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1、第五章 异步电机（二） Chapter 5 Induction Machine(2),第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程,一、异步电动机负载时的物理情况,（1）三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过三相交流电流，这个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布、并且以同步转速n0旋转的旋转磁动势F1，由旋转磁动势F1建立旋转的气隙主磁场Bm。 （2）这个旋转磁场切割定子、转子绕组，分别在定子、转子绕组内感应出定子电动势和转子电动势。在转子电动势作用下转子回路中有对称三相电流流过。于是，在气隙磁场和转子电流的相互作用下，产生了电磁转矩，转子就顺着旋转磁场的方向转动。,空
2、载的情况下：nn0, I20,当电机带有机械负载后：nn0, I2增大。,根据前一章的知识可知，定子三相的感应电动势表达式为：,若转子静止，转子三相的感应电动势表达式为：,下面分析转子运动时的转子感应电动势。 当转子运动时， -t 是随着时间变化的（ 为转子机械角速度，rad/s），根据前一章的推导，ax、by、cz绕组所交链的磁通表达式为,根据电磁感应公式,可以求出转子运动时的感应电动势为,推导几个关系,可以求出转子运动时的感应电动势为,上式可以写为,可以看出，不管转速为多少，感应电动势总是三相对称的。,转子感应电动势的瞬时值为,注意：定子和转子中的电动势是不同频率的，定子电动势频率为f，转
3、子感应电动势为sf,考虑转子也采用了短距和分布线圈形式，转子感应电动势的有效值为,若转子回路闭合，则转子内将有电流流通，转子电流的频率与转子感应电动势频率一致，并且也互差120o； 因此转子也是对称三相对称电流流过对称三相绕组，所产生的磁动势也为旋转磁动势。,2、F2转速的大小,如果相序为A-B-C的异步电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋转，因为nn0，则转子电流相序为a-b-c 。则转子磁动势F2的旋转方向也按照相序a-b-c，即：按逆时针方向。,1、转子磁动势F2的旋转方向,转子绕组内感应电动势和电流的频率为,f2为转差频率，转子电流形成的转子磁动势F2的旋转方向与F1的旋转方向
4、相同，它相对于转子的转速为n，而相对于定子的转速为n+n=n0,磁动势平衡关系,转子磁动势F2与定子磁动势F1相对静止，得到合成磁动势F1+F2,负载时,空载时,电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小，差不多和电源电压相平衡。所以，可以近似认为,于是,异步电机中时间相量和空间矢量的关系,时间参考轴也取A相轴线。即A相电流相量在起始时刻位于A相轴线上，此时A相电流达到最大。 任何时刻某一相的电流瞬时值为该相量在该相轴线上的投影。 时间相量与空间矢量的耦合在某一个线圈所交链的磁通是正弦变化的这一概念中得到了体现。,在上一章的分析中，得出如下结论： 当某一相电流达到最大值时，励磁磁动势的
5、幅值与该相轴线相重合。因此选择A相轴线作为空间参考轴，表示空间位置的起点。,电磁关系,定子、转子感应电动势有效值,相量表达式,定、转子的漏磁通在各自绕组中感应产生漏电动势,异步电动机的负载运行时的电磁关系,二、基本方程式,（一）磁动势平衡方程式,式中m1、m2为定子、转子的相数；Im为对应于励磁磁动势的励磁电流。,令,则,（二）电动势平衡方程式,R为转子电阻的外加电阻,Zm为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻抗；xm称为励磁电抗；rm为反映铁耗的励磁电阻。,因此,异步电动机负载时的基本方程式列出如下,定子电压平衡方程：,转子电压平衡方程：,电动势方程：,磁动势平衡方程：,第二节
6、三相异步电动机的等效电路及相量图,为电动势比,转子静止时异步电动机的定、转子感应电动势的关系,一、异步电动机的等效电路,（一）频率归算,异步电机中，由于转子是旋转的，随着转速不同，转子电动势的频率是不同的，这为问题的分析带来了麻烦，因此需要将不同的转速变换到一个特定的转速下研究问题。 频率归算 保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在这里，就是用一个具有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路。 所谓“等效”是指： 1）进行代换后，转子电路对定子电路的电磁效应不变。 2）等效的转子电路的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等）必须和实际转子电
7、路一样。,静止转子电路中电流,下面考虑两种转子电路 （1）静止；（2）以转差率s旋转的转子；,以转差率s旋转的转子,从旋转磁动势幅值的计算公式中可以看出，若保持两者电流幅值相等，则可以使两者产生的旋转磁动势幅值为相等。,x2指50Hz下的电抗值。,若将转子改为静止以后，同时修改转子电阻和电抗值，则可以保证转子转子电流幅值不变。,转子真实电阻为r2，但在等效静止转子中电阻为r2 /s，出现了一个附加电阻。,附加电阻上产生的功耗，实质上表征了异步电动机的机械功率,变压器模型,（二）绕组归算,经过频率归算以后，异步电机变成了变压器模型。后面的处理过程与变压器的处理过程完全一致，只是需要注意要在转子产
