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1、三相异步电机的运行原理三相异步电机的运行原理第第1414章章 三相异步电机的运行原理三相异步电机的运行原理先分析转子不转、转子绕组开路，再分析转子绕组短路、转子堵转，最后分析转子旋转。以三相绕线转子异步电机为例。第1页/共63页14.1 14.1 三相异步电机转子不转时的电磁关系三相异步电机转子不转时的电磁关系1.1.转子绕组开路时的电磁关系转子绕组开路时的电磁关系l参考方向规定p定子绕组电压和电流：电动机惯例p转子绕组电压和电流：发电机惯例p磁动势、磁通、磁通密度：出定子，进转子为正。第2页/共63页参考方向规定空间坐标轴线（原点）取在定、空间坐标轴线（原点）取在定、转子的转子的A A 相绕
2、组的轴线上。相绕组的轴线上。空间角度空间角度 以逆时针方向为正。以逆时针方向为正。第3页/共63页(1)励磁磁动势定子三相绕组接在交流三相对称电源上，定子三相绕组接在交流三相对称电源上，定子绕组中流过三相对称电流定子绕组中流过三相对称电流 。三相电流产生基波旋转磁动势三相电流产生基波旋转磁动势F F0 0 。w转子绕组开路，没有电流，所以此时磁路中只有定子磁动势F0，产生气隙磁场。wF0称为励磁磁动势，称为励磁电流。第4页/共63页幅值：幅值：转向：沿转向：沿A A、B B、C C方方向（逆时针）。向（逆时针）。转速：转速：瞬时位置：某相电流瞬时位置：某相电流达到正最大值时，磁达到正最大值时，
3、磁动势的正幅值就位于动势的正幅值就位于该相绕组轴线。该相绕组轴线。三相对称，只需考察一相（A相）。第5页/共63页励磁磁动势转子转子A A相轴线相轴线+A A2 2在空间超前定在空间超前定子子A A相轴线相轴线+A A1 1 的空间电角度的空间电角度为为 0 0 。w励磁磁动势F0与+A2轴之间的空间电角度为900（在作图时刻）。第6页/共63页励磁磁动势产生的气隙磁场w励磁磁动势F0 作用在磁路中产生基波气隙磁场，用基波磁通密度表示。w基波磁通密度在空间也按正弦分布，可用空间矢量 B 表示，转速也为1。w由于气隙均匀，当不计磁滞、涡流损耗时，基波气隙磁通密度与励磁磁动势波形相同，相位相同（B
4、 与F0 同相）。w气隙中每极磁通量（主磁通）第7页/共63页主磁通与漏磁通作用作用l l主磁通：主磁通：同时交同时交链定、转子绕组，链定、转子绕组，起着定、转子间起着定、转子间能量传递的媒介能量传递的媒介作用。作用。l l漏磁通：漏磁通：只交链只交链定子绕组自身，定子绕组自身，称为定子漏磁通，称为定子漏磁通，包括槽漏磁通、包括槽漏磁通、端部漏磁通和谐端部漏磁通和谐波漏磁通。波漏磁通。第8页/共63页定、转子绕组的主磁链气隙磁通密度波在空间上正弦分布，且是气隙磁通密度波在空间上正弦分布，且是旋转的。旋转的。定、转子绕组是静止的。定、转子绕组是静止的。所以定、转子绕组的磁通或磁链是随时间所以定、
5、转子绕组的磁通或磁链是随时间变化的。变化的。当磁通密度波的幅值在绕组轴线处时，绕当磁通密度波的幅值在绕组轴线处时，绕组交链的磁链最大。组交链的磁链最大。第9页/共63页定、转子绕组的主磁链定、转子一相绕组的主磁链也可用相量表示定、转子一相绕组的主磁链也可用相量表示。第10页/共63页定、转子绕组的主磁链以图中时刻作为计时起点。以图中时刻作为计时起点。N2 为转子绕组的每相串联匝数；kdp2 为转子绕组的基波绕组因数。第11页/共63页主磁通感应电动势w定子绕组的感应电动势（一相）转子绕组的感应电动势（一相）转子绕组的感应电动势（一相）第12页/共63页感应电动势的有效值和相位电动势有效值与频率
6、、绕组有效匝数和每电动势有效值与频率、绕组有效匝数和每极磁通量极磁通量mm成正比。成正比。电动势滞后产生它的主磁链电动势滞后产生它的主磁链 9090 。第13页/共63页电压变比比值比值k ke e称为电压变比，是定、转子称为电压变比，是定、转子相电动相电动势势之比。之比。k ke e等于定、转子绕组有效匝数之比。等于定、转子绕组有效匝数之比。第14页/共63页主磁通感应电动势感应电动势也可以用相量表示。感应电动势也可以用相量表示。感应电动势相量滞后于磁链相量90。第15页/共63页励磁电流 计及铁心的磁滞和涡流损耗时，励磁磁动势计及铁心的磁滞和涡流损耗时，励磁磁动势F F0 0 超前磁通密度
