第五章異步電機(jī)

電機(jī)學(xué)第五章異步電機(jī)2005-51第5章異步電機(jī)5.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本類型和基本結(jié)構(gòu)5.2異步電機(jī)的基本工作原理5.3異步電機(jī)的運(yùn)行特性5.4

三相異步電機(jī)的啟動(dòng)與調(diào)速5.5

單相異步電機(jī)

第五章異步電機(jī)三相異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械。結(jié)構(gòu)簡單、制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，成本低，效率高，得以廣泛應(yīng)用。但是，功率因數(shù)低、起動(dòng)和調(diào)速性能差。2005-52第5章異步電機(jī)了解異步電機(jī)異步電機(jī)也稱感應(yīng)電機(jī)，主要作電動(dòng)機(jī)用。廣泛應(yīng)用于：工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)：機(jī)床、水泵、冶金等等家用電器：洗衣機(jī)、風(fēng)扇、冰箱等等異步電機(jī)與直流電機(jī)的使用優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、制造容易、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、效率高不足：不能經(jīng)濟(jì)地很好地調(diào)速、必須從電網(wǎng)吸收無功功率2005-53第5章異步電機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)5.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一、定子部分：1、定子鐵心：由導(dǎo)磁性能很好的硅鋼片疊成——導(dǎo)磁部分。2、定子繞組：放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)——導(dǎo)電部分。3、機(jī)座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。二、轉(zhuǎn)子部分：1、轉(zhuǎn)子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。2、轉(zhuǎn)子繞組：1）籠型轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心的每個(gè)槽內(nèi)插入一根裸導(dǎo)條，形成一個(gè)多相對(duì)稱短路繞組。2）繞線轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組為三相對(duì)稱繞組，嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)。三、氣隙：異步電動(dòng)機(jī)的氣隙是均勻的。大小為機(jī)械條件所能允許達(dá)到的最小值。2005-54第5章異步電機(jī)2005-55第5章異步電機(jī)2005-56第5章異步電機(jī)1.定子鐵心：由內(nèi)周有槽的硅鋼片疊成。U1----U2V1----V2W1----W2三相繞組機(jī)座：鑄鋼或鑄鐵端蓋：固定、支撐、防護(hù)2005-57第5章異步電機(jī)1.1定子鐵心作用：電機(jī)磁路的一部分和嵌放定子繞組2005-58第5章異步電機(jī)1.2定子沖片2005-59第5章異步電機(jī)1.3定子的槽散嵌繞組效率和功率因數(shù)較高繞組嵌線工藝復(fù)雜小容量及中型低壓電機(jī)可嵌放成型線圈大型低壓電動(dòng)機(jī)絕緣放置可靠、繞組下線方便高壓電動(dòng)機(jī)2005-510第5章異步電機(jī)1.4定子繞組

電機(jī)的電路，感應(yīng)電動(dòng)勢、流過電流2005-511第5章異步電機(jī)1.5機(jī)座2005-512第5章異步電機(jī)轉(zhuǎn)子:在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢或電流。2.轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子鐵心：由外周有槽的硅鋼片疊成。

(1)

鼠籠式轉(zhuǎn)子

鐵心槽內(nèi)放銅條，端部用短路環(huán)形成一體?；蜩T鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。(2)

繞線式轉(zhuǎn)子

同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。鼠籠式繞線式

另一端分別接滑環(huán)，可外接電阻2005-513第5章異步電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子照片

在轉(zhuǎn)子鐵芯每個(gè)槽中放置導(dǎo)體，在鐵芯兩端放置兩個(gè)端環(huán)，把所有導(dǎo)體伸出槽外的部分與端環(huán)連接起來2005-514第5章異步電機(jī)繞線式繞組

與定子繞組相似的對(duì)稱三相繞組，一般接成星型。將三個(gè)出線端分別接到轉(zhuǎn)軸上三個(gè)滑環(huán)上，再通過電刷引出電流?？梢栽谵D(zhuǎn)子回路接入附加電阻2005-515第5章異步電機(jī)鼠籠式電動(dòng)機(jī)與繞線式電動(dòng)機(jī)的的比較：鼠籠式：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、工作可靠；不能人為改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。繞線式：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較貴、維護(hù)工作量大；轉(zhuǎn)子外加電阻可人為改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。2005-516第5章異步電機(jī)2.2轉(zhuǎn)子的槽

槽形的選擇主要決定于對(duì)運(yùn)行性能和起動(dòng)性能的要求。2005-517第5章異步電機(jī)2.3軸2005-518第5章異步電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子的裝配圖2005-519第5章異步電機(jī)異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

