第三篇-異步電機

電機學(xué)ElectricalMachinery異步電機是使用最廣泛的一種交流電機，它主要用作電動機，以驅(qū)動生產(chǎn)機械和生活用具。電動機的轉(zhuǎn)速隨負載大小改變而略有改變，與電源頻率間沒有嚴格不變的關(guān)系。它也可以用作發(fā)電機，但性能遠較同步發(fā)電機差。異步電機的轉(zhuǎn)子電流是依據(jù)電磁感應(yīng)原理由定子磁場感應(yīng)產(chǎn)生的，所以也稱為感應(yīng)電機。有三相和單相兩種。異步電機結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、堅固耐用、又有較高的運行效率和令人滿意的工作特性，從而獲得廣泛應(yīng)用。其主要不足是不能經(jīng)濟地在較寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，以及具有總是滯后的功率因數(shù)。第七章

三相異步電動機工作原理第八章

異步電動機功率、轉(zhuǎn)矩和運行分析第七章

三相異步電動機工作原理第八章

異步電動機功率、轉(zhuǎn)矩和運行分析第一節(jié)

異步電機基本知識第二節(jié)

三相異步電動機磁場及感應(yīng)電動勢第三節(jié)

負載運行時基本方程式等效電路、相量圖一.

異步電動機基本原理異步電機結(jié)構(gòu)上分成定子（固定不動的部分）和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)的部分）兩大部件，兩者之間存在著“氣隙”。異步電機定子上設(shè)置有三相對稱繞組，當(dāng)接通三相電源后，三相電流產(chǎn)生的基波合成磁場是一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)向取決于三相電流的相序。異步電機轉(zhuǎn)子上有三相或多相閉合繞組。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并產(chǎn)生感應(yīng)電流。設(shè)和同相，則轉(zhuǎn)子帶電流導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場中受電磁力f作用。各個導(dǎo)體的電磁力合成電磁轉(zhuǎn)矩M驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，這就是異步電動機工作原理。設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與定子旋轉(zhuǎn)磁場相對切割速度：△n=n1-n，當(dāng)n=n1時，△n=0，e2=0，i2=0，即轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間無相對切割運動。所以n≠n1是異步電動機維持運行的必要條件。定義轉(zhuǎn)差率s：

s又稱滑差，它是表征異步電機運行狀態(tài)的一個基本變量。二.

異步電機的三種運行狀態(tài)(1)電動機運行狀態(tài)（0<n<n1，0<s<1）(2)發(fā)電機運行狀態(tài)（n>n1，-∞<s<0）(3)電磁制動運行狀態(tài)（n<0，1<s<+∞

）三.

異步電動機結(jié)構(gòu)簡介(1)定子1.定子鐵心定子鐵心是電機磁路主要部分，由0.5mm厚的硅鋼沖片疊成整體，壓入機座內(nèi)，沖片內(nèi)圓上沖制有相同形狀的槽，用來安放繞組。2.定子繞組圖7-6三相異步電動機引出線(a)△接法；(b)Y接法定子繞組是電動機電路部分。小型異步電動機定子繞組由高強度漆包圓線繞成；中、大型電機使用矩形截面導(dǎo)線預(yù)先制好的成型線圈。每相繞組按一定規(guī)律連接，三相構(gòu)成對稱繞組。圖7-6三相異步電動機引出線(a)△接法；(b)Y接法異步電動機主絕緣指：①對地絕緣----繞組與鐵心間絕緣；②相間絕緣----各相線圈間絕緣；③匝間絕緣----線圈的各線匝之間的絕緣。3.機座機座主要用來支撐定子鐵心和繞組。中、小型異步電機多采用鑄鐵機座，大型電機則采用鋼板焊接機座。(2)轉(zhuǎn)子1.

轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)軸用來支撐和固定轉(zhuǎn)子鐵心并傳遞電磁轉(zhuǎn)矩給機械負載；轉(zhuǎn)子鐵心也是電機磁路的一部分，由0.5mm厚的硅鋼沖片疊壓成圓柱體，套裝在轉(zhuǎn)軸上。鐵心外圓上沖制有均勻分布的槽，用來嵌放轉(zhuǎn)子繞組。2.

轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組分成籠型和繞線型。⑴

籠型轉(zhuǎn)子圖7-7籠型轉(zhuǎn)子(a)銅條籠型轉(zhuǎn)子；(b)鑄鋁籠型轉(zhuǎn)子有銅條轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子兩種；籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，經(jīng)濟耐用，應(yīng)用廣泛。⑵

繞線型轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，嵌放三相對稱繞組，繞組的三根出線接在轉(zhuǎn)軸上的三個滑環(huán)上，利用電刷與滑環(huán)的滑動接觸引出轉(zhuǎn)子電流。四.

異步電動機銘牌數(shù)據(jù)、額定值1.型號由漢語拼音字母、數(shù)字和符號組成。Y—112M—4異步電動機中心高mm（機軸中心到底腳平面的垂直距離）例：Y系列中、小型異步電動機Y-112M-4，其意義是：機座類別（L-長機座；M-中機座；S-短機座）極數(shù)2.額定值電動機按額定值運行稱為額定運行狀態(tài)。⑴額定功率PN和額定轉(zhuǎn)速nN⑵額定頻率fN⑶額定電壓UN⑷額定電流IN⑸額定效率ηN和額定功率因數(shù)cosφN3.銘牌上其他重要數(shù)據(jù)⑴絕緣等級與額定溫升QN⑵定子繞組接法⑶工作方式⑷防護等級第一節(jié)

異步電機基本知識第二節(jié)

三相異步電動機磁場及感應(yīng)電動勢第三節(jié)

負載運行時基本方程式等效電路、相量圖一.空載運行時磁動勢及磁場異步電動機定子繞組與三相電源相接，轉(zhuǎn)軸上不帶任何機械負載“空轉(zhuǎn)”的運行情況，稱為空載運行。旋轉(zhuǎn)磁勢在電機內(nèi)會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通，根據(jù)磁通的性質(zhì)和流通路徑將其分為主磁通和漏磁通。1.主磁通基波旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的磁通經(jīng)過定、轉(zhuǎn)子鐵心和兩段小氣隙，它屬于工作磁通，可同時匝鏈和切割定子和轉(zhuǎn)子繞組的磁通叫主磁通。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割主磁通并在其中感生電流。導(dǎo)體感生電流在磁場中受到電磁力的作用而形成驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，使電機旋轉(zhuǎn)。1.主磁通2.漏磁通定子繞組的漏磁通，它屬于非工作磁通，異步電動機的漏磁通有：①槽漏磁通：由槽的一壁橫越至槽的另一壁的漏磁通。②端部漏磁通：匝聯(lián)繞組端部的漏磁通。③諧波漏磁通諧波磁勢會產(chǎn)生諧波磁通。電機正常運轉(zhuǎn)時，諧波磁通不會產(chǎn)生有用的轉(zhuǎn)矩。盡管諧波磁通也能同時匝鏈定子和轉(zhuǎn)子繞組，也將其歸入漏磁通。二.主電動勢E1和激磁阻抗Zm因空載運行時，n=n1,所以E2=0,I2=0，所以空載運行時定子磁動勢F10基本上為產(chǎn)生氣隙主磁場的激磁磁動勢Fm，空載時電流就近似等于激磁電流Im，考慮鐵心損耗時，Im超前Bm鐵心損耗角αFe。當(dāng)氣隙中主磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，Φm將在定子繞組中感應(yīng)電勢E1,因在相位上E1滯后Φm90度，所以用向量表示有：當(dāng)定子接入對稱三相電壓u1后，定子中便流過對稱三相電流(空載電流)產(chǎn)生一基波合成旋轉(zhuǎn)磁場。與變壓器分析一樣，把E1作為電壓降來處理，引入Zm。式中：Zm、xm、rm分別為激磁阻抗、激磁電抗、激磁電阻。⑴Zm表示電機主磁路磁化特性和鐵耗特性的綜合參數(shù)。⑵

xm是表征磁路磁化特性發(fā)熱參數(shù)，與主磁通Φm大小相對應(yīng)。⑶

rm是表示電機磁路鐵特性的參數(shù)。三.漏電動勢和定子繞組漏磁電抗除產(chǎn)生Φm

外，定子電流還產(chǎn)生僅與定子繞組鉸鏈的漏磁通。將在定子繞組中感應(yīng)漏電動勢。四.負載運行時轉(zhuǎn)子磁動勢F2當(dāng)負載運行后，，出現(xiàn)。

