曾成碧、赵莉华《电机学》书号ISBN978-7-111-25251-1 CH9三相异步电动机的运行原

第九章三相异步电动机的运行原理及工作特性异步电机与变压器一样属于单边励磁的电机，转子边电流由感应产生。从电磁关系看，异步电机与变压器相似，其定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组相当于变压器的二次绕组。因此，可以把分析变压器的理论用到分析异步电机中来。异步电机三相定、转子绕组都是对称的，正常对称运行时，各相发生的电磁过程完全相同，在分析时可只讨论一相，如电动势方程、等效电路等，根据一相计算结果，再考虑相位后推广到其它两相。第一节转子不动时的异步电动机一般异步电动机转子总是旋转的，转子不动是它的一种特殊情况，即电机处于堵转状态。此时，异步电动机的运行方式与变压器二次侧短路时的运行状态非常相似。其定子侧相当于变压器的一次侧，转子侧相当于变压器的二次侧，变压器的二次侧和异步电机的转子侧电动势、电流都是电磁感应产生的。其不同之处在于，异步电机三相合成磁动势为旋转磁动势，变压器为脉动磁动势；异步电机定、转子之间有气隙，空载励磁电流较大，而变压器一、二次绕组之间磁路无气隙，空载励磁电流较小；异步电机的绕组是分布绕组，而变压器的绕组为集中绕组。1、参考方向的规定图9－1三相绕线式异步电机参考方向规定当三相异步电机定子绕组接交流电源时，其转子不动可分为转子绕组开路和转子堵转两种情况。转子绕组开路时，转子回路没有电流，不产生磁动势。此时，电机气隙中的磁动势只有定子磁动势，因此称其为励磁磁动势，相应的定子电流称为励磁电流。励磁磁动势2.转子绕组开路时异步电机的电磁关系(1).磁动势和磁通电机中合成基波旋转磁动势011109.02IpkNmFw0F0I主磁通和定子漏磁通图9－2异步电机的主磁通和漏磁通通过气隙同时交链定子和转子绕组的磁通称为主磁通，不交链转子绕组只交链定子绕组的磁通称为定子绕组漏磁通。漏磁通主要有槽部漏磁通和端部漏磁通。主磁通通过气隙，并同时交链定子和转子绕组，分别在其上感应电动势，异步电动机就是依靠主磁通实现定、转子之间能量传递的。漏磁通只与自身绕组交链，只起电压降作用，不传递能量。转子不动时，以频率交变的主磁通将在定、转子相绕组中感应同频率的感应电动势和，其有效值为：（2）感应电动势1fm1E20E11114.44wmEfNk201224.44wmEfNk定、转子一相感应电动势有效值的比值，称为电动势比，用表示。ek2211201wwekNkNEEk与变压器类似，漏电动势可以用漏抗压降来表示，有：101xIjE1x——定子每相绕组漏电抗，用简化符号表示，定子漏电抗主要有定子槽漏电抗和端部漏电抗。1x（3）电压平衡方程101101011ZIExIjrIEU转子一相绕组的电压方程为：202EU定子一相绕组的电压方程为：三相异步电机转子绕组开路时，定子和转子都是静止的，电机内部的电磁关系与三相变压器空载运行时相似。图9－3三相异步电动机转子绕组开路时的电磁关系示意图图9－4转子绕组开路时三相异步电机等效电路(4)等效电路定子绕组中流过三相对称电流，建立旋转磁动势。该磁场同时切割定子和转子绕组，并感应电动势。因为转子绕组闭合，转子绕组中有电流流过，转子电流建立转子旋转磁动势。转子旋转磁动势的旋转方向与定子的旋转磁动势相同。3.转子绕组堵转时异步电机的电磁关系定、转子磁动势关系定子绕组在外加电压和内部感应电动势共同作用下，流过电流；转子绕组在转子电动势作用下，流过电流，整个电机处于电磁平衡状态。1I2I转子不动时，转子感应电动势的频率，即转子感应电动势频率与定子电流频率相同。因此，转子旋转磁场的速度。可见，转子旋转磁动势和定子旋转磁动势在空间以同转向、同速度旋转，即二者相对静止。12160Pnff21216060PfPfnn电压平衡方程漏电动势用漏抗压降来表示，有：111EjIx222EjIx定、转子回路电动势方程为：202222EIrjIx111Zrjx2022Zrjx111111111UEjIxIrEIZ异步电机转子不动时，其定子电流和转子电流分别产生同转向、同转速的旋转磁动势和，二者在空间保持相对静止。只有和相对静止才能共同作用在一个磁路上，建立所需要的旋转磁场，以实现机电能量转换。如果合成磁动势用表示，则可得到与变压器类似的磁动势平衡方程。磁动势平衡方程1F2F1F2FmF12mFFF12()mFFF111122112120.90.90.922222212121111wmwimNkIIIIImNkk1211()mmLiIIIIIk磁动势平衡方程111222wiwmNkkmNk，称为异步电机的电流变比；，为定子绕组电流的负载分量。121LiIIk讨论：定子电流有两个分量，一个是励磁分量，用以产生励磁磁动势，励磁电流的大小决定于感应电动势所需要的主磁通大小（）以及主磁路的磁阻。由于异步电机中主磁通两次穿过气隙，磁路磁阻大，所以需要的励磁电流也大，可达到额定电流的20％－60％，电机的容量越小，励磁电流分量所占的分量也大。定子电流的另一个分量是负载分量，，它所产生的磁动势用来平衡转子磁动势，它与大小相等，方向相反，以抵消转子磁动势的作用，以维持建立主磁通所需要的磁动势。因此，转子电流增加，将引起定子电流增加。这些关系与变压器相似。mImF11114.44wmEfNk12/LiIIk2F2F1211()mmLiIIIIIk折算方法是：将转子绕组相数为，匝数为，绕组系数为的实际绕组，折算到定子侧相数为，匝数为，绕组系数为的等效绕组。