电机学课堂进义第四部分异步电机10h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 第十三讲异步电机运行状态分析 重点：气隙磁场，转差率，运行状态。 难点：气隙磁场维持不变，气隙磁场相对转子运动引起转子感应电势和电流的频率与相序的变化。 问题：什么是转差率？异步电机的运行状态如何确定？如何理解异步电机的电磁过程？什么是气隙 磁场？为什么要从气隙磁场出发分析感应电势？ 1、异步电机的特点和分析方法 (1)基本结构特点 异步电机的基本结构是定子电枢，转子电枢，均匀气隙（不考虑齿槽效应）。转子电枢主要有两种 绕组形式：绕线式转子具有对称多相绕组，通过滑环和电刷与外部电路联系（一般情况短路）；鼠 笼式转子具有轴向导条并通过两边端环短接。鼠笼转子可以等效为多相对称绕组。 多相异步电机的结构特点是定子1相（通常为三相）对称电枢绕组，转子相对称电枢绕组且外部 短路连接，定转子绕组的极对数相同（自适应满足相同的条件），气隙均匀且很小，如图32所示。 (2)基本原理 一般情况下，异步电机只有定子接频率的三相对称交流电源，产生三相对称电枢电流并形成相对于 定子顺相序同步速-60fp1旋转的气隙磁场，转子通过电磁感应（气隙磁场相对转子电枢绕组运动 的转速2)产生三相对称感应电势频率fp22/60,从而在短路的转子绕组回路中出现与转子感应电 势相同频率的三相对称转子电流，同样形成相对于转子顺相序以转速2旋转 的磁场，考虑到转子本身运动的转速n=n1-n2,因此转子电流产生的旋转磁 场与定子电流产生的旋转磁场在气隙空间保持相对静止（相对于定子都是同 步速n1或者相对于转子都是2)且极对数相同（鼠笼转子具有极对数自适应 m 能力)，定转子磁场相互作用产生电磁转矩，转子电流产生的磁场还将影响 定子磁场（类似电枢反应），从而保持气隙磁场幅值基本恒定，因为定子感 应电势必须与外接电源电压相平衡（忽略定子电阻和漏电抗压降） 图32三相异步电机 E,=U1=V2wkΦ。g 定子或转子的电枢电流与感应电势产生电磁功率，形成电磁转矩。 这里有两个约束条件！一是气隙合成磁场受到磁路饱和的影响，在异步电机设计时定子电压与定子 电枢绕组感应电势基本相等，并使得磁路处在磁化曲线饱和的拐点处；二是转子感应电势受到气隙 磁场相对转子的运动关系影响（大小，频率和相序），即异步电机的运行状态取决于转子转速的高 低。分析多相异步电机时，正方向按照电动机惯例，将漏磁场包括谐波磁场与基波气隙磁场的影响 分开考虑，前者磁路是线性的，后者磁路通常是饱和的需要作线性化假设，基波气隙磁场是定转子 合成气隙磁场，采用双旋转磁场理论获得时空统一的矢量来描述内部电磁关系。分析单相异步电机 也采用双旋转磁场理论。当然，也可以采用经典的多相耦合电路分析方法，两者的结果是一致的。 (3)基本特性 异步电机通常作为电动机运行，也可以作为发电机运行。异步电动机的基本特性是机械特性和工作 特性，其中工作特性包括转差率特性，转矩特性，功率因数特性，定子电流特性和效率特性。 2、异步电机的运行状态 1
电机学课堂讲义 第四部分 异步电机 10h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 1 第十三讲 异步电机运行状态分析 重点：气隙磁场，转差率，运行状态。 难点：气隙磁场维持不变，气隙磁场相对转子运动引起转子感应电势和电流的频率与相序的变化。 问题：什么是转差率？异步电机的运行状态如何确定？如何理解异步电机的电磁过程？什么是气隙 磁场？为什么要从气隙磁场出发分析感应电势？ 1、异步电机的特点和分析方法 （1）基本结构特点 异步电机的基本结构是定子电枢，转子电枢，均匀气隙（不考虑齿槽效应）。转子电枢主要有两种 绕组形式：绕线式转子具有对称多相绕组，通过滑环和电刷与外部电路联系（一般情况短路）；鼠 笼式转子具有轴向导条并通过两边端环短接。