電機學-05異步電機

異步電機感應電機主要用作電動機，應用最廣泛的一種電動機，廠礦企業(yè)，交通工具，娛樂，科研，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，日常生活都離不開異步電動機。交流電機可分為感應電機和同步電機兩大類。類型：異步電機主要分為：鼠籠式異步電動機，繞線式異步電動機和各種控制用電動機三大類。感應電機分類按定子繞組供電電源相數(shù)按轉子繞組的結構單相感應電動機三相感應電動機兩相感應電動機異步電機鼠籠式異步電動機繞線式異步電動機結構簡單，堅固，成本低，運行性能不如繞線式通過外串電阻改善電機的起動，調(diào)速等性能異步電機的結構三相感應電動機的結構定子鐵心定子沖片定子線圈鐵心和機座鼠籠轉子鼠籠轉子照片繞線轉子照片感應電機銘牌銘牌：型號，額定值，繞組聯(lián)結方式，生產(chǎn)廠家等

型號：Y132S-4,Y--異步電動機；132--機座中心高度132mm，S--短鐵心；4-極數(shù)。

額定值:

正常運行時的主要數(shù)據(jù)指標。

繞組聯(lián)結方式：△接法或者Y接法。

感應電機額定值

額定電壓UN：

(V)，額定運行時，規(guī)定加在定子繞組上的線電壓；額定電流IN：

(A),額定運行時，規(guī)定加在定子繞組上的線電流；額定功率PN：

(kW),額定運行時，電動機的輸出功率；額定轉速n：

(r/min),額定運行時，電動機的轉子轉速；

額定頻率fN：

(Hz)，規(guī)定的電源頻率(50Hz)；

額定效率、額定功率因數(shù)等感應電機的基本工作原理三相對稱繞組建立的磁場感應電機的基本工作原理

轉子繞組的導體處于旋轉磁場中

轉子導體切割磁力線，并產(chǎn)生感應電勢，判斷感應電勢方向。

電磁力作用在轉子上將產(chǎn)生電磁轉矩，并驅(qū)動轉子旋轉。

轉子導體通過端環(huán)自成閉路，并通過感應電流。

感應電流與旋轉磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，判斷電磁力的方向。轉差率

切割磁力線是產(chǎn)生轉子感應電流和電磁轉矩的必要條件。轉子必須與旋轉磁場保持一定的速度差，才可能切割磁力線。旋轉磁場的轉速用n1表示，稱為同步轉速；轉子的實際轉速用n表示，轉差Δn=n1-n。

轉差率是異步電動機的一個基本變量，在分析異步電動機運行時有著重要的地位。轉差率：

起動瞬間，n=0,s=1

理想空載運行時：n=n1,s=0

作為電動機運行時，s的范圍在0-1之間。轉差率一般很小，如s=0.03。制動運行時，電磁轉矩方向與轉速方向相反，即n1與n反向，s>1

發(fā)電運行時，n高于同步轉速n1,s<0.S值與電機運行狀態(tài)的關系5.1異步電機的基本原理基波旋轉磁場產(chǎn)生的經(jīng)過氣隙，同時匝鏈定子和轉子繞組的磁通叫主磁通。轉子繞組切割主磁通并在轉子中產(chǎn)生感應電流；感應的轉子電流在磁場中受到電磁力的作用而形成驅(qū)動轉矩，使電機旋轉。諧波磁動勢建立的諧波磁場也匝鏈定轉子，但是對轉子的作用不會產(chǎn)生有效的轉矩，定子繞組產(chǎn)生的感應電動勢的頻率與基波頻率一致，影響定子回路的電壓平衡，作為漏磁場處理。主磁通

漏磁通槽漏磁通：由槽的一壁橫越至槽的另一壁的漏磁通。端部漏磁通：匝聯(lián)繞組端部的漏磁通。諧波漏磁通：諧波磁勢會產(chǎn)生諧波磁通。定子繞組的漏磁通電機正常運轉時，諧波磁通不會產(chǎn)生有用的轉矩。

漏電抗：漏磁通在定子繞組中會感應漏磁電勢，該電勢用漏抗壓降表示:稱為漏電抗。

轉子繞組通過電流時，也會有漏磁通。對應的漏抗電勢

漏電抗異步電動機電勢平衡方程式1、定子繞組電勢平衡方程式定子繞組接到交流電源上，與電源電壓相平衡的電勢（壓降）包括：主電勢、漏磁電勢和電阻壓降。

主電勢（感應電勢）：定子繞組通入三相對稱交流電流時，將會產(chǎn)生旋轉的主磁通，同時被定子繞組和轉子繞組切割，并在其中產(chǎn)生感應電勢。定子繞組感應電勢的有效值：

