异步电机的基本理论.ppt

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1、大连理工大学电气工程系,第 3 章 异步电机的基本理论,3.1 三相异步电动机的工作原理,3.2 三相异步电动机的基本结构,3.5 三相异步电动机的运行分析,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,3.7 三相异步电动机的运行特性,3.8 单相异步电动机,*3.9 三相直线异步电动机,*3.10 三相异步发电机,第 3 章 异步电机的基本理论,3.1 三相异步电动机的工作原理,3.2 三相异步电动机的基本结构,3.3 三相异步电动机的电动势平衡方程式,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,3.5 三相异步电动机的运行分析,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,3.7 三相异步电动机的运行特性,3

2、.8 单相异步电动机,*3.9 三相直线异步电动机,*3.10 三相异步发电机,电机与拖动,返回主页,大连理工大学电气工程系,3.1 三相异步电动机的工作原理,一、旋转磁场1.旋转磁场的产生,W2 W1,V2 V1,U1 U2,第3章 异步电机的基本理论,三相(多相)电流 三相(多相)绕组 旋转磁场。三相绕组,大连理工大学电气工程系,横截面,流出,流入,3.1 三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,U V W,i1=Imsin ti2=Imsin(t120O)i3=Imsin(t120O),i1 i2 i3,t=0O 时i1=0，i2 0，i3 0,NS,3.1 三相异步电动机的工

3、作原理,大连理工大学电气工程系,t=0O 时i1=0，i2 0，i30,NS,t=120O 时i10，i2=0，i3 0,3.1 三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,NS,t=240O 时i1 0，i20，i3=0,t=360O 时i1=0，i2 0，i30,3.1 三相异步电动机的工作原理,NS,大连理工大学电气工程系,i 变化一周i 每秒钟变化 50 周i 每分钟变化(5060)周,旋转磁场转一圈旋转磁场转 50 圈旋转磁场转 3000 圈,2.旋转磁场的转速,同步转速n0,n0=3000=60 f1(r/min)同步转速 n0 的大小怎样改变？,3.1 三相异步电动机的工作

4、原理,大连理工大学电气工程系,每相绕组由一个线圈组成,每相绕组由两个线圈串联组成,3.1 三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,t=0O 时 i1=0，i2 0，i3 0,N,S,N,S,磁极对数 p p=2 电流变化一周 旋转磁场转半圈 n0=1 500,当磁极对数 p=3 时 n0=1 000,3.1 三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,3.旋转磁场的转向 U(i1)V(i2)W(i3)由超前相转向滞后相。由通入绕组中的电流的相序决定的。怎样改变 n0 的方向?V(i1)U(i2)W(i3),3.1 三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,二、工作原理,

5、对称三相绕组 通入对称三相电流,旋转磁场（磁场能量）,磁感线切割 转子绕组,转子绕组中 产生 e 和 i,转子绕组在磁场中 受到电磁力的作用,转子旋转起来,电磁转矩,3.1 三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,1.电磁转矩的产生,转子电流有功分量与e2同方向,转子电流有功分量与旋转磁场相互作用,3.1 三相异步电动机的工作原理,转子电流无功分量滞后e2 90o,转子电流无功分量与旋转磁场相互作用,大连理工大学电气工程系,转差率:,转子转速:n=(1 s)n0,起动时 n=0，s=1 理想空载时 n=n0，s=0 正常运行时 0nn0，1s0 额定运行时 sN=0.01 0.09,

6、3.1 三相异步电动机的工作原理,n0 s1,n=0s=1,0nn0 1s0,n=n0s=0,nn0s0,大连理工大学电气工程系,2.电磁转矩 的大小,T=CTm I2cos2,3.1 三相异步电动机的工作原理,3.电磁转矩的的方向,与旋转磁场的转向相同。,顺时针方向旋转,怎样改变转子的转向?,逆时针方向旋转,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结构,一、主要部件1.定子 定子铁心、定子绕组、机座和端盖等。,定子铁心的硅钢片,第3章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,定子铁心,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,定子绕组,对称三相绕组。,3.2