鼠笼转子可以等效为多相对称绕组。 多相异步电机的结构特点是定子m1相（通常为三相）对称电枢绕组，转子m2相对称电枢绕组且外部 短路连接，定转子绕组的极对数相同（自适应满足相同的条件），气隙均匀且很小，如图32所示。 （2）基本原理 一般情况下，异步电机只有定子接频率f1的三相对称交流电源，产生三相对称电枢电流并形成相对于 定子顺相序同步速n1=60f1/p1旋转的气隙磁场，转子通过电磁感应（气隙磁场相对转子电枢绕组运动 的转速n2）产生三相对称感应电势频率f2=p2n2/60，从而在短路的转子绕组回路中出现与转子感应电 势相同频率的三相对称转子电流，同样形成相对于转子顺相序以转速n2旋转 的磁场，考虑到转子本身运动的转速n=n1-n2，因此转子电流产生的旋转磁 场与定子电流产生的旋转磁场在气隙空间保持相对静止（相对于定子都是同 步速n1或者相对于转子都是n2）且极对数相同（鼠笼转子具有极对数自适应 能力），定转子磁场相互作用产生电磁转矩，转子电流产生的磁场还将影响 定子磁场（类似电枢反应），从而保持气隙磁场幅值基本恒定，因为定子感 应电势必须与外接电源电压相平衡（忽略定子电阻和漏电抗压降） ! E1 = U1 = 2"f1 W1kw1 #$ 。 定子或转子的电枢电流与感应电势产生电磁功率，形成电磁转矩。 这里有两个约束条件：一是气隙合成磁场受到磁路饱和的影响，在异步电机设计时定子电压与定子 电枢绕组感应电势基本相等，并使得磁路处在磁化曲线饱和的拐点处；二是转子感应电势受到气隙 磁场相对转子的运动关系影响（大小，频率和相序），即异步电机的运行状态取决于转子转速的高 低。分析多相异步电机时，正方向按照电动机惯例，将漏磁场包括谐波磁场与基波气隙磁场的影响 分开考虑，前者磁路是线性的，后者磁路通常是饱和的需要作线性化假设，基波气隙磁场是定转子 合成气隙磁场，采用双旋转磁场理论获得时空统一的矢量来描述内部电磁关系。分析单相异步电机 也采用双旋转磁场理论。当然，也可以采用经典的多相耦合电路分析方法，两者的结果是一致的。 （3）基本特性 异步电机通常作为电动机运行，也可以作为发电机运行。异步电动机的基本特性是机械特性和工作 特性，其中工作特性包括转差率特性，转矩特性，功率因数特性，定子电流特性和效率特性。 2、异步电机的运行状态 A a C B c b 图32 三相异步电机
电机学课堂进义第四部分异步电机10h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 为了了解异步电机定子接三相对称电源时的运行本质，需要忽略一些次要因素，突出影响异步电机 运行的主要因素，重点分析定转子三相对称绕组中电枢电压、电流、感应电势和基波气隙磁场的关 系，因为气隙是均匀的，用合成气隙磁势表示气隙磁场比较方便。 基本假设：磁路线性，即忽略磁滞与涡流影响，可以采用叠加原理；气隙均匀，忽略定转子齿槽影 响：只考虑基波气隙磁场的作用，忽略定子电流产生的绕组漏磁场，不考虑气隙中的谐波磁场：忽 略定子绕组电阻：转子绕组存在电阻，转子绕组电流在转子产生漏磁场。 根据假设可以得到的重要结果是气隙磁场产生的定子感应电势与外接电压平衡，也就是三相感应电 势对称且相序和频率与定子电枢电压相同，因此产生感应电势的基波气隙磁场的幅值保持不变，且 以同步速顺定子电压相序旋转。定转子绕组中由气隙合成磁场产生的感应电势均包含两部分；其 他绕组电流产生且与自身绕组耦合的磁场（定转子互感作用）引起的电势，自身绕组电流产生且与 其他绕组耦合的磁场（绕组自感作用但不包括漏电感）引起的电势。转子绕组中漏磁场产生的感应 电势采用等效漏电抗压降的形式表示。由于转子绕组短路，因此转子绕组中由气隙磁场产生的感应 电势与电流经过电阻和漏电抗引起的电压降相平衡。需要指出的是不论是转子还是定子存在的漏磁 场均包含每相绕组自身电流产生的漏磁场（漏自感）和其他相绕组引起的互漏磁场（漏互感）。 