三相籠式異步電動(dòng)機(jī)的部件圖2005-520第5章異步電機(jī)3.氣隙特點(diǎn)——?dú)庀逗苄?，在中、小型電機(jī)中，氣隙一般為0.2-1.5毫米。氣隙大小對(duì)電機(jī)性能有很大的影響氣隙大：磁阻大，勵(lì)磁電流（空載電流）大，功率因數(shù)低；氣隙磁場諧波含量（漏磁引起附加損耗）減少，改善啟動(dòng)性能。氣隙?。喊醇庸た赡芗皺C(jī)械安全所限制。2005-521第5章異步電機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)5.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理一1、基本工作原理1、電生磁：三相對(duì)稱繞組通往三相對(duì)稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。2、磁生電：旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢和電流。3、電磁力：轉(zhuǎn)子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。U2U1W2V1W1V2n2005-522第5章異步電機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)5.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理二、轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率是異步電機(jī)的一個(gè)基本物理量,它反映電機(jī)的各種運(yùn)行情況.轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)理想空載時(shí)，作為電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速在范圍內(nèi)變化，轉(zhuǎn)差率在0~1范圍內(nèi)變。負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差率越大；反之，轉(zhuǎn)差率越小。轉(zhuǎn)差率的大小能夠反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小或負(fù)載大小。電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率一般在0.01~0.06之間，即電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步速。2005-523第5章異步電機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)5.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理三、異步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)差率的大小和正負(fù),異步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茈娔芎蜋C(jī)械能變成內(nèi)能電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能能量關(guān)系制動(dòng)制動(dòng)驅(qū)動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)速外力使電機(jī)快速旋轉(zhuǎn)外力使電機(jī)沿磁場反方向旋轉(zhuǎn)定子繞組接對(duì)稱電源實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電磁制動(dòng)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)2005-524第5章異步電機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)5.3型號(hào)和額定值一、型號(hào)例:2005-525第5章異步電機(jī)異步電機(jī)的銘牌

2005-526第5章異步電機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)5.1.3型號(hào)和額定值額定值關(guān)系有：額定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)加在定子繞組上的線電壓.額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率。在額定運(yùn)行狀態(tài)下流入定子繞組的線電流.額定運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.二、額定值2005-527第5章異步電機(jī)5.2三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理5.2.1轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)異步電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理將能量從定子方傳遞到轉(zhuǎn)子方，定、轉(zhuǎn)子之間無電的聯(lián)系，從工作原理上講，它和變壓器相似。先從轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的異步電機(jī)開始分析，然后研究轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的情況。轉(zhuǎn)子靜止分兩種情況：一轉(zhuǎn)子繞組開路二轉(zhuǎn)子繞組短路2005-528第5章異步電機(jī)一轉(zhuǎn)子繞組開路當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組開路—轉(zhuǎn)子繞組電流為0定子電流將在氣隙中建立相應(yīng)的基波磁動(dòng)勢該磁動(dòng)勢產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)地基波磁場，主磁通在定子一相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢為仿照變壓器空載運(yùn)行列電壓平衡方程2005-529第5章異步電機(jī)二轉(zhuǎn)子繞組短路將異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸卡住，轉(zhuǎn)子繞組短路，在定子方施加三相對(duì)稱電壓，相當(dāng)于變壓器做短路實(shí)驗(yàn)。5.2.1

轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)2005-530第5章異步電機(jī)

定子三相對(duì)稱繞組中，流過頻率為f1的三相對(duì)稱電流I1，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)基波磁動(dòng)勢F1，相對(duì)于定子繞組的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1，n1＝60f1/p，轉(zhuǎn)向?yàn)閺某半娏飨嗬@組軸線轉(zhuǎn)向滯后電流相繞組軸線。定子旋轉(zhuǎn)磁場→切割轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生頻率為f2（f2＝pn1/60=f1）的三相對(duì)稱感應(yīng)電動(dòng)勢→在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生三相對(duì)稱電流I2→產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)基波磁動(dòng)勢F2，相對(duì)于轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速為n2，n2＝60f2/p＝n1，轉(zhuǎn)向?yàn)閺某半娏飨嗬@組軸線轉(zhuǎn)向滯后電流相繞組軸線，即與定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢F1同轉(zhuǎn)向。F2與F1同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向，故空間保持相對(duì)靜止：n2＝n1

1轉(zhuǎn)子繞組短路分析2005-531第5章異步電機(jī)實(shí)際電機(jī)氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場是由F2與F1共同建立的。F2與F1可以空間矢量合成為一等效勵(lì)磁的磁動(dòng)勢Fm。即→Bm

→Фm2轉(zhuǎn)子繞組短路電磁關(guān)系2005-532第5章異步電機(jī)三、電壓、磁動(dòng)勢平衡方程式電壓平衡方程式與電動(dòng)勢變比2005-533第5章異步電機(jī)

