第4章童异步电机4. 1基本要求1.了解三相异步电机的基本结构、主要类型，掌握三相异步电机的额定值、转差率。2.掌握旋转磁场和三相异步电机的工作原理。3.理解三相交流绕组的基本概念。4.理解单相交流绕组的脉振磁动势和三相绕组的旋转磁动势。5.理解交流绕组的电动势和绕组因数的意义6.理解三相异步电动机的分析方法，掌握三相异步电动机的等效电路和基本方程式，“解三相异步电机的相量图。7.掌握三相异步电动机的功率和转矩关系，掌握三相异步电动机的转矩-转差率特性。8.了解三相异步电动机的工作特性，掌握三相异步电动机的参数测定方法。9.理解两相绕组的磁动势，了解单相异步电动机工作原理和主要类型。10.了解三相异步发电机。4.2学习指导三相异步电动机是一种使用最为广泛的电动机。本章的重点是掌握异步电机的基本原理和分析方法。1.三相异步电动机的结构三相异步电动机主要有笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两类，以笼型异步电动机为例，其基本结构如图4-1所示。定子冲片【定子铁心板压圈扣片定子线圈檀绝缘定子定子绕组 相间绝缘槽楼引接线机座吊攀笼型异步电动机「转子铁心（转子冲片）转子【猪笼（导条、端环、风叶、平衡柱）轴承端盖接线盒风扇、风罩图4-1笼型异步电动机的基本组成
第 4章 异 步 电 机 4,1 基 本要求 1,了 解三相异步电机的基本结构 、主要类型 ,掌 握三相异步电机的额定值 、转差率 。 2.掌 握旋转磁场和三相异步电机 的工作原理 。 3.理 解三相交流绕组 的基本概念 。 4.理 解单相交流绕组的脉振磁动势和三相绕组的旋转磁动势 。 5.理 解交流绕组的电动势和绕组 因数的意义 6.理 解三相异步 电动机 的分析方法 ,掌 握三相异 步 电动机 的等效 电路 和基本方程式 , F解 三相异步电机的相量图。 7.掌 握三相异步电动机的功率和转矩关系 ,掌 握三相异步电动机的转矩-转差率特性 。 8.了 解三相异步电动机的工作特性 ,掌 握三相异步电动机的参数测定方法 。 9.理 解两相绕组的磁动势 ,了 解单相异步电动机工作原理和主要类型。 10.了 解三相异步发 电机 。 4.2 学 习指导 三相异步电动机是一种使用最为广泛的电动机 。本章的重点是掌握异步电机的基本原理 和分析方法 。 1.三 相异步电动机的结构 三相异步电动机主要有笼型异步电动机和绕线转子异步 电动机两类 ,以 笼型异步电动机 勾例 ,其 基本结构如图 ⒋1所 示 。 片 圈 缘 冲 线 缘 绝 线 子 板 罔 片 子 绝 问 楔 接 定 端 压 扣 定 槽 相 槽 引 心 组 铁 绕 子 子 座 攀 定 定 机 吊 定 子 笼型异步 电动机 图 4-1 转子{笤鼋繁宣套丁蟊穿:λ叶、平衡柱) 轴承 端盖 接线盒 风扇 、风罩 笼 型 异 步 电 动 机 的 基 本 组 成
56电机与拖动MATLAB仿真与学习指导2.三相异步电动机的基本工作原理绕组是构成电机的关键部件。单相交流绕组产生的磁动势是脉振磁动势，三相对称绕组的合成磁动势是旋转磁动势。交流电机绕组的电动势计算与变压器绕组电动势计算类似，但必须考虑绕组的分布因数和短距因数。在异步电机的定子三相对称绕组中通入对称三相电流，就会产生旋转磁动势，从而在电机中形成旋转磁场。基波旋转磁场的转速称为同步转速，其大小为60ffn,P异步电机的转子与基波旋转磁场之间存在着相对运动，在闭合的转子导体中产生感应电动势、电流，于是产生电磁转矩。异步电机的转差率。="二"是反映异步电机运行状态利n.负载情况的一个基本变量，当0<s<1时，电机处于电动状态；当。<0时，电机处于发电机状态；当s>1时，电机处于电磁制动状态。3.