第5章三相交流電動機2

第五章三相交流電機本章教學基本要求1.了解三相交流電動機主要結構，注意三相交流電動機的定子結構；2.熟悉三相交流電動機基本工作原理，理解感應電動勢和電磁轉矩這兩個機電能量轉換要素的物理意義，掌握求解他們的計算方法；3.掌握三相交流電動機的運行原理，電動勢、轉矩平衡方程式，以及三相交流電動機的工作特性；4.了解同步電動機的主要結構和工作原理。重點：三相交流電動機的基本平衡方程式和工作特性。5.1交流電機電樞繞組（1）線圈：定子繞組是由線圈按一定的規(guī)律嵌入定子槽中，并按一定的方式聯(lián)接起來的。（2）極距：極距是指沿定子鐵心內(nèi)圓每個磁極所占的范圍，如用長度表示。（3）電角度:一臺電機轉子鐵心的端面是個圓，從幾何的角度來說可以分為360°，這樣劃分的角度為機械角度，即電機鐵心圓周為機械角度。從磁場角度看，一對磁極是一個交變周期，我們把一對磁極所對應的機械角度定為360°電角度。（4）線圈節(jié)距一個線圈的兩根有效邊之間所跨的槽數(shù)之間的距離為節(jié)距。線圈的節(jié)距一般總是等于或稍小于極距，如果節(jié)距與極距相等，稱為整距線圈，如果節(jié)距小于極距，則稱為短距線圈。5.1交流電機電樞繞組【例5-1】繪制，并聯(lián)支路數(shù)的三相單層鏈式繞組展開圖圖5-1Z=24,2P=4槽電動勢星形圖圖5-2單層鏈式A相繞組展開圖（5）單層及雙層繞組：根據(jù)定子繞組在槽中的分布情況，可分為單層及雙層繞組。容量較大的異步電動機都采用雙層繞組。雙層繞組在每個槽內(nèi)的導線分為上下兩層，上層和下層線圈之間需要用層間絕緣隔開。對于小容量異步電動機常采用單層繞組，這時每槽中只有一層導線。本節(jié)介紹幾種單層繞組，根據(jù)每極每相槽數(shù)的大小，單層繞組分成鏈式、交叉式和同心式三種。5.1交流電機電樞繞組【例5-2】繪制Z=36，2p=4，a=1的單層交叉式繞組展開圖。圖5-3Z=36,2P=4槽電動勢星形圖圖5-4單層交叉式A相繞組展開圖5.1交流電機電樞繞組【例5-3】繪制Z=24，2p=2，a=1的三相單層同心式繞組展開圖圖5-6單層同心式A相繞組展開圖圖5-5Z=36,2P=2槽電動勢星形圖5.2旋轉磁動勢5.2.1單相脈振磁場1．整距線圈的磁動勢如圖是一臺兩極電機的示意圖。定子及轉子鐵心是同心的圓柱體，所以定、轉子間的氣隙是均勻的。當線圈通入電流時，便產(chǎn)生一個兩極磁場。按照右手螺旋定則，磁場方向如圖中箭頭所示。圖5-7整距單線圈產(chǎn)生的矩形磁動勢5.2旋轉磁動勢圖5-8矩形波磁動勢隨時間變化

在一個整距集中的線圈中通過余弦變化的交流電時，他所產(chǎn)生的矩形波磁動勢的幅值將隨著時間作余弦變化。當wt=0，電流達到最大值時，矩形波的高度也達到最大值Fcm；當wt=90度，電流為零時，矩形的高度也為零。當電流為負值時，磁動勢也隨著改變方向；矩形磁動勢波隨時間變化的關系如圖所示。由圖可以看出：任何瞬間，磁動勢在空間的分布為一矩形波；在空間的任何一點，磁動勢的大小隨時間按余弦規(guī)律脈振。我們稱這種在空間位置固定，而大小隨時間變化的磁動勢為脈振磁動勢。5.2旋轉磁動勢2．矩形波磁動勢的諧波分析法從上面的分析可知，一個整距線圈產(chǎn)生的是矩形波磁動勢。如果直接利用矩形波磁動勢去分析一臺電機產(chǎn)生的總磁動勢，會遇到很多的不方便。為了簡化分析，一般是采用諧波分析法。所謂諧波分析法就是把一個周期變化的非正弦曲線分解成一些列不同周期的正弦曲線。圖5-9矩形波磁動勢的分解

