异步电机的理论分析与运行特性

1、第三篇异步电机第九章异步电机的理论分析与运行特性目录第一节异步电机的大体结构1第二节异步电机的运行状态和磁场5第三节三相异步电机的等效电踣8第四节异步电机的参数14第五节异步电动机的功率平衡式和转矩平衡式19第六节异步电动机的机械特性及稳固运行条件24第七节异步电动机的工作特性33小结35试探题36习题38第一节异步电机的大体结构异步电机又称感应电机是交流电机的一种。与其它旋转电机相较，它的结构简单、制造、利用和保护方便，运行靠得住，效率较高、价钱较低，可是它的调速和起动性能不佳，功率因数老是滞后的，增加了电力系统的无功负担。异步电机主要作为电动机利用，是现今应用是广，需要呈昊大的一种电机。异

2、步电机和其它旋转电机的大体结构一样，有一个固定部份，叫做定干。有一个旋转的部份，叫做转于。定、转于之间有一个很小的空气隙。另外，还有端盖、轴承和机座等部件。异步电机定于主要包括定于绕组、铁芯和机座三部份。三相异步电机是异步电机是通用的形式，其定于绕组是电机的电蹈部份，绕组用带绝缘的铜导线绕制，嵌在定于槽内，绕组与槽壁间用绝缘材料隔开。绕组的组成和联接方式参见第六章。定于铁芯是电机磁跖的一部份和放置对称的三相定于绕组。由于旋转磁场以同步速度相对于定于旋转，因此，定于铁芯中的磁通大小和方向都是转变的，为了减少其涡流损耗和磁滞损耗，定于铁芯用导磁性能好的硅钢片叠压而成，一般为徵加厚，片间有绝缘层，容

3、量较大的电机，片表面涂有绝缘漆形成片间绝缘。整个定于铁芯为一个内圆周上均匀带有齿槽的环形柱状铁芯，其内径、外径和铁芯长度是电机的主要电磁尺寸。定于的槽数，槽形选择也很重要，常常利用的槽形有三种：半闭口槽、半开口槽和开口槽，如图9-1(a)所示。半闭口槽的槽口宽度小于槽宽的一半，能够减少主磁路的磁阻，从而降低励磁电流，适用于散嵌绕组(一般为平行齿)，应用于小型电机；半开口槽，其槽口宽度大于槽宽的一半；开口槽,其槽口宽度等于槽宽，为平行槽，用于成型绕组，便于嵌线，中、大型电机一般采用这种槽形。机壳是电机的外壳，异步电机的机壳主要起固定定于铁芯和支撑电机的作用，要求其有足够的机械强度和刚度。中小型异

4、步电机一般采用铸铁或铸铝(合金)机座，对微、小容易异步电机可采用铸铝机座，而较大容量异步电机采用钢板焊接机座。二、转于图定、转子槽形图异步电机将于主要包括转子绕组、铁芯和转轴三(心定子槽嬴力转子槽形部份。行于铁芯也是主磁跖的一部份，一般由厚溜明的硅钢片会成，铁芯固定在转轴上或转于支架上。整个转子的外表呈圆柱形，一般外圆周上均匀冲有同形槽，其槽形对电机的性能,专门是笼型异步电动机的起动性能有专门大的影响，小功率电动性能够选用平行齿，运行性能较好；功率较大的电动机可选用平行槽，以提高起动性能；为取得更高的起动性能可用凸形檀，但工艺结构比较直杂；小电机也有效闭口槽，降低杂散损耗。转于槽形如图9-l(

5、b)所示。如需进一步改善起动性能，能够采用其它特殊槽形，这将在第十章中介绍。异步电机的转子绕组能够分为笼型和绕线型两大类。、笼型绕组。图92笼型转子异步电机结构(a)焊接鼠笼转子；(b)封闭式笼型转子异步电动机总装配图1一铀承；2后端盖；3转轴；4接线盒$5一吊环$6一定子铁芯7转子；8一定子绕组；g一机座；10前端盖；11一风罩；12风扇桀于铁芯的每一槽中有一根导体，这些导条两头各有一个圆环，将它们短接起来，如去掉铁芯，该绕组的外形好象一只“鼠笼”，如图9-2(a)所示，笼型转子或称鼠笼式转子的名称也由此而来。笼型转于生产工艺有两种，一种是铸铝，可用离心浇铸或用压铸法，把溶化的铝注入转于槽中

6、，且把风扇和端环也一同铸成，工艺筒便，生产效率高，这种工艺适合中、小型电机的笼型转子；另一种是焊接，每槽中放一根铜条，再在两头放上两个端环，将转于条别离焊在端环上，对于大型电机铸铝转于质量难以保证，所以一般采用这种工艺方式。笼型转于有时故意将熊于槽与转轴倾斜必然角度，形成斜槽，其理由将在后文说明。普遍应用的封锁式笼型异步电动机，总装配图如9-2（b）所示。、绕线绕组。转子铁芯上绕有一对称绕组，和定子绕组有相同的极数，但不必然要求有相同的相数，而实际上常常制成相同的极数，故三相绕线转于异步电机的转子一般为三相对称绕组，连接成星形，转子的一端装有三个集电环，各与转子三相绕组的三个起始端相连接。每一

