電機學(xué)-05異步電機

異步電機感應(yīng)電機主要用作電動機，應(yīng)用最廣泛的一種電動機，廠礦企業(yè)，交通工具，娛樂，科研，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，日常生活都離不開異步電動機。交流電機可分為感應(yīng)電機和同步電機兩大類。類型：異步電機主要分為：鼠籠式異步電動機，繞線式異步電動機和各種控制用電動機三大類。感應(yīng)電機分類按定子繞組供電電源相數(shù)按轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)單相感應(yīng)電動機三相感應(yīng)電動機兩相感應(yīng)電動機異步電機鼠籠式異步電動機繞線式異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，堅固，成本低，運行性能不如繞線式通過外串電阻改善電機的起動，調(diào)速等性能異步電機的結(jié)構(gòu)三相感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)定子鐵心定子沖片定子線圈鐵心和機座鼠籠轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子照片繞線轉(zhuǎn)子照片感應(yīng)電機銘牌銘牌：型號，額定值，繞組聯(lián)結(jié)方式，生產(chǎn)廠家等

型號：Y132S-4,Y--異步電動機；132--機座中心高度132mm，S--短鐵心；4-極數(shù)。

額定值:

正常運行時的主要數(shù)據(jù)指標。

繞組聯(lián)結(jié)方式：△接法或者Y接法。

感應(yīng)電機額定值

額定電壓UN：

(V)，額定運行時，規(guī)定加在定子繞組上的線電壓；額定電流IN：

(A),額定運行時，規(guī)定加在定子繞組上的線電流；額定功率PN：

(kW),額定運行時，電動機的輸出功率；額定轉(zhuǎn)速n：

(r/min),額定運行時，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

額定頻率fN：

(Hz)，規(guī)定的電源頻率(50Hz)；

額定效率、額定功率因數(shù)等感應(yīng)電機的基本工作原理三相對稱繞組建立的磁場感應(yīng)電機的基本工作原理

轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場中

轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢，判斷感應(yīng)電勢方向。

電磁力作用在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子導(dǎo)體通過端環(huán)自成閉路，并通過感應(yīng)電流。

感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，判斷電磁力的方向。轉(zhuǎn)差率

切割磁力線是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩的必要條件。轉(zhuǎn)子必須與旋轉(zhuǎn)磁場保持一定的速度差，才可能切割磁力線。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速用n1表示，稱為同步轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速用n表示，轉(zhuǎn)差Δn=n1-n。

轉(zhuǎn)差率是異步電動機的一個基本變量，在分析異步電動機運行時有著重要的地位。轉(zhuǎn)差率：

起動瞬間，n=0,s=1

理想空載運行時：n=n1,s=0

作為電動機運行時，s的范圍在0-1之間。轉(zhuǎn)差率一般很小，如s=0.03。制動運行時，電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反，即n1與n反向，s>1

發(fā)電運行時，n高于同步轉(zhuǎn)速n1,s<0.S值與電機運行狀態(tài)的關(guān)系5.1異步電機的基本原理基波旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的經(jīng)過氣隙，同時匝鏈定子和轉(zhuǎn)子繞組的磁通叫主磁通。轉(zhuǎn)子繞組切割主磁通并在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流；感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流在磁場中受到電磁力的作用而形成驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，使電機旋轉(zhuǎn)。諧波磁動勢建立的諧波磁場也匝鏈定轉(zhuǎn)子，但是對轉(zhuǎn)子的作用不會產(chǎn)生有效的轉(zhuǎn)矩，定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的頻率與基波頻率一致，影響定子回路的電壓平衡，作為漏磁場處理。主磁通

漏磁通槽漏磁通：由槽的一壁橫越至槽的另一壁的漏磁通。端部漏磁通：匝聯(lián)繞組端部的漏磁通。諧波漏磁通：諧波磁勢會產(chǎn)生諧波磁通。定子繞組的漏磁通電機正常運轉(zhuǎn)時，諧波磁通不會產(chǎn)生有用的轉(zhuǎn)矩。