在異步電動機中，諧波磁動勢對電動機性能有不良影響，例如，會使電動機耗損增大，啟動困難。所以總是設法把諧波磁動勢削弱到很小，電機定子采用分布繞組及短距繞組等方法均可削弱諧波磁動勢，使磁動勢的波形非常接近于正弦波。5.2旋轉磁動勢圖5-10基波脈振磁動勢5.2旋轉磁動勢圖5-11基波磁動勢空間相量圖

3．整距線圈組的磁動勢交流電機每相繞組都是由若干個線圈組串聯(lián)或并聯(lián)組成的，而每個線圈組是由每極下屬于同一相的q個等匝、等距線圈串聯(lián)圈串聯(lián)而成的。因此求出每個線圈組的磁動勢就不難得到每相繞組的磁動勢。由于每個線圈組的各線圈磁動勢的諧波含量和大小都相同，所不同的是各線圈在空間錯開了一個a角度，所以各線圈磁動勢之間在空間上也相隔a度?，F(xiàn)在把各矩形波都分解成基波和一系列諧波，則各基波之間在空間的位移角度也是a度。把個線圈的的基波磁動勢逐點相加，便可求得它們的合成基波磁動勢。如下圖所示。5.2旋轉磁動勢圖5-12單相雙層短距繞組磁動勢空間相量圖4．雙層短距線圈組的磁動勢

除了分布繞組外，在雙層繞組中，還可以采用短距線圈來改善磁動勢波形。圖表示的是一臺三相2極18槽電動機的A相繞組的線圈分布。由于每極每相槽數(shù)q=3，所以每個線圈組由3個線圈串聯(lián)組成，第一個線圈組由線圈1，2，3組成。現(xiàn)采用短距繞組，極距τ=9槽，y=(8/9)τ槽。5.2旋轉磁動勢5.2.2三相繞組的合成旋轉磁場三相繞組是由三個單元繞組所構成。把A，B，C三個單相繞組產(chǎn)生的磁動勢波逐點相加就可以得到三相繞組的合成磁動勢。上節(jié)所述單相繞組流過單相交流電，產(chǎn)生一個基波脈振磁動勢，下面將證明三相對稱繞組流過三相對稱電流，將產(chǎn)生一個圓形旋轉磁動勢。1、三相繞組中的單相磁動勢三相繞組是由3個單相繞組所組成，這三個單相繞組分別產(chǎn)生脈振磁動勢，要了解他們的合成磁動勢，首先必先分析這3個單相脈振磁動勢的性質(zhì)。（1）三相對稱電流的幅值相等，而相位相差120度。（2）3個單相繞組的軸線在空間依次相隔120度，所以他們各自產(chǎn)生的基波磁動勢在空間的分布也依次相隔120度。5.2旋轉磁動勢2、合成磁動勢的推導

用數(shù)學的分析方法可以得出三相基波合成磁動勢的表達式。根據(jù)教材128頁公式（5-18）可以畫出任意時刻的三相合成磁動勢的分布波形及位置。圖5-13三相合成磁動勢的分布波形及位置5.2旋轉磁動勢

3、三相基波合成磁動勢的結論三相對稱繞組通過三相對稱電流產(chǎn)生的三相基波合成磁動勢是一圓形旋轉磁動勢，當時間變化時，他的波形不變，他是單相脈振磁動勢振幅的3/2倍。圖5-14旋轉合成磁動勢5.2旋轉磁動勢5.2.3兩相繞組產(chǎn)生的旋轉磁動勢交流電機的電樞繞組有時為兩組繞組，當兩相繞組通入兩相電流時，也會產(chǎn)生磁動勢。下面就以兩相繞組的兩種不同狀況來分析其所產(chǎn)生的磁動勢情況。1、圓形磁動勢：空間相距（p/2）電角度的兩相對稱繞組，當通入兩相對稱電流，即時間相差（p/2）電角度、幅值相同的正弦交流電流時，產(chǎn)生的合成基波磁動勢為圓形旋轉磁動勢。該旋轉磁動勢的幅值等于原每相繞組產(chǎn)生的基波脈振磁動勢的最大幅值。2、橢圓形磁動勢：如果兩相繞組是對稱的，而通入的電流不對稱，同樣可以可以分析出兩相繞組產(chǎn)生的合成基波總磁動勢也是橢圓形磁動勢。5.3交流繞組的感應電動勢5.3.1整距線圈感應電動勢整距線圈的兩根導體在空間相隔一個極距，也就是相隔p電角度。當一根導體處在N極最大磁密處時，另一根導體剛好處在S極的最大磁密處，如圖所示。所以這兩根導體的電動勢總是大小相等而方向相反。圖5-16整距線圈感應電動勢5.3交流繞組的感應電動勢內(nèi)表面的槽中。圖表示在電機的定子槽里放有三個均勻分布的整距線圈，記作1-1`