F2也為旋轉(zhuǎn)磁勢。若定子旋轉(zhuǎn)磁場正向旋轉(zhuǎn)則轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的相序為正序，轉(zhuǎn)子電流也為正序，也產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)的磁動勢F2。

即F2與F1轉(zhuǎn)向相同，如定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，此時定子旋轉(zhuǎn)磁場以的速度切割轉(zhuǎn)子，所以在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動勢的頻率：轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁動勢F2相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：而轉(zhuǎn)子本身有以n的速度旋轉(zhuǎn)，所以轉(zhuǎn)子磁勢相對于定子的轉(zhuǎn)速為：即無論轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速為多少，轉(zhuǎn)子磁勢F2和定子磁勢F1在空間的轉(zhuǎn)速總是等于n1，它們之間沒有相對運動。由于F1與F2相對靜止，就可以把F1和F2合成起來，所以異步電動機負載時在氣隙內(nèi)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢是定、轉(zhuǎn)子合成磁勢：（7-9）五.磁動勢平衡方程定子磁勢包含兩個分量：一個是產(chǎn)生主磁通的磁勢另一個是抵消轉(zhuǎn)子磁勢作用的分量，因Fm基本不變，當(dāng)負載增加即F2增加時，F(xiàn)1也相應(yīng)的增加以補償F2（即負載變化對定子的影響是通過F2起作用的）。磁動勢平衡關(guān)系可用電流形式表達。由磁動勢公式，有：令電流變比：則：（7-10）定子電流包含兩個分量：一個是激磁電流，用來產(chǎn)生電機激磁磁動勢，建立電機主磁場；另一個是定子電流的負載分量，用來產(chǎn)生，以便與轉(zhuǎn)子磁動勢去磁平衡。（7-10）第一節(jié)

異步電機基本知識第二節(jié)

三相異步電動機磁場及感應(yīng)電動勢第三節(jié)

負載運行時基本方程式等效電路、相量圖一.負載運行時物理情況等效電路(Equivalentcircuit)法是分析異步電動機的重要手段。在異步電動機中，作出等效電路需要進行兩個折算：(1)轉(zhuǎn)子電路的頻率折算；(2)與定子方面具有同樣相數(shù)、匝數(shù)、繞組系數(shù)的轉(zhuǎn)子繞組折算。二.定、轉(zhuǎn)子電壓方程（7-11）1.定子電壓方程2.轉(zhuǎn)子電壓方程氣隙磁場在轉(zhuǎn)子繞組上引起的電動勢為：（7-12）漏磁通在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應(yīng)產(chǎn)生的漏磁電動勢為：（7-13）其中：轉(zhuǎn)子每相電壓方程：（7-14）負載運行時電動機定、轉(zhuǎn)子的電量頻率不同，相數(shù)和有效匝數(shù)也不同，定轉(zhuǎn)子電路間僅靠磁通耦合無電的直接聯(lián)系，可以用一個簡單電路來表示。三.折算1.

頻率折算頻率折算指在保持整個電磁系統(tǒng)的電磁性能不變的前提下，把一種頻率的參數(shù)及物理量換算成另一種頻率的參數(shù)及有關(guān)物理量。所謂繞組的折算，就是人為的用一個相數(shù)，匝數(shù)以及繞組系數(shù)和定子一樣的繞組去代替原來的轉(zhuǎn)子繞組，在折算中必須保證折算前后轉(zhuǎn)子的電磁效應(yīng)不變。2.

繞組折算2.