分析异步电机运行状态过程中，首先明确定子磁势和气隙合成磁势的转速和转向相同，并且由定子 电源电压的频率和相序确定：其次转子感应电势产生电流和磁势，转子磁势与定子磁势空间保持相 对静止状态：再次电磁转矩的方向取决于转差率（后面定义）这个无量纲的重要物理量：最后电机 的运行状态取决于转差率。 (1)气隙磁场相对转子转速 站在转子上观测气隙磁场，气隙磁场的幅值不变， 波长不变，但波速随转子本身转速而改变，因此 气隙磁场相对转子的转速定义为转速差，简称转差。所有转速以气隙磁场同步转速方向为正方向 △n=n1-n 可以认为转差是气隙磁场相对于转子的同步速2，于是容易得到气隙磁场在转子绕组中感应电势的 频率等于转差频率 5==An 6060 =听 其中，$表示转差率，是表征异步电机特征的重要物理量，定义为 ==1-n W 需要说明的是转差率随着转子转速的变化而变化，无量纲但存在正负。当转子转速高于同步速1 时，转差率小于零，理论上转差频率也小于零，但实际转子绕组中的电势和电流频率通常认为是正 的，这是因为转子转速高于同步速1时，绕组中的电势和电流的相序由正序变成了负序的缘故。 (2)运行状态分析 根据转子转速高低和转向，即转差 U ni U 率的大小和符号分析异步电机的运 E. F2 12 行状态，以逆时针方向旋转为正方 ￥n U 向，图33给出了转子低于同步速(a) 和高于同步速(b)两种状态的时空矢 0 量图，同时给出了电动机惯例的异 步电机电压、电流、电势和气隙磁F2↓E,E2 F I E (a) (b) 2 图33异步电机运行状态时空矢量图和正方向惯例
电机学课堂讲义 第四部分 异步电机 10h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 2 为了了解异步电机定子接三相对称电源时的运行本质，需要忽略一些次要因素，突出影响异步电机 运行的主要因素，重点分析定转子三相对称绕组中电枢电压、电流、感应电势和基波气隙磁场的关 系，因为气隙是均匀的，用合成气隙磁势表示气隙磁场比较方便。 基本假设：磁路线性，即忽略磁滞与涡流影响，可以采用叠加原理；气隙均匀，忽略定转子齿槽影 响；只考虑基波气隙磁场的作用，忽略定子电流产生的绕组漏磁场，不考虑气隙中的谐波磁场；忽 略定子绕组电阻；转子绕组存在电阻，转子绕组电流在转子产生漏磁场。 根据假设可以得到的重要结果是气隙磁场产生的定子感应电势与外接电压平衡，也就是三相感应电 势对称且相序和频率与定子电枢电压相同，因此产生感应电势的基波气隙磁场的幅值保持不变，且 以同步速n1顺定子电压相序旋转。定转子绕组中由气隙合成磁场产生的感应电势均包含两部分：其 他绕组电流产生且与自身绕组耦合的磁场（定转子互感作用）引起的电势，自身绕组电流产生且与 其他绕组耦合的磁场（绕组自感作用但不包括漏电感）引起的电势。转子绕组中漏磁场产生的感应 电势采用等效漏电抗压降的形式表示。由于转子绕组短路，因此转子绕组中由气隙磁场产生的感应 电势与电流经过电阻和漏电抗引起的电压降相平衡。需要指出的是不论是转子还是定子存在的漏磁 场均包含每相绕组自身电流产生的漏磁场（漏自感）和其他相绕组引起的互漏磁场（漏互感）。 分析异步电机运行状态过程中，首先明确定子磁势和气隙合成磁势的转速和转向相同，并且由定子 电源电压的频率和相序确定；其次转子感应电势产生电流和磁势，转子磁势与定子磁势空间保持相 对静止状态；再次电磁转矩的方向取决于转差率（后面定义）这个无量纲的重要物理量；最后电机 的运行状态取决于转差率。 （1）气隙磁场相对转子转速 站在转子上观测气隙磁场，气隙磁场的幅值不变，波长不变，但波速随转子本身转速而改变，因此 气隙磁场相对转子的转速定义为转速差，简称转差。