第7章 异步电动机原理

2023/2/1电机与拖动1第七章异步电动机原理异步电动机结构、额定数据与工作原理三相异步电动机的电磁关系及等值电路三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的机械特性2023/2/1电机与拖动2

7.1异步电动机结构、额定数据与工作原理一、异步电动机的主要用途异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。

优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高等。

缺点:功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，功率因数总是小于１。异步电机又叫感应电机。NSn12023/2/1电机与拖动3二、异步电动机的分类此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。（2）按转子结构分:

①绕线式异步电动机；②鼠笼式异步电动机。（1）按定子相数分:①单相异步电动机；②两相异步电动机；

③三相异步电动机。2023/2/1电机与拖动4三、异步电动机的主要结构异步电动机在结构上也是由定子、转子、气隙组成。p2092023/2/1电机与拖动5

1、异步电动机的定子：异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。2023/2/1电机与拖动62、异步电动机的转子：1）笼型转子：转子绕组：分为笼型和绕线型两类。由转子铁心、转子绕组和转轴组成的转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用0.5mm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。2023/2/1电机与拖动7

2）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如图所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。2023/2/1电机与拖动8四、异步电动机的铭牌数据（1）额定功率PN

指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是kw。（2）额定电压

UN

指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V。（3）额定电流IN

指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。（4）额定频率f

指我国规定工业用电的频率是50Hz。（5）额定转速nN

指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为r/min。（6）额定功率因数指定子边的功率因数。2023/2/1电机与拖动9如何根据电机的铭牌进行定子的接线？（1）当电动机铭牌上标明“电压380/220V，接法Y/△”时，这种情况下，究竟是接成Y或△，要看电源电压（线电压）的大小。如果电源电压为380V，则接成Y接；电源电压为220V时，则接成△接。（2）当电动机铭牌上标明“电压380V，接法时△”时，则只有这一种△接法。但是在电动机起动过程中，可以接成Y接，接在380V电源上，起动完毕，恢复△接法。

2023/2/1电机与拖动10五、异步电动机的工作原理旋转磁场n1导体切割磁力线产生e,I通电导体在磁场中受力T转子转动nn<n12023/2/1电机与拖动11异步电动机转差率s：在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的转速（同步转速）。转差率是一个表征异步电动机运行状态的一个基本参数。感应电动机的转速随负载的变化而变化。

n与s一一对应2023/2/1电机与拖动127.2三相异步电动机的电磁关系及等值电路电磁过程基本方程转子静止时的异步电动机转子转动的异步电动机等值电路2023/2/1电机与拖动13一、异步电动机（YD）运行时的电磁过程(一)转子静止时的YD(n=0)(什么情况下转子会静止？)

以绕线式YD为例2023/2/1电机与拖动14

由于整个分析过程是完全对称的，所以在分析时仅以A相为例来进行讲解。由电流产生的旋转磁场的磁动势的特点：3）转速：2）转向：1）幅值：2023/2/1电机与拖动15a.转子开路时的工作情况2023/2/1电机与拖动16电压方程式：定子一相漏阻抗2023/2/1电机与拖动17b.转子堵转时的电磁关系1.物理过程:r22023/2/1电机与拖动182.磁势平衡电流变比：2023/2/1电机与拖动19

(二)三相异步电动机转子旋转时的电磁关系2023/2/1电机与拖动202023/2/1电机与拖动21转子旋转磁动势

相对于定子的转速为:结论:不论转子转与不转,定转子磁势在空间总是静止的,仍可合成.2023/2/1电机与拖动22二、异步电动机的等值电路(思路)从前面分析知:YD与B极其相似,YD的转子动或不动具有同一个磁势平衡.YD也可采用等值电路来简化分析计算.折算步骤:用转子不动的等效电机取代转子旋转的电机,将转子边各量折算到定子边,即B折算.2023/2/1电机与拖动23（一）转子绕组频率的折算（静止的转子）:

只要保持转子旋转磁动势的大小不变,从定子边看可认为转子没有变化.根据这个概念,对下式进行变换:2023/2/1电机与拖动24

由此可见,频率折算是用一个静止的电阻为的等效转子去代替电阻为R2的实际旋转的转子,等效转子于实际转子具有相同的转子磁动势.2023/2/1电机与拖动25从定子边看转子旋转磁通势并没有发现任何不同，两个情况下产生的磁通势的幅值大小是完全一样的，这就是转子电路的频率折算，即：把转子旋转时实际频率为f2的电路，变成了转子不转，频率为f1的电路。

