电力拖动与控制——交流电动机

u1 i1 e1 R1 X1 R2 X2 e2

i2

其有效值为：E1＝4.44Kf1N1Φ
其中，E1——定子感应电势的有效值；
三相异步电动机的一相电路图
K ——绕组系数； f1 ——定子感应电势的频率。f1＝f (定子频率)
f1
n0 p Hz 60
定子电路的分析

漏磁通及漏磁电动势。漏磁通ΦL1，是不经过磁路的， 与定子绕组和转子绕组不交链的磁通。漏磁通相应产 di1 生的电动势为： e L1 L L1
由于R1和X1较小， U1 E1
U1＝E1
§2.2.2 转子电路分析



异步电动机的转子在定子接正弦交流电后，产生旋转磁 场，在定子和转子中感应电势，从而在转子中产生转子 电流，转子电流在旋转磁场的作用下，产生电磁转矩。 转子电动势e2、转子电流i2、转子电流频率f2、转子电 路功率因数cosφ2、转子绕组的感抗X2以及它们之间的 相互关系： d 转子电势e2 ： e2 N 2

三相异步电动机的工作原理



转子旋转的速度n与旋转磁场的旋转速度n0不同，一般n＜ n0，正因为如此，称为异步电动机。 如果n＝n0，则转子与旋转磁场之间没有相对运动速度， 就不会产生感应电势，以及电流和电磁转矩。 异步电动机的转差率s：s＝（n0－n）/ n0 转差率是异步电动机的主要参数。运行段上的转差率很小 s＝1.5％～6％ 异步电动机的原理中，电能从定子绕组输入，通过电磁感 应的形式，以旋转磁场为媒介，通过气隙传递到转子绕组， 转子中的电能通过电磁力的作用变换成机械能输出。其中， 转子中的产生的感应电压、感应电流、电磁力均基于电磁 感应原理，所以，异步电动机又称为感应电动机。
定子的三相对称绕组接三 相电源电压； 三相定子绕组的电压产生 三相对称电流； 三相对称电流产生旋转磁 场，磁场方向沿着定子内 园周方向旋转；

三相异步电动机的工作原理
在旋转磁场中，转子绕组的导体切割磁场，产生感应 电势e2； 如旋转磁场顺时针方向，转子导体相当于逆时针方向 旋转，根据右手定则，转子绕组中产生的感应电压在 N极下方向向外； 感应电势e2在转子回路中产生转子电流i2； 转子电流在旋转磁场的作用下，根据安培电磁力定律 （左手定则），产生电磁力F；电磁力方向向右（顺 时针）；电磁力在转子轴上形成电磁转矩T，方向与 旋转磁场的方向相同；
2 R2 ( sX 20 ) 2
1
cos 转子功率因数：

R2 R X
2 2 2 2

R2
2 R2 ( sX 20 ) 2
cos 2
1 s
I 2 和 cos 2 与转差率s的关系
§2.2.3 三相异步电动机的额定值

电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额 定运行，通常用额定值来表示其运行条件。这些数据大部分 表明在电动机的铭牌上。使用时，必须看懂铭牌。电动机的 铭牌上通常有以下9个数据：


三相异步电动机的额定值

一般不标在电动机铭牌上的额定值有4个： 额定功率因数：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额 定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。 额定效率ηN：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定 功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，表达式：
三相异步电动机的能流图



转子铜耗ΔPCu2： Pe-ΔPCu2=Pm 电磁功率在转子中，消耗了转子铜耗，剩下为电动机的 机械功率Pm。转子的频率较低，转子铁心中交变磁化的 损耗即转子铜耗很小，可以忽略不计。 机械损耗功率ΔPm： Pm-ΔPm=P2 机械功率减去机械损耗功率之后，为电动机的输出功率 P2，即电动机的铭牌所标的额定功率。 P P 电动机的效率η： P P P

转子漏抗： X 2 2f 2 LL 2 2sf1 LL 2
n=0，s=1时， X 20 2f1 LL 2 此时， f 2 f1 转子感抗最大， X 2 SX 20

转子感抗与转差率有关。
I2
cos 2
I2


转子电流：
I2
E2 R X
2 2
2
2 2

sE 2

其有效值为：
E2＝4.44Kf2N2Φ
dt
其中，f2——转子电势或转子电流的频率。
p(n0 n) n0 n pn0 f2 sf 1 ( Hz) 60 n0 60
转子电路分析
转子频率与转差率有关，即与转速n有关。 n=0时，s=1（电动机启动），转子与旋转磁场之间 的相对转速最大。f2=f1， 异步电动机额定负载时，s=1.5%~6%, f2=(0.75~3Hz) n＝0，s＝1时，转子电势为：
§2.1.1 三相异步电动机的基本结构 三相交流电动机主要由定子、转子构成。 定子是静止不动的部分，主要产生旋转磁场； 转子是旋转部分，产生电磁转矩或感应电势。
三相异步电动机的基本结构
1、定子 定子由铁心、绕组、机座三部 分组成。 定子铁心：磁路。0.5mm的硅 钢片叠压而成，有槽、绝缘、 减少涡流损耗，槽内安放定子 绕组、铁心固定于机座。 定子绕组：电动机的电路，三 相对称，绕组AX、BY、CZ， 绕组有三角形、星型接法。 机座：固定、支撑作用。
N

