第14章 三相异步电机的运行原理先分析转子不转、转子绕组开路，先分析转子不转、转子绕组开路，再分析转子绕组短路、转子堵转，再分析转子绕组短路、转子堵转，最后分析转子旋转。最后分析转子旋转。以三相绕线转子异步电机为例。以三相绕线转子异步电机为例。:14.1 三相异步电机转子不转时三相异步电机转子不转时的电磁关系的电磁关系1. 转子绕组开路时的电磁关系l参考方向规定参考方向规定w定子绕组电压和电流：电动机惯例定子绕组电压和电流：电动机惯例w转子绕组电压和电流：发电机惯例转子绕组电压和电流：发电机惯例w磁磁动动势势、磁磁通通、磁磁通通密密度度：出出定定子子，进进转转子子为正。为正。:参考方向规定参考方向规定w空空间间坐坐标标轴轴线线原原点点取取在在定定、转子的转子的A 相绕组的轴线上。相绕组的轴线上。w空间角度空间角度 以逆时针方向为正。以逆时针方向为正。:励磁磁动势励磁磁动势w定定子子三三相相绕绕组组接接在在交交流流三三相相对对称称电电源源上上，定子绕组中流过三相对称电流定子绕组中流过三相对称电流 。w三相电流产生基波旋转磁动势三相电流产生基波旋转磁动势F0 。 w转转子子绕绕组组开开路路，没没有有电电流流，所所以以此此时时磁磁路路中只有定子磁动势中只有定子磁动势F0 ，产生气隙磁场。，产生气隙磁场。wF0称为励磁磁动势，称为励磁磁动势， 称为励磁电流。称为励磁电流。:励磁磁动势励磁磁动势幅值：幅值：转转向向：沿沿A A、B B、C C方方向向逆时针）。逆时针）。转速：转速：瞬瞬时时位位置置：某某相相电电流流达达到到正正最最大大值值时时，磁磁动动势势的的正正幅幅值值就就位位于于该该相相绕绕组轴线。组轴线。三三相相对对称称，只只需需考考察一相察一相A相）。相）。:励磁磁动势励磁磁动势w转转子子A相相轴轴线线+A2在在空空间间超超前前定定子子A相相轴轴线线+A1 的的空空间间电角度为电角度为 0 。w励励 磁磁 磁磁 动动 势势 F0与与+A2轴轴之之间间的的空空间间电电角角度度为为90 0 （在作图时刻）。（在作图时刻）。:励磁磁动势产生的气隙磁场励磁磁动势产生的气隙磁场w励励磁磁磁磁动动势势F0 作作用用在在磁磁路路中中产产生生基基波波气气隙隙磁磁场，用基波磁通密度表示。场，用基波磁通密度表示。w基基波波磁磁通通密密度度在在空空间间也也按按正正弦弦分分布布，可可用用空空间间矢量矢量 B 表示，转速也为表示，转速也为 1 。w由由于于气气隙隙均均匀匀，当当不不计计磁磁滞滞、涡涡流流损损耗耗时时，基基波波气气隙隙磁磁通通密密度度与与励励磁磁磁磁动动势势波波形形相相同同，相相位位相同（相同（ B 与与F0 同相）。同相）。w气隙中每极磁通量主磁通）气隙中每极磁通量主磁通）:定、转子绕组的主磁链定、转子绕组的主磁链w气气隙隙磁磁通通密密度度波波在在空空间间上上正正弦弦分分布布，且且是是旋转的。旋转的。w定、转子绕组是静止的。定、转子绕组是静止的。w所所以以定定、转转子子绕绕组组的的磁磁通通或或磁磁链链是是随随时时间间变化的。变化的。w当当磁磁通通密密度度波波的的幅幅值值在在绕绕组组轴轴线线处处时时，绕绕组交链的磁链最大。组交链的磁链最大。:定、转子绕组的主磁链定、转子绕组的主磁链以以图图中中时时刻刻作作为为计计时起点。时起点。N2 为转子绕组的每相串联匝数；kdp2 为转子绕组的基波绕组因数。 :定、转子绕组的主磁链定、转子绕组的主磁链定、转子一相绕组的主磁链也可用相量表示。定、转子一相绕组的主磁链也可用相量表示。:主磁通感应电动势主磁通感应电动势w定子绕组的感应电动势一相）定子绕组的感应电动势一相）w转子绕组的感应电动势一相）转子绕组的感应电动势一相）:感应电动势的有效值和相位感应电动势的有效值和相位w电电动动势势有有效效值值与与频频率率、绕绕组组有有效效匝匝数数和和每每极磁通量极磁通量 m成正比。