0电机学4-异步电机11
第1章电机设计基础理论11电机的主要参数之间的关系111主要尺寸由
第1章电机设计基础理论1.1电机的主要参数之间的关系1.1.1主要尺寸由电机学知识可知，电机的电磁过程主要是在气隙中进行的，也就是说其能量形式的转换则是通过气隙主磁通进行的。
因此, 主要尺寸就必定与气隙有着密切的关系。
实践证明，靠近气隙的电枢直径(D)与铁芯有效长度(lef)是电机的主要尺寸，而气隙可以说是第三个主要尺寸。
对于直流电机而言，电枢直径是指转子外径；对于交流电机而言，电枢直径是指定子内径。
从几何角度看，这些尺寸一经确定，其他尺寸就大体上确定了，而且电机的重量、价格、工作性能和运行可靠性等, 也就基本上确定了。
1. 计算功率电机将电能(机械能)转换成机械能(电能)时，该能量均以电磁能的形式通过定、转子间的气隙进行传递，与之相对应的功率称为电磁功率。
在电机设计中, 电磁功率通常用计算功率P′表示。
不同类型电机的计算功率, 可由给定的额定功率PN来决定，其方法如下。
(1) 对于异步电机P′=mE1I×10-3(kV·A)(1 1)式中，m——电枢绕组相数；图1 1异步电动机的相量图E1——电枢绕组相电势，V；I——电枢绕组相电流，A。
输入功率为P1=mU NI1cosθN×10-3(kW)式中，U N——额定相电压。
额定功率为PN=P1ηN=mU NIcosθNηN×10-3(kW)由此可得P′=E1U N·1ηNcosθNPN=KEηNcosθNPN(1 2)式中，ηN,cosθN——额定负载时的效率和功率因数；KE——满载电势标么值，即额定负载时，感应电势与端电压的比值。
由图1 1所示的异步电机的相量图可知KE=E1U N=1-I1PR1+I1QX1ζU N=1-(i 1PR1+i 1QX1ζ)=1-εL(1 3)式中，I1P、I1Q——定子电流的有功分量和无功分量；i*1P、i*1Q——定子电流有功分量标么值和无功分量标么值；εL——定子绕组阻抗压降的标么值，εL=i 1PR1+i 1QX1ζ。
电机学第四版课后习题答案
电机学第四版课后习题答案1-1从物理意义上说明变压器为什么能变压，而不能变频率？答：变压器原副绕组套在同一个铁芯上, 原边接上电源后，流过激磁电流I 0， 产生励磁磁动势F 0， 在铁芯中产生交变主磁通ф0, 其频率与电源电压的频率相同， 根据电磁感应定律，原副边因交链该磁通而分别产生同频率的感应电动势 e 1和e 2, 且有 dtd Ne 011φ-=, dtd Ne 022φ-=, 显然，由于原副边匝数不等, 即N 1≠N 2，原副边的感应电动势也就不等, 即e 1≠e 2, 而绕组的电压近似等于绕组电动势,即U 1≈E 1, U 2≈E 2,故原副边电压不等,即U 1≠U 2, 但频率相等。
1-2 变压器一次线圈若接在直流电源上，二次线圈会有稳定直流电压吗？答：不会。
因为接直流电源，稳定的直流电流在铁心中产生恒定不变的磁通，其变化率为零，不会在绕组中产生感应电动势。
1-3变压器的空载电流的性质和作用如何？答：作用：变压器空载电流的绝大部分用来供励磁，即产生主磁通，另有很小一部分用来供给变压器铁心损耗，前者属无功性质，称为空载电流的无功分量，后者属有功性质，称为空载电流的有功分量。
性质：由于变压器空载电流的无功分量总是远远大于有功分量，故空载电流属感性无功性质，它使电网的功率因数降低，输送有功功率减小。
1-4一台220/110伏的变压器，变比221==N N k ，能否一次线圈用2匝，二次线圈用1匝，为什么？答：不能。
由m fN E U Φ=≈11144.4可知，由于匝数太少，主磁通m Φ将剧增，磁密m B 过大,磁路过于饱和，磁导率μ降低，磁阻m R 增大。
于是，根据磁路欧姆定律m m R N I Φ=10可知, 产生该磁通的激磁电流0I 必将大增。
再由3.12fB p m Fe ∝可知，磁密m B 过大, 导致铁耗Fe p 大增， 铜损耗120r I 也显著增大，变压器发热严重，可能损坏变压器。
异步电机等效电路的简化(精)
2 Xm 2 Rk R1 R2 (Xm X2 ) 2 R2
X k X 1
