1、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ) 陳 勇 陳亞愛(ài) 主編 蔡軍 羅萍 向敏 副主編,第 五 章 三 相 交 流 電 動(dòng) 機(jī),本章教學(xué)基本要求,1.了解三相交流電動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)，注意三相交流電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)； 2.熟悉三相交流電動(dòng)機(jī)基本工作原理，理解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩這兩個(gè)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換要素的物理意義，掌握求解他們的計(jì)算方法； 3.掌握三相交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理，電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)矩平衡方程式，以及三相交流電動(dòng)機(jī)的工作特性； 4.了解同步電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理。,重點(diǎn),重點(diǎn)： 三相交流電動(dòng)機(jī)的基本平衡方程式和工作特性。,5.1 交流電機(jī)電樞繞組,（1）線圈 定子繞組是由線圈按一定的規(guī)律嵌入定子槽中，并按一定的方式聯(lián)接起來(lái)的

2、。 （2）極距 極距是指沿定子鐵心內(nèi)圓每個(gè)磁極所占的范圍，如用長(zhǎng)度表示。,5.1 交流電機(jī)電樞繞組,（3）電角度 一臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心的端面是個(gè)圓，從幾何的角度來(lái)說(shuō)可以分為，這樣劃分的角度為機(jī)械角度，即電機(jī)鐵心圓周為機(jī)械角度。 （4）線圈節(jié)距 一個(gè)線圈的兩根有效邊之間所跨的槽數(shù)之間的距離為節(jié)距。線圈的節(jié)距一般總是等于或稍小于極距，如果節(jié)距與極距相等，稱(chēng)為整距線圈，如果節(jié)距小于極距，則稱(chēng)為短距線圈。,5.1 交流電機(jī)電樞繞組,（5）單層及雙層繞組 根據(jù)定子繞組在槽中的分布情況，可分為單層及雙層繞組。容量較大的異步電動(dòng)機(jī)都采用雙層繞組。雙層繞組在每個(gè)槽內(nèi)的導(dǎo)線分為上下兩層，上層和下層線圈之間需要用層間

3、絕緣隔開(kāi)。對(duì)于小容量異步電動(dòng)機(jī)常采用單層繞組，這時(shí)每槽中只有一層導(dǎo)線。本節(jié)介紹幾種單層繞組，根據(jù)每極每相槽數(shù)的大小，單層繞組分成鏈?zhǔn)健⒔徊媸胶屯氖饺N。,5.1 交流電機(jī)電樞繞組,【例5-1】 繪制，并聯(lián)支路數(shù)的三相單層鏈?zhǔn)嚼@組展開(kāi)圖,圖5-1 Z=24,2P=4 槽電動(dòng)勢(shì)星形圖,圖5-2 單層鏈?zhǔn)紸相繞組展開(kāi)圖,5.1 交流電機(jī)電樞繞組,【例5-2】 繪制Z=36，2p=4，a=1的單層交叉式繞組展開(kāi)圖。,圖5-3 Z=36,2P=4 槽電動(dòng)勢(shì)星形圖,圖5-4 單層交叉式A相繞組展開(kāi)圖,5.1 交流電機(jī)電樞繞組,【例5-3】繪制Z=24，2p=2，a=1的三相單層同心式繞組展開(kāi)圖,圖5-6

4、 單層同心式A相繞組展開(kāi)圖,圖5-5 Z=36,2P=2 槽電動(dòng)勢(shì)星形圖,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),5.2.1單相脈振磁場(chǎng) 1整距線圈的磁動(dòng)勢(shì) 如圖是一臺(tái)兩極電機(jī)的示意圖。定子及轉(zhuǎn)子鐵心是同心的圓柱體，所以定、轉(zhuǎn)子間的氣隙是均勻的。當(dāng)線圈通入電流時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)兩極磁場(chǎng)。按照右手螺旋定則，磁場(chǎng)方向如圖中箭頭所示。,圖5-7 整距單線圈產(chǎn)生的矩形磁動(dòng)勢(shì),5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),在一個(gè)整距集中的線圈中通過(guò)余弦變化的交流電時(shí)，他所產(chǎn)生的矩形波磁動(dòng)勢(shì)的幅值將隨著時(shí)間作余弦變化。當(dāng)wt=0，電流達(dá)到最大值時(shí)，矩形波的高度也達(dá)到最大值Fcm；當(dāng)wt=90度，電流為零時(shí)，矩形的高度也為零。當(dāng)電流為負(fù)值時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)也隨著改

