3异步电动机的拖动v异步电动机在工农业中有广泛的应用。一般生产机械都用三相异步电动机来拖动。据统计，异步电动机的生产总量约占电机制造业的一半以上。v异步电动机的结构简单，制造容易，运行可靠，价格低廉，有良好的使用性能。但调速性能、起动性能和功率因素差。v异步电动机通过电磁感应作用，把能量由定子传递到转子，这与变压器通过电磁感应将能量从原边传递到副边的工作有一定的相似之处。所以也称异步电动机为感应电动机。3.1 三相异步电动机的运行原理三相异步电动机的运行原理基本结构和工作原理定子、转子、气隙v定子定子定子由定子铁芯、定子绕组和机壳（机座、端盖等）构成。机座只做为支撑，不做为磁路的一部分。定子铁芯用厚的硅钢片冲压而成，再经叠装压紧制成定子绕组在铁芯槽内按一定的规律嵌放。绕组三相对称：数量、规格一样，每相绕组轴线在空间互差120。v转子转子小型电机常用高强度漆包线绕制的散嵌线圈放入槽内，槽内绝缘通常用聚脂薄膜及青壳纸。转子按结构分类：转子按结构分类：鼠笼式鼠笼式异步电动机：结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式。绕线式绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。 气隙气隙气隙大则磁阻大，要产生同样大小的旋转磁场，需要较大励磁电流。励磁电流是无功电流，会使电机的功率因素降低。但气隙过小会使电机装配困难，并导致运行不可靠。电机容量（KW）10以下101001001500气隙（mm）0.200.450.500.800.851.50v3.1.1.2 额定数据额定数据额定功率PN：电动机在额定运行时轴上输出的机械功率额定电压UN：额定运行状态下加在定子绕组上的线电压额定电流IN：指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流。额定频率f1：我国工业用电标准频率50HZ额定转速n：指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴上输出额定功率时电机的转速。额定功率因数cosN：指电动机定子加额定负载时，定子边的功率因数。接法：；相电流Y接法：；相电流，额定功率：输入功率：工作原理工作原理1. 旋转磁场旋转磁场(1) 旋转磁场的产生旋转磁场的产生 W2 W1V2 V1U1 U2 三相三相 (多相多相) 电流电流 三相三相 (多相多相) 绕组绕组 旋转磁场。旋转磁场。 三相绕组三相绕组横截面横截面U1U2V1V2W2W1U1 V1 W1U2 V2 W2 流出流出 流入流入 U V WU1U2V1V2W2W1i1 = Imsin ti2 = Imsin( t120O) i3 = Imsin( t120O)i1 i2 i3 t = 0O 时时i1 = 0，i2 0， i3 0NSIm tOi1 t = 0O 时时i1 = 0，i2 0， i30U1U2V1V2W2W1NS t = 120O 时时i10，i2 = 0，i3 0U1U2V1V2W2W1NSU1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NS t = 240O 时时i1 0，i20，i3 = 0 t = 360O 时时i1= 0，i2 0，i30NSi 变化一周变化一周i 每秒钟变化每秒钟变化 f1 周周旋转磁场转一圈旋转磁场转一圈 旋转磁场转旋转磁场转 f1 圈圈(2) 旋转磁场的转速旋转磁场的转速 n0 同步转速同步转速 n0 = 60 f1 (r / min) 同步转速同步转速 n0 的的大小怎样改变？大小怎样改变？