成正比。 w电动势滞后产生它的主磁链电动势滞后产生它的主磁链 90 。 :电压变比电压变比w比比值值ke称称为为电电压压变变比比，是是定定、转转子子相相电电动势之比。动势之比。wke等于定、转子绕组有效匝数之比。等于定、转子绕组有效匝数之比。:主磁通感应电动势主磁通感应电动势w感应电动势也可以用相量表示。感应电动势也可以用相量表示。感感应应电电动动势势相相量量滞滞后后于于磁链相量磁链相量90 。:励磁电流励磁电流计计及及铁铁心心的的磁磁滞滞和和涡涡流流损损耗耗时时，励励磁磁磁磁动动势势F0 超超前前磁磁通通密密度度B 一一个个小小角角度度；相相应应地地，定定子子励励磁磁电电流流相相量超前定子磁链相量一个同样的小角度。量超前定子磁链相量一个同样的小角度。励励磁磁电电流流可可分分解解为为两个分量：两个分量：有功分量有功分量无功分量无功分量铁耗铁耗B :时空相矢量图时空相矢量图将空间矢量图与时间相量图画在一起。将空间矢量图与时间相量图画在一起。+A1轴轴与与定定、转转子子的的时时轴轴+j1、 +j2重合。重合。电电流流、磁磁链链相相量量和和磁磁动动势势、磁通密度矢量都重合在一起。磁通密度矢量都重合在一起。电电动动势势相相量量滞滞后后于于产产生生它它的的磁链相量磁链相量90 。通通过过相相矢矢量量图图可可以以方方便便地地确定相量、矢量的位置。确定相量、矢量的位置。:主磁通与漏磁通主磁通与漏磁通w作用作用w主主磁磁通通：同同时时交交链链定定、转转子子绕绕组组，起起着着定定、转转子子间间能能量量传递的媒介作用。传递的媒介作用。w漏漏磁磁通通：只只交交链链定定子子绕绕组组自自身身，称称为为定定子子漏漏磁磁通通，包包括括槽槽漏漏磁磁通通、端端部部漏漏磁通和谐波漏磁通。磁通和谐波漏磁通。:漏磁感应电动势漏磁感应电动势w定定子子绕绕组组漏漏磁磁通通在在定定子子绕绕组组中中感感应应的的漏漏磁磁电动势的瞬时值为电动势的瞬时值为X1是表示E1与I0间线性关系的常系数，称为定子绕组每相漏电抗。 w引入电抗参数表示定子漏磁电动势引入电抗参数表示定子漏磁电动势:电压方程式电压方程式定、转子绕组一相电压方程式定、转子绕组一相电压方程式R1为定子绕组的每相电阻。 、 分别是定、转子绕组的分别是定、转子绕组的相电压。相电压。:定子漏阻抗定子漏阻抗Z1R1j X1 ，称为定子绕组每相漏阻抗。 得到：得到：代入代入:电磁关系小结电磁关系小结w转子绕组开路时的电磁关系转子绕组开路时的电磁关系:电磁关系小结电磁关系小结w既既有有电电路路的的问问题题，也也有有磁磁路路的的问问题题，电与磁之间又有密切的联系。电与磁之间又有密切的联系。 w将将这这种种复复杂杂的的电电磁磁关关系系用用熟熟悉悉的的交交流流电电路路的的形形式式表表示示出出来来，就就可可使使分分析析和和计算大为简化。计算大为简化。w以上是建立等效电路的基本思路。以上是建立等效电路的基本思路。 :主磁通感应电动势的等效表示主磁通感应电动势的等效表示w考考虑虑主主磁磁通通在在铁铁心心中中引引起起的的铁铁耗耗时时，如如何何用用电电路的形式表示路的形式表示 与与 之间的关系？之间的关系？w应引入一个阻抗应引入一个阻抗Zm Zm称为励磁阻抗；Xm称为励磁电抗，反映铁心磁路的磁化特性 ；Rm称为励磁电阻，对应于铁耗pFe的等效电阻。 :电压方程式，等效电路电压方程式，等效电路代入代入得到得到完全可用电路来描述。完全可用电路来描述。一相等效电路一相等效电路:2. 转子堵转时的电磁关系l堵堵转转：转转子子三三相相绕绕组组短短路路即即绕绕组组出出线线端端短短接接），且且转转子子堵堵住住不不转转，定定子接交流电源。