相异步电动机的运行原理

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1、0-10-1概述概述 要求：掌握异步电机稳态分析的基本方要求：掌握异步电机稳态分析的基本方 法法-等效电路法等效电路法异步电动机分析中，主要涉及四个量，异步电动机分析中，主要涉及四个量，（输入能量的）电端口：电压与电流（大（输入能量的）电端口：电压与电流（大 小与相位）；小与相位）；要解决的问题：要解决的问题：主要是知道电压与输出功率求电流、求转主要是知道电压与输出功率求电流、求转速的问题；或已知电压和转速求电流和功速的问题；或已知电压和转速求电流和功率。率。（输出能量的）机械端口：功率和转速（输出能量的）机械端口：功率和转速 （或转矩与转速）（或转矩与转速）为解决上述问题仍用等效电路法，为解

2、决上述问题仍用等效电路法，要设法找出与变压器相似的等效电路。要设法找出与变压器相似的等效电路。等效电路方面的要求：等效电路方面的要求：1 1）如何得到等效电路、掌握绕组归算）如何得到等效电路、掌握绕组归算与频率归算；与频率归算；2 2）等效电路各元件代表什么？对那些）等效电路各元件代表什么？对那些量等效；量等效；为了得到等效电路的过程，主要解决以下三个问题：为了得到等效电路的过程，主要解决以下三个问题：1 1）设法用静止转子等效旋转的转子，以便借用变压器）设法用静止转子等效旋转的转子，以便借用变压器的分析方法的分析方法2 2）在气隙磁场作用下，定转子绕组的感应电势之间的）在气隙磁场作用下，定转

3、子绕组的感应电势之间的关系，引入电压变比关系，引入电压变比3 3）定转子电流产生的磁势如何合成，引入电流变比）定转子电流产生的磁势如何合成，引入电流变比 仿照变压器的思路得到等效电路仿照变压器的思路得到等效电路 0-30-3基本思路基本思路 首先分析仅仅定子有电流而转子没有首先分析仅仅定子有电流而转子没有电流的情况电流的情况理想空载，转子不带负理想空载，转子不带负荷，忽略摩擦，转速等于同步速荷，忽略摩擦，转速等于同步速 思考：转子有无感应电势，定子电流是思考：转子有无感应电势，定子电流是 什么电流？什么电流？然后分析，转子堵转转子绕组短路然后分析，转子堵转转子绕组短路 的情况；的情况；最后分析

4、，静止转子代替旋转转子后最后分析，静止转子代替旋转转子后 的等效定子的等效定子规定了定、转子各相电气物理量的正方向；规定了定、转子各相电气物理量的正方向；规定磁动势、磁通从定子出转子进为它们的规定磁动势、磁通从定子出转子进为它们的正方向；正方向；确定了定转子空间坐标，并假设转子确定了定转子空间坐标，并假设转子 轴在定子轴在定子 轴前方轴前方 空间电角度。空间电角度。01+A2A 1 1）定、转子绕组电流、电动势及端电压的正）定、转子绕组电流、电动势及端电压的正方向；方向；3 3）磁动势、磁通密度从定子内园出来进入）磁动势、磁通密度从定子内园出来进入气隙气隙为正为正（定子铁心内园表面（定子铁心内

5、园表面N N极为正）。极为正）。2 2）绕组轴线的正方向：与电流、电动势成右）绕组轴线的正方向：与电流、电动势成右手螺旋关系手螺旋关系,并假设转子并假设转子A A相绕组轴线相绕组轴线 在定子在定子A相绕组轴线相绕组轴线 前方前方 空间电角度；空间电角度；01+A2A气隙磁密气隙磁密旋转方向旋转方向1X1A2X2A1nn1201A01A02A02A1U2U2I1I1E1A1B2BC1X1Z2X2Y2ZY11EC221.1.异步电动机的主磁通和定子漏磁通：异步电动机的主磁通和定子漏磁通：主磁通主磁通 和变压器一样起到传递能量的媒介作用；和变压器一样起到传递能量的媒介作用；路径：定子路径：定子 气隙