5、變方向；矩形磁動(dòng)勢(shì)波隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖所示。由圖可以看出：任何瞬間，磁動(dòng)勢(shì)在空間的分布為一矩形波；在空間的任何一點(diǎn)，磁動(dòng)勢(shì)的大小隨時(shí)間按余弦規(guī)律脈振。我們稱(chēng)這種在空間位置固定，而大小隨時(shí)間變化的磁動(dòng)勢(shì)為脈振磁動(dòng)勢(shì)。,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),圖5-8 矩形波磁動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),2矩形波磁動(dòng)勢(shì)的諧波分析法 從上面的分析可知，一個(gè)整距線圈產(chǎn)生的是矩形波磁動(dòng)勢(shì)。如果直接利用矩形波磁動(dòng)勢(shì)去分析一臺(tái)電機(jī)產(chǎn)生的總磁動(dòng)勢(shì)，會(huì)遇到很多的不方便。為了簡(jiǎn)化分析，一般是采用諧波分析法。所謂諧波分析法就是把一個(gè)周期變化的非正弦曲線分解成一些列不同周期的正弦曲線。,圖5-9 矩形波磁動(dòng)勢(shì)的分解,5.2 旋

6、轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),在異步電動(dòng)機(jī)中，諧波磁動(dòng)勢(shì)對(duì)電動(dòng)機(jī)性能有不良影響，例如，會(huì)使電動(dòng)機(jī)耗損增大，啟動(dòng)困難。所以總是設(shè)法把諧波磁動(dòng)勢(shì)削弱到很小，電機(jī)定子采用分布繞組及短距繞組等方法均可削弱諧波磁動(dòng)勢(shì)，使磁動(dòng)勢(shì)的波形非常接近于正弦波。,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),圖5-10 基波脈振磁動(dòng)勢(shì),5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),3整距線圈組的磁動(dòng)勢(shì) 交流電機(jī)每相繞組都是由若干個(gè)線圈組串聯(lián)或并聯(lián)組成的，而每個(gè)線圈組是由每極下屬于同一相的q個(gè)等匝、等距線圈串聯(lián)而成的。因此求出每個(gè)線圈組的磁動(dòng)勢(shì)就不難得到每相繞組的磁動(dòng)勢(shì)。由于每個(gè)線圈組的各線圈磁動(dòng)勢(shì)的諧波含量和大小都相同，所不同的是各線圈在空間錯(cuò)開(kāi)了一個(gè)a角度，所以各線圈磁動(dòng)勢(shì)之間在空間

7、上也相隔a度?，F(xiàn)在把各矩形波都分解成基波和一系列諧波，則各基波之間在空間的位移角度也是a度。把個(gè)線圈的的基波磁動(dòng)勢(shì)逐點(diǎn)相加，便可求得它們的合成基波磁動(dòng)勢(shì)。如下圖所示。,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),圖5-11 基波磁動(dòng)勢(shì)空間相量圖,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),4雙層短距線圈組的磁動(dòng)勢(shì) 除了分布繞組外，在雙層繞組中，還可以采用短距線圈來(lái)改善磁動(dòng)勢(shì)波形。圖表示的是一臺(tái)三相2極18槽電動(dòng)機(jī)的A相繞組的線圈分布。由于每極每相槽數(shù)q=3，所以每個(gè)線圈組由3個(gè)線圈串聯(lián)組成，第一個(gè)線圈組由線圈1，2，3組成。現(xiàn)采用短距繞組，極距=9槽，y=(8/9) 槽。,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),圖5-12 單相雙層短距繞組磁動(dòng)勢(shì)空間相量圖,5

8、.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),5.2.2三相繞組的合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 三相繞組是由三個(gè)單元繞組所構(gòu)成。把A，B，C三個(gè)單相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)波逐點(diǎn)相加就可以得到三相繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)。 上節(jié)所述單相繞組流過(guò)單相交流電，產(chǎn)生一個(gè)基波脈振磁動(dòng)勢(shì)，下面將證明三相對(duì)稱(chēng)繞組流過(guò)三相對(duì)稱(chēng)電流，將產(chǎn)生一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),1、三相繞組中的單相磁動(dòng)勢(shì) 三相繞組是由3個(gè)單相繞組所組成，這三個(gè)單相繞組分別產(chǎn)生脈振磁動(dòng)勢(shì)，要了解他們的合成磁動(dòng)勢(shì)，首先必先分析這3個(gè)單相脈振磁動(dòng)勢(shì)的性質(zhì)。 （1）三相對(duì)稱(chēng)電流的幅值相等，而相位相差120度。 （2）3個(gè)單相繞組的軸線在空間依次相隔120度，所以他們各自產(chǎn)生的基波磁動(dòng)勢(shì)在空