、2-2`、3-3`，這三個線圈的匝數(shù)彼此相等，依頭、尾端的順序聯(lián)接而串聯(lián)起來，叫分布線圈組。圖5-17分布線圈組空間位置及連接圖

5.3.2整距分布線圈感應電動勢在實際電機中，為了充分利用電機定子內(nèi)圓空間，定子上不止放置一個線圈，而是放置許多線圈，并均勻分布在定子5.3交流繞組的感應電動勢圖5-18分布線圈組感應電動勢相量圖

設相鄰線圈的槽距角為a。對每個整距線圈來說，他們的基波電動勢有效值相同，但是三個整距線圈由于空間分布不同，他們切割同一磁力線時，就必然有先有后。因此，三個分布線圈的基波感應電動勢在時間相位上彼此不同。因為三個整距線圈空間上依次相距空間電角度a，所以他們的基波感應電動勢之間依次相差a時間電角度。圖5-18(a)是三個整距線圈基波電動勢相量，圖5-18(b)表示出三個整距線圈基波電動勢相量和這三個分布的整距線圈組成的線圈組基波電動勢相量之間的關系。5.3交流繞組的感應電動勢5.3.3短距線圈感應電動勢短距線圈每一匝的兩根導線在空間的距離比整距線圈縮短了b電角度，即相距（p-b

）電角度，如圖5-19所示。因此，兩根導線中感應電動勢在時間相位上也相差（p-b

）電角度，在圖5-19中，根據(jù)相量圖，可求得短距線圈的每匝電動勢。圖5-19短距線圈相量圖5.3交流繞組的感應電動勢5.3.4一相繞組感應電動勢如果根據(jù)每槽內(nèi)有幾個線圈邊來劃分繞組類型，那么電動機的定子繞組可以分成單層繞組和雙層繞組兩種。定子每個槽內(nèi)只有一個線圈邊的繞組稱為單層繞組，這種繞組適用于功率較小的電動機。定子每個槽內(nèi)上、下兩層都有線圈邊的繞組稱為雙層繞組。

在雙層繞組中，每一極面下就有一個極相組，因而對于

2p個磁極的電機就有2p個極相組。在聯(lián)接時可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)，以組成一定數(shù)目的支路數(shù)，而每相繞組的電動勢數(shù)值決定于一條支路的電動勢大小。設α代表每相的并聯(lián)支路數(shù)，那么每相電動勢的基波有效值為：5.3交流繞組的感應電動勢5.3.5繞組的諧波感應電動勢前面討論感應電動勢時，是假設氣隙中只有正弦分布的基波磁動勢。但是，在實際電機氣隙中除了基波磁動勢外，還存在諧波磁動勢，如圖所示。圖5-20諧波磁通密度5.4三相異步電動機5.4.1基本結構和銘牌數(shù)據(jù)1.三相異步電動機的基本結構三相異步電動機主要由定子和轉子兩部分組成：靜止部分稱為定子；轉動部分稱為轉子。三相籠異步電動機的主要部件如圖所示。圖5-21鼠籠式異步電動機的構造5.4三相異步電動機1）定子：定子由定子鐵心、定子繞組和機座三部分組成。定子鐵心是異步電動機磁路的一部分。他是用厚的硅鋼片沖制、疊壓而成的，緊緊地裝在機座的內(nèi)部。在定子鐵心的內(nèi)圓上開有均勻的槽，用以放置定子繞組。定子繞組是電動機的電路部分。定子繞組是由許多線圈按規(guī)律聯(lián)接而成的。小型三相異步電動機定子繞組通常用高強度漆包線繞制而成。2）轉子：轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成。轉子鐵心是異步電動機磁路的一部分。他是用厚的硅鋼片沖制、疊壓而成的，轉子鐵心與定子鐵心之間有一個很小的氣隙。轉子鐵心的外圓上沖有均勻分布的槽，用來放置轉子繞組。5.4三相異步電動機2.三相異步電動機的工作原理當定子三相對稱繞組加上對稱的三相交流電壓后，定子三相繞組中便有對稱的三相電流流過，它們共同形成定子旋轉磁場。假定定子旋轉磁場以n轉速沿逆時針方向旋轉，則磁力線將切割轉子導體而感應出電動勢。在該電動勢作用下，轉子導體內(nèi)便有電流通過，電流的有功分量與電動勢同相位。轉子導體內(nèi)電流的有功分量與旋轉磁場相互作用，使轉子導體受到電磁力的作用。在該電磁力作用下，電動機轉子就轉動起來，其轉向與旋轉磁場的方向相同。這時，如果在電機軸上加載機械負載，電動機便拖動負載運轉，輸出機械功率。5.4三相異步電動機3.三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)每臺異步電動機的機座上都有一塊銘牌，上面標有該電動機的主要數(shù)據(jù)。為了能正確使用電動機，必然要了解銘牌。下面以Y90S-4B型電動機的銘牌為例說明。5.4三相異步電動機1）型號電機型號是電機類型、規(guī)格等等代號。例如Y90S-4B三相異步電動機機座中心高磁極數(shù)機座長度代號S—短機座M—中機座L—長機座2）額定功率額定功率是電動機在額定運行情況下，其軸上輸出的機械功率。又稱額定容量。3）額定電壓：額定電壓是指電動機在額定運行時定子繞組的線電壓，他同定子繞組的接法相對應。5.4三相異步電動機4）額定電流額定電流是電動機在額定運行時定子繞組的線電流。