8、生的磁场中要考虑三相的合成磁场。 用一个假想的转子绕组替代真实的转子绕组，它与定子绕组具有相同的参数。 假想转子绕组和真实绕组需要产生同样的旋转磁动势。,假想绕组流过假想电流所产生的磁动势。,真实转子绕组流过真实转子绕组所产生的磁动势。,由转子总的视在功率不变,式中,由转子铜耗和漏磁通储能不变,转子铜耗不变,由漏磁通储能不变,计算出参数归算关系为,异步电机归算的总结,（三）异步电动机的等效电路,经过归算后，定子、转子的电动势方程式,磁动势方程式,励磁支路的电动势方程式,二、异步电动机的相量图,根据T形等效电路，可以画出相应的相量图。,几种异步电动机的典型运行情况,1、空载运行,2、额度负载下运
9、行,转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。,3、起动时的情况,附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。,4、异步发电运行,转差率为负，附加电阻也为负值。表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。,5、电磁制动状态运行,附加电阻为负值，表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。,（四）等效电路的简化,定子绕组为三角形接法，试求额定负载时的定子电流、转子电流、励磁电流、功率因数、输入功率和效率。,例5-1一台2对极的三相异步电动机，有关数据如下：,解：,电机额定运行时转差率为,电机转子电阻（含负载等效电阻）为,（1）用T形等效电路计算,转子支路阻抗为：,励磁支路阻抗为：,转子支路和励磁支路并联
10、阻抗为：,定子支路和（转子支路和励磁支路并联）的串联阻抗为：,设 ，定子电流,定子线电流有效值,定子功率因数,定子输入功率,转子电流 和励磁电流,效率,（2）用近似等效电路计算,负载支路阻抗,励磁支路阻抗,转子电流（即负载电流）,励磁电流,定子电流,定子线电流有效值,定子功率因数,定子输入功率,效率,第三节 三相异步电动机的功率和转矩,一、功率转换过程,二、功率方程式,U1定子相电压；I1 定子相电流； 定子功率因数角； 转子功率因数角；,电磁功率分析,输入功率定子铜耗定子铁耗电磁功率,电磁功率转子铜耗总机械功率,总机械功率机械损耗功率附加损耗功率输出机械功率,总机械功率,电磁功率：转子铜耗：
11、总机械功率等于多少？,三、转矩方程式,式中 电动机输出的机械转矩； 机械损耗转矩； 附加损耗转矩； 空载转矩； 电磁转矩。,异步电机总的机械转矩（电磁转矩）为：,四、电磁转矩公式,转矩常数,例5-2 根据例5-1中的数据，还知道电动机的机械损耗 ，额定负载时的附加损耗 ，试计算各种功率和转矩。,同步角速度,转子机械角速度,总机械功率,电磁功率,负载制动功率,空载制动功率,电磁转矩,或者,第四节 三相异步电动机的工作特性及其测取方法,一、工作特性的分析,1、转速特性,当电机处于空载运行时，电机转速接近于同步转速； 当电机负载增加时，转速略为下降，转子电流加大； 电机在额定负载时转差率为1.55，
12、电机由空载到额定负载转速变化很小。,2、定子电流特性,根据电机磁动势平衡方程,当电机处于空载运行时，定子电流几乎全部是励磁电流； 当电机负载增加时，转子电流加大，定子电流也相应增加；,磁动势方程式,3、功率因数特性,当电机处于空载运行时，定子电流几乎全部是励磁电流，功率因数很低； 当电机负载增加时，转子电流加大，定子电流中的有功分量逐渐增大； 当负载超过额定值时，转子的功率因数变小，转子的电流的无功分量开始增加，功率因数开始下降。,4、电磁转矩特性,5、效率特性,由于异步电机在负载不超过额定值时，转速变化很小，因此电磁转矩近似和输出功率P2成正比。,和变压器一样，异步电机的损耗可以分为不变损耗
13、（铁耗）和可变损耗（铜耗）两个部分： 当电机空载时，输出为零，电机此时效率非常低； 随着电机负载加大，可变损耗开始上升，但相对输出功率增加较慢，电机效率上升； 随着电机负载进一步加大，可变损耗开始较之输出功率增加变快，电机效率开始下降。,二、工作特性的求取,工作特性的求取 可以用直接负载法，通过做实验求取；也可以利用等效电路进行计算。,第五节 三相异步电动机参数的测定,异步电机中有两种参数： （1）空载励磁参数：励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗 （2）堵转参数：定子电阻、定子漏抗、转子电阻、转子电抗,1、空载试验,试验条件： （1）轴上不带任何负载； （2）异步电动机在额定频率下运行； （3）电压
14、从1.11.3倍额定值逐渐降低，直到转速发生明显的变化（转差率明显增大） 获得数据： 端电压、空载电流、空载功率、转速,一、空载试验及空载时参数的确定,2、励磁参数与铁耗及机械损耗的确定,异步电机空载时，输入功率补偿定子铜耗、铁耗、机械损耗：,铁耗正比于电压平方，做出铁耗与机械损耗之和与电压平方的曲线； 延长该曲线与纵轴的相交，该交点所对应的只就为机械损耗值； 剩余部分就是铁耗值；,异步电机空载时，转差率近似为零，负载引起的附加电阻为无穷大，等效电路开路：,二、堵转试验及堵转时参数的确定,1、堵转试验,异步电机堵转时，转差率s1，附加电阻为零，转子短路： 实验条件： 电压从0.4倍额定值逐渐降
15、低 获得数据： 堵转电压、堵转电流、堵转功率,忽略励磁支路，忽略定子中的铁耗，机械损耗为零。输入功率完全用于抵消定转子铜耗。,从异步电机堵转时的等效电路可知,根据不同的电机极对数、功率等级可以将电抗值分离。,第六节 三相异步电动机的转矩与转差率的关系,异步电机中电磁转矩计算为,在近似等效电路中,所以得到电磁转矩计算公式为,临界转差率sm,最大转矩,几点讨论： （1）电磁转矩随着转差率变化时，存在最大值：,（2）当电机各个参数不变时，最大电磁转矩与电压平方成正比，但临界转差率不变： （3）当电源电压和频率不变时，最大电磁转矩近似与X1+X2成反比 （4）最大电磁转矩与转子电阻无关，但通过改变转子电阻能够改变临界转差率，这对于增加异步电机的启动转矩格外重要。,本学期课程全部结束 谢谢各位同学！,