漏磁電勢（漏抗壓降）

定子漏磁通：僅與定子繞組相匝鏈。漏抗壓降：

電阻壓降：

定子電勢平衡方程式：

轉子繞組的感應電勢轉子繞組切割主磁通的轉速

主磁通以同步速度旋轉轉子以轉速n旋轉轉子繞組導體切割主磁通的相對轉速為(n1-n)=sn1

轉子繞組中感應電勢的頻率：公式：

結論：由于s很小，轉子感應電勢頻率很低。0.5-3Hz2、轉子繞組的電勢及電流

感應電勢與轉差率正比。

對繞線式異步電機，轉子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)，相數(shù)計算方法同定子繞組的計算。

對籠形轉子來說，由于每個導條中電流相位均不一樣，所以，每個導條即為一相，可見相數(shù)等于導條數(shù)即轉子槽數(shù)；每相串聯(lián)匝數(shù)為半匝即1/2。

注意轉子不動時（s=1)時的感應電勢與轉子旋轉時感應電勢的關系。

轉子感應電勢的有效值轉子繞組的阻抗由于轉子繞組是閉合的，所以有轉子電流流過。同樣會產(chǎn)生漏磁電抗壓降。漏抗公式：

漏抗也與轉差率正比。轉速越高，漏抗越小?？紤]到轉子繞組的相電阻后：

轉子繞組中的電流

轉子繞組短路，轉子電壓為0，感應電勢全部加在轉子阻抗上,轉子回路方程：轉子電流：

3、磁勢平衡方程式激磁電流Im

和激磁磁勢Fm

產(chǎn)生主磁通所需要的電流稱為激磁電流Im

；對應的磁勢稱為激磁磁勢：

電勢方程式：

電源電壓不變，阻抗壓降很小，電勢近似不變；由公式：

1

近似不變；結論：激磁磁勢和激磁電流幾乎不變理想空載運行時，激磁磁勢全部由定子磁勢F1提供，即：Fm＝F1負載運行時，轉子繞組中有電流I2流過，產(chǎn)生一個同步旋轉磁勢F2，為了保持Fm不變，定子磁勢F1除了提供激磁磁勢Fm

外，還必須抵消轉子磁勢F2的影響，即：異步電動機的磁勢平衡方程：

結論：理想空載運行時，轉子電流為0，定子電流等于激磁電流；負載時，定子電流隨負載增大而增大。感應電動機的等效電路等效電路法是分析異步電動機的重要手段。在異步電動機中，作等效電路遇到的兩大障礙是：(1)定轉子電路的頻率不相同；(2)定轉子邊的相數(shù)，匝數(shù)，繞組系數(shù)等不相等。一、頻率折算

轉差率為s的異步電動機轉子電路頻率：轉子靜止時s=1；則轉子頻率等于定子頻率。頻率折算既是用靜止的轉子代替旋轉的轉子。

頻率折算后，希望磁勢平衡不變，即轉子電流不變。轉子不動，轉子電阻為

的異步電動機的轉子電流，和轉子以轉差率s旋轉的，轉子電阻為R2的異步電動機轉子電流相等。推論：頻率折算的方法：給轉子繞組電阻中，計入一個附加電阻，即可以把原來旋轉的轉子看成靜止的轉子。等效圖

不論靜止或者旋轉的轉子，其轉子磁勢總以同步轉速旋轉，即轉子磁勢的轉速不變，大小相位又沒有變，故電機的磁勢平衡依然維持。

靜止的轉子不再輸出機械功率，即電機的功率平衡中少了一大塊機械功率。

靜止的轉子中多了一個附加電阻，而電流沒有變，所以多了一個電阻功率。

附加電阻上消耗的電功率等于電機輸出的機械功率。

對頻率折算的討論二、繞組折算用繞組（m1、N1、kw1）等效替代繞組（m2、N2、kw2

）代替的原則是：磁勢平衡不變功率平衡不變

電流折算：根據(jù)磁勢不變：電勢、阻抗折算

電勢折算：磁通應不變。

阻抗折算：功率不變。電抗和漏阻抗可同樣折算。異步電動機方程式經(jīng)過頻率折算和繞組折算后異步電動機的方程式折算后轉子電路方程式：T形等效電路簡化等效電路四、相量圖

異步電動機的相量圖類似于變壓器相量圖,從轉子電路方程出發(fā)可以一步一步作出異步電機相量圖。異步電動機的功率、轉矩和運行性能一、功率平衡方程式功率變換和傳遞是電動機的主要功用,結合等效電路分析異步電動機功率流向。異步電動機從電源獲取電功率，即輸入功率：此一功率首先通過定子繞組，產(chǎn)生定子銅耗：

此功率產(chǎn)生的旋轉磁場掠過定轉子鐵心，產(chǎn)生鐵耗。定子鐵心與旋轉磁場相對轉速為n1較大，轉子鐵心與旋轉磁場相對轉速為sn1較小，故鐵耗主要為定子鐵耗：