7、三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,定子接线盒,星形(Y)联结,三角形()联结,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,转子铁心、转子绕组、转轴、风扇等。,转子铁心的硅钢片,2.转子,转子绕组 绕线型：对称三相绕组。笼 型：对称多相绕组。,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,笼型异步电动机的转子,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,笼型异步电动机的转子,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,笼型异步电动机的转子,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结

8、构,绕线型异步电动机的转子,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结构,绕线型异步电动机的转子,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结构,三相笼型异步电动机的部件图,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结构,三相笼型异步电动机的结构,转子,定子,风扇,冷空气流,罩 壳（非驱动端）,端盖（驱动端）,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结构,三相绕线型异步电动机的结构,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结构,三相绕线型异步电动机示意图,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机的外形,更多

9、的图片,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机的外形,更多的图片,大连理工大学电气工程系,三相异步电动机的外形,3.2 三相异步电动机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,UN 400 690 V fN 50/60 Hz PN 200 2 300 kW 2p 2 8,交流低压笼型异步电动机,3.2 三相异步电动机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,UN 690 V，2 11 kVfN 50/60 Hz PN 200 3 000 kW 2p 2 12,交流高压笼型异步电动机,3.2 三相异步电动机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程

10、系,二、三相绕组,首端 尾端,1.三相单层绕组例如：z=12，p=1，m=3，y=。,两匝线圈,每极每相槽数 q,一相绕组接线图（单层）,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,槽距角 相邻两槽中心 线间的电角度。,极距 相邻两磁极中心 线间的距离（槽数）。,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,线圈节距 y 线圈两圈边之间的距离（槽数）。当 y=时，称为整距绕组；当 y 时，称为短距绕组。,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,当 q1 分布绕组。当 q=1 集中绕组。,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,例如：

11、z=12，p=1，m=3，y=5。由计算得：q=2，=30，y。,2.三相双层绕组,串联,U1 U2,实线为外层线圈边，虚线为内层线圈边。,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,双层绕组,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结构,3.三相绕组的种类(1)单层绕组和双层绕组(2)整距绕组和 短距绕组 整距绕组 y=短距绕组 y1,大连理工大学电气工程系,1.极数 转子极数=定子极数 因为：转子中的电动势和电流是感应出来的。,三、笼型绕组,p1=p2=p,SN NS,如果两者不相等，则转子转不起来。,3.2 三相异步电动机的基本

12、结构,大连理工大学电气工程系,2.相数,笼型转子是对称多相绕组。转子槽数能被磁极对数整除时,每对磁极下的每一根导条 就构成一相。各对极下占相同位置的导 条可看作是属于一相的并联导条，即每相有 p 根导条并联。m2=6,转子槽数不能被极对数整除时 m2=z2 即每一根导条就构成一相。,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,3.匝数,四、额定值,（一根导条相当于半匝）,三相异步电动机型 号 Y132S6 功 率 3 kW 频 率 50Hz 电 压 380 V 电 流 7.2 A 联 结 Y转 速 960r/min 功率因数 0.76 绝缘等级 B,2p=6,轴上输出额定机械功率

13、PN,额定电压(线电压),额定电流(线电流),3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,3.2 三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机的铭牌,大连理工大学电气工程系,【例】Y180M2 型三相异步电动机，PN=22 kW，UN=380 V，三角形联结，IN=42.2 A，N=0.89，fN=50 Hz，nN=2 940 r/min。求额定运行时的：(1)转差率；(2)定子绕组的相电流；(3)输入有功功率；(4)效率。,解：(1)由型号知 2p=2，即 p=1，因此 n0=3 000 r/min，故,(2)由于定子三相绕组为三角形联结，故相电流为,3.2 三相异步电动机的基本结

14、构,大连理工大学电气工程系,(3)输入有功功率,=1.73238042.20.89 W=24719.2 W=24.72 kW(4)效率,3.2 三相异步电动机的基本结构,大连理工大学电气工程系,3.3 三相异步电动机的电动势平衡方程式,一、定子电路的电动势平衡方程式电动势平衡方程式,E1=4.44 kw1 N1f 1m,定子绕组的电动势,kw1定子绕组的绕组因数,kw1N1定子绕组的有效匝数,第3章 异步电机的基本理论,式中,大连理工大学电气工程系,定子频率,忽略R1和X1，则,U1=E1=4.44 kw1 N1f,即m正比于相电压U1,3.3 三相异步电动机的电动势平衡方程式,大连理工大学电