5）額定轉速在額定電壓下，輸出額定功率時的轉速稱為額定轉速6）絕緣等級絕緣等級是按電動機繞組所用的絕緣材料在使用時允許的極限溫度來劃分的。

7）工作方式工作方式是對電動機按銘牌上等額定功率持續(xù)運行時間的限制，分為“連續(xù)”、“短時”和“斷續(xù)”等。5.4三相異步電動機8）功率因數(shù)：技術手冊中會給出功率因數(shù)參數(shù)，是指電動機在額定運行狀態(tài)下，定子電路的功率因數(shù)。異步電動機空載運行時定子電路的功率因數(shù)很低，只有0.2～0.3，隨著負載的增加，功率因數(shù)也增加，在額定負載時一般為0.7～0.9，因此要避免空載運行。9）效率：效率是指電動機在額定狀態(tài)下運行時輸出的功率對定子輸入功率的比值。5.4.2轉子靜止時的異步電動機：分析異步電動機運行原理，著重在異步電動機內(nèi)部基本的電磁關系，目的是展示其內(nèi)在矛盾。在研究電磁關系的同時，還應注意解決定量計算問題，異步電動機通常所用的計算方法與變壓器類似，即將其化成等效電路，以解電路的方式來解決具體計算問題。因為異步電機的主要工作方式是作為電動機，故在分析時以電動機運行作為主要對象。采用的較為簡單的分析方法，即等效靜轉子法。5.4三相異步電動機1．轉子繞組開路假定電機定子接到相電壓為ú1、頻率為f1的三相交流電源，轉子電路電流為零。設此時轉子電路開路。這一假設的目的是為了先排除轉子電流對定子的影響，突出定子電路自身的內(nèi)在規(guī)律。轉子開路的三相異步電動機相當于副邊空載的三相變壓器，定子繞組對應于原邊繞組，轉子繞組對應于副邊繞組，所不同的是異步電動機的磁路中多了氣隙磁路。圖5-23異步電動機電磁模型5.4三相異步電動機1）電磁關系定子電路在ú1作用下引進一電流，因轉子無輸出，此電流的主要作用是在電動機內(nèi)建立磁場，可稱作勵磁電流ì0。由ì0建立的磁力線可分作兩部分，絕大部分磁力線穿過氣隙、交鏈到轉子電路然后回到定子邊自行閉合，這是主磁通Φm0，也稱為互感磁通。圖5-24主磁通與漏磁通示意圖主磁通是一個恒幅、恒速，在空間作正弦分布的基波旋轉磁場。另一小部分磁力線則僅與定子繞組本身交鏈，稱為漏磁通Φs1。漏磁通在電機中遠比變壓器中復雜。漏磁通包括：槽漏磁通、端部漏磁通和諧波漏磁通。諧波漏磁通是由定子三相合成磁動勢中的高次諧波磁動勢產(chǎn)生的，嚴格說，他是通過氣隙與轉子繞組相鏈繞的磁通，與槽漏磁通和端部漏磁通是有差別的，為了表明這種差別，諧波漏磁通又稱差別漏磁通，將諧波磁通歸為漏磁通中是為了計算上的方便。5.4三相異步電動機3）等效電路畫出轉子開路時異步電動機的等效電路如圖所示，這個電路和變壓器空載狀態(tài)完全一致，所以異步電機在轉子方電流為零的工作狀態(tài)，可稱為理想的空載運行狀態(tài)。