R1、R2和X1σ、X2σ分別為定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏電抗。

Zm=Rm+jXm為勵(lì)磁阻抗，Rm為勵(lì)磁電阻，它是一個(gè)代表鐵耗的等效電阻；Xm為勵(lì)磁電抗，它反映了主磁通在電路中的作用。主磁通在定、轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢定、轉(zhuǎn)子繞組電動(dòng)勢之比稱為電動(dòng)勢變比ke三、電壓、磁動(dòng)勢平衡方程式2005-534第5章異步電機(jī)由于定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢F1與F2空間保持相對(duì)靜止，故可以合成為一等效的勵(lì)磁磁動(dòng)勢：

四.磁動(dòng)勢平衡方程式與電流變比2005-535第5章異步電機(jī)

I1L稱為定子電流的負(fù)載分量。在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)定子電流I1分成I0和I1L兩個(gè)分量：I0是勵(lì)磁電流用于建立電機(jī)鐵心中的主磁通Φm，I1L是負(fù)載分量用于建立磁動(dòng)勢F1L去抵消二次側(cè)磁勢F2。四.磁動(dòng)勢平衡方程式與電流變比2005-536第5章異步電機(jī)小結(jié):基本方程式組定子側(cè)：轉(zhuǎn)子側(cè)：定轉(zhuǎn)子關(guān)聯(lián)方程：定子主電動(dòng)勢方程：5個(gè)方程式，5個(gè)未知量：模型完備，可以定解2005-537第5章異步電機(jī)五、繞組折算和等效電路與變壓器相似，可以通過繞組折算得到轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)異步電機(jī)的等效電路。假設(shè)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子相數(shù)m2,每相串聯(lián)匝數(shù)N2,基波繞組系數(shù)kN2異步電機(jī)定子m1N1kN1為了得到等效電路，先必須將異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組折算成一個(gè)相數(shù)為m1,匝數(shù)為N1,繞組系數(shù)為kN1的等效轉(zhuǎn)子繞組來替代原來的轉(zhuǎn)子繞組，保持極對(duì)數(shù)不變。折算原則：轉(zhuǎn)子上各種功率不變，包括有功功率和無功功率，主磁通不變，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢F2不變2005-538第5章異步電機(jī)1.折算到定子方的方程式組為

五、繞組折算和等效電路2005-539第5章異步電機(jī)2.等效電路經(jīng)折算后，同變壓器類似，可得異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的T型等效電路。2005-540第5章異步電機(jī)5.2.2

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)一、轉(zhuǎn)子繞組的電動(dòng)勢和電流轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中的電動(dòng)勢、電流的頻率取決于氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n,氣隙中旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度n2=n1-n（1）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)頻率（2）轉(zhuǎn)子相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢E2對(duì)應(yīng)的為轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢（3）轉(zhuǎn)子相繞組漏阻抗2005-541第5章異步電機(jī)（4）轉(zhuǎn)子相電流二、磁動(dòng)勢平衡方程n2+n=n1F1+F2=F0F1與F2可空間矢量合成，等效為一等效合成的激磁磁動(dòng)勢F0可以證明，從定子坐標(biāo)系看，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢與定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢頻率相同，轉(zhuǎn)速相同，在氣隙中相對(duì)靜止。例題5-1一、轉(zhuǎn)子繞組的電動(dòng)勢和電流2005-542第5章異步電機(jī)三、頻率折算

1、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)頻率的折算只要保持F2不變，可以用一個(gè)靜止的轉(zhuǎn)子來代替旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子

f2s

＝sf1的量f1的量

(用一個(gè)靜止的轉(zhuǎn)子代替）

前提：保證轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢F2不變等效電阻頻率為f2,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的方程頻率為f1，轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的方程等效為靜止轉(zhuǎn)子，必須在轉(zhuǎn)子回路串入(1-s)R2/s的電阻，才能使得回路電阻變?yōu)镽2/s，才能保證I2=I2s2005-543第5章異步電機(jī)

2、繞組折算目的：為了簡化計(jì)算，便于導(dǎo)出一體化的等效電路。方法：用一個(gè)相數(shù)為m1、匝數(shù)為N1、繞組系數(shù)為kN1(與定子相同的)的等效轉(zhuǎn)子繞組來替代實(shí)際的轉(zhuǎn)子繞組。條件：①折算前后磁動(dòng)勢F2不變；②折算前后轉(zhuǎn)子的各種功率不變。根據(jù)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)分析有：

