第三篇 异步电机 第九章 异步电机的理论分析与工作特性 第一节 异步电机的基本结构 第二节 异步电机的基本原理 三相异步电机的等效电路 第四节 异步电机的参数 异步电动机的功率平衡式和转矩平衡式 第六节 异步电动机的机械特性 异步电动机的工作特性 异步电机的基本结构 前言 异步电机又称感应电机是交流电机的一种。 优点：结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，效率较高、价格较低。 缺点：1.调速和起动性能不佳; 2.功率因数总是滞后的，增加了电力系统的无功负担。 应用：总的来说：主要作为电动机使用，是当今应用最广，需要量最大的一种电机。 结构：定子、转子、空气隙、端盖、轴承和机座等部件。 第一节 异步电机的基本结构 一、定子 异步电机定子主要包括定子绕组、铁芯和机座三部分。 二、转子 异步电机转子主要包括转子绕组、铁芯和转轴三部分。 异步电机的转子结构可以分为笼型和绕线型两大类。   绕组转子异步电机   三、铭牌的额定值 （1）型号 （2）额定功率（PN）：指电动机在额定方式下运行时，转轴上输出的机械功率。单位为W和kW。 （3）额定电压（UN）：指电动机在额定方式下运行时，定子绕组应加的线电压。单位为V和kV 。 （4）额定电流（IN）：指电动机在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的线电流。单位为A。 （5）额定频率（fN）：额定状态下电源的交变频率，我国的电网频率为50 Hz。 （6）额定转速（nN）：指在额定状态下运行时的转子转速。单位为rpm。 除上述数据外，还标出额定运行时，电机的功率因素以及相数、接线法、防护等级、绝缘等级与温升、工作方式等有关项目。 第二节 异步电机的基本原理 一、异步电机的运行状态 当一对称三相电流流入异步电机三相定子绕组，在气隙中便产生一旋转磁场，以同步速 旋转。转子绕组与其有相对运动（切割），则在闭合的转子绕组产生感应电动势和感应电流，旋转磁场与转子导体中的电流互相作用产生电磁转矩。所以正常情况下，异步电机的转子转速 总是略低于（电动机）或略高于（发电机）旋转磁场转速 ，他们之间的差，称为转差速度。我们定义转差速度与同步转速的比值为转差率 ，即  转差率是决定异步电机运行状态的重要变量，异步电动机的负载情况发生变化，转子导体中的电动势电流和电磁转矩相应变化，则转子转速和转差率随之变化。 按照转差率的大小正负，异步电机可分为电动机运行、发电机运行 和电磁制动三种状态。 1、电动机运行 电动机状态转速低于同步转速 0<n<n1 1>S>0 2、发电机运行 发电机状态转速大于同步转速 n > n0 S<0 3、电磁制动 相对转速大于同步转速 n<0,S>1 实际上异步电机主要作为电动机运行。 相对运动方向 二、异步电机的主磁通和漏磁通 主磁通： 穿过气隙，与定转子绕组交链 漏磁通 不属于主磁通的磁通 （槽、端部，谐波）  第三节 三相异步电机的等效电路一、转子不动时的异步电机 从电路的角度来看，转子不动时异步电机的电路方程与次级短 路时的变压器的电路方程相似，变压器的初级相当于异步电机的定 子绕组，次级绕组相当于转子绕组。尽管异步电机与变压器的的磁 场性质、结构和运行方式不相同，但他们内部的电磁关系时相通的， 所以在研究异步电机的等效电路时，可以借助变压器的电磁理论。  1、电压平衡式 定子绕组的电压平衡式和转子不动时转子绕组的电压平衡式分别 为 2、磁动势平衡式 定子绕组磁动势 转子绕组磁动势 合成磁动势 磁动平衡式为  3、绕组的归算 一般将转子方面的各物理量归算到定子方面。 （1）电流的归算 根据归算前后转子磁动势保持不变，即：  式中 为电流变比。 （2）电动势的归算 根据归算前后转子视在功率保持不变，即  式中为电动势变比。 （3）阻抗的归算 根据归算前后转子铜耗保持不变，即  式中 为阻抗变比。 电阻变比也适用于转子电抗、阻抗的归算。 二、转子转动后的异步电机 1、转子转动后对转子各物理量的影响 从电路角度看，转子转动后转子频率的变化将影响转子电动 势和漏抗等参数的变化。 转子电流的频率 转子电动势 转子漏抗 转子转动后转子回路电压平衡式 2、频率归算 由以上分析可知，转子转动后转子回路的参数频率为，而定子回路参数的频率仍为  2.频率归算转子转动后转子回路的参数频率为 定子回路参数的频率仍为 电路中频率应相同，所以进行频率归算： 转动时的电路(频率归算前) 图02 转动时的电路(频率归算后) 图03 3、基本方程 定子和转子构成一个等效电路，转子参数经频率归算后还应进行 绕组归算，归算后异步电动机转子转动后的基本方程为  4、等效电路 根据上式可画出异步电机的 型等效电路  4、向量图 图04 异步电动机的向量图与接有纯电阻负载时的变压器向量图类似。异步电机的 模拟电阻压降相当于变压器的次级侧电压，其余部分的画法与变压器向量图 的画法没什么区别。 第四节 异步电机的参数异步电机的参数 利用基本方程式、等效电路图和向量图分析交流电机特性是电 机学中普遍采用的方法。 通过等效电路可以算出电机的电流、功率、功率因数、效率以及转矩。 两种参数 –励磁参数: ?决定于电机主磁路的饱和程度. ?是一种非线性参数. –短路参数: ?基本上与电机的饱和程度无关, ?是一种线性参数. ?测定方法：两种试验 –空载试验 –短路试验 一 空载试验与励磁参数的确定 (一)空载试验: 在UN、fN下,轴上不带负载。 将电动机运转一段时间(30min)使其机械损耗达到稳定值, 然后调节电源电压从(1.10~1.20) UN开始,逐渐降低到可能达到的最低电压值(约0.3UN). 测量7~9点,每次记录端电压,空载电流,空载功率和转速. 根据记录数据,绘制电动机的空载特性曲线. (二)机械损耗和铁耗的分离     二 短路试验及短路参数之确定 （1） 短路试验: 短路指T形电路中的附加电阻  的状态. n=0,因此必须在电动机堵转情况下进行.故短路试验也称为堵转试验. 试验方法 一般从I1=1.2IN （或：U1=0.4UN）开始, 逐步降低电压.到I1=0.3IN 测量5~7点, 每次记录端电压,定子短路电流和短路功率, 测量定子绕组的电阻. 根据记录数据,绘制异步电动机的短路特性I1s=f(U1),p1s=f(U1) （2）短路参数的确定 (与变压器相同) 由于 励磁支路开路:   全部输入功率都变成定子铜耗与转子铜耗.  二、异步电机的等效电路及其简化 令 。 根据T型等效电路，可写出如下两个方程式。 联立求解得  可见和都很复杂，式中是一个复系数  第四节 异步电机的参数 在异步电机中，略去则复数系数变成实数，即  求转子电流的较准确近似等效电路 求定子电流的较准确近似等效电路 图05 异步电机的简化等效电路（c=1） 图06 第五节 异步电机的功率平衡式和 转矩平衡式 一、功率平衡式 本节将用有效电路来分析异步电动机的能量关系 见下图 图07 输入电功率 定子铜耗 定子铁耗  转子铜耗 总的机械功率 总的机械功率又称内功率。 异步电动机的功率流程图  异步电动机总的功率式  正常运转的时候转子铁芯中磁通的变化的频率很低，仅有1~3Hz,所以转子铁耗可以略去不计。 两个重要关系：因为 电磁功率： 转子铜耗： 机械功率： 所以： 又叫转差功率 二、转矩平衡式 旋转电机的机械功率：＝电机的转矩与它的机械角速度乘积. 