第五章 感应电机的稳态分析 第一节 感应电机的结构与运行状态 第二节 三相感应电动机的磁动势和磁场

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1 第五章 感应电机的稳态分析 第一节 感应电机的结构与运行状态 第二节 三相感应电动机的磁动势和磁场
第五章 感应电机的稳态分析 第一节 感应电机的结构与运行状态 第二节 三相感应电动机的磁动势和磁场 第三节 三相感应电动机的电压方程和等效电路 第四节 感应电动机的功率方程和转矩方程 第五节 感应电动机的参数测定 第六节 感应电动机的转矩—转差率曲线 第七节 感应电动机的工作特性 第八节 感应电动机的启动 第九节 感应电动机的调速 第十节 单相感应电动机

2 第一节 感应电机的结构与运行状态 复习 三相感应电动机的工作原理 1、基本组成 转子：转子铁心和转子绕组（自成闭合回路） 2、工作原理
第一节 感应电机的结构与运行状态 复习 三相感应电动机的工作原理 1、基本组成 定子：定子铁心和定子绕组——交流绕 转子：转子铁心和转子绕组（自成闭合回路） 2、工作原理 （1）对称定子绕组外加对称三相交流电压，定子绕组内有对称三相交流电流，它们联合产生旋转磁场

3 （2）转子导条切割定子旋 转磁场将感应电势，从 而在闭合的导条中产生 电流，则转子导条将受 到电磁力的作用，并且 形成电磁转矩，使转子 顺旋转磁场的方向旋转,若 转子轴上有负载，电动机将输出机械功率。 感应电机的转速永远小于同步转速。 故又称为异步机。

4 一、感应电机的结构： 定子 转子 气隙。 (一)定子：定子铁芯、定子绕组和机座。 1、定子铁芯：主磁路的一部分
定子 转子 气隙。 (一)定子：定子铁芯、定子绕组和机座。 1、定子铁芯：主磁路的一部分 由0.5mm厚的硅钢片迭压而成 2、定子绕组：交流绕组，定子电路 由许多线圈按一定规律连接而成 3、机座：固定和支撑定子铁芯。

5 (二)转子：转子铁芯、转子绕组和转轴 1、转子铁芯：主磁路的一部分 由0.5mm厚的硅钢片迭压而成。 2、转子绕组：分为鼠笼式和绕线式。 1)鼠笼式：一般采用铸铝转子或铜条转子。(斜槽） 2)绕线式：是对称三相绕组，接成星形，并接到 转轴上三个集电环上，再通过电刷与外电路接通。

6 (三)气隙： 中小型电机一般为0.2~2mm， 它与电机性能关系极大。 1、气隙大――磁阻大――产生同样大小磁场 需要较大的励磁电流――使电机的功率因 数降低。 2、气隙小――装配困难和运转不安全。 结论：应综合考虑。

7 二、感应电机的转差率与运行状态： 1、转差率：同步转速与转子转速n之差与同步转速的比值，即 2、转差率的计算：
例：某台感应电动机额定转速为1440r/s，求额定 转差率？（工频） 解：异步电动机的额定转速近似等于同步速，则 极对数 同步速

8 3、三种运行状态： （1）电动状态： （2）发电状态： （3）制动状态：

9 三、感应电动机的额定值 1、额定功率：轴上输出的机械功率。千瓦。 2、额定电压：定子绕组的线电压，伏。
3、额定电流：电机在额定电压和功率下，定子绕 组中流过的线电流，安。 4、额定频率：50赫。 5、额定转速：电机在额定电压、频率和功率下的 转速，转/分。 还有绕组的相数与接法，绝缘等级及允许温升等； 对绕线式转子，还标明转子的额定电势及额定电流。

10 接线

11 四、鼠笼式转子绕组分析 1．相数：m2 = z2/p 2．绕组系数：N2 = 1/2 kw2 =1 3．极数：p2 =p

12 第二节 三相感应电机的磁动势和磁场 一、空载运行时的磁动势和磁场 1、空载运行时的磁动势 2、主磁通和激磁阻抗 3、定子漏磁通和漏抗
第二节 三相感应电机的磁动势和磁场 一、空载运行时的磁动势和磁场 1、空载运行时的磁动势 2、主磁通和激磁阻抗 3、定子漏磁通和漏抗 二、负载运行时的磁动势和磁场 1、转子磁动势 2、磁动势平衡