7、个集电环上各有一电刷，通过电刷与集电环的滑动接触把转子绕组与外电跖相连，就可以够把外接电阻串联到转子绕组回跖中去，以改善电动机的起动性能和调速性能，在正常运行时，若是外接电阻被全数切除，转于绕组会直接短跖，这时由短跆提刷装置把电刷提起,其目的是为了减少摩擦损耗，提高电动机运行靠得住性。绕线转子异步电机的装配图如图9-3（a）所示。图93绕线转子异步电动机结构（a）绕线转子异步电动机的总装配图；（b）绕线转子的双层波绕组U相）1转轴：2转子绕组：3接线盒：4机座：5定子铁芯：6转子铁芯:7一定子绕组；8端盖；9轴承；10集电环绕线转子异步电机的转子绕组比较使杂，由线图绕制而成，采用插入式绕组或散

8、嵌绕组,常常利用绕组型式有双层波绕组（适用于大、中型电机）或双层叠绕组（适用于小型电机）o现以双层波绕组举例说明之。设转于槽数Z=24,极数2P=4,相数优=3。224cq=2则每极每相槽数2P播4x3360°xr360°x2力。a=-=30°槽距角224整距绕组二丁二6槽。为了图面清菇，只画出a相绕组，现在，一、二、7、八、13、14、1九、20等8槽的上层基层均属a相。按照交流绕组的连接规律，应使绕组通以电流能形成对称的绕组，而与导体连接的前后顺序无关。图9-3（b）所示的连接方式是波绕组型式，这种方式一个线圈与相邻线圈连接顺序形似波浪前进，故称波绕组，而与图

9、6-9所示的双层叠绕组产生的磁动势和电动势是一样的。行于绕组之所以采用波绕组，是由于转于电流较大，铜线较粗，通常每线周只有一匝；用波绕组能够节约铜线。b相和c相也可按此方式绕制。三、气隙定、转子之间的空气隙称为气隙，它对电机的性能有重大的影响。中小型异步电动机的气隙一般为2.0mm。气隙过小，虽能提高电机的功率因数，但会使电机装配困难，运行不靠得住和增加附加损耗，因此气隙大小通常由机械条件等因素来肯定。四、铭牌的额定值每台异步电动机的机座上都有一个铭牌，上面标明有型号、额定值和有关技术数据。、型号。我国电机的产品型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中当头的字母是按照电机的全

10、名称选择有代表意义的汉语拼音字母。如H60Z1-4三相异步电动机极数机座中心高铁芯长短代号机座号长短代号二、额定功率（）o指电动机在额定方式下运行时，转轴上输出的机械功率。单位为印或及忆3、额定电压（4）。指电动机在额定方式下运行时，定子绕组应加的线电压。单位为，或环4、额定电流（4）。指电动机在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的线电流。单位为工。五、额定频率（/）-额定状态电源的交变频率，我国电网频率为50法。六、额定转速（用”）。指在额定状态下运行时的转子转速。单位为"面.除上述数据外，还标出额定运行时，电机的功率因数和相数、接线法、防护品级、绝缘品级与温升、工作方式

11、等有关项目。对于绕线式异步电动机，还标明当定子外施额定电压时的转子开路电压和转子额定电流。第二节异步电机的运行状态和磁场一、异步电机的运行状态当一对称三相电流流入异步电机三相定子绕组时，在气隙中便产生一旋转磁场，以同步速旋转。转子绕组与其有相对运动，则在闭合的转子绕组产生感应电动势和感应电流，旋转磁场与转子导体中的电流彼此作用产生电磁转矩。由此可见，正常情形下，异步电机的转子转速履老是略低或略高于旋转磁场转速（即同步转速）勺，它们之间的差（为-力），称为转差速度。咱们概念转差速度与同步转速的比值为转差率S，即$-（9-1）转差率是决定异步电机运行状态的重要变量，异步电机的负载情形发生转变，转子

12、导体中的电动势、电流和电磁转矩相应图94异步电机的三种运行情况转变，则转子转速和转差率随（a）电动机情况；（b）藕机情况；3制动情况之肘，叭，衣照格彳率的大小叮正负，异步电机可分为电动机运行、发电机运行和电磁制动三种状态。如图9-4所示。一、电动机运行如图9-4（a）所示，设旋转磁场方向自左向右，旋转磁场切割转子导体（图中只画出一根导体），按右手定则，感应电动势方向流向纸面，若转子绕组是闭合的，感应电流的方向也为流向纸而。按左手定则，导体所受电磁力用的方向与旋转磁场方向相同，由此形成的电磁转矩及，拖动转子转动，这时电磁力为原动力，负载力F为阻力，当尸。二尸时转子转速达到稳固，运行转速为相，现在

13、异步电机转速比旋转磁场转速小，相<勺，则当负载转矩较大时，必需有较大的转子电动势和电流，因此有较大的转差率。反之，负载转矩较小，转差率亦减小，接近于小,理想空载情形下，若无阻力转矩，则"=勺，$二°。故电动机状态转速低于同步转速，即°丈$<1。二、发电机运行若转子上外加原动机驱动，使转子转速高于旋转磁场转速，力;勺，则转差率s<0,如图9-4(b)所示，现在旋转磁场切割转子的相对速度便倒转方向，转子感应电动势、电流的方向倒转(与电动机情形相较)，产生的电磁转矩的方向与转子旋转方向相反，现在电磁转矩为阻转矩，电磁力为阻力，为使转子维持高于旋转磁场转

