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电机学 第10章_三相异步电动机的基本性能

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三相异步电动机的工作原理及特性

三相异步电动机的工作原理及特性

2.转子 转子由铁心与绕组构成。
转子铁心也是电动机磁 路旳一部分，由硅钢片叠压 而成。转子铁心装在转轴上。 硅钢片冲片如图所示。
线绕式和鼠笼式两种电动机旳转子构造虽然不同，但工作原理 是一致旳。转子旳作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。
鼠笼式异步电动机转子绕 组是在转子铁心槽里插入铜条， 再将全部铜条两端焊在两个铜 端环上而构成，如图所示。
即1/4转，电流变化一种周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。
由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度
仅为一对磁极时旳二分之一。依次类推，当有p对磁极时，其转速
为：
n0
60 f p
所以，旋转磁场旳旋转速度与电流旳频率成正比而与磁级对数
成反比。
4．工作原理 三相异步电动机旳工作原
理是基于定子旋转磁场和转子 电流旳相互作用。
iC=0 此时旳合成磁场如图（b） 所示，合成磁场已从t=0 瞬间
所在位置顺时针方向旋转了
/3。
3t T 3时
iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到X端。
iB=0 iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到C端；
此时旳合成磁场如图 （c）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方
第一章 机电传动断续控制
学习任务
1.1 三相异步电机
• 了解三相异步电动机旳基本构造及工作原理；
• 掌握三相异步电动机旳转矩特征和机械特征；
• 掌握三相异步电动机旳连接措施和额定参数；
• 掌握三相异步电动机开启、调速和制动等多种特征；
• 掌握实现三相异步电动机开启、调速和制动旳多种措施及
它们旳使用场合。
向旋转了2 /3。

电机学 chap10三相异步电动机的起动和调速

电机学 chap10三相异步电动机的起动和调速

斜槽
对谐波磁场，相 当于分布绕组的 作用
槽配合
定转子一阶齿谐波
Z1 1 Z2 1
p
p
即：Z1 Z2 , Z1 Z2 2 p
为要消除齿谐波同步转矩，定子齿数与
转子齿数不应相等，它们之间的差数也 不应等于极数。
异步电动机的调速与制动
一、异步电动机调速方法
异步电动机的转速
n 60 f 1 s
第10章 异步电动机的起动、 调速和制动
异步电动机的起动性能
1. 起动电流倍数 2. 起动转矩倍数 3. 起动时间 4. 起动时能量消耗与发热 5. 起动设备的简单性和可靠性 6. 起动中的过渡过程
一、起动电流和起动转矩
起动：从禁止不动到加速到工作转速的过程
要求：在起动时有较大的起动转矩（倍数），较小 的起动电流（倍数）
内层鼠笼有较大的漏抗，电流较小，功率因数较 低，所产生的电磁转矩也较小。
外层鼠笼仅有非常小的漏抗，电流较大，且电阻 较大，起动时所产生的电磁转矩也较大。层鼠笼 又称起动鼠笼。
2．起动过程结束后
转子电流的频率很小，内层鼠笼的漏抗很小， 两个鼠笼转子的电流分配决定于电阻。
内层鼠笼电阻较小，电流较大，运行时在产生 电磁转矩方面起主要的作用，内层鼠笼称为运 行鼠笼。
•由于电流的分布不均匀，等效槽导体的 有效面积减小——集肤效应使槽导体电阻 增加；
•集肤效应作用使槽漏磁通有所减少，转 子漏抗也有所减少，二者均促使起动转矩 增大，改善了起动特性。
•启动瞬间，由于磁路饱和，转子漏抗将 明显减小。
等效截面
深槽式异步电动机
2．正常运行时 在正常运行时，由于转子电流的频率很低，槽导体的 漏抗比电阻小得多，槽中电流将依电阻而均匀分布， 转子电阻恢复到固有的直流电阻。

