上海交通大学：《电机学 Electric Machinery》课程教学资源（GE讲义）异步电机 Asynchronous Machine（AM）

®® 电机学 1一轴承：2一后端盖，1转轴4一按线盒：5一品攀，4一定子铁忘 第V部分异步电机 转子，8一定子烧组，9一肌嘴：10一前确盖：1一溪单，2一风剩 。GE 风到 2009级卓越工程师班 connecting box tanend ahieid 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系 Exploded view of a squirrel cage rotor

电机学 第IV部分 异步电机 for GE 2009级卓越工程师班 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系

三相异步电机 基本结构 一定子电枢（对称多相绕组） -绕线式转子结构（极对数与定子相同的电枢） 一鼠笼式转子结构（极对数与定子自动匹配） 。 基本原理 一重要物理量：转差率 一电磁关系：磁势、电势、功率与转矩平衡 一折算关系：频率折算、绕组折算 。 基本特性 一异步电动机机械特性 一异步电动机工作特性 August 27,2011 2

August 27, 2011 2 三相异步电机 • 基本结构 – 定子电枢（对称多相绕组） – 绕线式转子结构（极对数与定子相同的电枢） – 鼠笼式转子结构（极对数与定子自动匹配） • 基本原理 – 重要物理量：转差率 – 电磁关系：磁势、电势、功率与转矩平衡 – 折算关系：频率折算、绕组折算 • 基本特性 – 异步电动机机械特性 – 异步电动机工作特性

异步电机与变压器的类比 ·电磁感应原理； ·只有电能的转移： ·时空矢量图： 改变电压和电流： 。 等效电路； 变压器脉振磁场： 电压、磁势、功率和转矩平 变压器激磁电流小： ● 衡方程： 激磁电抗大： 可变损耗等于不变损耗时效 率最大： ·额定电压和额定频率下，主 磁通基本不变： 。 异步电机机械能与电能交 换； August 27,2011 3

August 27, 2011 3 异步电机与变压器的类比 • 电磁感应原理； • 时空矢量图； • 等效电路； • 电压、磁势、功率和转矩平 衡方程； • 可变损耗等于不变损耗时效 率最大； • 额定电压和额定频率下，主 磁通基本不变； • 异步电机机械能与电能交 换； • 只有电能的转移； • 改变电压和电流； • 变压器脉振磁场； • 变压器激磁电流小； • 激磁电抗大；

异步电机 Asynchronous Machine (AM) 负载时转子转速与同步速不同的交流电机称为异步电机。 异步电机结构简单、坚固可靠，价格便宜。 主要作为电动机使用以满足工业自动化驱动系统的需求，如 大型风机、水泵、机床等的驱动，中小型异步电机应用十分 广泛，如家用电器。由于异步电机的效率较低，从节能的角 度有的应用场合已经开始用永磁电机取代。 按照用途分为异步电动机和异步发电机： 按照相数分为单相、三相和多相异步电机； 按照转子结构分为鼠笼式、绕线式和无刷双馈异步电机； August 27,2011 4

August 27, 2011 4 异步电机 Asynchronous Machine (AM) 负载时转子转速与同步速不同的交流电机称为异步电机。 异步电机结构简单、坚固可靠，价格便宜。 主要作为电动机使用以满足工业自动化驱动系统的需求，如 大型风机、水泵、机床等的驱动，中小型异步电机应用十分 广泛，如家用电器。由于异步电机的效率较低，从节能的角 度有的应用场合已经开始用永磁电机取代。 按照用途分为异步电动机和异步发电机； 按照相数分为单相、三相和多相异步电机； 按照转子结构分为鼠笼式、绕线式和无刷双馈异步电机；

AM研究的主要内容 1.AM的基本结构 4.AM的起动、调速和制 2.AM的基本原理 动 1)转子静止运行 1)起动方法 2)转子旋转运行 2)调速原理 3.AM的运行特性 3)制动方法 1)机械特性 5.AM的不对称运行 2)负载运行特性 6.特种AM ● 转差率特性 。 效率特性 1)单相异步电机 功率因数特性 2)异步发电机 转矩特性 ·定子电流特性 August 27,2011 5

August 27, 2011 5 AM研究的主要内容 1. AM的基本结构 2. AM的基本原理 1) 转子静止运行 2) 转子旋转运行 3. AM的运行特性 1) 机械特性 2) 负载运行特性 • 转差率特性 • 效率特性 • 功率因数特性 • 转矩特性 • 定子电流特性 4. AM的起动、调速和制 动 1) 起动方法 2) 调速原理 3) 制动方法 5. AM的不对称运行 6. 特种AM 1) 单相异步电机 2) 异步发电机