三相异步电动机的等效电路从基本电磁原理来看，异步电机与变压器很相似，因此可采用变压器的分析方法来研异步电动机，它们的电动势与磁动势平衡方程式、等效电路和相量图的形式是相同的，但它们之间也有明显差别，主要是磁场性质不同。变压器的主磁场是脉振磁场，一次绕组和二次绕组都是静止的；而异步电机的主磁场是旋转磁场，转子相对定子是转动的，因此转子1动势与定子电动势频率不同。但是转子电流产生的基波磁动势仍与定子基波磁动势相对青止，这正是采用变压器分析方法的依据所在。当然，因为定、转子感应电动势的大小、频1不同，异步电机的等效电路必须要同时进行绕组归算和频率归算。在使用异步电动机等效电路时应注意以下问题：1）异步电动机产生的机械功率P。在等效电路中用模拟电阻一二"R:所消耗的电功率3表示。2）由于异步电机的磁路中存在气隙，其励磁电流较变压器的大，励磁阻抗较变压器小，因此等效电路的简化应作必要的修正。3）异步电动机的电磁功率P。、总机械功率P.和转子铜耗Pcz三者之间存在固定的比关系m.sP. :P :Pc= 1:(1 - 8) :s而转子的机械角速度与同步角速度2,之间有=（1-s)2，因此，电磁转矩T既可用机械功率P.除以转子角速度Q来计算，也可以用电磁功率P。除以同步角速度Q来算，即-Pm-P.T.="n4）异步电机等效电路的参数可以通过空载试验和堵转（短路）试验来确定。5）异步电机的电磁转矩是由气隙磁场和转子电流的有功分量共同作用产生的，其物1pm,N,kw2Φ.l,cosp2=C.Φ.l,cos2由等效电路可以求得其参数表达立表达式为T/2
电机与拖动 MATLAB仿 真与学 习指导 2.三 相异步电动机的基本工作原理 绕组是构成电机堕送寒 部件 。单相交流绕组产生的磁动势是脉振磁动势 ,三 相对称绕组 的合成磁动势是旋转磁动势 c交 流电机绕组的电动势计算与变压器绕组 电动势计算类似 ,但 必须考虑绕组的分布因薮和 短距 因数 。 扌 J刀 I灬 rl卩 ⒈ ι \ 在异步电机 的定子三相对称绕组 中通人对称三相电流 ,就 会产生旋萝鹦 从而在 电 机中形成旋转磁场 。基波旋转磁场的转速称为同步转速 ,其 大小为 一 6呒 屁 l = ^ˉ ˉˉ~~~ P 异步电机的转子与基波旋转磁场之间存在着相对运动 ,在 闭合的转子导体 中产生感应 咤 动势 、电流 ,于 是产生 电磁转矩 c异 步电机的转差率 s=刀 l-刀 是反映异步电机运行状态和 P11 负载情况 的一个基本变量 ,当 0<s(1时 ,电 机处于电动状态 ;当 s<0时 ,电 机处于发 哇 机状态 ;当 s)1时 ,电 机处于电磁制动状态 。 3.三 相异步 电动机的等效 电路 从基本电磁原理来看 ,异 步电机与变压器很相似 ,因 此可采用变压器的分析方法来研穸 异步电动机 ,它 们 的电动势与磁动势平衡方程式 、等效电路和相量 图的形式是相 同的 ,但 贳 它们之间也有明显差别 ,主 要是磁场性质不同。变压器 的主磁场是脉振磁场 ,一 次绕组和二 套爹骂髦晕胃彗篓纭罢柔篙亍猹踅奉聱篷隼珲篷算椴岛荔展建￡孑霸麂霸量瞿扬霎芽笤罴 止 ,这 正是采用变压器分析方法的依据所在 c当 然 ,因 为定 、转子感应 电动势的大小 、频Z 不同,异 步电机的等效 电路必须要 同时进行绕组归算和频率归算 。 在使用异步电动机等效 电路时应注意以下问题 : 1)异 步电动机产生的机械功率 Pm在 等效 电路 中用模拟 电阻 1ˉ sR∶所消耗 的电功率ε s 表示 。 2)由 于异步电机的磁路 中存在气 隙 ,其 励磁 电流较变压器 的大 ,励 磁阻抗较变压器 : 小 ,因 此等效 电路 的简化应作必要 的修正 。 