第五章 異步電機(jī)(二)

第五章異步電機(jī)（二）第一節(jié)三相異步電動機(jī)運行時的電磁過程一、異步電動機(jī)負(fù)載時的物理情況

當(dāng)三相異步電動機(jī)的定子繞組接到對稱三相電源時，定子繞組中就通過三相交流電流。若不計諧波和齒槽影響，這個對稱三相交流電流將在氣隙內(nèi)形成按正弦規(guī)律分布、并且以同步轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁動勢F1，由旋轉(zhuǎn)磁動勢F1建立旋轉(zhuǎn)的氣隙主磁場Bm。這個旋轉(zhuǎn)磁場切割定子、轉(zhuǎn)子繞組，分別在定子、轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)出定子電動勢和轉(zhuǎn)子電動勢。在轉(zhuǎn)子電動勢作用下轉(zhuǎn)子回路中有對稱三相電流流過。于是，在氣隙磁場和轉(zhuǎn)子電流的相互作用下，產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就順著旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動。2

三相異步電動機(jī)空載時，電磁轉(zhuǎn)矩只需克服很小的空載損耗，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速n≈ns，可以認(rèn)為旋轉(zhuǎn)磁場不切割轉(zhuǎn)子繞組，對應(yīng)的轉(zhuǎn)子繞組電流很小，I2≈0，建立氣隙磁場的勵磁磁動勢就是定子繞組產(chǎn)生的三相合成磁勢?？蛰d的情況下：n≈ns,I2≈03

當(dāng)異步電動機(jī)從空載到負(fù)載瞬時，由于軸上機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩的突然增加，原空載時的電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)開始降速，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間的相對運動加大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢增加，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩增加，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩增加到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和空載制動轉(zhuǎn)矩相平衡時，電動機(jī)就以低于空載時的轉(zhuǎn)速而穩(wěn)定運行。

當(dāng)電機(jī)帶有機(jī)械負(fù)載后：n<ns,E2s增大，I2增大，轉(zhuǎn)子繞組電流也形成了磁動勢F2。4三相繞組基波磁勢合成圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢三相異步電動機(jī)定子繞組的電動勢回顧5三相異步電動機(jī)定子繞組的電動勢回顧定子繞組6轉(zhuǎn)子繞組電勢為三相對稱電動勢，轉(zhuǎn)子繞組電流為三相對稱電流，轉(zhuǎn)子磁動勢F2是一種旋轉(zhuǎn)磁動勢。轉(zhuǎn)子繞組（一）轉(zhuǎn)子磁動勢分析7

如果相序為A-B-C的異步電動機(jī)定子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，因為n<ns，旋轉(zhuǎn)磁場以ns-n的相對轉(zhuǎn)速逆時針方向切割轉(zhuǎn)子繞組，則轉(zhuǎn)子電流相序為a-b-c

。則轉(zhuǎn)子磁動勢F2的旋轉(zhuǎn)方向也按照相序a-b-c，即：按逆時針方向。1、轉(zhuǎn)子磁動勢F2的旋轉(zhuǎn)方向82、F2轉(zhuǎn)速的大小

轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)電動勢和電流的頻率為f2為轉(zhuǎn)差頻率，轉(zhuǎn)子電流形成的轉(zhuǎn)子磁動勢F2的旋轉(zhuǎn)方向與F1的旋轉(zhuǎn)方向相同，它相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為Δn，F(xiàn)2相對于定子的轉(zhuǎn)速應(yīng)為其相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速Δn再加上轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速n，等于ns，即F2與F1在空間保持靜止，兩者無相對運動9（二）磁動勢平衡轉(zhuǎn)子磁動勢F2與定子磁動勢F1相對靜止，得到合成磁動勢F1+F2負(fù)載時空載時電動機(jī)從空載到負(fù)載，定子繞組的感應(yīng)電動勢的變化很小，差不多和電源電壓相平衡。所以，工程上可以近似認(rèn)為于是10異步電動機(jī)的負(fù)載運行時的電磁關(guān)系（三）電磁關(guān)系11有效值相量表達(dá)式定、轉(zhuǎn)子的漏磁通在各自繞組中感應(yīng)產(chǎn)生漏電動勢12二、基本方程式（一）磁動勢平衡方程式式中m1、m2為定子、轉(zhuǎn)子的相數(shù)；Im為對應(yīng)于勵磁磁動勢的勵磁電流。勵磁電流負(fù)載電流令則異步電動機(jī)的電流比13（二）電動勢平衡方程式14RΩ為轉(zhuǎn)子繞組中的外加電阻15