6、气隙 转子转子 气隙气隙 定子。定子。m定子漏磁通定子漏磁通 不起传递能量的媒介作用，只起电抗压不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的作用；包括：槽部漏磁通、端部漏磁通降的作用；包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和谐波磁通和谐波磁通1s 由于转子开路，转子无电流，因此定由于转子开路，转子无电流，因此定子三相电流产生合成基波旋转磁动势用于子三相电流产生合成基波旋转磁动势用于建立主磁场建立主磁场 ，因此这个磁动势亦称为励，因此这个磁动势亦称为励磁磁动势（其特点参考三相对称交流绕组磁磁动势（其特点参考三相对称交流绕组产生旋转磁动势章节内容）。产生旋转磁动势章节内容）。和变压器一、二次绕组感应电动势的推导和

7、变压器一、二次绕组感应电动势的推导类似，得定转子每相电动势有效值的大小：类似，得定转子每相电动势有效值的大小：11114.44dpmEfWk22224.44dpmEf W kek111222dpedpN kEkEN k这样得到定转子每相电动势变比这样得到定转子每相电动势变比 转子位置位于对应的定子位置前方转子位置位于对应的定子位置前方 空间电角度，用相量空间电角度，用相量 、表示时，可表示时，可得：得：1E2E0012jeEk eE定子回路电动势平衡方程：定子回路电动势平衡方程：1101110101101 sUEI REEI RjI XEI Z 111ZRjX 定子一相绕组的漏阻抗定子一相绕组

8、的漏阻抗 与变压器分析时一样，如果用励磁电与变压器分析时一样，如果用励磁电流流 在参数在参数 上的压降表示上的压降表示 ，则：，则：0I1EmZ100()mmmEIRjXI ZmmmZRjX励磁阻抗；励磁阻抗；定子一相电动势平衡式为：定子一相电动势平衡式为：1101001101()()()mmmUEI ZI RjXI RjXI ZZ22UE转子回路开路，转子回路电动势平衡方程：转子回路开路，转子回路电动势平衡方程：0I2A1A12,jj002E1E2B0F01U0I1R1jX1EmRmjX时空相矢图和等效电路：时空相矢图和等效电路：第二节第二节 转子堵转时的电磁关系转子堵转时的电磁关系A2X2

9、+A22E2I异步电机转子物理量正方向异步电机转子物理量正方向1.1.转子漏磁通转子漏磁通2.2.转子回路电压方程转子回路电压方程22222220=E-I R+jX=E-IZ2222EI=R+jX222X=arctanR3.3.转子磁动势转子磁动势（1 1）幅值）幅值2dp222N k3 42F=I2 2P（2 2）转向）转向222A B C（3 3）转速）转速212160f60fn=nPP（4 4）瞬间位置见下图）瞬间位置见下图BA1 12A0200200j21j11EE2 2I2 21j2I2 2180 0 212A 290 2102FB 2180 0 1A2A1j2j1A2A1j2j0

10、0 2 2(90)2101E2E2F2IB 1 2 1F2F结论：结论：与与 在定子内圆空间同转速、同转向，在定子内圆空间同转速、同转向，即相对静止。即相对静止。由于转子堵转，由于转子堵转，频率也为频率也为 ；旋旋转速度为转速度为2F1f1216 0 fn=np2F根据全电流定律知道，产生气隙磁密根据全电流定律知道，产生气隙磁密 的磁的磁动势是作用在磁路上的所有磁动势的总和。即动势是作用在磁路上的所有磁动势的总和。即认为合成磁动势产生气隙磁密：认为合成磁动势产生气隙磁密：B120F+F=F0F1A2A2F2I1j2j1E2E2(9 0)B211把把 轴和轴和 轴人为的重轴人为的重合，这就是所谓

11、的转子位合，这就是所谓的转子位置角的折合置角的折合1+A2+A1+A把把 轴和轴和 轴人为的重轴人为的重合，这就是所谓的转子位合，这就是所谓的转子位置角的折合置角的折合2+A1+A6.6.转子绕组的折合转子绕组的折合由于异步电机定、转子之间没有电路上的联系，由于异步电机定、转子之间没有电路上的联系，仅有磁动势之间的联系仅有磁动势之间的联系,这点和变压器的情况这点和变压器的情况类似。类似。120F+F=F1 dp12dp21 dp1120NkN kNk3 423 423 42I+I=I2 2P2 2P2 2P.111114222dpN KmFIp.2222242.22dpN KmFIp.1110

