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1、7.1 异步电动机结构与工作原理,7.2 三相异步电动机转子不转、转子绕组开路时的电磁关系,第 7 章 异步电动机原理,7.3 三相异步电动机转子堵转时的电磁关系,7.4 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系,7.5 三相异步电动机的功率与转矩,7.6 三相异步电动机的机械特性,7.7 三相异步电动机的工作特性,7.8 三相异步电动机参数的测定,一、异步电动机的用途和分类,1.用途：非常广泛（工业、农业、民用）,2.分类,按定子相数分：单相异步电动机、三相异步电动机,按转子结构分：绕线式异步电动机,7.1 异步电动机结构与工作原理,鼠笼式异步电动 机,按有无换向器分：有换向器异步电动机,无换向器
2、异步电动机,定子铁心,机座,转 轴,转子铁心,转子绕组,（空气隙）,定子绕组,二、三相异步电动机的基本结构,1.定子部分,定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。,定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。,2.转子部分,转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸 导条，形成一个多相对称短路绕组。 2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。,3.气隙,二、三相异步电机的结构,绕线转子异步电机剖面图
3、1转子绕组 2段盖 3轴承 4定子绕组 5转子 6定子 7集电环 8出线盒,1、定子,异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。,定子冲片,定子线圈,2.按转子结构分：,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,下面是它主要部件的拆分图。,右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。,鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图,三相绕线型转子结构图,3、气隙,四、三相异步电动机的基本工作原理,(1)电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,(2)磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。,(3)电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电
4、能转化为机械能。,1.转动原理,定子绕组通入三相交流电流,旋转磁场,切割转子绕组,转子绕组产生异步电势,转子中产生异步电流,转子电流与磁场作用,产生电磁转矩,运转,四、三相异步电动机的基本工作原理,2.转差率,转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：,转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,转子未转动时，,电机理想空载时，,作为电动机，转速在,范围内变化，转差,负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：,额定运行时，转差
5、率一般在0.010.06之间，即电机转速接近同步速。,率在01范围内变。,3.异步电动机的三种运行状态,根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态,五、异步电动机的铭牌数据,异步电动机的铭牌,额定值关系有：,额定值,1.额定值,三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。,2.接线,一、电磁物理过程,7.2 异步电动机定子加电压、转子开路时的电磁关系,二、主、漏磁通的分布,异步电动机的旋转磁场,二、主、漏磁通的分布,主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁
6、心气隙转子铁心气隙定子铁心。主磁通起传递能量的作用。,除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。,漏磁通,主磁通,三、感应电动势,1.主磁通感应电动势,定子感应电动势：,转子感应电动势：,电压变比（电势变比）：,2.漏磁通感应电动势,为定子绕组的漏电抗,励磁电流i0,励磁电流分量ior,铁损电流分量ioa,产生磁通。,它与磁通同相位，是无功分量。,产生铁心损耗。,在数值上，一般有ior i oa。,用向量表示励磁电流,励磁电流与主磁通的夹角称为铁损角。,它与磁通垂直，是有功分量。,3.励磁电流,则主感应电动势也可以用阻抗压降来代替：,为励磁