总机械功率 除以转子角速度 得到转矩平衡式，即  式中：为电动机轴上的输出机械转矩，即负载转矩；  ：为电动机轴上的总机械转矩:Tem，即电磁转矩； 为电动机空载(制动)转矩； 三、关于电磁转矩 电磁转矩与功率  式中 或  为电机的同步角速度：  注意：比较下式含义：  具体例子详见书 例（9-1） 异步电机的机械特性 称为异步电动机的电磁转矩-转差率曲线，简称T-s曲线，又称为机械特性曲线，它是异步电动机最主要的特性。 一、电磁转矩表达式  二、T-s曲线 由上式可画出T-s曲线如下：  该曲线是按电动机运行方式导出按照转差率划分电机有三种状态： 1、  T>0， T与n方相同，为电动机状态。 2、 T＜0, n>n0 ，T与n方向相反,制动转矩， 为发电机状态。 3、 T>0,T与n方向相反，为制动状态。 第六节 异步电机的机械特性 为什么异步电机起动电流大，起动转矩并不大？  可参书P157 图9-20 二、最大转矩 1.临界转差率与最大转矩 求最大转矩可用,由此求得产生最大转矩时的转差率   ：临界转差率，其中“  ”号，电动机取“+”号，发电机去“-”号。 代入转矩表达式，求得最大转矩为  2.过载能力  由此得到以下几点结论：    三、异步电机稳定运行范围 电动机的稳定运行条件为  对恒转矩负载，  四、电磁转矩简化计算公式（从略） 对大型电机  实用公式  第七节 异步电动机的工作特性 异步电动机的工作特性定义：  （1）转速特性：   （2）定子电流特性：  （3）功率因数特性(*)：   （4）电磁转矩特性：   （5）效率特性：  异步电动机的效率为  损耗：  P2增加时，效率上升得很快； 当不变损耗=可变损耗时,效率达到最大值； 随后负载继续增加，可变损耗增加很快，效率就要降低。 电动机容量越大,效率就愈高. 第十章 三相异步电机的启动和调速 第一节 起动电流和起动转矩第二节 谐波转矩及其对起动的影响第三节 笼型异步电动机的起动 第四节 笼型异步电动机的调速 第五节 绕线转子异步电动机的起动和调速 起动电流和起动转矩 定义： 异步电动机的起动是指电机从静止状态加速到稳态转速的整个过程，它包括最初起动状态和加速过程。 主要指标：起动电流和起动转矩 希望：起动电流小、起动转矩大 实际：起动电流大、起动转矩不大（不宜说起动转矩小） 起动时，定子电流很大（额定电流的5~7倍） 最初起动转子功率因数很小： 所以转矩不大： 本节内容：怎样尽可能使：起动电流小、起动转矩大 第二节 谐波转矩及其对起动的影响* 第二节 谐波转矩及其对起动的影响* ２、定、转子齿槽存在引起磁导齿谐波 　　定、转子铁芯的内圈和外圈上有齿槽存在，引起气隙磁导不均 匀，面对齿部磁导较大，面对槽口磁导较小，即使气隙磁动势按正 弦分布，由于齿槽磁导变化也会引起谐波磁场，为与绕组谐波相区 别，称由磁导变化引起的谐波为磁导齿谐波。 二、高次谐波磁场产生的谐波转矩及其对起动的影响 　　由高次谐波磁场所产生的谐波转矩，按性质可分为异步附加转 距和同步附加转矩。 第二节 谐波转矩及其对起动的影响* １、异步附加转矩 　　异步电机是由定子旋转磁场与由该磁场感应的转子电流所产生 的转子磁场相互作用所产生的转矩，其中只有极对数相同的那些磁 场才会产生异步转矩。 异步谷 ２、同步附加转矩 　　同步附加转矩是由独立电源的极对数相同的两个磁场，以相同 转速且同方向旋转而产生的转矩。如果不是同步旋转，其平均转矩 等于零。 如：定、转子齿谐波独立，有可能形成同步附加转矩 第二节 谐波转矩及其对起动的影响* 三、削弱和消除附加谐波转矩的措施 （１）绕组采用分布和适当短距以减弱绕组谐波磁场，特别是对７ 次谐波和５次谐波。 （２）斜槽是削弱齿谐波作用的一个有效方法。 （３）选择合理的定、转子槽配合，可消除或削弱齿谐波转矩。 （４）减少气隙磁导变化削弱磁导齿谐波，如定、转子采用半闭口 槽，小电机转子用闭口槽等。 （５）增大气隙能有效地削弱高次谐波和齿谐波磁场，随之减少附加转矩，但是增大气隙使励磁电流增加，功率因数下降，一般不采用。 第三节 笼型异步电动机的起动 　　一台异步电动机采用什么起动方法，需要看供电系统的容量、 负载的性质以及用户对起动的要求而定。 就负载情况而言，可归纳为以下三种典型情况： 重载起动，起动时有比较大的阻力距； 轻载或空载起动，起动时阻力距很小； 风机类负载：负载起动时最初时阻力距很小，随转速上升，负载转矩几乎按转速平方上升。 　　　　 　　　　　 　　　　　三种典型负载起动特性 第三节 笼型异步电动机的起动 一、直接起动 把全部电源电压直接加到电动机的定子绕组，也称全压起动。 主要问题：起动电流较大，造成电网电压下降，影响其它用电设备 一般规定，异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动。如果功率大于7.5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也允许直接起动 简单估算：S电机<(0.2~0.3)S变压器,可以直接起动 第三节 笼型异步电动机的起动 二、电阻减压或电抗减压起动 在电源端串入电阻、或电抗 串电阻：损耗增加 串电抗：起动功率因数更低 第三节 笼型异步电动机的起动 三、自耦变压器起动 对自耦变压器（Tr）：设变比为k, 则： 对电机： 第三节 笼型异步电动机的起动 直接起动时：电压U1，电流Ist，起动转矩为Tst 经Tr后，电压：U2＝U1/k 加在电机上，电机电流正比减小，为 该电流再经Tr,其原方电路再降k倍，即为： 电机转矩正比电机上电压平方： 结论： 自耦变的变比为 电机电压为原来的 电机电流为原来的 电机从源吸取的电流为原来的 第三节 笼型异步电动机的起动 四、星—三角（Y—D）起动 正常运行： D 起动： Y 直接起动：电压U1，电流Ist，起动转矩为Tst Y起动，电压： 电机电流正比减小，为 线电流：即从电源吸取的电流： 电机转矩正比电机上电压平方： 所以，相当于变比为 的自耦变起动 第三节 笼型异步电动机的起动 五、深槽转子异步电机起动 槽底比槽口股线的漏电抗大。导条中电流密度j的分布自上而下逐步地减小，如图10-12b所示。电流大部分集中到导条的 上部，这种现象称 为电流的集肤效应。 由于这一效应，从 而增加了起动转矩 与限制了起动电流 第三节 笼型异步电动机的起动 六、双笼转子异步电机起动 第四节 笼型异步电动机的调速 异步电动机的转速根据负载的要求，人为地或自动地进行调节， 称为调速。 异步电动机的转速公式是 因此，异步电动机的调速有以下几种方法： （1）改变供电电源的频率 ； （2）改变电动机的极对数 ； （3）改变转差率 ； 改变转差率可以由改变外施电压、在转子回路中引入外加电阻或外 加电动势等方法来实现。 第四节 笼型异步电动机的调速 一、变频调速 变频调速是通过改变电源频率来改变电动机的同步转速，使转 子转速随之变化。 特点：调速范围宽、精度高、效率也较高，且能无极调速，但是需 要专用的变频电源，应用上受到一定限制。近些年来，已成为交 流 调速中发展最快，使用最广的方法之一。 1.变频调速的基本要求 变频调速时通常希望电动机的主磁通 保持不变，因为 增大 将引起磁路过分饱和，励磁电流大大增加，而 减小将使最大转矩、 过载能力下降。 