第五章:感应电机的稳态分析 主要内容:三相感应电机的结构原理,及磁势,磁场。感应电机的基本方程式 等效电路。工作特性,及启动调速问题,最后介绍单相感应电机 5-1感应电动机的结构,原理和运行状态 为了更好的理解感应电动机的工作原理,首先介绍结构 感应电动机的结构 主要由静止的定子和转动的转子两大部分组成,定、转子之间有一很小的气隙 、定子:由定子铁心,定子绕组和机座三部分组成 定子铁心:是主磁路的一部分,为了减少磁滞损耗和涡流损耗,铁芯 由0.5mm的硅钢片叠成。在定子铁心内圆上均匀的冲有 定槽形的槽,用来嵌放定子绕组 槽形分:半闭口,半开口,开口 从提高效率和功率因数来看,半闭口槽最好,因为它可以减少气 隙磁阻,使产生一定数量的旋转磁场所需的励磁电流最少。但绕组的绝缘和嵌 线工艺比较复杂,因此只用于低压中小型异步电动机中 对于中型异步电动机通常采用半开口槽。(500伏以下) 对于高压中型和大型异步机,一般采用开口槽,以便于嵌线。 定子绕组:定子铁心槽内对称的放置三相绕组,当三相绕组中通入对称三相交 流电流时产生旋转磁场 机座:用来支撑整个电机。 2、转子:由转子铁心,转子绕组,和转轴组成。 转子铁心:也是主磁路的一部分,由厚0.5mm的硅钢片叠成,在铁心外缘冲有一 圈开口槽,外表面成圆柱形 转子绕组:分笼型:一般采用铸铝,结构简单,制造方便。应用广泛。 绕线形:转子槽内嵌有三相绕组,通过集电环和电刷与外电路接通 这样可以在转子绕组中接入外加电阻,改善启动和调速性 能。此种结构较笼型复杂,只用于启动性能要求较高和需调 速的场合 图5-2
1 第五章：感应电机的稳态分析 主要内容：三相感应电机的结构原理，及磁势，磁场。感应电机的基本方程式， 等效电路。工作特性，及启动调速问题，最后介绍单相感应电机。 5-1 感应电动机的结构，原理和运行状态 为了更好的理解感应电动机的工作原理，首先介绍结构。 一、感应电动机的结构 主要由静止的定子和转动的转子两大部分组成，定、转子之间有一很小的气隙。 1、 定子：由定子铁心，定子绕组和机座三部分组成 定子铁心：是主磁路的一部分，为了减少磁滞损耗和涡流损耗，铁芯 由 0.5mm 的硅钢片叠成。在定子铁心内圆上均匀的冲有 一定槽形的槽，用来嵌放定子绕组 槽形分：半闭口，半开口，开口 从提高效率和功率因数来看，半闭口槽最好，因为它可以减少气 隙磁阻，使产生一定数量的旋转磁场所需的励磁电流最少。但绕组的绝缘和嵌 线工艺比较复杂，因此只用于低压中小型异步电动机中。 对于中型异步电动机通常采用半开口槽。（500 伏以下） 对于高压中型和大型异步机，一般采用开口槽，以便于嵌线。 定子绕组：定子铁心槽内对称的放置三相绕组，当三相绕组中通入对称三相交 流电流时产生旋转磁场。 机座：用来支撑整个电机。 2、 转子：由转子铁心，转子绕组，和转轴组成。 转子铁心：也是主磁路的一部分，由厚 0.5mm 的硅钢片叠成，在铁心外缘冲有一 圈开口槽，外表面成圆柱形。 转子绕组：分笼型：一般采用铸铝，结构简单，制造方便。应用广泛。 绕线形：转子槽内嵌有三相绕组，通过集电环和电刷与外电路接通。 这样可以在转子绕组中接入外加电阻，改善启动和调速性 能。此种结构较笼型复杂，只用于启动性能要求较高和需调 速的场合