13 一、空载运行时的磁动势和磁场 1、空载运行时的磁动势

14 结论： 空载运行时，定子磁动势基本为激磁磁动势； 定子电流近似等于激磁电流。 2、主磁通和激磁阻抗 与变压器类似，主磁通感应的电势与产生主磁通的激磁电流的关系为：

15 物理意义： 激磁阻抗是表征铁心磁化特性和铁耗 的一个综合参数。 激磁电阻是表征铁心损耗的一个等效电阻； 激磁电抗是表征主磁路的等效电抗，且

16 3、定子漏磁通和漏抗 （1）漏磁通的分类：槽漏磁通 端部漏磁通 谐波漏磁通 （2）谐波漏磁通的分析： 高次谐波磁场对转子的作用与基波不同 （因其与转子的相对运动与基波不同） 但高次谐波磁场在定子绕组中感应电势的频率为：

17 与漏磁通作用相同，因此将谐波磁场归为漏磁
（3）漏磁通与漏电抗 与变压器相同，漏磁通所感应的电势可写为： 且 漏电抗的物理意义： 它是定子三相电流联合产生的漏磁场在定子一相电路中引起的电抗。

18 二、负载运行时的磁动势和磁场 1、转子磁动势 设转子转速为n，则定子旋转磁场切割转子的速度为： ；此时转子感应电势和电流的频率为： 则转子电流建立的旋转磁动势的转速为： 相对于谁？旋转的转子？静止的定子？

19 转子磁动势相对于定子的转速为： 结论：无论转子实际转速为多少，转子磁动 势和定子磁动势在空间始终保持相对静止。 2、磁动势平衡 与变压器相似，感应电动机负载时，主磁通是由定、转子磁动势共同产生的，则有 或 其中

20 负载运行时的电磁物理过程 *注意：电路各量为一相的，磁路各量为三相的； 定子各量为工频，转子各量为转差频率。

21 第三节 三相感应电动机的电压方程和等效电路
第三节 三相感应电动机的电压方程和等效电路 一、电压方程 1、定子电压方程 2、转子电压方程 二、等效电路 1、频率折算 2、绕组折算 3、等效电路

22 空载时的电磁关系

23 负载运行时的电磁物理过程 *注意：电路各量为一相的，磁路各量为三相的； 定子各量为工频，转子各量为转差频率。

24 负载运行时的电磁物理过程

25 一、电压方程 1、定子电压方程 2、转子电压方程 转子感应电势和电流的频率为转差频率： 则转子每相感应电势为：

26 转子每相漏抗为： 则电压方程为：

27 二、等效电路 感应电动机与变压器运行分析比较 变压器 感应电动机 静止的转子和旋转转子的运行分析比较 频率 同频率 不同频率
变压器 感应电动机 频率 同频率 不同频率 功率 电功率传递 电功率—机械功率 1、频率的折算 方法：用静止的转子代替实际转动的转子。 静止的转子和旋转转子的运行分析比较 静止转子 旋转转子 频率 工频 转差频率 功率 没有机械功率传递 有机械功率传递

28 结论：在静止的转子上用电路模型模拟机械功率输出，
机械功率为有功功率，因此只能用电阻模拟。 折算原则：“等效”——转子磁势不变 折算方法：

29 ——模拟机械功率输出的等效电阻

30 2、绕组的折算 感应电动机与变压器绕组的比较 变压器 感应电动机 相数 一、二次侧相同 定、转子侧不同 （三相） 绕组 集中、整矩 分布、短矩 折算原则：“等效”

31 折算方法： （1）电流的折算：转子磁动势不变 电流比 （2）电势的折算：主磁通不变 电压比

32 （3）阻抗的折算：损耗不变 结论：绕组折算时，转子电势和电压乘 ，转子电 流除 ，转子电阻和漏抗乘 。 归算后的基本方程式组为：

33 3、等效电路 等效电路的分析： （1）空载运行： （2）短路运行：

34 等效电路参数的名称和物理意义： ——定子绕组的电阻； ——定子绕组的漏抗，三相定子电流联合产生 的漏磁场在一相电路中引起的电抗； ——折算到定子侧转子绕组的电阻； ——折算到定子侧转子绕组的漏抗，转子多相 电流联合产生的漏磁场在一相电路中引 起的电抗； ——激磁电阻，代表铁损的等效电阻； ——激磁电抗，与主磁通对应的电抗； ——折算定子侧转子侧的负载模拟电阻，模拟 轴上总的机械功率输出；

