第06章-三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理

第六章三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理及工作特性1第一節(jié)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)一般異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子總是旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子不動(dòng)是它的一種特殊情況，即電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。此時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式與變壓器二次側(cè)短路時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)非常相似。其定子側(cè)相當(dāng)于變壓器的一次側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)相當(dāng)于變壓器的二次側(cè)，變壓器的二次側(cè)和異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)電動(dòng)勢(shì)、電流都是電磁感應(yīng)產(chǎn)生的。其不同之處在于，異步電機(jī)三相合成磁動(dòng)勢(shì)為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，變壓器為脈動(dòng)磁動(dòng)勢(shì)；異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間有氣隙，空載勵(lì)磁電流較大，而變壓器一、二次繞組之間磁路無(wú)氣隙，空載勵(lì)磁電流較??；異步電機(jī)的繞組是分布繞組，而變壓器的繞組為集中繞組。2定子繞組在外加電壓和內(nèi)部感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)共同作用下，流過(guò)電流；轉(zhuǎn)子繞組在轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)作用下，流過(guò)電流，整個(gè)電機(jī)處于電磁平衡狀態(tài)。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組接到三相對(duì)稱(chēng)電源時(shí)，定子繞組中流過(guò)三相對(duì)稱(chēng)電流，在電機(jī)中建立旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)同時(shí)切割定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，并在其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組是閉合的，在轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下，轉(zhuǎn)子繞組中有電流流過(guò)，轉(zhuǎn)子電流建立轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)方向與定子的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)相同。轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，即轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率與定子電流頻率相同。因此，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度?？梢?jiàn)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)和定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)在空間以同轉(zhuǎn)向、同速度旋轉(zhuǎn)，即二者相對(duì)靜止。一、轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電磁關(guān)系

3二、電動(dòng)勢(shì)平衡方程轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，主磁通以同步轉(zhuǎn)速切割定子和轉(zhuǎn)子繞組，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其有效值為：同樣，漏磁通也在繞組中感應(yīng)漏電動(dòng)勢(shì)，與變壓器類(lèi)似，漏電動(dòng)勢(shì)用漏抗壓降來(lái)表示，有：4定、轉(zhuǎn)子回路電動(dòng)勢(shì)方程為：5三、磁動(dòng)勢(shì)平衡方程，稱(chēng)為異步電機(jī)的電流變比；，為定子繞組電流的負(fù)載分量。6四、轉(zhuǎn)子繞組的折算

電流的折算保持折算前后磁動(dòng)勢(shì)2.電動(dòng)勢(shì)及電壓的折算保持折算前后電磁功率不變，有：為電動(dòng)勢(shì)變比。73.阻抗的折算折算前后繞組的銅耗不變，有：根據(jù)折算前后功率因數(shù)不變的原則，有：8經(jīng)過(guò)折算后異步電機(jī)的基本方程為：9五、等效電路10第二節(jié)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)

當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)后，電機(jī)主磁通仍以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，所以定子回路電動(dòng)勢(shì)平衡方程不變。而轉(zhuǎn)子繞組以相對(duì)速度切割主磁通，所以轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率、大小及漏抗都將發(fā)生變化。、轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率為：，稱(chēng)為轉(zhuǎn)差頻率。由于異步電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s很小，所以正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子頻率很低，為1～3Hz。由于頻率改變，所以轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也變化，有效值為：11二、轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)平衡方程因?yàn)檗D(zhuǎn)子回路不變，所以電動(dòng)勢(shì)方程形式不變，為：

此時(shí)，轉(zhuǎn)子漏抗為：

三、磁動(dòng)勢(shì)平衡方程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)平衡方程仍為：

12頻率折算的物理意義是：用一個(gè)靜止的具有電阻為的等效轉(zhuǎn)子去代替電阻為的實(shí)際旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，等效轉(zhuǎn)子與實(shí)際轉(zhuǎn)子具有相同的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)。四、頻率折算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后轉(zhuǎn)子電流為：只要等效的靜止轉(zhuǎn)子滿(mǎn)足，則完成了頻率折算。13頻率折算后，轉(zhuǎn)子電阻分解為兩項(xiàng)：經(jīng)過(guò)頻率折算后，再考慮轉(zhuǎn)子繞組的折算，最終得到異步電機(jī)的基本方程為；14五、等效電路15輸入電動(dòng)機(jī)的電功率減去和后，余下的功率通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)，為電磁功率當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，由于定子繞組有電阻，產(chǎn)生定子銅耗第三節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性、功率平衡方程三相異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，從電源輸入的電功率為：異步電動(dòng)機(jī)鐵耗主要指定子鐵耗，即：

16電磁功率可以表示為：也可表示為：轉(zhuǎn)子繞組的銅耗附加電阻上的損耗附加電阻上的損耗，這部分損耗實(shí)際上就是傳遞到電機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械功率，稱(chēng)為總機(jī)械功率，它是轉(zhuǎn)子繞組中電流與氣隙磁場(chǎng)共同作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的功率，有：17轉(zhuǎn)子銅耗與電磁功率的關(guān)系：總機(jī)械功率與電磁功率的關(guān)系：18二、轉(zhuǎn)矩平衡方程—轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度