漏電抗：漏磁通在定子繞組中會感應(yīng)漏磁電勢，該電勢用漏抗壓降表示:稱為漏電抗。

轉(zhuǎn)子繞組通過電流時，也會有漏磁通。對應(yīng)的漏抗電勢

漏電抗異步電動機電勢平衡方程式1、定子繞組電勢平衡方程式定子繞組接到交流電源上，與電源電壓相平衡的電勢（壓降）包括：主電勢、漏磁電勢和電阻壓降。

主電勢（感應(yīng)電勢）：定子繞組通入三相對稱交流電流時，將會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的主磁通，同時被定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組切割，并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。定子繞組感應(yīng)電勢的有效值：

漏磁電勢（漏抗壓降）

定子漏磁通：僅與定子繞組相匝鏈。漏抗壓降：

電阻壓降：

定子電勢平衡方程式：

轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)子繞組切割主磁通的轉(zhuǎn)速

主磁通以同步速度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體切割主磁通的相對轉(zhuǎn)速為(n1-n)=sn1

轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢的頻率：公式：

結(jié)論：由于s很小，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢頻率很低。0.5-3Hz2、轉(zhuǎn)子繞組的電勢及電流

感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)差率正比。

對繞線式異步電機，轉(zhuǎn)子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)，相數(shù)計算方法同定子繞組的計算。

對籠形轉(zhuǎn)子來說，由于每個導(dǎo)條中電流相位均不一樣，所以，每個導(dǎo)條即為一相，可見相數(shù)等于導(dǎo)條數(shù)即轉(zhuǎn)子槽數(shù)；每相串聯(lián)匝數(shù)為半匝即1/2。

注意轉(zhuǎn)子不動時（s=1)時的感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時感應(yīng)電勢的關(guān)系。

轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的有效值轉(zhuǎn)子繞組的阻抗由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，所以有轉(zhuǎn)子電流流過。同樣會產(chǎn)生漏磁電抗壓降。漏抗公式：

漏抗也與轉(zhuǎn)差率正比。轉(zhuǎn)速越高，漏抗越小。考慮到轉(zhuǎn)子繞組的相電阻后：

轉(zhuǎn)子繞組中的電流

轉(zhuǎn)子繞組短路，轉(zhuǎn)子電壓為0，感應(yīng)電勢全部加在轉(zhuǎn)子阻抗上,轉(zhuǎn)子回路方程：轉(zhuǎn)子電流：

3、磁勢平衡方程式激磁電流Im

和激磁磁勢Fm

產(chǎn)生主磁通所需要的電流稱為激磁電流Im

；對應(yīng)的磁勢稱為激磁磁勢：

電勢方程式：

電源電壓不變，阻抗壓降很小，電勢近似不變；由公式：

1

近似不變；結(jié)論：激磁磁勢和激磁電流幾乎不變理想空載運行時，激磁磁勢全部由定子磁勢F1提供，即：Fm＝F1負載運行時，轉(zhuǎn)子繞組中有電流I2流過，產(chǎn)生一個同步旋轉(zhuǎn)磁勢F2，為了保持Fm不變，定子磁勢F1除了提供激磁磁勢Fm

外，還必須抵消轉(zhuǎn)子磁勢F2的影響，即：異步電動機的磁勢平衡方程：

結(jié)論：理想空載運行時，轉(zhuǎn)子電流為0，定子電流等于激磁電流；負載時，定子電流隨負載增大而增大。感應(yīng)電動機的等效電路等效電路法是分析異步電動機的重要手段。在異步電動機中，作等效電路遇到的兩大障礙是：(1)定轉(zhuǎn)子電路的頻率不相同；(2)定轉(zhuǎn)子邊的相數(shù)，匝數(shù)，繞組系數(shù)等不相等。一、頻率折算