14、速旋转，原动机的外施力F必需克服电磁阻力，现在输入机械功率，输出电功率，异步电机处于发电机状态转速大于同步转速,即S<0。3、电磁制动若转子在外力拖动下，使其旋转方向与旋转磁场的转向相反，如图9-4(c)所示，现在旋转磁场切割转子的相对速度方向与电动机状态时方向相同，因此电磁力用的方向也是自左向右，可是由于转子转向改变，对转子而言，此电磁转矩为制动转矩。又电机的转速与旋转磁场的转向相反，故履应取负值，相对转速则大于同步转速%-(一甩)，即履4°,现在电机处于电磁制动状态。例如，起重设备中，起重机下放重物时，如让重物自由下坠超级危险，这时要使电动机运行在制动状态，由电磁转矩来制止

15、转子加速，调整K下降速度。异步电机有以上几种运行方式，是符合电机可逆性原理的，可是实用上异步电机主要作为电动机运行。本篇将主要讨论异步电动机的运行理论和特性。二、异步电机的磁场空载时，异步电机定子三相绕组流入三相电流产生旋转磁场，旋转磁场转速为内，与一60劣为衣O空载时电动机转速近似同步转速，转子中无电流很小，可近似以为转子电流为零，气隙中仅此旋转磁场。负载时，电动机转速将下降，从降至履，现在定子电流将增大，转子绕组中也有电流流过，也将产生转子磁动势并成立转子磁场，若转子转速为神，则定子旋转磁场与转子绕组的相对速度为为一用，转子感应电流的频率为= sfi(9-2)r(一pny«L-&

16、#171;6060勺转子电流产生的旋转磁动势相对转子的转速为60力_60M笈2=SZ2=Z2一%PP(9-3)转子电流产生的旋转磁动势相对定子的转速为2+"二一"X=勺（9-4）由此可见，转子电流产生的旋转磁动势的转速与定子电流产生的旋转磁动势的转速相同，都等于同步转速勺，它们在空间始终维持相对静止，与转子的实际转速大小无关。气隙磁场由转子磁场和定子磁场合成。如此，异步电机定、转子磁场与变压器低级、次级磁场一样,都符合磁动势平衡原则。异步电机的工作与旋转磁场的特性有关，磁场的各分量按照其磁路的途径和对电性能量转换和性能影响的不同，可分为主磁通和漏磁通两类。一、主磁通由基波磁

17、动势产生的互磁通称为主磁通。图g5主磁通的磁路（2二4）图g6定子漏施通（a）槽漏磁通；（b）端部漏磁通主磁通通过气隙并同时交链定子绕组和转子绕组，它将同时在定子、转子绕组内感应电动势，主磁通与转子感应电流互作用产生有效的电磁转矩，并实现能量转换。主磁通用符号斌表示，在数量上.小状表示每极的基波磁通量。图9-5表示四极机主磁通的磁路示用意。主磁通途径分五段磁路，包括空气隙、定子齿、定子匏、转子齿和转子挽。二、漏磁通除去主磁通之外的磁通通称漏磁通。漏磁通包括三个方而：槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通。定子槽漏磁通和端部漏磁通如图9-6所示，虽然它们所通过的路径有所不同，但主要都是通过空气等非导磁

18、材料而闭合，磁阻专门大，因此磁通量要比主磁通小的多，另外它们只交链定子绕组，不交链转子绕组，不能传递能量。旋转磁场中不仅有基波磁场还有高次谐波磁场，这部份磁场比基波磁场小的多。谐波磁通的路径与基波主磁通一样，通过气隙同时交链定子、转子绕组。因为谐波磁场极对数夕”二陛，旋转速度“一/，谐波磁场在定子绕组上的感应电动势频率为«1vpS="=二=空=flv606060'1（9-5）谐波磁场在转子绕组上也将产生感应电动势，设转子的转速总，则感应电动势的频率为C、吵（色一用）/_凡（"一4）_八P2v6060（9-6）而基波磁场在转子绕组上的感应电动势频率为）（如一

19、九=60（9-7）二者频率不同，所以要把基波磁通与谐波磁通分开考虑，基波磁通产生有效的电磁转矩，而谐波磁通产生有害的附加电磁转矩，又因为谐波磁通在定子绕组中感应电动势的频率仍为基波频率4，与其它定子绕组漏磁通的感应电动势频率一样，所以通常把全数的高次谐波磁通归并到漏磁通，故称为谐波漏磁通。由此产生的感应电动势以归并到漏磁电动势。谐波磁动势实际是反映了全数磁动势与基波磁动势之差，所以谐波磁通又称为不同漏磁通。同理，转子电流也将产生漏磁通，包括转子的槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通等。第三节三相异步电机的等效电路一、转子不动时的异步电机三相异步电动机正常运行时转子一般是旋转的，为了研究方便，先分析

20、转子不动时的情形。由于异步电机转子绕组是短路的，从电路分析角度来看，转子不动时异步电机的电路方程与次侧短路时变压器的电路方程相似，变压器的低级绕组相当于异步电机的定子绕组，次级绕组相当于转子绕组。虽然异步电机与变压器的磁场性质、结构与运行方式不相同，可是它们内部的电磁关系是相通的，所以在研究异步电机等效电路时，可借助于变压器的电磁理论,用类比法进行推理是十分有效的。一、电压平衡式三相异步电机的电压平衡式，等效电路和相量图各类物理量均取每相值，下标“1”和“2”别离表示定子和转子电路的有关量值。并设各相量的正方向均按变压器老例。则转子不动时的定、转子电路如图9-7,定子绕组的电压平衡式和转子不动