PN 100% 3U N I N COS N
额定负载转矩TN：电动机额定转速下输出额定功率时轴上的 负载转矩。 线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电压。 通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。
§2.2.4 三相异步电动机的能流图
三相异步电动机的能量流程图反映了异步电动机的功 率和损耗之间的关系。 3U 1 I 1 cos 1 输入功率P1： P P1 1

式中，U1、I1、 cos 1 — 定子绕组 的线电压、线电流和功率因数。

ΔPFe1
Pe ΔPCu1 Pm ΔPCu2
定子铁耗和定子铜耗ΔPFe1和ΔPCu1

P1-ΔPCu1-ΔPFe1=Pe ΔPm P2 电动机的输入功率P1，在定子中损耗了 定子铜耗ΔPCu1和定子铁心的铁耗ΔPFe1，三相异步电动机的能流图 剩下的电功率Pe，借助于旋转磁场，通 过气隙从定子电路传递到转子电路，该 功率Pe称为电磁功率。

四对极旋转磁场
§2.2 三相异步电动机的定子电路和转子电路
§2.2.1 定子电路的分析 三相异步电动机的电磁关系与变压器 N 类似，定子绕组相当于变压器的原绕 e1 组（原边），转子绕组相当于变压器 e2 n0 副绕组（副边）。 定子绕组接三相电源电压（u1）； 绕组中产生三相定子电流（i1）； S 定子电流产生旋转磁场；旋转磁场中 定子和转子电路的感应电势 的定子、转子绕组中分别感应出定子 感应电势e1、转子感应电势e2（右手定 则），转子感应电势产生转子电流； 转子电流一方面也产生旋转磁场（与定子合成产生）,一 方面转子电流在磁场中产生电磁转矩。

2、转子

转子由铁心、转子绕组组成。 转子铁心：压装在转轴上，由硅钢片叠压而成，磁路。 定子铁心、气隙、转子铁心构成电机完整的磁路 转子绕组：有鼠笼式、线绕式两种。

鼠笼式的绕组是在转 子铁心槽里插入铜条， 将铜条的两端用铜环 焊连在一起，类似鼠 笼，小电动机的转子 绕组用铝离心浇铸而 成。
定子电路的分析

旋转磁场的磁感应强度是沿着气隙,近似的按正弦规律分布 磁场旋转时，通过定子每相绕组的磁通也符合正弦规律， 即φ＝Φmsinωt，Φm是通过每相绕组的磁通最大值，在数 值上等于旋转磁场的每极磁通Φ，即气隙中磁感应强度的 平均值与每极面积的乘积。
定子绕组中产生的感应电势为： d e1 N 1 dt
型号 额定功率PN：在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。 额定电压UN：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。 额定频率f：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（f=50Hz） 额定电流IN ：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，定子的 线电流值。如标有两种电流值（10.35A/5.9A），则对应定子绕组为 Δ/Y连接的线电流值。 额定转速nN ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时， 电动机的转速。与此转速相对应的转差率称为额定转差率SN 。 工作方式（定额） 温升（或绝缘等级） 电机重量
dt
定子电压方程：u1＝i1R1＋（－eL1）＋(－e1) u1＝i1R1＋LL1di1/dt＋(－e1) I R ( E ) ( E ) 电压方程的向量表示： U 1 1 L1 1

U1 I1R1 jI1 X1 (E1 )
X 1 2f1 LL1

2、旋转磁场的旋转方向
iA超前iB 2π/3，iB超前iC 2π/3。即A→B→C； 据此旋转磁场的旋转方向为 A→B→C，顺时针方向； 旋转磁场的旋转方向与三 相电流的相序一致； 改变三相锭子电流的相序， 相应改变旋转磁场的旋转方 向。

旋转磁场的旋转方向
3、旋转磁场的旋转速度
磁极对数p＝1时，电流变化一个周期（360°电角 度），旋转磁场在空间上也旋转一转（360°机械角 度）； p＝1时，若电流的频率为f，旋转磁场的速度是每分 钟旋转60f转。即 n0＝60f (r/min) p＝2时，电流变化半个周期，旋转磁场在空间旋转 1/4转，则 n0＝60f /2 (r/min) 极对数为p时，电流变化一个周期的电角度，旋转磁 场在空间上旋转1/p转的机械角度。则：n0＝60f/p p＝1，2，3，4时，且电流频率f＝50Hz,旋转磁场的 同步转速n0＝3000rpm，1500rpm，1000rpm， 750rpm。