3、气隙 在定、转子之间有一气隙,气隙大小对异步机的性能有很大的影响。气隙大磁 阻大,要产生同样大小的旋转磁场就需较大的励磁电流,由于激磁电流基本上是无 功电流,所以为了降低电机的空载电流,提高功率因数,气隙应尽量减少。一般气 长度应为机械条件所容许达到的最小值。中小型电机气隙一般为0.2-0.7 二、异步电动机的工作原理。(感应电动机的工作原理) 前已讲过,当对称三相绕组中通入对称三相电流后,在空气隙中产生旋转磁场,当 该磁场切割转子导体时根据电磁感应定律,导体内会 产生电势 感应电势的方向:由右手定则判定 e 如图所示(由相对运动,切割与ns相反) 由e产生电流方向与e相同(不考虑电势与 电流的相位差)根据电磁力定律:载流导体 在磁场受力的方向:由左手定则判定,如图示 在电磁力F的作用下,转子顺旋转磁场方向 旋转,转速为n。 QQ 三、异步机的运行状态。(感应电机的运行状态) 般情况下异步机的转速n总是小于ns 异步机之所以能够转动,关键在于转子导条与磁场之间存在相对运动,而感应 电势产生电流,从而产生电磁力。如n=ns,不存在磁场与转子之间的相对运动 在转子导条中就不感应电势,不产生转矩,电机就不能转动,所以n总是与ns 异步的旋转,所以我们也称感应电动机为异步电动机 S 100% 我们定义相对速度(n-ns)与同步速ns之比为转差率s 转差率是异步电机的一个主要参数,根据s的正负和大小可以判断电机的运行状态 1、作为电动机的运行状态。 当转子的转向与ns相同且小于ns时(即1>s>0)为电动机运行状态,由下图知此 时电磁转矩的方向与n相同,它拖动转子旋转 2、作为发电机的运行状态 如用一原动机拖动异步机,使异步机n>ns(即s<0)磁场切割转子导条的方向与电动机 状态相反,电磁转矩方向与n相反,此时原动机的驱动转矩必须克服制动的电磁转矩 使n>ns,这时转子从原动机输入机械功率,通过电磁感应由定子输出电功率,电机处 于发电机状态。 3、电磁制动的运行状态 如果由于外力的作用使转子逆着ns旋转,(即s1)此时转子导条中电势电流方向 仍与电动状态一样,电磁转矩的方向与n相反,所以电磁转矩为制动性质的,称为
2 3、 气隙： 在定、转子之间有一气隙，气隙大小对异步机的性能有很大的影响。气隙大磁 阻大，要产生同样大小的旋转磁场就需较大的励磁电流，由于激磁电流基本上是无 功电流，所以为了降低电机的空载电流，提高功率因数，气隙应尽量减少。一般气 隙长度应为机械条件所容许达到的最小值。中小型电机气隙一般为 0.2-0.7 二、异步电动机的工作原理。（感应电动机的工作原理） 前已讲过，当对称三相绕组中通入对称三相电流后，在空气隙中产生旋转磁场，当 该磁场切割转子导体时根据电磁感应定律，导体内会 产生电势。 感应电势的方向：由右手定则判定。 如图所示（由相对运动，切割与 ns 相反） 由 e 产生电流方向与 e 相同（不考虑电势与 电流的相位差）根据电磁力定律：载流导体 在磁场受力的方向：由左手定则判定，如图示 在电磁力 F 的作用下，转子顺旋转磁场方向 旋转，转速为 n。 三、异步机的运行状态。（感应电机的运行状态） 一般情况下异步机的转速 n 总是小于 ns。 异步机之所以能够转动，关键在于转子导条与磁场之间存在相对运动，而感应 电势产生电流，从而产生电磁力。如 n=ns，不存在磁场与转子之间的相对运动， 在转子导条中就不感应电势，不产生转矩，电机就不能转动，所以 n 总是与 ns 异步的旋转，所以我们也称感应电动机为异步电动机。 100% − = S S n n n S 我们定义相对速度（n-ns）与同步速 ns 之比为转差率 s 转差率是异步电机的一个主要参数，根据 s 的正负和大小可以判断电机的运行状态。 1、作为电动机的运行状态。 当转子的转向与 ns 相同且小于 ns 时（即 1>s>0）为电动机运行状态，由下图知此 时电磁转矩的方向与 n 相同，它拖动转子旋转。 2、作为发电机的运行状态。 如用一原动机拖动异步机，使异步机 n>ns(即 s<0)磁场切割转子导条的方向与电动机 状态相反，电磁转矩方向与 n 相反，此时原动机的驱动转矩必须克服制动的电磁转矩 使 n>ns,这时转子从原动机输入机械功率，通过电磁感应由定子输出电功率，电机处 于发电机状态。 3、电磁制动的运行状态 如果由于外力的作用使转子逆着 ns 旋转，（即 s>1）此时转子导条中电势电流方向 仍与电动状态一样，电磁转矩的方向与 n 相反，所以电磁转矩为制动性质的，称为 e,i N S F F n ns