21、时转子绕组的电压平衡式别离为齿:一房+/G1+朋)(9-8)图9-7转子不动时的定、转子电路一|0二房-八色+八2)(Q-Q)式中4一一定子绕组的电压：为一一转子不动时转子绕组感应电动势；一一转子电流：区一一定子绕组的感应电动势；h一一定子电流：，叼一一转子绕组电阻和转子不动时的转子漏抗：公，七一一定子绕组的电阻和漏抗：二、磁动势平衡式与变压器相似，4与4的大小和相位是通过磁动势平衡关系联系的。转子不动时，定、转子绕组有相同的极数，因此定、转子电流产生的基波旋转磁动势有相同的转速，转子旋转磁动势对定子旋转磁动势产生去磁作用，二者一路作用产生主磁通斌，由此产生定子感应电动势一耳二444工以2MB

22、.故斌正比于又由式(9-8)定子电压平衡式，当电机端电压4必然，的也大体不变，从而决定基波磁通小正和励磁电流4。一般定子绕组与转子绕组有相同的极数，但可有不同相数。设定子绕组有功1相，转子绕组有物2相，则鼻=竺_x0.9x曰定子绕组磁动势2p(9-10)转子绕组磁动势F2二,XO.9X.2相.2P(9-11)合成磁动势/7(9-12(a)磁动势平衡式为马+&(9-12(b)色为0.9x当卷"十"x0.9x逛逛/二地为0.9x21Q9次Z72PJP(9-12(c)3、绕组归算定子、转子的相数、有效匝数不同，和分析变压器的方式相似，为成立等效电路，需要进行绕组归算，一般

23、将转子方面的各物理量归算到定子方面，如相数四2、绕组匝数此、绕组因数女也等。对于绕线式转子，定、转子绕组极数、相数一般是相同的，归算较为简单。而对于笼型转子，转子极对数应与定子极对数相同，不然不能产生平均的电磁转矩，电机也工2工2无法工作。每对极的导条数为9(4为转子导条数)，若P为整数，这说明笼型绕组是一个对称的多相绕组，每对极下的每一根导条就组成一相，转子导条的槽距角就是相与相之间空间相差的电角度_360°xj?%=y笼型转子的相数(9-13)"x0.9芷出l2 =，x0.9 2 N2 芍2 VN2=-每对极下每相只有一根导体，声对极有尹根导体并联，所以每相串联匝数2,

24、绕组因数长如二1。若P为分数，为了简化计算，也可用以上关系式计算磁动势和磁密。(1)电流的归算。按照归算前后转子磁动势维持不变/，=叫选玄姑.二为则嗯玛(914)除_n式中冷忆42,为电流变比。r(2)电动势的归算。按照归算前后转子视在功率维持不变，即溶1右2乙=忆建山当、牌立当=当(9-15)N声山i葭一小心式中,为电动势变比。则 叱（3）阻抗的归算。按照归算前后转子铜耗维持不变，即附112=2=制21/(9-16)二竺（）2出二友抬心同理，按照归算前后转子漏磁场的无功损耗维持不变，得叫故称办为阻抗变比。对于笼型转子异步电机绕组归算的变比为K二做讨黑Ni=gMXm_2PmiNK猷L*N小皿一

25、左/一工电流变比：月2（9-17）电动势变比:?二E=二=2凶/2(9-18)(9-19)22购叫隔_42阳针收£笼型转子内由于导条与端环中电流的大小和相位皆不同，故它们的阻抗不能直接相加，可将端环的漏阻抗归算到导条，归算的原则是归算前后有功功率和无功功率维持不变，讨论略。二、转子转动后的异步电机一、转子转动后对转子各物理量的影响转子转动后，转子绕组的感应电动势和电流的频率与转子的转速有关，按照式（9-5）,4二M,但转子基波旋转磁动势的转速（相对于定子）不变，按照式（9-4）,仍为同步转速甩】，因此，磁动势平衡式（9-12）转子转动后仍然成立。从电路角度看，转子转动后转子频率的转变

26、将影响转子电动势和漏抗等参数的转变。转子电动势%二4.44工M出川26潴二4.4443/1n双二烟（9-20）式中队转子转动后转子电动势4转子不动时转子电动势转子漏抗为=2嫉上心=W142二%(9-21)式中七一转子转动后转子漏抗叼一一转子不动时转子漏抗转子转动后转子回路电压平衡式0二左25一,2(+)五为)(922)二、频率归算以上分析可知，转子转动后转子回路的参数的频率为力=M,而定子回路参数的频率仍为工，二者不相同，而不同频率的物理量所列出的方程式是不能联立求解的，也得不到统一的等效电路，为此把转子频率变换成与定子电路相同的频率，这就是频率归算。上自已讨论过，转子不动时，定、转子电路具有

27、相同的频率，故等效的转子电路能够看成静止不动的。进行归算纯属是为解电路的需要，应该维持频率归算后转子电流的大小和相位不变，从而维持磁动势平衡不变，维持定子各物理量和功率不变。式(9-22)可写成I_竭2+后叼+j%3=心里=旭-】(9-23)“尸2J将上式分子、分母同除以S,其数值不变，即/_员_J/21s+A2一"ssr2(9-24)式(9-23)到式(9-24)是在维持和区不变前提下的数学变换，可是分析它们一些参数的物理意义却发生了转变。式(9-23)表示转子转动时的实际情形，转子电动势为当转子电抗声，转子频率力，转轴上输出机械功率，电路图如图9-8(a)所示。式(9-24)表示