轉子開路時異步電動機的等效電路2）電壓方程式：定子一相電路的電壓方程式為：

轉子電路因轉子繞組開路，電壓方程式為：5.4三相異步電動機4）相量圖

電流ì0并不是純粹建立電機磁場所需的電流，當磁場旋轉時，鐵心的每一處都處在隨時間變化的磁場作用下，鐵心中必然出現(xiàn)渦流效應和磁滯損耗，渦流和磁滯損耗合稱為鐵損耗，它消耗了一部分有功功率使鐵心發(fā)熱。在圖5-27的異步電動機轉子轉速為零時的相量圖上，清楚地表示了這些電流間的相位關系。圖5-27轉子繞組開路時的相量圖5.4三相異步電動機2．轉子繞組短路且轉子堵轉設異步電動機的轉子繞組閉路，如籠型繞組。在定子繞組接電源的情況下，卡住轉子使之轉速n=0。這是為了暫不計機械功率的變化，而突出定、轉子兩個電路間的相互聯(lián)系、相互影響的內(nèi)在規(guī)律。在轉子短路并在n=0條件下，轉子電動勢è2和è1具有相同的頻率?1。在è2作用下轉子出現(xiàn)頻率為?1的電流ì2，由ì2產(chǎn)生的磁效應主要用作于電機的公共磁路，因為轉子和定子一樣是靜止，雙方電流頻率又一樣，相序排列也相同，結果是雙方的磁動勢在氣隙空間同速同向的旋轉，處于相對靜止狀態(tài)。這表明電流ì2的出現(xiàn)首先影響了氣隙磁場，然后再影響到定子方電流ì1，使之改變。5.4三相異步電動機1）磁動勢平衡方程式圖5-28所示為異步電動機定子繞組接電源，轉子繞組短路且轉子堵轉的接線。轉子短路時，在轉子繞組產(chǎn)生的感應電動勢會在轉子三相繞組中產(chǎn)生對稱的轉子電流，從而產(chǎn)生合成轉子基波旋轉磁動勢F2，其幅值為：定子基波旋轉磁動勢幅值為：

圖5-28異步電動機轉子短路且堵轉時的接線圖氣隙中的合成磁動勢為：

主磁通Φm0由合成磁勢產(chǎn)生5.4三相異步電動機2）電磁關系假定各物理量的規(guī)定正方向如圖5-29所示，則轉子短路且堵轉時的電磁關系為圖5-29所示：圖5-29電磁關系示意圖5.4三相異步電動機3）電動勢平衡方程式異步電動機轉子堵轉時定、轉子繞組的電路圖。如圖5-30，從圖中可以看出，電動機與變壓器的電磁狀況極為相似，參考對變壓器的分析方法，可以寫出異步電動機轉子堵轉時電動勢或電壓方程式如下：圖5-30異步電動機轉子靜止并短路時的定、轉子電路圖5.4三相異步電動機（1）轉子電動勢的折算根據(jù)折算前后轉子功率保持不變?yōu)闂l件，即應滿足

折算前轉子電動勢為：折算后轉子電動勢為：

4）轉子參數(shù)的折算和分析變壓器方法相似，為要把定子電壓平衡式、轉子電壓平衡式和磁動勢平衡式組合成一等效電路，需要把轉子方面的各物理量歸算到定子方面。在進行折算時，需要相應的電壓變比、電流變比和阻抗變比。（2）轉子電流的折算根據(jù)折算前后轉子磁動勢應保持不變?yōu)闂l件，即應滿足ke異步電動機的電動勢變比。5.4三相異步電動機（3）轉子阻抗的折算根據(jù)折算前后轉子上的銅耗保持不變?yōu)闂l件，即應滿足

由此可求得折算后的轉子電阻折算后的轉子漏抗

由此可求得折算后的轉子電流ki異步電動機的電流變比。keki異步電動機的阻抗比。5.4三相異步電動機（4）等效電路折算的好處是很明顯的，折算后可以構建一等效電路，它與副邊短路時的變壓器等效電路完全相同，如圖所示。由于對稱關系，電路僅考慮了一相，故各種計算量均取每相值。圖5-31轉子堵轉、轉子繞組短路時的等效電路1.轉差率：通常把同步轉速n1和電動機轉子轉速n二者之間的差與同步轉速的比值稱為轉差率（也叫做轉差或滑差），用s表示。

s是一個沒有單位的數(shù)，它的大小也能反映電動機轉子的轉速。正常運行的異步電動機，轉子轉速n接近于同步轉速n1，轉差率s很小，一般s=0.01~0.05。5.4三相異步電動機2.轉子電動勢當異步電動機轉子以轉速n恒速運轉時，轉子回路的電壓方程式為