2005-544第5章異步電機(jī)四、基本方程及等效電路2005-545第5章異步電機(jī)五、向量圖2005-546第5章異步電機(jī)5.6異步電機(jī)等效電路的簡化和變壓器一樣，將T型等效電路中間的勵(lì)磁支路移至電源端，使之成為簡化電路。但是在變壓器勵(lì)磁阻抗較大，I0較小，誤差不大。在異步電機(jī)中，Zm較小，I0較大，為了使其等效，必須引入校正系數(shù)2005-547第5章異步電機(jī)5.2.4異步電機(jī)的參數(shù)測定如變壓器一樣，對(duì)于已制成的異步電機(jī)可以通過空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)來測定其參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)康模簻y定勵(lì)磁電阻Rm、勵(lì)磁電抗Xm、鐵耗pFe、機(jī)械損耗pmec。試驗(yàn)方法：試驗(yàn)時(shí)電機(jī)軸上不帶負(fù)載，用三相調(diào)壓器對(duì)電機(jī)供電，使定子端電壓從(1.1～1.3)UN開始，逐漸降低電壓，空載電流逐漸減少，直到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生明顯下降，空載電流明顯回升為止。在這個(gè)過程中，記錄電動(dòng)機(jī)的端電壓U1、空載電流I0、空載損耗p0、轉(zhuǎn)速n。繪制空載特性曲線如圖所示。一、空載試驗(yàn)

2005-548第5章異步電機(jī)

由于異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子電流小，轉(zhuǎn)子銅耗可以忽略不計(jì)。在這種情況下，定子輸入功率消耗在定子銅耗m1I02R1、鐵耗pFe、機(jī)械損耗pmec，空載附加損耗pad0上p0=m1I02R1+pFe+pmec+pad0

從輸入功率p0中扣除定子銅耗，得p'0=p0-m1I02R=pFe+pmec+pad02005-549第5章異步電機(jī)1、機(jī)械損耗的求法

損耗分離：在p'0的三項(xiàng)損耗中，機(jī)械損耗pmec與電壓U1無關(guān)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大時(shí)，可以認(rèn)為是常數(shù)。pFe+pad0可以近似認(rèn)為與磁密的平方成正比，因而可近似認(rèn)為與電壓的平方成正比。故p'0與U12的關(guān)系曲線近似為一直線。其延長線與縱軸交點(diǎn)即為機(jī)械損耗pmec?？蛰d附加損耗相對(duì)較小，可以用其它試驗(yàn)將之與鐵耗分離，也可根據(jù)統(tǒng)計(jì)值估計(jì)pad0，從而得到鐵耗pFe。2005-550第5章異步電機(jī)2、空載等效阻抗計(jì)算

Z0=U1／I0R0=p0／3I02X0=(Z02-R02)1/2由于電動(dòng)機(jī)空載s≈0，轉(zhuǎn)子支路近似開路，則X0=Xm＋X1σ即Xm=X0－X1σ

式中，定子漏電抗X1σ將由短路試驗(yàn)測出。在已知額定電壓下鐵耗pFe的情況下，勵(lì)磁電阻Rm=pFe／3I02

2005-551第5章異步電機(jī)二、短路試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模簻y定短路阻抗、轉(zhuǎn)子電阻、定、轉(zhuǎn)子漏抗。試驗(yàn)方法：將轉(zhuǎn)子堵住，在定子端施加電壓，從0.4UN開始逐漸降低，記錄定子繞組端電壓Uk、定子電流Ik、定子端輸入功率Pk，作出異步電機(jī)的短路特性Ik=f(Uk)，Pk=f(Uk)，如圖所示。根據(jù)短路特性曲線，取額定電流點(diǎn)的Uk(相電壓)、Ik(相電流)、Pk(三相短路損耗)。2005-552第5章異步電機(jī)短路等效阻抗計(jì)算

Zk=Uk／Ik

Rk=Pk／3Ik2

Xk=(Zk2-Rk2)1/2

根據(jù)短路時(shí)的等效電路，由于Xm>>Rm，忽略Rm，并近似認(rèn)為X1σ=X'

2σ?？紤]到X0=Xm+X1σ(空載試驗(yàn))，可推導(dǎo)出對(duì)于大中型異步電機(jī)，由于Xm很大，勵(lì)磁支路可以近似認(rèn)為開路，這時(shí)

Rk=R1+R'2X'1σ=X2σ=Xk／22005-553第5章異步電機(jī)5.2.5籠型轉(zhuǎn)子的參數(shù)計(jì)算設(shè)轉(zhuǎn)子總導(dǎo)條數(shù)為Z2(即轉(zhuǎn)子槽數(shù))，它在轉(zhuǎn)子圓周上均勻分布，導(dǎo)條兩端被端環(huán)短路，整個(gè)結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。當(dāng)一極對(duì)數(shù)為p的旋轉(zhuǎn)磁場Bm在氣隙中旋轉(zhuǎn)時(shí)，它依次切割轉(zhuǎn)子各導(dǎo)條，于是構(gòu)成了一個(gè)對(duì)稱的Z2相電動(dòng)勢系統(tǒng)，該電動(dòng)勢作用在結(jié)構(gòu)對(duì)稱的籠型繞組上，產(chǎn)生對(duì)稱的Z2相電流。籠型轉(zhuǎn)子相數(shù)等于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)，即m2=Z2。每相只有一根導(dǎo)條，故匝數(shù)等于1/2匝，繞組系數(shù)為1，即N2=1/2，kN2=1