X m R X X 2 X m 2 2 2 (Xm X2 ) 2 R2
2 2
（ 1 ）对于一般电机， X1＝X 2
利用空载 X 0 X m X 1 试验 X m X 0 X 1
P 1 P 2 pcu1 pFe pcu 2 pmec pad 0 P2 p
cu1
p p
pFe pcu2 pmec pad 0
第五章 异步电机 23
《电机学》
※ 功率流程图
P1
Pem pCu2 pad pmec
P2
pCu1
pFe1
※异步电动机的功率平衡方程：
2 P0 pCu1 P0 m1I 0 R1 pFe
《电机学》
第五章 异步电机
12
4、参数计算
Z0
U 0 I 0
空载时的额定相 电压及相电流
p0 R0 m1 I 02
X 0 Z 02 R02
电动机空载，转子支路近似开路
X 0 X m X 1 X m X 0 X 1
pm1 N1k N 1 cos 2 CM m I 2 cos 2 Tem m I2 2
异步电机
转矩系数：
(电机结构参数所决定的常数)
《电机学》
第五章 异步电机
33
pm1 N1k N 1 cos 2 CM m I 2 cos 2 Tem m I2 2
pCu 2 sPem
or
Pmec Pem
1 s R2 s 1 s R2 s
电机学-概论
E
注：电压降方向指电压降落方向；电动势方向指电动势升高方向。
概论
§0-3 研究电机常用的电磁定律
电路定律
电路欧姆定律
U R U I Z I
I
U
Z
式中：Z＝R＋jX为电路的复阻抗，X为电抗， 则：
U
U U U I R jX z z U U U 或I R jX z z R2 X 2 X tg 1 R z
变压器（Transformer） 交流电机 同步电机(Synchronous machine) 异步电机(Asynchronous machine)
概论
电机的分类－按用途分类
变压器（Transformer）－将某一等级的交流电压与电流 转变成另一等级的交流电压与电流的静止电器。
概论
§0-1 电机的作用及主要类型
电机是根据电磁感应定律和电磁力定律实现电能和 机械能之间相互转换的机械。
机械 系统 电机 电系统
表示发电机运行 表示电动机运行
电系统
变意图
概论
电机的分类－按电流形式分类
直流电机（Direct current machine）－电机输入或输出 的能量为直流电能。 交流电机（Alternating current machine）－电机输入或 输出的能量为交流电能。主要包括：
概论
三、存在磁滞现象 磁滞回线：磁化曲线可以用实验 测取。在实验中，当H由零上升 到某个最大值Hm后再逐渐减小， 过零后继续反向磁化，直到磁场 强度为-Hm，之后又磁化到+Hm， 如图0-4所示。该闭合曲线称为 铁磁材料的磁滞回线。
注：不同的铁磁材料有不同的磁滞 回线形状。 对于同一铁磁材料，Hm愈大， 则磁滞回线的面积愈大。
异步电机的工作原理
异步电机的工作原理
异步电机是一种常见的交流电动机，它广泛应用于工业生产、家用电器以及各种机械设备中。
异步电机的工作原理是基于电磁感应和磁场作用的相互作用，下面将详细介绍异步电机的工作原理。
首先，异步电机由定子和转子两部分组成。
定子是由绕组和铁芯构成的，绕组上通有交流电流，产生旋转磁场；而转子则是由绕组和铁芯构成，绕组通有感应电流，感应电流与定子的旋转磁场相互作用，从而产生转矩，使电机转动。
其次，当三相交流电源加在定子上时，定子中会产生旋转磁场。
这个旋转磁场的产生原理是基于三相交流电的相位差，使得定子绕组中的电流产生正弦分布，从而产生旋转磁场。
而转子中的绕组则感应出感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用，产生转矩，从而使得转子跟随旋转磁场一起旋转。
再者，根据法拉第电磁感应定律，当磁通量发生变化时，会产生感应电动势。
在异步电机中，由于转子绕组感应出的感应电流是由定子旋转磁场产生的，所以转子绕组中会产生感应电动势。
这个感应电动势会产生感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用，从而产生转矩，使得转子跟随旋转磁场一起旋转。