轉子旋轉時轉子繞組中感應電動勢為3.定、轉子磁動勢及磁動勢關系下面對轉子旋轉時，定、轉子繞組電流產(chǎn)生的空間合成磁動勢進行分析。（1）定子旋轉磁動勢F1當異步電動機旋轉起來后，定子繞組里流過的電流為I1，產(chǎn)生旋轉磁動勢F1，其特點在前面已經(jīng)分析過了。這里仍假設F1相對于定子繞組以同步轉速n1逆時針方向旋轉。E2是轉子不轉時，繞組中感應電動勢5.4三相異步電動機（2）轉子旋轉磁動勢F2①幅值當異步電動機以轉速n旋轉時，由轉子電流I2s產(chǎn)生的三相合成旋轉磁動勢的幅值為

②轉向在前面分析轉子繞組短路、轉速n=0的情況知道，氣隙旋轉磁密Bδ逆時針旋轉時，在轉子繞組里感應電動勢，產(chǎn)生電流相序為A2→B2

→C2現(xiàn)在情況是，轉子已經(jīng)旋轉起來，有一定的轉速n，由于是電動狀態(tài)，轉子的旋轉方向與氣隙旋轉密度Bδ同方向，僅僅是轉子的轉速n小于氣隙旋轉磁密Bδ的轉速n1。這時，如果站在轉子上看氣隙旋轉磁密，它相對于轉子的轉速為（n1

-n），轉向為逆時針方向。這樣，由氣隙旋轉磁密Bδ在轉子每相繞組感應電動勢,產(chǎn)生電流的相序仍為A2→B2

→C2。5.4三相異步電動機

③轉速轉子電流I2s的頻率為?2，顯然有轉子電流I2s產(chǎn)生的三相合成旋轉磁動勢F2，它相對于轉子繞組的轉速用n2表示，為④瞬間位置當轉子繞組哪相電流達到正最大值時，F(xiàn)2正好位于該相繞組的軸線上。

（3）合成磁動勢：清楚了定、轉子三相合成旋轉磁動勢F1、F2的特點后，現(xiàn)在希望站在定子繞組的角度上看定、轉子旋轉磁動勢F1與F2。①幅值：關于定、轉子磁動勢F1、F2的幅值，不因站在定子上看而有什么變化，仍為前面分析的結果。②轉向：F1、F2二者的轉向相對于定子都為逆時針方向旋轉。5.4三相異步電動機③轉速：定子旋轉磁動勢F1相對于定子繞組的轉速為n1。轉子旋轉磁動勢F2相對于轉子繞組的逆時針轉速為n2。由于轉子本身相對定子繞組有一逆時針轉速n，為此站在定子繞組上看轉子旋轉磁動勢F2的轉速為n2+n

。

4.轉子繞組頻率的折算（a）是異步電動機實際運行時，轉子一相的電路，（b）則是等效電路。所謂等效，就是兩個電路的電流有效值大小彼此相等而已。圖5-32轉子頻率折算（a）電路變成了（ｂ）電路形式，就產(chǎn)生了轉子旋轉磁動F2幅值大小來說，完全是一樣的。這就是轉子電路的頻率折算，即把轉子旋轉時實際頻率為?2的電路，變成了轉子不轉，頻率為?1的電路。5.4三相異步電動機５.基本方程式、等效電路和時間空間相量圖1)基本方程式與異步電動機轉子繞組短路并把轉子堵住不轉相比較，在基本方程式中，只有轉子繞組回路的電壓方程式有所差別，其他幾個方程式都一樣。圖5-33三相異步電動機的T型等效電路根據(jù)以上五個方程式，可以畫出如圖5-33的等效電路。5.4三相異步電動機

根據(jù)上述五個基本方程式畫出的異步電動機時間空間相量圖。畫相量圖的目的是為了研究各量之間的相對關系，為此，時間參考軸、空間坐標軸都沒有必要再標出來了，如圖所示。圖5-34三相異步電動機負載運行時的時空相量圖5.4三相異步電動機