所有转速以气隙磁场同步转速方向为正方向 ! "n = n1 # n 可以认为转差是气隙磁场相对于转子的同步速n2，于是容易得到气隙磁场在转子绕组中感应电势的 频率等于转差频率 ! f2 = p2n2 60 = p1"n 60 = sf1 其中，s表示转差率，是表征异步电机特征的重要物理量，定义为 ! s = "n n1 =1# n n1 需要说明的是转差率随着转子转速的变化而变化，无量纲但存在正负。当转子转速高于同步速n1 时，转差率小于零，理论上转差频率也小于零，但实际转子绕组中的电势和电流频率通常认为是正 的，这是因为当转子转速高于同步速n1时，绕组中的电势和电流的相序由正序变成了负序的缘故。 （2）运行状态分析 根据转子转速高低和转向，即转差 率的大小和符号分析异步电机的运 行状态，以逆时针方向旋转为正方 向，图33给出了转子低于同步速(a) 和高于同步速(b)两种状态的时空矢 量图，同时给出了电动机惯例的异 步电机电压、电流、电势和气隙磁 图33 异步电机运行状态时空矢量图和正方向惯例 Fδ n1 E1 F1 F2 I1 E2 Ｕ1 I2 n2 (b) Fδ E1 I1 E2 Ｕ1 I2 (c) Fδ n1 E1 F1 F2 I1 E2 Ｕ1 I2 n2 (a)
电机学课堂进义第四部分异步电机10h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 场的规定正方向。因为气隙均匀，不考虑饱和时，电流、磁势和磁密时空矢量呈正比关系，合成磁 势等于定转子磁势之和，合成磁场时空矢量位置与合成磁势相同。 A、转子同步速旋转(s=0) 从直观的角度不难发现，当转子转速等于气隙磁场同步转速时，转子与气隙磁场保持相对静止，因 此转子绕组中的磁场分布和匝链的磁链不发生变化，磁场相对转子的交变频率等于零，感应电势的 大小就等于零，也不会产生感应电流，转子电磁转矩为零，不进行能量转换，这种运行状态将被称 为理想空载运行状态。定子电流仅仅提供气隙磁场，由于气隙很小，因此定子励磁电流很小 B、转子低于同步速正转(01,△nn21) 当转子反转时，nn1,如图33(a)所示，转子受到的电磁转矩为气隙磁场相对于转子的旋转 方向，转子的转速与电磁转矩方向相反，与电磁转矩平衡的机械转矩与转子转向相同，机械功率输 入异步电机，同时异步电机定子从电源吸收电功率，因此异步电机工作在电磁制动运行状态。 总结： 在异步电机定子接三相对称交流电源情况下，通过详细分析转子不同转速运行时的定转子电流相序 和频率、定转子磁场转速与转向、合成磁场转速与转向、转差率、电磁转矩方向，得出异步电机的 运行状态与转差率的关系： 3
电机学课堂讲义 第四部分 异步电机 10h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 3 场的规定正方向。因为气隙均匀，不考虑饱和时，电流、磁势和磁密时空矢量呈正比关系，合成磁 势等于定转子磁势之和，合成磁场时空矢量位置与合成磁势相同。 A、转子同步速旋转（s=0） 从直观的角度不难发现，当转子转速等于气隙磁场同步转速时，转子与气隙磁场保持相对静止，因 此转子绕组中的磁场分布和匝链的磁链不发生变化，磁场相对转子的交变频率等于零，感应电势的 大小就等于零，也不会产生感应电流，转子电磁转矩为零，不进行能量转换，这种运行状态将被称 为理想空载运行状态。定子电流仅仅提供气隙磁场，由于气隙很小，因此定子励磁电流很小。 B、转子低于同步速正转（0n1，Δn=n21） 当转子反转时，nn1，如图33(a)所示，转子受到的电磁转矩为气隙磁场相对于转子的旋转 方向，转子的转速与电磁转矩方向相反，与电磁转矩平衡的机械转矩与转子转向相同，机械功率输 入异步电机，同时异步电机定子从电源吸收电功率，因此异步电机工作在电磁制动运行状态。 总结： 在异步电机定子接三相对称交流电源情况下，通过详细分析转子不同转速运行时的定转子电流相序 和频率、定转子磁场转速与转向、合成磁场转速与转向、转差率、电磁转矩方向，得出异步电机的 运行状态与转差率的关系：