轉(zhuǎn)差率為s的異步電動機轉(zhuǎn)子電路頻率：轉(zhuǎn)子靜止時s=1；則轉(zhuǎn)子頻率等于定子頻率。頻率折算既是用靜止的轉(zhuǎn)子代替旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。

頻率折算后，希望磁勢平衡不變，即轉(zhuǎn)子電流不變。轉(zhuǎn)子不動，轉(zhuǎn)子電阻為

的異步電動機的轉(zhuǎn)子電流，和轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差率s旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子電阻為R2的異步電動機轉(zhuǎn)子電流相等。推論：頻率折算的方法：給轉(zhuǎn)子繞組電阻中，計入一個附加電阻，即可以把原來旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子看成靜止的轉(zhuǎn)子。等效圖

不論靜止或者旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子磁勢總以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子磁勢的轉(zhuǎn)速不變，大小相位又沒有變，故電機的磁勢平衡依然維持。

靜止的轉(zhuǎn)子不再輸出機械功率，即電機的功率平衡中少了一大塊機械功率。

靜止的轉(zhuǎn)子中多了一個附加電阻，而電流沒有變，所以多了一個電阻功率。

附加電阻上消耗的電功率等于電機輸出的機械功率。

對頻率折算的討論二、繞組折算用繞組（m1、N1、kw1）等效替代繞組（m2、N2、kw2

）代替的原則是：磁勢平衡不變功率平衡不變

電流折算：根據(jù)磁勢不變：電勢、阻抗折算

電勢折算：磁通應(yīng)不變。

阻抗折算：功率不變。電抗和漏阻抗可同樣折算。異步電動機方程式經(jīng)過頻率折算和繞組折算后異步電動機的方程式折算后轉(zhuǎn)子電路方程式：T形等效電路簡化等效電路四、相量圖

異步電動機的相量圖類似于變壓器相量圖,從轉(zhuǎn)子電路方程出發(fā)可以一步一步作出異步電機相量圖。異步電動機的功率、轉(zhuǎn)矩和運行性能一、功率平衡方程式功率變換和傳遞是電動機的主要功用,結(jié)合等效電路分析異步電動機功率流向。異步電動機從電源獲取電功率，即輸入功率：此一功率首先通過定子繞組，產(chǎn)生定子銅耗：

此功率產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場掠過定轉(zhuǎn)子鐵心，產(chǎn)生鐵耗。定子鐵心與旋轉(zhuǎn)磁場相對轉(zhuǎn)速為n1較大，轉(zhuǎn)子鐵心與旋轉(zhuǎn)磁場相對轉(zhuǎn)速為sn1較小，故鐵耗主要為定子鐵耗：