3)异 步电动机的电磁功率 Pc、 总机械功率 Pm和 转子铜耗 Pc记三者之间存在 固定的比4 关 系 珲 犭 而 转 子 的 机 械 角 速 亳 四 与 同 步 角 速 吧 之 间 有 Ω =(1-s)Ω 1,因 此 ,电 磁 转 矩 re既 可 用机械功率 Pm除 以转子角速度 Ω来计算 ,也 可 以用 电磁功率 Pe除 以同步角速度 Ω1来 算 ,即 re=ξm e Ω Ω l 4)异 步 电机 等效 电路 的参 数 可 以通 过 空载试 维 和堵 转 (短 路 )试 验 来 确定 。 5)异 步 电机 的 电堕蒸 矩 是 由气 隙磁 场 和 转 子 电流 的有 功 分 薹 共 同作 用主生 妁 ,其 物 趑 式 为 飞 〓 拮 胛△几 ‰ 啪 吧 =G啪 嗍 。 由等效 蛐 可 赇 麒 参 蚝 四
57第4章异步电机mpuRT:2m/[(Ri +) +(X1g + X))]对已制造好的电机来说，当外加电压及频率不变时，电磁转矩T。只是转差率：的函数。电磁转矩与转差率之间的关系称为机械特性，这是反映异步电动机运行特性的一条重要曲线。由此可导出异步电机的最大转矩、起动转矩、稳定工作区等物理量，还可分析运行参数（如电压、频率、转速及负载的大小和性质）及电机参数（如转子电阻、漏抗）对电机特性的影响。4.三相异步电动机的主要特性异步电动机的工作特性是指随着负载变化，其转速、输出转矩、定子电流、功率因数、效率等的变化曲线。三相异步电动机的主要技术指标有：额定效率ns、额定功率因数cosPx、最大转矩倍数k、堵转转矩倍数k.和堵转电流倍数ki。5.单相异步电动机单相异步电动机的结构与笼型三相异步电动机相似，通常其定子上有两个绕组：工作绕组和起动绕组，而转子为笼型结构。如果仅主绕组通电，它产生的脉振磁动势可分解成两个大小相等、方向相反的圆形旋转磁动势，在电机静止时，由此产生的正向和反向电磁转矩大小相等、方向相反，故起动转矩为零。所以单相电动机起动时必须借助起动绕组，根据起动方法或运行方式的不同，单相异步电动机主要有以下几种类型：电容起动电动机、电容运转电动机、双值电容电动机、电阻起动电动机、罩极电动机等。由于负序磁场的存在，单相异步电动机的性能比三相异步电动机要差。6.三相异步发电机异步发电机是异步电机的又一种运行方式，其基本方程式和等效电路与异步电动机相同。只是由于在发电机状态运行时n>n，转差率s变为负值。异步发电机既可以单机运行也可以与电网并联运行，与电网并联运行的异步发电机需要从电网上吸取无功的励磁电流，在发电的同时，增加了电网的无功负担；而单独运行的异步发电机则必须在定子绕组的端点并联对称的电容器，通过电容来提供异步发电机所需的励磁电流，使其自励建压。4.3典型题分析【例4-1]二台笼型三相异步电动机，接在50Hz的三相电源上，其额定数据为额定电压U%=380V（△联结），额定转速n~=1455r/min，其参数为R，=1.375Q，Xi。=2.435n，R.=8.626Q2，X.=89.62，R,=1.4070，X=4.442，额定负裁时的机械损耗及附加损耗共为280W，求额定转速时的定子电流、功率因数、输入功率及效率。解取定子相电压U，为参考相量，即令ü，=380/0°V额定转差率5x = "m = nx _ 1500-1455= 0.031500nt定子漏阻抗
第 4章 异 步 电 机 re = * xi)') 对 已制造好的电机来说 ,当 外加 电压及频率不变时 ,电 磁转矩 re只 是转差率 s的 函数 。 电磁转矩与转差率之间的关 系称 为机械特性 ,这 是反 映异步 电动机运行特性 的一条重要 曲 线 。由此可导出异步电机的最大转矩 、起动转矩 、稳定工作 区等物理量 ,还 可分析运行参数 (如 电压 、频率 、转速及负载的大小和性质 )及 电机参数 (如 转子电阻 、漏抗 )对 电机特性 的影响。 4.