12、042.22dpN KmFIp 转子角折合以后，在时空相矢图中肯定有转子角折合以后，在时空相矢图中肯定有 和和 、和和 、和和 都相互重合的关系这都相互重合的关系这样就有：样就有：.2I2F.1I1F.0I0F.112211121120424242.222222dpdpdpN KN KN KmmmIIIppp 根据根据 ，得：，得：120FFF111222dpidpm N Kkm N K.120III.2222221111dpdpim N KIIIm N Kk简化后有：，其中：式中，称为电流比。最后给出转子侧电流、电动势和阻抗的折最后给出转子侧电流、电动势和阻抗的折合结论：合结论：112222

13、2dpedpN KEEk EN K.2222221111dpdpim N KIIIm N Kk22eiRk k R22eiXk k X11111()UEI RjX 10()mmEIRjX 12EE2222()EIRjX120III1R1jX2R2jXmRmjX1U1I2I12EE0I转子堵转、转子绕组短路时的效电路转子堵转、转子绕组短路时的效电路2A1A12,jj1UB12EE2I2F20I1I1E1.1F2I.2F0F22I R22jI X11I R11jI X1转子堵转、转子绕组短路转子堵转、转子绕组短路时的矢量图时的矢量图基本电磁关系示意图：基本电磁关系示意图：由于由于 相对定子的转速为

14、相对定子的转速为 ；那么那么 相对定子的转速为？相对定子的转速为？另外，那么另外，那么 与与 还会保持静止吗？还会保持静止吗？请思考请思考2F1I1F1n2I1F2F1nn2I2F当转子旋转起来后（当转子旋转起来后（），转子中仍会感应），转子中仍会感应电流电流 ，产生转子磁动势，产生转子磁动势 。结论：结论：无论转子旋转与否，转子磁动势无论转子旋转与否，转子磁动势 相对于定子磁动势相对于定子磁动势 总是静止的，总是静止的，也就是说转子磁动势也就是说转子磁动势 的转速总是为的转速总是为 。下面我们首先具体分析转子旋转时磁动势下面我们首先具体分析转子旋转时磁动势 1F2F2F1n2F 1 1）转子

15、电流的频率转子电流的频率 ：其频率取决于气隙旋转磁场切割转子其频率取决于气隙旋转磁场切割转子绕组的相对转速：绕组的相对转速：，即，即 ：2f211nnnsn21216060p np snfsfs150f 21 2.5f 异步电动机额定负载时异步电动机额定负载时 通常在通常在0.020.020.050.05范围范围内，由此可知：转子旋转时转子感应电势和电内，由此可知：转子旋转时转子感应电势和电流的频率很低，当流的频率很低，当 HzHz时，时，HzHz。2 2）磁动势）磁动势 的转速的转速 ：2F2n 相对于转子转速为：相对于转子转速为：，2F221160/nfpsnnn速速 加上转子转速加上转子

16、转速 ，即：，即：。结论：结论：相对于定子的转速就为：相对于定子的转速就为：相对于转子转相对于转子转2F2F2nn211nnsnnn 不论转子静止还是旋转，与 在空间上总相对静止，都以同步速 旋转，所以得稳定的磁动势平衡关系：1F2F120FFF1n1I1FB121E1sE1111 1sUE EIR 2F1 s1m相2m相1()f2()f1()n1()n01()F n1()f2()f2sE2sI1()f2s s2()f1()f1()f2()f2()f2s sE1()n2222()ssssEIRjX11111()UEI RjX 2222222()()ssssssEIRjXIRjX1U1I1R1j

17、X1E2sE2sI2R2sjX21fsf1f21fsf2 2）转子电阻：）转子电阻：；转子漏电抗和频率成正；转子漏电抗和频率成正比，因此有：比，因此有：转子电动势大小转子电动势大小和频率成正比，因此有：和频率成正比，因此有：22sRR22212222sssXf Lsf LsX212224.44sdpmEsf N ksE说明：说明：1 1）转子回路的频率为：）转子回路的频率为：；转子磁动势是由转子电流产生的，那么要转子磁动势是由转子电流产生的，那么要保持折合前后转子磁动势不变，必然有折合前保持折合前后转子磁动势不变，必然有折合前后转子电流有效值和相位不变的关系（只是频后转子电流有效值和相位不变的

