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1、（1）分析异步电动机负载运行时的电磁过程（2）将电机运行时电磁过程用基本方程式加以综合（3）从这些方程式导出等效电路和相应的相量图（4）并用等效电路与相量图去分析功率与转矩（5）从而得出异步电动机的工作特性，最后说明工作特性测取的方法,主要内容：,第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程*转子磁通势的分析*磁通势平衡*相量矢量图*电磁关系,一.异步电动机负载时的物理情况 定子绕组接到对称三相电源时，通过对称三相交流电流 I1A、I1B、I1C，在气隙形成按正弦规律分布，并以同步转速 n0 旋转的旋转磁通势 F1，建立气隙主磁场 Bm。这个旋转磁场切割定、转子绕组，分别在定、转子绕组内感应出：对称
2、定子电动势 E1A、E1B、E1C。对称转子电动势 E2a、E2b、E2c。,若转子回路闭合,转子回路中流过对称三相电流 I2a、I2b、I2c.在气隙磁场和转子电流的相互作用下，产生电磁转矩，使转子顺旋转磁场方向转动。,1.空载情况下电机转矩很小，转速接近同步转速，即n n0 E2s 0 I2 0故异步电动机空载运行时，建立气隙磁场 Bm 的励磁磁通势 Fm0就是定子上的三相基波合成磁通势 F10，即 Fm0=F10,2.异步电动机带有机械负载 转速就会降低，即n n0，感应电动势 E2s、I2 都增大了，I2 便形成了磁通势 F2.现在的问题是：*F2 的性质怎样?*F2 与 F1 的关系
3、如何?*F2 对气隙内主磁场有什么影响?,(一)转子磁通势的分析,1.转子绕组流过电流能产生旋转磁场吗？,(1)电动机是绕线型转子绕组 由于转子绕组是三相绕组，转子电流是对称三相电流，结论：所形成的磁通势无疑是旋转的,可以从下列图中加深理解。,2.F2 的旋转方向 若相序为 A-B C，电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋转。它在转子绕组中感应电动势的相序为 a-b-c,转子电流的相序也是 a-b-c。转子电流所形成的旋转磁通势 F2 的旋转方向是按 a-b-c 的相序。结论：转子磁通势 F2 与定子磁通势 F1 的旋转方向相同。,3.F2 转速的大小 电动机负载时，转子转速为 n，而
4、旋转磁场的转速为 n0。旋转磁场以(n0-n)的相对转速切割转子绕组。极对数为 p 的定子磁场在转子绕组中感应多相电流的频率为：,这种多相转子电流形成磁通势 F2 是旋转的。旋转方向与 F1 相同，相对 于转子本身的转速为 Dn。,42,43,而 Dn 与 n 的方向一致，因此 F2 相对于静止的定子铁心来说，其转速 n 为,结论：转子磁通势 F2 和定子磁通势 F1 转速是相同的，两者之间无相对运动。,负载时的磁势平衡关系,(三)相量矢量图1.问题 定子和转子之间通过气隙建立电磁耦合联系，但没有直接的电路间关系。如何用我们所熟悉的电路分析方法来讨论异步电动机的有关问题?首先要解决的是建立电动
5、机内部各个电磁量之间的关系。这个工具就是相 量-矢量图。,wt,参考时间轴,一个周期，按正弦变化的变量可以用长度等于幅值，角速度等于,2.一个事实 旋转磁通势可用一种以同步角速度 w0 旋转的矢量表示，与这些磁通势对应的电流可以用数值上等于同步角速度 w0 旋转的相量表示。为什么？由于当某一个相的电流达到最大值时，三相基波合成磁通势的幅值正好在这一相绕组的轴线上，所以可引用所谓的相矢图来表明这种关系。,选择适当的空间坐标系和时间坐标系，使得在矢量图中,定子磁通势矢量F1可表示在A相绕组的轴线上。在相量图中,定子A相电流I1A与时间参考轴重合。由于矢量和相量各自在其几何图形中以相同的角速度旋转,