三 相异步 电动机的主要特性 异步电动机 的工作特性是指随着负载变化 ,其 转速 、输 出转矩 、定子 电流 、功率 因数 、 效率等的变化 曲线 。三 相 异 步 电动 机 的 主要 技 术 指 标 有 :额 定 效 率 叼N、 额 定 功 率 因数 ∞s♀N、 最大转矩倍数 伤m、 堵转转矩倍数 气和堵转 电流倍数 】I。 5.单 相异步 电动机 单相异步电动机 的结构与笼型三相异步电动机相似 ,通 常其定子上有两个绕组 :工 作绕 组和起动绕组 ,而 转子为笼型结构 。如果仅主绕组通 电,它 产生的脉振磁动势可分解成两个 大小相等 、方 向相反 的圆形旋转磁动势 ,在 电机静止时 ,由 此产生的正 向和反 向电磁转矩大 小相等 、方 向相反 ,故 起动转矩为零 。所 以单相 电动机起动时必须借助起动绕组 ,根 据起动 方法或运行方式 的不 同,单 相异步电动机主要有 以下几种类型 :电 容起动电动机 、电容运转 电动机 、双值 电容 电动机 、电阻起动电动机 、罩极 电动机等 。由于负序磁场的存在 ,单 相异 步电动机的性能 比三相异步电动机要差 。 6.三 相异步发 电机 异步发 电机是异步电机 的又一种运行方式 ,其 基本方程式 和等效 电路与异步 电动机相 同。只是 由于在发 电机状态运行时 瓦>Ⅱl,转 差率 s变 为负值 。异步发 电机既可 以单机运行 也可以与电网并联运行 ,与 电网并联运行 的异步发 电机需要从 电网上吸取无功 的励磁 电流 , 在发 电的同时 ,增 加 了电网的无功负担 ;而 单独运行的异步发电机则必须在定子绕组的端点 并联对称 的电容器 ,通 过电容来提供异步发 电机所需的励磁 电流 ,使 其 自励建压 。 4.3 典 型题分析 【例 ⒋刂 一 台笼型三相异步电动机 ,接 在 50Hz的 三相电源上 ,其 额定数据为额定电 压 σ N=380Ⅴ (△ 联 结 ),额 定 转 速 刀 N=1455r/min,其 参 数 为 R1=1375Ω ,X1σ =2.435Ω , Rm=8,626Ω ,Xm=89.6Ω ,R∶ =1.407Ω ,X∶ σ =4。 狃 Ω ,额 定 负 裁 时 的 机 械 损 耗 及 附 把 损 耗 共为 280W,求 额定转速时的定子电流 、功率因数 、输人功率及效率 。 解 取 定 子 相 电 压 σ l为 参 考 相 量 ,即 令 σ 1〓 380Z0° V 额定转差率 mlp匹丝s x + 只 2 砾 R + .~s 、 =三 |于 工⊥ =≡ 丕 号蓄示+堕 至 〓 ⒍ O3 定子漏 阻抗 亠
58电机与拖动MATLAB仿真与学习指导Z, = (R, + jXi。) = (1.375 + j2.435)转子等效阻抗R:(1.407Z,:+jXa=+j2.44)0 = (46,9+jz.44)0(0.03Sx励磁阻抗Z.=（Rm+jx_）=（8.626+j89.6)0励磁电流380/0°i.=-A=4.105/-83.8°A(1.375 + j2.435) + (8.626 + j89. 6)Z.+Z.转子电流i.380/0°-is(1.375 + j2. 435) + (46. 9 + j2. 44)A = 7.832/5.77AZ, + Z'定子相电流i,=i.-i;= (4.105/-83.8°+7.832/-5.77°)A=9.567/-30.59°A定子功率因数和输入功率为cos.=cos30.59°=0.861Pl = 3U,l,cosp = 3×380×9.567×0.861W = 9390W总机械功率为x1-0.03w=8372WR; /- = 3 × 7. 832* ×1. 407 ×Pm=31R0.03S输出功率为P,=Pm-Ph-P=(8372-280)W=8092W效率为P,_8092x100%=86.18%m=P=9390一台绕线转子三相异步电动机，P、=90kW，f=50Hz，nz=980r/min，机【例4-2]械损耗P=1kW，附加损耗P为额定功率的0.45%。