9、間的分布也依次相隔120度。,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),2、合成磁動(dòng)勢(shì)的推導(dǎo) 用數(shù)學(xué)的分析方法可以得出三相基波合成磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式。根據(jù)教材128頁(yè)公式（5-18）可以畫(huà)出任意時(shí)刻的三相合成磁動(dòng)勢(shì)的分布波形及位置 。,圖5-13 三相合成磁動(dòng)勢(shì)的分布波形及位置,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),3、三相基波合成磁動(dòng)勢(shì)的結(jié)論 三相對(duì)稱(chēng)繞組通過(guò)三相對(duì)稱(chēng)電流產(chǎn)生的三相基波合成磁動(dòng)勢(shì)是一圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，當(dāng)時(shí)間變化時(shí)，他的波形不變，他是單相脈振磁動(dòng)勢(shì)振幅的3/2倍。,圖5-14 旋轉(zhuǎn)合成磁動(dòng)勢(shì),5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),5.2.3兩相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) 交流電機(jī)的電樞繞組有時(shí)為兩組繞組，當(dāng)兩相繞組通入兩相電流時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)。

10、下面就以?xún)上嗬@組的兩種不同狀況來(lái)分析其所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)情況。,5.2 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),1、圓形磁動(dòng)勢(shì) 空間相距（p /2）電角度的兩相對(duì)稱(chēng)繞組，當(dāng)通入兩相對(duì)稱(chēng)電流，即時(shí)間相差（p /2）電角度、幅值相同的正弦交流電流時(shí)，產(chǎn)生的合成基波磁動(dòng)勢(shì)為圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。該旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的幅值等于原每相繞組產(chǎn)生的基波脈振磁動(dòng)勢(shì)的最大幅值。 2、橢圓形磁動(dòng)勢(shì) 如果兩相繞組是對(duì)稱(chēng)的，而通入的電流不對(duì)稱(chēng)，同樣可以可以分析出兩相繞組產(chǎn)生的合成基波總磁動(dòng)勢(shì)也是橢圓形磁動(dòng)勢(shì)。,5.3交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),5.3.1整距線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 整距線圈的兩根導(dǎo)體在空間相隔一個(gè)極距，也就是相隔p電角度。當(dāng)一根導(dǎo)體處在N極最大磁密處時(shí)，另一根

11、導(dǎo)體剛好處在S極的最大磁密處，如圖所示。所以這兩根導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)總是大小相等而方向相反。,圖5-16 整距線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),5.3交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),5.3.2整距分布線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 在實(shí)際電機(jī)中，為了充分利用電機(jī)定子內(nèi)圓空間，定子上不止放置一個(gè)線圈，而是放置許多線圈，并均勻分布在定子內(nèi)表面的槽中。圖表示在電機(jī)的定子槽里放有三個(gè)均勻分布的整距線圈，記作1-1 、2-2 、3-3，這三個(gè)線圈的匝數(shù)彼此相等，依頭、尾端的順序聯(lián)接而串聯(lián)起來(lái)，叫分布線圈組。,圖5-17 分布線圈組空間位置及連接圖,5.3交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),設(shè)相鄰線圈的槽距角為a。對(duì)每個(gè)整距線圈來(lái)說(shuō)，他們的基波電動(dòng)勢(shì)有效值相同，但是三

12、個(gè)整距線圈由于空間分布不同，他們切割同一磁力線時(shí)，就必然有先有后。因此，三個(gè)分布線圈的基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間相位上彼此不同。因?yàn)槿齻€(gè)整距線圈空間上依次相距空間電角度a ，所以他們的基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間依次相差a時(shí)間電角度。圖5-18(a)是三個(gè)整距線圈基波電動(dòng)勢(shì)相量，圖5-18(b)表示出三個(gè)整距線圈基波電動(dòng)勢(shì)相量和這三個(gè)分布的整距線圈組成的線圈組基波電動(dòng)勢(shì)相量之間的關(guān)系。,5.3交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),圖5-18 分布線圈組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相量圖,5.3交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),5.3.3短距線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 短距線圈每一匝的兩根導(dǎo)線在空間的距離比整距線圈縮短了b電角度，即相距（p- b ）電角度，如圖5-1

