第四章異步電機原理

第四章異步電機原理第一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎2/67第一節(jié)三相異步電動機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，形成一個旋轉磁場，轉子導體就會切割磁力線而感應電動勢e。感應電動機的旋轉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、三相異步電動機的基本工作原理第二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎3/67

用右手定則可以判定，在轉子上半部分的導體中，感應電動勢的方向為，下半部分導體的感應電動勢的方向為，在感應電動勢的作用下，導體中就有電流i，若不計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所形成的電磁轉矩T使轉子以n的速度旋轉，旋轉方向與磁場的旋轉方向相同。即異步電動機的基本工作原理第三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎4/67

異步電動機的轉子速度不可能等于磁場旋轉的速度，這種電動機一般也稱之為異步電動機。旋轉磁場的旋轉速度n1稱為同步轉速。由于轉子轉動的方向與磁場的旋轉方向是一致的，所以如果n=n1，則磁場與轉子之間就沒有相對運動，它們之間就不存在電磁感應關系，也就不能在轉子導體中感應電動勢、產(chǎn)生電流，也就不能產(chǎn)生電磁轉矩。第四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎5/67轉子轉速n與旋轉磁場轉速n1之差稱為轉差△n,轉差與磁場轉速n1之比,稱為轉差率s。

式中：n1：旋轉磁場同步轉速；

n

：轉子轉速。一般n略小于n1。當n=nN時，s為額定轉差率，sN一般為2%-6%。第五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎6/67二、三相異步電機的結構繞線轉子異電機剖面圖1—轉子繞組2—段蓋3—軸承4—定子繞組5—轉子6—定子7—集電環(huán)8—出線盒第六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎7/671結構：1)定子：定子鐵芯，定子繞組，機座2)轉子：轉子鐵芯，轉子繞組（籠型繞組、繞線型繞組）。3)氣隙：中小型氣隙大小可達0.2~1.5mm；大型氣隙可達12mm.第七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎8/672、轉子異步動機的轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成。1）籠型繞組銅條籠型轉子鑄鋁籠型轉子第八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎9/67第九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎10/672)繞線轉子照片第十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎11/673）繞線型繞組接線示意圖3、氣隙氣隙大：產(chǎn)生同樣大小磁通所需的勵磁電流就答，從而電機的功率因數(shù)?。粴庀缎。褐圃炖щy或運行時定轉子間易發(fā)生摩擦。第十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎12/67三、三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)額定功率——電動機在額定運行時輸出的機械功率,單位kW額定電壓——在額定運行狀態(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)標準頻率為50Hz額定轉速——電動機在額定電壓、額定頻率及額定功率下的轉速，單位r/min第十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎13/67第二節(jié)三相異步電動機的定子磁場和感應電動勢一、交流繞組的一些基本知識和基本量交流繞組產(chǎn)生的磁場既是時間的函數(shù)，又是空間的函數(shù)異步電動機從定子繞組上輸入電功率后，產(chǎn)生旋轉磁場，它切割定子繞組，在定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢，旋轉磁場切割轉子繞組，在轉子繞組中產(chǎn)生相應的感應電動勢，通過電磁感應使轉子繞組中產(chǎn)生電磁轉矩，將能量傳遞給轉子，使轉子輸出機械能，實現(xiàn)能量轉換。第十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎14/672、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、電角度與機械角度電機圓周在幾何上分成360°，這個角度稱為機械角度。若磁場在空間按正弦波分布，則經(jīng)過N、S一對磁極恰好相當于正弦曲線的一個周期。因此，一對磁極所占有的空間是360°電角度?？梢?，一個具有p對磁極電機，電機圓周按電角度計算就為p×360°，而機械角度總是360°

。電角度=p×機械角度第十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎15/674、槽距角α

——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)計算。節(jié)距應該接近極距τ。——整距繞組，——短距繞組，——長距繞組第十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎16/67二、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、單個線圈的磁動勢第十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎17/67ωt=0,i=Imωt=90°,i=0ωt=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。第十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎18/67四極整距線圈的磁動勢磁場分布磁動勢分布把以2τ