电机学课堂进义第四部分异步电机10h 上海交通大学电气工程系EE SJTU ·定子电枢电压不变时，合成气隙磁场基本保持不变： ·$=O,转子顺相序同步速旋转，称为理想空载运行状态，不实现定转子能量交换： ·$1,转子反转，称为电磁制动运行状态，异步电机不仅定子侧从电源吸收电功率，而且转子侧还 从外部输入机械功率，所有功率都消耗在定转子绕组的电阻上。 如果三相异步电机定子接三相对称交流电源，但相序相反，那么情况又将如何呢？这时气隙磁场旋 转方向相反，仍然以逆时针转向为正，那么气隙磁场同步转速1为负，计算转差率s,即可以判断异 步电机的运行状态。或者以顺时针气隙磁场转向为正方向，逆时针转子转向为负，计算转差率，计 算结果应该是相同的。比如原来异步电机作为电动机运行，突然改变定子绕组与电源连接的相序， 那么定子电流和磁场将改为反相序，电动机变成电磁制动运行状态。 教学方法： 异步电机基本结构——电枢磁场——转速—转子磁场—一电磁转矩运行状态。 异步电机定转子都是电枢，气隙磁场是旋转的，定转子磁场是耦合磁场，不是独立励磁的。定子电 枢安放对称三相绕组，产生旋转磁场。绕线式转子也安放三相对称绕组且极对数与定子相同，并通 过滑环和电刷与外部电路连接：鼠笼式转子安放导条，并在电枢两端用端环将导条连接起来。转子 绕组短路时的异步电机通常称为感应电机。由于需要定子电枢提供气隙磁场，因此异步电机的气隙 较小，以减小无功电流分量。转子通过电磁感应产生磁场，对定子磁场必定是起去磁作用的，从而 引起定子磁场的增强，并与定子磁场相互作用产生电磁转矩，所以正常带负载运行时，转子转速不 等于同步速，故称为异步电机。 正因为异步电机需要电源提供滞后的无功功率，影响电网功率因数，在异步电机容量大的工厂需要 安装调相机或采取功率因数补偿措施，以改善电网功率因数，降低线路损耗，提高运行经济性。 EE Xie 4
电机学课堂讲义 第四部分 异步电机 10h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 4 • 定子电枢电压不变时，合成气隙磁场基本保持不变； • s=0，转子顺相序同步速旋转，称为理想空载运行状态，不实现定转子能量交换； • s1，转子反转，称为电磁制动运行状态，异步电机不仅定子侧从电源吸收电功率，而且转子侧还 从外部输入机械功率，所有功率都消耗在定转子绕组的电阻上。 如果三相异步电机定子接三相对称交流电源，但相序相反，那么情况又将如何呢？这时气隙磁场旋 转方向相反，仍然以逆时针转向为正，那么气隙磁场同步转速n1为负，计算转差率s，即可以判断异 步电机的运行状态。或者以顺时针气隙磁场转向为正方向，逆时针转子转向为负，计算转差率，计 算结果应该是相同的。比如原来异步电机作为电动机运行，突然改变定子绕组与电源连接的相序， 那么定子电流和磁场将改为反相序，电动机变成电磁制动运行状态。 教学方法： 异步电机基本结构——电枢磁场——转速——转子磁场——电磁转矩——运行状态。 异步电机定转子都是电枢，气隙磁场是旋转的，定转子磁场是耦合磁场，不是独立励磁的。定子电 枢安放对称三相绕组，产生旋转磁场。绕线式转子也安放三相对称绕组且极对数与定子相同，并通 过滑环和电刷与外部电路连接；鼠笼式转子安放导条，并在电枢两端用端环将导条连接起来。转子 绕组短路时的异步电机通常称为感应电机。由于需要定子电枢提供气隙磁场，因此异步电机的气隙 较小，以减小无功电流分量。转子通过电磁感应产生磁场，对定子磁场必定是起去磁作用的，从而 引起定子磁场的增强，并与定子磁场相互作用产生电磁转矩，所以正常带负载运行时，转子转速不 等于同步速，故称为异步电机。 正因为异步电机需要电源提供滞后的无功功率，影响电网功率因数，在异步电机容量大的工厂需要 安装调相机或采取功率因数补偿措施，以改善电网功率因数，降低线路损耗，提高运行经济性