最后，异步电机的工作原理是基于电磁感应和磁场作用的相互作用。
当定子上通有交流电流时，产生旋转磁场；而转子中感应出感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用，产生转矩，使得转子跟随旋转磁场一起旋转。
这样，异步电机就能够实现动力传递和机械运动。
总之，异步电机是一种广泛应用的电动机，其工作原理是基于电磁感应和磁场作用的相互作用。
通过定子和转子之间的相互作用，异步电机能够实现动力传递和机械运动，为各种机械设备的正常运行提供了重要的动力支持。
电机学 异步电机
5.2异步电机的基本工作原理
当异步电机定干绕组接到三相电源上时， 定子绕组中将流过三相对称电流，隙中将 建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转 磁场，其同步转速决定于电网频率和绕组 的极对数
这个基波旋转磁场在短路的转子绕组（若是 笼型绕组则其本身就是短路的，若绕线式转子则 通过电刷短路）中感应电动势并在转子绕组中产 生相应的电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互 作用而产生电磁转矩。由于这种电磁转矩的性质 与转速大小相关，下面将分三个不同的转速范围 来进行讨论。
电机学
异步电机
第五章 异步电机
异步电机是一种交流电机，也叫感应电
机，主要作电动机使用。异步电动机广泛 用于工农业生产中，例如机床、水泵、冶 金、矿山设备与轻工机械等都用它作为原 动机，其容量从几千瓦到几千千瓦。日益 普及的家用电器，例如在洗衣机、风扇、 电冰箱、空调器中采用单相异步电动机， 其容量从几瓦到几千瓦。在航天、计算机 等高科技领域，控制电机得到广泛应用。 异步电机也可以作为发电机使用，例如小 水电站、风力发电机也可采用异步电机。
将式（5．13）、式（5．14）代人式 （5．1）中，得到
式（517）表明，在al。一0时，转子磁动势人的 大小、性质与a1。＝0时相同，即转子自动势矢 量民与al。无关，只是转于绕组相电动势、相电 流相对于a。。一0的工况均滞后了a1。电角度 （见式（5．15》。；这对研究转子的电气性能
无任何影响。庐于转子是通过转子磁动势而影响 走子，因此可以认定a；。等于任何值时定子方各
放置两个瑞环，分别把所有的导体伸出粮
外部分与端环联接起来。如果去掉铁心， 则剩下来的绕组的形状就像一个松鼠笼子。 这种笼型绕组可以用钢条焊接而成，见图4， 也可以用铝浇铸而成，见图5。
电机学知识点
气隙线 磁化曲线
2.直流电机的电枢绕组
0
2Ff (I f )
直流电机的电枢绕组是直流电机产生感应电势和电磁转矩，
从而实现机电能量转换的重要部件。直流电机的电枢绕组，
无论什么形式，都是将各元件通过相应的换向片依次连接起
来而构成的闭合绕组。直流电机的电枢绕组通过电刷引入或
引出电流，并在正负极性电刷间形成偶数条并联支路。
影响变压器电压调整率U的因素有：___负__载_的__大__小___、 ___负__载_的__性__质____和_短__路_阻__抗__参__数_R_k_、_X_k _。
2）变压器的损耗和效率
变压器的损耗有铁耗和铜耗。
铁耗不随负载的大小而改变，也称为不变损耗， pPe p0
铜耗随负载的大小而改变，也称为可变损耗， pCu I 2 2
第七章 直流电机的磁路和电枢绕组
基本知识：
1. 直流电机的磁化曲线 2. 单叠绕组和单波绕组的特点 3. 单叠绕组和单波绕组节距的计算方法 4. 直流电机的电枢绕组电动势和电磁转矩
第七章 直流电机的磁路和电枢绕组
1.直流电机的空载磁场和磁化特性
直流电机空载运行时的气隙磁场由励磁磁势建立，该磁势由 主极上的励磁绕组通以直流电流所产生。
k 1 Qu 1
p
p
的一类电枢绕组，它是把
上层元件边在同极性主极下的各元件串联起来成一条支路，
所以单波绕组的并联支路对数_a_=_1______。