三相異步電動機電磁關系示意于圖5-35中圖5-35三相異步電動機電磁關系示意圖請問：（1）三相異步電動機，若將轉子抽掉，而在三相定子繞組中加入三相對稱電壓，會產(chǎn)生什么后果？答：若將異步電動機轉子抽掉，則氣隙l

增大，Λm↓=1/Rm=(μs)/l↑,xm

↓

=ω1Lm=2πf1N12Λm↓氣隙l增大，則xm很小，E1=-Im(rm+jxm↓)，所以，Im增大很多，電機定子繞組燒毀。請問：（2）三相異步電動機中勵磁電抗反映的是什么物理量？答：異步電動機中勵磁電抗Zm反映的是主磁路的情況，激磁電阻rm，它反映了鐵心損耗的大?。患ご烹娍箈m，它反映了主磁路的結構參數(shù)，與主磁路的飽和狀態(tài)有關。請問：為什么異步電動機只有在轉子轉速與旋轉磁場的同步速存在差異（即不同）時才能產(chǎn)生有效的電磁轉矩？答：異步電動機定子對稱、均勻、分布的三相繞組通以三相對稱交流電，則在氣隙中產(chǎn)生以同步速n1旋轉的磁場，該磁場切割轉子繞組產(chǎn)生感應電勢、轉子電流，產(chǎn)生有效的轉子電磁力（電磁轉矩），使轉子以旋轉磁場同方向、轉速n旋轉，且n＜n1，只有這樣，轉子繞組才與旋轉磁場有相對切割運動，保證轉子電勢的產(chǎn)生，使轉子旋轉。請問：一臺三相異步電動機銘牌上標明fN=50Hz，額定轉速nN=740rpm，試問該電動機極數(shù)是多少？額定轉速下，轉差率是多少？答：請問：（6.4）為什么單相繞組通以單相交流所產(chǎn)生的磁勢是脈振的？而當三相繞組分別通以三相對稱電流時，合成磁勢卻發(fā)生本質(zhì)性變化，變?yōu)樾D磁勢？如何理解這一物理概念？答：單相整距線圈，產(chǎn)生的磁動勢是位置不變，幅值隨電流時間、頻率按正弦規(guī)律變換，是脈振的磁勢，在任一時刻該磁勢是空間分布的。既是時間的函數(shù)，也是空間的函數(shù)。當三相繞組分別通以三相對稱電流時，三相繞組同時產(chǎn)生幅值、方向一定的脈振磁勢，在空間對稱分布，其合成磁勢幅值為：隨著時間變換F1以n1同步速旋轉，轉向取決于三相電流的相序，當一相電流達到最大值時，合成基波旋轉磁動勢正幅值與該相繞組軸線重合。是時空函數(shù)。請問：（6.2）一臺三相異步電動機，額定頻率為50Hz，額定轉速為740rpm，請問：在額定轉速下，該電機轉子繞組所感應電勢（或電流）的實際頻率為多少？答：4-1交流繞組與直流繞組的根本區(qū)別是什么？答：直流電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組，通過換向器和電刷與外電路聯(lián)接，各支路在磁場中的位置不變，構成各支路的元件數(shù)不變，但元件號不斷變化。交流繞組是開啟的，對外聯(lián)接點永遠是固定的。請問：（6.14）三相異步電機空載運行時，其定子側功率因數(shù)很低，而帶機械負載后功率因數(shù)反而大大提高，試用相量圖解釋其原因。答1（用相量圖）當異步電動機空載時：

等值電路中的轉子回路相當于開路，轉子電流為

因此功率因數(shù)很低。

答2（用等效電路）

當異步電動機額定運行時：這時的轉子電流主要由決定，轉子電路基本上為電阻性電路，所以電動機的功率因數(shù)較高。例題（1）:一臺三相六極異步電動機額定數(shù)據(jù)：PN=10kW，UN=380V，nN=962rpm，IN=19.8A，定子繞組為Y接，r1=0.5Ω。空載試驗數(shù)據(jù)（轉子電路相當于開路）U1=380V，空載功率P0=0.425kW，空載電流I0=5.4A，機械損耗pmec=0.08kW，忽略附加損耗。短路試驗的數(shù)據(jù)為：Uk=120V，Pk=0.92kW，Ik=18.1A，且假定x1=x2’。請計算：三相異步電動機參數(shù)r2’，x1σ，x2σ’，rm，xm。解：由空載試驗：由堵轉試驗：求出短路阻抗，短路電阻，短路電抗。請問：（5.13）異步電動機定、轉子繞組沒有直接聯(lián)系，為什么機械負載增加時，定子電流和輸入的電功率會自動增加？答：5.4三相異步電動機5.4.4異步電動機工作特性及參數(shù)測定1、三相異步電機的工作特性在額定電壓，額定頻率條件下運行的異步電動機，其轉速n，定子電流I1，功率因數(shù)cosφ1，電磁轉矩Tem,電機效率η這些特征量與輸出功率P的函數(shù)關系稱為工作特性。并分別定名為轉速特性定子電流特性功率因數(shù)特性轉矩特性效率特性