35 相量图

36 近似等效电路

37 第四节 感应电动机的功率方程和转矩方程 一、功率方程、电磁功率和转换功率 1、功率方程 2、电磁功率 3、转换功率 二、转矩方程和电磁转矩
第四节 感应电动机的功率方程和转矩方程 一、功率方程、电磁功率和转换功率 1、功率方程 2、电磁功率 3、转换功率 二、转矩方程和电磁转矩 1、转矩方程 2、电磁转矩

38 一、功率方程、电磁功率和转换功率 1、功率方程 总机械 功率 电磁 功率 机械功率 电功率

39 功率的计算

40 2、电磁功率： 3、转换功率： 结论：转换功率不等于电磁功率，电磁功率 中，（1-s）部分转换为机械功率为 转换功率，则s部分变为转子铜损， 因此又称 为转差功率。

41 二、转矩方程和电磁转矩 1、转矩方程 2、电磁转矩 物理意义

42 第六节 感应电动机的参数测定 一、空载实验求激磁参数 二、堵转实验求漏阻抗参数 1、实验目的 2、实验接线
第六节 感应电动机的参数测定 一、空载实验求激磁参数 1、实验目的 、实验接线 3、确定铁耗和机械损耗 、参数计算 二、堵转实验求漏阻抗参数 3、参数计算

43 一、空载实验： 1、目的：确定感应电动机的激磁阻抗参数 以及铁耗 和机械损耗 2、接线： (1)仪表的选择：功率表 (2)仪表的接线
以及铁耗 和机械损耗 2、接线： (1)仪表的选择：功率表 (2)仪表的接线 (3)转子不带负载，工频，转速接近同步速 改变实验电压，测量空载电压、空载电流和空载损耗，得

44 3、确定铁耗和机械损耗

45 4、参数计算

46 二、堵转（短路）实验： 1、目的：确定感应电动机的漏阻抗参数 2、接线：(1)仪表的选择 (2)仪表的接线 (3)转子堵转 改变实验电压（< ），测量定子端电压、 定子电流 和损耗 ，得 三组数据：

47 3、参数计算：

48 第七节 感应电动机的转矩-转差率曲线 一、转矩-转差率特性 1、表达式 2、最大转矩 3、启动转矩 4、机械特性
第七节 感应电动机的转矩-转差率曲线 一、转矩-转差率特性 1、表达式 2、最大转矩 3、启动转矩 4、机械特性 二、归一化转矩-转差率表达式

49 一、转矩-转差率特性 1、表达式

50 T 电动机 s 1.0 0.5 -0.5 -1.0 发电机

51 2、最大转矩 临界转差率 “+”对应电动机；“—”对应发电机 近似公式

52 结论： （1）当电源频率与电机参数不变时，电机的最大转矩与电源电压的平方成正比；
（2）当电源电压和频率一定时，最大转矩近似与定、转子漏抗之和成反比； （3）最大转矩的大小与转子电阻大小无关；但临界转差率与转子电阻成正比。（曲线） 过载能力：

53 3、启动转矩

54 4、机械特性

55 二、归一化的转矩-转差率表达式：

56 电磁转矩的表达式：

57 第八节 感应电动机的工作特性 一、工作特性 二、用直接负载法求取工作特性 1、转速特性 2、定子电流特性 3、功率因数特性 4、转矩特性
第八节 感应电动机的工作特性 一、工作特性 1、转速特性 2、定子电流特性 3、功率因数特性 4、转矩特性 5、效率特性 二、用直接负载法求取工作特性

58 一、工作特性： 1、转速特性 空载时，转子转速接近于同步转速；随着负载的增大，转速降低，是一条稍微向下倾斜的曲线。

59 2、定子电流特性 空载时，定子电流接近于激磁电流；随着负载的增大，转速降低，转子电流增大，定子电流也随之增大。

60 3、功率因数特性 空载时，定子电流接近于激磁电流，功率因数很低，0.1~0.2；随着负载的增大，有功分量增大，功率因数随之增大。通常在额定负载达到最大。

61 为什么异步电动机的功率因数总是滞后的？ 首先，异步电动机的输出功率是机械功率，属有功功率，相当于纯电阻负载； 其次，异步电动机需要感性的无功功率激磁，有感性无功分量电流； 因此，异步电动机的功率因数总是滞后的。