直流电机电枢绕组的电势是通过电刷引出的，电刷的位置应 使正负电刷间的感应电动势最大。当元件几何形状对称时， 电刷在换向器表面的位置应对准磁极中心线。此时正、负电 刷间感应电势最大，被电刷短路的元件感应电势为零。
E1 j4.44 fN1 m E2 j4.44 fN 2 m
《电机学课件》PPT课件
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
• 参考书：汪国梁主编《电机学》
05.12.2020
.
12
《电机学》（二）课程简介
• 课程名称： 中文名称：电机学（二） • 英文名称：Electrical Machinery （Part 2） • 教学对象：电气工程类专业、本科 • 课程定位：《电机学》是本专业的一门主要技
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
•
Stephen J.Chapman, Electric Machinery
Fundamentals, McGRAW-HILL International
Editions
• 参考书：汪国梁主编《电机学》 返回
05.12.2020
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15
变压器图片、图形、动画
变压器的空载运行 变压器运行特性 三绕组变压器 三绕组变压器向量图 变压器外特性 TR三次谐波磁通路径 YYN变压器组中性点浮动 三相变压器组铁芯磁通波形 相量图
变压器参数测定 变压器暂态运行 自耦变压器 互感器 对称分量合成 变压器并联运行 T形电路 三相变压器
05.12.2020
术基础课，定位为：
* 电气工程的基础 * 电力系统的核心
• 课程特点：课程特点是概念多、理论性强，与 工程联系密切。
05.12.2020
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13
《电机学》（二）课程简介
主要内容：本课程主要讲述：同步电机的结构， 工作原理、运行等到方面的内容。具体为：
❖同步电机的基本理论与运行特性 ❖同步发电机在大电网上运行 ❖同步发电机不对称运行 ❖同步发电机的突然短路。
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第11章 单相异步电动机及异步电机的其它运行方式 11章 第一节 三相异步电动机在不对称电压下运行 第二节 单相异步电动机 第三节 异步发电机 第四节 异步电机的制动运行
第一节 在不对称电压下运行
一,不对称运行的分析方法 不对称运行的分析方法
(
) )
1
r2' ' r1 + c1 + j x1 + c1 x2 2s
(
正,负序的电磁功率和转矩: 负序的电磁功率和转矩: ' P p 2r ' 2 T= M = 1P M 由 M = m I2 P 1 1 ω s
Pm+ = 3I
T+ = 3 p
' 2 2+
r2' , s
r , s
Pm = 3I
T = 3 p I
' 2 2
r2' 2s
ω1
I
' 2 2 ' 2+
ω1
' 2 2
r2' 2s
三 合成转矩: 合成转矩:
' 2 r2 p ' 2 r2' ' T = T+ + T = 3 I 2+ I 2 ω1 s 2 s
由于负序转矩的存在,合成转矩小于正序转矩, 由于负序转矩的存在,合成转矩小于正序转矩,导致 起动性能和过载能力下降 .导致电机的最大转矩和过载能 力下降,起动转矩减小. 力下降,起动转矩减小.因此三相异步电动机不允许长期 在严重不对称电压下运行. 在严重不对称电压下运行. 不对称电压下三相异步电动机的曲线如图11- 不对称电压下三相异步电动机的曲线如图11-2所示
应用对称分量法, 应用对称分量法,把不对称三相电压分解为正序分 量,负序分量和零序分量. 负序分量和零序分量. 分别计算各序系统电流和转矩,然后叠加 . 分别计算各序系统电流和转矩, 一 各相序的等效电路和阻抗: 各相序的等效电路和阻抗: 不同相序电流流经电机和变压器具有不同物理性质, 不同相序电流流经电机和变压器具有不同物理性质, 具有不同阻抗参数. 具有不同阻抗参数.