18、关系（只是频率改变了）：率改变了）：22222222222()ssssEsEEIIRjXRjsjXRjXs11()sff由于式中：由于式中：，转子旋转时和转子堵，转子旋转时和转子堵2221RsRRss转时相比，转时相比，只在转子绕组等效电路中多了只在转子绕组等效电路中多了 项。项。21sRs仿照上一节（转子堵转）的分析方法，进行仿照上一节（转子堵转）的分析方法，进行转子的空间位置、相数、有效匝数的折合，可转子的空间位置、相数、有效匝数的折合，可得到相应的基本方程式得到相应的基本方程式 经过转子绕组位置角、相数、有效匝数经过转子绕组位置角、相数、有效匝数和和频率频率的折合后，转子绕组电动势和定子

19、绕组的折合后，转子绕组电动势和定子绕组电动势就完全相同了。这样可以把前面定转子电动势就完全相同了。这样可以把前面定转子回路分离的等效电路统一起来，得到如下的异步回路分离的等效电路统一起来，得到如下的异步电动机的电动机的“T”T”型等效电路。型等效电路。11111()UEI RjX 10()mmEIRjX 12EE120III2222()REIjXs1R1jX2R2jXmRmjX1U1I2I12EE0I21 sRs1R1jX2R2jXmRmjX1U1I21sRs1R1jX0I2I1UB12EE2I20I1I1E12I22RIs22jI X11I R11jI X1 本章前面是以绕线型电机为例来分本

20、章前面是以绕线型电机为例来分析的，这种电机转子在设计制造时就析的，这种电机转子在设计制造时就确定了极对数、相数、有效匝数等数确定了极对数、相数、有效匝数等数据。据。1BX1A1A12e2i2F290鼠笼转子的问题鼠笼转子的问题对于两极鼠笼式电机得到如下关系：对于两极鼠笼式电机得到如下关系：1 1）转子极对数自动恒等于定子极数；）转子极对数自动恒等于定子极数；2 2）转子相数）转子相数 的确定：转子导条数的确定：转子导条数如能整除极对数，则其商就位相数，如如能整除极对数，则其商就位相数，如不能整除，则导条数就位相数；不能整除，则导条数就位相数；3 3）转子的有效匝数：）转子的有效匝数：2m222

21、22111 122dpdpN kN kk 当转子堵转时，当转子堵转时，此，此时无机械功率输出；时无机械功率输出；1s 210sRs21sRs1 1）等效电路中）等效电路中 为机械功率的等效电阻为机械功率的等效电阻：旋转时旋转时 ，此时有机械功率输出，此时有机械功率输出，即即 对应的功率等于对应的功率等于总总机械功率。机械功率。210sRs1s 21221sm IRs 空载时，空载时，转子绕组转子绕组 2)2)旋转的异步电动机和一台副边绕组接有旋转的异步电动机和一台副边绕组接有电阻负载的变压器相似：电阻负载的变压器相似：1nn0s 21sRs 时，即刚起动瞬间，时，即刚起动瞬间，相当，相当1s

22、210sRs于副边短路的变压器；于副边短路的变压器；近似开路，相当于空载运行的变压器。近似开路，相当于空载运行的变压器。3)3)机械负载的变化在等效电路中由转差率机械负载的变化在等效电路中由转差率的变化来体现：的变化来体现：，ns21sRs2I1ImP电动机从电源吸收更多的电功率电动机从电源吸收更多的电功率。4 4）总是滞后总是滞后 ，所以异步电动，所以异步电动机功率因数机功率因数 总是滞后的。原因是总是滞后的。原因是异步电动机只能从电网吸收感性无功功率异步电动机只能从电网吸收感性无功功率来建立主磁场和漏磁场。激磁电流来建立主磁场和漏磁场。激磁电流 愈愈大，所需感性无功亦愈多，功率因数亦愈大，

23、所需感性无功亦愈多，功率因数亦愈低。低。1I1U0I1cos5 5）异步电动机和变压器有相同形式的）异步电动机和变压器有相同形式的等效电路，但是它们对应的参数数值相等效电路，但是它们对应的参数数值相差较大：异步机的漏抗参数相对于变压差较大：异步机的漏抗参数相对于变压器的要大；异步机的激磁电抗参数相对器的要大；异步机的激磁电抗参数相对于变压器的要小。于变压器的要小。课堂习题课堂习题 23-8已知绕线型异步电机，定、转子有已知绕线型异步电机，定、转子有效匝数比为效匝数比为 。今将定、转。今将定、转子绕组如图接线方式联结起来，把转子子绕组如图接线方式联结起来，把转子卡住不转，转子绕组接在三相对称电源

