异步电动机基本理论.doc

第 12 章    异步电机的基本理论· 工作原理、等效电路、功率平衡 · 转矩平衡、机械特性、工作特性 12-1    异步电动机的结构和工作原理    异步电机（Asynchronous Machines）的主要运行方式是电动机(Motor)运行一.异步电动机（Asynchronous Motor)的结构  1.定子· 定子铁心（1,2） · 定子冲片（圆形冲片，扇形冲片），径向通风沟（风道），槽，槽型 · 定子绕组：成型线圈（2），散嵌线圈，单层，双层，绕组联结方法 · 其他部件：机座，端盖，风罩，铭牌等 问题：定、转子铁心为什么必须用硅钢片叠压而成？  2.转子· 转子铁心（1，2）：转子冲片 · 转子绕组： 1. 鼠笼式(squirrel cage)绕组) 铸铝转子 2. 绕线式绕组 · 其他部件：轴，，风扇等   3.气隙· 定转子之间的间隙，很小，0.2-1mm.对电机的性能影响很大 · 按结构分类： · 鼠笼式异步电动机：结构简单，坚固耐用，制造容易，成本低廉； · 启动、运行性能不如以下的绕线式 · 绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的启动、调速等性能 二.异步电动机的工作原理  1.异步电动机的物理模型演示 · 模型图演示现象：一旦摇动手柄使磁铁以n1旋转，则鼠笼会跟着以转速 n 旋转，而且n

· 异步电动机定子上有m(一般m=3或2)相对称的交流绕组2.异步电动机的工作原理 · （1）m相电流通入m相绕组在电机内部可自动产生一个以n1为转速的旋转磁场； · （2）转子导体在旋转磁场中（照片，鼠笼转子 照片，示意图）被磁力线切割将感应电势 e=Blv（e方向用右手定则判断） · （3）自成闭路的转子导体在磁场中将有电流流过，载流的转子导体在旋转磁场中受到电磁力 f=Bli 的作用（f的方向用左手定则判断） · （4）电磁力作用于转子将产生电磁转矩 T，T驱动转子以转速n旋转 · 注： i. 根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机（英文为：Induction Motor);ii.n不等于n / 1, n

  额定功率：无论△接法或是Y 接法，下式均成立：PN = 3 UNp INp  cosφNηN= P1NηNsqrt(3)UNINcosφNηN (W)四.转差、转差率切割磁力线是产生转子感生电流和电磁转矩的必要条件 转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁力线 旋转磁场的转速n1为同步转速；转子的实际转速n简称转子转速两者在电机运行时有差别，即 转差 Δn = n1-n  转差率: s = (n1-n) / n1 注:   s是异步电机的一个基本变量，在分析异步电动机运行时有着重要的地位 启动瞬间即堵转时：n= 0, s=1 理 想 空 载 时： n= n1, s=0 电动机运行时, s在0~1之间 转差率一般很小：                sN=0.015~0.06 制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即n1与n反向，s>1 发电机运行时，n高于同步转速n1, s<0. 根据转差率可以区分异步电机的属何种运行状态：（看图1200-1）五.电势平衡方程式1.定子绕组电势平衡方程式定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压降）包括： 主电势（感应电势）： 定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。

有效值为：         E1= 4.44 f1 N1Φ1kw1 漏磁电势（漏抗压降） 定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链 漏抗压降：E1σ=-jI1X1σ 电阻压降：R1I1 定子边方程式：U1=-E1+I1(R1+jX1σ)                  =-E1+I1Z1 2.转子绕组的电势及电流转子绕组的感应电势 转子绕组切割主磁通的转速 主磁通以同步速度n1旋转 转子以转速n旋转 转子绕组导体切割主磁通的相对转速为(n1-n)=sn1 频率公式：f2=p.sn1/60=f1s (Hz) 结论：由于s很小，转子感应电势频率很低一般  1-3 Hz 有效值 公式：E2s=4.44sf1N2Φ1kw2=E2s 感应电势与转差率成正比 对绕线式三相异步电动机: 转子绕组每相串联匝数的计算方法同定子绕组的计算，相数也等于3 对笼型转子来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，1根导条即为1相，可见相数=导条数=转子槽数*；每相串联匝数为半匝即1/2匝 注意转子不动（s=1)时的感应电势与转子旋转时感应电势的关系 转子绕组的阻抗 闭合的转子绕组中有电流流过同样会产生漏磁电抗压降 漏抗公式：X2σs=2πf2L2σ=2πsf1L2σ=sX2σ 漏抗也与转差率正比。