7、超前磁通密度B B 一个小角度；相应地，定子励一个小角度；相应地，定子励磁电流相量超前定子磁链相量一个同样的小角磁电流相量超前定子磁链相量一个同样的小角度。度。励磁电流可分解为两个分量：有功分量无功分量铁耗B第16页/共63页时空相矢量图将空间矢量图与时间相量图画在一起。将空间矢量图与时间相量图画在一起。+A1轴与定、转子的时轴+j1、+j2重合。电流、磁链相量和磁动势、磁通密度矢量都重合在一起。电动势相量滞后于产生它的磁链相量90。通过相矢量图可以方便地确定相量、矢量的位置。第17页/共63页漏磁感应电动势定子绕组漏磁通在定子绕组中感应的漏磁电动势的瞬时定子绕组漏磁通在定子绕组中感应的漏磁电
8、动势的瞬时值为值为X1是表示E1与I0间线性关系的常系数，称为定子绕组每相漏电抗。p引入电抗参数表示定子漏磁电动势第18页/共63页电压方程式定、转子绕组一相电压方程式定、转子绕组一相电压方程式R1为定子绕组的每相电阻。、分别是定、转子绕组的相电压。第19页/共63页定子漏阻抗Z Z1 1R R1 1j j X X 1 1 ，称为定子绕组每相漏阻抗。，称为定子绕组每相漏阻抗。得到：代入第20页/共63页电磁关系小结转子绕组开路时的电磁关系转子绕组开路时的电磁关系第21页/共63页小结既有电路的问题，也有磁路的问题，电既有电路的问题，也有磁路的问题，电与磁之间又有密切的联系。与磁之间又有密切的联
9、系。将这种复杂的电磁关系用熟悉的交流电将这种复杂的电磁关系用熟悉的交流电路的形式表示出来，就可使分析和计算路的形式表示出来，就可使分析和计算大为简化。大为简化。以上是建立等效电路的基本思路。以上是建立等效电路的基本思路。第22页/共63页主磁通感应电动势的等效表示考虑主磁通在铁心中引起的铁耗时，如何用电路考虑主磁通在铁心中引起的铁耗时，如何用电路的形式表示的形式表示 与与 之间的关系？之间的关系？w应引入一个阻抗Zm Zm称为励磁阻抗；Xm称为励磁电抗，反映铁心磁路的磁化特性；Rm称为励磁电阻，对应于铁耗pFe的等效电阻。第23页/共63页电压方程式，等效电路代入代入得到完全可用电路来描述。一
10、相等效电路第24页/共63页2.转子堵转时的电磁关系l l堵转：转子三相绕组堵转：转子三相绕组短路（即绕组出线端短路（即绕组出线端短接），且转子堵住短接），且转子堵住不转，定子接交流电不转，定子接交流电源。源。转子中就会流过电流，产生转子磁动势，与定子磁动势共同起作用。第25页/共63页转子磁动势幅值：幅值：转向转向：沿着：沿着A A2 2B B2 2C C2 2方向旋转。方向旋转。转速：转速：瞬时位置：某相电流达到最大值，合成磁动势瞬时位置：某相电流达到最大值，合成磁动势正幅值就位于该相绕组的轴线。正幅值就位于该相绕组的轴线。转子三相对称电流 流过对称三相绕组产生转子合成基波旋转磁动势F2。
11、第26页/共63页转子磁动势的转向转子静止，气隙磁通密度转子静止，气隙磁通密度波相对转子的转速为波相对转子的转速为n n1 1，方向为逆时针。方向为逆时针。转子感应电动势的相序为转子感应电动势的相序为A A2 2B B2 2C C2 2（正序）。（正序）。w转子电流相序也为正序。w转子磁动势F2由+A2轴转向+B2轴，再转向+C2轴（逆时针旋转）。第27页/共63页定、转子磁动势关系定子磁动势定子磁动势F F1 1 与转子磁动势与转子磁动势F F2 2 的转速、转向都相的转速、转向都相同，两者在空间保持相对静止。同，两者在空间保持相对静止。w作用在磁路中的磁动势是定、转子磁动势的合成，由合成磁
12、动势产生气隙磁通密度波。w合成磁动势仍用F0 表示，F0F1F2。wF0 是励磁磁动势。第28页/共63页 F0 ：产生气隙磁通密度B 的磁动势分量。（F2）：与转子磁动势F2 相反，抵消F2对气隙磁通密度的影响；定子磁动势和励磁磁动势定子磁动势定子磁动势 F F1 1 可看作由两部分组成：可看作由两部分组成：F1 F0（F2）F0 F1 F2第29页/共63页w转子漏磁通在转子绕组中感应漏磁电动势，可以用漏电抗上的压降表示，转子漏磁通w w转子电流也要转子电流也要产生漏磁通，产生漏磁通，转子漏磁通只转子漏磁通只交链转子绕组。交链转子绕组。X2 称为转子绕组每相漏电抗。第30页/共63页电压方