。一籠型轉(zhuǎn)子的相數(shù)2005-554第5章異步電機(jī)Bm相對(duì)于定子轉(zhuǎn)速為n1，以n2=(n1-n)轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。e2s與Bm成正比，故e2s與Bm波過零點(diǎn)相同，幅值相差固定倍數(shù)。每根導(dǎo)條功率因數(shù)角為φ2，導(dǎo)條中電流i2s波滯后于e2s波φ2相位差。二籠型轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)2005-555第5章異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢F2亦為正弦波，以轉(zhuǎn)速n1相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子電流極對(duì)數(shù)等于定子繞組的極對(duì)數(shù)。若氣隙磁場極對(duì)數(shù)為p,導(dǎo)條中感應(yīng)電流的極對(duì)數(shù)也是p對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢F2也是p對(duì)數(shù)二籠型轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)籠型轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)始終等于定子的極對(duì)數(shù)p。2005-556第5章異步電機(jī)三籠型轉(zhuǎn)子參數(shù)計(jì)算參見圖P2365.23將端環(huán)的正多邊形阻抗變換成正三角形?？梢杂?jì)算出RR’,X’R根據(jù)b圖：R2=RB+2RR’X2=XB+2X’RR2’=kekiR2X’2=kekiX22005-557第5章異步電機(jī)5.3

三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

一、功率與損耗

5.3.1異步電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩平衡方程式P1=Pem+pcu1

+

pFe

Pem=pcu2+Pmec

Pmec=P2+pmec+pad

2005-558第5章異步電機(jī)二、功率平衡方程P1=Pem+pcu1

+

pFe

Pem=pcu2+Pmec

Pmec=P2+pmec+pad

在正常運(yùn)行時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子電流頻率很低，f2=0.5-2Hz,轉(zhuǎn)子鐵損可以忽略。電磁功率、轉(zhuǎn)子繞組回路銅耗、總機(jī)械功率三者之間的關(guān)系為

Pem：pcu2：Pmec=1：s：(1-s)2005-559第5章異步電機(jī)三、轉(zhuǎn)矩平衡方程異步電機(jī)轉(zhuǎn)軸上各種功率除以轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度就可以對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩

Pmec=P2+pmec+pad例題5.5Pmec是借助于旋轉(zhuǎn)磁場傳遞到轉(zhuǎn)子上的總機(jī)械功率，與之對(duì)應(yīng)的總機(jī)械轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩Tem,T2為輸出轉(zhuǎn)矩，T0為空載轉(zhuǎn)矩

2005-560第5章異步電機(jī)5.3.2異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

一、物理表達(dá)式2005-561第5章異步電機(jī)二參數(shù)表達(dá)式2005-562第5章異步電機(jī)異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式描述了電磁轉(zhuǎn)矩與參數(shù)的關(guān)系

Tem與U12成正比。f1↑→Tem↓。漏電抗Xk↑→Tem↓。當(dāng)電壓和頻率為常數(shù)時(shí)，電機(jī)的參數(shù)可以認(rèn)為是常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩僅與s有關(guān)二參數(shù)表達(dá)式2005-563第5章異步電機(jī)(1)S=0,n=n1,旋轉(zhuǎn)磁場相對(duì)于轉(zhuǎn)子靜止，Tem=0(2)當(dāng)s從0增大時(shí)，在開始部分R2’/s遠(yuǎn)大于其余各項(xiàng)值，隨著s的增大，電磁轉(zhuǎn)矩增大。當(dāng)s較大時(shí)，R2’/s相對(duì)較小，s繼續(xù)增大而Tem增大變慢，達(dá)到最大值之后隨著s的增大，Tem反而減小二參數(shù)表達(dá)式2005-564第5章異步電機(jī)1、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)特點(diǎn)（1）在給定頻率下，與電壓的平方成正比（2）最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，但Sm與其有關(guān)，故當(dāng)轉(zhuǎn)子回路串電阻時(shí)，Tmax不變，但是Sm增大，曲線左移（3）頻率一定時(shí)，漏感之和越大，Tmax越小過載能力：2005-565第5章異步電機(jī)2.啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩若要使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)2005-566第5章異步電機(jī)三、實(shí)用表達(dá)式：在設(shè)計(jì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者希望不用電機(jī)參數(shù)而只用產(chǎn)品銘牌中提供的數(shù)據(jù)來獲得Tem與s的關(guān)系2005-567第5章異步電機(jī)5.3.3異步電動(dòng)機(jī)的工作特性異步電動(dòng)機(jī)的工作特性是指在額定電壓及額定頻率下，電動(dòng)機(jī)的主要物理量（轉(zhuǎn)速n、定子電流I1、輸出轉(zhuǎn)矩T2、功率因數(shù)及效率等）隨輸出功率P2變化的關(guān)系曲線。