转速越高，漏抗越小 计入转子电阻后：Z2σs=R2+jX2σs 转子绕组中的电流 转子绕组短路，转子电压为0，感应电势全部加在转子阻抗上 转子回路方程：E2s=I2Z2σs 转子电流：I2=E2s/Z2σs=sE2/(R2+jsX2σs)I2=sE2/sqrt(R22+(sX2σ)2) 讨论:转子电流随s的变化1200-2) 六.异步电动机的磁势平衡1.定子绕组的磁势幅值：F1=(m1/2).(0.9*I1N1./p)kw1 转速：  n1=60f1/p 2.转子绕组磁势有效值：F2=(m2/2).(0.9*I2N2/p)kw2 转速： 转子电流的频率 f2=sf1 转子磁势F2相对于转子的转速：  n2= 60f2/p = 60 sf1/p= sn1= n1-n 转子磁势F2相对于空间的转速为      n2+n=（n1-n）+n=n1 结论：定、转子磁势在空间相对静止，均以同步速n1旋转 3.磁势平衡方程式激磁电流Im产生激磁磁势Fm 建立主磁通Φ1所需要的电流为激磁电流Im 激磁磁势的幅值为：Fm=（m1/2）.(0.9*ImN1/p)kw1 激磁磁势近似不变 由电势方程式：U1=-E1+I1(R1+jX1σ)= -E1+I1Z1电源电压不变，阻抗压降很小，电势近似不变； 由公式：U1=4.44f1N1Φ1kw1，Φ1近似不变； 可见，励磁磁势和励磁电流几乎不变。

空载运行时，励磁磁势全部由定子磁势F0提供，即：F0=Fm 负载运行时，转子绕组中有电流I2流过，产生一个同步旋转磁势F2，为了保持原Fm不变，定子磁势F1除了提供激磁磁势Fm外，还必须抵消转子磁势Fm的影响，即：F1=F1F+Fm=(-F2+Fm) 异步电动机的磁势平衡方程： F1 + F2 = Fm;  即 (m1/2)(0.9*I1N1/p)kw1+(m2/2) (0.9*I2N2/p)kw2 =(m1/2)(0.9*ImN1/p)kw1 I1+[(m2N2kw2)/(m1N1kw1)]I2=I1+I2/ki=Im 结论：空载运行时，转子电流近似为0，定子电流等于励磁电流；负载时，定子电流随负载增大而增大 12.2  异步电动机的等效电路· 等效电路(Equivalent circuit)法是分析异步电动机的重要手段在异步电动机中，作出等效电路需要进行两个折算：(1)转子电路的频率折算；(2)与定子方面具有同样相数、匝数、绕组系数的转子绕组折算 一.频率折算1.在什么情况下转子电路频率等于定子电路频率? · 转子旋转时, 转差率为s，转子电路频率：f2=sf1 · 转子堵转时s=1，f2=sf1=f1, E2s=E2 ,X2σs=X2σ 故：转子堵转时 f2=f1             2.如何使转子电路的频率等于定子电路的频率? · 频率折算后，希望磁势平衡不变，即转子电流不变: I2=sE2/(R2+jsX2σ)不变。

·将上式略作变化：I2=E2/(R2/s +jX2σ),此式就相当于转子堵转时的情况， 而转子电阻为      R2/s=（1-s)R2/s+R2结论：用一个堵转着的等效转子来代替一个以s为转差率实际旋转着的转子，这时只需要将异步电动机的转子电阻增加到R2/s即可，这就是频率折算的过程 · 堵转的转子中多了一个附加电阻，而电流确没有变化，相当于多了一个电阻功率 · 分析证明：附加电阻上消耗的电功率等于电机的总机械功率PΩ 二.绕组折算1.定义:用一个与定子方面具有同样相数m1、匝数N1和绕组系数kw1的等效转子绕组来替代实际的转子绕组(m2、N2、kw2) 折算条件是：磁势幅值不变；功率大小不变 · 电流折算：根据磁势不变: (m1/2)(0.9*I'2N1/p)kw1= (m2/2)(0.9*I2N2/p)kw2 I'2=I2.(m2N2kw2)/(m1N1kw1)=I2/ki · 电势折算：磁通应不变:  E'2=4.44f1N1Φ1kw1    E2=4.44f1N2Φ1kw2    E'2=E2 ( N1kw1)/( N2kw2) = E2 ke · 阻抗折算：功率不变:m1I'22R'2=m2I22R2R'2=R2 m2/m1(I2/I'2)2=R2 m2/m1(m2N2kw2/m1N1kw1)2=R2 keki=R2kz · 漏电抗折算: X'2σ= X2σ kz · 折算后转子电路方程式：E'2/ke= kiI'2 [R'2 / (s keki)+j X'2σ / (keki)]→E'2=I'2[ R'2/s + jX'2σ ] 三.等效电路 (Equivalent circuit)· 激磁回路:  Zm=Rm+jXm · 折算后的磁势方程式:     I1+(m2N2kw2/m1N1kw1)I2=I1+I2/ki=Im→     I1+I'2=Im · 经过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式:      U1= -E1+I1(R1+jX1σ)      E'2= E1=I'2(R'2/s+jX'2σ)      Im =  I1+I'2         -E1=Im(Rm+jXm) · 对应的等效电路： · 简化等效电路： 四.相量图(Phasor diagram)· 类似于绘制变压器相量图的方法 · 假设电动机的参数（1200-4）和。