三相异步电动机的功率、转矩和运行特性

三相异步电动机的功率、转矩和运行特性

19
1.电磁转矩表达式
电磁转矩物理表达式
T
CT
m
I
' 2
cos 2
表明：三相异步电动机的电磁转矩是由
主磁通
与转子电流的有功分量
I
' 2
cos
2
相互作用产生的。
结论：T为m、I2’及cos2的函数，当异步电 动机起动时，转子边电路cos2很低，尽管此
时I2’很大，电磁转矩T却不大。 20
1.电磁转矩表达式
s ( r2)2
s
xk2
令 dT 0，求出当T最大时的转差率sK。
dS
28
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
（2）最大电磁转矩 Tmax
sk
C1r2 r12 (x1 C1x2 )2
Tmax
m1 pU12
2 f1
2C1 (r1
1 r12 (x1 x2 )2 )
sk
r2 xk
C1 1 Tmax
总机械功率与电磁功率的关系：
Pm (1 s)Pem
电磁功率、总机械功率与转子铜耗的关系：
Pem : Pm : pCu2 1: (1 s) : s
11
1.功率平衡方程
几个重要关系
pcu2 s Pem
Pm 1 s Pem
结论：从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一 小部分为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。 转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因 此正常运行时电机的转差率均很小。
40
5.稳定运行问题
机械负载类型
恒转矩负载：转矩与转速无关，TL=C。
离心式负载：n, TL ，如：风机、水泵。
负载性质不同，电机稳定运行区域不一样。

三相异步电动机的功率、转矩和运行特性演示幻灯片

三相异步电动机的功率、转矩和运行特性演示幻灯片
15
2.转矩平衡方程
功率平衡方程式
P2 Pm pm ps
P2 Pm pm ps
转矩平衡方程式 T2 T T0
2 n —转子机械角速度
60
T Pm —电磁转矩
T2
P2
—输出转矩
T0
pm ps
—与负载无关的空载转矩
16
2.转矩平衡方程
电磁转矩
T Pm Pem (1 s) Pem (1 s) Pem Pem
减小，增大，不变，增大
36
2、若频率为50HZ的三相异步电动机接在频率为 60Hz的电网上运行，电动机下列参数将如何变化？ （1）起动转矩； （2）最大转矩； （3）起动电流。
减小，减小，减小
37
3、异步电动机电源电压升高对最大转矩和起动转矩 有何影响？若负载转矩保持不变，转速及转差率如 何变化？
m1 pU12
4 f1xk
最大转矩又叫停转转矩，如果超过这个转矩，
电动机将停止运行，对应转差率sK为稳定运行最大
转差率，称为临界转差率。
29
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
分析
Tmax
pm1
1
U12
1 2 xk
电源频率不变及电机
参数固定时，Tmax与U12 成正比，但产生Tmax时的 临界转差率不变，与电
电机受到扰动，如突加和突减负载，电源电压 急剧变化等，当外界扰动结束，电动机有可能恢复 到原先的稳定运行状态，也可能失去稳定。
42
5.稳定运行问题
• 恒转矩负载： TL=C
T
T' a'
T
a
T" a"
b'
b b"

三相异步电动机的机械特性及运行状态概述(ppt 76页)