前面的例子里：前面的例子里：U1U2V1V2W2W1每相绕组由每相绕组由一个线圈组成一个线圈组成U1 V1 W1U2 V2 W2U3 V3 W3U4 V4 W4U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相绕组由两个每相绕组由两个线圈串联组成线圈串联组成U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3 t = 0O 时时 i1 = 0，i2 0， i3 0 NSNS 磁极对数磁极对数 p p = 2 电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转旋转磁场转半半圈圈 n0 当磁极对数当磁极对数 p = 3 时时 n0 60 f1 2= 60 f1 3=60 f1pn0 = f = 50 Hz 时：时： 1 2 3 4 5 6 3 000 1 500 1 000 750 600 500 pn0/(r/min) (3) 旋转磁场的转向旋转磁场的转向 ( n0 的方向的方向) U (i1) V(i2) W(i3) 由超前相转向滞后相。由超前相转向滞后相。 由通入绕组中的电流的相序决定的。由通入绕组中的电流的相序决定的。 怎样改变怎样改变 n0 的方向的方向 ? V(i1) U(i2) W(i3)n0n0转子转动原理转子转动原理 NS1)1)定子三相对称绕组通入三定子三相对称绕组通入三相对称电流产生旋转磁场。相对称电流产生旋转磁场。2)2)转子导条切割定子旋转子导条切割定子旋转磁场感应电动势、转磁场感应电动势、感应电流感应电流3)3)载流的转子导体在磁场载流的转子导体在磁场中受到电磁力的作用，中受到电磁力的作用，产生电磁转矩产生电磁转矩n转差率转差率s s定义：定义：（0s1）n“异步异步”的物理意义：转子转速低于同的物理意义：转子转速低于同步速步速nnnn0 0，（异步电动机工作的必要条件），（异步电动机工作的必要条件）。 v在电动机起动瞬间，n=0，s=1，转差率最大；v空载运行时，转子转速最高，转差率最小；v额定负载运行时，转子转速较空载要低，SN大约为。 机械负载机械负载 旋转起来旋转起来对称三相绕组对称三相绕组 通入对称三相电流通入对称三相电流 旋转磁场旋转磁场 （磁场能量）（磁场能量） 磁感线切割磁感线切割 转子绕组转子绕组 转子绕组中转子绕组中 产生产生 e 和和 i 转子绕组在磁场中转子绕组在磁场中 受到电磁力的作用受到电磁力的作用 转子旋转起来转子旋转起来 三相三相 交流交流 电能电能电磁电磁转矩转矩感感应应3.1.2基本方程和等效电路异步电动机定子与转子之间只有磁的耦合，无电的直接联系，异步电动机定子绕组从电源吸取的能量借助于电磁感应作用传递给转子。异步电动机正常运行时通常是旋转的，随转速变化，转子中感应电动势及电流的频率也要随之变化，与定子感应电动势及电流频率不相等。同时，转子回路各物理量也会相应变化，故异步电动机分析比较复杂。U1U2V1V2W2W1 t = 0o 时时 U相绕组轴线相绕组轴线NSFVFWF3030iU = 0iV = Imsin(120o )iW = Imsin 120oFU = 0FV = Fm sin(120o) FW = Fm sin120o F = 2FW cos30o F =32Fm三相绕组的旋转磁势三相绕组的旋转磁势U1U2V1V2W2W1 t = 90o 时时iU = Im iV = Imsin(30o ) =Im / 2iW = Imsin 210o =Im / 2 FWFV60FVFWFU60FFU = FmFV = FW =23Fm F = FUFW FVF = FmFm/2 结论：结论：F 的大小不变，的大小不变，转过相应的角度。转过相应的角度。=Fm / 2NSv转子磁动势转子磁动势转子绕组是一个对称的多相绕组，转子绕组中的电流也是一个对称的多相电流，那么由此而产生的磁势也是一个旋转磁势。这个旋转磁势相对于转子的转速为由于转子中的电流是由定子磁势感应产生，其相序必然与之相同，而转子电流的相序又决定了转子磁势的旋转方向，所以F2的转向与的转向与F1的转向是一致的的转向是一致的。转子有机械转速，于是转子磁势F2在空间的转速为：其中由上可见：无论感应电动机的转速如何变化，定子磁势F1与转子磁势F2的旋转方向是一致的，转速是相同的。这就意味着F1与F2始终保持相对静止。为削弱谐波的作用，为削弱谐波的作用，交流电动机是分布、短距绕组，因此对交流电动机存在绕组系数KW1和KW2绕组系数绕组系数脉振磁势脉振磁势 脉振磁场：脉振磁场： 轴线不变，轴线不变， 大小和方向大小和方向 随时间交变随时间交变 的磁场。