电磁制动状态 在这种情况下,从转子输入机械功率,从定子输入电功率,两部分功率一起变为 电机内部的损耗。例6-1见p175 四、额定值 1、额定功率pN:指额定运行时输出的机械功率 2、额定电压uN:指额定运行状态下,定子绕组应加的线电压。 3、额定电流IN:指额定运行状态下,输出额定功率时,钉子绕组中的线电流 4、额定功率fN:工频规定为50HZ 5、额定转速n:指电机在额定运行时的转速 除此以外,有时还标明功率因数,效率,温升,定额接法绝缘等级等,对绕线 式电机,还标出转子电压和转子额定电流等数据 6、主要系列 Y—112M4 极数 机座长度(份LM,S 中心高 异步电机 五、异步电动机的分类 从定子相数分类: 单相,三相 从转子结构上分: 鼠笼(普通鼠笼、深槽鼠笼、双鼠笼), 绕线 按机壳的不同防护方式分:开启式、防漏式、封闭式,防暴式 按电机的容量分 小型(06-100千瓦)中型(100-1000千瓦)大型(1000 千瓦以上)微电机 5-2.三相感应电动机的磁动势和磁场 空载运行时的磁动势和磁场 u1→I10→F1→Fm→m→E1 当定子接入对称三相电压u后,定子中便流过对称三相电流I0(空载电流)产生 基波合成旋转磁场F1 因空载运行时,n=ns所以F2=0,I2=0,所以空载运行时定子磁动势F1基本上 为产生气隙主磁场的激磁磁动势Fm,空载时电流就近似等于激磁电流Im,考虑 铁心损耗时,Im超前Bm铁心损耗角ae,见p20页 当气隙中主磁场以同步转速旋转时,Φm将在定子绕组中感应电势E1,因在 相位上E1滞后中m90度,所以用向量表示有:E1=J4NKmΦn
3 电磁制动状态。 在这种情况下，从转子输入机械功率，从定子输入电功率，两部分功率一起变为 电机内部的损耗。例 6-1 见 p175 四、额定值 1、额定功率 pN:指额定运行时输出的机械功率。 2、额定电压 u1N:指额定运行状态下，定子绕组应加的线电压。 3、额定电流 I1N:指额定运行状态下，输出额定功率时，钉子绕组中的线电流 4、额定功率 fN:工频规定为 50HZ 5、额定转速 nN:指电机在额定运行时的转速。 除此以外，有时还标明功率因数，效率，温升，定额接法绝缘等级等，对绕线 式电机，还标出转子电压和转子额定电流等数据 6、主要系列 Y—112M—4 极数 机座长度（份 L, M, S ） 中心高 异步电机 五、异步电动机的分类 从定子相数分类： 单相，三相 从转子结构上分： 鼠笼（普通鼠笼、深槽鼠笼、双鼠笼）， 绕线 按机壳的不同防护方式分：开启式、防漏式、封闭式，防暴式。 按电机的容量分： 小型（0.6-100 千瓦）中型（100-1000 千瓦）大型（1000 千瓦以上）微电机。 5-2．三相感应电动机的磁动势和磁场 一、空载运行时的磁动势和磁场 u1→I10→F1→Fm→Φm→E1 Φ1σ→E1σ 当定子接入对称三相电压 u1 后，定子中便流过对称三相电流 I10(空载电流)产生 一基波合成旋转磁场 F1 因空载运行时，n=ns, 所以 E2=0, I2=0，所以空载运行时定子磁动势 F1 基本上 为产生气隙主磁场的激磁磁动势 Fm，空载时电流就近似等于激磁电流 Im，考虑 铁心损耗时，Im 超前 Bm 铁心损耗角 αFe，见 p20 页 当气隙中主磁场以同步转速旋转时，Φm将在定子绕组中感应电势 E1, 因在 相位上 E1 滞后Φm 90 度，所以用向量表示有： • = − J f N KW m E 1 1 1 1 4.44