:转子轴上产生的机械功率的等值电阻结论:一台旋转的YD可用一台转子不动,转子每相绕组串入一个等值电阻的YD等效取代.2023/2/1电机与拖动26（二）YD转子绕组的各量折算到定子边(B折算)2023/2/1电机与拖动27（三）等值电路基本方程:2023/2/1电机与拖动28

“

T”型等值电路(一相):R1Rm2023/2/1电机与拖动29与B的区别:2023/2/1电机与拖动30

异步电动机空载时，转子的转速接近同步速，转差率s很小，

，电流可认为等于零,定子电流就是励磁电流,电动机的功率因数很低。YD定子漏阻抗不大,从空载到额定负载运行时，由于定子电压不变，主磁通Φ1基本上不变。因此励磁电流也是个常数。但是，当异步电动机刚起动时，转速n＝0（s=1），这时定子电压全部降落在定、转子的漏阻抗上，这样，定、转子漏阻抗上的电压降近似为定子电压一半左右。气隙主磁通Φ1也将变为空载时的一半左右,当电动机运行于额定负载时，转差率/s约为的20倍左右，等值电路里转子边呈电阻性，功率因数

较高。这时定子边的功率因数

也比较高，可达0.8～0.85.2023/2/1电机与拖动31（四）YD的相量图:

2023/2/1电机与拖动327.5三相异步电动机的功率与转矩功率平衡方程式（即能量传递关系）及效率转矩平衡方程YD电磁转矩的表达式2023/2/1电机与拖动33一、功率平衡方程式及效率等值电路为一相等值电路每一电阻都对应一定的功率2023/2/1电机与拖动34输入功率定子铜损定子铁损电磁功率机械功率输出功率转子铜损2023/2/1电机与拖动352023/2/1电机与拖动36

二、转矩平衡方程：2023/2/1电机与拖动37三、电磁转矩的三种表达式：1.物理表达式2023/2/1电机与拖动38T的表达式与直流电机类似，但与转子电流的有功分量成正比．物理表达式的意义及用途：2023/2/1电机与拖动39２.参数表达式2023/2/1电机与拖动40若已知YD的参数，则可据n(s)求得T,画出机械特性.2023/2/1电机与拖动41令:得到最大电磁转矩:最大转矩对应的转差率称为临界转差率：2023/2/1电机与拖动42

一般情况下，值不超过的5%，可以忽略。则最大电磁转矩和临界转差率:

过载倍数：2023/2/1电机与拖动43实际应用时，三相异步电机的参数不易得到，所以,在实际工程中,若利用异步电机产品目录中给出的数据，找出异步电动机的机械特性公式，即便是粗糙些，但也很有用，这就是实用公式。３.实用表达式2023/2/1电机与拖动44已知:代入上式,于是上式变为:2023/2/1电机与拖动45式中:其中大约在0.1～0.2范围内，上式中，显然在任何s值时，都有而q<<2可忽略，这样上式可简化为2023/2/1电机与拖动46实用公式将额定工作点的值代入实用表达式,得:

2023/2/1电机与拖动47当三相异步电动机在额定负载范围内运行时，它的转差率小于额定转差率（）。这就是说

经过以上简化，使三相异步电动机的机械特性呈线性变化关系，使用起来更为方便。但是，上式只能用于转差率在的范围内。实用公式变为:2023/2/1电机与拖动487.6三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性是指电磁转矩T与转速n（或转差率s)之间的函数关系。一、机械特性根据条件的不同,特性曲线又可以分为固有机械特性曲线和人为特性曲线:2023/2/1电机与拖动49

固有机械特性曲线2023/2/1电机与拖动50a.机械特性的特点：（1）在0≤S≤1，即0≤

n≤n1的范围内，特性在第Ⅰ象限，电磁转矩T和转速n都为正，从正方向规定判断，T与n同方向。电动机工作在这范围内是电动状态。这是分析的重点.（2）在s＜0范围内，n＞n1

，特性在第Ⅱ象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态，如图左上部所示,机械特性在s＜0和s＞0两个范围内近似对称。（3）在s＞1范围内，n＜O，特性在第Ⅳ象限，T＞0，也是一种制动状态，2023/2/1电机与拖动51D点:n=0，转矩为Ts，是起动点b.特殊点A点:T=0,为理想空载运行点C点:电磁转矩最大点pp452023/2/1电机与拖动52

