異步電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)分析

《電機(jī)技術(shù)》講稿

(10-11-1學(xué)期)（異步電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)分析1）7/23/20221水職院電機(jī)教研室

第十三章?

對異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行分析?

分析進(jìn)行需要相關(guān)的工具?

利用工具找出電動(dòng)機(jī)的基本特征?

利用基本特征得出電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)?

運(yùn)行特點(diǎn)就反應(yīng)出了電機(jī)的性能7/23/20222水職院電機(jī)教研室第一、二節(jié)異步電機(jī)電磁關(guān)系及等值電路

異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過程中，所涉及到的運(yùn)行參數(shù)包括：電源電壓（輸入電壓）

U

、輸入電流

I

、輸出機(jī)械的功率

P

2

、旋轉(zhuǎn)速度

n

、溫度

°

t

的高低等，這些運(yùn)行運(yùn)行參數(shù)間有一定的關(guān)系，這種關(guān)系反映了異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)和規(guī)律，若找出這個(gè)關(guān)系和規(guī)律，就能把握電機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)，從而對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，以利于正確使用電機(jī)，并利用這些關(guān)系判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以保證電機(jī)運(yùn)行的安全、正常。

在分析、討論這兩節(jié)內(nèi)容的過程中，書上給出了詳細(xì)的分析、推導(dǎo)過程。在此我們略掉繁瑣的理論推導(dǎo)過程，直接給出書上推出的結(jié)論及實(shí)用分析工具，著重介紹結(jié)論的應(yīng)用。7/23/20223水職院電機(jī)教研室

這兩節(jié)最重要的是推出在對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析時(shí)所使用的等效電路。－－見圖

13-3

所示。

此電路稱為異步電動(dòng)機(jī)的

“T”

形等效電路。等效的含義？－－

要能利用此電路對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析，必須要明確等效電路中各參數(shù)的含義。7/23/20224水職院電機(jī)教研室

在等效電路中：（腳標(biāo)

1

表示定子，

2

表示轉(zhuǎn)子）U

1

－－電源電壓（此處為相電壓）；I

1

－－輸入電流（此處為相電流）；I

0

－－電動(dòng)機(jī)的空載電流（此處為相電流）；I

′

2

－－轉(zhuǎn)子回路折算后的電流；r

1

－－定子回路一相繞組的電阻；

x

1

－－定子回路一相繞組的漏電抗；

r

′

2

－－轉(zhuǎn)子回路繞組的電阻折算值；

x

′

2

－－轉(zhuǎn)子回路繞組的漏電抗折算值；

－－電動(dòng)機(jī)總機(jī)械功率的等效電阻。7/23/20225水職院電機(jī)教研室

幾點(diǎn)說明：1

、轉(zhuǎn)子回路參數(shù)的折算：第一，轉(zhuǎn)子回路與定子回路沒有直接電的聯(lián)系，等效電路是將定、轉(zhuǎn)子電路等效成一個(gè)整體，這時(shí)轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)值就與實(shí)際值不一樣了，這與變壓器一樣，需通過折算使等效電路中轉(zhuǎn)子回路的

效果

與實(shí)際情況一樣；第二，轉(zhuǎn)子回路的頻率與定子回路的頻率是不一樣的，

f

2

=

sf

1

，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子等效成一個(gè)整體后，定、轉(zhuǎn)子對應(yīng)回路的頻率是一樣的，還需要頻率折算。

所以，在等效電路中，轉(zhuǎn)子回路的所有參數(shù)都需要進(jìn)行折算（包括繞組折算和頻率折算），至于如何折算可暫不深究它，要知道結(jié)論。7/23/20226水職院電機(jī)教研室2

、總機(jī)械功率等效電阻

[(1-s)/s]

r

′

2

是一非常重要的參數(shù)，通過等效電路只能進(jìn)行電氣量的計(jì)算，而電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，其中的機(jī)械能在等效電路中用電能的計(jì)算方法可進(jìn)行計(jì)算，見下式：

公式中的轉(zhuǎn)差率

s

表明，這是一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的參數(shù)，顯然機(jī)械功率是與轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的。3

、折算前后參數(shù)的性質(zhì)不變，在電機(jī)的制造中，廠家盡量保證阻抗參數(shù)

r

1

、

r

2

、

x

1

、

x

2

(

r

′

2

、

x

′

2

)

盡可能小。4

、由于氣隙的存在，異步電動(dòng)機(jī)空載電流的百分?jǐn)?shù)較變壓器大，

I

0

%=20~30%

I

N

，但在很多情況下仍視

r

m、

x

m

回路開路，即認(rèn)定

I

0

=0

。

7/23/2022

水職院電機(jī)教研室

7Pem1PmecP2第三節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

三相異步電動(dòng)機(jī)是一能量轉(zhuǎn)換裝置，在其將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程中，在穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)下，它一定遵從能量守恒、運(yùn)行參數(shù)平衡。

一、功率傳遞過程與功率平衡關(guān)系

見異步電動(dòng)機(jī)的功率傳遞圖：Pp

Cu1p

Fe1p

Cu2p

mec

+

p

ad7/23/20228水職院電機(jī)教研室

（一）定子側(cè)

對應(yīng)功率傳遞圖，定子部分的功率及相互關(guān)系：

1

、輸入電功率

P

1

，含義－－２、定子銅損耗

p

Cu

1

，含義－－

３、定子鐵損耗

p

Fe

，含義－－

４、電磁功率

P

em

，含義－－

有：7/23/20229水職院電機(jī)教研室

（二）轉(zhuǎn)子側(cè)

對應(yīng)功率傳遞圖，轉(zhuǎn)子部分的功率及相互關(guān)系：

1

、轉(zhuǎn)子銅損耗

p

Cu

2

，含義－－２、總機(jī)械功率

P

mec

，含義－－３、機(jī)械摩擦損耗

p

mec

，含義－－４、附加損耗

p

ad

，含義－－５、輸出功率

P

2

（機(jī)械功率），含義－－7/23/202210水職院電機(jī)教研室有：

二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式

前面推出了異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，功率的平衡關(guān)系，利用功率平衡關(guān)系可推出轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系式：

根據(jù)

有

得7/23/202211水職院電機(jī)教研室式即異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程式。

式中各參數(shù)的含義及意義－－

轉(zhuǎn)矩平衡方程式在異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行分析中的重要性－－當(dāng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定；當(dāng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高；當(dāng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低；

這是分析異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)非常有用、非常重要的工具，要求要掌握運(yùn)用此工具對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行分析！7/23/202212水職院電機(jī)教研室

三、電磁轉(zhuǎn)矩的兩種計(jì)算式

電動(dòng)機(jī)是在電磁轉(zhuǎn)矩的推動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)的，電磁轉(zhuǎn)矩的大小、性質(zhì)將確定電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況。因此，要準(zhǔn)確分析電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，必須首先知道電磁轉(zhuǎn)矩與哪些因素有關(guān)？是什么關(guān)系？

（一）電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式

經(jīng)推導(dǎo)，有：上式各參數(shù)的含義－－如何運(yùn)用上式對電磁力矩進(jìn)行分析？－－7/23/202213水職院電機(jī)教研室（二）電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式經(jīng)推導(dǎo)，電磁轉(zhuǎn)矩也可用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中各參數(shù)的含義－－

如何利用上式進(jìn)行分析？（

1

）設(shè)電動(dòng)機(jī)接入一電壓

U

1

、頻率

f

1

穩(wěn)定的電源，除轉(zhuǎn)差率

s

外，其它參數(shù)都是定數(shù)，則電磁轉(zhuǎn)矩

T

的大小只與轉(zhuǎn)差率有關(guān)（即與轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)）；（

2

）電源電壓

U

1

或頻率

f

1

的改變會(huì)引起電磁轉(zhuǎn)矩

T

改變。7/23/202214水職院電機(jī)教研室

從表達(dá)式（

13-49

）不能直觀看出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系，為直觀起見用坐標(biāo)曲線描述這個(gè)關(guān)系，這樣就直觀了，見下圖：這個(gè)坐標(biāo)曲線稱為

T

－

s

[

T

＝

f

(

s

)

]

曲線。7/23/202215水職院電機(jī)教研室

將

T

＝

f

(

s

)

曲線坐標(biāo)改變?yōu)橛覉D示，得到的坐標(biāo)曲線稱為異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線，即

n

=

f

(

T

)坐標(biāo)曲線。

為分析方便，也

常常用異步電動(dòng)機(jī)的

機(jī)械特性曲線來分析，

因此也要熟悉機(jī)械特

性曲線形狀及特點(diǎn)。7/23/202216水職院電機(jī)教研室

四、電磁轉(zhuǎn)矩特性

（一）電磁轉(zhuǎn)矩特性的定義

電磁轉(zhuǎn)矩

T

與轉(zhuǎn)差率

s

的關(guān)系－－電磁轉(zhuǎn)矩特性。對應(yīng)的坐標(biāo)曲線－－電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線。

對照坐標(biāo)特性曲線，電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線的特點(diǎn)：

以

s

m

為界，左邊：隨

s

的增大，

T

增大；右邊：隨

s的增大，

T

減小。

s

m

－－臨界轉(zhuǎn)差率。

T

max

－－與臨界轉(zhuǎn)差率對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩。

把握以下幾個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩及特點(diǎn)，也就把握了電磁

轉(zhuǎn)矩特性。7/23/202217水職院電機(jī)教研室7/23/202218水職院電機(jī)教研室轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的感應(yīng)電勢

二、轉(zhuǎn)子繞組中的電氣參數(shù)及電動(dòng)勢方程式

1

、轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢：

轉(zhuǎn)子靜止時(shí)（電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間），

n

=0

，

s

=1，轉(zhuǎn)子回路頻率

f

2

=

sf

1

=

f

1

，這時(shí)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢為：

且

當(dāng)轉(zhuǎn)速

n

=0(

s

=1)

時(shí)，

f

2

最高，

E

2

最大，即隨著轉(zhuǎn)速

n

的升高（轉(zhuǎn)差率

s

的減?。?/p>

E

2

會(huì)減小。7/23/202219水職院電機(jī)教研室

2

、轉(zhuǎn)子繞組漏電抗：

轉(zhuǎn)子電流

I

2s

也要產(chǎn)生漏磁通

Φ

2s

，對應(yīng)產(chǎn)生漏

抗壓降，對應(yīng)轉(zhuǎn)子回路有一轉(zhuǎn)子繞組的漏電抗：

式中：

x

2s

為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子每相繞組的漏電抗；

x

2σ

為轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子每相繞組的漏電抗。

當(dāng)轉(zhuǎn)速

n

=0(

s

=1)

時(shí)，

f

2

最高，

x

2s

最大，即隨著轉(zhuǎn)

速

n

的升高（轉(zhuǎn)差率

s

的減?。?，

x

2s

會(huì)減小。

轉(zhuǎn)子繞組每相的總阻抗為：

當(dāng)轉(zhuǎn)速

n

=0(

s

=1)

時(shí)，

f

2

最高，

z

2s

最大，即隨著轉(zhuǎn)速

n

的升高（轉(zhuǎn)差率

s

的減?。?/p>

z

2s

會(huì)減小。7/23/202220水職院電機(jī)教研室

3

、轉(zhuǎn)子回路的電流：

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，轉(zhuǎn)子回路的電動(dòng)勢平衡方程式為：轉(zhuǎn)子繞組每相的電流為：4

、轉(zhuǎn)子繞組回路的功率因數(shù)為：7/23/202221可見，轉(zhuǎn)子回路中各參數(shù)都與轉(zhuǎn)差率有關(guān)！

水職院電機(jī)教研室

這也很好理解，因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)隨負(fù)載的變化及其它參數(shù)的改變而相應(yīng)變化。

轉(zhuǎn)子繞組回路各參數(shù)隨轉(zhuǎn)差率的變化而相應(yīng)變化的規(guī)律見下圖示：7/23/202222就各曲線的意義及變化規(guī)律進(jìn)行分析－－

水職院電機(jī)教研室

異步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢平衡方程式

異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁場情況：

三相定子繞組施加三相對稱交流電壓

在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部形成三相旋轉(zhuǎn)磁場

旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組形成感應(yīng)電流

I

２

轉(zhuǎn)子電流

I

２

產(chǎn)生磁場（也是旋轉(zhuǎn)磁場）

轉(zhuǎn)子磁場與主磁場相互作用形成電磁力矩

電磁力矩推動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

電能機(jī)械能

由于電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過程與主磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用有關(guān)，因此有必要弄清楚這兩個(gè)磁場的相互關(guān)系，而兩者間的相互關(guān)系是通過磁動(dòng)勢平衡關(guān)系反映出來的。

7/23/202223水職院電機(jī)教研室一、定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場的相對位置關(guān)系

定子磁場相對于定子以

n

1

的速度旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場相對于轉(zhuǎn)子以

n

2

的速度旋轉(zhuǎn)。

并有：

轉(zhuǎn)子磁場相對于定子的轉(zhuǎn)速為：

（前面分析已知，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動(dòng)方向

n

2

與

定子磁場的轉(zhuǎn)動(dòng)方向

n

1

相同。)

上式說明：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)

速度相同，并且旋轉(zhuǎn)的方向也是一致的，即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場是相對靜止的。7/23/202224水職院電機(jī)教研室二、磁動(dòng)勢平衡方程式

異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)磁場，即定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場，這兩個(gè)磁場相對靜止，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部合成一個(gè)磁場－－氣隙磁場，這個(gè)氣隙磁場切割定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢

E

1δ

。

這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢的大小約等于機(jī)端電壓

U

1

，由