而折算前后转子绕组的电磁性能和平衡关系不变，即磁动势大小和相位不变。转子绕组的折算2m2N2wk1m1N1wk（1）电流的折算保持折算前后磁动势112212220.90.922wwNkNkmmIIPP222111222wiwIIImNkkmNk（2）电动势及电压的折算保持折算前后电磁功率不变，有：122222mEImEI211111222222212122222wwewwmmNkNkmEIEEEkEmImmNkNk1122wewNkkNk为电动势变比。（3）阻抗的折算折算前后绕组的铜耗不变，有：22122222mrImrI211122221222()weiwmNkmrrkkrmmNk根据折算前后功率因数不变的原则，有：22222xxtgrr22eixkkx经过折算后异步电机的基本方程为：11111222212121()0()()()mmmmmmUEIrjxEIrjxIIIEEEIzIrjx等效电路图9-5异步电动机转子不动时的等效电路第二节转子旋转时的异步电动机当转子以转速n旋转后，电机主磁通仍以同步转速切割定子绕组，产生感应电动势，所以定子回路电动势平衡方程不变。而转子绕组以相对速度n2=n1-n切割主磁通，所以转子中感应电动势的频率、大小及漏抗都将发生变化。1.转子感应电动势转子绕组感应电动势的频率为：2111211()()606060PnPnnPnnnfsfnf2=sf1，称为转差频率。由于异步电动机在额定转速下运行时，转差率s很小，所以正常运行时，转子频率很低，为1-3Hz。由于频率改变，所以转子感应电动势也变化，有效值为：2222204.44wmEfNksE2.转子电动势平衡方程2222()EIrjx因为转子回路不变，所以电动势方程形式不变，为：222122022xfLsfLsx此时，转子漏抗为：转子旋转时，定子磁动势相对与定子的转速仍为，而频率为的转子电流产生的转子旋转磁动势的转速为，这里要注意的是，这个速度是旋转磁场相对于转子的速度。转子旋转磁场相对于静止的定子来说，速度应该是转子本身的转速加上转子磁动势相对于转子的转速，即相对定子的转速为：3.磁动势平衡方程1F1n21fsf2F222160/60/nfPsfPsnn2n2F2111(1)nnsnsnn。转子旋转时，转子磁动势相对于定子的旋转速度不变，定子磁动势和转子磁动势仍然保持相对静止，这说明转子旋转时内部电磁过程和转子不动时相似，不同的是转子回路的频率，由变为3.磁动势平衡方程转子旋转时，磁动势平衡方程仍为：12()mFFF。1f21fsf4.频率折算转子转动后，转子绕组中感应电动势的频率与定子绕组中感应电动势不同，所以不能直接得到转子旋转时异步电动机的等效电路，必须将转子的频率进行折算，将旋转的转子折算为不动的转子，这样使定、转子两边具有相同的频率，才能得到电机的等效电路。只要保持折算前后转子中电流的大小和相位不变，也就是转子磁动势的大小和相位相对于定子而言不变，那么从定子侧观察，旋转的实际转子和等效的静止转子效果就完全相同。4.频率折算转子转动后转子电流为：202222220sEEIRjXRjsX20220220()EIIRjXs只要等效的静止转子满足，则完成了频率折算。202II讨论：与大小和相位相同，但频率已从变成了，这一步就是转子绕组的频率折算。进行频率折算后，电动势由变为，电抗由变为，而电阻则由变为。2I20I2f1f220EsE20E220xsx20x2r2/rs20220220()EIIRjXs频率折算的物理意义是：用一个静止的具有电阻为的等效转子去代替电阻为R2的实际旋转转子，等效转子与实际转子具有相同的转子磁动势。2Rs频率折算后，转子电阻分解为两项：2221RsRRss讨论：右边第一项代表转子本身的电阻，可见要完成转子的频率折算只需在转子回路中串入一个附加电阻即可。附加电阻在转子电路中将消耗功率，实际电机转子中并不存在这项电阻损耗，但要产生轴上的机械功率。由于静止的转子要与实际的转子等效，因此，消耗在电阻上的功率就代表了实际电机轴上所产生的总机械功率，这就是附加电阻的物理意义，即是异步电动机轴上总机械功率的等效电阻。2221RsRRss2(1)/sRs2(1)/sRs2(1)/sRs2(1)/sRs经过频率折算后，再考虑转子绕组的折算，最终得到异步电机的基本方程为:1111122221212()0(/)()mmmUEIrjxEIrsjxIIIEEIz5.等效电路图9-6异步电动机转子转动时的等效电路讨论：1.轻载时，电机转差率很小，，，等效电阻，转子边电流，电机相当于转子侧开路，此时，转子电流接近于零，定子电流几乎全部是励磁电流，用以产生主磁通和定、转子漏磁通，因此，定子功率因数很低，与变压器空载运行相似。0s1nn2(1)/sRs20I2.异步电动机起动时，，，等效电阻，由于阻抗很小，电流很大，相当于变压器二次侧开路工作状态。此时，定子电流大，但功率因数低。因为一般来说，，所以转子边功率因数低，定子边功率因数也低。0n1s2I22XR2(1)/0sRs3.额定负载时，转差率，如，则附加电阻，此时转子电路基本上呈阻性，转子电流不大，同时由于转子电流频率很低，电阻较电抗大很多，所以转子侧功率因数较高，定子侧功率因数也较高。0.02~0.06s0.05s22(1)/19sRsR6.相量图图9－7异步电动机的相量图7.T型等效电路的简化图9－8型等效电路图9－9简化等效电路