28、频率归算后的等效转子。转子电动势为与，转子电抗盯,转子频率工，转子不动，可是它用$的转子电阻代替实际的转子电阻，形成一个等效转子。把S分成两项S S (9-25)在频率归算后的电路图9一8 (b)图98转子转动后的异步电机定,转子电路图(a)转动时的电路；(b)频率归算后的电路中，第一项为转子本身的电阻，第二项$为附加电阻，它表示频率归算后，等效转子不动，故无机械功率输出，可是串入了附加电阻$一，因归算前后总功率不变，因此,2I一啊4r2从数量上看，附加电阻上的电功率$，相当于转子转动时轴上的机械功率，也1-S就是说，能够通过计算等效电路中附加电阻上的电功率代表转子总的机械功率，故S又称为模拟

29、电阻。模拟电阻与转差率S有关，电动机稳态运行时，S值很小(额定负载时约为之内)，当s增大时，模拟电阻就减小，负载增大。3、大体方程式和等效电路定子和转子组成一个等效电路，转子参数经频率归算后还应进行绕组归算，将转子电动势、电流和阻抗按各自的变比归算到定子方面，归算后异步电机转子侧参数为豆二=小,异步电机的大体方程为齿二一房十4十J/)0=4-匚里+广；S，1="+口2),.r自1=用一房=断=4?+/).按照式(9-26)可画出异步电动机的丁形等效电路，如图99所示。它和变压器接有纯电阻负载的等效电路相似，所接的电阻即为模拟机械功率的模拟电阻$.r2=0当转子不动时，即s=1,则s,

30、机械功率等于零，与变压器次级短路类1_S/_.=03同；当转子转速达到同步转速，即甩=，s=°,则S,相当于等效电路的次级开路，转子电流为零，机械功率也为零，定子电流仅为励磁电流，为理想空载状态，与变压器次级开路类同。4、相量图异步电动机的相量图与变压器接纯电阻负载时相量图类似。异步电机的模拟电阻压降相当于变压器的次级电压。如图9-10所示。图中定子电流心老是滞后于电源电压4,这主如果磁化电流和定、转子漏抗引发的，异步电机正常运行时必需从电源输入感性无功功率，这一缺点是异步电机固有特性所决定的。图9一10异步电动机相量图第四节异步电机的参数利用大体方程式，等效电路和相量图分析交流电机

31、特性是电机学中普遍采用的方式。异步电机通过等效电路可算出电机的电流、功率、效率、功率因数和转矩等。为此需要了解等效电II路的运算方式和电路中各个参数的物理概念及测定方式，T型等效电路中有八、马、小、/六个大体参数和转差率s运行状态参数。一、异步电机等效电路参数测定(9-30)异步电机T型等效电路中定子绕组电阻-1可用电桥等表计直接测量，求得的相电阻应依照标准换算到标准温度（一般为75C）时的值。其它参数可通过空载和短路（堵转）实验来测定。一、空载实验空载实验的目的是测定励磁参数7、%,和铁耗田股和机械损耗0魔尤。实验在电源频率/二治，转子轴上不带任何负载，转速接近同步转速"色勺的情形

32、下进行，测取额定电压3=/m时，空载电流/。和空载三相功率先，为了测试准确往往用调压器改变实验电压大小，从（U*2）4下降到川左右，画出空载特性曲线/。，用二/（“）如图9-11所示。空载输入总功率为片二阳/。3+P发+（9-27）铁耗和机械损耗之和为马二片一切,o八二Pfc+外既（928）图9-li异步电动机空载特性由于铁耗近似与电压平方成反比，而机械损耗与电压大小无关，仅与转速有关，故可用品=/（&2）关系曲线，将/与0*分离开来，求出额定电压时的铁耗和机械损耗。如图9-12所示。图912电压平方法分离机械损耗与铁耗空载实验时，so,转子能够为是开路，按照3=4时的数据可求出励磁阻

33、抗。励磁电阻力尸求一，72国io（9-29）空载总电抗72II24演二十元准=3二-咫丁式中4、/。均为相值。励磁电抗为%二为一勺（9-31）二、短路（堵转）实验短路实验的目的是测定短路电抗，短路阻抗和转子电阻。短路实验是在转子不动的情形下3=1）,调行外施电压，使短路电流由川逐渐减少到1川，每次测出定子相电压“仙相电流。和输入三相总功率乙，并画出短路特性曲线4二/（4）和乙二/（4）如图9-13所示。按照短路实验查出4二,加时数据，求得异步电机的短路阻抗，短路电阻1和短路电抗联4号图913异步电动机的短路特性A鼠=-TT"7；（9-32）s=Ll-s.'=o短路时异步电机T

34、型等效电路如图99所示，现在，$?,犹如变压器一侧短路。短路（堵转）实验所加电压较低，故铁耗可不计，则%二°。异步电机由于存在气隙，励磁电流较大，可达额定电流的20%50%,励威电抗虽然比转子漏抗大的多，可是不宜象变压器短路实验时将励磁回路开路处置，如此十孙十叫6十小十时，小年1212弓+向+及石Yp4-Y/瞬/十 £)2七十(9-33)队一对十/对于一般异步电机，设二元比,并利用空载实验数据瓯=/+=入断+12,代入式（9-33）上式可改写成/=(一汗1)一-、_%(9-35)对于大型异步电机，一般5>>7"励磁电流所占比例很少，因此可近似与变压器短