7、阻抗,为励磁电阻,为励磁电抗,四、电压平衡方程式,为励磁阻抗,为励磁电阻,为励磁电抗,为定子绕组阻抗,为定子绕组电阻,为定子绕组漏电抗,1.,2.,五、等值电路,7.2 异步电动机定子加电压、转子开路时的电磁关系,由于转子静止不动，定子磁动势切割转子的转速与切割定子的转速相同，因此转子电动势以及电流的频率也为,转子磁势的转速为：,转向与定子相同，因此定、转子磁势相对静止,一、定、转子磁势相对静止 如异步电机的极对数为p，电源频率为，则定子磁动势的转速为：,7.3 三相异步电动机转子堵转时的电磁关系,二、电磁物理过程,各磁动势分别为：,三、磁势平衡方程式,为定子磁动势中的励磁分量,为定子磁动势中
8、的负载分量,则,为异步电机的电流比,用电流形式表示的磁势平衡方程式为,三、电动势平衡方程式,为励磁阻抗,为励磁电阻,为励磁电抗,为定子绕组漏阻抗,为定子绕组电阻,为定子绕组漏电抗,为转子绕组漏阻抗,为转子绕组电阻,为转子绕组漏电抗,四、转子绕组的折算,1.折算的定义,将转子绕组用一个与定子绕组具有相同相数、相同的匝数和相同的绕组系数的等效绕组来代替。,2.折算原则:,折算前后磁动势不变,功率、损耗不变。,3.方法,(1)电流的折算:,折算前后磁势不变,(2)电动势的折算,(3)阻抗的折算,折算前后功率、损耗不变,同理，漏抗的折算为：,总结：,4.折算后的基本方程式,五、转子堵转时的等效电路,转
9、子堵转时的T型等效电路,1.转子堵转时的T型等效电路,五、转子堵转时的等效电路,转子堵转时的“一”型等效电路,2.转子堵转时的“一”型等效电路,由于漏阻抗远远小于励磁阻抗,一、转子绕组的电势,转子以转速n旋转时旋转磁场相对于转子的转速为 ,转子绕组中的感应电势和电流的频率为：,转子旋转时的感应电势和漏电抗分别为：,7.4 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系,二、定、转子磁势仍然相对静止,定子电流的频率为，定子磁势的转速为,转子的转速为n，转子电流的频率为，则转子磁势的相对于转子的转速为：,转子相对于定子的转速为:,则转子磁势相对转速为：,因此，当转子旋转时，定、转子磁势仍然相对静止。（磁势关系
10、同堵转）,各磁动势分别为：,*磁势平衡方程式,为定子磁动势中的励磁分量,为定子磁动势中的负载分量,则：,为异步电机的电流比,用电流形式表示的磁势平衡方程式为,三、转子旋转时电磁物理过程,7.4 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系,四、电动势平衡方程式,为励磁阻抗,为励磁电阻,为励磁电抗,为定子绕组漏阻抗,为定子绕组电阻,为定子绕组漏电抗,五、频率折算,用静止的转子代替旋转的转子使定、转子电路的 频率相等。,折算原则：折算前后磁势的大小和相位不变。 如果要保持磁势的大小和相位不变，必须保证折算前后电流的大小和相位不变。,折算前转子电流为：,等式右边分子、分母同除以s可得：,折算前后转子电流的大小
11、和相位,因此转子电流的大小和相位均未改变，磁势不变。,转子回路的电阻由变为：,的物理意义：总的机械功率的等效电阻。,转子回路的电阻由变为：,转子电流的大小和相位均未改变，磁势不变。,7.4 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系,六、转子绕组的折算,1.折算的定义,相当于将转子绕组的相数 和有效匝数 变换为定子绕组的相数 和有效匝数 。,2.折算原则:,折算前后磁势不变,功率、损耗不变。,3.方法,(1)电流的折算:,折算前后磁势不变,则,(2)电动势的折算,静止时,(3)阻抗的折算,折算前后功率、损耗不变,同理，漏电抗的折算为：,七、经过频率折算、绕组折算后,1.异步电机的基本方程式为：,2.异
12、步电动机的T型等效电路：,从等效电路分析可知:,(3)三相异步电动机的功率因数永远滞后。,(4)附加电阻不能用电感或电容来代替。,(5)在等效电路中负载的变化是用转差率s来体现的。,(1)电机不转时，,总机械功率为,零,电路处于短路状态。,(2)理想空载时，,功率近似为零，电机相当于开路。,总机械,3、相量图,3、相量图,八、鼠笼转子,相数为,根鼠笼条,每相绕组匝数为,每相绕组系数为,、异步电动机的功率和损耗,1.输入功率,定子铜耗,铁耗,2.电磁功率,7.5 三相异步电动机的功率与转矩,3.机械功率,转子铜耗,、异步电动机的功率和损耗,机械损耗,附加损耗,5.轴上输出功率,4.电磁功率、转子
