第四章三相异步电动机运行原理

第四章 三相异步电动机的运行原理
2.对频率归算过程的解释 如果要保持频率归算前后转子磁势 F2 对电机运行中产生的磁效应不变,则
应从两个方面来判断： (1) 从等效后形成转子磁势转速来看
若将转子频率视为定子频率f1。等效后转子电流所产生转子磁通势的绝对转速 还应该是同步转速。因为
所以等效的转子磁通势转速不变，故满足等效的第一个条件。 （2) 从等效后形成转子磁势幅值与空间位移角来看
*转子磁通势的分析 *磁通势平衡 *相量矢量图 *电磁关系
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一.异步电动机负载时的物理情况
定子绕组接到对称三相电源时，通过对称三相交流电流 I1A、I1B、I1C，在气 隙形成按正弦规律分布，并以同步转速 n0 旋转的旋转磁通势 F1，建立气隙主磁 场 Bm。这个旋转磁场切割定、转子绕组，分别在定、转子绕组内感应出：
可以从下列图中加深理解。
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2. F2 的旋转方向 若相序为 A - B – C，电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋
转 。它在转子绕组中感应电动势的相序为 a-b-c ,转子电流的相序也是 a-b-c。 转子电流所形成的旋转磁通势 F2 的旋转方向是按 a - b - c 的相序。 结论： 转子磁通势 F2 与定子磁通势 F1 的旋转方向相同。 3. F2 转速的大小
电动机负载时，转子转速为 n，而旋转磁场的转速为 n0。旋转磁场以 (n0-n) 的相对转速切割转子绕组。
极对数为 p 的定子磁场在转子绕组中感应多相电流的频率为：
这种多相转子电流形成磁通势 F2 是旋转的。旋转方向与 F1 相同，相对 于转子本身的转速为 Dn。
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4－2
式中 ke -- 电动势比 如果给定端电压 U1 及参数 Z1、Z2、Zm，对一定的转差率 s，可求解 E1、 E2、I1、I2、Im五个未知数。 问题是： 有没有一种既简便又精确的方法去解决这个问题？答案：有！ 这种方法就是我们在分析变压器时已用过的等效电路的方法。
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（2)由转子总视在功率保持不变得出：
可见转子电势归算公式为： (3)由转子铜耗不变 得出关系式并得转子电阻归算公式为：
ke即为电势比
（4）由转子漏磁场存储能量不变得出： 转子电抗归算公式：
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（5）绕组归算后异步电动机的定，转子电路图
(三)异步电机的等效电路 1.异步电机的等效电路 归算后定子电路电势方程式
2.一个事实 旋转磁通势可用一种以同步角速度 w0 旋转的矢量表示，与这些磁通势对
应的电流可以用数值上等于同步角速度 w0 旋转的相量表示。为什么？ 由于当某一个相的电流达到最大值时，三相基波合成磁通势的幅值正好在
这一相绕组的轴线上，所以可引用所谓的相矢图来表明这种关系。
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由于异步电动机在正常运行时，电源电压恒定不变，所以可以认为电机从
空载到负载的过程中，定子绕组内的感应电动势 E1 的变化很小，差不多与电源
电压相平衡，因此 E1 是一个近乎不变的量。可以断定主磁通 Fm @ Fm0
因此得出下列关系：
4－6
负载时的磁势平衡关系
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(三) 相量矢量图 1. 问题
由于 F2 的幅值与空间位移角取决于对应相电流的有效值与时间相位角。 根据式：È2s= È2s = Ì2(r2+RΩ)+jÌ2x2s 如 RΩ=0，实际转子电路中，转子电流的相量 I2
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分子分母都除以 s
从物理意义上说，E2s 和x2s 代表实际旋转转子电路的电动势和漏电抗。 所以：I2是实际旋转转子电路的电流；
而 Dn 与 n 的方向一致，因此 F2 相对于静止的定子铁心来说，其转速 n 为
4－3
结论： 转子磁通势 F2 和定子磁通势 F1 转速是相同的，两者之间无相对运动。