15、气工程系,E2s=4.44 kw2N2f2m,二、转子电路的电动势平衡方程式,电动势平衡方程式,转子绕组漏电抗,X2s=2 f2L2,转子绕组电动势,kw2转子绕组的绕组因数(笼型绕组kw2=1),kw2N2转子绕组的有效匝数,3.3 三相异步电动机的电动势平衡方程式,式中,大连理工大学电气工程系,=s f1,转子频率,E2=4.44 kw2N2f1m,转子静止时，f2=f1,转子静止时的漏电抗,X2=2 f1L2,转子静止时的电动势,X2s=s X2 E2s=s E2,则,3.3 三相异步电动机的电动势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,【例】某绕线型三相异步电动机，nN=2 880 r/m

16、in，fN=50 Hz，转子绕组开路时的额定线电压 U2N=254 V。求该电动机在额定状态下运行时转子每相绕组的电动势E2s 和转子频率 f2。,解：由 nN=2 880 r/min，可知n0=3 000 r/min，则,由于转子绕组为星形联结，故转子绕组开路时的相电压为,3.3 三相异步电动机的电动势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,额定状态下运行时,E2s=sNE2=0.04146.82 V=5.87 V f2=sNf1=0.0450 Hz=2 Hz,3.3 三相异步电动机的电动势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,三、绕组因数,kw=kp ks1.节距因数整距线圈的电动势,短距线圈的

17、电动势,3.3 三相异步电动机的电动势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,2.分布因数 集中绕组 E=q 个线圈电动势的代数和,=qEc,分布绕组 E=q 个线圈电动势的相量和,qEc,两者之比，即,在整距绕组中 kp=1,在短距绕组中 kp 1,3.3 三相异步电动机的电动势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,已知：相邻两个线圈电动 势的相位差为。设：q=3，则,=q Ec ks,3.3 三相异步电动机的电动势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,一、磁通势平衡方程式,1.定子旋转磁通势,转向,与定子电流相序一致。,转速,幅值,第3章 异步电机的基本理

18、论,大连理工大学电气工程系,2.转子旋转磁通势,转向,幅值,与转子电流的相序一致，即与定子电流 相序一致。,转速(1)转子旋转磁通势相对于转子的转速,=s n0,(2)转子旋转磁通势相对于定子的转速 n2+n=s n0+(1s)n0=n0,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,结论(1)转子旋转磁通势与定子旋转磁通势在空间 是沿同一方向以同一速度旋转的。(2)二者组成了统一的合成旋转磁通势，共同产生旋转磁场。,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,单相电流通过单相绕组产生脉

19、振磁通势和脉振磁场 脉振磁场：轴线不变，大小和方向 随时间交变 的磁场。脉振磁通势：产生脉振磁 场的磁通势。,二、脉振磁通势,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,S NN S,U1U2 与 U3U4串联:,脉振磁通势的幅值 绕组磁通势的幅值=kw N Im,气隙矩形波磁通势的幅值,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,气隙基波磁通势的幅值,三、旋转磁通势,三相电流通过三相绕组时，三相绕组的三个基波脉振磁通势为FpU=Fpm sin tFpV=Fpm sin(t 120o)FpW=Fpm sin(t120o),3.4 三相异步电动机的磁通

20、势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,NS,将它们用空间矢量表示，其参考方向如图,FpU,FpV,FpW,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,当 t=0o 时,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,FpU=Fpm sin90o=Fpm FpV=Fpm sin(30o)=Fpm/2FpW=Fpm sin 210o=Fpm/2,结论：F 的大小不变。,当 t=90o 时,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,【例】有一三相双层绕组，z=36，p=2，y=8/9，N=96。(1)分析该绕组的类型；(2)若旋转磁场磁