剩余功率將通過氣隙磁場感應(yīng)到轉(zhuǎn)子繞組，此一功率稱為電磁功率。功率傳遞（1）

電磁功率首先提供轉(zhuǎn)子銅耗；

剩余的電磁功率全部轉(zhuǎn)化為機械功率；

機械功率一部分克服機械損耗和附加損耗

其余功率為輸出的機械功率

異步電動機的功率平衡方程式：功率傳遞（2）流程圖幾個重要的關(guān)系P1PemP2pcu_spFepcurpP轉(zhuǎn)矩平衡方程轉(zhuǎn)矩由機械功率產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩平衡方程為三、電磁轉(zhuǎn)矩公式：機械特性的物理表達式反映了感應(yīng)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙每極磁通和轉(zhuǎn)子電流有功分量的乘積成正比的物理本質(zhì)。電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)差率關(guān)系根據(jù)簡化電路得到的轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子側(cè)功率因數(shù)異步電動機的機械特性電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線，是電動機的機械特性。幾個關(guān)鍵點：起動點最大轉(zhuǎn)矩點額定工作點電動，發(fā)電，制動三種運行狀態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式TS機械特性的特殊點固有機械特性的特殊點：起動點A：該點S＝1；臨界點B：該點S＝Sm；額定點C：該點S＝Sn；同步點D：該點S＝0，又稱理想空載點；S=0S=1T0SnTnSmTm二、異步電動機的穩(wěn)定運行區(qū)穩(wěn)定運行：指機組在受到暫時外界擾動之后，能自行恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)。為了使機組能穩(wěn)定運行，必須要求電動機的機械特性與負載的機械特性有正確的匹配。TS1AB對于恒轉(zhuǎn)矩負載：是穩(wěn)定的；是不穩(wěn)定的；穩(wěn)定的條件：異步電動機的T-s曲線上有一個最高點；最大轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)高等數(shù)學(xué)中求極值的方法求得。代入轉(zhuǎn)矩公式，得過載能力：最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比：（1.6~2.2)最大轉(zhuǎn)矩，過載能力最大轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)電壓的平方成正比；最大轉(zhuǎn)矩近似與漏電抗成反比；最大轉(zhuǎn)矩的位置可以由轉(zhuǎn)子電阻的大小來調(diào)整；最大轉(zhuǎn)矩的值與轉(zhuǎn)子電阻值沒有關(guān)系；異步電動機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻時機械特性的變化。關(guān)于最大轉(zhuǎn)矩的幾個重要結(jié)論起動電流指起動瞬間電機從電網(wǎng)吸收的電流；從等效電路求出起動電流：起動轉(zhuǎn)矩，即起動瞬間電動機的電磁轉(zhuǎn)矩若令Sm=1起動轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩。對于繞線式轉(zhuǎn)子可通過外串電阻達到。起動電流、起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩的幾個重要結(jié)論異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比；總漏抗越大，起動轉(zhuǎn)矩越小；繞線式異步電動機可以在轉(zhuǎn)子回路串入適當?shù)碾娮杩梢栽龃笃饎愚D(zhuǎn)矩；

當時，起動轉(zhuǎn)矩最大。

轉(zhuǎn)矩的實用計算公式通過銘牌數(shù)據(jù)求取電動機轉(zhuǎn)矩的方法。異步電動機工作特性分析異步電動機的工作特性是指在額定電壓及額定頻率下，電動機的主要物理量（轉(zhuǎn)速、定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)及效率等）隨輸出功率變化的關(guān)系曲線。利用等值電路來計算工作特性。1。轉(zhuǎn)差率特性隨著負載功率的增加，電磁功率增加，轉(zhuǎn)子電流需要增大，故轉(zhuǎn)差率隨輸出功率增大而增大。轉(zhuǎn)差率sP2空載時電流很小，隨著負載電流增大，電機的輸入電流增大。二、定子電流特性I1＝f（P2）三、電磁轉(zhuǎn)矩特性T＝f（P2）

轉(zhuǎn)速的變換范圍很小，從空載到滿載，轉(zhuǎn)速略有下降

異步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)矩曲線為一個上翹的曲線。電磁轉(zhuǎn)矩T電流I1P2電流、電磁轉(zhuǎn)矩特性四、定子功率因數(shù)

空載時，定子電流基本上用來產(chǎn)生主磁通，有功功率很小，功率因數(shù)也很低；隨著負載電流增大，輸入電流中的有功分量也增大，功率因數(shù)逐漸升高；

在額定功率附近，功率因數(shù)達到最大值。如果負載繼續(xù)增大，則導(dǎo)致轉(zhuǎn)子漏電抗增大（漏電抗與頻率正比），從而引起功率因數(shù)下降。P2功率因數(shù)cos1定子功率因數(shù)特性五、效率特性其中銅耗隨著負載的變化而變化（與負載電流的平方正比）；鐵耗和機械損耗近似不變；可變損耗等于不變損耗時，電機達到最大效率。異步電動機額定效率在74-94%之間；最大效率發(fā)生在(0.7-1.0)倍額定效率處效率P2轉(zhuǎn)差率s功率因數(shù)cos