(二) 磁通势平衡 异步电动机负载时在气隙内产生的旋转磁场，是定、转子磁通势的合成磁
通势，即 4－4
在空载条件下：
4－5
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对称定子电动势 E1A、E1B、E1C 。 对称转子电动势 E2a、Ewenku.baidu.comb、E2c 。
若转子回路闭合,转子回路中流过对称三相电流 I2a、I2b、I2c.在气隙磁场和 转子电流的相互作用下，产生电磁转矩，使转子顺旋转磁场方向转动。
1.空载情况下 电机转矩很小，转速接近同步转速，即 n @ n0 E2s @ 0 I2 @ 0 故异步电动机空载运行时，建立气隙磁场 Bm 的励磁磁通势 Fm0 就是定子上的三相基波合成磁通势 F10，即 Fm0 = F10
1.频率归算的等效的原则 1)保持 F2 不变
进行这种代换以后，必须确保转子电路对定子电路的电磁感应不变，即必须
保持F2不变(同转速、同幅值、同空间位移角)。 (2)电磁性能不变
这种等效的可能性 存在吗？
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
电路一样。因为 f2=sf1, 当 s=1 时,f2=f1，所以要进行转子频率的归算的可能性在 于：用一个静止的转子电路去代替实际转子电路。
(一) 转子磁通势的分析 (1)电动机是绕线型转子绕组
由于转子绕组是三相绕组，转子电流是对称三相电流 ， 结论：
所形成的磁通势无疑是旋转的
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(2)笼型转子 由正弦分布的旋转磁场切割而感应的电动势必然是对称多相电动势.当然电
流也是对称的多相电流所形成的合成磁通势，可用矩形磁通势波叠加方法分析 去得出，所形成的磁通势无疑也是旋转的
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2.异步电动机带有机械负载 转速就会降低，即n < n0，感应电动势 E2s、I2 都增大了，I2 便形成了磁通
势 F2.. 现在的问题是： * F2 的性质怎样? * F2 与 F1 的关系如何? * F2 对气隙内主磁场有什么影响?
1.转子绕组流过电流能产生旋转磁场吗？
由于电机运行过程中，实际转子电路中并不存在这部分损耗，但有机械功率。 因此，静止转子电路中这一部分虚拟的损耗的实质：是表征异步电动机实际存在的 机械功率。
这样的一种对等效电路理解和解释表明：用静止的转子去代替实际的转子，无论 从转子对定子的电磁效应看，或就功率而言：都是等效的
上述这种人为的代替就是进行频率归算。
一.异步电动机的等效电路
由于异步电动机的转子频率 f2 与定子频率 f1 不同，进行归算时，除和变
压器一样进行绕组归算以外。必须先对频率进行归算。
(一)频率归算
所谓频率归算就是指在保持整个电磁系统的电磁性能不变的前提下,把一种
频率的参数及有关物理量换算成为另一种频率的参数及有关物理量。一般将转
子电路中参数及电动势归算为定子频率。
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(3)异步电动机起动时的情况 转子堵转状态，则 s=1 附加电阻：
因为这时通过A相绕组的主磁链有最大值，所以这时交链A相绕组的主磁通 φm也有最大值，这里磁密Bm为矢量，磁链ψm和磁通φm为相量。Bm的空间位移 大小与ψm 和φm 的时间相位是一致的，绕组中的感应电动势：
在相位上滞后绕组的磁链90°，所以在矢量图中，E1这个相量应位于水平位置 上。从“(图4-tem2)转子磁通势的形成”可看出:
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3.频率归算后异步电机的定、转子电路图 频率归算后异步电机的定转子电路）
(二)绕组归算 1.什么叫绕组归算？
和变压器的绕组归算一样,异步电动机的绕组归算就是人为地用一个相数、 每相串联匝数及绕组系数与定子绕组一样的假想绕组代替相数为m2、每相串联匝 数为N2、绕组系数为kw2并经频率归算的实际转子绕组。
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主要内容： （1）分析异步电动机负载运行时的电磁过程 （2）将电机运行时电磁过程用基本方程式加以综合 （3）从这些方程式导出等效电路和相应的相量图 （4）并用等效电路与相量图去分析功率与转矩 （5）从而得出异步电动机的工作特性，最后说明工作特性测取的方法
第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程
