第5章异步电机

第5章异步电机

河北科技大学电气教研室安国庆电机学5.1异步电机的结构和运行状态5.1.1异步电机的基本结构三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成为了保证转子能在定子内自由转动，定、转子之间必须有一定的间隙，称为气隙。

笼型三相异步电动机的结构下面是它主要部件的拆分图。1、按相数分：单相、三相2、按转子结构分：鼠笼式、绕线式异步电机的分类1．定子：机座、定子铁心、定子绕组机座：中小型异步电动机的机座一般都采用铸铁铸成，小机座也有用铝合金铸成的。大型异步电动机的机座大多采用钢板焊接而成。机座上设有接线盒，用以连接绕组引线和接入电源。为了便于搬运，在机座上面还装有吊环。定子铁芯由0.5mm厚硅钢片叠压而成定子铁心为定子的导磁部分定子绕组放在定子铁心内圆槽内为定子的导电部分（感应电动势、流过电流）

2．转子：铁芯、绕组和转轴1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。在转子铁芯每个槽中放置导体或绕组转子绕组1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：对称三相绕组，一般接成星型。将三个出线端分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷引出电流。转子转轴气隙

异步电动机的气隙是均匀的。

在中、小型电机中，气隙一般为0.2-1.5毫米。气隙大小对电机性能有很大的影响。气隙大：磁阻大，励磁电流大，功率因数低气隙小：按加工可能及机械安全所限制。5.1.2三相异步电机的工作原理U2U1W2V1W1V2n1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。异步电动机的转速旋转磁场的转速为一台三相异步电动机的电源频率＝50Hz,若该电动机是四极电机，即电动机的极对数=2，电动机的同步转速

＝

＝1500r/min

电机的实际转速应略小于ns5.1.3异步电机的运行状态转差率是异步电动机的重要参数之一，在分析异步电动机的运行状态时非常有用。当三相异步电动机在额定负载下运行时，转差率约为2%～5%。定义转差率通常用百分数表示转差率

计算实例见P159例5-15.1.3异步电机的运行状态5.1.4异步电动机的型号和额定值型号实例：Y132S1-2三相异步电动机机座中心高机座号长短代号铁心长短代号极数异步电机的额定值额定功率PN（W，kW）输出的机械功率定子额定电压U1N（V，kV）线电压值定子额定电流I1N（A，kA）线电流值额定频率fN（Hz）我国50Hz额定转速nN（r/min)额定功率因数cosφN额定效率ηN三相异步电动机的接法

(a)星形接法(b)三角形接法U1V1

W1U2V2

W2U1V1

W1W2U2V2U1V1

W1U2V2

W2首端尾端5.2三相异步电动机的基本方程、等效电路和相量图5.2.1转子绕组开路时的绕线式异步电动机

转子绕组开路，没有电流通过，因此转子是静止不动的，此时的异步电动机和变压器空载运行是相似的。异步电动机的定子绕组相当于变压器的一次绕组，而异步电动机的转子绕组相当于变压器的二次绕组。

1.主磁通与定子漏磁通

主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心→气隙→转子铁心→气隙→定子铁心。主磁通起传递能量的作用。漏磁通包括：槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。

2.感应电动势(拿单相分析)

转子不动时，主磁通以同步转速切割定子和转子绕组，感应电动势，可表示为：同样，漏磁通也在绕组中感应漏电动势，与变压器类似，漏电动势用漏抗压降来表示，有：=03.励磁电流在定子、转子铁心中产生磁滞和涡流损耗，即铁耗。和变压器类似，励磁电流也由铁耗电流和磁化电流两个分量组成。铁耗电流提供铁耗，是有功分量；磁化电流建立磁动势产生磁通，是无功分量；4.电压方程式和相量图向量图见书P166图5-135.等效电路与三相变压器空载运行时类似，空载电流即为励磁电流同样定义：5.2.2转子堵转时的异步电动机把绕线转子三相异步电动机的三相转子绕组短路起来，并且将转子堵住不转。与转子开路时运行情况：相同之处：转子都不转，n=0；不同之处：转子绕组流有电流；主磁通定子中的旋转磁场会在转子绕组中的感应电动势便产生三相对称电流，转子也要产生转子基波磁动势F2。因此定、转子基波旋转磁动势F1和F2共同作用合成主磁通Fm。