的磁场。 脉振磁势：脉振磁势： 产生脉振磁产生脉振磁 场的磁势。场的磁势。U1U2NS12FU1U2U1按照富立叶级数分解的方法可以把矩形波磁势分解为基波和一系列的谐波之和；v从电磁关系看，异步电动机和变压器非常相似：定子绕组相当于一次绕组，从电源吸收电流和功率；转子绕组相当于二次绕组，通过电磁感应产生电动势和电流。v不同之处在于，变压器输出电功率；异步电动机输出机械功率。v定、转子磁动势定、转子磁动势与变压器类似，气隙磁通由由定子电压U1和频率f1决定，由于从空载到负载，定子的电压和频率不变，气隙磁通也基本不变，所以象变压器一样，三相异步电动机也要满足下述的磁势平衡方程式气隙磁场基波磁动势定子基波磁动势转子基波磁动势I1定子电流有效值(A)；I2s转子电流有效值(A)；I0励磁电流的有效值(A)；N1、N2定、转子每相绕组的串联总匝数；Kw1、Kw2定、转子的基波绕组系数;m1、m2定、转子绕组的相数定子绕组的处在一个旋转磁场中，其工作情况与处于交变磁场中的普通铁芯线圈没有两样，所以其负载时的定子每相电压平衡式为v定子绕组的感应电势定子绕组的感应电势当磁场在空间旋转时，必然切割定子绕组而感应电势。我们也可以把转子绕组看成一个处于交变磁场中的铁芯线圈因为感应电动机的转子自成回路，端电压U2=0，所以转子的电势平均方程式为：注意：转子的阻抗不固定X2s2f 2Lv三相感应电动机的等值电路三相感应电动机的等值电路感应电动机的定、转子与变压器的一、二次绕组一样，只有磁的耦合，而没有电的联系，因此建立等值电路的主要目的是为了分析与计算的方便，实际是并不存在这样的电路。v频率折算频率折算只有转子静止时，转子频率才能等于定子频率。频率折算的目的是用静止的转子代替旋转的转子保证转子电路对定子电路的影响不变，即转子磁动势F2不变，则只要转子电流的大小和相位不变，转子电路功率和损耗不变。转子不动时转子转动时转子感应电势转子漏抗转子电流的大小和相位不变，可保证转子磁动势F2不变n0R1 R2jX1jX2 +频率折合后异步电动机的定、转子电路图m1，N1kw1m2，N2kw2f1 f1 相当于用静止转子的代替转动的转子后，应在转子上多附加一个电阻，这个附加的电阻实际上是电机负这个附加的电阻实际上是电机负载载在电路上的体现。在电路上的体现。v绕组折算绕组折算通过频率折算后，定、转子的频率已相同，感应电动机的定、转子就相当于双绕组变压器的一、二次绕组。但定、转子所产生的感应电动势不一样，需要依照变压器的方法，对绕组进行折算。即把实际上相数为m2、每相匝数为N2、绕组系数为Kw2的转子绕组折算成与定子绕组完全相同的一个等效绕组。=式中电流变比；折合后的转子等效电流的有效值。a、电流折算：、电流折算：折算前后转子磁势不变这样，磁势平衡式就可以写成b、转子电动势折算：、转子电动势折算：折算前后主磁通不变-电动势变比c、转子阻抗折算：、转子阻抗折算：折算前后转子铜耗和无功功率不变相应转子阻抗的折合值为T T型等值电路型等值电路思考1、堵转时的工作情况2、转子转速接近同步转速时的工作情况。v三相异步电动机的功率三相异步电动机的功率定子铜耗定子铁耗输入功率转子铁心与气隙磁场相对速度很小，转子铁耗远小于定子铁耗电磁功率转子铜耗总机械功率转差转差S越大，电磁功率消耗在转子铜耗中的比重就越大越大，电磁功率消耗在转子铜耗中的比重就越大，电动机的效率就越低。Pe:Pcu2:Pm=1:s:(1s)输出功率功率平衡式v三相异步电动机的转矩三相异步电动机的转矩根据功率、转矩和角速度三者之间的关系得到T2-输出转矩（也是稳态运行时的负载转矩）T0-空载制动转矩（由机械摩擦转矩和附加损耗转矩构成）T - 为电磁转矩同步机械角速度（rad/s）-物理表达式，用于定性分析三相异步电动机的工作特性v转速特性转速特性理想空载时，I2=0，故n=n0，随着负载的增加，转子电流I2增大，意味着转子与旋转磁场的相对切割变速度加快，也就是转差加大，即转速下降。为保证电机有较高的效率，负载时转差一般限制在一个额定转差附近。三相异步电动机空载时，输出转矩为零，随着输出功率的增大，由于转速变化不大，输出转矩与近似于正比关系。