1.AM的基本结构 (1)定子电枢、转子鼠笼或电枢、均匀小气隙 电枢有铁心与嵌在槽内的三相对称交流绕组，输 入三相对称电流产生旋转磁场： 1)鼠笼转子：转子导条两端短路形成鼠笼结构 绕组产生与定子磁场极数相同的旋转磁场 2)绕线转子：三相对称绕组，可以通过滑环与 外电路连接 3)无刷双馈异步电机 转子分组嵌套鼠笼，定子两套不同极对数的三相 对称绕组（控制绕组和功率绕组） August 27,2011 6

August 27, 2011 6 1. AM的基本结构 （1）定子电枢、转子鼠笼或电枢、均匀小气隙 电枢有铁心与嵌在槽内的三相对称交流绕组，输 入三相对称电流产生旋转磁场； 1) 鼠笼转子：转子导条两端短路形成鼠笼结构 绕组产生与定子磁场极数相同的旋转磁场 2) 绕线转子：三相对称绕组，可以通过滑环与 外电路连接 3) 无刷双馈异步电机 – 转子分组嵌套鼠笼，定子两套不同极对数的三相 对称绕组（控制绕组和功率绕组）

(2)异步电机额定值 。 额定容量kVA,MVA 额定频率Hz 额定功率kW,MW 额定转速rpm ” 额定电压V,kV 。 额定励磁电压V ·额定电流A,kA 额定励磁电流A 额定功率因数 ·额定效率 August 27,2011 7

August 27, 2011 7 （2）异步电机额定值 • 额定容量kVA, MVA • 额定功率kW, MW • 额定电压V, kV • 额定电流A, kA • 额定功率因数 • 额定效率 • 额定频率Hz • 额定转速rpm • 额定励磁电压V • 额定励磁电流A

2.AM的基本原理 异步电机的突出特点 一个独立的励磁磁场和一个感应磁场 一定子独立磁场和转子感应磁场，极对数相同。 两个空间相对静止的磁场 电枢三相对称绕组流过三相对称电流，产生相对 于电枢旋转的气隙磁场，其相对旋转电角速度ω1 等于电流角频率2。 当转子以电角速度ω，旋转时，异步电机产生恒定 转矩的条件是极对数相同的定子和转子磁场在气 隙中保持相对静止！ August 27,2011 8

August 27, 2011 8 2. AM的基本原理 异步电机的突出特点 一个独立的励磁磁场和一个感应磁场 – 定子独立磁场和转子感应磁场，极对数相同。 两个空间相对静止的磁场 – 电枢三相对称绕组流过三相对称电流，产生相对 于电枢旋转的气隙磁场，其相对旋转电角速度ω1 等于电流角频率2πf1。 – 当转子以电角速度ωp旋转时，异步电机产生恒定 转矩的条件是极对数相同的定子和转子磁场在气 隙中保持相对静止！

异步电机的磁路与磁通 。 异步电机的气隙小且均匀，但 定转子有齿槽，绕组非正弦： ·磁路分为主磁路和漏磁路： 主磁路包括气隙1、定子齿1、 Q恩®恩 的 @ 定子磁轭、定子齿2、气隙2、 转子齿1、转子磁轭、转子齿 2,最后又回到气隙1： 漏磁路比较复杂：槽部漏磁、 端部漏磁、齿顶漏磁、气隙谐 波磁场或差漏磁； 主磁路 齿顶漏磁 磁通：主磁通，漏磁通（槽漏 磁通、端部漏磁通、齿项漏磁 通和谐波漏磁通)。 端部漏磁 August 27,2011 9

August 27, 2011 9 异步电机的磁路与磁通 • 异步电机的气隙小且均匀，但 定转子有齿槽，绕组非正弦； • 磁路分为主磁路和漏磁路； • 主磁路包括气隙1、定子齿1、 定子磁轭、定子齿2、气隙2、 转子齿1、转子磁轭、转子齿 2，最后又回到气隙1； • 漏磁路比较复杂：槽部漏磁、 端部漏磁、齿顶漏磁、气隙谐 波磁场或差漏磁； • 磁通：主磁通，漏磁通（槽漏 磁通、端部漏磁通、齿顶漏磁 通和谐波漏磁通）。 Φsσ Φrσ Φδ Φδ Φδ Φδ 齿顶漏磁 槽漏磁 端部漏磁 主磁路

定转子磁场相对静止关系 0+0a=0p+0, Ba 1 (1)当ω。=0时，定子电枢静止 01=0p+0, ω，一转子转速 ①d (2)当ωg=ω，=0时，定转子静止 异步电机磁场保持 0=0p 稳态同步特性！ August 27,2011 10

August 27, 2011 10 定转子磁场相对静止关系 ! "1 +"a ="p +"r （1）当ωa ＝0时，定子电枢静止 ! "1 ="p +"r （2）当ωa ＝ωr ＝0时，定转子静止 ! "1 ="p 异步电机磁场保持 稳态同步特性！ ωr －转子转速 Ba ωp Br ω1 ωa ωr