6、在任何瞬间,各自转过相等的电角度。因此我们可以人为地把时间参考轴放在A相绕组的轴线上，即将相量图与矢量图合并，因F1与I1A分别在各自的空间和时间坐标系中，以数值上相等的角速度旋转。所以F1与I1A始终重合。下图说明F1与I1A在时间上的关系。,通过电磁规律就可找出F2与F1的关系，这给分析带来很多方便。,选定主磁场矢量Bm在A相绕组轴线上这个瞬间来分析。由于磁滞、涡流的存在，使Bm在空间相位上滞后于一个电角度fe，因此当Bm在A相绕组 轴线上时，Fm在Bm 前面一个电角度fe，,因为这时通过A相绕组的主磁链有最大值，所以这时交链A相绕组的主磁通m也有最大值，这里磁密Bm为矢量，磁链m和磁通m
7、为相量。Bm的空间位移大小与m 和m 的时间相位是一致的，绕组中的感应电动势：,在相位上滞后绕组的磁链90，所以在矢量图中，E1这个相量应位于水平位置上。从“(图4-tem2)转子磁通势的形成”可看出:F2 在空间上滞后于 Bm 的角度为/2+j2，转子相矢图中，相量I2必然与F2重合，所以 I2 滞后于 Bm 的角度为/2+j2，因为 j2 是转子电流 I2 对转子电动势 E2s 的相位差角，所以这时转子绕组 a 相的电动势 E2s 在转子相量图中也处在水平位置。根据F2与F1、Fm在空间上相对静止的结论，就可以得出F1：,(四)电磁关系E1与E2在相位上均滞后m90,45,定子感应漏电势和
8、转子感应漏电势,负载时的电磁关系,46,第二节 三相异步电动机的等效电路及向量图 频率归算 绕组归算 异步电机的等效电路 等效电路的简化,转子静止时转子电动势 E2 与定子电动势 E1 可有下列关系的方程式：,式中 ke-电动势比如果给定端电压 U1 及参数 Z1、Z2、Zm，对一定的转差率 s，可求解 E1、E2、I1、I2、Im五个未知数。问题是：有没有一种既简便又精确的方法去解决这个问题？答案：有！,这种方法就是我们在分析变压器时已用过的等效电路的方法。,一.异步电动机的等效电路,由于异步电动机的转子频率 f2 与定子频率 f1 不同，进行归算时，除和变压器一样进行绕组归算以外。必须先对
9、频率进行归算。(一)频率归算 所谓频率归算就是指在保持整个电磁系统的电磁性能不变的前提下,把一种频率的参数及有关物理量换算成为另一种频率的参数及有关物理量。一般将转子电路中参数及电动势归算为定子频率。,1.频率归算的等效的原则,1)保持 F2 不变 进行这种代换以后，必须确保转子电路对定子电路的电磁感应不变，即必须保持F2不变(同转速、同幅值、同空间位移角)。,(2)电磁性能不变 等效的转子电路的电磁性能(有功功率、无功功率、铜耗等)必须和实际转子电路一样。因为 f2=sf1,当 s=1 时,f2=f1，所以要进行转子频率的归算的可能性在于：用一个静止的转子电路去代替实际转子电路。,这种等效的
10、可能性存在吗？,2.对频率归算过程的解释 如果要保持频率归算前后转子磁势 F2 对电机运行中产生的磁效应不变,则应从两个方面来判断：,(1)从等效后形成转子磁势转速来看 若将转子频率视为定子频率f1。等效后转子电流所产生转子磁通势的绝对转速还应该是同步转速。因为,所以等效的转子磁通势转速不变，故满足等效的第一个条件。,（2)从等效后形成转子磁势幅值与空间位移角来看 由于 F2 的幅值与空间位移角取决于对应相电流的有效值与时间相位角。根据式：2s=2s=2(r2+R)+j2x2s如 R=0，实际转子电路中，转子电流的相量 I2,从物理意义上说，E2s 和x2s 代表实际旋转转子电路的电动势和漏电
11、抗。所以：I2是实际旋转转子电路的电流；,分子分母都除以 s,从物理意义上说，E2 和x2 代表静止转子电路的电动势和漏电抗，所以 I2是静止转子电路中的电流。显然两电流的有效值与时间相位角是相等的。,这就提示我们得到结论：若用静止转子电路去代替实际的转子电路，要求我们除改变与频率有关的参数和电动势。除了让,只要用 r2/s 去代替 r2，就可达到保持 I2、进而使 F2 不变的目的。r2 变为 r2/s 的物理意义是什么？r2 变为 r2/s，相当于转子串入了一个附加电阻,附加电阻(1-s)r2/s 中会发生损耗 I2(1-s)r2/s。由于电机运行过程中，实际转子电路中并不存在这部分损耗，
