第三章 异步电动机(2--4节)

定子绕组 （三相）
A
Y
定子
Z
线绕式 鼠笼式
C
转子
B X
鼠笼转子
机座
二、旋转磁场
1、旋转磁场的产生
基本条件
至少要有两相定子绕组 绕组之间要有空间相位差 电流之间要有时间相位差
下面从最简单的情况（P=1）入手：
iA
A
iC C iB
ZX Y
B
Im
A、B、C为同名端
iA Im sin t
iB Im sint 120 iC Im sint 240
发电机
n<0 s>1
n=0 s=1
n = n0 s=0
n > n0 s<0
§3-3 定子和转子电路
异步电动机的电磁关系和变压器类似
相同点：
原副边（定转子）无电的联系，只有磁的耦合
不同点：
异步电机中，耦合的是旋转磁场，而变压器 是正弦交变磁场 异步电机中，定转子之间有气隙，而变压器的 原副边在空间是紧密接触。 能量转换不一样
iA
A
X A'
Z' X'
iC
C' Y' Y Z B'
C
B
iB
A
Y'
Z'
C'
B
X'
X
B'
C
Z A' Y
iA
A
A
Y'
Z'
X A'
Z' X'
iC
C'
Z C
Y' B'
Y
B
C' X'
S
N
•
B
•
SX
iB
Im iA
iB
wt 0 B'
iC
• •
N
C
t
Z
Y A'
极对数 p 2
极对数和转速的关系
A
Y'
Z
C'
N• B
n2 n sn0 (n0 sn0 ) n0
也即定子电流与转子电流分别产生的旋转磁场速度 相同，相对静止
带载后主磁通由定子、转子磁势共同产生
∴有载后定子与转子的合成磁势应等于空载磁势F0,
即
.
.
.
F1 F2 F0
或
.
F1
.
.
F 0 ( F 2)
.
F0
.
F
1
？ 三相异步电动机的定子电流为何会随机械负载的增加而上升？
R22
sR2 (sX
20 )2
U12
求解
T 0 S
T
Tm ax
可得临界转差率
sm R2 / X 20
Tm a x
KU12
1 2 X 20
有两点值得注意: (1)Tmax∝ U12 (2)最大转矩值与转子电 阻无关
最大转矩与额定转矩之比m, 称为过载倍数, 即
m Tmax / Tn
一般三相异步电动机的倍数 m=1.6~2.5.
e1
R2 L2
i2 e2
E1 4.44k1 f1N1
转、定子电路
k1为小于1的定子分布绕组系数
R1 L1
i1
u1
e1
R2 L2
i2 e2
定子电路相量电压平衡方程式为
.
..
U 1 (R1 jL1) I1 E1
由于绕组在正常负载范围内漏阻抗压降远小于感应电动势E1。
U1 E1 4.44k1 f1N1
一、定子电路
定子绕组感应电动势的频率：
由于定子绕组每切割一对磁极，感应电势就交变一次，每每 切割二对磁极，感应电势就交变二次，所以感应电动势的频 率就等于每秒内切割过的磁极对数（也即电机的极对数乘以 每秒切割的转速）。
f p n0 (转/分） 60
R1 L1
绕组中正弦感应电动势
i1
的有效值：
u1
§3-2 异步电动机的转动原理 Moving Principle
两个基本条件
转子绕组自成闭合回路
定子三相绕组通入三相电流能产生 旋转磁场
§3-2 异步电动机的转动原理
Moving Principle
一、转动原理
复习
电动势或电流方向
右手定则
判定感应电动势
及感应电流的方向
切 割
磁场方向
方 向
§3-2 异步电动机的转动原理
一般三相鼠笼电动机的s=1.0~2.2.
3.额定转矩 TN ：
电机在额定电压下，以额
定转速 nN 运行，输出额
n
n nN 0
定功率 PN 时，电机转轴
T
上输出的转矩。
TN
TN
PN
2nN
9550
PN (千瓦) nN (转 / 分)
60
（牛顿•米）
机械特性的软硬
硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。
I m iA iB iC n0 60 f1 (转/分）
t
A YN Z
CS
B
X
n0 60
A
Y
Z
N
CS
B
X
A YN Z
CS
B
X
极对数（P）的概念
iA
iC C iB
A
ZX Y B
A
Y NZ
C
B
S
X
此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。
即： p 1
极对数（P）的改变
将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形 成的磁场则是两对磁极。
Z
C
B
X
t 180
下面来看一个特殊角度， 来得出一个重要的结论
A相电流t 90时
n0
A
Im
Y
Z
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iA iB iC t
C
B
X
t 90
结论：当某相电流为最大值时，合成磁场位置恰 好在该相线圈所在平面的轴线上。即磁场方向与 最大电流绕组的轴线一致。
2、旋转磁场的转动方向
旋转方向：取决于三相电流的相序。
E20 4.44k2 f1N2
k2为转子绕组系数.