繞組折算⑴電流的折算：折算前后磁動勢不變。⑵電動勢的折算：折算前后轉(zhuǎn)子側(cè)視在功率不變。⑶阻抗折算：折算前后損耗及磁場儲能不變。阻抗折算時應(yīng)乘以kuki，即：阻抗折算后，轉(zhuǎn)子銅耗和磁場儲能不變。將m2相、N2Kw2匝的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子繞組折算成m1相、N1Kw1匝的靜止轉(zhuǎn)子時，應(yīng)將轉(zhuǎn)子電動勢（電壓）乘以ku；轉(zhuǎn)子電阻變?yōu)閞2/s，再乘以kuki；轉(zhuǎn)子電抗乘以kuki；則折算前后保證了物理情況不變。四.異步電動機T型等效電路和相量圖折算后基本方程式：等效電路是分析和計算感應(yīng)電動機性能的有力工具。在給定參數(shù)和電源電壓的情況下，若已知s，則電機的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩、損耗和功率均可用等效電路算出。圖7-17異步電動機相量圖圖7-17異步電動機相量圖五.簡化等效電路圖7-18簡化等效電路第七章

三相異步電動機工作原理第八章

異步電動機功率、轉(zhuǎn)矩和運行分析第一節(jié)

異步電動機功率及轉(zhuǎn)矩方程第二節(jié)

異步電動機轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)差率曲線第三節(jié)

異步電動機工作特性第四節(jié)

異步電動機啟動方法第一節(jié)

異步電動機功率及轉(zhuǎn)矩方程第二節(jié)

異步電動機轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)差率曲線第三節(jié)

異步電動機工作特性第四節(jié)

異步電動機啟動方法一.損耗及功率平衡方程輸入功率P1中扣除pCu1和pFe，得傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)的電磁功率：（8-1）電磁功率數(shù)值上等于轉(zhuǎn)子回路各等值電阻的損耗：其中：（8-2）式中：pCu2為轉(zhuǎn)子繞組的銅損耗；PM為模擬電阻上的損耗，稱為內(nèi)機械功率。由（8-2）可推得：由（8-3）得：（8-3）考慮摩擦阻力、風(fēng)阻等機械損耗和高次諧波等因素引起的附加損耗，電機軸上的輸出功率為：（8-4）總損耗計有以下幾項：（8-4）⑴銅損耗pCu：其大小與電流平方成正比；⑵鐵損耗pFe：主磁通引起，當(dāng)U1不變時，pFe基本不變；⑶機械損耗：軸承摩擦、風(fēng)阻等引起，其大小與電機轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)等因素有關(guān)；⑷附加損耗pad：又稱雜散損耗，通常根據(jù)經(jīng)驗估計。例如：大型電機pad≈0.5%PN；小型電機pad≈（1-3）%PN。功率流程及損耗關(guān)系為：電機運行效率為：令空載損耗，得：二.轉(zhuǎn)矩平衡方程則內(nèi)機械功率以轉(zhuǎn)速n輸出的轉(zhuǎn)矩M為：（8-7）即：由于：（8-8）所以：三.電磁轉(zhuǎn)矩M的物理概念同步角速度可表示為：電磁功率可表示為：又：所以：（8-9a）（8-9b）式（8-9a）表示用轉(zhuǎn)子電流折算值時電磁轉(zhuǎn)矩的表示式；式（8-9b）表示用轉(zhuǎn)子電流實際值時電磁轉(zhuǎn)矩的表示式式（8-9a）和式（8-9b）表明：異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩M大小與氣隙主磁通幅值和轉(zhuǎn)子電流有功分量二者乘積成正比。第一節(jié)

異步電動機功率及轉(zhuǎn)矩方程第二節(jié)

異步電動機轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率曲線第三節(jié)

異步電動機工作特性第四節(jié)

異步電動機啟動方法一.電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系——M-s曲線在電源電壓額定的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系就稱為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率曲線，或曲線。由異步機等效電路：（8-10）（8-10）