對(duì)于已制成的異步電動(dòng)機(jī)，其工作特性可以通過試驗(yàn)獲得。

一、轉(zhuǎn)差率特性s=f(P2)

空載時(shí)，P2＝0，轉(zhuǎn)差率sP22005-568第5章異步電機(jī)二效率特性

空載時(shí)，P2＝0，=0。從空載到額定負(fù)載運(yùn)行，由于主磁通變化很小，故鐵耗pFe認(rèn)為不變；在此區(qū)間，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變，機(jī)械損耗pmec認(rèn)為不變。如電源電壓和頻率保持不變，則機(jī)械損耗與鐵耗基本保持不變——合稱為不變損耗。銅耗正比于負(fù)載電流的平方，附加損耗也隨著負(fù)載的增大而增大，這三項(xiàng)合稱為可變損耗。當(dāng)P2從0開始增加，效率上升很快，當(dāng)可變損耗等于不變損耗時(shí)，電機(jī)達(dá)到最大效率。負(fù)載再增加，銅耗急劇增大，效率反而降低。對(duì)于普通中小型異步電動(dòng)機(jī)，效率約在（0.25-0.75）PN時(shí)達(dá)到最大2005-569第5章異步電機(jī)

三、功率因數(shù)特性

空載時(shí)，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(fù)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(dá)到最大值。如果負(fù)載繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)差變大，則導(dǎo)致轉(zhuǎn)子漏電抗增大（漏電抗與頻率正比），使得轉(zhuǎn)子回路阻抗角變大，從而引起功率因數(shù)下降。P2功率因數(shù)cos12005-570第5章異步電機(jī)四轉(zhuǎn)矩特性T2=f(P2)轉(zhuǎn)速的變換范圍很小，從空載到滿載，轉(zhuǎn)速略有下降，近似為一條過零點(diǎn)的斜線五定子電流特性

隨著負(fù)載增加，I2’相應(yīng)增大，定子電流I1也相應(yīng)增大2005-571第5章異步電機(jī)5.3.3異步電動(dòng)機(jī)的工作特性

四、轉(zhuǎn)矩特性

五、定子電流特性

二、效率特性

三、功率因數(shù)特性

一、轉(zhuǎn)差率特性

2005-572第5章異步電機(jī)5.4

三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與調(diào)速

一、起動(dòng)特性

起動(dòng)電流大，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大

2005-573第5章異步電機(jī)起動(dòng)電流大：一使電源電壓在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)下降，容量較小時(shí)電壓下降更大，二大的啟動(dòng)電流會(huì)在線路和電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生損耗而引起發(fā)熱。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，加速越快，啟動(dòng)越快異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，存在兩種矛盾：電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流大，供電網(wǎng)絡(luò)承受沖擊電流能量有效電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，負(fù)載要求有足夠的轉(zhuǎn)矩才起動(dòng)5.4

三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與調(diào)速2005-574第5章異步電機(jī)

二、起動(dòng)方法

1、小容量電動(dòng)機(jī)輕載起動(dòng)－直接起動(dòng)適用于小容量電動(dòng)機(jī)帶輕載的情況，能否直接起動(dòng)的判定依據(jù)為：對(duì)于經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)時(shí)引起的母線電壓降不大于10%，對(duì)于偶爾起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，此壓降不大于15%。2、降壓起動(dòng)適用于容量大于或等于20KW并帶輕載當(dāng)電源容量不能承受直接起動(dòng)的電流時(shí)，就需采用降壓起動(dòng)來減小起動(dòng)電流，但相應(yīng)地起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也將減小。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流與端電壓成正比，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與端電壓的平方成正比，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比啟動(dòng)電流降得更快。降壓之后在啟動(dòng)電流滿足要求下還要校驗(yàn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是否滿足要求常用方法：定子串電抗或電阻降壓啟動(dòng)，星-三角起動(dòng)器起動(dòng)，用自耦變壓器啟動(dòng)一般7.5KW以下電機(jī)允許直接起動(dòng)。2005-575第5章異步電機(jī)

定子串電抗器起動(dòng)在定子繞組中串聯(lián)電抗或電阻都能降低起動(dòng)電流，但串電阻起動(dòng)能耗較大，只用于小容量電機(jī)中。一般都采用定子串電抗降壓起動(dòng)。