13、9所示。因此，兩根導(dǎo)線中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間相位上也相差（p- b ）電角度，在圖5-19中，根據(jù)相量圖，可求得短距線圈的每匝電動(dòng)勢(shì) 。,圖5-19 短距線圈相量圖,5.3交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),5.3.4 一相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 如果根據(jù)每槽內(nèi)有幾個(gè)線圈邊來(lái)劃分繞組類(lèi)型，那么電動(dòng)機(jī)的定子繞組可以分成單層繞組和雙層繞組兩種。定子每個(gè)槽內(nèi)只有一個(gè)線圈邊的繞組稱(chēng)為單層繞組，這種繞組適用于功率較小的電動(dòng)機(jī)。定子每個(gè)槽內(nèi)上、下兩層都有線圈邊的繞組稱(chēng)為雙層繞組。,5.3交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),在雙層繞組中，每一極面下就有一個(gè)極相組，因而對(duì)于 2p個(gè)磁極的電機(jī)就有 2p個(gè)極相組。在聯(lián)接時(shí)可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)，以組成一

14、定數(shù)目的支路數(shù)，而每相繞組的電動(dòng)勢(shì)數(shù)值決定于一條支路的電動(dòng)勢(shì)大小。設(shè)代表每相的并聯(lián)支路數(shù)，那么每相電動(dòng)勢(shì)的基波有效值為：,5.3交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),5.3.5繞組的諧波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 前面討論感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，是假設(shè)氣隙中只有正弦分布的基波磁動(dòng)勢(shì)。但是，在實(shí)際電機(jī)氣隙中除了基波磁動(dòng)勢(shì)外，還存在諧波磁動(dòng)勢(shì)，如圖5-20所示。,圖5-20 諧波磁通密度,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),5.4.1基本結(jié)構(gòu)和銘牌數(shù)據(jù) 1. 三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 三相異步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成：靜止部分稱(chēng)為定子；轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱(chēng)為轉(zhuǎn)子。三相籠異步電動(dòng)機(jī)的主要部件如圖5-21所示。,圖5-21 鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造,5.4三相

15、異步電動(dòng)機(jī),1）定子 定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座三部分組成。 定子鐵心是異步電動(dòng)機(jī)磁路的一部分。他是用厚的硅鋼片沖制、疊壓而成的，緊緊地裝在機(jī)座的內(nèi)部。在定子鐵心的內(nèi)圓上開(kāi)有均勻的槽，用以放置定子繞組。 定子繞組是電動(dòng)機(jī)的電路部分。定子繞組是由許多線圈按規(guī)律聯(lián)接而成的。小型三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組通常用高強(qiáng)度漆包線繞制而成。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),2）轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。 轉(zhuǎn)子鐵心是異步電動(dòng)機(jī)磁路的一部分。他是用厚的硅鋼片沖制、疊壓而成的，轉(zhuǎn)子鐵心與定子鐵心之間有一個(gè)很小的氣隙。轉(zhuǎn)子鐵心的外圓上沖有均勻分布的槽，用來(lái)放置轉(zhuǎn)子繞組。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),2. 三相異步電

16、動(dòng)機(jī)的工作原理 當(dāng)定子三相對(duì)稱(chēng)繞組加上對(duì)稱(chēng)的三相交流電壓后，定子三相繞組中便有對(duì)稱(chēng)的三相電流流過(guò)，它們共同形成定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。假定定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以n轉(zhuǎn)速沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則磁力線將切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體而感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。在該電動(dòng)勢(shì)作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)便有電流通過(guò)，電流的有功分量與電動(dòng)勢(shì)同相位。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)電流的有功分量與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受到電磁力的作用。在該電磁力作用下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，其轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向相同。這時(shí)，如果在電機(jī)軸上加載機(jī)械負(fù)載，電動(dòng)機(jī)便拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械功率。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),3. 三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù) 每臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座上都有一塊銘牌，上面標(biāo)有該電動(dòng)機(jī)的主要