剩余功率將通過氣隙磁場感應到轉子繞組，此一功率稱為電磁功率。功率傳遞（1）

電磁功率首先提供轉子銅耗；

剩余的電磁功率全部轉化為機械功率；

機械功率一部分克服機械損耗和附加損耗

其余功率為輸出的機械功率

異步電動機的功率平衡方程式：功率傳遞（2）流程圖幾個重要的關系P1PemP2pcu_spFepcurpP轉矩平衡方程轉矩由機械功率產(chǎn)生轉矩平衡方程為三、電磁轉矩公式：機械特性的物理表達式反映了感應電動機的電磁轉矩與氣隙每極磁通和轉子電流有功分量的乘積成正比的物理本質(zhì)。電磁轉矩的物理表達式轉矩－轉差率關系根據(jù)簡化電路得到的轉子電流轉子側功率因數(shù)異步電動機的機械特性電磁轉矩的參數(shù)表達式：電磁轉矩與轉速之間的關系曲線，是電動機的機械特性。幾個關鍵點：起動點最大轉矩點額定工作點電動，發(fā)電，制動三種運行狀態(tài)電磁轉矩的參數(shù)表達式TS機械特性的特殊點固有機械特性的特殊點：起動點A：該點S＝1；臨界點B：該點S＝Sm；額定點C：該點S＝Sn；同步點D：該點S＝0，又稱理想空載點；S=0S=1T0SnTnSmTm二、異步電動機的穩(wěn)定運行區(qū)穩(wěn)定運行：指機組在受到暫時外界擾動之后，能自行恢復到原來穩(wěn)定狀態(tài)。為了使機組能穩(wěn)定運行，必須要求電動機的機械特性與負載的機械特性有正確的匹配。TS1AB對于恒轉矩負載：是穩(wěn)定的；是不穩(wěn)定的；穩(wěn)定的條件：異步電動機的T-s曲線上有一個最高點；最大轉矩可以根據(jù)高等數(shù)學中求極值的方法求得。代入轉矩公式，得過載能力：最大轉矩與額定轉矩之比：（1.6~2.2)最大轉矩，過載能力最大轉矩與電網(wǎng)電壓的平方成正比；最大轉矩近似與漏電抗成反比；最大轉矩的位置可以由轉子電阻的大小來調(diào)整；最大轉矩的值與轉子電阻值沒有關系；異步電動機調(diào)節(jié)轉子電阻時機械特性的變化。關于最大轉矩的幾個重要結論起動電流指起動瞬間電機從電網(wǎng)吸收的電流；從等效電路求出起動電流：起動轉矩，即起動瞬間電動機的電磁轉矩若令Sm=1起動轉矩等于最大轉矩。對于繞線式轉子可通過外串電阻達到。起動電流、起動轉矩起動轉矩的幾個重要結論異步電動機的起動轉矩與電壓的平方成正比；總漏抗越大，起動轉矩越小；繞線式異步電動機可以在轉子回路串入適當?shù)碾娮杩梢栽龃笃饎愚D矩；

當時，起動轉矩最大。

轉矩的實用計算公式通過銘牌數(shù)據(jù)求取電動機轉矩的方法。異步電動機工作特性分析異步電動機的工作特性是指在額定電壓及額定頻率下，電動機的主要物理量（轉速、定子電流、電磁轉矩、功率因數(shù)及效率等）隨輸出功率變化的關系曲線。利用等值電路來計算工作特性。1。轉差率特性隨著負載功率的增加，電磁功率增加，轉子電流需要增大，故轉差率隨輸出功率增大而增大。轉差率sP2空載時電流很小，隨著負載電流增大，電機的輸入電流增大。二、定子電流特性I1＝f（P2）三、電磁轉矩特性T＝f（P2）

轉速的變換范圍很小，從空載到滿載，轉速略有下降

異步電動機的輸出轉矩

轉矩曲線為一個上翹的曲線。電磁轉矩T電流I1P2電流、電磁轉矩特性四、定子功率因數(shù)

空載時，定子電流基本上用來產(chǎn)生主磁通，有功功率很小，功率因數(shù)也很低；隨著負載電流增大，輸入電流中的有功分量也增大，功率因數(shù)逐漸升高；

在額定功率附近，功率因數(shù)達到最大值。如果負載繼續(xù)增大，則導致轉子漏電抗增大（漏電抗與頻率正比），從而引起功率因數(shù)下降。P2功率因數(shù)cos1定子功率因數(shù)特性五、效率特性其中銅耗隨著負載的變化而變化（與負載電流的平方正比）；鐵耗和機械損耗近似不變；可變損耗等于不變損耗時，電機達到最大效率。異步電動機額定效率在74-94%之間；最大效率發(fā)生在(0.7-1.0)倍額定效率處效率P2轉差率s功率因數(shù)cos