24、卡住不转，转子绕组接在三相对称电源上，求在空载时：上，求在空载时：（1 1）转子绕组轴线滞后定子轴线）转子绕组轴线滞后定子轴线角角时，定子输出电压时，定子输出电压U U2 2是多少（忽略励磁是多少（忽略励磁电流在转子里引起的漏阻抗压降）？电流在转子里引起的漏阻抗压降）？1122dpdpN kkN k（2 2）要想获得）要想获得U U2 2为最大或最小，为最大或最小，应如何安排转子的位置？应如何安排转子的位置？23-1123-11一台三相绕线型异步电机，定子绕组接在一台三相绕线型异步电机，定子绕组接在三相对称电源上，今由另一台原动机拖动此异三相对称电源上，今由另一台原动机拖动此异步电机，并使它的

25、转速步电机，并使它的转速n n超过同步速超过同步速n n1 1，并且，并且n n与与n n1 1转向相同。已知定子绕组漏阻抗，转子不转向相同。已知定子绕组漏阻抗，转子不转时漏阻抗。分析：转时漏阻抗。分析：（1 1）气隙磁通密度在定、转子绕组中感应电动）气隙磁通密度在定、转子绕组中感应电动势的频率；势的频率；（2 2）定、转子绕组感应电动势的相序；）定、转子绕组感应电动势的相序；（3 3）画出转子的时空相矢量图；）画出转子的时空相矢量图；（4 4）把转子磁动势画在定子的空间矢量图上，）把转子磁动势画在定子的空间矢量图上，作出定子的空间矢量图；作出定子的空间矢量图；（5 5）画出定子的时空相矢量图

26、；）画出定子的时空相矢量图；（6 6）作用在转子上的电磁转矩是拖动转矩还）作用在转子上的电磁转矩是拖动转矩还是制动转矩；是制动转矩；（7 7）这时异步电机的电磁功率流动方向如何？）这时异步电机的电磁功率流动方向如何？23-18 一台绕线型异步电机：一台绕线型异步电机：（1 1）定子通三相交流电，其频率为）定子通三相交流电，其频率为f f1 1，产生逆时针旋转磁场，同步速为产生逆时针旋转磁场，同步速为n n1 1，转子，转子绕组短路，求转子的转向；绕组短路，求转子的转向；（2 2）转子绕组通入频率为）转子绕组通入频率为f f2 2的三相交流的三相交流电，产生相对转子逆时针旋转磁场，其电，产生相对

27、转子逆时针旋转磁场，其同步速为同步速为n n2 2，定子绕组短路，求转子的转定子绕组短路，求转子的转向；向；（3 3）如果定子绕组通入频率为）如果定子绕组通入频率为f f1 1三相交三相交流电，其旋转磁场相对定子以同步速为流电，其旋转磁场相对定子以同步速为n n1 1逆时针旋转，同时向转子绕组通入频率为逆时针旋转，同时向转子绕组通入频率为f f2 2、相序相反的三相交流电，其旋转磁场、相序相反的三相交流电，其旋转磁场相对转子的同步速为相对转子的同步速为n n2 2，求转子的转向及，求转子的转向及转速转速n n。233 一台已经造好的异步电动机，其主磁通的大小与什么因素有关？234 如果电源电压不变，则三相异步电机的主磁通的大小与什么因素有关？2315 异步电机运行时，为什么总是从电源吸收滞后性的无功电流？2316 绕线型异步电机定子加三相电压，将转子上两个集电环并联后，在此二集电环与第三集电环之间加直流电压，问此电机能否运行？运行状态时同步电机状态，还是异步电机状态？232317 17 绕线型式异步电机转子绕组的绕线型式异步电机转子绕组的相数、极对数总是设计得与定子绕组相数、极对数总是设计得与定子绕组相同，鼠笼型异步电机的转子相数、相同，鼠笼型异步电机的转子相数、极对数又是如何确定的呢？与鼠笼条极对数又是如何确定的呢？与鼠笼条的数量有关吗？的数量有关吗？