17、數(shù)據(jù)。為了能正確使用電動(dòng)機(jī)，必然要了解銘牌。下面以Y90S-4B型電動(dòng)機(jī)的銘牌為例說(shuō)明。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),1）型號(hào) 電機(jī)型號(hào)是電機(jī)類(lèi)型、規(guī)格等等代號(hào)。例如,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),2）額定功率 額定功率是電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行情況下，其軸上輸出的機(jī)械功率。又稱(chēng)額定容量。 3）額定電壓 額定電壓是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的線電壓，他同定子繞組的接法相對(duì)應(yīng)。 4）額定電流 額定電流是電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的線電流。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),5）額定轉(zhuǎn)速 在額定電壓下，輸出額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速稱(chēng)為額定轉(zhuǎn)速 6）絕緣等級(jí) 絕緣等級(jí)是按電動(dòng)機(jī)繞組所用的絕緣材料在使用時(shí)允許的極限溫度來(lái)劃分的。 7）工作方

18、式 工作方式是對(duì)電動(dòng)機(jī)按銘牌上等額定功率持續(xù)運(yùn)行時(shí)間的限制，分為“連續(xù)”、“短時(shí)”和“斷續(xù)”等。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),8）功率因數(shù) 技術(shù)手冊(cè)中會(huì)給出功率因數(shù)參數(shù)，是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下，定子電路的功率因數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)定子電路的功率因數(shù)很低，只有0.20.3，隨著負(fù)載的增加，功率因數(shù)也增加，在額定負(fù)載時(shí)一般為0.70.9，因此要避免空載運(yùn)行。 9）效率 效率是指電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)輸出的功率對(duì)定子輸入功率的比值。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),5.4.2轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的異步電動(dòng)機(jī) 分析異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理，著重在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部基本的電磁關(guān)系，目的是展示其內(nèi)在矛盾。在研究電磁關(guān)系的同時(shí)，還應(yīng)

19、注意解決定量計(jì)算問(wèn)題，異步電動(dòng)機(jī)通常所用的計(jì)算方法與變壓器類(lèi)似，即將其化成等效電路，以解電路的方式來(lái)解決具體計(jì)算問(wèn)題。因?yàn)楫惒诫姍C(jī)的主要工作方式是作為電動(dòng)機(jī)，故在分析時(shí)以電動(dòng)機(jī)運(yùn)行作為主要對(duì)象。采用的較為簡(jiǎn)單的分析方法，即等效靜轉(zhuǎn)子法。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),1轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路 假定電機(jī)定子接到相電壓為1、頻率為f1的三相交流電源，轉(zhuǎn)子電路電流為零。設(shè)此時(shí)轉(zhuǎn)子電路開(kāi)路。這一假設(shè)的目的是為了先排除轉(zhuǎn)子電流對(duì)定子的影響，突出定子電路自身的內(nèi)在規(guī)律。 轉(zhuǎn)子開(kāi)路的三相異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于副邊空載的三相變壓器，定子繞組對(duì)應(yīng)于原邊繞組，轉(zhuǎn)子繞組對(duì)應(yīng)于副邊繞組，所不同的是異步電動(dòng)機(jī)的磁路中多了氣隙磁路。,圖5-23

20、 異步電動(dòng)機(jī)電磁模型,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),1）電磁關(guān)系 定子電路在1作用下引進(jìn)一電流，因轉(zhuǎn)子無(wú)輸出，此電流的主要作用是在電動(dòng)機(jī)內(nèi)建立磁場(chǎng)，可稱(chēng)作勵(lì)磁電流0。由0建立的磁力線可分作兩部分，絕大部分磁力線穿過(guò)氣隙、交鏈到轉(zhuǎn)子電路然后回到定子邊自行閉合，這是主磁通m0，也稱(chēng)為互感磁通。,圖5-24主磁通與漏磁通示意圖,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),主磁通是一個(gè)恒幅、恒速，在空間作正弦分布的基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。另一小部分磁力線則僅與定子繞組本身交鏈，稱(chēng)為漏磁通 s1。漏磁通在電機(jī)中遠(yuǎn)比變壓器中復(fù)雜。漏磁通包括：槽漏磁通、端部漏磁通和諧波漏磁通。諧波漏磁通是由定子三相合成磁動(dòng)勢(shì)中的高次諧波磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的，嚴(yán)格說(shuō)，他是