三相异步电动机的机械特性及运行状态概述(ppt 76页)
由参数表达式可知，改变定子电压U1、 定子频率f1、极对数p、定子回路电阻 r1和电抗x1、转子回路电阻r2ˊ和电抗 x2ˊ，都可得到不同的人为机械特性。
（1）降低定子电压的人为机械特性
在参数表达式中，保持其它参数不变， 只改变定子电压U1的大小，可得改变 定子电压的人为机械特性。
讨论电压在额定值以下范围调节的人 为特性（为什么？）
转子功率因数：
cos2
s
(
r2 s
)2
x22
物理表达式它反映了不同转速时电磁转矩T与
主磁通Φm以及转子电流有功分量I2ˊcosφ2之间 的关系，此表达式一般用来定性分析在不同
运行状态下的转矩大小和性质。
（2）参数表达式
TP e1mm12I22f1rs2
p
3pU 12rs
2f1r1rs22x1x22
从产品目录查出该异步电动机的数据PN、nN、
λm应用实用公式就可方便得出机械特性表达式。
2.固有机械特性
异步电动机的固有机 械 ƒ组1=特按ƒ1性规N，是定定指方子U式三1连=U相接1N绕，， 定子和转子电路中不 外接任何元件时测得 的机械特性n =ƒ（T） 或T=ƒ（s）曲线。
对于同一台异步电动 机有正转（曲线1） 和反转（曲线2）两 条固有机械特性。
三相异步电动机固有机械特性
说明特性上的各特殊点1
(1)同步转速点A 同步转速点又称理想空载点，在该点处：
s动=1机，处n=于n理1，想T=空0，载E状2s态=0。，I2=0，I1=I0，电 (2)额定运行点B
P2在=P该N，点电处动：机n=处nN于，额T=定TN运，行I1状=I1态N，。I2=I2N，
数或堵转转矩倍数，用kst表示，则有：

三相交流异步电动机机械特性

三相交流异步电动机机械特性

R2
sm
1
R2+Rs1 R2+Rs2
sm
2
R2+Rs3
Sm3 1 0 Sm4
TL
Tst
Tst1
Tst2
Tm
Tem
R2+Rs4
分析：为什么升降 电机用绕线电机
同一负载下，转子串电阻越大，电机转速越低
三相交流异步电动机的机械特性
降低电压时的人为机械特性
转矩与定子绕组相电压的平方成正比
交流电机不允许长时间低（欠）压运行
2 2 f 1 2.起动转矩Tst 起动条件 TN
TN 9550
PN
nN
( N .m)
Tst
C 2 R2 U1 f1 R 22 X22
T st T L
Tst (1.0 ~ 2.2) TN
起动转矩倍数 Kst
3.最大转矩Tm
2.负载运行 电动机轴上带有相应负载转动，n减小，E2增加，I2增加，I1增加。
P 2 P1 pcu 1 pFe pcu 2 pm pad P1 (pcu 1 pFe pcu 2 pm pad ) P1 p
3.效率 80%~90%之间
P2 P2 100% 100% P1 3UI cos
Tem C
U12 sR 2
2 2 f 1 R 2 (sX 2 )


4.转子感应电流频率f2
f 2 sf 1
思考：电机额定运行时，转子频率f2大约是多少？
三相交流异步电动机的运行与特性
三、电动机的机械特性曲线
依据电磁转矩参数表达式
额定工作点
Tem C
U12 sR 2

第10章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态

2 Ux R2 m1 Tst 0 R1 R2 2 X 1 X 2 2
（四）定子电路串联对称电阻 与串联对称电抗时相同， 定子串联对称电阻一般也用于 笼型异步电动机的减压起动 。
定子电路内串联对称电阻 时的人为机械特性
sm
R2 R12 X 1 X 2
R2
转子电路串联对称电阻 适用于绕线转子异步电动机 的起动，也可用于调速。
（三）定子电路串联对称电抗
定子电路串联对称电抗 一般用于笼型异步电动机的 降压起动，以限制电动机的 起动电流。
定子电路内串联对称电抗 时的人为机械特性
sm
R2 R12 X 1 X 2
2
U x2 m1 Tm 0 2 R R 2 X X 2 1 1 2 1
2 2

s X2 R2
cos 2
m ——异步机每极磁通
二、参数表达式
cos 2 T CTJ m I 2
pm1 N1k w1 cos 2 T m I2 2
CTJ pm1 N1k w1 2
2f1N1kw1m E2
可得
s
2f1 p
二、参数表达式
R2 U m1 s T 2 0 R2 2 R1 X 1 X 2 s
2 x
三、实用表达式
Tem
s
sm
2Tm s m
s
第二节 三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性
一、固有机械特性
固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下， 电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电 抗或电容）时所获得的机械特性曲线 。 三相异步电动机的

