線圈的 線圈組磁動勢（二）線圈組的磁動勢*電機(jī)及拖動

8、基礎(chǔ)19/672、短距線圈的線圈組磁動勢q=2,=6,y1=5的雙層短距疊繞組*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)20/67短距線圈節(jié)距縮短的（電）角度稱為基波磁動勢的短距系數(shù)式中短距線圈組的磁動勢同理，對于v 次諧波式中稱為諧波磁動勢的短距系數(shù)*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)21/67（三）相繞組的磁動勢 繞組由集中的改為分布的，基波合成磁動勢幅值應(yīng)該打一個折扣kq1； 線圈由整距改為短距的基波合成磁動勢幅值應(yīng)該打一個折扣ky1；因此，由短距線圈組成的分布繞組的基波合成磁動勢幅值等于具有相同匝數(shù)的整距集中繞組的基波合成磁動勢幅值乘以系數(shù)kw1=kq1ky1，稱為基波繞組系數(shù)。對于v 次諧波 kwv=kqvkyv對于單相繞組磁動

9、勢性質(zhì)：1）單相繞組的磁動勢是一種空間位置上固定、幅值隨時間變化的脈振磁動勢。2）單相繞組的基波磁動勢幅值的位置與繞組的軸線相重合。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)22/673）單相繞組脈振磁動勢中的基波磁動勢幅值為 ； 而v 次諧波磁動勢幅值為： ； 諧波次數(shù)越高，幅值越小。三、三相繞組的磁動勢 旋轉(zhuǎn)磁動勢取A相繞組的軸線處作為空間坐標(biāo)的原點(diǎn)，并且以正相序方向作為x的正方向，同時選擇A相電流達(dá)到最大值的瞬間為時間的起始點(diǎn)，則三相的基波磁動勢為：*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)23/67利用三角公式將三相基波磁勢相加，得出三相繞組的基波合成磁動勢式中（m1為相數(shù)）*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)24/67三相繞組合成磁動勢是一個大小不變、旋

10、轉(zhuǎn)的行波旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 可以得出結(jié)論，當(dāng)某相電流達(dá)到最大值，旋轉(zhuǎn)磁動勢的幅值就將轉(zhuǎn)到該相繞組的軸線處。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)25/67 如果電流是正序的，則磁動勢波旋轉(zhuǎn)方向是從A相轉(zhuǎn)向B相，再轉(zhuǎn)向C相。如果電流是負(fù)序的，則磁動勢波旋轉(zhuǎn)方向是從A相轉(zhuǎn)向C相，再轉(zhuǎn)向B相。因此，如果要改變?nèi)喈惒诫妱訖C(jī)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，只要改變定子電流的相序，把定子繞組三個出線端的任意兩個（例如B端和C端）對調(diào)即可。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)26/67從而可得出結(jié)論：一個正弦分布的幅值為F1,的脈振磁勢波可以分解為兩個幅值相等、轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢波，其幅值均為F1/2，轉(zhuǎn)速均為同步轉(zhuǎn)速。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)27/67三相基波

11、合成磁動勢（旋轉(zhuǎn)磁動勢）特性：1）是一個旋轉(zhuǎn)磁動勢，轉(zhuǎn)速均為同步轉(zhuǎn)速 ，旋轉(zhuǎn)方向決定于電流的相序。2）幅值F1不變，為各相脈振磁動勢幅值的1.5倍，旋轉(zhuǎn)幅值軌跡是一個圓。3）三相電流中任意一相電流瞬時值達(dá)到最大值時，三相基波合成磁動勢的幅值，恰好在這一組繞組的軸線上。4）推論： m相對稱繞組中通以m相對稱電流時，所形成的m相合成磁動勢也是圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，其幅值為各相脈振磁動勢幅值的m/2，其轉(zhuǎn)速仍為同步轉(zhuǎn)速。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)28/67三次諧波表達(dá)式為：結(jié)論：交流電機(jī)的磁場中不含三及三的倍數(shù)次諧波*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)29/67四、三相異步電動機(jī)的定子磁場 當(dāng)對稱三相繞組接通對稱三相電源后，在氣隙內(nèi)建