起动转矩倍数:电动机起动时，只有TS大于(1.1～1.2)倍的负载转矩才可顺利起动。一般异步电动机起动转矩倍数=0.8～1.2。

2023/2/1电机与拖动53二、人为机械特性:通过改变一些参数使得特性曲线更满足用户的需要,这样就得到了人为机械特性曲线.获得人为机械特性的方法:研究三个特殊点(A,C,D)2023/2/1电机与拖动54D点:n=0，A点:T=0,C点:2023/2/1电机与拖动551)降低定子端电压的人为机械特性:snsm10TLUN0TstTmaxTemn1A0.8UN0.64Tst0.64Tmax2023/2/1电机与拖动562)转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性:绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把三相对称电阻串入转子回路而后三相再短路r2+Rs3Tst2sm2r2+Rs2Tst1sm1r2+Rs110TstTmTems

n0n1smr22023/2/1电机与拖动57

从图看出，转子回路稍串入一些电阻，可以增大起动转矩，串的电阻合适时，

但是若串入转子回路的电阻再增加，则sm

＞1了。因此转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而是有一个限度。除了上面两种方法,还可以改变定子电源频率等方法。

2023/2/1电机与拖动587.7异步电动机的工作特性及其测试方法异步电动机的工作特性:指时电动机的转速n、定子电流,功率因数电磁转矩T、效率η等与输出功率P2的关系。可以通过直接给异步电动机带负载测得工作特性，也可以利用等值电路计算而得。下面，我们将分别进行介绍.2023/2/1电机与拖动591)转速特性:三相异步电动机空载时，转子的转速n接近于同步转速。随着负载的增加，转速n要略微降低，这时转子电动势增大，转子电流增大，以产生大的电磁转矩来平衡负载转矩。因此，随着P2的增加，转子转速n下降，转差率s增大。2)定子电流特性空载时,转子电流基本上为零,此时的定子电流就是励磁电流I0,随着负载的增加,转速降低,转子电流增大,定子电流也增大.2023/2/1电机与拖动603)定子边功率因数以知三相异步电动机运行时必须从电网中吸收滞后的无功功率来建立磁场,所以它的功率因数永远小于1.空载时,定子侧的功率因数很低,不超过0.2,接近额定负载时,定子电流中的有功电流增加,使功率因数提高,接近负载时,功率因数接近于1.但是如果进一步增大负载,由于转差率的增大,使功率因数角增大,则功率因数减小.2023/2/1电机与拖动614)电磁转矩特性稳定运行时异步电动机的转矩方程为输出功率，所以

当电动机空载时，电磁转矩。随着负载增加，增大，由于机械角速度Ω变化不大，电磁转矩T随的变化近似地为一条直线。5)效率特性:2023/2/1电机与拖动62空载时，

=0，＝0，随着输出功率的增加，效率也在增加。在正常运行范围内因主磁通变化很小，所以铁损耗变化不大，机械损耗变化也很小，合起来叫不变损耗。定、转子铜损耗与电流平方成正比，变化很大，叫可变损耗。当不变损耗等于可变损耗时，电动机的效率达最大。对中、小型异步电动机，大约时，效率最高。如果负载继续增大，效率反而要降低。一般来说，电动机的容量越大，效率越高。2023/2/1电机与拖动6310.3.2用试验法测三相异步电动机的工作特性:

直接负载试验是在电源电压为额定电压、额定频率的条件下，给电动机的轴上带上不同的机械负载，测量不同负载下的输入功率、定子电流、转速n，即可算出各种工作特性，并画成曲线。2023/2/1电机与拖动6410.4三相异步电动机参数的测定上面已经说明，为了要用等值电路计算异步电动机的工作特性，应先知道它的参数。和变压器一样，通过做空载和短路（堵转）两个试验，就能求出异步电动机的参数来。10.4.1短路(堵转)实验:2023/2/1电机与拖动65短路试验又叫堵转试验，即把绕线式异步电机的转于绕组短路，并把转子卡住，不使其旋转，鼠笼式电机转子本身已短路。实验过程:从开始,然后逐渐降低电压。实验过程:记录定子绕组加的端电压、定子电流和定子输入功率。试验时，还应量测定子绕组每相电阻的大小。根据试验的数据，画出异步电动机的短路特性、,如图所示。2023/2/1电机与拖动66因电压低铁损耗可忽略，为了简单起见，可认为由于试验时，转速n＝0，机械损耗,定子全部的输入功率都损耗在定、转子的电阻上，即由于所以2023/2/1电机与拖动67根据短路试验测得的数据，可以算出短路阻抗、短路电阻和短路电抗。即2023/2/1电机与拖动6810.4.2空载实验:实验目的:为了测励磁