13、程式l l转子一相电压方程式转子一相电压方程式转子感应电动势、电流的频率均为f1。l定子一相电压方程式第31页/共63页堵转时的电磁关系第32页/共63页转子位置角折合转子只通过转子磁动转子只通过转子磁动势势F F2 2对定子起作用。对定子起作用。wF2 与B 两者一起同步旋转，二者相距的空间电角度始终为902，与转子A相（+A2轴）的位置无关，即与0 无关。第33页/共63页转子位置角折合从定子侧考察从定子侧考察F F2 2的作的作用时，用时，0 0 的大小是无的大小是无关紧要的。关紧要的。为了简单，将转子为了简单，将转子A A相轴线相轴线+A A2 2与定子与定子A A相相轴线轴线+A A
14、1 1重合重合 转转子位置角折合。子位置角折合。得到时空相矢量图。得到时空相矢量图。第34页/共63页转子绕组的折合为了得到等效电路，需要像分析变压器时一样，为了得到等效电路，需要像分析变压器时一样，对绕组进行折合。对绕组进行折合。通常将转子绕组折合为与定子绕组一样。通常将转子绕组折合为与定子绕组一样。转子只通过转子磁动势转子只通过转子磁动势F F2 2 对定子起作用，因此对定子起作用，因此折合时需要折合时需要保证保证F F2 2 的大小和空间相位不变的大小和空间相位不变。第35页/共63页转子绕组的折合折合后的转子绕组相数、每相串联匝数、绕组因折合后的转子绕组相数、每相串联匝数、绕组因数都和
15、定子绕组的一样。数都和定子绕组的一样。转子磁动势转子磁动势F F2 2 在折合后必须保持不变。在折合后必须保持不变。ki 电流变比第36页/共63页转子绕组的折合F F0 0 F F1 1 F F2 2定、转子磁动势关系转变为定、转子电流关系，好像定、转子之间存在电路联系，为建立等效电路奠定了基础。第37页/共63页转子绕组的折合转子相电动势的折合值转子相电动势的折合值w转子相电流的折合值w转子每相阻抗的折合值折合后，转子绕组电阻铜耗和电抗上的无功功率都不变。第38页/共63页基本方程式、等效电路等效电路等效电路基本方程式第39页/共63页相量图相量图与基本方相量图与基本方程式相对应，是程式相
16、对应，是基本方程式的图基本方程式的图形表示。形表示。第40页/共63页14.2 14.2 三相异步电机转子旋转时的电磁关系三相异步电机转子旋转时的电磁关系三相异步电机的转子绕组通常是短路的。三相异步电机的转子绕组通常是短路的。笼型绕组本身是短路的；绕线型绕组通过笼型绕组本身是短路的；绕线型绕组通过集电环、电刷及附加电阻（如果有）短路。集电环、电刷及附加电阻（如果有）短路。分析三相异步电机定子绕组接至三相对称分析三相异步电机定子绕组接至三相对称电源，转子绕组短路（直接短路或经过附电源，转子绕组短路（直接短路或经过附加电阻短路）且转子旋转时的电磁关系。加电阻短路）且转子旋转时的电磁关系。第41页/
17、共63页转差率 转子绕组短路的异步电机，要实现机转子绕组短路的异步电机，要实现机电能量转换，电能量转换，转子转速转子转速n n的大小或方向必须的大小或方向必须和同步转速和同步转速n n1 1的不同。的不同。用转差率 s 描述转速n与同步转速n1的差别：令n10，则当n与n1同向时，n0；否则，n0。第42页/共63页转差率与运行状态电动机状态电动机状态n n1 1n n0 01 1s s0 0发电机状态nn10s0电制动状态n10，n 0s0第43页/共63页转子电压方程式l l转子感应电动势、电流的频率转子感应电动势、电流的频率u异步电机正常运行时，转差率s很小。u通常s0.010.05，则
18、 f20.5Hz2.5Hz。气隙磁通密度B 相对转子的转速为(n1n)；转子感应电动势、电流的频率为f2 称为转差频率。第44页/共63页转子电压方程式l l转子回路电压方程式转子回路电压方程式E2 是转子不转时转子绕组的感应电动势，而不是堵转时的电动势，因为两种情况下的主磁通不同。第45页/共63页转子电压方程式l l转子回路电压方程式转子回路电压方程式wX2s 是转子频率为f2 时的转子漏电抗，X2 是转子不转时（f2f1）的转子漏电抗。w正常运行时，X2s n0第48页/共63页定、转子磁动势关系转向：逆时针转向：逆时针转速：转速：定子磁动势定子磁动势F F1 1：相对于定子转速为：相对