—輸出轉(zhuǎn)矩—電磁轉(zhuǎn)矩—與負(fù)載無(wú)關(guān)的空載轉(zhuǎn)矩19，稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步角速度。

三、電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式1.物理表達(dá)式利用異步電動(dòng)機(jī)等效電路可知，電磁功率還可以表示為：電磁轉(zhuǎn)矩為：

202.參數(shù)表達(dá)式物理表達(dá)式常用于定性分析，深入分析時(shí)并不方便，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)等效電路可推導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式（推導(dǎo)從略）如下：

，為異步電動(dòng)機(jī)的短路電抗。21四、機(jī)械特性當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)電源電壓恒定，電機(jī)參數(shù)已知時(shí)，可根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式得到轉(zhuǎn)差率s與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系曲線(xiàn)，即曲線(xiàn)，稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線(xiàn)。22五、最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩1.最大電磁轉(zhuǎn)矩令可求出產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率，稱(chēng)為臨界轉(zhuǎn)差率，為：得到最大電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

23定子繞組電阻很小，可忽略，這樣，臨界轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩公式可近似為：討論：當(dāng)電源頻率和電機(jī)參數(shù)不變時(shí)，最大電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比；當(dāng)電源電壓和頻率一定時(shí)，最大電磁轉(zhuǎn)矩與短路電抗成反比；最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)，但臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)，轉(zhuǎn)子電阻增大，臨界轉(zhuǎn)差率增大，T-s曲線(xiàn)的最大值向s增大方向偏移。24轉(zhuǎn)子電阻對(duì)臨界轉(zhuǎn)差率的影響252.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（又叫堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩）的大小決定了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，將代入電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，可求出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：討論：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與外加電壓的平方成正比，電壓減小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩成平方倍減小。要增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可在轉(zhuǎn)子回路串電阻，隨著所串電阻的增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也增加。但是，隨著轉(zhuǎn)子電阻增加，轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)子銅耗也將增大。26要使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)有最大轉(zhuǎn)矩，可令，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)子回路所串的電阻應(yīng)為：3.額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩是異步電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率為額定轉(zhuǎn)差率,可根據(jù)電動(dòng)機(jī)銘牌標(biāo)出的額定機(jī)械功率和額定轉(zhuǎn)速求出，為27六、過(guò)載能力和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)1.過(guò)載能力電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，如果最大電磁轉(zhuǎn)矩較負(fù)載轉(zhuǎn)矩大得越多，電動(dòng)機(jī)承受短時(shí)過(guò)載能力越強(qiáng)，將最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定電磁轉(zhuǎn)矩之比稱(chēng)為過(guò)載能力，用表示，為：如果電動(dòng)機(jī)的負(fù)載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于最大轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)。為保證電動(dòng)機(jī)不會(huì)因?yàn)槎虝r(shí)過(guò)載而停轉(zhuǎn)，要求電動(dòng)機(jī)具有一定的過(guò)載能力。一般異步電動(dòng)機(jī)的，特殊要求時(shí)。

282.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)如果起動(dòng)轉(zhuǎn)矩太小，在一定負(fù)載下電動(dòng)機(jī)可能無(wú)法起動(dòng)。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)越容易。通常用和的比值來(lái)表示電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)，為：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)是電動(dòng)機(jī)的又一個(gè)重要性能指標(biāo)，我國(guó)生產(chǎn)的Y系列三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，為1.2～2.4（中小型）和0.5～0.8（大中型）。29六、穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的條件為：30七、人為機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)在改變電源電壓、電源頻率、定子極對(duì)數(shù)或增大定、轉(zhuǎn)子阻抗的情況下，所得到的機(jī)械特性稱(chēng)為人為機(jī)械特性。

1.降低定子端電壓的人為機(jī)械特性在電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式中，保持其它量都不變，只改變定子電壓Us的大小。由于異步電動(dòng)機(jī)的磁路在額定電壓下工作于近飽和點(diǎn)，故不宜再升高電壓，所以只討論降低定子電壓Us時(shí)的人為機(jī)械特性。31

2.轉(zhuǎn)子回路串三相對(duì)稱(chēng)電阻的人為機(jī)械特性繞線(xiàn)式三相異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)滑環(huán)，可以把三相對(duì)稱(chēng)電阻串入轉(zhuǎn)子回路后再三相短路。轉(zhuǎn)子回路串入電阻并不影響同步轉(zhuǎn)速n1。又因?yàn)樽畲箅姶呸D(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子回路電阻無(wú)關(guān)，即轉(zhuǎn)子串入電阻后，Tm不變。由于臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子回路電阻成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)子串入電阻后sm增大。轉(zhuǎn)子回路串三相對(duì)稱(chēng)電阻的人為機(jī)械特性如