62 4、转矩特性 空载时，电磁转矩等于空载转矩；随着负载的增大，转速变化很小，故近似为直线。

63 5、效率特性 空载时，效率等于零；随着负载的增大，效率逐渐增大，到某一值，达到最大效率。

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65 第九节 感应电动机启动 深槽和双鼠笼式电动机
第九节 感应电动机启动 深槽和双鼠笼式电动机 一、笼型感应电动机的启动 1、直接启动 2、降压启动 二、绕线型感应电动机的启动 三、深槽和双笼感应电动机

66 启动性能指标： 1、起动电流倍数： 越小越好 2、起动转矩倍数： 越大越好 3、起动时间 ： 越短越好 4、起动设备：简单、经济、可靠

67 一、笼型感应电动机的启动 1、直接启动 启动特点：启动电流大 =5~7 启动转矩并不大 =1~2 原因分析：
启动特点：启动电流大 =5~7 启动转矩并不大 =1~2 原因分析： （1）启动电流大：启动时，n=0， s=1，转子切割定子旋转磁场的速度最大，转子感应电势最大，其感生电流也最大， 据磁动势平衡关系，定子电流也最大。或根据简化等效电路： 仅受定、转子漏阻抗的限制 而正常运行时，（ S很小） 故启动电流比正常电流大得多。

68 原因分析： （2）启动转矩并不大： 因起动转矩与转子侧起动电流的有功分量成正比，而起动时，转子侧的频率较大(工频50赫兹)，转子漏电抗远大于转子电阻，使转子的内功率因数角接近90度，即内功率因数很低，故起动电流大，而起动电流的有功分量并不大； 另外，由于起动电流大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使感应电势减小，相应的主磁通也减小。 所以，尽管起动电流大，但起动转矩并不大。

69 （1）电网电压降低，影响同网的其它电机正常运行； （2）电磁力的危害：定子绕组端部变形，鼠笼条断裂； （3）电动机绕组过热，引起绝缘老化。
起动电流大的危害： （1）电网电压降低，影响同网的其它电机正常运行； （2）电磁力的危害：定子绕组端部变形，鼠笼条断裂； （3）电动机绕组过热，引起绝缘老化。

70 2、降压启动——限制启动电流 （1）星三角起动： 适用于正常运行时定子绕组采用三角形连接的电动机。
方法：起动时将定子绕组接成星形连接，当转速接近于稳 定时，再改接成三角形连接。 适用于正常运行时定子绕组采用三角形连接的电动机。 特点：起动电压降到原来的 但线路中提供的启动电流可以减小为直接起动时的1/3； 注意：起动转矩也相应降低到原来的1/3 。 适合于空载或轻载起动。

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73 （2）自耦变压器起动： 特点：起动电压降到原来的 但线路中提供的启动电流可以减小为直接起动时的 ； 注意：起动转矩也相应降低到原来的 。
但线路中提供的启动电流可以减小为直接起动时的 ； 注意：起动转矩也相应降低到原来的 。 自耦变压器的二次绕组一般有不同的抽头，能满足不同负载起动要求。 适用于容量较大的低压电动机起动。应用广泛。 但体积大，重量大，价格高，需维护检修。

74 延边三角形起动： 利用电动机的九个出线头的一种联接法，达到 降压起动的目的。 380伏 380伏

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76 二、绕线型感应电动机的启动 1、起动方法：转子回路串联电阻 2、优点：可以减少起动电流，同时提高功率因数， 从而增大起动转矩。 3、方法：
（1）起动变阻器：串入多大的起动电阻？

77 串联电阻是否越大越好？ 实际要逐级切除，启动结束举刷。 （2）频敏变阻器：——自动切除电阻

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79 三、深槽和双笼感应电动机 1、深槽感应电动机： 结构特点：槽窄而深 集肤效应 原理： 电流密度

80 2、双笼感应电动机： 结构特点：内、外两个笼与窄缝

81 原理：

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83 二、用直接负载法求取工作特性： 先用空载实验测出电动机的铁耗 、机械损耗 和定子电阻 。 负载实验是在额定电压、额定频率下进行。改变电动机的负载，测定定子输入功率 、定子电流 和转速。