21、通過(guò)氣隙與轉(zhuǎn)子繞組相鏈繞的磁通，與槽漏磁通和端部漏磁通是有差別的，為了表明這種差別，諧波漏磁通又稱(chēng)差別漏磁通，將諧波磁通歸為漏磁通中是為了計(jì)算上的方便。 轉(zhuǎn)子開(kāi)路時(shí)的電磁關(guān)系如教材140頁(yè)圖525所示,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),2）電壓方程式 定子一相電路的電壓方程式為：,轉(zhuǎn)子電路因轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路，電壓方程式為：,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),3）等效電路 根據(jù)式（5-52）和（5-53）可以畫(huà)出轉(zhuǎn)子開(kāi)路 時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖5-26所示，由圖可見(jiàn) ，這個(gè)電路和變壓器空載狀態(tài)完全一致，所以異步 電機(jī)在轉(zhuǎn)子方電流為零的工作狀態(tài)，可稱(chēng)為理想的 空載運(yùn)行狀態(tài)。,圖5-26 轉(zhuǎn)子開(kāi)路時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的等效電路,5

22、.4三相異步電動(dòng)機(jī),4）相量圖 由上面的論述中可知電流0并不是純粹建立電機(jī)磁場(chǎng)所需的電流，當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，鐵心的每一處都處在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)作用下，鐵心中必然出現(xiàn)渦流效應(yīng)和磁滯損耗，渦流和磁滯損耗合稱(chēng)為鐵損耗，它消耗了一部分有功功率使鐵心發(fā)熱。在圖5-27的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零時(shí)的相量圖上，清楚地表示了這些電流間的相位關(guān)系。,圖5-27 轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的相量圖,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),2轉(zhuǎn)子繞組短路且轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn) 設(shè)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組閉路，如籠型繞組。在定子繞組接電源的情況下，卡住轉(zhuǎn)子使之轉(zhuǎn)速n=0。這是為了暫不計(jì)機(jī)械功率的變化，而突出定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)電路間的相互聯(lián)系、相互影響的內(nèi)在規(guī)律。在轉(zhuǎn)子短路并

23、在n=0條件下，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)2和1具有相同的頻率1。在2作用下轉(zhuǎn)子出現(xiàn)頻率為1的電流2，由2產(chǎn)生的磁效應(yīng)主要用作于電機(jī)的公共磁路，因?yàn)檗D(zhuǎn)子和定子一樣是靜止，雙方電流頻率又一樣，相序排列也相同，結(jié)果是雙方的磁動(dòng)勢(shì)在氣隙空間同速同向的旋轉(zhuǎn)，處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。這表明電流2的出現(xiàn)首先影響了氣隙磁場(chǎng)，然后再影響到定子方電流1，使之改變。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),1）磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式 圖5-28所示為異步電動(dòng)機(jī)定子繞組接電源，轉(zhuǎn)子繞組短路且轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)的接線。轉(zhuǎn)子短路時(shí)，在轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)在轉(zhuǎn)子三相繞組中產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的轉(zhuǎn)子電流，從而產(chǎn)生合成轉(zhuǎn)子基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F2，其幅值為：,定子基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)幅值為：,圖5

24、-28 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子短路 且堵轉(zhuǎn)時(shí)的接線圖,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),2）電磁關(guān)系 假定各物理量的規(guī)定正方向如圖5-29所示，則轉(zhuǎn)子短路且堵轉(zhuǎn)時(shí)的電磁關(guān)系為圖5-29所示：,圖5-29 電磁關(guān)系示意圖,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),3）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)定、轉(zhuǎn)子繞組的電路圖。如圖5-30，從圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)與變壓器的電磁狀況極為相似，參考對(duì)變壓器的分析方法，可以寫(xiě)出異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)勢(shì)或電壓方程式如下：,圖5-30 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜止并短路時(shí)的定、轉(zhuǎn)子電路圖,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),4）轉(zhuǎn)子參數(shù)的折算 和分析變壓器方法相似，為要把定子電壓平衡式、轉(zhuǎn)子電壓平衡式和磁動(dòng)勢(shì)平衡式組

25、合成一等效電路，需要把轉(zhuǎn)子方面的各物理量歸算到定子方面。在進(jìn)行折算時(shí)，需要相應(yīng)的電壓變比、電流變比和阻抗變比。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),（1）轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)的折算 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子功率保持不變?yōu)闂l件，即應(yīng)滿(mǎn)足,折算前轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)為：,折算后轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)為：,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),（2）轉(zhuǎn)子電流的折算 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)保持不變?yōu)闂l件，即應(yīng)滿(mǎn)足,由此可求得折算后的轉(zhuǎn)子電流,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),（3）轉(zhuǎn)子阻抗的折算 根據(jù)折算前后轉(zhuǎn)子上的銅耗保持不變?yōu)闂l件，即應(yīng)滿(mǎn)足,由此可求得折算后的轉(zhuǎn)子電阻,折算后的轉(zhuǎn)子漏抗,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),（4）等效電路 折算的好處是很明顯的，折算后可以根據(jù)式（5-74）構(gòu)