如略去异步电动机定子阻抗压降，则 第四节 笼型异步电动机的调速 为要使气隙磁通 保持不变，随着频率的变化，电动势也将随之 按正比例变化，即 恒磁通变频调速机械特性 第四节 笼型异步电动机的调速 对于恒功率调速，就是调频后保持输出功率不变，即 即 于是定子的端电压大小与频率之间的关系为 即 这种调速方法，最大转矩将随频率上升而下降。 第四节 笼型异步电动机的调速 2.变频器的基本构成 第四节 笼型异步电动机的调速 二、变极调速 当电源频率保持不变、改变定子绕组的极对数，也可能改变同步 转速，从而改变转子转速。 变极电机定子绕组的绕制方法有：一、双绕组变极；二、单绕组 变极。 第四节 笼型异步电动机的调速 三、改变外施电压调速 调压调速是一种比较简单的调 速方法，控制电路价格较低。但 是低速时转子铜耗较大，效率较 低。 第五节 绕线转子异步电动机的 起动和调速 笼型转子异步电动机转子结构简单、成本低、运行可靠，但是其 转子参数很难调整，为了改善起动特性和调速特性，大容量的异步 电动机可采用绕线转子异步电动机。 一、绕线转子异步电动机的起动 如果既要限制起动电流，又要 较大的起动转矩，由起动电流公 式和起动转矩公式，可知增大起动 时的转子电阻可以大大改善起动性 能，采用绕线转子电动机起动时转 子绕组通过集电环和电刷与外接起 动变阻器相连接。如右图所示 第五节 绕线转子异步电动机的 起动和调速 起动变阻器的取值并非越大越好，应取一个合理的数值。 根据异步电动机的机械特性，当 时，起动转矩等于最大转矩， 设 为起动变阻器的电阻值，则 频敏电阻（略） 第五节 绕线转子异步电动机的 起动和调速 二、绕线转子异步电动机的调速 1. 在转子回路中接入调速电阻 转子回路中接入调速阻，增大转子的转差率，转速下降。 曲线1是固有机械特性 曲线2、3是接入附加电阻 （R串3＞R串2） 曲线4是恒转矩的负载特性 转速分别为：n1、n2、n3 显然：n3<n2<n1 特点： 只能从额定转速向下调速 调速范围不大,负载小时调速范围更小 转速较低，转子回路中的功率损耗大，效率低，发热严重 但是设备简单。 第五节 绕线转子异步电动机的 起动和调速 2 .串级调速 绕线转子异步电动机一般采用转子电路串联接电阻和串联接电动 势两种调速方法，前者在附加调速电阻上将消耗大量能量，后者则 把这部分能量加以利用，在转子电路中增加一套变换装置，构成串 级调速系统。 第十一章 单相异步电动机及异步电机的其他运行方式 第一节 三相异步电机在不对称 电压下运行 在实际运行中，三相异步电机有时会遇到供电电源三相电压不对 称的情况，这会给电机的正常运行带来影响。 一、不对称运行的分析方法 正序电压 作用于定子绕组，便流过正序电流 ，建立正向旋 转磁场，产生正向转矩 ，拖动转子与它同方向旋转，设转子转 速 ，则正序转差率 同理:负序电压 →负向转矩 →负序转差率为 三相异步电机一般不接中线，则无零序电压，所以定子绕组也无零序电流。 第一节 三相异步电机在不对称 电压下运行 正序和负序等效电路如下所示 正序 负序 不对称电压下三相异步电动机的T-s曲线如下所示 第一节 三相异步电机在不对称 电压下运行 二、电压不对称对电机运行的影响 电动机运行时由于 很小，因而 ，于是 ， 则 式中 ———— 额定电压下起动电流， 由此可见，即使很小的负序电压，也会产生较大的负序电流。 三相异步电机不允许长期在严重不对称电压下运行。 第二节 单相异步电动机 单相异步电动机是用单相交流电源供电 通常单相异步电动机定子上有两相绕组： 一为主绕组（或称工作绕组） 一为辅助绕组（或称起动绕组） 两绕组在空间有相位差，一般为 电角度 转子为结构简单的笼型绕组。 结构示意图 接线图 第二节 单相异步电动机 与三相异步电动机主要不同在于： 三相异步电动机的定、转子绕组和绕组的电压、电流一般都是对称的，工作时气隙磁场是圆形旋转 而单相异步电动机的绕组以及绕组的电压电流一般是不对称的，工作时的气隙磁场是椭圆形旋转磁场。 