1,正序等效电路
正序电压 U1+ 作用于定子绕组,便流过正序电流I1+ , 作用于定子绕组, 建立正向旋转磁场,产生正向转矩T1+ ,拖动转子与它同方 建立正向旋转磁场, 向旋转,设转子转速为n ,则正序转差率 向旋转,
n1 n s+ = =s n1
等效电路如图. 等效电路如图. 正序阻抗为: 正序阻抗为:
合成磁势
f = fa + fm
f a = Fa cos x cos ωt =
1 1 Fa cos( x ωt ) + Fa cos( x + ωt ) 2 2 1 1 f m = Fm cos( x 90°) cos(ωt ) = Fm cos(x ωt + 90 ) + Fm cos(x + ωt 90 ) 2 2
可见,较小的负序电压会产生较大的负序电流 . 可见, 例如: 例如:U1-=0.05UN,I1-=(5-7)0.05IN=(0.25—0.35)IN. 它与正序电流叠加,可能使某相电流大大超过额定电流. 它与正序电流叠加,可能使某相电流大大超过额定电流. .(掉相运行 例11—1,一相断线的运行情况.(掉相运行) 11 1 一相断线的运行情况.(掉相运行)
r2' ' Z + = r1 + jx1 + (rm + jxm ) || + jx2 s
2,负序等效电路
负序电压 U1- 作用于定子绕组,便流过正序电流I1- ,建 作用于定子绕组, 立负向旋转磁场, 它与转子方向相反, 立负向旋转磁场,产生反向转矩T1- ,它与转子方向相反,设 则负序转差率: 转速为n ,则负序转差率:
1 1 Fa cos(x ωt ) + Fa cos( x + ωt ) 2 2 1 1 f m = Fm cos( x 90°) cos(ωt ) = Fm cos( x ωt + 90) + Fm cos(x + ωt 90) 2 2 f a = Fa cos x cos ωt =
3,实际的单相异步电动机: 实际的单相异步电动机:
由于单相电机仅一个绕组工作不能自行起动. 由于单相电机仅一个绕组工作不能自行起动.实际的单相 电机往往采用两相电动机的结构形式 . 主绕组m和辅助绕组a 通常它们在空间正交,相差90 主绕组m和辅助绕组a ,通常它们在空间正交,相差 0电 角度,其匝数,线径和匝数分布均不同, 角度,其匝数,线径和匝数分布均不同,通入相位不同的两 相电流,这两相绕组的磁动势为: 相电流,这两相绕组的磁动势为:
2,单相异步电动机的起动问题: 单相异步电动机的起动问题:
观察T 观察T—s曲线. 曲线. ⑴ 起动转矩等于零 当 s = l 时 , T+ = T- , T = 0 , 单相 T+= 电机仅一个绕组工作不能自行起动. 电机仅一个绕组工作不能自行起动. ⑵ 转动后单相电机可以在一个绕组情况下运行 转子转动后, Z+> 转子转动后,则Z+>Z-,T+>T-,T≠O.但由于有负序转矩存在,所 T+> 但由于有负序转矩存在, 以其过载能力和效率均有所降低. 以其过载能力和效率均有所降低. ⑶ 理想空载状态也达不到同步转速 因有负序转矩存在,即使转轴上不带任何负载, 因有负序转矩存在,即使转轴上不带任何负载,转子电流也不可 能为零,单相电机达不到同步转速. 能为零,单相电机达不到同步转速.