21、通最大值 m=0.011 Wb，转速 n0=1 500 r/min，则每相绕组中产生的电动势的有效值是多少？(3)若通过每相绕组的电流有效值为 I=2.04 A，该三相绕组产生的旋转磁通势的幅值是多少？,解：(1)由于 y=8/9，故为短距绕组。由于,=31,(2)电动势,分布绕组,=0.985,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,=20,=0.96,=50 Hz,E=4.44 f kw Nm=4.44500.9850.96960.011 V=220 V,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,(3)磁通势,=125 A,3.4 三相异步

22、电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,四、高次谐波磁通势和电动势,磁极的磁场=基波磁场+奇次谐波磁场v 次谐波的磁极对数：v 次谐波电动势频率：v 次谐波电动势大小：v 次谐波的绕组因数：v 次谐波的节距因数：v 次谐波的分布因数：,pv=v p1f v=v f 1E v=4.44 f v kwv Nmkwv=kpv ksv,基波极对数 p,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,(1)在同步电机中，谐波磁通势所产生的磁场在转子表面 产生涡流损耗，使电机发热，。(2)在感应电机中，谐波磁场产生寄生转矩，影响其起动性 能；损耗，cos，温升，。y=(0.8

23、0.83)谐波电动势的影响 使发电机电动势波形变坏，供电质量，杂散损耗，温升；干扰邻近通信线路。措施 改善气隙磁场分布；采用短距绕组和分布绕组；笼型异步电动机转子采用斜槽形式。,谐波磁通势的影响,3.4 三相异步电动机的磁通势平衡方程式,大连理工大学电气工程系,3.5 三相异步电动机的运行分析,一、等效电路,f1,f2,m1、kw1N1 m2、kw2N2,1.频率折算,第3章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,频率归算的物理含义,用一个静止的、电阻为 R2/s 的等效转子去代替电阻为 R2 的实际旋转的转子。,3.5 三相异步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,2.绕组折算,用

24、一个相数和有效匝数与定子绕组相同的转子绕组去等效代替实际的转子绕组。等效的原则：保证电磁效应和功率关系不变。(1)电动势的折算 折算前：折算后：定、转子的电动势之比：E2=E1=ke E2,E2=4.44 f1 kw2N2m E2=E1=4.44 f1 kw1N1m,3.5 三相异步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(2)电流的折算,折算前：,折算后：,电流比：,3.5 三相异步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(3)阻抗的折算,折算前：,折算后：,阻抗比：,=ke ki,Z2=kZ Z2,R2=kZ R2X2=kZ X2,3.5 三相异步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程

25、系,3.等效电路及其简化,3.5 三相异步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,二、基本方程式,3.5 三相异步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,三、相量图,3.5 三相异步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例】一台三相 4 极笼型异步电动机，UN=380 V，三角形联结，fN=50 Hz，nN=1 452 r/min，R1=1.33，X1=2.43，R2=1.12，X2=4.4，R0=7，X0=90。试用 T 形和简化等效电路计算额定状态下运行时的定子相电流、转子相电流 和励磁电流。,解：(1)应用 T 形等效电路,Z1=R1jX1=(1.33j 2.43)Z2=R2/

26、s jX2=(1.12/0.032j 4.4),3.5 三相异步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,3.5 三相异步电动机的运行分析,Z0=R0jX0=(7j90),或,大连理工大学电气工程系,(2)应用简化等效电路,3.5 三相异步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,一、三相异步电动机的功率 1.输入功率 P1 P1=3 U1I1cos1,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,2.定子铜损耗 PCu1 PCu1=m1R1I12=3R1I123.铁损耗 PFe（转子铁损耗忽略不计）PFe=m1R0I02=3R0I02,第3章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,4.电磁功率

27、Pe,Pe=P1PCu1PFePe=m2 E2 I2cos2=m1 E2 I2 cos2,5.转子铜损耗 PCu2 PCu2=m2 R2 I22=m1 R2 I2 2=s Pe,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,8.输出功率 P2 P2=PmP0=PePCu2P0=P1PCu1PFePCu2P0,6.机械功率 Pm,Pm=PePCu2,=(1s)Pe,7.空载损耗 P0 P0=PmePad,机械损耗,附加损耗,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,P1,Pe,P2,Pm,总损耗 Pal Pal=PFePCuPmePad=PFe(PCu1PCu2)