圖5-36異步電動機的工作特性5.4三相異步電動機2、三相異步電動機的參數(shù)測定(1)空載實驗實驗時，電機空載，定子繞組接到額定頻率的三相對稱電源，用調(diào)壓器改變定子電壓，首先調(diào)至U1=UN，讓電機運圖5-37異步電動機的空載特性行一段時間，使pm達到穩(wěn)定值。然后使定子電壓從(1.1~1.3)UN開始逐漸下降，直到電機的轉速發(fā)生明顯變化為止。記錄一組電動機的端電壓U1，空載電流I0，空載功率P0，和轉速n的數(shù)據(jù)。繪制成空載特性曲線。5.4三相異步電動機(2)短路試驗短路試驗又稱堵轉試驗，籠型轉子本身已短路，繞線型轉子繞組應人為短路。將電動機轉子卡住,用三相調(diào)壓器向定子繞組供電，為防止過流，定子電壓U1一般從0.4U1N開始，然后逐漸降低。試驗時，記錄定子繞組加的端屯壓、定子電流和定子輸入功率，還應量測定子繞組每相電阻的大小。根據(jù)試驗的數(shù)據(jù)，畫出異步電動機的短路特性和圖5-39異步電動機的短路特性5.5同步電動機

同步機是交流旋轉電機中的一種，因其轉速恒等于同步轉速而得名。同步電機主要用作發(fā)電機，也可用作電動機和調(diào)相機。5.5.1同步電動機1.工作原理同步發(fā)電機和其他類型旋轉電機一樣，由定子和轉子兩大部分組成，一般分為凸極式同步電機和隱極式同步電機兩種類型。凸極式定子鐵心內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞。轉子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場。圖5-40凸極式同步電動機模型5.5同步電動機

同步電動機是屬于交流電機，定子繞組與異步電動機相同。同步電動機的定子三相繞組接通三相交流電源，流過三相對稱電流，產(chǎn)生一個在空間以同步轉速n1旋轉的旋轉磁動勢Fa，稱為電樞磁動勢。同步電動機的勵磁繞組通入直流勵磁電流，產(chǎn)生一個與電樞旋轉磁場極對數(shù)相同的直流勵磁磁場。兩磁場相互作用，使轉子被電樞旋轉磁場以同步轉速拖著一起旋轉。圖5-41同步電動機啟動時平均轉距為零的示意圖5.5同步電動機3.同步電機的分類同步電機可以按運行方式、結構型式和原動機的類別進行分類。旋轉磁極式同步電機按磁極的形狀，又可分為隱極式和凸極式兩種類型，如圖所示。隱極式氣隙是均勻的，轉子做成圓柱型。凸極式氣隙是不均勻的，極弧底下氣隙較小，極間部分氣隙較大。圖5-42旋轉磁極式同步電機5.5同步電動機5.5.2同步電動機的電壓方程式和相量圖1、同步電動機的電樞反應為分析方便，不考慮電機飽和的影響，并只考慮電樞磁動勢和勵磁磁動勢的基波。通常把轉子一個N極和一個S極的中心線稱為直軸，又稱為d軸，圖5-43凸極同步電動機的直軸和交軸與直軸相距90度空間電角度的軸稱為交軸，又稱為q軸。d軸和q軸均隨轉子一同旋轉，而勵磁磁動勢Ff總是作用在直軸方向，如圖5-43所示。5.5同步電動機

凸極同步電動機，氣隙不均勻，同一電樞磁動勢作用在不同位置，電樞反應就不一樣。設Fa的位置如圖5-44所示，可見Fa所遇的磁阻即不均勻也不對稱，且當Fa的位置變化時其不均勻不對稱的程度亦隨之變化，要求其產(chǎn)生的電樞磁密分布和電樞反應磁通的大小很困難。解決這一困難的方法是將電樞磁動勢分解為兩個分量，即直軸電樞磁動勢Fad和交軸電樞磁動勢Faq，如圖所示。圖5-44Fa分解為Fad和F