保持负载转矩为额定，在转子回路中串人电阻把转速降至750r/min，试求消耗在调速电阻上的功率。解额定转速接近电机的同步转速，由额定转速为980r/min可知同步转速为1000r/min。额定转差率为n,-nx-1000-9802=0.02S=1000n;由于P. = (1 - sx)P,= P, +Pw + Pad故在额定状态下，电机的电磁功率为P+P+Paa990+1+90×0.45%kW = 93.27kWP. =1 -0.021 - Sh转子铜耗为
58 电机与拖动 MATLAB仿 真与学习指导 转子等效阻抗 励磁阻抗 励磁 电流 zl =(Rl+jX1σ ) = (1 375+j2,435)Ω =景 |+j玛 σ =(社 凵 ⒉ 叫 Ω =“ 6J冫 木孑人彳4n zm = (Rm +jXm) = (8,626+J珏 L迫 n‘ ∑ ~ˉ ' .` 流 〓 ~钙叽· 转 子 电 380巫 A 〓 4.105∠ 二 83· 8°A (1.375 +j2 435) + (8,626 +j89.6) 380∠ 0° (1.375 +j2.435) + (46,9 +j2.44) A=⒎ 83⒉ 垫 三 夕 。 刀 ° A 定 子相 电流 r1 =Jm~∫ ∶ 〓 (4· 105/~83.8° +7· 832/-5,77° )A =9· 567/-30.59° A 定子功率因数和输Δ功奎扭 cos♀ l = cos30.59° =0,861 P1 = 3[`lJ!cos【 P1 = 3 × 380 × 9.567 × 0,861W = 93901V 总机械功率为 / ¨ ￡ 少 〓 叫 ℃ ⊥-:|三 · 〓 3d闷 '× l叫 "× 1ˉ 0· 03W=:~s” w 输 出功率为 效率为 Pz = P^ - P,* -P", = (8372 -280)W = 8092W 叼 =各 =娶 瓷 × 100%=:6· 18% 【例 ⒋2】 一 台绕线转子三相异步电动机 ,PN=90kW,￡ =50Hz,屁 N=980r/min,机 械损耗 PⅢ =1kW,附 加损耗 Pad为 额定功率 的 0。笱%。 保持负载转矩 为额定 ,在 转子 回路 中串入 电阻把转速降至 750r/min,试 求消耗在调速电阻上的功率。 解 额 定转 速接 近 电机 的同步转速 ,由 额定转 速 为 980r/min可 知 同步转 速 为 1000r/ min。 额定转差率为 \=∵ =Ⅱ 卫 罟诟苦 望2=⒍ ∞ 由于 Pm=(1-sN)Pe=P、 +Pfw+Pad 故在额定状态下 ,电 机 的电磁功率为 -j;=辐 〓 凡 =￡ ⊥⊥」:」1竺-二1苎I竺 〓 90+1 1-sN 1 -0.02 +90 × 0.45c/ck 吼厂 =93.27kW 转 子铜 耗 为
59第4章异步电机Pcz=$,P.=0.02×93.27kW=1.87kW因为在调速时负载转矩保持为额定值不变，因此电机的电磁转矩保持不变。根据电磁转ZR,公式可知，调速前后转子回路应保持不变。这样，转子回路串电阻前后，转子电流保持不变，电磁功率保持不变，转子绕组的铜损耗也保持不变。调速后电机的转差率变为s'anin'1000-750= 0.251000n,转子回路包括调速电阻的总铜耗为Pc=s'P=0.25×93.27kW=23.32kW消耗在调速电阻上的功率为Pr = Pcz2 - Pcuz = (23. 32 - 1. 87)kW = 21.45kW【例4-3]一台四极绕线转子三相异步电动机，接在50Hz的三相电源上，其额定电玉U=380V（联结），额定转速n~=1450r/min，参数为R，=0.45Q，X。