28、PmePad 功率平衡方程式 P2=P1Pal 效率,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,【例】某三相异步电动机，UN=380 V，形联结,f1=50Hz,R1=1.5,R2=1.2。在拖动某负载运行时，相电流 I1=11.5A，I2=10A,=0.86,=82%,n=1446 r/min。求：该电机的 P1、Pe、Pm 和P2。,解：同步转速,T2=TL=140 Nm,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,转差率,大连理工大学电气工程系,输入功率,P1=3 U1 I1=3 380 11.50.86W=11.27kW,P2=P1,=0.8211.27 kW=9.24 kW

29、,Pm=(1s)Pe=(10.036)10 kW=9.64 kW,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,输出功率,电磁功率,机械功率,大连理工大学电气工程系,二、三相异步电动机的转矩,Pm=P2P0,T=T2T0,1.电磁转矩 T,2.空载转矩 T0,3.输出转矩 T2,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,电动机的负载转矩为 TL，稳定运行时,T2=TL若 TL,T2TL,n,s,E2s,I2s(I1),T,T2=TL,重新稳定运行(n 较高,I1 较小)。,一般 T0 很小，在满载或接近满载时，,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,T0 T,因此 T=T2=TL,大连理

30、工大学电气工程系,【例】求例中的电动机的转矩T2、T0 和T。,解:输出转矩,电磁转矩,空载转矩,P0=Pm P2=(9.64 9.24)kW=0.4kW,空载损耗,T=T0+T2=(2.64+61.05)N m=63.69N m,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,或者,3.6 三相异步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,3.7 三相异步电动机的运行特性,当 U1=U1N，f1=f1N 时，n=f(P2)I1=f(P2)T=f(P2)=f(P2)=f(P2),运行特性,P2,n,I1(I2),T(P1),在额定功率附近，和 最高。,第3章 异步电机的基本理论,

31、大连理工大学电气工程系,3.8 单相异步电动机,一、脉振磁场 定子：单相绕组；转子：笼型。定子单相绕组产生的脉振磁场,第3章 异步电机的基本理论,SN,NS,大连理工大学电气工程系,脉振磁通势的分解,FF=FR=F/2,3.8 单相异步电动机,大连理工大学电气工程系,3.8 单相异步电动机,大连理工大学电气工程系,二、工作原理,当转子与旋转磁场转向相同时，转差率,当转子与旋转磁场转向相反时，转差率,当转子静止时，n=0，sF=sR=1 时 TF=TR，Tst=0 当 转子旋转时，n0 时,3.8 单相异步电动机,大连理工大学电气工程系,转子顺时针方向旋转,sF1，sR1,TFTR T=TFTR

32、 0，转子继续顺时针方向旋转。,转子逆时针方向旋转,sF1，sR1,TRTF T=TFTR 0转子继续逆时针方向旋转。,3.8 单相异步电动机,大连理工大学电气工程系,三、起动方法,1.两相起动 定子绕组：,主绕组辅助绕组,（工作绕组）（起动绕组）,原理：,旋转磁场,起动转矩,两相电流,3.8 单相异步电动机,大连理工大学电气工程系,转子,单相电容电动机的原理图,工作绕组,起动绕组,3.8 单相异步电动机,大连理工大学电气工程系,单相电容起动电动机,3.8 单相异步电动机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,转子,2.罩极起动,短路环,定子,定子 磁极,3.8 单相异步电动机,大连理工大学电气

33、工程系,*3.9 三相直线异步电动机,旋转电机,直线电机,第3章 异步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,*3.9 三相直线异步电机,(a)短初级(b)短次级,单边型直线电动机,双边型直线电动机,大连理工大学电气工程系,*3.10 三相异步发电机,第3章 异步电机的基本理论,单机运行的异步发电机,并联电容后的相量图,大连理工大学电气工程系,*3.10 三相异步发电机,O,IC,E,Er,=2 f CE,异步发电机的自励过程,A,C C E C C E,自励的条件(1)转子铁心要有剩磁。(2)定子绕组必须并联电容。(3)必须有足够的电容。,大连理工大学电气工程系,练 习 题,3.3.1 3.3.2 3.5.1 3.5.2 3.5.3*以教师画勾的题为准。,第3章 异步电机的基本理论,下一章,