26、建一等效電路，它與副邊短路時(shí)的變壓器等效電路完全相同，如圖5-31所示。由于對(duì)稱(chēng)關(guān)系，電路僅考慮了一相，故各種計(jì)算量均取每相值。,圖5-31 轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子繞組短路時(shí)的等效電路,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),1. 轉(zhuǎn)差率 通常把同步轉(zhuǎn)速n1和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n二者之間的差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱(chēng)為轉(zhuǎn)差率（也叫做轉(zhuǎn)差或滑差），用s表示。 s是一個(gè)沒(méi)有單位的數(shù)，它的大小也能反映電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。正常運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n接近于同步轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)差率s很小，一般s=0.010.05。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),2. 轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì) 當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的電壓方程式為,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動(dòng)

27、勢(shì)為,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),3. 定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)及磁動(dòng)勢(shì)關(guān)系 下面對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的空間合成磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行分析。 （1）定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F1 當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)后，定子繞組里流過(guò)的電流為I1 ，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F1 ，其特點(diǎn)在前面已經(jīng)分析過(guò)了。這里仍假設(shè)F1相對(duì)于定子繞組以同步轉(zhuǎn)速n1逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),（2）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F2 幅值 當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，由轉(zhuǎn)子電流I2s產(chǎn)生的三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的幅值為,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)向 在前面分析轉(zhuǎn)子繞組短路、轉(zhuǎn)速n=0的情況知道，氣隙旋轉(zhuǎn)磁密B逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，在轉(zhuǎn)子繞組里感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電流相序?yàn)锳2B2 C

28、2現(xiàn)在情況是，轉(zhuǎn)子已經(jīng)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，有一定的轉(zhuǎn)速n，由于是電動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與氣隙旋轉(zhuǎn)密度B同方向，僅僅是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n小于氣隙旋轉(zhuǎn)磁密B的轉(zhuǎn)速n1。這時(shí)，如果站在轉(zhuǎn)子上看氣隙旋轉(zhuǎn)磁密，它相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為（n1 - n），轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?。這樣，由氣隙旋轉(zhuǎn)磁密B在轉(zhuǎn)子每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),產(chǎn)生電流的相序仍為A2B2 C2。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子電流I2s的頻率為2，顯然有轉(zhuǎn)子電流I2s產(chǎn)生的三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F2 ，它相對(duì)于轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速用n2表示，為,瞬間位置 當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組哪相電流達(dá)到正最大值時(shí)， F2正好位于該相繞組的軸線上。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),（3）合成磁動(dòng)勢(shì) 清楚了定、轉(zhuǎn)

29、子三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F1、F2的特點(diǎn)后，現(xiàn)在希望站在定子繞組的角度上看定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F1與F2。 幅值 關(guān)于定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)F1、F2的幅值，不因站在定子上看而有什么變化，仍為前面分析的結(jié)果。 轉(zhuǎn)向 F1、F2二者的轉(zhuǎn)向相對(duì)于定子都為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)速 定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F1相對(duì)于定子繞組的轉(zhuǎn)速為n1。 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F2相對(duì)于轉(zhuǎn)子繞組的逆時(shí)針轉(zhuǎn)速為n2。由于轉(zhuǎn)子本身相對(duì)定子繞組有一逆時(shí)針轉(zhuǎn)速n，為此站在定子繞組上看轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F2的轉(zhuǎn)速為n2+ n 。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),4. 轉(zhuǎn)子繞組頻率的折算 圖5-32兩個(gè)電路，其中圖5-32（a）是異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)

30、子一相的電路，圖5-32（b）則是等效電路。所謂等效，就是兩個(gè)電路的電流有效值大小彼此相等而已。 圖5-32（a）電路變成了圖5-32（）電路形式，就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)F2幅值大小來(lái)說(shuō)，完全是一樣的。這就是轉(zhuǎn)子電路的頻率折算，即把轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)際頻率為2的電路，變成了轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，頻率為1的電路。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),圖5-32 轉(zhuǎn)子頻率折算,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),. 基本方程式、等效電路和時(shí)間空間相量圖,1)基本方程式 與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路并把轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)相比較，在基本方程式中，只有轉(zhuǎn)子繞組回路的電壓方程式有所差別，其他幾個(gè)方程式都一樣。,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),根據(jù)以上五個(gè)方程式，可以畫(huà)出如