12、立一種以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場。它是異步電動機(jī)的主磁場。異步電動機(jī)中的諧波磁場作為漏磁場來處理。五、三相異步電動機(jī)定子繞組的電動勢*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)30/671、繞組的感應(yīng)電動勢氣隙磁密分布 定子繞組內(nèi)切割氣隙磁場，在定子繞組中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢。1）整距線圈的電動勢瞬時值的表達(dá)式有效值的表達(dá)式*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)31/67有效值的表達(dá)式2）短距線圈的電動勢瞬時值的表達(dá)式*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)32/672、線圈組的感應(yīng)電動勢一個線圈組電動勢的有效值為*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)33/67*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)34/673、相繞組的感應(yīng)電動勢相電勢對單層繞組而言，每個相繞組有p個線圈組，并聯(lián)支路數(shù)為a，每個線圈的匝數(shù)為Ny，則每

13、個相繞組串聯(lián)匝數(shù)為對雙層繞組而言，每個相繞組有2p個線圈組，每個相繞組串聯(lián)匝數(shù)為*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)35/67例一臺四極三相異步電動機(jī)，定子槽數(shù)為36，計(jì)算其基波和5次、7次諧波磁動勢的分布系數(shù)。解 計(jì)算每相每極槽數(shù)q和值基波分布系數(shù)*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)36/67五次諧波分布系數(shù)七次諧波分系系數(shù)*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)37/67第三節(jié) 三相異步電動機(jī)運(yùn)行原理一、三相異步電動機(jī)的空載運(yùn)行（一）空載運(yùn)行的空載電流和磁動勢1.空載電流:電動機(jī)空載，定子三相繞組接到對稱的三相電源時，在定子繞組中流過的電流。輸出功率為0即負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0。此時的電流用于產(chǎn)生空載磁場。 2.空載電流：3.空載磁勢：*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)38/67

14、主磁通0： 作用：傳遞能量的媒介作用； 路徑：定子氣隙轉(zhuǎn)子氣隙定子。漏磁通：不起傳遞能量的媒介作用，只起電抗壓降作用； 包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次諧波。空載磁通：（二）空載時電壓平衡方程式及等效電路*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)39/67二、異步電動機(jī)負(fù)載運(yùn)行（一）負(fù)載時氣隙磁動勢1.當(dāng)三相異步電動機(jī)的定子繞組接到對稱三相電源時，定子繞組中就通過三相交流電流。若不計(jì)諧波和齒槽影響，這個對稱三相交流電流將在氣隙內(nèi)形成按正弦規(guī)律分布、并且以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁動勢F1，由旋轉(zhuǎn)磁動勢F1建立旋轉(zhuǎn)的氣隙主磁場Bm。 2.轉(zhuǎn)子磁動勢 這個旋轉(zhuǎn)磁場切割定子、轉(zhuǎn)子繞組，分別在定子、轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)出定子電動勢和

15、轉(zhuǎn)子電動勢。在轉(zhuǎn)子電動勢作用下轉(zhuǎn)子回路中有對稱三相電流流過。于是，在氣隙磁場和轉(zhuǎn)子電流的相互作用下，產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就順著旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動。同時由于轉(zhuǎn)子回路中有三相電流流過，因此轉(zhuǎn)子繞組中也產(chǎn)生磁動勢F23、轉(zhuǎn)子磁動勢F2的旋轉(zhuǎn)方向 如果相序?yàn)锳-B-C的異步電動機(jī)定子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，因?yàn)閚n0，則轉(zhuǎn)子電流相序?yàn)閍-b-c 。則轉(zhuǎn)子磁動勢F2的旋轉(zhuǎn)方向也按照相序a-b-c，即：按逆時針方向。即與定子磁場的轉(zhuǎn)向相同。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)41/674、F2轉(zhuǎn)速的大小 轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)電動勢和電流的頻率為f2為稱為轉(zhuǎn)差頻率，轉(zhuǎn)子電流形成的轉(zhuǎn)子磁動勢F2的旋轉(zhuǎn)方向與F1的旋轉(zhuǎn)方向