為周期的矩形磁動勢波用傅氏級數(shù)分解

應用傅氏級數(shù)對矩形波進行分解。矩形波中含有1，3，5，…奇次諧波，又對稱于縱軸。第十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎19/67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）線圈組的磁動勢第十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎20/672、短距線圈的線圈組磁動勢q=2,τ=6,y1=5的雙層短距疊繞組第二十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎21/67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)第二十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎22/67（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對于單相繞組磁動勢性質：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。第二十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎23/673）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。第二十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎24/67三、三相繞組的磁動勢–旋轉磁動勢取A相繞組的軸線處作為空間坐標的原點，并且以正相序方向作為x的正方向，同時選擇A相電流達到最大值的瞬間為時間的起始點，則三相的基波磁動勢為：第二十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎25/67利用三角公式第二十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎26/67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)）第二十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎27/67三相繞組合成磁動勢是一個大小不變、旋轉的行波旋轉磁場的轉速

可以得出結論，當某相電流達到最大值，旋轉磁動勢的幅值就將轉到該相繞組的軸線處。第二十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎28/67

如果電流是正序的，則磁動勢波旋轉方向是從A相轉向B相，再轉向C相。如果電流是負序的，則磁動勢波旋轉方向是從A相轉向C相，再轉向B相。因此，如果要改變?nèi)喈惒诫妱訖C磁場的旋轉方向，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）對調即可。第二十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎29/67從而可得出結論：一個正弦分布的幅值為FΦ1,的脈振磁勢波可以分解為兩個幅值相等、轉速相同、轉向相反的旋轉磁動勢波，其幅值均為FΦ1/2，轉速均為同步轉速。第二十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎30/67三相基波合成磁動勢（旋轉磁動勢）特性：1）是一個旋轉磁動勢，轉速均為同步轉速，旋轉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，旋轉幅值軌跡是一個圓。3）三相電流中任意一相電流瞬時值達到最大值時，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磁動勢，其幅值為各相脈振磁動勢幅值的m/2，其轉速仍為同步轉速。第三十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎31/67三次諧波表達式為：結論：交流電機的磁場中不含三及三的倍數(shù)次諧波第三十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎32/67AXCZBYo旋轉磁場的產(chǎn)生第三十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五o規(guī)定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(?)電流出()電流入第三十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相電流合成磁

場的分布情況合成磁場方向向下合成磁場旋轉60°合成磁場旋轉90°600o第三十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五AAXZBCYAAXZBCY取決于三相電流的相序旋轉磁場的旋轉方向結論：任意調換兩根電源進線，則旋轉磁場反轉。任意調換兩根電源進線AXBYCZ第三十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎36/67四、三相異步電動機的定子磁場當對稱三相繞組接通對稱三相電源后，在氣隙內(nèi)建立一種以同步轉速旋轉的磁場。它是異步電動機的主磁場。異步電動機中的諧波磁場作為漏磁場來處理。五、三相異步電動機定子繞組的電動勢第三十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎37/671、繞組的感應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產(chǎn)生的電動勢。1）整距線圈的電動勢瞬時值的表達式有效值的表達式第三十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎38/67有效值的表達式2）短距線圈的電動勢瞬時值的表達式第三十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎39/672、線圈組的感應電動勢一個線圈組電動勢的有效值為第三十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎40/67第四十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎41/673、相繞組的感應電動勢——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)為第四十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎42/67[例]一臺四極三相異步電動機，定子槽數(shù)為36，計算其基波和5次、7次諧波磁動勢的分布系數(shù)。解