所以输出转矩特性曲线近似为一条直线。v输出转矩特性输出转矩特性v定子电流特性定子电流特性v效率特性效率特性由磁势平衡方程式随负载的增大，转子电流增大，定子电流的负载分量也跟随增大，所以，I1随P2的增大而增大。对于各种类型的电机，其效率特性形状是相同的.v功率因素特性功率因素特性感应电动机是从电网吸取滞后的无功电流进行励磁的。空载时，定子电流基本是励磁电流，功率因素很低，仅为；随负载的增加，定子电流的有功分量增加，功率因素逐渐上升，在额定负载附近，功率因素达到最大值；超过额定负载后，由于转速下降，转差增加，转子功率因素下降较多，使定子中与之平衡的无功分量也增大，总的功率因素反而所下降。因此如果电动机选择不当，长期处于轻载或空载运行，是很不经济的。3.2三相异步电动机的机械特性v定义三相异步电动机在电压、电源频率以及电机固定的条件下，其电磁转矩T与转子转速n之间的关系，就是三相异步电动机的机械特性。在电机拖动系统分析中习惯上以纵坐标表示转速n(或转差s)，以横坐标表示电磁转矩T，即n=f(T )，或s=f(T )3.2.1电磁转矩的参数表达式根据感应电动机的简化等效电路：上式称为转矩的参数表达式，显然这个公式过于复杂，并且有关数据不方便获得。我们一般把它绘成曲线使用。v最大转矩TM与临界转差SM1、当电机的参数与电源频率不变时，最大转矩TM与定子相电压U1的平方成正比,与参数f1成反比。而产生最大转矩TM的临界转差率SM与U1和f1无关。2、增大转子回路的电阻值，只能使SM增大，而最大转矩TM却保持不变。v过载倍数过载倍数最大转矩TM与额定转矩TN之比叫过载倍数，也叫过载能力 *一般三相感应电动机，过载倍数KM2；*起重、冶金机械用三相感应电动机，过载倍数KM左右。*电动机拖动负载时，负载转矩超过电机最大转矩，电机的转速有可能大幅度下降，甚至停转。v起动转矩起动转矩电动机接上电源开始起动时，n=0(或s=1)时的电磁转矩称为起动转矩。 起动转矩倍数起动转矩倍数 *起动转矩倍速反映了电动机起动能力的大小。*一般Y系列笼型三相异步电动机的Kst。*起重和冶金用YZ系列电动机Kst。3.2.3稳定运行问题*在直线段HP，各种负载转矩特性与机械特性的交点(a、b、c)处均能满足稳定运行条件。因此，工程上通常称该段为稳定运行区。*在PA段，只有通风机类负载(负载转矩特性与机械特性的交点为c)才能满足稳定运行条件。因此，工程上称该段为不稳定运行区。电磁转矩的实用表达式 v由于异步电动机的参数在应用现场难以得到v运行时只需要了解稳定运行范围内的机械特性v电磁转矩的实用表达式*实用公式只适用于转差率在0ssM范围。*计算起动转矩时误差较大。已知过载能力KM，额定转速nN，额定功率PN，可以求出TM和sM可得TM将额定点数据（SN，TN）代入实用表达式当异步电动机在额定负载内运行时，它的转差率很小，故简化表达式只适用于转差率为0s，因此工作点位于第象限，如图中B点。v【例3.7】例的电机，电动机轴上的负载转TL=100NM，假定电动机在下列两种情况下，以回馈制动状态运行，求下列两种情况下的转速。v(1)电动机运行在固有机械特性上下放重物；v(2)转子回路串入制动电阻。0n0AABDTN0.8TNC-n0nEEEC500-3001）当负载转矩为N时，要求提升转速nB为500r/min，转子每相应串多大电阻？2）从额定状态到反接制动，要求起始转矩为2TN，转子每相应串多大电阻？在此电阻下，下放额定负载的稳定转速是多少？3）要求以-300r/min的速度下放N负载，转子每相应串入多大电阻？例已知一台绕线异步电动机，PN=75KW，U1N=380V，I1N=144A，E2N=399V，I2N=116A，KM，nN=1460r/min。0n0AABDTN0.8TNC-n0nEEEC500-300解：求基础数据0n0AABDTN0.8TNC-n0nEEEC500-3001）对于B点0n0AABDTN0.8TNC-n0nEEEC500-3002）对于C点0n0AABDTN0.8TNC-n0nEEEC500-3002）对于E点0n0AABDTN0.8TNC-n0nEEEC500-3003）对于D点