=2.45Q，Rm=40，X=24Q，R，=0.02Q，X，=0.092，k。=k.=5.2，试对比下列3种情况下的起动电流、起动转矩和最大转矩：（1）转子自行闭合：（2）转子回路串人R=0.01Q电阻；（3）转子回路串入X，=0.01Q的电抗器。解归算到定子侧的转子电阻和漏电抗为R2. = k,k,Rz= 5.2× 5.2 ×0.020 =0.5410X2。=k,k,Xzg=5.2×5.2×0.090=2.4340（1）转子自行闭合时U,Ia(R, +R) + (X。 +X2)220A=44.1A(0.45+0.541)+(2.45+2.434)m,pU,RT.=2mf[(R, +R5)+(X+Xi)3×2×2202×0.5412×50×[(0.45+0.541)+(2.45+2.434)"]=20.14N:mmipU,Tm=4f[R, +R +(X。+X2)]3×2×2203m4#×50[0.45 +0.45°+(2.45+2.434)=83.48N·m（2）转子回路串人R，=0.01Q电阻时R, = k,k,R,= 5.2 ×5.2×0.010 =0.270U,I.i:(R, + R, +R')"+(X +X.)?
第 4章 异 步 电 机 59 Pcu2 〓 sN Pc =0.02× 93.27k秭 厂 = 1.87k环 厂 因为在调速时负载转矩保持为额定值不变 ,因 此 电机 的电磁转矩保持不变 。根据 电磁转 乏公式可知 ,调 速前后转子 回路旦 s 生 应保持不变 。这样 ,转 子 回路 串电阻前后 ,转 子电流保 诗不变 ,电 磁功率保持不变 ,转 子绕组 的铜损耗也保持不变 。 调速后 电机 的转差率变为 `%ˉ ∥ 1鞣 s = — 〓 - =⒍ 犭 rl l 转子 回路包括调速 电阻的总铜耗为 P:u2=s′ Pc=0.25× 93.27kW=23.32kW 消耗在调速 电阻上的功率为 PR=P:u2-Pc亚 〓 (23.32-1.87)kW=21.45kW 【 例 ⒋ 3】 一 台 四 极 绕 线 转 子 三 相 异 步 电 动 机 ,接 在 50Hz的 三 相 电 源 上 ,其 额 定 电 玉 σ N=380Ⅴ (丫 联 结 ),额 定 转 速 屁 N=1450r/mh,参 数 为 R1=0。 0~sΩ ,X1σ =2。 弱 Ω ,Rm= 4Ω ,Xm=zΩ ,R2=0。 ∞ Ω ,凡 σ 〓 0· 09Ω ,品 c=乃 i=5,2,试 对 比 下 列 3种 情 况 下 的 起 动 电 流、起动转矩和最大转矩 :(1)转 子 自行闭合 ;(2)转 子回路 串入 Rs=0.01Ω 电阻 ;(3)转 子回路 串入 Xs=0.01Ω 的电抗器 。 解 归 算到定子侧 的转子 电阻和漏 电抗为 R∶ σ =凡 e】 iR2σ =5,2× 5.2× 0.02Ω X∶ σ =屁 c乃 iX2σ =5.2× 5.2× 009Ω (1)转 子 自行闭合时 〓 0.541Ω 〓 2.434Ω r/I f“ ≈ r⒍ = Γm= W 220 A = 44.rA m,pUlR!, 3 x2 x220'z x0.541 2π × 50× [(0.45+0,541)2+(2.45+2.434)2] 20.14N· m m1f,I/; 4ζ [R1+ 3× 2 x 2202 N· m N· m (2) 4π × 50[0.45+√ ′ 0.452+(2.45+2.434)2] 〓 83.48N· m 转子 回路 串入 Rs=0,01Ω 电阻时 R∶ 〓 乃e乃 iRs 〓 5,2× 5.2× 0.01Ω 〓 0.27Ω f“ ≈ I/1 √ (R1+凡 +R∶ )2+(几 σ +X红 )2