子接交流电源。转转子子中中就就会会流流过过电电流流，产产生生转转子子磁磁动动势势，与与定定子子磁磁动势共同起作用。动势共同起作用。:转子磁动势转子磁动势幅值：幅值：转向：沿着转向：沿着A2B2C2方向旋转。方向旋转。转速：转速：瞬瞬时时位位置置：某某相相电电流流达达到到最最大大值值，合合成成磁磁动动势势正正幅值就位于该相绕组的轴线。幅值就位于该相绕组的轴线。转转子子三三相相对对称称电电流流 流流过过对对称称三三相相绕绕组组产产生生转子合成基波旋转磁动势转子合成基波旋转磁动势F2 。:转子磁动势的转向转子磁动势的转向w转转子子静静止止，气气隙隙磁磁通通密密度度波波相相对对转转子子的的转转速速为为n1 ，方向为逆时针。，方向为逆时针。w转转子子感感应应电电动动势势的的相相序序为为A2B2C2正序）。正序）。w转子电流相序也为正序。转子电流相序也为正序。w转转子子磁磁动动势势F2由由+A2轴轴转转向向+B2轴轴，再再转转向向+C2轴轴逆时针旋转）。逆时针旋转）。:定、转子磁动势关系定、转子磁动势关系定定子子磁磁动动势势F1 与与转转子子磁磁动动势势F2 的的转转速速、转转向都相同，两者在空间保持相对静止。向都相同，两者在空间保持相对静止。w作作用用在在磁磁路路中中的的磁磁动动势势是是定定、转转子子磁磁动动势势的的合合成成，由由合合成成磁磁动动势势产产生生气气隙隙磁磁通通密密度度波。波。w合成磁动势仍用合成磁动势仍用F0 表示，表示，F0F1F2 。wF0 是励磁磁动势。是励磁磁动势。 :（F2）：与与转转子子磁磁动动势势F2 相相反反，抵抵消消F2对气隙磁通密度的影响；对气隙磁通密度的影响； F0 ：产生气隙磁通密度：产生气隙磁通密度B 的磁动势分量。的磁动势分量。 定子磁动势和励磁磁动势定子磁动势和励磁磁动势定子磁动势定子磁动势 F1 可看作由两部分组成：可看作由两部分组成：F1 F0 （F2）F0 F1 F2:w转转子子漏漏磁磁通通在在转转子子绕绕组组中中感感应应漏漏磁磁电电动动势势，可可以用漏电抗上的压降表示，以用漏电抗上的压降表示，转子漏磁通转子漏磁通w转转子子电电流流也也要要产产生生漏漏磁磁通通，转转子子漏漏磁磁通通只只交交链链转转子绕组。子绕组。X2 称为转子绕组每相漏电抗。 :电压方程式电压方程式l转子一相电压方程式转子一相电压方程式转子感应电动势、电流的频率均为转子感应电动势、电流的频率均为f1 。l定子一相电压方程式定子一相电压方程式:堵转时的电磁关系堵转时的电磁关系:转子位置角折合转子位置角折合w转转子子只只通通过过转转子子磁磁动动势势F2对定子起作用。对定子起作用。wF2 与与B 两两者者一一起起同同步步旋旋转转，二二者者相相距距的的空空间间电电角角度度始始终终为为90 2 ， 与与 转转 子子A相相（+A2轴轴的的位位置置无无关，即与关，即与 0 无关。无关。:转子位置角折合转子位置角折合w从从定定子子侧侧考考察察F2的的作作用用时时， 0 的的大大小小是是无无关紧要的。关紧要的。w为为了了简简单单，将将转转子子A相相轴轴线线+A2与与定定子子A相相轴轴线线+A1重重合合 转转子子位置角折合。位置角折合。w得到时空相矢量图。得到时空相矢量图。:转子绕组的折合转子绕组的折合w为为了了得得到到等等效效电电路路，需需要要像像分分析析变变压压器器时时一样，对绕组进行折合。一样，对绕组进行折合。w通常将转子绕组折合为与定子绕组一样。通常将转子绕组折合为与定子绕组一样。w转转子子只只通通过过转转子子磁磁动动势势F2 对对定定子子起起作作用用，因因此此折折合合时时需需要要保保证证F2 的的大大小小和和空空间间相相位位不变。不变。