13、铜耗和机械功率之间的关系为,各种功率和损耗在T型等效电路的反映,二、异步电动机的转矩,1.转矩平衡方程式,两边同时除以角速度,其中：,电磁转矩又等于：,2.电磁转矩,4.轴上输出转矩,3.空载转矩,则可得：,三、电磁转矩的物理表达式,三相异步电动机的主磁通 与转子电流之间存在耦合，从而导致异步电动机转矩控制的复杂性。而对于直流电机，转矩表达式 ： ，其主磁通与转子电枢电流之间是解耦的，因而直流电机的转矩控制较为简单。,上式说明异步电机的电磁转矩与一个极距范围内的最大磁通成正比，与转子电流成正比，与转子的功率因数成正比，也即与转子电流中的有功分量成正比。物理表达式常用于定性分析。,三相异步电动机
14、的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用 表示。,7.6 三相异步电动机的机械特性,一、物理表达式,上式说明异步电机的电磁转矩与一个极距范围内的最大磁通成正比，与转子电流成正比，与转子的功率因数成正比，也即与转子电流中的有功分量成正比。物理表达式常用于定性分析。,二、参数表达式,由简化的等效电路可知：,代入电磁功率的 计算公式中,1. 公式推导,电磁转矩,2.电机的机械特性曲线,或,三相异步电动机的机械特性曲线,2.电机的机械特性曲线,或,(1)起动点,2.电机的机械特性曲线,或,(2)同步点,(3)额定点,(4)
15、临界点：,最大电磁转矩,临界转差率,最大电磁转矩,代入电磁转矩的计算公式可得最大电磁转矩,称为临界转差率,正号时对应电动机状态，负号时对应发电机状态。,由于,结论：,成反比。,*最大电磁转矩和临界转差率均近似与,*最大电磁转矩与转子电阻无关，临界转差率与转子电阻成正比；,*最大电磁转矩与电源电压的平方成正比，临界转差率与电压无关；,*过载倍数,三、实用表达式,2. 、 实用公式,1.公式：由参数表达式可推得：,7.6 三相异步电动机的机械特性,根据求出的临界转差率sm和最大电磁转矩Tm，可以进行机械特性的计算。,2. 、 实用公式,四、异步电机的固有和人为机械特性,1、固有机械特性,说明特性上
16、的各特殊点,(1)同步转速点A 同步转速点又称理想空载点，在该点处：s=0，n=n1，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电动机处于理想空载状态。 (2)额定运行点B 在该点处：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状态。,(3)临界点C 在该点处：s=sm，T=Tm，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。Tm是异步电动机回馈制动状态所对应的最大转矩。 (4)起动点D 在该点处：s=1，n=0，T=Ts，I=Is。,1、固有机械特性,四、异步电机的固有和人为机械特性,2、人为机械特性,（1）降低定子电压U1的人为特性,最大电磁转矩Tm和起动转矩
17、Ts与定子电压的平方成正比，临界转差率sm与定子电压无关，同步转速不变。,(2)转子串对称电阻时的人为机械特性,转子串电阻时电机的同步转速以及最大电磁转矩不变，临界转差率与转子回路的总电阻成正比。,(3)定子电路串对称电阻或电抗,定子电路串对称电阻或电抗时异步电机的同步转速不变，但最大电磁转矩和临界转差率均减小。,一、转差率特性,空载时，,额定负载时，,7.7 三相异步电动机的工作特性,二、效率特性,pFe和pm为不变损耗，pcu1和pcu2以及ps为可变损耗，与变压器相同，当不变损耗等于可以可变损耗时，效率最高。,7.7 三相异步电动机的工作特性,三、功率因数特性,空载时，,增大，而主要为有
18、功分量，故功率因数随 负载的增大而增加。,主要为无功分量，空载时异步电动机,负载时，,随的增大而,7.7 三相异步电动机的工作特性,功率因数很低，只有0.2左右。,四、转矩特性,随输出功率的增大而减小，,微微上翘。,7.7 三相异步电动机的工作特性,五、定子电流特性,空载时，,，大约额定电流的2040%。,负载时，,， 随输出功率的增加,7.7 三相异步电动机的工作特性,而增大。,7.7 三相异步电动机的工作特性,三相异步电动机的工作特性,一、空载实验,通过空载实验可以测得异步电动机的励磁电阻,、励磁电抗,1、空载特性I0、P0f(U0)如图所示。,7.8 三相异步电动机参数的测定,2、机械损耗和铁耗的分离,做曲线,由于电动机的机械损耗pm与定子电压无关，仅与转子的转速有关。而异步电动机的转速变化很小，因此，机械损耗可近似看成是常数。而铁心的铁耗与电压的平方成正比，因此上式又可写成,曲线 与纵坐标的交战即为机械损耗。,3、计算励磁参数,由于空载时，转子支路可近似看成开路，,因此：,二、堵转实验,异步电机的堵转实验也即短路实验可测得异步电机的短路阻抗、转子的电阻以及定子和转子的漏电抗。,1、短路特性Ik，Pk=f(Uk),2、短路参数计算,短路时的等效电路图,本章结束！,