Φm为主磁通。 与变压器分析一样,把E1作为电压降来处理,引入Zm, E=-1Zm=-ImRm+JXm Zm激磁阻抗,表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数 Xm激磁电抗,表征气隙主磁通的电抗 Rm激磁电阻,表征铁耗的一个等效电阻 Xof, Ni A Xm正比于磁导A,所以气隙越小,ⅹ越大,在同一定子电压下,激磁 电流就越小 除产生中m外,定子电流还产生仅与定子绕组铰链的;漏磁通d如将 在定子绕组中感应漏电势E。,E=J1Xn,(与变压器一样,En作为电 压降处理) I1:定子电流 X1a:定子漏电抗 根据磁通通过的路径和性质的不同,将磁通分为两大类,主磁通和漏磁通 主磁通:由基波旋转磁动势产生的通过气隙并与定子绕组和转子绕组同时 交链的磁通为主磁通。它是电机进行机电转换的媒介 路径:从定子轭经定子齿,空气隙到转子齿,转子轭,再经过转子齿,空 气隙,定子齿回到定子轭,形成闭和磁路。主磁路是一个非线性磁 路,受磁路饱和影响较大。 漏磁通:定子三相电流除产生主磁通Φm外,还产生仅与定子绕组交链 不与转子绕组交链的磁通,这部分磁通成为漏磁通 这部分 磁通不能转换能量。包括三部分:槽漏磁通,端漏磁通,谐波漏 磁通 漏磁通主要通过空气而闭和,受饱和影响较小。需指出的是:谐波漏磁通 与前两种漏磁通不同,它实际上通过空气隙与转子绕组交链。这些谐波漏磁 通与基波一样在定、转子绕组中感应电势,在定子绕组中感应电势的频率为 f, 60=f1,f,=f 所以电动势和基波电动势可以相加,将影响到定子电流
4 Φm为主磁通。 与变压器分析一样，把 E1 作为电压降来处理，引入 Zm, E = − I m Z m = − I m Rm + J X m 1 Zm 激磁阻抗，表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数 Xm 激磁电抗，表征气隙主磁通的电抗 Rm 激磁电阻，表征铁耗的一个等效电阻 X m f N m 2 1 1 Xm 正比于磁导 m ，所以气隙越小， X m 越大，在同一定子电压下，激磁 电流就越小。 除产生Φm 外，定子电流还产生仅与定子绕组铰链的；漏磁通 1 ，1 将 在定子绕组中感应漏电势 E1， E1 J I 1X1 • = − ，（与变压器一样， E1 作为电 压降处理） I 1：定子电流 X1σ：定子漏电抗 根据磁通通过的路径和性质的不同，将磁通分为两大类，主磁通和漏磁通。 主磁通：由基波旋转磁动势产生的通过气隙并与定子绕组和转子绕组同时 交链的磁通为主磁通。它是电机进行机电转换的媒介 路径：从定子轭经定子齿，空气隙到转子齿，转子轭，再经过转子齿，空 气隙，定子齿回到定子轭，形成闭和磁路。主磁路是一个非线性磁 路，受磁路饱和影响较大。 漏磁通： 定子三相电流除产生主磁通Φm 外，还产生仅与定子绕组交链 不与转子绕组交链的磁通，这部分磁通成为漏磁通 1 ，这部分 磁通不能转换能量。包括三部分：槽漏磁通，端漏磁通，谐波漏 磁通。 漏磁通主要通过空气而闭和，受饱和影响较小。需指出的是：谐波漏磁通 与前两种漏磁通不同，它实际上通过空气隙与转子绕组交链。这些谐波漏磁 通与基波一样在定、转子绕组中感应电势，在定子绕组中感应电势的频率为 f f s S pn n p p n 60 60 60 1 = = = = , f f 1 = 所以电动势和基波电动势可以相加，将影响到定子电流