I2
E2
R22
X
2 2
R1 L1
i1
R2 L2
i2
SE20
u1
e1
e2
R22 (SX 20 )2
其中
转、定子电路
X 2 2 f2L2 2 Sf1L2 SX 20
E2
4.44
f
2
N
Φ
2m
4.44
Sf1N
Φ
2m
SE20
转子功率因数
cos2
iA iB iC
iA iC iB
Im
Im
t
t
n0
n0
改变电机的旋转方向：换接其中两相
三相异步电动机的正、反转
方法：和电源相接的任意两相互换，就可实现
反转。
电源
电源
A BC
A BC
正转 M 3~
反转
M 3~
3.旋转磁场的转速
一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°。则
同步转速（旋转磁场的速度）为：
§3-4 三相异步电动机的运行特性
一. 电磁转矩T 三相异步电动机功率流图
P1 ：定子输入三相电功率 P2 ：轴上输出机械功率
PF1 ：定子铁损 Pcu1：定子铜损
Pe：通过气隙旋转磁场传送给转子的电磁功率
Pcu2：转子铜损
Pm：转子的机械功率功率
p0：空载机械损耗功率
其中 Pe=0T， Pm=T 。
无转子电流
无转距
转差率 (s) 的概念：
转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速的相差程度。即：
s
n0 n0
n
100%
异步电机运行中: s 1 ~ 9%
电动机起动瞬间: n 0, s 1（转差率最大）
异步电动机的三种工作状态， 只有当 0 < s < 1 时才是电动机运行状态。
电磁制动
电动机
Moving Principle
一、转动原理
电流方向
复习
左手定则
判定电磁作用力的方向
力 的
方
向
磁场方向
电流方向
电动势或电流方向
力
的
方
切
向
磁场方向
磁场方向割方
向
再来看一个实验：
下面分析一下其工作原理：
磁铁
N
n0 F
ei
n
S
磁极旋转
导线切割磁力线产生感应电动势
e B l v （右手定则）
磁感应强度 导线长 切割速度
p 1 p2 p3
360 180 120
3000 (转/分） 1500 (转/分） 1000 (转/分）
电动机转速和旋转磁场同步转速的关系
n 电动机转速:
电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，
但 n n0
异步电动机
提示：如果 n n0
转子与旋转磁场间没有相对运动
无转子电动势（转子导体不切割磁力线）
iA iB iC
t
(•)电流出
Y
A Z
C
B
X
()电流入
iA
A
正 方
ZX
Im
向 iC C
Y
B
iA iB iC t
iB
A
Y NZ
合成磁场方向：
t 0
C
B
S
X
向下
同理分析，可得
其它电流角度下 的磁场方向：
Im
iA iB iC t
n0 60
A
Y
Z
N
CS
B
X
t 60
n0
A
Y
Z
C
B
X
t 120
n0
A
Y
二.转子电路 p对磁极的旋转磁场以n=n0-n的转速切割转子每
相绕组。
∴转子电势e2的频率为
f2
pn 60
p(n0 n) 60
n0 n n0
pn0 60
sf1
转子每相绕组感应电动势e2的有效值为
E2 4.44k2 f2 N2 4.44k2 (sf1)N2 sE20
其中E20为转子不动(s=1和f2=f1)时的感应电动势, 即
时， I1 电源提供的功率自动
T
增加。
自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要
特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大 油门，才能带动新的负载。）
三个重要转矩
n
1.最大转矩 （或临界转矩）TMAX ：n
电机带动最大负载的能力。 0
如果TL Tmax电机将会
因带不动负载而停转。
T
K
2.起动转矩 Tst ：
当定子接通电源转子未动时： n=0（S=1）
n
n
0
则
Tst
K
R22
R2 ( X 20 )2
U12
T
TLTst
可见 Tst
U
2 1
，并且与R2有关。
当转子电路外串电阻使R2=X20时, 则s=1(n=0),
Tst Tmax
起动转矩与额定转矩之比称为起动转矩倍数s, 即
s Tst / Tn
T KT I2 cos 2
常数 每极磁通
转子电流
转子电路的
cos 2
二.机械特性
T KT I2 cos 2
将其中参数代入： I2
SE20 R22 (SX 20 )2
cos2
R2 R22 (SX 20 )2
得到转矩公式
U1 4.44 f1N1m
T
K
R22
sR2 (sX 20 )2
U12
•
X' S
•
B'
•N
S
X C
30
CS'
X' •
• ZN'
A
n0
NZ •
•X
SC
Z'
A' Y t 0
A' t 60
60 f n0 2
(转/分）
Im
n0
60 f p
(转/分）
iA iB iC t
三相异步电动机的同步转速
n0
60 f p
(转/分）
每个电流周期
同步转速 n0
极对数 磁场转过的空间角度 ( f 50Hz)
R2
R22
X
2 2
R2 R22 (SX 20 )2
转子电流及其功率因数均随 转差率s或转速n而变.
三、定子电流与转子电流的关系
转子旋转磁场绕着转子旋转的转速n2与转子电 流的频率f2成正比与磁极对数p成反比, 即
n2
60 f2 p
60 sf1 p
s 60 f1 p
sn0
转子旋转磁场相对于定子绕组的转速为
闭合导线产生电流 i
N
通电导线在磁场中受力 n0 f
F Bli
n
ei
（左手定则）
S
结 1、线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致 论
2、 线圈比磁场转得慢 n n0
异步
N
n0 f
n
ei
S
异步电动机的转动原理与上述实验相似
旋转磁极
旋转磁场
三相定子绕组：产生旋转 磁场。
转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或 电流。
旋转磁场的同步角速度0=2n0/60
转子旋转的角速度=2n/60
Pe
Pm
(0
)T
0 0
0T
S
Pe
Pcu2 m2E2I2 cos2 m2sE20I2 cos2
若n0 c, 而E20 4.44k2 f1N2m
T KT I2 cos 2
电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, 受到电磁力所形成的转距之总和。
软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，
起 动特性好。
n
硬特性 （R2小）
软特性 （R2大）
T
0
不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性
电机；重载起动则选软特性电机。
4.转矩的实用公式 工程上常采用如下两个简便的实用公式, 即
T
2
Tmax sm s
s sm
或 sm sn m 2m 1
机械特性曲线 T f (S ) n f (T )
根据转矩公式 得特性曲线：
T
0
T
K
R22
sR2 (sX 20 )2
U12
n
n
0
s
T
1
电动机的自适应负载能力
电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，
这种能力称为自适应负载能力。
常用特
n 性段
TL n S I2 T n
直至新的平衡。此过程中，I2 0