35、路实验时一样将励磁回路做开路处置，如此点=0+七，则q=rk-ri(9-36),_1底=为十七，则勺彳勺(9-37)等效电路中所有定子侧的参数均为实际值，转子侧的参数均为归算值，而不是实际值，由此算出的定子侧的量也为实际值，算出的转子侧电动势、电流是归算值而不是实际值，可是归算是在功率不变的条件下进行的，所以算出的转子有功功率、损耗和转矩均与实际值相同。二、异步电动机的等效电路的简化按照丁型等效电路，定子、转子电流为1 2乜 Z+- 2.z.+z1+盆"三IJ 2： ij JZ+1+1% w+枳14)(9-38).才:- 52冬储小豆1 O(9-39)异步电机T型等效电路是一个串并联

36、电路且为复数运算，计算比较繁杂，工程计算时能够进行适当简化。与变压器相仿将励磁支路移至端点形成近似等效电路，可是异步电机励磁电流较大，励磁阻抗较小，简单的励磁支路前移将造成较大的误差，需要作必要的修改。G复数系数,cL =1+21二十八十）片% +/5(9-41)二萼（9，10）在异步电机中，由于】苞，X«,如略去和小,则复数系数）就简化为一实数系数°】，现在等效电路为较准确近似等效电路浇(9-42)式（9-39）顶用与替代盘，转子电流计算能够简化为(9-43)因此可取得求转子电流的较准确近似等效电路，如图9-14所示。*结合原等效电路和式（9-43）求心的简化公式图g14

37、求转子电流的较准确近似等效电路图g15求定子电流的较准确近似等效电路整理得A=4+(-A)Z+<71Z2/=i_+巴=+%)(9-44)_J_I-k式中M4+勾（尸1+，）+/（勺+%）,乙并非是实有的励磁电流：s也不是实有的转子电流，转子电流仍是式（943）求得一4，式（9-44）是求定子电流的简化公式，由此可得求定子电流的较准确近似电路，见图9-15所示。容量较大的异步电机，因为勺<<X«,所以0阳1,取得等效电路为简化等效电路，如图9一16所示。由此计算工作量大为简化，固然也会带来误差，与丁型等效电路相较，励磁电流和定子电流偏大。究竟采用那种等效电路,应视电机

38、参数情形和要求的计算准确程度而定。第五节异步电动机的功率平衡式和转矩平衡式一、功率平衡式异步电动机通过电磁能量转换，将电网输入的电功率转换成转子输出的机械功率，其间必然会有损耗，按照能量守恒原则输入功率必需等于输出功率和全数损耗之和。本节将用等效电路来分析异步电机的能量关系，参见图9-17。输入电功率耳二切口Jicosd定子铜耗外产幽山片定子铁耗外”飞4%转子铜耗Pg&a二小月二4%-总的机械功率S总的机械功率又称为内功率，它是从等效电路上直接反映转子输出的机械功率，转子轴上实际输出功率还应扣去电机旋转进程中不可避免的摩擦损耗和风阻损耗，通称机械损耗0魔好，和附加损耗月必，它是异步电机

39、中高次谐波磁通和基波漏磁通在定、转子导体、铁芯及其金属部件中所产生的附加铁耗和铜耗。附加损耗又称杂散损耗，组成比较复杂，有部份损耗与负载大小有关，另部份损耗与负载无关，大型电机03约为额定功率的05%,而小型铸铝转子异步电机满载时月出可达额定功率的1%3%。图9-17异步电动机的各种损耗异步电机功率流程图见图9-18所示-日止士力一人力三力工口附图918中，4为电磁功率，它代表通过图9-18异步电动机的功率流程图气隙基波旋转磁场传递到转子的电磁功率，由等效电路可得I2%二片一乙小一7株二加SS(9-45)电磁功率又可写成f(=2/2/2。$用(946)即Pen=s?M(9-47)一般异步电动机

40、额定运行时$加=0°32005,如转差率过大，转子电流增大，转子铜耗增大，效率降低。另外，总的机械功率又可写成耳二%Pein,。一$1%(948)输出功率g=§-PCPad(9-49)异步电动机总的功率式，即耳二匕+7血+pg+p或=舄+Np二Pgl+PFe+Pc畸+P於ec+P&J,Q_-n，iyouz式中：2o为电机总损耗；7注为定子铁耗，因为正常运行时转子铁芯中磁通的转变频率很低，通常仅13法.所以对于50法的普通异步电机转子铁耗能够略去不计。二、转矩平衡式旋转电机的机械功率等于电机的转矩与它的机械角速度乘积。异步电动机输出功率为舄二四Q二四与602(9-1)

41、把势(9-49)两边除以转子角速度C,取得转矩平衡式，即四二丁_n仪一乙二7一热(9-52)1殳式中2G电动机轴上的输出机械转矩，即负载转矩:T一G电动机轴上的总机械转矩，即电磁转矩:,。=%+&电动机空载制动转矩：7_P梃GG机械损耗转矩：又电磁转矩为附加损耗转矩TR%4Q2zw/)2刑6060(9-53)式中。尸等二2/m1_Q601-sl-s,为电机的同步角速度【例9一1】一台三相笼型异步电机，额定功率3及犷，额定电压380，,星形接法，额定转速957”min,电机参数如下：八=2.02Q,%=1.525Q,%=4.12Q,勺=3.12Q,(必=4.25C,%二62Q,试别离用T