在转子粗中感应电动势的棒为=(如- 而基波磁动势在转子绕组中感应电动势的频率为 f 感应电动势不能相加,也就不影响转子电流,从而对转子不产生有用转矩。 由此可见谐波磁场仅影响定子电动势,所以把谐波磁场作用漏磁场来处理 二、负载运行时的磁动势和磁场 当负载运行后n≠n1出现E2→l2→F2下面分析转子磁势F的性质 以及它对气隙主磁场Fm影响。 F2也为旋转磁势。若定子旋转磁场正向旋转A→B→>C,则转子感应电动 势的相序为正序,转子电流也为正序,也产生正向旋转的磁动势F2,即F2 与F1转向相同如定子旋转磁场的转速为ns,转子转速为n,此时定子旋转磁 场以(-n,=M)的速度切割转子,所以在转子中感应电动势的频率 f,=≈0=m一叫= 转子电流产生的磁势H2相对于转子的转速为n=60=60s=s,=An P P 而转子本身有以n的速度旋转, 所以转子磁势相对于定子的转速为Mn+n=(n,-n)+n=n 即无论转子的实际转速为多少,转子磁势F2和定子磁势F在空间的转速总 是等于ns,它们之间没有相对运动 由于F1与F2相对静止,就可以把F1和F2合成起来,所以异步机负载时在气 隙内产生的旋转磁场是定、转子合成磁势即 F1+F2=F 转子反应:负载时感应电动机的转子磁势对气隙磁场的影响称为转子反应。 其作用:1)使气隙磁场的大小和空间相位发生变化 2)转子磁势与主磁场相互作应,产生所需电磁转距。 由F1=Fm-F2可知定子磁势F包含两个分量,一个是产生主磁通m的 磁势Fm,另一个是抵消转子磁势作用的分量Fn=-F2,因Fm基本不变,当
5 在 转 子 绕 组 中 感 应 电 动 势 的 频 率 为 ( ) = − − = n n p n n p ns f 2 60 60 而基波磁 动势在 转子 绕组中 感应电 动势的 频率为 ( ) 2 60 p ns n f − = ， f f 2 2 感应电动势不能相加，也就不影响转子电流，从而对转子不产生有用转矩。 由此可见 谐波磁场仅影响定子电动势，所以把谐波磁场作用漏磁场来处理。 二、负载运行时的磁动势和磁场 当负载运行后 n ns 出现 2 2 F2 E → I → 下面分析转子磁势 F2 的性质 以及它对气隙主磁场 Fm 影响。 F2 也为旋转磁势。若定子旋转磁场正向旋转 A→ B →C ，则转子感应电动 势的相序为正序，转子电流也为正序，也产生正向旋转的磁动势 F2， 即 F2 与 F1 转向相同如定子旋转磁场的转速为 nS，转子转速为 n，此时定子旋转磁 场以 (n n n) − s = 的速度切割转子，所以在转子中感应电动势的频率 ( ) 1 2 60 60 sf n p n pn n n s s s f = − = = 转子电流产生的磁势 F2 相对于转子的转速为 sn n p sf p f n = = = s = 60 2 60 1 而转子本身有以 n 的速度旋转， 所以转子磁势相对于定子的转速为 ( ) n + n = ns − n + n = ns 即无论转子的实际转速为多少，转子磁势 F2 和定子磁势 F1 在空间的转速总 是等于 ns，它们之间没有相对运动。 由于 F1与 F2 相对静止，就可以把 F1和 F2 合成起来，所以异步机负载时在气 隙内产生的旋转磁场是定、转子合成磁势即 F F Fm + = 1 2 转子反应：负载时感应电动机的转子磁势对气隙磁场的影响称为转子反应。 其作用：1）使气隙磁场的大小和空间相位发生变化 2）转子磁势与主磁场相互作应，产生所需电磁转距。 由 F1 Fm F2 = − 可知定子磁势 F1 包含两个分量，一个是产生主磁通 m 的 磁势 Fm ，另一个是抵消转子磁势作用的分量 F1l = −F2 ，因 Fm 基本不变，当