計算每相每極槽數(shù)q和α值基波分布系數(shù)第四十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎43/67五次諧波分布系數(shù)七次諧波分系系數(shù)第四十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎44/67第三節(jié)三相異步電動機運行原理一、三相異步電動機的空載運行（一）空載運行的空載電流和磁動勢1.空載電流:電動機空載，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即負載轉矩為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：第四十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎45/67主磁通Φ0：①作用：傳遞能量的媒介作用；②路徑：定子—氣隙—轉子—氣隙—定子。漏磁通Φ1σ：①不起傳遞能量的媒介作用，只起電抗壓降作用；②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第四十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎46/67二、異步電動機負載運行（一）負載時氣隙磁動勢1.當三相異步電動機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、并且以同步轉速n1旋轉的旋轉磁動勢，由旋轉磁動勢建立旋轉的氣隙主磁場Bm。第四十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五2.轉子磁動勢這個旋轉磁場切割定子、轉子繞組，分別在定子、轉子繞組內(nèi)感應出定子電動勢和轉子電動勢。在轉子電動勢作用下轉子回路中有對稱三相電流流過。于是，在氣隙磁場和轉子電流的相互作用下，產(chǎn)生了電磁轉矩，轉子就順著旋轉磁場的方向轉動。同時由于轉子回路中有三相電流流過，因此轉子繞組中也產(chǎn)生磁動勢3、轉子磁動勢的旋轉方向如果相序為A-B-C的異步電動機定子電流所產(chǎn)生的旋轉磁場按逆時針方向旋轉，因為n<n0，則轉子電流相序為a-b-c。則轉子磁動勢F2的旋轉方向也按照相序a-b-c，即：按逆時針方向。即與定子磁場的轉向相同。第四十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎48/674、

轉速的大小

轉子繞組內(nèi)感應電動勢和電流的頻率為f2為稱為轉差頻率，轉子電流形成的轉子磁動勢F2的旋轉方向與F1的旋轉方向相同，它相對于轉子的轉速為Δn，而相對于定子的轉速為Δn+n=n1。即和

相對靜止第四十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎49/67（二）磁動勢平衡轉子磁動勢F2與定子磁動勢F1相對靜止，得到合成磁動勢F1+F2負載時空載時電動機從空載到負載，定子繞組的感應電動勢的變化很小，差不多和電源電壓相平衡。所以，可以近似認為于是第四十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎50/67兩極異步電動機的定子、轉子繞組示意圖負載時定子、轉子磁動勢和電流的相矢圖第五十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎51/67（三）基本電磁關系有效值異步電動機的負載運行時的電磁關系相量表達式定、轉子的漏磁通在各自繞組中感應產(chǎn)生漏電動勢第五十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎52/67（四）基本方程式1.磁動勢平衡方程式式中：m1、m2為定子、轉子的相數(shù)；Im為對應于勵磁磁動勢的勵磁電流。勵磁電流負載電流令則異步電動機的電流比第五十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎53/672.電動勢平衡方程式

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。定子漏電抗轉子漏電抗因此第五十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎54/67異步電動機負載時的基本方程式列出如下旋轉時異步電動機的電路第五十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎55/67（五）三相異步電動機的等效電路為電（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率而等效于轉子的電路去代換實際轉子電路。折算條件：1）進行折算后，轉子電路對定子電路的電磁效應不變。2）等效的轉子電路的電磁性能（有功功率、無功功率、銅耗等）必須和實際轉子電路一樣。第五十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎56/67頻率歸算后的定、轉子電路頻率歸算前的定、轉子電路第五十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎57/67轉子不轉時轉子電路中電流轉子旋轉時轉子電路中的電流

在附加電阻上產(chǎn)生的功耗，實質上表征了異步電動機的機械功率滿足折算條件，實現(xiàn)了頻率折算，將旋轉的轉子用靜止的轉子代替。第五十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎58/672.繞組歸算繞組歸算后的定、轉子電路由轉子磁動勢不變式中：稱為電流變比第五十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎59/67由轉子總的視在功率不變式中由轉子銅耗和漏磁通儲能不變稱為電勢變比第五十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎60/673.等效電路經(jīng)過折算后，定子、轉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第六十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎61/67（六）幾種異步電動機的典型運行情況1、空載運行2、額度負載下運行轉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)電運行轉差率為負，附加電阻也為負值。表示從轉子軸上輸入（而不是輸出）機械功率。第六十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎62/675、電磁制動狀態(tài)運行，附加電阻為負值，表示從轉子軸上輸入（而不是輸出）機械功率。異步電機近似等效電路第六十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五*電機及拖動基礎63/67[例]一臺2對極的三相異步電動機，有關數(shù)據(jù)如下：定子繞組為三角形接法，試求額定負載時的定子電流、轉子電流、勵磁電流、功率因數(shù)、輸入功率和效率。解第六