:转子绕组的折合转子绕组的折合w折折合合后后的的转转子子绕绕组组相相数数、每每相相串串联联匝匝数数、绕绕组组因因数都和定子绕组的一样。数都和定子绕组的一样。w转子磁动势转子磁动势F2 在折合后必须保持不变。在折合后必须保持不变。ki 电流变比:转子绕组的折合转子绕组的折合F0 F1 F2定定、转转子子磁磁动动势势关关系系转转变变为为定定、转转子子电电流流关关系系，好好像像定定、转转子子之之间间存存在在电电路路联联系系，为为建建立立等等效效电电路路奠奠定了基础。定了基础。:转子绕组的折合转子绕组的折合w转子相电动势的折合值转子相电动势的折合值w转子相电流的折合值转子相电流的折合值w转子每相阻抗的折合值转子每相阻抗的折合值折折合合后后，转转子子绕绕组组电电阻阻铜铜耗耗和和电电抗抗上上的的无无功功功功率率都不变。都不变。:基本方程式、等效电路基本方程式、等效电路等效电路等效电路基本方程式基本方程式:相量图相量图w相相量量图图与与基基本本方方程程式式相相对对应应，是是基基本本方方程程式式的的图图形表示。形表示。:14.2 三相异步电机转子旋转时三相异步电机转子旋转时的电磁关系的电磁关系w三三相相异异步步电电机机的的转转子子绕绕组组通通常常是是短短路路的的。笼笼型型绕绕组组本本身身是是短短路路的的；绕绕线线型型绕绕组组通通过过集集电电环环、电刷及附加电阻如果有短路。电刷及附加电阻如果有短路。w分分析析三三相相异异步步电电机机定定子子绕绕组组接接至至三三相相对对称称电电源源，转转子子绕绕组组短短路路直直接接短短路路或或经经过过附附加加电电阻阻短短路路且转子旋转时的电磁关系。且转子旋转时的电磁关系。:转差率转差率转转子子绕绕组组短短路路的的异异步步电电机机，要要实实现现机机电电能能量量转转换换，转转子子转转速速n的的大大小小或或方方向向必必须须和和同同步步转转速速n1的不同。的不同。用转差率用转差率 s 描述转速描述转速n与同步转速与同步转速n1的差别：的差别：令令n10，则当，则当n与与n1同向时，同向时，n0；否则，；否则，n0。:转差率与运行状态转差率与运行状态电动机状态电动机状态n1n01s0发电机状态发电机状态nn10s0电制动状态电制动状态n10，n 0s1:转子电压方程式转子电压方程式l转子感应电动势、电流的频率转子感应电动势、电流的频率u异步电机正常运行时，转差率异步电机正常运行时，转差率s很小。很小。u通常通常s0.010.05，那么，那么 f20.5Hz2.5Hz。气隙磁通密度气隙磁通密度B 相对转子的转速为相对转子的转速为 (n1n) ；转子感应电动势、电流的频率为转子感应电动势、电流的频率为f2 称为转差频率。:转子电压方程式转子电压方程式l转子回路电压方程式转子回路电压方程式E2 是转子不转时转子绕组的感应电动势，而不是堵转时的电动势，因为两种情况下的主磁通不同。:转子电压方程式转子电压方程式l转子回路电压方程式转子回路电压方程式wX2s 是转子频率为f2 时的转子漏电抗，X2 是转子不转时f2f1的转子漏电抗。w正常运行时， X2s n0:定、转子磁动势关系定、转子磁动势关系w转向：逆时针转向：逆时针w转速：转速：w定子磁动势定子磁动势F1 ：相对于定子转速为：相对于定子转速为n1 ；w转子磁动势转子磁动势F2 ：相对于转子转速为：相对于转子转速为w F2 相对定子的转速为相对定子的转速为结论：定、转子基波磁动势保持相对静止。:定、转子磁动势关系定、转子磁动势关系w转转子子以以转转差差率率s 旋旋转转时时，定定、转转子子磁磁动动势势F1与与F2 始始终终保保持持相相对对静静止止，二二者者共共同同产产生生气隙磁场。气隙磁场。