42、型等效电路，较准确近似等效电路和简化等效电路,求在额定转速时的定子电流、转子电流、功率因数、效率和输出转矩。设机械损耗为60犷。U00T7=qq43解：额定转差率1000心二段二220(/)额定相电压小设以“为参考轴，则"=22叱0°(1)应用T型等效电路计算I女1=;一承乙+42.084户.12+220/0。,1.525<0,043T525+J4.25(4.12+J62)定子电流0.043+*25+4.12+J62=6.822/-36.41。/_/Z次_6.822/-3&41c1(4.12十J62)一1°=.z=1525句+'现_+>

43、4,25+4.12+;62转子电流0.043=5.49N-9.352。功率因数COS1=cos(-36.41°)=0.8047输入功率片=3也cosa=3x220x6.822x0.8047=3622(17)片=笈；%-盛=3x5.49?xl.5251Q043-6Q输出功率2225"0.043=30网印）效率”*翳山如输出转矩与4二为=飨°侬60（2）应用较准确近似等效电路近似1 元 13.121 ci勺=I +=1+ = 1.05修正系数 %62转子电流22 叱 0口1 525 A2.08+1.05 士竺0.043J= 5.5Z-10.915)十 J(3.12 +

44、 1.05x425)/'=1励磁电流wG+，）+/（巧+/）二（2。8+4；煞（；2+62尸筑434"（工）定子电流A = 4- -= 2.363Z-84.56°-FZ-10.915° = 6.9742-38.46O()105功率因数cos = cos(-38.46°) =0.783场人内率与= 3q cos a = 3x220x6.974x0.783= 3604区)输出功率月=笈；% 匕-pnec = 3x5.52 xl.5251Q 043-6Q22 2s0.043二3020(郎)效率月 3020T) = =片 3604=0.8379弓等号=3

45、。3输出转矩6°（3）应用简化等效电路计算，令=1勺 r 1 n + +/，i+芯）转子电流 I S1220"2.08 十1.5250.0437十 /3,12+4.25)/'=又3.362/-84.56。输出功率励磁电流w6+9+/（巧+%）220/0。(2.08+4.12)+7(3.12 + 62), ,7比、/ Z=7' - A =3.362Z-84560+5.75Z-ll.l0 = 7.441Z-36.770) 定子电流1 送2、,功率因数 cos cos( 36.77°)= 0.801输入功率6=3g cos = 3x 220x7.441x

46、0.801 = 3934(17) =-P.6 = 3x5.75? xl.521-033-6022 2s "0.043=3305（印）=0.8401月330573=效率月3934丁公堂之英9"输出转矩6°比较计算结果，应用方式（1）与（2）计算值比较接近，而用方式（3）各量误差较大。其7了虞=1+二=1仍29/-16.32。，=1+>=1.05原因在于复系数Z照，常系数%，而方式（3）中设c=l,必然引发较大的误差。因此，小型电机计算中常常利用方式（2）。第六节异步电动机的机械特性及稳固运行条件一、电磁转矩和机械特性三相异步电动机在外施电压、频率和参数为规定值

47、时，电磁转矩丁与转差率$（或转速抬）之间的函数关系，可用曲线表示，称为异步电动机的电磁转矩一转差率曲线，简称7s曲线，又称为机械特性曲线，它是异步电动机最主要的特性。按照式（9-53）,电磁转矩为丁=见患1C勺$（9-54）一迎"2%）型片_*式中360PP,为转子角速度按照较准确的近似等效电路，电磁转矩的表达式为7二必27f吟f'?r+q+肉+q工2）Isj（9-55）式中一相电压，单位为：子Ml勺一一定、转子相电阻和漏电抗，单位为C：电一一同步角频率，单位为弧度/秒，/二2斤%：T三相电磁转矩，单位为固%o由式(9-55)在恒定电压、恒定频率电源供电下，可画出T-s曲线，

48、如图9-19所示。该曲线是接电动机运行方式导出，依照，,一£转差率划分电机有三种运行状态：(1)在OksWI,为】>力之°的范围内，电磁转矩T和转速总都为正，方向相同，为电动机状态：(2)在S40,即力，电磁转矩为负值，是制动转矩，为发电机状态：(3)在s>1,即8<0,电磁转矩7和转速正方向相反，为制动状态。图9-19所示的7-S曲线是把电机的参数看做常数画出的，实际上由于存在着集肤效应和饱和影响，参数并非是常数，而是随转差率而转变，正常运行时转变不大，一般无需逐点进行修正，可是对一些影响大的特殊工作点的参数应该作必要修正，如起动点等。电磁转矩的另一种表

49、达式为口1】以外二马二4.44工跖太加四，叼=2折代入上式得T=2食Ni及皿舱快五cos%=C?/1?cos当(9-56)式中C?=Km,为电机转矩常数式(9-56)表示电磁转矩与主磁通及转子电流有功分量乘积成正比。该式常常利用于定性分析，可用来解释？-s曲线的转变规律。因为图920异步电劭机的机械特性曲线耳=耳=1f2片、3和COS可都是S的函数，转变曲线如图9-20所示当理想空载时力=勺，s=0,z2=0,7=0。电动机带上负载后，力,勺，s>0。s增大将使增大，而使8,区下降，可是都不是线性转变关系：s增大，负载增加，可是用减小不大，若电压不变，则次减少不多，可近似看成不变。如此，