第十章三相异步电动机的机械特性及各种运转状态

10.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式 10.2三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性 10.3 三相异步电动机的各种运转状态 10.4 根据异步电动机的技术数据计算其参数 10.5 绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算 本章小结
第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
10.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式
Tst

m1 0
(R2
U
2 x
R2
R1)2 ( X1
X 2 )2
(10-6)
另外起动转矩也是电动机的一个重要参数：只有起动转矩大于负 载转矩，电动机才可起动。
定义:
起动转矩 Tst 与额定转矩 TN 的比值定义为起动转矩倍数Kst ，
即：
起动转矩倍数
Kst

Tst TN
（10－7）
转子电路接入并联阻 抗时的电路图和人为 机械特性
第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
转子电路接入并联阻抗 时的转子等效电路图
• 特点：在转子频率较高时，电阻值比电抗值小，转子 频率低时，电阻值比电抗值大。起动时，转子电流几 乎全部流过电阻，相当于短接了电抗，但额定转速时， 电流几乎全部流过电抗，电阻相当于被短接了。
一物理表达式tctmi2cos2101pm1w1kw1ct异步电动机的转矩系数2m异步电动机每极磁通e2i2转子电流的折算值2r2sx22r2scos2转子电路的功率因数r2s2x22第十章三相异步电动机的机械特性及各种运转状态ne2nn01si22r2s2x2n0在图101上绘出nfi2nfcos2nn0s0时cos21cos2r2si20当s较小时r2sx2x2可忽略i2i2与s成正比地增加t当s较大时r2s相对变小x2不可忽略i2增加缓慢同时cos2随s增大而下降ti2cos2将nfi2nfcos2图101两条曲线相乘即得nftnfi2nfcos2nft第十章三相异步电动机的机械特性及各种运转状态n当n0时虽然i2较大但cos2较小t值不大但当n从n0减小时i2增加较快n0cos2较大转矩t增加较快

三相异步电动机的运行特性.


3.定子电流特性I1＝f(P2)，特性曲线如 图2-39所示。 4.定子功率因数特性cos1＝f(P2)，特性 曲线如图2-39所示。 5.效率特性η＝f(P2)，特性曲线如图2-39 所示。
【任务实施】 1.任务实施的内容 测定三相异步电动机的转差率，由三相异步电动机的负载实 验测试工作特性。 2.任务实施的要求 (1)掌握用日光灯法测转差率的方法。 (2)掌握三相异步电动机的负载试验的方法，测取三相鼠笼式 异步电动机的工作特性。 3.设备器材 导轨、测速发电机及转速表，1套；校正直流测功机，1台； 三相鼠笼式异步电动机，1台；交流电压表、电流表，各1块；功 率表、功率因数表，各1块；直流电压表、电流表， 各1块；三相 可调电阻器，1只。 4.任务实施的步骤 (1)用日光灯法测定三相异步电动机的转差率 将观察到的数据记录于表2.12中。
三相异步电动机的运行特性
一、三相异步电动机中的感应电动势和感应电流 1.定子电路的电动势E1
若忽略定子绕组的电阻和漏磁通，则可认为定子电路上的电动势 的有效值近似等于外加电源电压的有效值，即 2.转子电路的电动势E2
转子电路静止时的感应电动势的有效值为
3.转子电路的电流I2和功率因数cos2
转子电路的电流I2、功率 因数cos2与转差率s的关系可 用图2-31的曲线表示。
(2)人为机械特性 人为机械特性就是人为地改变电源参数或电动机参数而得到 的机械特性。 ①降低定子电压时的人为机械特性。如图2-35所示。 ②转子电路串接对称电阻时的人为机械特性。如图2-36所示。
三、三相异步电动机的运行特性 1.转速特性n＝f(P2)，如图2-37所示。 2.转矩特性T＝f(P2)，如图2-38所示。
4.定子电路的电流I1 与变压器的电流变换原理相似，定子电路的电流I1与转子电路 的电流I2的比值也近似等于常数。