16、相同，它相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n，而相對于定子的轉(zhuǎn)速為n+n=n1。即F1和 F2相對靜止*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)42/67（二）磁動勢平衡轉(zhuǎn)子磁動勢F2與定子磁動勢F1相對靜止，得到合成磁動勢F1+F2負(fù)載時空載時電動機(jī)從空載到負(fù)載，定子繞組的感應(yīng)電動勢的變化很小，差不多和電源電壓相平衡。所以，可以近似認(rèn)為于是*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)43/67兩極異步電動機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子繞組示意圖負(fù)載時定子、轉(zhuǎn)子磁動勢和電流的相矢圖*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)44/67（三）基本電磁關(guān)系有效值異步電動機(jī)的負(fù)載運(yùn)行時的電磁關(guān)系相量表達(dá)式定、轉(zhuǎn)子的漏磁通在各自繞組中感應(yīng)產(chǎn)生漏電動勢*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)45/67（四）基本方程式1.磁動勢平衡方程式式

17、中：m1、m2為定子、轉(zhuǎn)子的相數(shù)； Im為對應(yīng)于勵磁磁動勢的勵磁電流。勵磁電流負(fù)載電流令則異步電動機(jī)的電流比*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)46/672.電動勢平衡方程式R為轉(zhuǎn)子電阻的外加電阻 Zm為表征鐵心磁化特性和鐵耗的一個綜合參數(shù)，稱為勵磁阻抗；Xm稱為勵磁電抗；Rm為反映鐵耗的勵磁電阻。定子漏電抗轉(zhuǎn)子漏電抗因此*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)47/67異步電動機(jī)負(fù)載時的基本方程式列出如下旋轉(zhuǎn)時異步電動機(jī)的電路*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)48/67（五） 三相異步電動機(jī)的等效電路為電（動）勢變比1.頻率折算頻率折算 保持整個電磁系統(tǒng)的電磁性能不變，把一種頻率的參數(shù)和物理量換算成另一種頻率的參數(shù)和物理量。在這里，就是用一個具有定子頻

18、率而等效于轉(zhuǎn)子的電路去代換實(shí)際轉(zhuǎn)子電路。折算條件：1）進(jìn)行折算后，轉(zhuǎn)子電路對定子電路的電磁效應(yīng)不變。2）等效的轉(zhuǎn)子電路的電磁性能（有功功率、無功功率、銅耗等）必須和實(shí)際轉(zhuǎn)子電路一樣。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)49/67頻率歸算后的定、轉(zhuǎn)子電路頻率歸算前的定、轉(zhuǎn)子電路*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)50/67轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子電路中電流轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子電路中的電流 在附加電阻 上產(chǎn)生的功耗，實(shí)質(zhì)上表征了異步電動機(jī)的機(jī)械功率 滿足折算條件，實(shí)現(xiàn)了頻率折算，將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子用靜止的轉(zhuǎn)子代替。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)51/672.繞組歸算繞組歸算后的定、轉(zhuǎn)子電路由轉(zhuǎn)子磁動勢不變式中：稱為電流變比*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)52/67由轉(zhuǎn)子總的視在功率不變式中由轉(zhuǎn)子銅耗和漏磁通儲能不變稱為電勢變比*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)53/673. 等效電路經(jīng)過折算后，定子、轉(zhuǎn)子的電動勢方程式磁動勢方程式勵磁支路的電動勢方程式*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)54/67（六）幾種異步電動機(jī)的典型運(yùn)行情況1、空載運(yùn)行2、額度負(fù)載下運(yùn)行轉(zhuǎn)子電路基本上是電阻性的，功率因數(shù)較高。3、起動時的情況附加電阻為零，起動電流很大，功率因數(shù)較低。4、異步發(fā)電運(yùn)行轉(zhuǎn)差率為負(fù)，附加電阻也為負(fù)值。表示從轉(zhuǎn)子軸上輸入（而不是輸出）機(jī)械功率。*電機(jī)及拖動基礎(chǔ)55/675、電磁制動狀態(tài)運(yùn)行 ，附加電阻為