在采用電抗降壓起動(dòng)時(shí)，若電機(jī)端電壓降為電網(wǎng)電壓的1/a，則起動(dòng)電流降為直接起動(dòng)的1/a，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降為直接起動(dòng)的1/a2，比起動(dòng)電流降得更厲害。因此在選擇a值使起動(dòng)電流滿足要求時(shí)，還必須校核起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是否滿足要求。2005-576第5章異步電機(jī)

星-三角起動(dòng)器起動(dòng)只有正常運(yùn)行時(shí)定子繞組三角形接法，且三相繞組首尾六個(gè)端子全部引出來的電動(dòng)機(jī)才能采用Y-△起動(dòng)器起動(dòng)。采用Y-△起動(dòng)器起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流降為直接起動(dòng)的1/3，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩亦降為直接起動(dòng)時(shí)的1/3。2005-577第5章異步電機(jī)采用Y-三角形啟動(dòng)器啟動(dòng)，啟動(dòng)電流降為直接啟動(dòng)的1、/3,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩亦降為直接啟動(dòng)的1/3。

啟動(dòng)器價(jià)格便宜，操作簡單，小型異步電動(dòng)機(jī)常采用這種啟動(dòng)方法。

星-三角起動(dòng)器起動(dòng)2005-578第5章異步電機(jī)

自耦變壓器起動(dòng)

若a為自耦變壓器的變比采用自耦變壓器起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)電流為全壓直接起動(dòng)的1/a2。2005-579第5章異步電機(jī)

自耦變壓器起動(dòng)

2005-580第5章異步電機(jī)三、采用高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩異步電動(dòng)機(jī)小容量電動(dòng)機(jī)重載起動(dòng)主要矛盾是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足。解決的方法：容量大一號(hào)的電動(dòng)機(jī)； 高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)采用深槽籠型或雙籠異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)由于集膚效應(yīng)轉(zhuǎn)子電阻自動(dòng)增大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，在正常運(yùn)行時(shí)減少到正常值2005-581第5章異步電機(jī)采用深籠或雙籠異步電動(dòng)機(jī)

越接近槽口的導(dǎo)體所交鏈的漏磁通越少，即漏抗小，電流大；接近槽底底單元，漏抗大，使導(dǎo)體電流密度分布不均，產(chǎn)生把電流向槽口排擠的“趨膚效應(yīng)”；電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)子電流頻率越高，趨表效應(yīng)越突出由于集膚效應(yīng)，流過電流的導(dǎo)體高度和有效截面減少，導(dǎo)體的導(dǎo)電高度縮小，轉(zhuǎn)子電阻增加；2005-582第5章異步電機(jī)深槽式：高度是寬度的10～12倍，堵轉(zhuǎn)時(shí)，電阻達(dá)額定運(yùn)行的3倍，隨著轉(zhuǎn)速升高，頻率降低，集膚效應(yīng)基本消失，電流分布趨向均勻，轉(zhuǎn)子電阻自動(dòng)減小。電流主要流過上籠。上籠電阻大，能產(chǎn)生較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩2.雙籠型電機(jī)兩套繞組，材料不同，截面也不同上籠：起動(dòng)籠，截面小，材料選用電阻系數(shù)大；下籠：工作籠，截面大，電阻系數(shù)小啟動(dòng)時(shí)，頻率大，漏抗比電阻大得多，電流的分配主要取決于漏抗。根據(jù)集膚效應(yīng)采用深籠或雙籠異步電動(dòng)機(jī)2005-583第5章異步電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，頻率低，轉(zhuǎn)子漏抗小于電阻，電流分布取決于電阻。下籠電阻小，電流主要從下籠流過，產(chǎn)生正常運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩，稱下籠為工作籠。采用深籠或雙籠異步電動(dòng)機(jī)2005-584第5章異步電機(jī)繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)對(duì)于大中型電動(dòng)機(jī)帶重載起動(dòng)的工況，可采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大；又因帶重載，負(fù)載要求電機(jī)提供較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，繞線型異步電動(dòng)機(jī)就顯示出明顯的優(yōu)勢。只要轉(zhuǎn)子回路串的電阻合適，就既可減少起動(dòng)電流又可增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因而電機(jī)容量大、重載這兩個(gè)要求可同時(shí)滿足。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻起動(dòng)的原理可通過Tem-s曲線說明。2005-585第5章異步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)2005-586第5章異步電機(jī)多級(jí)啟動(dòng)時(shí)機(jī)械特性2005-587第5章異步電機(jī)5.4

.3異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但在調(diào)速性能上尚比不上直流電動(dòng)機(jī)。但人們已研制出各種各樣的異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式

n=(1-s)n1=(1-s)60f1／p

異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有三種：(1)變極調(diào)速。(2)變頻調(diào)速。(3)改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。