12、但有机械功率。因此，静止转子电路中这一部分虚拟的损耗的实质：是表征异步电动机实际存在的机械功率。,这样的一种对等效电路理解和解释表明：用静止的转子去代替实际的转子，无论从转子对定子的电磁效应看，或就功率而言：都是等效的 上述这种人为的代替就是进行频率归算。,3.频率归算后异步电机的定、转子电路图,频率归算后异步电机的定转子电路）,(二)绕组归算1.什么叫绕组归算？和变压器的绕组归算一样,异步电动机的绕组归算就是人为地用一个相数、每相串联匝数及绕组系数与定子绕组一样的假想绕组代替相数为m2、每相串联匝数为N2、绕组系数为kw2并经频率归算的实际转子绕组。,2.绕组归算原则必须保证归算前后转子对定
13、子的电磁效应不变，即：*转子磁通势、*转子总的视在功率、*转子铜耗*及转子漏磁场储能均保持不变,转子的归算值上均加“”表示,（1)由转子磁通势保持不变原则得出,可见转子电流归算公式为：,ki 即为电流比,（2)由转子总视在功率保持不变得出：,可见转子电势归算公式为：,ke即为电势比,(3)由转子铜耗不变得出关系式并得转子电阻归算公式为：,（4）由转子漏磁场存储能量不变得出：,转子电抗归算公式：,（5）绕组归算后异步电动机的定，转子电路图,1.异步电机的等效电路归算后定子电路电势方程式,(三)异步电机的等效电路,归算后转子电路电势方程式:,归算后磁通方程式:,励磁支路电势方程式:,对上述方程联解
14、可得:,由此作出异步电动机的T形等效电路,2.根据异步电机 T 形等效电路分析,(1)异步电动机的空载运行,转子电路相当于开路情况，电流 Im 滞后于外加电压U1的相位差接近 90。所以异步电机空载运行时功率因数是滞后的，而很低。,(2)异步电动机在额定负载下运行 转差率 sN 大约为5%，转子电路中的总电阻为转子电阻 r2的 20 倍左右。转子电路基本上成为电阻性的，所以转子电路的功率因数较高。负载情况下的(-I2)比 Im 大得多，所以定子的功率因数能达到 0.8 0.85，此外E1 和相应的主磁通比空载时对应值略小。,(3)异步电动机起动时的情况转子堵转状态，则 s=1附加电阻：所以起动
15、电流(即堵转电流)很大，而功率因数较低。,（4)异步发电机运行,n n0 的范围，s 处于-s0 的范围，转差率进入负值，机械输出功率为负，表明实际机械功率输入，即异步电机从轴上吸收机械功率。每相功率输入分配如下：,转子机械功率输入=转子铜耗+传给定子的电磁功率,(5)异步电机作电磁制动状态运行 s1，机械输出功率为负，表明实际机械功率输入，即异步电机从轴上吸收机械功率。,转子机械功率输入+定子输入的电磁功率=转子铜耗,（四）等效电路的简化 常把励磁支路移到输入端，使电路简化为单纯的并联电路，这种等效电路称为异步电动机近似的等效电路。,异步电动机简化等值电路（图4-14）,第三节 三相异步电动
16、机的功率和转矩,三相异步电动机的机电能量转换过程为：*由定子绕组输入电功率，*电磁功率在定子绕组中发生，*然后经由气隙送给转子，*扣除损耗以后，通过转子轴上输出机械功率,一.功率转换过程规定：*U1-定子相电压；*I1-定子相电流；*j1-定子功率因数角；*j2-转子功率因数角。,4.异步电动机的电磁功率余下的由定子传送到转子，这就是异步电动机的电磁功率,异步电动机的功率图,如果异步电动机的转差率较大，则 f2 较大，就应该考虑转子铁耗，铁耗包括涡流损耗和磁滞损耗两部分.在小型异步电动机中，满载时附加损耗 pD 可达输出功率的 1%3%,或更大些.,异步电动机的工作特性在额定电压和额定频率运行