一、单相异步电动机的工作原理 辅助绕组开路情况 ，仅主绕组有电流 应用对称分量法 第二节 单相异步电动机 其中 、 组成正序系统， 、 组成负序系统，设转子 的转向为自a相转向m相，则 整理得 即 相应的相量图如右图所示 第二节 单相异步电动机 电压正序分量和负序分量的平衡式为 第二节 单相异步电动机 正、负序转子电流 第二节 单相异步电动机 正、负序电磁功率 正、负序电磁转矩 合成转矩 第二节 单相异步电动机 如略去励磁电流，则 第二节 单相异步电动机 单相异步电动机一相开路时的T-s曲线图如下图所示 第二节 单相异步电动机 单相异步电动机一相开路的主要特点： ①起动转矩等于零 ②各种性能指标都低于三相异步电动机 单相电机的主绕组m和辅助绕组a通入相位不同的两相电流，这 两相绕组的磁动势为 第二节 单相异步电动机 电机内部合成磁势 式中 、 为a相和m相的最大值 如果 则 合成磁动势 第二节 单相异步电动机 二、单相异步电动机的起动方法和类型 （一）电容电动机 电容电动机是将主绕组固定接单相电流，辅助绕组串联电容器 后接单相电源，有较高的起动转矩或较好的运行性能。 根据电容器的不同串接方式可分为以下三种。 1、单相电容运转异步电动机 第二节 单相异步电动机 2、单相电容起动异步电动机 3、单相双值电容异步电动机 （二）单相电阻起动异步电动机 第二节 单相异步电动机 三、罩极电动机 单相异步电动机常用的起动方法有裂相起动和罩极起动。 前面介绍的都是裂相起动，定子上有两相绕组，两相绕组流过 的电流不同相，形成一个椭圆形旋转磁场，产生一定起动转矩。 罩极起动，定子大多为凸极式，在极上只有一套工作绕组，直 接与单相交流电源相接，在极靴的一边开有一个小槽，槽中套有一 短路铜环，成为罩极绕组。 罩极电动机用罩极起动法。 第三节 异步发电机 第三节 异步发电机 异步发电机的向量图 由向量图可以看出，在发电机运行状态，定子电流与电压间的相位 差 ， 为负值，即输入的有功功率为负值，这意 味着它实际上向电网输出有功功率。对无功功率来讲，因异步电机 自身不能产生无功功率，仍需由电网供给或用并联电容器的方式供 给。 第三节 异步发电机 二、异步发电机的运行方式 异步发电机可以单机运行也可以与电网并联运行。 （一）、与电网并联运行 这种运行方式其激磁电流由电网提供。由于异步电机的激磁电 流较大，一般大约是0.3~0.5 ，所以在发电的同时，增加 了电网 的无功负担。从经济运行论证，异步机并网运行并不一定有利。并 网运行有如下特点：其电压和频率完全取决于电网的电压和频率， 与转速无关。因此无需调压和调频，且并网手续极其简单，只需注 意转速略大于同步转速，即可投入电网运行。 （二）、单机运行 这种运行方式其激磁电流由并联在端点上的电容器供给，这是 因为异步电机实质上与电感性元件等效。 第三节 异步发电机 1.电压建起自激过程 2.空载状态建立额定电压所需电容值（近似估算） 在额定电压时的激磁电流和电容电流（均取每相值）应分别为 曲线1表示异步电的空载 特性，是一条饱和曲线。 因为空载时 ，由此得 曲线2是电容器的特性曲 线。 或 可以由异步电动机空载试验求得，从而可计算出所需空载运行时的 电容值。 第四节 异步电机的制动运行 第四节 异步电机的制动运行 三、能耗制动 能耗制动是在电机断电后，立即在定子两相绕组通入直流励磁电 流，产生制动转矩，使电机迅速停转。 四、回馈制动 回馈制动通常用以限制电机转速，当转子转速超过同步转速，则 电磁转矩变为制动转矩，电机由原来电动机状态变为发电机状态， 故又称发电机制动。