19、于定子转速为n n1 1；转子磁动势转子磁动势F F2 2：相对于：相对于转子转子转速为转速为w F2 相对定子的转速为结论：定、转子基波磁动势保持相对静止。第49页/共63页定、转子磁动势关系转子以转差率转子以转差率s s 旋转时，定、转子磁动势旋转时，定、转子磁动势F F1 1与与F F2 2 始终保持相对静止，二者共同产生气隙磁场。始终保持相对静止，二者共同产生气隙磁场。可对可对F F1 1与与F F2 2进行矢量合成，得到合成磁动势进行矢量合成，得到合成磁动势F F0 0 ，即，即 F F1 1F F2 2F F0 0 ，F F0 0是励磁磁动势。是励磁磁动势。w转子旋转时的合成磁动势
20、即励磁磁动势与堵转时的不同（幅值及空间相位）。第50页/共63页F F2 2、B B 相对转子的角速度都是相对转子的角速度都是 2 2；转子电动势、电流等相量的角频率为转子电动势、电流等相量的角频率为 2 2。转 子 本 身(+A2轴)在逆时针旋转，只能取某一时刻画图。转子时空相矢量图以电动机状态为例。第51页/共63页电磁关系小结转子旋转时的电磁关系转子旋转时的电磁关系第52页/共63页转子电量的频率与定子不同，无法直接连接或者一起画相量图，无法得到等效电路。转子绕组频率折合转子通过其磁动势转子通过其磁动势F F2 2对定子起作用对定子起作用。不论转子频率不论转子频率f f2 2为多少，为多
21、少，F F2 2 相对定子的转速始终相对定子的转速始终为为n n1 1。因此，只要保证因此，只要保证F F2 2 的大小和空间相位不变，转子的大小和空间相位不变，转子电流的频率是多少，对定子侧的关系并无影响。电流的频率是多少，对定子侧的关系并无影响。据此可对转子频率进行变换。第53页/共63页E2ssE2X2s sX2转子绕组频率折合 转子电动势、电流的频率已由转子电动势、电流的频率已由f f2 2变为变为f f1 1，用转子不转时的量来表示。用转子不转时的量来表示。转子电流的转子电流的有效值和相位有效值和相位都未变化。都未变化。第54页/共63页转子绕组频率折合转子旋转时的实际电路转子旋转时
22、的实际电路保持转子磁动势F2的幅值和相位不变，使转子频率由实际的f2变为f1 转子绕组的频率折合。等效电路（转子不转时）I2I2s，2 不变F2不变（幅值和相位）第55页/共63页转子绕组的折合 频率折合后，定、转子的频率都是频率折合后，定、转子的频率都是 f f1 1。为了得到等效电路，还需用转子堵转时的处理方为了得到等效电路，还需用转子堵转时的处理方法，法，将转子绕组折合到定子侧，将转子绕组折合到定子侧，即进行转子绕组即进行转子绕组折合。折合。第56页/共63页基本方程式、等效电路l l基本方程式基本方程式在对转子进行频率折合和绕组折合后，可得转子旋转时的基本方程式。第57页/共63页基本
23、方程式、等效电路l lT T型等效电路型等效电路第58页/共63页时空相矢量图第59页/共63页讨 论空载时，转差率空载时，转差率s s很很小，小，转子电流很小，转子电流很小，空载电流约等于励磁空载电流约等于励磁电流，定子功率因电流，定子功率因数很低。数很低。w额定负载运行时，通常转差率sN0.05，转子等效电路为电阻性，定、转子侧功率因数都较高，可达0.8 以上。第60页/共63页讨 论定子漏阻抗定子漏阻抗 Z Z1 1 不大，不大，从空载到额定负载时，从空载到额定负载时，I I1 1 Z Z1 1 与电压与电压U U1 1相比相比都较小，定子电动势都较小，定子电动势E E1 1 U U1 1。主磁通主磁通mm与电动势与电动势E E1 1成正比。成正比。只要电压只要电压U U1 1不变，从不变，从空载到额定负载，空载到额定负载，mm基本不变，励磁基本不变，励磁电流电流I I0 0也基本不变。也基本不变。w起动或堵转时，主磁通m与额定负载时相比变化很大，约为空载时的一半。第61页/共63页鼠笼转子 相数为根鼠笼条每相绕组匝数为每相绕组系数为第62页/共63页感谢您的观看。第63页/共63页