第五章 异步电动机基本原理

1. 第五章 异步电动机基本原理

2. 本章教学目的 • 1.深入理解并掌握综合表达三相异步电动机电磁关系的基本方程式、等值电路和相量图，转子转动时异步电动机的运行原理，转子绕组折算和频率折算； • 2.掌握异步电动机中的功率和转矩平衡方程式，各个功率之间的相互关系，电磁转矩的物理表达式；

3. 重点和难点 • 重点： • 1.三相异步电动机空载和负载运行时的基本电磁关系，掌握基本方程式、等值电路和相量图三种分析方法，并注意与变压器的对比，着重分析转子转动后的情况，转子绕组折算和频率折算； • 2.掌握异步电动机功率与转矩的平衡关系、电磁转矩的表达式。 • 难点： • 转子转动时的基本电磁关系。

4. 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程 一、异步电动机负载时的物理情况 当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过对称三相交流电流 ，这个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布，并以同步转速 旋转的旋转磁动势 。由旋转磁动势 建立气隙主磁场 。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定子电动势和转子电动

5. 势。即 、 、 和 、 、 若转子绕组闭合，转子回路有对称三相电流 、 通过，于是在气隙磁场和转子电流的相互作用下，产生了电磁转矩，转子顺旋转磁场方向转动。在空载情况下，异步电动机所受阻转矩很小，则其转速接近同步转速，即 ，在这样情况下，可以认为旋转磁场不切割转子绕组，则 （下标S表示转子电动势的频率与定子电动势的频率不同），

6. 异步电动机空载运行时的电磁关系为：

7. 当异步电动机带上负载后，转子的转速就会降低，即 ，相对转速增大，此时不能再认为 、 ，而且 也形成了磁动势 。 的性质对异步电动机运行有重要影响 （一）转子磁动势的分析 1、 的旋转方向：与定子磁动势 旋转方向相同 2、 转速的大小

8. 转子不转时，转子中的感应电势和转子电流频率是与定子电流频率相同；当转子转动时，转子转速为n，而气隙中旋转磁场的转速为n0，两者转向相同，转速差为Δn= ，则旋转磁场是以Δn的相对转速切割转子绕组。对于绕线式异步电动机，转子与定子有相同的相数和极对数，所以，在转子电路中产生的感应电势和电流的频率为： （ ）

9. 转子磁动势 相对于转子本身的转速为 转子磁动势 相对于定子本身的转速为 与 在空间保持相对静止，两者之间无相对运动。

10. （二）磁动势平衡 气隙中合成磁势为：

11. （三）电磁关系 主磁通 分别与定、转子绕组交链，产生： 1、定子绕组每相基波感应电势的有效值为： 式中N1、kw1分别为定子每相绕组的串联匝数和基波绕组系数。 2、转子绕组每相基波感应电势的有效值为： 式中N2、kw2分别为转子每相绕组的串联匝数和基波绕组系数。

12. 此外，定子、转子电流 和 分别产生漏电动势

13. 异步电动机负载运行时的电磁关系

14. 二、基本方程式 （一）磁动势平衡方程式

15. 异步电动机的电流比

16. （二）电动势平衡方程式 其中，

18. 异步电动机负载时的方程式为：

19. 5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图 • 与变压器相似，异步电动机定、转子之间没有电的联系，只有磁的耦合。为了工程计算方便，在不改变电动机的电磁性能的条件下，将无电的联系的定、转子电路变换成纯电路的等值电路，就要进行转子绕组的归算。异步电动机的转子频率 与定子频率 不同，进行归算时，除了和变压器一样要进行绕组归算以外，必须先将频率归算。

20. （一）频率归算 • 所谓频率归算就是指保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数及有关物理量换算成另一种频率的参数及有关物理量。就异步电动机而言，须将转子电路中的参数归算为定子频率下的参数。 • 转子绕组频率折算的目的： 把定、转子两个不同频率的电路转换成同一频率的电路。

21. 转子绕组频率的折算方法： 用一个等效的静止转子代替实际转动的转子。（ ） • 等效原则： 1、保持转子磁势F2的不变（转速、幅值、空间位移角）即保持Ì2大小、相位不变。 2、等效的转子电路的电磁性能不变（有功功率、无功功率、铜耗）

22. 频率折算： • 式中Ì2、È2s、x2s分别为异步电动机转动时转子的每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为ƒ2； • 、È2、x2分别为异步电动机静止时的转子每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为ƒ1。

23. 而 的有效值和相位角均与 相等。 所以要用静止的转子电路代替实际的转子电路，除改变与频率有关的参数和电动势外，只要用 去代替 ，就可达到保持 不变的目的。