31、圖5-33的等效電路。,圖5-33 三相異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),根據(jù)上述五個(gè)基本方程式畫(huà)出的異步電動(dòng)機(jī)時(shí)間空間相量圖。畫(huà)相量圖的目的是為了研究各量之間的相對(duì)關(guān)系，為此，時(shí)間參考軸、空間坐標(biāo)軸都沒(méi)有必要再標(biāo)出來(lái)了，如圖5-34所示。,圖5-34 三相異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的時(shí)空相量圖,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),三相異步電動(dòng)機(jī)電磁關(guān)系示意于圖5-35中,圖5-35 三相異步電動(dòng)機(jī)電磁關(guān)系示意圖,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),5.4.4異步電動(dòng)機(jī)工作特性及參數(shù)測(cè)定 1、三相異步電機(jī)的工作特性 在額定電壓，額定頻率條件下運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速n，定子電流I1，功率因數(shù)cos1，電磁轉(zhuǎn)矩Te

32、m,電機(jī)效率這些特征量與輸出功率P的函數(shù)關(guān)系稱(chēng)為工作特性。并分別定名為 轉(zhuǎn)速特性 定子電流特性 功率因數(shù)特性 轉(zhuǎn)矩特性 效率特性,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),圖5-36 異步電動(dòng)機(jī)的工作特性,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),2、三相異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)測(cè)定 (1)空載實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)時(shí)，電機(jī)空載，定子繞組接到額定頻率的三相對(duì)稱(chēng)電源，用調(diào)壓器改變定子電壓，首先調(diào)至U1 = UN，讓電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間，使pm達(dá)到穩(wěn)定值。然后使定子電壓從(1.11.3)UN開(kāi)始逐漸下降，直到電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生明顯變化為止。,圖5-37 異步電動(dòng)機(jī)的空載特性,5.4三相異步電動(dòng)機(jī),(2)短路試驗(yàn) 短路試驗(yàn)又稱(chēng)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)，籠型轉(zhuǎn)子本身已短路，繞線型轉(zhuǎn)子

33、繞組應(yīng)人為短路。將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子卡住,用三相調(diào)壓器向定子繞組供電，為防止過(guò)流，定子電壓U1一般從0.4U1N開(kāi)始，然后逐漸降低。,圖5-39 異步電動(dòng)機(jī)的短路特性,5.5同步電動(dòng)機(jī),同步電機(jī)是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的一種，因其轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速而得名。同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，也可用作電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)。,5.5同步電動(dòng)機(jī),5.5.1同步電動(dòng)機(jī) 1.工作原理 同步發(fā)電機(jī)和其他類(lèi)型旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，一般分為凸極式同步電機(jī)和隱極式同步電機(jī)兩種類(lèi)型。凸極式定子鐵心內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對(duì)稱(chēng)交流繞組。這種同步電機(jī)的定子又稱(chēng)為電樞。轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對(duì)磁極，

34、磁極上繞有勵(lì)磁繞組，通以直流電流時(shí)，將會(huì)在電機(jī)的氣隙中形成極性相間的分布磁場(chǎng)，稱(chēng)為勵(lì)磁磁場(chǎng)。,5.5同步電動(dòng)機(jī),圖5-40 凸極式同步電動(dòng)機(jī)模型,5.5同步電動(dòng)機(jī),同步電動(dòng)機(jī)是屬于交流電機(jī)，定子繞組與異步電動(dòng)機(jī)相同。同步電動(dòng)機(jī)的定子三相繞組接通三相交流電源，流過(guò)三相對(duì)稱(chēng)電流，產(chǎn)生一個(gè)在空間以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)Fa，稱(chēng)為電樞磁動(dòng)勢(shì)。同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組通入直流勵(lì)磁電流，產(chǎn)生一個(gè)與電樞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極對(duì)數(shù) 相同的直流勵(lì)磁磁場(chǎng)。兩磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子被電樞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速拖著一起旋轉(zhuǎn)。,5.5同步電動(dòng)機(jī),圖5-41 同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)平均轉(zhuǎn)距為零的示意圖,5.5同步電動(dòng)機(jī),3. 同步電機(jī)的分類(lèi) 同步電機(jī)可以按運(yùn)行方式、結(jié)構(gòu)型式和原動(dòng)機(jī)的類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi)。 旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)按磁極的形狀，又可分為隱極式和凸極式兩種類(lèi)型，