Zm為表征鐵心磁化特性和鐵耗的一個綜合參數(shù)，稱為勵磁阻抗；Xm稱為勵磁電抗；Rm為反映鐵耗的勵磁電阻。定子漏電抗轉(zhuǎn)子漏電抗

和變壓器一樣，感應(yīng)電動勢和漏電動勢作為電壓降來處理16令當(dāng)n=0,s=1，f2=f1用表示轉(zhuǎn)子不動時轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)漏電動勢的有效值，如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，有效值為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的漏電抗X2s，等于轉(zhuǎn)子不動時的漏電抗X2與轉(zhuǎn)差率s的乘積轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的感應(yīng)電動勢E2s，等于轉(zhuǎn)子不動時的感應(yīng)電動勢E2與轉(zhuǎn)差率s的乘積。17旋轉(zhuǎn)時異步電動機(jī)的電路異步電動機(jī)負(fù)載時的基本方程式列出如下18

為了更方便的分析異步電動機(jī)的運行特性。希望得到一個象變壓器那樣的等效電路，則必須進(jìn)行兩次折算：一是頻率折算；二是繞組折算。從磁通勢平衡關(guān)系可知，轉(zhuǎn)子對定子的影響是通過轉(zhuǎn)子磁勢通來實現(xiàn)的。所以這兩種折算的原則和變壓器一樣，即折算前后F2不變以保證磁勢平衡關(guān)系不變及各種功率不變。第二節(jié)三相異步電動機(jī)的等效電路及相量圖一、異步電動機(jī)的等效電路19（一）頻率歸算頻率歸算——保持整個電磁系統(tǒng)的電磁性能不變，把一種頻率的參數(shù)和物理量換算成另一種頻率的參數(shù)和物理量。在這里，就是用一個具有定子頻率而等效于轉(zhuǎn)子的電路去代換實際轉(zhuǎn)子電路。所謂“等效”是指：1）進(jìn)行代換后，轉(zhuǎn)子電路對定子電路的電磁效應(yīng)不變。2）等效的轉(zhuǎn)子電路的電磁性能（有功功率、無功功率、銅耗等）必須和實際轉(zhuǎn)子電路一樣。當(dāng)n=0,s=1，f2=f1，說明轉(zhuǎn)子頻率與定子頻率相等時，轉(zhuǎn)子是靜止的。因此，只要利用一個靜止的等效轉(zhuǎn)子電路來代替實際上旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子電路，為此，將實際運行的轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換成等效靜止的轉(zhuǎn)子電流。20若RΩ=0分子、分母同除以s以上兩式中的前者頻率為f2

，后者為f1，但電流的數(shù)值仍是相等的，因此頻率折算前后保證轉(zhuǎn)子磁動勢F2不變。模擬電阻，等效負(fù)載電阻轉(zhuǎn)子實際電阻實際的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子軸上有機(jī)械損耗和機(jī)械功率輸出。頻率折算后，轉(zhuǎn)子靜止，沒有機(jī)械損耗和機(jī)械功率輸出，但電路中多了一個附加電阻。根據(jù)能量守恒關(guān)系，該電阻消耗的功率等效機(jī)械損耗和機(jī)械功率之和——總的機(jī)械功率。22繞組折算：用與定子繞組一樣的m1、N1和Kw1新轉(zhuǎn)子繞組等效代替實際參數(shù)m2、N2及Kw2的轉(zhuǎn)子繞組。但保證F2不變，功率關(guān)系不變。為了區(qū)別起見，將折算過的各量均用原符號加“’”來表示。（二）繞組歸算異步電動機(jī)的電流比由轉(zhuǎn)子磁動勢不變23由轉(zhuǎn)子總的視在功率不變式中由轉(zhuǎn)子銅耗和漏磁通儲能不變?yōu)殡妱觿荼绒D(zhuǎn)子繞組折算到定子繞組的規(guī)律是：單位為[A]的折算量等于折算前的量除以電流比ki；單位為[V]的折算量等于折算前的量乘以電動勢比ke；單位為[Ω]的折算量等于折算前的量乘以keki。2424繞組歸算后的定、轉(zhuǎn)子電路經(jīng)過歸算后，定子、轉(zhuǎn)子的電動勢方程式磁動勢方程式勵磁支路的電動勢方程式25（三）異步電動機(jī)的等效電路26幾種異步電動機(jī)的典型運行情況1、空載運行2、額定負(fù)載下運行轉(zhuǎn)差率SN

大約為5%，轉(zhuǎn)子電路中的總電阻為轉(zhuǎn)子電阻R2’

的20倍左右，轉(zhuǎn)子電路基本上成為電阻性的，負(fù)載情況下的(-I2)比Im

大得多，所以定子的功率因數(shù)能達(dá)到0.8

~

0.85。轉(zhuǎn)子電路相當(dāng)于開路情況，電流Im

滯后于外加電壓U1的相位差接近90°,所以異步電機(jī)空載運行時功率因數(shù)很低。273、起動時的情況附加電阻為零，起動電流很大，功率因數(shù)較低。4、異步發(fā)電運行轉(zhuǎn)差率為負(fù)，附加電阻也為負(fù)值。表示從轉(zhuǎn)子軸上輸入（而不是輸出）機(jī)械功率轉(zhuǎn)子機(jī)械功率輸入=轉(zhuǎn)子銅耗+傳給定子的電磁功率。285、電磁制動狀態(tài)運行

，附加電阻為負(fù)值，表示從轉(zhuǎn)子軸上輸入（而不是輸出）機(jī)械功率。轉(zhuǎn)子機(jī)械功率輸入+定子輸入電磁功率

=轉(zhuǎn)子銅耗29異步電機(jī)近似等效電路常把勵磁支路移到輸入端，使電路簡化為單純的并聯(lián)電路，這種等效電路稱為異步電動機(jī)近似的等效電路。注意：和變壓器情況不同，因為勵磁電流占總負(fù)載電流的比例并不很小，故勵磁支路只能前移，不能略去。（四）等效電路的簡化30二、異步電動機(jī)的相量圖31能量轉(zhuǎn)換關(guān)系功率關(guān)系第三節(jié)三相異步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩一、功率轉(zhuǎn)換過程32二、功率方程式1.從定子繞組輸入電動機(jī)的功率2.一小部分消耗在定子電阻上的定子銅耗3.一小部分消耗在定子鐵心中的鐵耗4.余下的電功率經(jīng)過氣隙磁場傳送到轉(zhuǎn)子，這就是異步電動機(jī)的電磁功率335.轉(zhuǎn)子繞組電阻上發(fā)生了轉(zhuǎn)子銅耗由于正常運行時轉(zhuǎn)差率很小，所以轉(zhuǎn)子的鐵耗可以略去不計。6.余下是使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的總機(jī)械功率7.扣除機(jī)械損耗和附加損耗最終為轉(zhuǎn)子軸上輸出凈機(jī)械功率P234因為機(jī)械功率等于相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩與機(jī)械角速度的乘積，所以對機(jī)械功率方程式三、轉(zhuǎn)矩方程式

兩邊除以轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度

Ω就可以得到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式式中——電動機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；——機(jī)械損耗轉(zhuǎn)矩；

——附加損耗轉(zhuǎn)矩；——空載轉(zhuǎn)矩；

——電磁轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子做功的物理情況電磁轉(zhuǎn)矩既可以用轉(zhuǎn)子的總機(jī)械功率除以轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度來計算；也可以用電磁功率除以同步角速度來計算。35四、電磁轉(zhuǎn)矩公式——轉(zhuǎn)矩常數(shù)36三相異步電動機(jī)的工作特性是指在U1=UN和f1=fN條件下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n、定子電流I1、功率因數(shù)特性cos1、轉(zhuǎn)矩特性T、效率特性與輸出功率P2的關(guān)系。轉(zhuǎn)速特性n=f(P2)定子電流特性I1=f(P2)功率因數(shù)特性cos1=f(P2)