w可可对对F1与与F2进进行行矢矢量量合合成成，得得到到合合成成磁磁动动势势F0 ，即，即 F1F2F0 ，F0是励磁磁动势。是励磁磁动势。w转转子子旋旋转转时时的的合合成成磁磁动动势势即即励励磁磁磁磁动动势势与与堵转时的不同幅值及空间相位）。堵转时的不同幅值及空间相位）。:F2、B 相对转子的角速度都是相对转子的角速度都是 2 ；转子电动势、电流等相量的角频率为转子电动势、电流等相量的角频率为 2 。转转 子子 本本 身身(+A2轴轴)在在逆逆时时针针旋旋转转，只只能能取取某某一一时刻画图。时刻画图。转子时空相矢量图转子时空相矢量图以电动机状态为例。以电动机状态为例。:电磁关系小结电磁关系小结w转子旋转时的电磁关系转子旋转时的电磁关系:转转子子电电量量的的频频率率与与定定子子不不同同，无无法法直直接接连连接接或或者者一一起画相量图，无法得到等效电路。起画相量图，无法得到等效电路。转子绕组频率折合转子绕组频率折合w转子通过其磁动势转子通过其磁动势F2对定子起作用。对定子起作用。w不不论论转转子子频频率率f2为为多多少少，F2 相相对对定定子子的的转转速速始始终终为为n1 。w因因而而，只只要要保保证证F2 的的大大小小和和空空间间相相位位不不变变，转转子子电流的频率是多少，对定子侧的关系并无影响。电流的频率是多少，对定子侧的关系并无影响。据此可对转子频率进行变换据此可对转子频率进行变换 。:E2ssE2X2s sX2转子绕组频率折合转子绕组频率折合转转子子电电动动势势、电电流流的的频频率率已已由由f2变变为为f1 ，用转子不转时的量来表示了。，用转子不转时的量来表示了。转子电流的有效值和相位都未变化。转子电流的有效值和相位都未变化。:转子绕组频率折合转子绕组频率折合转子旋转时的实际电路转子旋转时的实际电路保保持持转转子子磁磁动动势势F2的的幅幅值值和和相相位位不不变变，使使转转子子频频率率由实际的由实际的f2变为变为f1 转子绕组的频率折合。转子绕组的频率折合。 等效电路转子不转时）等效电路转子不转时）I2I2s ， 2 不变F2不变幅值和相位）不变幅值和相位）:转子绕组的折合转子绕组的折合频率折合后，定、转子的频率都是频率折合后，定、转子的频率都是 f1 。为为了了得得到到等等效效电电路路，还还需需用用转转子子堵堵转转时时的的处处理理方方法法，将将转转子子绕绕组组折折合合到到定定子子侧侧，即即进进行行转转子子绕绕组组折合。折合。:基本方程式、等效电路基本方程式、等效电路l基本方程式基本方程式在在对对转转子子进进行行频频率率折折合合和和绕绕组组折折合合后后，可可得得转转子子旋旋转转时时的的基本方程式。基本方程式。:基本方程式、等效电路基本方程式、等效电路lT型等效电路型等效电路:时空相矢量图时空相矢量图:讨讨 论论w空载时，转差率空载时，转差率s很小，很小， ，w 转子电流很小，转子电流很小，w 空载电流约等空载电流约等于励磁电流，定于励磁电流，定子功率因数很低。子功率因数很低。w额额定定负负载载运运行行时时，通通常常转转差差率率sN0.05，转转子子等等效效电电路路为为电电阻阻性性，定定、转转子子侧侧功功率率因因数数都都较较高高，可可达达0.8 以上。以上。:讨讨 论论w定定子子漏漏阻阻抗抗 Z1 不不大大，从从空空载载到到额额定定负负载载时时，I1 Z1 与与电电压压U1相相比比都都较较小小，定子电动势定子电动势E1U1。w主主磁磁通通 m与与电电动动势势E1成正比。成正比。w只只要要电电压压U1不不变变，从从空空载载到到额额定定负负载载， m基基本本不不变变，励励磁磁电流电流I0也基本不变。也基本不变。w起起动动或或堵堵转转时时，主主磁磁通通 m与与额额定定负负载载时时相相比比变变化化很很大大，约为空载时的一半。约为空载时的一半。: