第四章 三相异步电动机

1、三相异步电动机主要由三相异步电动机主要由定子和转子定子和转子两大部分组成。两大部分组成。1.1.定子部分定子部分定子是电动机的固定部分，主要由定子是电动机的固定部分，主要由机座、定子铁心和定子绕组机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。三个部分组成的。（1 1）机座：）机座：主要起支撑保护作用。主要起支撑保护作用。（2 2）定子铁心：）定子铁心：是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用0.5mm0.5mm厚的硅钢片叠压厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆，以减小涡流损耗。而成的

2、，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆，以减小涡流损耗。（3 3）定子绕组：）定子绕组：三相对称绕组嵌放在定子铁心内圆的槽内，三相对称绕组嵌放在定子铁心内圆的槽内，三相绕组在空间相差三相绕组在空间相差120120电角度电角度，每相绕组的两端分别用，每相绕组的两端分别用U1-U1-U2U2、V1-V2V1-V2、W1-W2W1-W2表示，根据需要结成表示，根据需要结成Y Y形或形或形。形。2.2.转子部分转子部分转子是电动机的旋转部分，主要由转子是电动机的旋转部分，主要由转子铁心、转子绕组和转转子铁心、转子绕组和转轴轴组成。组成。（1 1）转子铁心：）转子铁心：是电动机磁路的一部分，用来安放转子绕组，是

3、电动机磁路的一部分，用来安放转子绕组，它用它用0.5mm0.5mm厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。上，整个转子的外表呈圆柱形。（2 2）转子绕组：）转子绕组：分为分为笼型笼型和和绕线型绕线型两类。两类。笼型绕组：笼型绕组：在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条联结起来，称为两端各用一个铜环（称为端环）把导条联结起来，称为铜排铜排转子转子，如图所示。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环、，如图所示。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环、风

4、扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子铸铝转子，如图所示。，如图所示。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。笼型绕组结构以下的异步电动机一般采用铸铝转子。笼型绕组结构简单，坚固，成本低。简单，坚固，成本低。笼型转子铁笼型转子铁心和绕组结心和绕组结构示意图构示意图 定子和转子配合方式定子和转子配合方式下面是它主要部件的拆分图。下面是它主要部件的拆分图。 右图是一台三相笼型感应电动右图是一台三相笼型感应电动机的外形图。机的外形图。4. 1. 1 三相交流电的旋转磁场和旋转磁动势三相交流电的旋转磁场和旋转磁动势 在三相异步电动机中实现机电能量转换的前提在三相异步

5、电动机中实现机电能量转换的前提是必须产生一种旋转磁场。所谓旋转磁场是必须产生一种旋转磁场。所谓旋转磁场, ,就是一种就是一种极性不变且以一定转速旋转的磁场。根据理论分析极性不变且以一定转速旋转的磁场。根据理论分析和实践证明和实践证明, ,在多相对称绕组中流过多相对称电流时在多相对称绕组中流过多相对称电流时, ,会产生一种大小恒定的旋转磁场即圆形旋转磁场会产生一种大小恒定的旋转磁场即圆形旋转磁场（磁感应强度矢量顶点的轨迹为一圆）。（磁感应强度矢量顶点的轨迹为一圆）。 三相异步电动机的定子绕组为三相对称绕组，三相异步电动机的定子绕组为三相对称绕组，只要三相对称绕组通入三相对称交流电，就会在气只要三

6、相对称绕组通入三相对称交流电，就会在气隙中产生旋转磁场。隙中产生旋转磁场。U1iViUiwV2W2W1V1U2i0TiutiViW三相定子三相定子绕组中通绕组中通过的电流过的电流120sin120sinsintIitIitIimwmvmuW2t1t2t3t4W1V1W2U1U2V2SNV1V2U1W2W1U2SNW1U2W2V1U1V2SNt1时刻时刻W1U1V1U2V2t2时刻时刻t3时刻时刻三相电动机旋转磁场的产生三相电动机旋转磁场的产生 SNU1W2U2V2W1V1MWMVUIiIiit866. 0866. 000i0TiutiViW SNV1U2V2W2U1W1MWVMUIiiIit8

7、66. 00866. 0120i0TiutiViW SNW1V2W2U2V1U10866. 0866. 0240WMVMUiIiIiti0TiutiViW SNU1W2U2V2W1V1MWMVUIiIiit866. 0866. 00360i0TiutiViW结论：在通入按正弦规律变化结论：在通入按正弦规律变化的三相交流电流时，就会在定的三相交流电流时，就会在定子铁心中产生一个极性不变，子铁心中产生一个极性不变，转速一定的旋转磁场。转速一定的旋转磁场。i0TiutiViWSNSNSNSNSNSN在定子旋转磁场的带动下，处于旋转磁场中的在定子旋转磁场的带动下，处于旋转磁场中的转子，会按照定子旋转磁

8、场的方向转动起来。转子，会按照定子旋转磁场的方向转动起来。旋转磁场的形成旋转磁场的形成 在三相定子绕组空间排序不变的条件下,旋转磁场的转向旋转磁场的转向取决于三相电流的相序取决于三相电流的相序,即从电流超前相转向电流滞后相,若要若要改变旋转磁场的方向，只需将三相电源进线中的任意两相对改变旋转磁场的方向，只需将三相电源进线中的任意两相对调即可调即可。 U1iViUiwV2W2W1V1U2W2W1U1V1U2V2i0TiutiViW三相定子三相定子绕组中通绕组中通过的电流过的电流120sin120sinsintIitIitIimwmvmu式中： 定子交流电流的频率,单位为Hz； p 旋转磁场的磁极

9、对数； 旋转磁场的转速旋转磁场的转速 , 亦称同步转速同步转速 , 其单位常采用r/min。 国产的异步电动机 , 定子绕组所接交流电源的频率为50 Hz , 所以不同极对数的异步电动机对应的同步转速也就不同 , 如下表所示。minr60111单位为单位为pfsrpfn（4-1）1f1np1234n1(r/ min) 3000 1500 1000 750 三相异步电动机定子三相对三相异步电动机定子三相对称交流绕组通入三相对称交流电称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场，转子绕组的导体处于旋转磁场，转子绕组的导体处于旋转磁场中转磁场中 ，转子导

10、体切割磁力，转子导体切割磁力线会产生感应电势，根据右手定线会产生感应电势，根据右手定则可以判断感应电势方向则可以判断感应电势方向 ，又，又因为转子导体通过端环自成闭路，因为转子导体通过端环自成闭路，所以转子导体中会通过感应电流。所以转子导体中会通过感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用产感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，根据左手定则可以判生电磁力，根据左手定则可以判断电磁力的方向。电磁力作用在断电磁力的方向。电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。转子旋转。 异步电动机的工作原理示意图异步电动机的工作原理示意图转子转子(电动机电动机)的转速的转速 能能等

11、于旋转等于旋转磁场转速磁场转速吗？吗？转子与旋转磁场间没有相对运动转子与旋转磁场间没有相对运动如果如果1nn 转子不切割磁场不能生成感应电流转子不切割磁场不能生成感应电流转子不是载流导体则不能产生电磁力转子不是载流导体则不能产生电磁力三相对称定子绕组三相对称定子绕组对称三相交流电对称三相交流电旋转磁场旋转磁场静止的转子导体静止的转子导体切割切割感应电动势感应电动势感应电流感应电流电磁力电磁力转子转动转子转动 %10011nnnsSN=1.5%-5%1)1 (nsn安培定律电磁感应定律 例例4.1 某台50 Hz的三相异步电动机的额定转速 =730 r/min , 空载转差率s0=0.267%。

12、试求该电机的极对数、同步转速、空载转速和额定负载时的转差率。 解解 因为电源频率为50 Hz , 同步转速 Nn时，所以4,300050606011ppppfn,minr730minr750N1nn。已知由于额定转速略低于同步转速，因此该电机的同步转速必定为750r/min , 相应的极对数为p=4。 空载转速为minr748minr%267.017501010snn%67.2%100750730750%1001N1Nnnns额定转差率为风风罩罩端端盖盖定定子子风风叶叶电动机电动机定子定子定子铁心定子铁心机座机座定子绕组定子绕组转子转子转子铁心转子铁心转轴转轴转子绕组转子绕组定子铁芯是由定子铁

13、芯是由0.5mm厚的厚的，在其内圆冲有分布的槽。，在其内圆冲有分布的槽。定子铁定子铁芯芯的的：一是槽内可用来：一是槽内可用来；二是定子铁心；二是定子铁心。定子绕组由铜导线绕制而成。构成定子绕组由铜导线绕制而成。构成。机座是电动机的机座是电动机的，是机械结构的组成部分，一般用铸铁或铸钢制成。，是机械结构的组成部分，一般用铸铁或铸钢制成。123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evisionSizeBD ate:13-Jul-2003Sheet of File:F:f电 路 图 电 工 学D raw n B y:U 1W 1U 2V 1V 2W 1W 2U 1U 2

14、V 1V 2W 2U 1V 1W 1W 2U 2V 2U 1V 1W 1W 2U 2V 2定子绕组的接法：定子绕组的接法：Y Y形和形和形形 。三相定子绕组由机壳外面的接线盒引出：三相定子绕组由机壳外面的接线盒引出： 左下图为左下图为Y Y接连线图；右下图为接连线图；右下图为接连线图。接连线图。转子铁心是也是由转子铁心是也是由0.5mm厚的厚的，在其外，在其外圆冲有分布的槽。圆冲有分布的槽。转子铁心可嵌放转转子铁心可嵌放转子绕组，构成电机子绕组，构成电机磁路的另一部分。磁路的另一部分。转子铁心转子铁心笼形转子绕组笼形转子绕组铸铝笼形转子铸铝笼形转子转子绕组大部分是浇转子绕组大部分是浇铸铝笼型，

15、大功率也铸铝笼型，大功率也有铜条制成的笼型转有铜条制成的笼型转子导体，构成电机电子导体，构成电机电路的一部分。由转轴路的一部分。由转轴输出机械能。输出机械能。在转子铁芯的每个槽内插入一根导条, 在伸出铁心的两端分别用两个导电端环把所有的导条连接起来,形成一个自行闭合的短路绕组。如果去掉铁心, 剩下来的绕组形状就像一个关松鼠的笼子, 故称之为笼型绕组三相异步电动机三相异步电动机型号 Y132M-4 功率 7.5KW 频率 50Hz电压 380V 电流 15.4A 接法 转速 1440r/min 绝缘等级 B 工作方式 连续标准编号 工作制 S1 B级绝缘 年 月 编号 电机厂Y表示三相异步机，表

16、示三相异步机，132（mm）表示机）表示机座中心高度；座中心高度；M代表中机座（代表中机座（L长机座、长机座、S短机座）；短机座）；4代表磁极数。代表磁极数。(额定额定)功率指的是电动机输出的功率。功率指的是电动机输出的功率。(额定额定)电压、电流均指电动机额定运行电压、电流均指电动机额定运行情况下的定子线电压、线电流的数值。情况下的定子线电压、线电流的数值。(额定额定)转速指的是电动机转子的转速转速指的是电动机转子的转速n 。123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evisionSizeBD ate:13-Jul-2003Sheet of File:F:f电

17、路 图 电 工 学D raw n B y:U 1W 1U 2V 1V 2W 1W 2U 1U 2V 1V 2W 2U 1V 1W 1W 2U 2V 2U 1V 1W 1W 2U 2V 2绝缘等级决定了电动机的允许温升。绝缘等级决定了电动机的允许温升。(AEBFHC) （1）连续）连续(S1)：按额定功率长期连续使用：按额定功率长期连续使用（2）短时）短时(S2)：在规定时间内按额定功率：在规定时间内按额定功率运行运行（3）断续）断续(S3)：以间歇方式运行：以间歇方式运行额定值关系有：额定值关系有：3NNNNNPU I cos例例4. 2 一台Y160M22三相异步电动机的额定数据如下：PN=

18、15 kW, UN=380 V， =0.88, =88.2%,定子绕组为连接。试求该电动机的额定电流和对应的相电流。 NcosN解解 该电动机的额定电流为相电流为 从此题看,在数值上有IN2PN , 这也是额定电压为额定电压为380 V的的三相异步电动机三相异步电动机的一般规律。在实际中, 可以根据此规律对额定电流进行估算 , 即每千瓦按每千瓦按2 A电流估算电流估算。A4 .29882. 088. 038031015cos33NNNNNUPIA1734.293NN II 我国统一设计和生产的异步电动机经历了三次换代。第一次是1953年设计的J系列和JO系列；第二次是1958年设计的J2系列和

19、JO2系列；第三次是20世纪70年代设计的Y系列, 从20世纪80年代开始,Y（IP23）系列替代J2系列 , Y（IP44）系列替代JO2系列, IP是防护的英文缩写, 指外壳结构防护形式。 Y系列产品效率高、节能、启动转矩大、噪声低、振动小, 其性能指标、规格参数和安装尺寸等完全符合国际电工委员会（IEC）标准,便于进出口产品的配套。常用Y系列三相异步电动机的型号、名称、使用特点和场合如表4-2 所示。同心式绕组链式绕组交叉式绕组整距叠绕组交流绕组单层绕组双层绕组双层叠绕组双层波绕组 单层绕组与双层绕单层绕组与双层绕组相比，电气性能组相比，电气性能稍差，但槽利用率稍差，但槽利用率高，制造工

20、时少，高，制造工时少，因此小容量的电动因此小容量的电动机（机（P PN N10kW10kW），），一般都采用单层绕一般都采用单层绕组。组。 三相异步电动机定子绕组的种类很多, 但无论怎么分类, 构成绕组的原则是一致的, 下面仅以三相单层绕组为例说明绕组的排列和连接规律。 为了便于掌握绕组的排列和连接规律, 先介绍一些交流绕组的基本术语。1.电角度与机械角度电角度与机械角度 电机圆周在几何上度量为360, 这个角度称为机械角机械角度度。从电磁观点看, 若磁场在空间按正弦规律分布, 则经过N、S一对磁极恰好相当于正弦曲线的一个周期。若有导体去切割这种磁场, 则经过N、S一对磁极, 导体中所感应的正

21、弦电动势亦变化一个周期, 变化一个周期即经过360电角度电角度, 因而一对磁极占有的空间是一对磁极占有的空间是 360电角度电角度。若电若电机有机有 p 对磁极对磁极, 电机圆周按电角度计算就为电机圆周按电角度计算就为p360电角电角度度, 而其机械角度总是而其机械角度总是 360, 因此因此 电角度电角度=p机械角度机械角度 2. 线圈线圈 线圈由一匝或多匝串联而成, 是组成交流绕组的基本单元。每个线圈放在铁心槽内的部分称为有效边有效边, 槽外的部分称为端端部部,如下图所示。 3. 极距极距 每个磁极沿定子铁心内圆所占的范围称为极距。极距可用磁极所占范围的长度或定子槽数或电角度表示： pD2

22、 或或pz21或或001802360pp式中：D 定子铁心内径;Z1 定子铁心槽数。 4. 节距节距y 一个线圈的两个有效边所跨定子内圆上的距离称为节距, 一般节距 用槽数计算。节距应接近极距。 = 的绕组称为整距绕组整距绕组; 的绕组称为短距绕组短距绕组; 的绕组称为长距绕组长距绕组。常用的是整距和短距绕组。 5. 槽距角槽距角 相邻两槽之间的电角度称为槽距角,槽距角可表示为yyyy10360zpa 6. 每极每相槽数每极每相槽数q 每个极下每相绕组所占有的槽数称为每极每相槽数,每极每相槽数q可表示为式中： 定子绕组的相数。对三相定子绕组 , =3。 7. 相带相带 每个极距内属于同一相的槽

23、所连续占有的区域称为相带。因为一个极距为180电角度,而三相绕组在每个极距内均分,占有等分相同的区域,所以在每个极距内每相绕组占有的区域都是60电角度,即每个相带为60电角度,这样排列的三相对称绕组称为60相带绕组相带绕组。pmzq1121m1m 三相异步电动机一般都采用60相带绕组。如下图所示, 其中图(a)和图(b)分别对应两极和四极的60相带。由于U、V、W三相对称绕组的轴线在空间互隔120电角度,因此一对磁极范围一对磁极范围内相带的排列顺序为内相带的排列顺序为U1、W2、V1、U2、W1、V2。 图 4 - 13 60相带绕组(a) 两极； (b) 四极 单层绕组的每一个槽内只有一个线

24、圈边单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边,整个绕组的线整个绕组的线圈数等于槽数的一半圈数等于槽数的一半。下面以下面以4极极24槽电机为例说明三相单槽电机为例说明三相单层绕组的排列和连接规律层绕组的排列和连接规律。 1. 计算绕组数据计算绕组数据642421pz223224211pmzq极距每极每相槽数 2.根据每极每相槽数q划分相带划分相带 q=2 说明相邻两个槽组成一个相带, 两对极共有12个相带。每对极按U1、W2、V1、U2、W1、V2的顺序给相带命名, 如表4-3 所示。由表可知, 划分相带实际上是给定子每个槽划分相属, 如属于U相绕组的槽号有1、2、7、8、13、14、19、20这8个

25、槽。 3. 画定子绕组展开图画定子绕组展开图 在平面上画24根垂直线表示定子的24个槽和槽中的线圈边, 并且按1、2、3顺序编号。 先画U相绕组。如下图所示,从同属于U相的1号槽开始, 根据 , 把1号槽的线圈边和7号槽的线圈边组成一个线圈, 6y 线圈之间串联线圈之间串联或线圈组之间串并或线圈组之间串并联的原则是联的原则是, 同一相同一相的相邻极下的线圈的相邻极下的线圈边电流方向应相反边电流方向应相反, 以形成符合要求的以形成符合要求的磁场极数。磁场极数。6y4. 单层绕组的改进单层绕组的改进 上图所示是一整距等元件绕组，称为单层整距叠绕单层整距叠绕组组。为了缩短端部连线，节省用铜量和便于嵌

26、线、散热, 在实际应用中, 单层绕组常采用以下几种改进的形式。6y 1) 链式绕组 以上例U相绕组为例, 保持保持图4-14(a)中U相绕组的各线圈边槽号相绕组的各线圈边槽号及其电流方向不变及其电流方向不变, 如图4-14(b)所示, 仅将各线圈边按照 y=-1 的规律连接起来组成线圈, 而各线圈之间按尾尾相连, 首首相连的规律,连成一路串联,就构成了链式绕组。 从电磁观点看从电磁观点看,图4-14(b)所示的链式绕组与链式绕组与图4-14(a)所示的整距叠整距叠绕组是等效的绕组是等效的。但链式绕组不仅为等元件绕组, 而且线圈跨距小, 端部短, 可节省用铜量, 还有 q=2 的两个相邻的线圈各

27、朝两边翻, 散热好。因此 , q=2 的单层绕组常采用链式绕组。 图4-14 三相单层(q=2）U相绕组展开图(a) 整距叠绕组；(b) 链式绕组6y51y 由于定子三相绕组依次相差120电角度, 因此仿照U相绕组, 可分别画出滞后于U相120电角度的V相绕组（从6号槽开始）、滞后于V相120电角度的W相绕组（从10号槽开始）, 从而得到三相对称绕组U1U2、V1V2、W1W2的展开图,如图4 -15 所示。应该注意在实际嵌线中, 三相绕组并不是一相相分开嵌线, 而是三相连续轮换地嵌线, 从而构成三相对称绕组。图 4 - 15 三相单层链式绕组展开图 2) 交叉式绕组 以以4极极36槽电机为例

28、槽电机为例分析, 其极距=9, 每极每相槽数q = 3, 因此相邻3个槽组成一个相带, 共有12个相带。 槽槽 号号 与与 相相 带带 对对 照照 表表 相带相带 槽号槽号U1W2V1U2W1V2第一对极1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36 图 4 - 16 三相单层( q = 3）U相绕组展开(a) 整距叠绕组； (b) 交叉式绕组81y72y9y 3) 同心式绕组 以以2极极24槽电机为例槽电机为例分析,其极距 =12,每极每相槽数q = 4,

29、因此相邻4个槽组成一个相带, 共有6个相带。槽槽 号号 与与 相相 带带 对对 照照 表表相相 带带U1W2V1U2W1V2槽 号23，24，1，23，4，5，67，8，9，1011，12，13，1415，16，17，1819，20，21，22 图 4-17 三相单层( q=4）U相绕组展开图(a) 整距叠绕组； (b) 同心式绕组111y92y12y优点优点不适宜于大中型电机元件少，结构简元件少，结构简单，嵌线方便，单，嵌线方便，槽内无层间绝缘槽内无层间绝缘广泛应用于广泛应用于10kW10kW以下的以下的异步电动机定子绕组异步电动机定子绕组单层绕组为单层绕组为整距绕组整距绕组缺点电动势和磁动

30、电动势和磁动势波形较差势波形较差铁损和噪铁损和噪声较大声较大起动性能较差三相单层绕组的优缺点异步电动机气隙中的磁场旋转时, 定子绕组切割旋转磁场将产生感应电动势, 经推导可得每相定子绕组的基波每相定子绕组的基波感应电动势感应电动势为式中： 定子绕组的电流频率,即电源频率(Hz)； 每极基波磁通(Wb)； 每相定子绕组的串联匝数； 定子绕组的基波绕组因数,它反映了集中、 整距绕组（如变压器绕组）变为分布、短距绕组后,基波电动势应打的折扣,一般 0.9 1。1w111144. 4kNfE (4 - 4)1f11N1wk1wk 同理可得转子转动时每相转子绕组的基波感应电动转子转动时每相转子绕组的基波

31、感应电动势势为式中： 转子绕组的转子电流频率(Hz)； 每相转子绕组的串联匝数； 转子绕组的基波绕组因数。1w22s2244. 4kNfE( 4 5 )2f2N2wk 三相感应电动机的定、转子电路间没有直接的电的联系，它们之间的联系是通过电磁感应关系而实现的，这一点和变压器相似。定子绕组相当于变压器的一次绕组定子绕组相当于变压器的一次绕组 转子绕组相当于变压器的二次绕组转子绕组相当于变压器的二次绕组 三相异步电动机的空载运行是指电动机的定子绕组接三相交流电源, 轴上不带机械负载时的运行状态。 空载运行时的电磁关系空载运行时的电磁关系如下：1U0I0F111E1EsE202I10rI 与变压器一

32、样, 主磁通和漏磁通分别在定子绕组中感应的电动势为式中： X1每相定子绕组的漏电抗, 11111j4.44wkNfE011w1111jj4.44IXkNfE( 4 6 )1112LfX 仿照变压器的分析方法,可得定子绕组的电动势平衡方程式为定子绕组的电动势平衡方程式为： 式中： Z1每相定子绕组的漏阻抗, Z1= r1+jX1 由于I0相对额定电流很小, I0|Z1| E1, 因此在上式中将 忽略, 得10ZI11EU或1w111144. 4kfNEU1011010110111jZIErIXIErIEEU 上式说明,当电源频率一定时当电源频率一定时,电动机的主磁通电动机的主磁通 仅与外施电仅与

33、外施电压压U1成正比。成正比。一般情况下, 由于电压U1为额定值,因此主磁通 基本恒定, 当负载变化时, 也基本不变。111 另外,与变压器一样, 的电磁表达式也可通过引入励磁参数而转化为阻抗压降的形式,即1Em0mm01jXZIrIE式中：rm励磁电阻, 是反映铁心损耗的等效电阻； Xm励磁电抗, 是反映铁心磁化性能的一个综合参数,它对应气隙主磁通 ； Zm励磁阻抗, 。1mmmjXrZ 根据电动势平衡方程式,可作出与变压器相似的等效电路, 如图所示。1E0IrmXmX1r11U西 安电子 科 技大 学 出 版社 1电磁关系电磁关系 负载运行时的电磁关系负载运行时的电磁关系如下：1U1I1F

34、111E1EsE211rI0F2I2F22E22rI 负载运行时的磁动势平衡方程式为：负载运行时的磁动势平衡方程式为：021FFF2转子电流频率和转子电动势转子电流频率和转子电动势 转子绕组中感应的转子电动势和电流的频率为: 与变压器相似, 主磁通 在转子绕组中感应的电动势为 转子漏磁通 在转子绕组中感应的漏电动势为 式中： X2s转子转动时转子转动时每相转子绕组的漏电抗 , 12SXIkNfE222w222S2jj4.441w222S2j4.44kNfE2222LfXS 转子转动时转子转动时, 转子电动势的有效值转子电动势的有效值为 由于转子电动势的频率为f2 = s f1 , 当转子静止时

35、, s =1 , f2 = f1,因此转子静止时转子静止时,转子电动势的有效值转子电动势的有效值为 故转子转动与转子静止时的转子电动势有以下关系转子转动与转子静止时的转子电动势有以下关系：1w222244. 4kNfEs1w221244. 4kNfE 21w2211w222244. 444. 4sEkNsfkNfEs 同理, 转子转动时的漏电抗转子转动时的漏电抗 X2s 与转子静止时的漏电抗与转子静止时的漏电抗X2 也有以下关系也有以下关系：22122222sXLsfLfXs 我们把 E1 与 E2 的比值称为电动势比电动势比电动势比kew22w111w2211w1112144. 444. 4

36、kNkNkNfkNfEEke 可见, 异步电动机的电动势比是定、转子绕组的每相有异步电动机的电动势比是定、转子绕组的每相有效串联匝数比效串联匝数比,这与变压器的电压比是一、二次绕组的匝数之比有所不同。 1磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式021FFF 上式中, 每个磁动势与对应的相电流的关系分别为0w11102w22221w111129 . 029 . 029 . 0IpkNmFIpkNmFIpkNmF(4-18)(4-19)式中: m1、m2定、转子绕组的相数。 把式（4-19）代入式（4-18）中, 可得0211IIkIiw222w111kNmkNmki(4-20)式中: ki异步电动机的电

37、流比, 式（4-20）就是用电流相量表达的磁动势平衡方程式, 该式经变换可得202011IIIkIIi 上式说明负载运行时负载运行时, 异步电动机的定子电流可看成由两异步电动机的定子电流可看成由两部分组成部分组成 , 一部分是励磁电流一部分是励磁电流 ,用以产生主磁通用以产生主磁通 ； 另一另一部分是负载电流部分是负载电流 ,用以抵消转子电流所产生的磁效应用以抵消转子电流所产生的磁效应。0I12I2电动势平衡方程式电动势平衡方程式 仿照变压器的分析,可得三相异步电动机负载运行时定、转子绕组的电动势平衡方程式分别为p2S22p222s22p22s2S21111111111111jjRIZIRIr

38、IXIRrIEEZIErIXIErIEEU式中：Z2s转子转动时每相转子绕组的漏阻抗 , Z2s= r2 + j X2s Rp转子电路的外串电阻转子电路的外串电阻,若为笼型转子笼型转子, 则Rp=0综上所述, 异步电动机负载运行时的基本方程式异步电动机负载运行时的基本方程式如下：02121m0mm01p22s2p22s222s2111111111jjjIIkIEkEZIXrIERIZIRIXrIEsEZIEXrIEUie 根据定、转子电路的电动势平衡方程式，可分别作出电动机的等效定、转子电路,如图4-21所示。 图4-21所示的电动机电路因定、转子电路的频率不同因定、转子电路的频率不同, 要得

39、到像变压器要得到像变压器那样的那样的 T 形等效电路形等效电路, 首先必须进行频率归算首先必须进行频率归算 , 然后再和变压器一样进行然后再和变压器一样进行绕组归算绕组归算。图 4 21 三相异步电动机的定、转子电路 1 频率归算频率归算 三相异步电动机的频率归算实质上就是用一个具有定子频率的等效转子电路去代换实际的转子电路。这里的“等效”包括两个含义： (1) 代换以后,转子电路对定子电路的电磁效应不变,即转子磁动势必须保持不变（同转速、同幅值、同相位角）。 (2) 等效转子电路的各种功率必须和实际转子电路一样。 因为f2=s f1 , 当转子静止时, f2 =f1 , 这说明转子频率和定子

40、频率相等时,转子是静止的, 所以要进行频率归算,就需用一个静止的转子电路去代换实际转动的转子电路。 经过频率归算后的三相异步电动机的定、转子电路，如图4-22 所示。图4-22 频率归算后的三相异步电动机的定、转子电路 图4-22 频率归算后的三相异步电动机的定、转子电路 图中, r2 为转子的实际电阻, (1-s) r2/s 相当于转子电路串入的一个附加电阻, 它与转差率 s 有关。在附加电阻 (1-s) r2 /s上会产生损耗 ，而实际转子电路中并不存在这部分损耗,只产生机械功率,因此附加电阻就相当于等效负载电阻附加电阻就相当于等效负载电阻, 附附加电阻上的损耗实质上就是异步电动机的总机械

41、功率加电阻上的损耗实质上就是异步电动机的总机械功率。srsI2221 2 绕组归算绕组归算 与变压器一样,三相异步电动机的绕组归算就是用一个相数、每相串联匝数以及绕组因数和定子绕组一样的等效绕组去代换参数分别为m2、N2、kw2 并经过频率归算的转子绕组。这里的“等效”与频率归算时的“等效”具有相同的含义。 为了区别起见, 归算后的各转子物理量均加“”表示。 1) 电流的归算电流的归算 22w111w22221IkIkNmkNmIi2) 电动势的归算电动势的归算22w22w112EkEkNkNEe(4-25) 根据式（4-25）及式（4-17）可得122122EEEEEkEe3) 阻抗的归算阻

42、抗的归算22rkkrie22XkkXie 注意：归算只改变转子各物理注意：归算只改变转子各物理量的大小量的大小, 并不改变其相位。并不改变其相位。21EEke22ZkkZie 3 T形等效电路形等效电路 经过频率归算和绕组归算后经过频率归算和绕组归算后, 三相异步电动机负载运行时的基本方程式如下：m0mm0121021222222222211111111j1j1jZIXrIEEEIIIZIrssIXrIrssIEZIEXrIEU 仿照变压器的分析方法, 根据归算后的基本方程式, 首先可画出异步电动机的等效定、转子电路如图4-23(a)所示, 然后再演变为图4-23(b)所示的 T 形等效电路。

43、 图 4-23 三相异步电动机的等效电路(a) 等效定、转子电路； (b) T形等效电路 三相异步电动机的 T 形等效电路以电路形式综合了电动机的电磁过程, 因此它必然反映电动机的各种运行情况。下面我们从从 T 形等效电路去看几种典型的运行情况形等效电路去看几种典型的运行情况。 1) 异步电动机空载运行时异步电动机空载运行时 电动机空载运行时, 转差率 s0, T 形等效电路中代表机械负载的附加电阻 /s , 转子电路相当于开路, 这时转子电流 , , 且 主要用于产生主磁通, 所以空载空载运行时运行时, 定子电流即空载电流很小定子电流即空载电流很小, 且且功率因数很低功率因数很低。21rs0

44、2I01II0I 2) 异步电动机额定运行时异步电动机额定运行时 异步电动机带有额定负载时, 转差率 sN0.020.06, 这时 , 转子电路基本上是电阻性的, 所以转子的功率因数 1,定子电流 由励磁分量 和负载分量 两部分组成, 且增加到额定值, 定子的功率因数 0.80.9。22Xsr1I2cos0I2I1cos 3) 异步电动机启动时异步电动机启动时 异步电动机的“启动”瞬间即为转子的“堵转”状态, 此时, s =1, 代表机械负载的附加电阻 , 相当于转子电路处于短路状态, 所以转子电流很大转子电流很大, 转子功率因数很低转子功率因数很低, 使定子电流即启动使定子电流即启动电流也很

45、大电流也很大, 定子功率因数也很低定子功率因数也很低。012srs 4 近似等效电路近似等效电路 图4-24(b)所示的 T 形等效电路是一个混联电路, 计算和分析都比较复杂。因此在实际应用时,常把励磁支路前移到输入端, 如图4-25 所示。这样电路就简化为单纯的并联电路, 使计算简单, 这种等效电路称为异步电动机的近似等效电路。 必须注意：必须注意：三相异步电动机的电动势平衡方程式和等效电路都是针对三相异步电动机的电动势平衡方程式和等效电路都是针对每相绕组而言的每相绕组而言的。r1X11I1U2I21rss2r2XrmXm0I西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社图4-25 三相异步电动

46、机的近似等效电路 例例4. 3 有一台 Y 形连接的三相绕线转子异步电动机, UN=380 V, fN=50 Hz , nN=1400 r/min , 其参数为r1= =0.4 , 1= =1 , Xm=40 , 忽略rm , 已知定、转子有效匝数比为4。 (1) 求额定负载时的转差率 sN 和转子电流频率 f2N ; (2) 根据近似等效电路求额定负载时的定子电流I1、转子电流 I2、励磁电流 I0 和功率因数 。2r1cos2X 解解 (1) 额定负载时的转差率04. 015001440150011nnnsNN25004. 02NNNfsf59.10j210.4j10.040.4j14 .

47、 0j221XsrZN额定负载时的转子电流频率 (2) 根据近似等效电路可知 负载支路阻抗10.89 励磁支路阻抗j40jmmXZ220 33801U设以定子相电压为参考相量, 则00Vr1X11I1U2I21rss2r2XrmXm0I西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社 转子电流A89.1072.2089.1059.100220j2N2112XsrZUI 励磁电流Am10905 .5j400220.ZUI 定子电流A65.2322.22905 . 589.1072.20021III 由于定子绕组为 Y 形连接,相电流即是线电流, 所以各线电流有效值为A5 . 5 ,A 22.2201I

48、IA88.8272.20422IkIi 因为绕线转子异步电动机的定、转子相数相等,所以该电动机的 ke = ki = 4 , 转子线电流有效值为 功率因数92. 065.23coscos1（滞后） 异步电动机负载运行时, 由电源供给的从定子绕组输入的电功率为P1 , 由T 形等效电路可以看出 , 1的一小部分用于定子电阻上铜损耗 pCu1 , 还有一小部分用于定子铁心中的铁损耗 pFe , 余下的大部分电功率借助于气隙旋转磁场由定子传送到转子, 这部分功率就是异步电动机的电磁功率Pem。 从定子传递到转子的电磁功率扣除转子铜损耗 pCu2 , 便是使转子旋转的总机械功率Pm 。总机械功率扣除机

49、械损耗 pm 和附加损耗 pad 后,才是轴上输出的净机械功率P2。图 4 - 25 三相异步电动机的功率流程图根据上述功率转换过程 , 可建立功率平衡方程式如下： em11PppPFeCum2emPpPCu2admmPppP图 4 - 25 三相异步电动机的功率流程图综上可得admCu2Fe1Cu12pppppPPadmCu2FeCu11pppppPpP1三相异步电动机的效率为%10012PP 另外, 由图4-23等效电路又可知 12111Cum201Fe11111,cosrImprImpIUmPsrImIEmP22212221emcos22 212rImpCusrsImP22 21m1 图

50、 4-23 三相异步电动机的等效电路(a) 等效定、转子电路； (b) T形等效电路 上式中, U1、I1、cos 分别为定子的相电压、相电流和功率因数, cos 为转子的功率因数。12比较可得em2sPpCuemm1PsP 将功率平衡方程式 Pm=P2+pm+pad 两边同除以转子的机械角速度, 可得转矩平衡方程式为ppPPadm2m即02TTT式中：T电动机的电磁转矩,;55. 9mmnPPT;55. 9222nPPTT2电动机的输出机械转矩, T0电动机的空载转矩, 。nppppTadmadm055. 9因为电动机在额定运行时额定运行时, P2=PN , T2=TN , n=nN , 所

51、以NNN55. 9nPT 根据公式（4-39） Pm=(1-s)Pem 又因为 =2n/60=2n1(1-s)/60=(1-s)1 所以1em1em1emm55. 911nPPsPsPT例例4. 4 有一台 Y 形连接的6极三相异步电动机 , PN=145 kW, UN=380 V , fN=50 Hz。额定运行时pCu2=3000 W , pm+pad=2000 W, pCu1+pFe=5000 W, cos =0.8。试求： (1) 额定运行时的电磁功率Pem、额定转差率sN、额定效率N和额定电流IN。 (2) 额定运行时的电磁转矩T、额定转矩 TN 和空载阻转矩T0 。 解解 (1) 额

52、定运行时额定运行时的电磁功率1kW150321452admNemCupppPP 由式（4-38）可知额定转差率为02. 01503em2NPpsCu 额定运行时的输入功率为kW1555150Fe1Cuem1ppPP 额定效率为%5 .93%100155145%1001NNPP 额定电流为A4 .2948 . 0380310155cos331N1NUPI (2) 由于此电机是 6 极异步电动机,因此其同步转速 n1=1000 r/min。minr98002. 01100011NNsnn 额定运行时的电磁转矩为mN5 .143210001015055. 955. 931emnPT额定转速为 额定转

53、矩为mN14139801014555. 955. 93NNNnPT 空载阻转矩为mN5 .1914135 .1432N0TTT 异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频率时, 电动机的转速 n、定子电流 I1 、功率因数 、电磁转矩 T、效率 等与输出功率 P2 的关系。1cos1. 转速特性转速特性 n = f ( P2 ) 当异步电动机空载时 , P2=0 , I20 , 转子的转速接近于同步转速 , 即 nn； 当负载增加,即输出功率P2增大时, 转子转速会略有下降。因为只有转速降低 ,才能使转子电动势 E2s 增大 , 从而使转子电流 I2增大 , 以产生更大的电磁转矩去和负载转矩平

54、衡。所以三相异步电动机的转速特性是一条稍向下倾斜的直线 , 如图4-26 所示 。0P2PNT0I0I1T2Tncos1n1T, I1, n, cos1西 安电子 科 技大 学 出 版社图4-26 三相异步电动机的工作特性曲线2. 定子电流特性定子电流特性 I1=f ( P2 ) 根据异步电动机的定子电流方程式 可知,空载时, P2 = 0 , 0 , 此时定子电流几乎全部为励磁电流 , 即 I1 I0 ； 随着负载的增加 , 即 P2 增大 , 转子转速下降 , 转子电流增大 , 定子电流 I1 及磁动势几乎随之成正比地增大 , 来抵消转子电流产生的磁动势 , 以保持磁动势关系的平衡； 当

55、P2 增大到一定数值时 , 由于转子转速下降较多 , 转差率较大 , 转子功率因数较低 , 这时平衡较大的负载转矩需要更大的转子电流 , 因而 I1 的增长比原先更快些。所以三相异步电动机的定子电流特性几乎是一条向上倾斜的直线 , 只是负载较大时 , 曲线开始向上弯曲 , 如图4-26 所示。201.III2I3. 功率因数特性功率因数特性 = f ( P2 ) 异步电动机空载时, P2 = 0 , 定子电流几乎全部为励磁电流 , 主要用于建立旋转磁场,因此定子电流主要是感性无功分量 , 功率因数 很低 , 约为0.10.2；当负载增加 , 即 P2 增大时 , 转子电流的有功分量增大 , 定

56、子电流的有功分量也随之增大 , 使功率因数 提高 , 在接近额定负载时 , 功率因数达到最高；由于在空载到额定负载范围内 , 电动机的转差率很小 , 而且变化也很小 , 所以转子功率因数角 几乎不变,但负载超过额定值时 , 转差率 s 就会变得较大 , 因此 变大 , 转子电流的无功分量增大 , 使定子电流的无功分量也随着增大,从而使电动机的功率因数 又重新下降。三相异步电动机的功率因数特性如图4-26所示。1cos1cos1cos222arctanrsX21cos4. 电磁转矩特性电磁转矩特性 T = f ( P2 ) 根据稳态运行时异步电动机的转矩平衡方程式T=T0+T2 及公式 T2=

57、9.55P2/n 可知 , 空载时, P2=0 , 电磁转矩约等于空载阻转矩 , 即 T0； 随着输出功率 P2 的增大 , 若转子转速 n 不变 , 则 T2 随 P2 成正比地增大 , T2 = f ( P2 )为过原点的直线。由于考虑到 P2 增大时, 转速n 略有降低 , 因此 T2 随 P2 的增大略向上偏离直线。因为空载阻转矩 T0 很小,而且在负载不超过额定值时, T0可认为基本不变 , 所以电磁转矩特性 T= f ( P2 )将比 T2= f ( P2)平行上移 T0 数值 , 如图4 - 26 所示。5. 效率特性效率特性=f ( P2 ) 根据效率的定义 , 异步电动机的效

58、率为%100%100admCu2FeCu12212pppppPPPP 空载时, P2=0 ,=0；当负载增加但数值较小时, 可变损耗（pCu1+pCu2+pad）增加较慢 , 效率随负载的增加而迅速上升； 当负载继续增加时,可变损耗随之增大 , 直至可变损耗等于不变损耗（ pFe+pm )时 , 效率达到最高； 随后负载继续增加时, 可变损耗增加很快 , 效率开始下降。异步电动机的效率特性如图4-26 所示 , 和直流电动机的效率特性相似。对于中小型异步电动机 , 最大效率大约出现在额定负载的 时, 电动机容量越大 , 效率就越高。 由此可见 , 效率特性曲线和功率因数特性曲线都是在额定负载附

59、近达到最高 , 因此选择电动机容量时 , 应注意使其与负载相匹配 , 如果容量选得过小 , 则电动机长期过载运行 , 就会影响其寿命； 如果容量选得过大 , 则电动机长期轻载运行 , 功率因数和效率都较低 , 浪费能源。 利用异步电动机的等效电路进行定量分析和计算时 , 必须知道等效电路中的参数。与变压器一样,这些参数可通过空载试验和堵转(短路)试验来测定。4. 8 .1 空载试验空载试验W*AAW*A*M3VTFU*Q西 安电子 科 技大 学 出 版社 空载试验的目的是通过测取异步电动机的空载电流 I0 及空载损耗 p0 分别与电动机空载电压 U0 的关系曲线,来确定电动机的铁损耗 pFe 和机械损耗 pm , 励磁参数rm 和 Xm 。 图 4-27 三相异步电动机的空载试验接线 1. 空载试验空载试验 空载试验接线图如图 4-27 所示。 空载试验是在电动机空载时进行的, 定子绕组上施加额定频率的对称三相电压, 将电动机启动后, 先在额