24. 说明： • 只要用r2/s代替r2，就可使转子电流的大小和相位保持不变，即转子磁势的大小和空间相位保持不变，实现用静止电路代替实际旋转的转子电路。电阻r2/s称为等效静止转子电阻，也可表示成： • (3-36) • 式中 称为附加电阻。

25. 分析 • 频率折算后，转子回路电阻由两部分组成，第一部分r2是转子绕组一相的实际电阻，其上产生的损耗就是转子电路的铜损 ；第二部分 是附加电阻，其上产生的损耗 是虚拟损耗，实际转子中并不 存在，但它却是表征实际转动的转子的总机械功率。

26. 频率折算后异步机的等值电路 经频率折算后的异步电动机等值电路

27. （二）绕组归算 • 转子绕组折算的方法是： 用一个相数为m1、匝数为N1kw1的绕组，代替原来的转子绕组（转子绕组原来的相数为m2，匝数为N2kw2）。

28. ①转子电流 • 根据折算前后电动机磁势平衡关系不变的原则，有： • 则： 为异步电动机的电流比。

29. ② 转子电势 • 由转子总视在功率保持不变，得出： • 式中ke为电势比：

31. ③转子电阻、转子电抗、转子漏阻抗

32. （三）基本方程式、等值电路、相量 • ①折算后的基本方程式

33. ②等值电路 • 转子转动时异步电动机的T形等值电路

34. 讨论1 • 当异步电动机空载时： 等值电路中的转子回路相当于开路，转子电流为 因此功率因数很低。

35. 讨论2 • 当异步电动机额定运行时： • 这时的转子电流主要由 决定，转子电路基本上为电阻性电路，所以电动机的功率因数较高。

36. 讨论3 • 当异步电动机起动瞬间： • 电动机没有输出， 相当于短路，这时启动电流（堵转电流）都很大，功率因数也较低。

37. 讨论4 • 异步发电机运行 异步电机作发电机运行时，转子转速

38. 讨论5 • 异步电机作电磁制动状态运行 异步电机处于电磁制动状态时，转子反旋转磁场方向旋转，即转差率S>1,产生的机械功率也是负值,表明异步电机吸收电功率的同时吸收机械功率,对机械运动起制动作用.

39. 异步电动机的简化等值电路 • 为了简化计算，将T形等值电路中的励磁支路左移到输入端，使电路简化成单纯的并联电路

40. 作业：5-13、5-17 思考题：5-5-5、5-7

41. 5-3 三相异步电动机的功率和转矩 一、功率转换过程 异步电动机负载运行时，由电源供给、从定子绕组输入的电功率P1，一小部分消耗在定子电阻铜耗Pcu1和定子铁心铁耗PFe上，余下的大部分电功率借助于气隙旋转磁场由定子传送到转子，这部分功率就是异步电动机的电磁功率Pem，Pem传送到转子后，必伴生转子电流，电流在转子绕组中通过，在转子电阻上产生转子铜耗Pcu2，

42. 剩下的全部转换成使转子产生旋转运动的总机械功率，用Pmec表示，而总机械功率中扣除电动机因旋转而产生的机械摩擦损耗pmec以及成因较复杂的附加损耗pᅀ之后，剩下的就是电动机轴上输出的机械功率，用P2表示。剩下的全部转换成使转子产生旋转运动的总机械功率，用Pmec表示，而总机械功率中扣除电动机因旋转而产生的机械摩擦损耗pmec以及成因较复杂的附加损耗pᅀ之后，剩下的就是电动机轴上输出的机械功率，用P2表示。

43. 异步电动机功率流程图

44. 二、功率平衡方程式

45. 转子侧的功率平衡方程式：

46. 附加损耗 • pᅀ为附加损耗，一般很难用公式计算，通常根据经验估算，对于大型异步电动机约为0.5%PN；对于中、小型异步电动机约为(1~3)%PN。值得一提的是，由于转子铁芯中的磁通变化频率f2在电动机额定运行时很低，转子铁损很小，故可忽略不计。

47. 三、转矩平衡方程式 • 电磁转矩T为总机械功率Pmec除以转子机械角速度Ω，所以有： • 转矩平衡方程式为： (3-56) • T2=P2/Ω为电动机轴上输出转矩； • T0=(pmec+ pᅀ)/Ω为电动机的空载转矩，转矩的单位为：牛•米（N•m）。

48. 各转矩表达式 • 为同步机械角速度。

49. 四、电磁转矩公式

50. 5-4 异步电动机工作特性及参数测定 • 1.异步电动机工作特性 工作特性，它能反映异步电动机的运行情况，是合理选择、使用电动机的依据。异步电动机的工作特性是指电动机在额定电压U1N、额定频率ƒ1N运行时，转子转速n、定子电流I1、定子功率因数cosφ1、磁转矩T、效率η随输出功率P2的变化曲线。