M-s曲線時一條二次曲線，電動機運行段為s=1~0一段。⑴

s=1（n=0）時，M=Mst稱為啟動轉(zhuǎn)矩。⑵當(dāng)n=n1（s=0）時，M=0，此刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與氣隙磁場同步，△n=0，所以e2=0，i2=0，稱為理想空載運行狀態(tài)。⑶當(dāng)轉(zhuǎn)差s=sm時，電動機產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩Mm，通常sm=0.1~0.2。⑷電動機額定狀態(tài)運行時，sN=0.02~0.05，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩MN。二.最大轉(zhuǎn)矩與啟動轉(zhuǎn)矩（8-11a）（8-11b）把sm代入（8-10）求得Mm：（8-11a）（8-11b）計及r1時，發(fā)電狀態(tài)時Mm值要略大于電動狀態(tài)時的Mm值。Mm的大小與以下因素有關(guān)：國家標準規(guī)定：一般三相異步電動機Km=1.6~2.2；起重、冶金專用異步電動機，Km=2.2~2.8。（8-13）（8-14）國家標準規(guī)定：一般異步電動機Kst=1.0~2.0；起重、冶金專用異步電動機要求啟動轉(zhuǎn)矩大的場合，Kst=2.8~4.0。三.異步電動機機械特性

轉(zhuǎn)速n改變，電動機輸出轉(zhuǎn)矩M相應(yīng)改變，其函數(shù)關(guān)系n=f(M)稱為異步電動機的機械特性。機械特性處于第一象限時：0<s<1，0<n<n1為電動機運行狀態(tài)，M、n均有正值，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與氣隙磁場同步轉(zhuǎn)速n1同向，M為原動轉(zhuǎn)矩；機械特性處于第二象限時：s<0，n>n1，電磁轉(zhuǎn)矩為負值，即制動性質(zhì)，電磁功率也是負值，所以是發(fā)電狀態(tài)；機械特性處于第四象限時：s>1，n<0

，電磁轉(zhuǎn)矩為正值，但轉(zhuǎn)速n反向，所以M為制動性質(zhì)，是制動運行狀態(tài)；異步電動機U1、f1均為額定值，定轉(zhuǎn)子回路內(nèi)不串入外電阻情況下獲得的機械特性稱為固有機械特性。改變外接電壓，或者定轉(zhuǎn)子回路串入外接電阻得到的機械特性稱為人為機械特性。四.異步電動機運行的穩(wěn)定性問題圖8-9穩(wěn)定運行條件分析恒轉(zhuǎn)矩負載ML與電動機機械特性相交于A、B兩點，該兩點處均滿足轉(zhuǎn)矩平衡條件，然而A點是穩(wěn)定運行點，而B點運行卻不穩(wěn)定。圖8-9穩(wěn)定運行條件分析第一節(jié)

異步電動機功率及轉(zhuǎn)矩方程第二節(jié)

異步電動機轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)差率曲線第三節(jié)

異步電動機工作特性第四節(jié)

異步電動機啟動方法異步電動機運行時，必須從電網(wǎng)中吸收滯后的無功功率，因此它的功率因數(shù)總是小于1的。空載時，功率因數(shù)很低，不超過0.2。當(dāng)負載增大時，定子電流中有功電流部分增大，從而使增大，在額定負載附近有最高值。當(dāng)負載繼續(xù)增大，由于s值增大較多，會使轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角變大，從而又使變小。第一節(jié)

異步電動機功率及轉(zhuǎn)矩方程第二節(jié)

異步電動機轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)差率曲線第三節(jié)

異步電動機工作特性第四節(jié)

異步電動機啟動方法一.籠型異步電動機啟動方法1.直接啟動將電源與電動機直接接通，又稱全壓啟動。（8-20）啟動時，同時電抗也會減小，所以Ist=(5~7)IN。這樣大的啟動沖擊電流引起供電網(wǎng)壓降，從而會影響同一供電網(wǎng)上其他電動機的工作。同時：⑴

啟動初s=1，轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)角大，小，所以啟動時轉(zhuǎn)子有功電流小。⑵啟動沖擊電流引起的定子漏阻抗壓降IstZ1很大，則電動勢較小，對應(yīng)的值比正常運行減小很多。所以最初啟動轉(zhuǎn)矩很小。2.降壓啟動⑴

定子繞組串入電抗器啟動⑵自耦變壓器啟動⑶星形-三角形換接啟動圖8-15Y-△啟動原理接線二.繞線型異步電動