a a+ a
设转子的旋转方向为自a相转向m 设转子的旋转方向为自a相转向m相, 由于a相与m相互差90 由于a相与m相互差900,则有
I a + = jI m + I a = jI m
1 I m+ = I m = I m 2
相量图为
电压分量 Um+ = Im+Z+ Um = ImZ
⑵ 电容起动电动机
如图所示, 如图所示,辅助绕组和电容 仅在起动时工作,起动后切除. 仅在起动时工作,起动后切除.
特点:合理选择电容器和主辅绕组匝数,使起动时气隙磁场 特点:合理选择电容器和主辅绕组匝数, 接近圆形旋转磁场.可以有较高的起动转矩 较高的起动转矩. 接近圆形旋转磁场.可以有较高的起动转矩. 电动机起动后,在离心力作用下断开常闭触点,自动 电动机起动后,在离心力作用下断开常闭触点, 切断辅助电路——单相运行 切断辅助电路——单相运行
二,单相异步电动机的起动问题分析: 单相异步电动机的起动问题分析:
分析辅助绕组开路(仅有一相绕组)时的情况. 分析辅助绕组开路(仅有一相绕组)时的情况. 1,用对称分量法计算单相绕组的转矩: 对称分量法计算单相绕组的转矩: 辅助绕组开路时,有 Ia=0 辅助绕组开路时, 分解成对称分量
I m = I m+ + I m I =I +I =0
f = f a + f m = F cos ( x ω t )
合成的气隙磁场圆形旋转磁场
三,单相异步电动机的起动方法和类型
根据起动方法和运行方式不同,单相异步电动机可分为 根据起动方法和运行方式不同, 以下几种类型. 以下几种类型. 1,电容电动机(电容分相) 电容电动机(电容分相) 将主绕组固定接单相电源,辅助绕组串联电容器后接单相 将主绕组固定接单相电源, 电源,电容的作用使主,辅助绕组电流不同相 电容分相. 电源,电容的作用使主,辅助绕组电流不同相——电容分相. 电容分相 合理选择电容器和主辅绕组匝数, 合理选择电容器和主辅绕组匝数,能使起动或额定运行时 气隙磁场接近圆形旋转磁场, 气隙磁场接近圆形旋转磁场,因此它有较高的起动转矩或较好 的运行性能. 的运行性能.根据电容器的不同串接方式电容电动机又可分为 下面三种. 下面三种.
二 各序系统电流和转矩计算: 各序系统电流和转矩计算: 当外施三相不对称电压为已知时, 当外施三相不对称电压为已知时,可计算则可求出各 序的电压分量. 序的电压分量. U 1+, U 1+ 和 U 10=0 并可求得正, 并可求得正,负序定子电流 .
I 1+ = I 1 U 1+ Z+
U 1 = Z
叠加, 叠加,求得三相定子电流 .
I A = I1+ + I 1 = α 2 I + α I IB 1+ 1 I C = α I1+ + α 2 I1
由等效电路求出转子电流, 由等效电路求出转子电流,
' I 2+ =
' I 2 =
U 1+ r2' ' r1 + c1 + j x1 + c1 x2 s U
叠加,有:U = Um+ +Um = I m+ Z+ + I mZ 叠加,
电流分量 等效电路为: 等效电路为:
I m+ = I m =
U Z+ + Z
U = U m + + U m = I m + Z + + I m Z
计算转矩, 计算转矩,由
rm + jxm r2' (rm + jxm ) + + jx2' s rm + jxm ' I 2 = I m r2' ' (rm + jxm ) + + jx2 2s ' I 2+ = I m+
Pm + = 2 I