三相异步电动机ppt课件


三相异步电动机的工作原理
通对入称对称三相三绕相电组流三相交流电能
旋转磁场 (磁场能量)
转子绕组在磁场中 转子绕组中 受到电磁力的作用 产生 e 和 i
磁场绕组切 割转子绕组
转子旋转起来 输出机械能量
机械负载 旋转起来
返 回 上一节 下一节 上一页 下一页
三相异步电动机的基本原理
• 基本原理——在定子绕组中，通入三相 交流电所产生的旋转磁场与转子绕组中 的感应电流相互作用产生的电磁力形成 电磁转矩，驱动转子转动，从而使电动 机工作。
便形成一个合成磁场，如图
所示，可见此时的合成磁场
是一对磁极（即二极），右
边是N极，左边是S极。
两极旋转磁场示意图
i iu
iv
0
3
三相电流波形
iw
3
iu
t
V2 U1
W2
W1 U2
V1
V2 U1
W2
W1
U2 V1
Hale Waihona Puke V2U1 W2W1 U2
V1
t= 0
Iu=Im
t =
Iv=Im
t
=
Iw=Im
• 空间120度 对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时， 产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场，每电源周期旋 转一周，即两个极距；
旋转方向：取决于三相电流的相序。
Im
i1 i2 i3
L1
i1
O
t
旋转磁场是沿着：
U1
V1
W1
L2 i2 W1
L3
i3
V2
U1
W2 U2 V2 V1
U1 W2
◆ 与三相绕组中的三相电流
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电网，所以即使电机在低速运行，效率也较高。 10.8 简述电磁转差离合器的工作原理和调速过程。 答：工作原理：电磁转差离合器本质上也是一台感应电动机，但结构简单，主要由电枢（由铸钢制
成的圆筒）和磁极组成。磁极上的励磁线圈通入直流电流产生恒定的磁场，电枢由异步电动机拖动，电 枢因切割直流励磁磁场而产生涡流，该涡流与励磁磁场相互作用产生电磁力，拖动磁极转子沿电枢旋转 方向旋转，磁极转子的转速必小于电枢的转速（即拖动电枢的异步电动机的转速）。
解：
IN =
PN
=
3U N cosϕ Nη N
40 × 103
时，绕组电压降低 1 倍，起动电流和起动转矩降均低为直接起动时的 1 。
3
3
10.3 三相笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动时，起动电流和起动转矩与直接起动时相比有何 变化?
答：采用自耦变压器降压起动时，起动电流和起动转矩都降低为直接起动时的
1
k
2 a
倍（ ka
为自耦变
压器的变比）。
10.4 在绕线转子异步电动机转子回路内串电阻起动，既可提高起动转矩，又能减少起动电流，这是
10.9 如果电网电压不对称程度严重，三相异步电动机在额定负载下能否长时间运行？为什么？ 答：如果电源电压不对称程度严重，三相异步电动机不能在额定负载下长期运行。因为这时负序电 压较大，负序磁场强，制动性质的负序电磁转矩大，电机转速低，正序电流大，再加上较大的负序电流， 造成电机发热，长时间运行将烧毁电机。 10.10 三相异步电动机起动时，如果电源或绕组一相断线，电动机能否起动？如果运行中电源或绕 组一相断线，能否继续旋转？为什么？ 答：对于 Y 形联结的电动机，一相电源断线或一相绕组断线情况是相同的，这时电机气隙中产生一 个脉动磁场，因此电机不能起动。但运行中发生一相断线，电机仍能能继续旋转，这时相当于单相电动
第 10 章 思考题与习题参考答案
10.1 异步电动机的性能指标有哪些？它们代表的物理意义是什么？
答：异步电动机的性能指标主要有五项，分别是：额定效率η N ，额定功率因数 cosϕ N ，最大转矩倍
数 Tmax T N ，起动转矩倍数 Tst T N 和起动电流倍数 I st I N 。其中，η N 和 cosϕ N 是反映电动机出力能力