轉(zhuǎn)矩特性T=f(P2)效率特性=f(P2)

第四節(jié)三相異步電動機(jī)的工作特性及其測取方法37一、工作特性的分析1、轉(zhuǎn)速特性負(fù)載增大時，必使轉(zhuǎn)速略有下降，轉(zhuǎn)子電勢

E2s

增大，所以轉(zhuǎn)子電流

I

2

增大，以產(chǎn)生更大一點的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡。因此隨著輸出功率

P2

的增大，轉(zhuǎn)速稍有下降，所以異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速特性為一條稍向下傾斜的曲線輸出功率變化時轉(zhuǎn)速變化的曲線

382、定子電流特性空載時P2=0，I20，I1=Im，隨著P2↑→n↓→I2

↑→I1↑393、功率因數(shù)特性(1)空載時定子電流I1

主要用于無功勵磁，所以功率因數(shù)很低，約為0.1~

0.2(2)負(fù)載增加時轉(zhuǎn)子電流的有功分量增加，定子電流的有功分量隨之增加，使功率因數(shù)提高。(3)接近額定負(fù)載時功率因數(shù)達(dá)到最大(4)負(fù)載超過額定值時s值就會變得較大，使轉(zhuǎn)子電流中得無功分量增加，因而使電動機(jī)定子功率因數(shù)又重新下降了。

404、電磁轉(zhuǎn)矩特性5、效率特性電磁轉(zhuǎn)矩特性近似為于一條斜率為1/Ω

的直線。當(dāng)可變損耗等于不變損耗時，異步電動機(jī)的效率達(dá)到最大值。中小型異步電機(jī)的最大效率出現(xiàn)在大約為3/4的額定負(fù)載時。第五節(jié)三相異步電動機(jī)參數(shù)的測定通過空載試驗可以測定異步電動機(jī)的勵磁參數(shù)，異步電動機(jī)的勵磁參數(shù)決定于電機(jī)主磁路的飽和程度，所以是一種非線性參數(shù)；通過堵轉(zhuǎn)試驗可以測定異步電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)參數(shù),異步電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)參數(shù)基本上與電機(jī)的飽和程度無關(guān)，是一種線性參數(shù)。

我們要利用異步電動機(jī)的等效電路定量計算和分析時，必須知道等效電路中的參數(shù)。與變壓器一樣，可分別通過空載試驗和堵轉(zhuǎn)試驗來測定。4142一、空載試驗與勵磁參數(shù)的確定1、空載試驗異步電動機(jī)在額定電壓、額定頻率下，軸上不帶任何負(fù)載運行。2、勵磁參數(shù)與鐵耗及機(jī)械損耗的確定空載試驗時輸入電動機(jī)的損耗有：定子銅耗、鐵耗和機(jī)械損耗從空載損耗中扣除定子銅耗，可得鐵耗和機(jī)械損耗之和1.機(jī)械損耗和鐵耗的分離43曲線作曲線延長線相交于直軸于oˊ點，過oˊ作一水平虛線將曲線的縱坐標(biāo)分為兩部分。所以虛線下部縱坐標(biāo)表示與電壓大小無關(guān)的機(jī)械損耗，虛線上部縱坐標(biāo)表示對應(yīng)于某個電壓U1

的鐵耗。由于可認(rèn)為鐵耗與磁密平方成正比，因而鐵耗與端電壓平方成正比。由于機(jī)械損耗僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，空載狀態(tài)下電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n接近ns

，可以認(rèn)為機(jī)械損耗是恒值。繪制鐵耗與機(jī)械損耗之和與端電壓平方值的曲線。44空載時異步電動機(jī)的等效電路2.勵磁參數(shù)的確定勵磁電抗勵磁電阻短路試驗求取45二、堵轉(zhuǎn)試驗及堵轉(zhuǎn)時參數(shù)的確定堵轉(zhuǎn)時異步電動機(jī)的等效電路異步電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)特性對異步電動機(jī)而言，堵轉(zhuǎn)是指

T

形等效電路中的附加電阻(1-s)R2'/s=0

的狀態(tài)，即電動