17、的情况下，*电动机的转速 n、*定子电流 I1、*功率因数cosj1、*电磁转矩Tem、*效率 h 等与输出功率 P2 的关系,即 U1=UN，f=fn 时的,第四节 三相异步电动机的工作特性及测取方法,*转速特性*定子电流特性*功率因数特性*电磁转矩特性*效率特性,(一)转速特性 输出功率变化时转速变化的曲线 n=f(P2),转差率 s、转子铜耗 Pcu2 和电磁功率 Pem 的关系式,一.工作特性的分析,负载增大时，必使转速略有下降，转子电势 E2s 增大，所以转子电流 I 2增大，以产生更大一点的电磁转矩和负载转矩平衡.因此随着输出功率 P2 的增大，转差率 s 也增大，则转速稍有下降，
18、所以异步电动机的转速特性为一条稍向下倾斜的曲线.,(二)定子电流特性,定子电流的变化曲线 I1=f(P2),定子电流几乎随 P2 按正比例增加,(三)功率因数特性定子功率因数的变化曲线 cos j1=f(P2),(2)负载增加时转子电流的有功分量增加，使功率因数提高，,3)接近额定负载时功率因数达到最大,(1)空载时定子电流 I1 主要用于无功励磁，所以功率因数很低，约为 0.1 0.2,(4)负载超过额定值时s 值就会变得较大，使转子电流中得无功分量增加，因而使电动机定子功率因数又重新下降了.,(四)电磁转矩特性,电磁转矩特性 Tem=f(P2)接近于一条斜率为 1/W 的直线,(五)效率特
19、性异步电动机的效率为,当可变损耗等于不变损耗时，异步电动机的效率达到最大值.中小型异步电机的最大效率出现在大约为3/4的额定负载时.,第五节 三相异步电动机参数的测定,*空载试验*励磁参数与铁耗及机械损耗的确定,通过空载试验可以测定异步电动机的励磁参数，异步电动机的励磁参数决定于电机主磁路的饱和程度，所以是一种非线性参数；通过短路试验可以测定异步电动机的短路参数.异步电动机的短路参数基本上与电机的饱和程度无关，是一种线性参数.,一.空载试验与励磁参数的确定(一)空载试验,1.异步电动机空载运行指在额定电压和额定频率下，轴上不带任何负载的运行状态.,2.空载试验电路,异步电动机空载试验电路（图4
20、-tem）,空载特性曲线（图4-20）,定子绕组上施加频率为额定值的对称三相电压，从(1.10 1.30)额定电压值开始调节电源电压，逐渐降低到可能使转速发生明显变化的最低电压值为止.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.,3.空载试验的过程,(二)励磁参数与铁耗及机械损耗的确定 从空载特性可确定,计算工作特性所需等值电路中的励磁参数、铁耗和机械损耗.,1.机械损耗和铁耗的分离空载试验时输入电动机的损耗有：定子铜耗、铁耗和机械损耗,(4-58),其中定子铜耗和铁耗与电压大小有关，而机械损耗仅与转速有关上式改写为:,(4-59),由于可认为铁耗与磁密平
21、方成正比，因而铁耗与端电压平方成正比，,绘制曲线 pFe+pmec=f(U12),机械损耗与铁耗的分离（图4-21）,作曲线延长线相交于直轴于 0点，过 0作一水平虚线将曲线的纵坐标分为两部分，由于空载状态下电动机的转速 n 接近 n0，可以认为机械损耗是恒值.所以虚线下部纵坐标表示与电压大小无关的机械损耗，虚线上部纵坐标表示对应于某个电压 U1 的铁耗.,(2)励磁参数计算公式,第六节 三相异步电动机转矩与转差率的关系,电磁转矩公式：,由三相异步电动机的近似等效电路得：,可以绘出异步电动机的 Tem-s 曲线，异步电动机的 Tem-s 曲线(图4-25),在某一转差率 sm 时，转矩有一最大值 TemM，称为异步电动机的最大转矩。令 dTem/ds=0，可求出产生 TemM 的转差率 sm称为临界转差率，对应的转矩为最大转矩.,考虑到 r1(x1+x2),可近似有,和,可以看出:(1)当电动机各参数及电源频率不变时，TemM 正比于 U12，sm与 U1无关并保持不变(2)当电源频率及电压不变时，sm 和 TemM 近似地与（x1+x2)成反比(3)TemM 与 r2之值无关，sm 与 r2成正比,