因为转子堵住不转时，F1和F2沿气隙圆周同转向、同转速旋转，定、转子电流的频率是相同的。

漏磁通：转子绕组短路时，也要产生转子绕组漏磁通，它也是由前述三种漏磁通（转子槽漏磁通、转子端部漏磁通和谐波漏磁通）所组成。磁动势平衡分析：F1＋F2＝Fm

F1＝Fm

＋（-F2）物理意义：

转子磁动势F2与定子磁动势F1作用在同一条磁路上，它倾向于改变主磁通，破坏定子侧的电压平衡关系。此时，定子侧会自动增加一个电流分量，用以产生磁动势来抵消转子磁动势的作用。

电流平衡方程式电压平衡方程式

为了得到一个统一的等效电路，也可以类比变压器，将定转子回路进行绕组归算转子绕组的归算

归算原则：归算前后异步电动机的电磁关系、功率关系保持不变。将转子侧折算到定子侧：把实际相数为m2，每相串联匝数为N2，绕组系数为kw2的转子抽出来，换上一个相数为m1，每相串联匝数为N1，绕组系数为kw1的新转子。（1）转子电流的归算根据归算前后转子磁动势保持不变电流比（2）转子电动势的归算归算前后主磁通不变所以（3）转子电阻的归算根据归算前后转子绕组的铜损耗不变（4）转子漏电抗的归算根据归算前后转子绕组的无功损耗不变（5）转子漏阻抗和漏阻抗角的归算归算前后转子侧的功率因数没有改变绕组归算后的基本方程式等效电路5.2.3转子旋转时的异步电动机

1.转子旋转对转子各物理量的影响当转子以转速旋转后，电机主磁通仍以同步转速切割定子绕组，产生感应电动势，所以定子回路电动势平衡方程不变。而转子绕组以相对速度切割主磁通，所以转子中感应电动势的频率、大小及漏抗都将发生变化。（1）转子电动势（2）转子漏电抗和转子电阻转子电阻R2与转子转速的大小无关，即为常数（3）转子电流（4）转子电路的功率因数2.转子旋转时的转子磁动势定子磁场相对于定子的转速转子磁场相对于转子的转速转子磁场相对于定子的转速两磁场的转速都是ns，总相对静止几个速度的计算实例见书P172例5-2转子频率的归算转子回路电压方程的绕组归算绕组折算前：绕组折算后：频率和绕组都折算好的电路异步电机的T型等效电路异步电机向量图T型等效电路的计算实例见书P177例5-3近似的等效电路将励磁支路移动到输入端为修正系数近似的等效电路实际的异步电机简化的等效电路大型的异步电机书P175图5-25有错5.3笼型转子的极数和相数

笼型转子由两个端环并联了许多导条极数：总是与感生它的气隙磁场的极数相同相数：笼型转子的相数，取决于一对极下有多少根不同相位的导条。

若≠整数各个导条中的感应电动势相位均不相同，有多少根导条就有多少相5.4异步电动机的功率方程和转矩方程5.4.1异步电动机的功率方程异步电动机各种功率计算公式1)输入功率2)定子绕组的铜耗3)铁耗4)电磁功率5)转子铜耗6)总机械功率异步电动机各种功率计算公式用电磁功率表示时，转子绕组铜损耗总机械功率也可改写成将电磁功率按比例分配异步电机总的功率方程异步电动机功率流程图异步电动机功率计算实例见书P179例5-45.4.2异步电动机的转矩方程=其中=机械角速度5.4.3异步电动机的电磁转矩两边同除以电磁转矩Te其中同步角速度5.5感应电动机参数的测定异步电机参数有两种：励磁参数和短路参数励磁参数：Rm、Xm、Zm，需空载试验测定短路参数：Rk、Xk、Zk，短路试验测定5.5.1空载试验试验目的：测定励磁电阻Rm、励磁电抗Xm、铁耗pFe、机械损耗pΩ试验方法：试验时电机转轴空载，用三相调压器使定子端电压(1.1～1.3)UN开始，逐渐降低电压，直到电动机转速发生明显下降，空载电流明显回升为止。在这个过程中，记录电动机的端电压U1、空载电流I0、空载损耗p0、转速n。空载特性曲线由于空载运行时转子电流小，转子铜耗可以忽略不计。在这种情况下:定义为铁耗和机械损耗之和现想办法把铁耗和机械损耗分离！=机械损耗的求法