2005-588第5章異步電機(jī)一、變極調(diào)速

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)定子而言，為了得到兩種不同極對(duì)數(shù)的磁動(dòng)勢，可以采用兩套繞組或一套繞組來實(shí)現(xiàn)。為了提高材料利用率，一般采用一套繞組的單繞組變極，即通過改變一套繞組的聯(lián)接方式而得到不同極對(duì)數(shù)的磁動(dòng)勢，以實(shí)現(xiàn)變極調(diào)速。至于轉(zhuǎn)子，一般采用籠型繞組，它的極對(duì)數(shù)能自動(dòng)與定子磁場極對(duì)數(shù)相一致。變極調(diào)速方法簡單、運(yùn)行可靠、機(jī)械特性較硬，但只能實(shí)現(xiàn)有極調(diào)速。單繞組三速電機(jī)繞組接法已相當(dāng)復(fù)雜，故變極調(diào)速不宜超過三種速度。2005-589第5章異步電機(jī)2005-590第5章異步電機(jī)二、變頻調(diào)速

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=(1-s)(60f1/p)，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，n近似正比于頻率f1，可見改變電源頻率就能改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在變頻調(diào)速時(shí)，希望主磁通Φm保持不變。若主磁通大于正常運(yùn)行時(shí)的主磁通，則磁路過飽和而使勵(lì)磁電流增大，功率因數(shù)降低；若主磁通小于正常運(yùn)行時(shí)的主磁通，則電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降。在忽略定子漏阻抗的情況下，有U1≈E1=4.44f1N1kN1Φm

為了使變頻時(shí)Φm維持不變，則U1／f1應(yīng)為定值。

2005-591第5章異步電機(jī)2005-592第5章異步電機(jī)1.

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

當(dāng)電機(jī)變頻前后額定電磁轉(zhuǎn)矩相等，即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，有：電壓隨頻率成正比變化（U1／f1應(yīng)為定值），則主磁通Φm不變，電機(jī)飽和程度不變，電機(jī)過載能力也不變。電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速前后性能都能保持不變。2005-593第5章異步電機(jī)2.

恒功率調(diào)速

在電機(jī)帶有恒功率負(fù)載時(shí)，在變頻前后，它的電磁功率相等。若要維持主磁通不變，即令電壓隨頻率作正比變化，則電機(jī)過載能力隨頻率成正比變化2005-594第5章異步電機(jī)

(2)若保持過載能力不變，則主磁通要發(fā)生變化。

變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍大，平滑性好，變頻時(shí)電壓按不同規(guī)律變化可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速或恒功率調(diào)速，以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。這是異步電機(jī)最有前途的一種調(diào)速方式，其缺點(diǎn)是目前控制裝置價(jià)格仍比較貴。2.

恒功率調(diào)速

2005-595第5章異步電機(jī)三、轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

繞線式轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速屬于改變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速方式。2005-596第5章異步電機(jī)三、轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，R2／s保持不變，調(diào)速前后，定子各物理量保持不變，轉(zhuǎn)子電流不變，電磁功率不變，最大電磁轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)子回路銅耗增加，輸出功率下降，效率下降。2005-597第5章異步電機(jī)四、改變定子端電壓調(diào)速

屬于改變轉(zhuǎn)差調(diào)速。當(dāng)改變定子電壓，由于n1不變，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與電壓的平方成正比，最大Tmax

與電壓的平方成正比,臨界轉(zhuǎn)差率sm不變，機(jī)械特性如圖。對(duì)于普通籠型電機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，工作點(diǎn)如ABC三點(diǎn)變化小風(fēng)機(jī)型負(fù)載，調(diào)速范圍大2005-598第5章異步電機(jī)5.4.2異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于正向電動(dòng)狀態(tài)(即第Ⅰ象限)時(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)速n均為正方向，并對(duì)外輸出機(jī)械功率。若電磁轉(zhuǎn)矩Tem、轉(zhuǎn)速n中有一項(xiàng)與正向電動(dòng)狀態(tài)方向相反，即Tem與n方向相反，電動(dòng)機(jī)就工作在電磁制動(dòng)狀態(tài)。在此狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸從外部吸收機(jī)械功率而轉(zhuǎn)換成電功率。

2005-599第5章異步電機(jī)一、反接制動(dòng)

1.

轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)(正接反轉(zhuǎn))

定子電源正向連接，其定子磁動(dòng)勢旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閚1正向旋轉(zhuǎn)，但由于轉(zhuǎn)子回路串有較大的電阻，在轉(zhuǎn)軸上帶有較大的位能性負(fù)載(下放重物)，電機(jī)起動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Tem與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ方向相反，在TZ作用下，電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。

2005-5100第5章異