50、当s很小时，相很接近，生2f.S4近似与S成正比，而S增大,使COS可下降不大，现在cos%"1,如此丁近殳似与S成正比增大。当S增大到必然程度后，£在转子阻抗中所占比例相对减少，所以S增大，6增大变慢，而C°S，2下降较多，使转子电流有功分量4反而减少，故电磁转矩T随着s增大而减小。由此可见T-S曲线是一个非线性曲线，其中极值点即为最大转矩点。下而讨论异步电动机机械特性上的几个特殊点和电动机稳固运行的范围。在图9-20的7一s曲线上，工点为额定运行点，其电磁转矩盘和转速甩可均为额定值，又称满载工作点:3点为最大转矩点，现在电磁转矩为最大值7：C点为起动点，现在正

51、二。，s=l,电磁转矩为起动转矩工工一、最大转矩求最大转矩，可用式（9-55）,竺二0 .ds 或由此求得产生最大转矩时的转差率(9-58)代入到转矩表达式，求得最大转矩为十（+q石y（9-59）式中8左又称临界转差率。其中的“土”号，电动机取“+”号，发电机取“一”号。对于大容量电机，可近似看成与"，。<卜+芯），则式（9-59）简化为力12卜+石）（9-60）S京H<木2（9-61）由此可取得以下几点结论，（1）在给定电机的参数和电源频率下，异步电机的最大转矩与电源电压的平方成正比。如图921所示。（2）最大转矩与转子电阻无关，但临界转差率与与转子电阻值其成正比，如图

52、9-22所示。（3）当电源电压与频率一按时，最大转矩近似与定、转子漏抗之和成正比。（4）当电源电压与电机参数（电阻、电感）一按时，电源频率增大，则漏抗和%均增大，1_1_最大转矩将减小，鼠也减小，乳812,工，见图1014（b）O电动机的最大转矩与额定转矩之比为最大转矩倍数，称为过载能力，这是异步电动机的重要指标之一，用心表示，即(9-62)若是负载制动转矩超过电动机的最大转矩，电机就会停转，为保证电动机不因短时刻负载突然增大而停转，要求电动机具有必然的过载能力，各类电机都有规定指标，普通异步电机鸳=1.82.5/.脑必甲驾=2.83.0洪，有特殊要求的可达点o二、起动转矩异步电机接通电源开始

53、起动（;°）时的电磁转矩称起动转矩c将S=1带人式（9-55）可得图922转子电阻对丁-5曲线的响（口+cLr）2+（西+c/'a）'（9-63）由图9-22和式（9-63）可见，在必然范闱内转子电阻尸2增大，临界转差率1就增大，起动转矩外随之增大，当联二1时，起动转矩最大，按照式（9-61）,匚二百十七，则二笃。绕线型异步电动机，能够在转子回路中串外接电阻来实现，使转子回路总电阻的归算值等于定子漏抗与归算后的转子漏抗之和，起动转矩最大。由式（9-63）可知，起动转矩与电压平方成正比，定、转子漏抗之和越大，起动转矩越小、电源频率越高，起动转矩越小，跟最大转矩与相应参数

54、之间的关系相仿。起动转矩也是异步电机的重要指标之一，常常利用起动转矩倍数,%表示，即（9-64）一般鼠笼异步电动机肥，=1020。3、电磁转矩简化计算公式如取7=1,则电磁转矩T，最大转矩n和临界转差率除可简化为tNp：的+（为+（9-65）2g q+/；+(玉+£)/+'1 +看 二区以%代入上式2 十小2十(V十(9-66)(9-67)T2+2sr北工十生+ 2s与底 S(9-68)一般电机限二°1一02,稳固运行范围内s更小，故上式可进一步简化为T二2万一s线十(9-69)底S此式也能够为是7=1,且忽略定子电阻】二°的电磁转矩简化公式。式(9-68

55、)和式(9-69)为电磁转矩的简化计算公式，该式中不包括电机参数，如能明白9和男的数值，就可以较方便求出不同的$所对应的电磁转矩T。通过产品铭牌数值能够近似求出窗和与,步骤如下：通常可通过产品铭牌或产品目录查出该电机的额定功率为，单位为次，额定转速&R,单位为"min,和过载能力“等。由为和可求出额定转矩“二上一=9.5空24与60(9-70)式中容为额定愉出转矩，单位为加,可近似等于电磁转矩。由盘与“又可求出最大转矩窗二叔求耳。按照额定转速求得额定转差率限，由式(9-69)得由式(9-71)可求出与。当三相异步电动机在额定负载范围内运行时，转差率很小，一般s加(0°5,即S时<.<,S.S如此式(9-69)又将进一步简化为工空0%(9-72)式(9-72)表示$在02sM之间电磁转矩T与转差率S近似成正比。以上电磁转矩的简化计算公式是在进行了一系列简化约定后取得的，所以使历时应注意场合，如用在$二”1那段不稳固运行区，或修正系数%不近似为1时，用简化公式将会引发较大误差。例9-2续例91,试求该电动机的额定转矩、最大转矩、过载能力、临界转差率。解：(1)额定转矩卜+豹+£+空)3m豆.%1.525=3乂3乂22°200432k乂50(105x15251,2.08十+(3.12+1.05x4.2