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通过电磁规律就可找出F2与F1的关系，这给分析带来很多方便。
选定主磁场矢量Bm在A相绕组轴线上这个瞬间来分析。由于磁滞、涡流的存在， 使Bm在空间相位上滞后于一个电角度αfe，因此当Bm在A相绕组 轴线上时，Fm在Bm 前面一个电角度αfe，
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F2 在空间上滞后于 Bm 的角度为 π/2 + j2，转子相矢图中，相量I2必然与F2 重合，所以 I2 滞后于 Bm 的角度为 π/2 + j2，
因为 j2 是转子电流 I2 对转子电动势 E2s 的相位差角，所以这时转子绕组 a 相 的电动势 E2s 在转子相量图中也处在水平位置。 根据F2与F1、Fm在空间上相对静止的结论，就可以得出F1 ：
从物理意义上说，E2 和x2 代表静止转子电路的电动势和漏电抗， 所以 I2‘是静止转子电路中的电流。 显然两电流的有效值与时间相位角是相等的。
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这就提示我们得到结论： 若用静止转子电路去代替实际的转子电路，要求我们除改变与频率有关的参
数和电动势。除了让
只要用 r2/s 去代替 r2，就可达到保持 I2、进而使 F2 不变的目的。 r2 变为 r2/s 的物理意义是什么？ r2 变为 r2/s，相当于转子串入了一个附加电阻 附加电阻 (1-s)r2/s 中会发生损耗 I2(1-s)r2/s。
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2.绕组归算原则 必须保证归算前后转子对定子的电磁效应不变，即： * 转子磁通势 、 * 转子总的视在功率、 * 转子铜耗 * 及转子漏磁场储能均保持不变
（1)由转子磁通势保持不变原则得出
转子的归算值上均 加“ ＇”表示
可见转子电流归算公式为：
ki 即为电流比
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选择适当的空间坐标系和时间坐标系，使得在矢量图中,定子磁通势矢量F1 可表示在A相绕组的轴线上。在相量图中,定子A相电流I1A与时间参考轴重合。
由于矢量和相量各自在其几何图形中以相同的角速度旋转,在任何瞬间,各自 转过相等的电角度。因此我们可以人为地把时间参考轴放在A相绕组的轴线上， 即将相量图与矢量图合并，因F1与I1A分别在各自的空间和时间坐标系中，以数值 上相等的角速度旋转。所以F1与I1A始终重合。下图说明F1与I1A在时间上的关系 。
定子和转子之间通过气隙建立电磁耦合联系，但没有直接的电路间关系。 如何用我们所熟悉的电路分析方法来讨论异步电动机的有关问题?
首先要解决的是建立电动机内部各个电磁量之间的关系。这个工具就是相 量 - 矢量图。
参考时间轴
wt
2p
一个周期，按正弦变化的变量可以用长度等于幅值，角速度等于 2p / s
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归算后转子电路电势方程式:
归算后磁通方程式:
励磁支路电势方程式:
对上述方程联解可得:
由此作出异步电动机的T形等效电路
2.根据异步电机 T 形第等四效章电路三分相析异步电动机的运行原理
(1)异步电动机的空载运行 转差率： 附加电阻：
转子电路相当于开路情况，电流 Im 滞后于外加电压U1的相位差接近 90°。 所以异步电机空载运行时功率因数是滞后的，而很低。
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(四) 电磁关系 E1与E2在相位上均滞后φm90°
4－5
定子感应漏电势和转子感应漏电势
4－6
负 载 时 的 电 磁 关 系
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第二节 三相异步电动机的等效电路及向量图
频率归算 绕组归算 异步电机的等效电路 等效电路的简化
转子静止时转子电动势 E2 与定子电动势 E1 可有下列关系的方程式：
(2)异步电动机在额定负载下运行 转差率 sN 大约为5%，转子电路中的总电阻为转子电阻 r2‘的 20 倍左右。
转子电路基本上成为电阻性的，所以转子电路的功率因数较高。 负载情况下的(-I2)比 Im 大得多，所以定子的功率因数能达到 0.8 ~ 0.85，
此外E1 和相应的主磁通比空载时对应值略小。