2
cosϕ
2
是增大的，所以起动转矩
会增大。必须指出，串入的电阻值来自能过大，否则转子电流太小，使 I 2′cosϕ 2 减小，导致起动转矩反而
减小。转子回路串电感，可以降低起动电流，但同时转子的功率因数也降低，使
I
′
2
cosϕ
2
减小，导致起
动转矩减小；串电容时可分两种情况：1）当 X 2 - X C =0 或| X 2 - X C |< X 2 时，起动电流增大，起动转矩
10.11 一台三相笼型异步电动机, PN = 40kW, U N = 380V, △联结，nN = 2930r/min, ηN = 0.9 ，
cosϕN =0.85，起动电流倍数 kI = 5.5 ，起动转矩倍数 kT = 1.2 ，供电变压器允许起动电流为 150A，能
否在下列情况下采用 Y − Δ 降压起动？（1）负载转矩为 0.25TN ；（2）负载转矩为 0.5TN 。
调速过程：调节直流励磁电流的大小，可以平滑地调节机械负载的转速。在负载不变时，增大励磁 电流，磁场增强，涡流增大，电磁转矩增大，磁极转子转速（既机械负载转速）上升，与之相伴，磁场 与电枢相对速度减小，涡流开始减小，电磁转矩也减小，当转速升高到某一值时，电磁转矩减小（恢复） 到又与负载转矩平衡，电机便在这个高转速下稳定运行。因此，增大励磁电流，负载转速上升，反之， 减小励磁电流，负载转速下降。
机效率降低。 10.7 什么是绕线转子电动机的串级调速？与绕线转子电动机转子串电阻调速相比，其优点是什么？ 答：绕线转子异步电动机的串级调速不是在转子回路中串入电阻，而是串入一个与转子感应电动势
E2s 频率相同、相位相反的附加电动势 Ead ，从而改变转子电流的大小，实现速度调节。与转子回路串电 阻调速相比，转差功率中只有一小部分被转子绕组电阻所消耗，而其余大部分被产生 Ead 的装置回馈到了
2
机运行，但此时电流会增大，电机发热，长时间运行会烧毁电机。 对于Δ形联结的电动机，如果一相电源断线，这时电机气隙中产生一个脉动磁场，因此电机不能起
动。但运行中发生这种断线，能继续旋转，相当于单相电动机。如果一相绕组断线，电机变成两相绕组 通两相电流，由于绕组在空间上有相位差、绕组电流在时间上有相位差，所以产生一个椭圆形旋转磁场， 因此电机能起动，运行中发生这种断线，也能继续旋转。当然也将出现电机过热现象。
也增大；2）| X 2 - X C |> X 2 ，起动电流减小，起动转矩也减小。
10.5 三相异步电动机进行变频调速时，应按什么规律来控制定子电压?为什么?
1
答：在变频调速时，为了保持电机良好的运行性能，总希望维持主磁通 Φ 0 不变，因此需要U1 f 1 保
持不变，即电压与频率成正比变化。这也称为电压频率协调控制。 10.6 绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速有哪些特点？ 答：转子回路串电阻调速不能实现连续调节（分级调速），调速范围较小，转子电阻铜损耗增大，电
什么原因？串电感或电容起动，是否也有同样效果？
答：从等效电路来看，起动时，转子回路串入电阻，转子电流将减小，根据磁动势平衡关系，此时
的定子电流也将减小。虽然转子电流减小了，但是因为转子电阻的增大，转子回路功率因数将提高，由
Tem
=
C
T
Φ
0
I
′
2
cosϕ
2
可知，当所串电阻值适当时，转子电流有功分量
I
′
的指标，称为力能指标；Tmax T N 是反映电动机短时间承受过负载能力的指标，称为过载能力；Tst T N
和 I st I N 是反映电动机起动性能的指标。
10.2 什么是三相异步电动机的 Y-△降压起动? 它与直接起动相比，起动转矩和起动电流有何变化? 答：为了降低三相异步电动机的起动电流，对于定子绕组为Δ形联结电动机，起动时先将定子绕组 接成 Y 形，实现降压起动，当起动完毕后，再将定子绕组恢复成Δ形联结进入正常运行。Y-△降压起动