在p‘10的两项损耗中，机械损耗pΩ与电压U1无关，在电动机转速变化不大时，可以认为是常数。pFe可以近似认为与磁密的平方成正比，因而可近似认为与电压的平方成正比。故p'0与U12的关系曲线近似为一直线。=因此该直线与纵轴的交点即为机械损耗激磁参数的计算2从接下来讲的短路试验测得的若已知铁耗则5.5.2短路试验1.试验目的：测定短路阻抗Zk、短路电阻Rk和短路电抗Xk。2.试验方法：将转子堵住，在定子端施加电压，从0.4UN开始逐渐降低，记录定子绕组端电压Uk、定子电流Ik、定子端输入功率Pk，作出异步电机的短路特性Ik=f(Uk)，Pk=f(Uk)短路特性曲线对于大、中型异步电动机，可近似5.6异步电动机的转矩－转差率曲线5.6.1异步电动机电磁转矩的参数表达式代入见P180公式（5-70）代入1.Tem与U12成正比。2.f1↑→Tem↓。3.漏电抗Xk↑→Tem↓。由公式可以看到：5.6.2异步电动机的转矩－转差率曲线

Te-s曲线(Te=f(s))

在电压U1、频率f1为常数时，电机的参数可以认为是常数，电磁转矩仅与s有关

1.最大转矩和临界转差率

令=0此时对应的自变量称为临界转差率称为最大转矩±号中的正号对应于电动机状态，负号对应于发电机状态通常<<R1可略去此时公式可进一步简化

1）最大转矩与电源电压的平方成正比；

2）最大转矩与转子电阻无关；

3）临界转差率与转子电阻成正比；但sm增大时最大转矩保持不变；

4）最大转矩与定、转子漏电抗之和成反比；

5）异步电机的最大转矩随频率的增加而减小。通过以上公式可得到以下五点结论：最大转矩倍数（过载能力）一般三相异步电动机λ＝1.6～2.2；起重、冶金等特殊用途的异步电动机λ

＝2.2～2.8。如果负载转矩大于电动机的最大转矩，电动机就会停转。为保证电动机不因短时过载而停转，电机的选择应有足够大的过载能力，这样当电源电压突然降低或负载转矩突然增大时，电动机转速变化不大，待干扰消失后又恢复正常运行。2.启动转矩和启动电流n＝0、s＝1时的电磁转矩，称为启动转矩；

1）起动转矩与电源电压的平方成正比；2）起动转矩与定、转子漏电抗之和成反比；3）当转子回路电阻与定、转子漏电抗之和相等时起动转矩与最大转矩相等，起动转矩为最大。

4）最大转矩随频率的增加而减小。（绕线式电机有优势）启动转矩倍数启动转矩倍数是反映了电动机起动负载能力的一个重要性能指标。电动机启动时，大于（1.1～1.2）倍的负载转矩就可以顺利启动。该倍数越大，电动机启动就越快。一般异步电动机的启动转矩倍数为1.1～2.0。1)增大转子电阻，起动转矩将随之增大，直到达到最大转矩值为止（绿线）。

绕线式的优势2)如果此时继续增大转子电阻（浅蓝线），则起动转矩将从最大转矩值逐步下降。11启动电流令s=1若忽略励磁电流指代的是定子电流相关计算实例见书P187例5-55.6.3异步电动机的机械特性1.机械特性的参数表达式三相异步电动机的机械特性是指定子绕组电压、电源频率和电动机的参数一定的条件下，电动机的电磁转矩与转速之间的函数关系

nNTNn0TnON工作段把转矩－转差率曲线的纵坐标与横坐标对调

a点：当负载突然增加后当负载波动消除后

故a点为系统的稳定平衡点。

异步电动机的机械特性生产机械的机械特性请同学们试分析一遍BC端3.机械特性的实用表达式已推导出简化忽略R1综合以上两式该式即为异步电机机械特性实用表达式当电机拖动额定负载时，则电动机的转矩平衡方程式若可以近似忽略空载转矩，=相关计算实例见书P188例5-65.7异步电动机的工作特性三相异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频率下，各物理量之间的曲线关系：1、转速特性

2、定子电流特性3、功率因数特性

异步电动机的功率因数总是滞后的。空载运行时，定子电流基本上用以建立磁场的无功磁化电流，所以很小，通常小于0.2。随着负载的增加，有功分量随之增加，使功率因数逐渐上升，在额定负载附近，功率因数达到最大值。若继续增加负载，转差率s较大，转子电流频率增加，使转子绕组漏电抗增大，使功率因数重新下降。4、转矩特性

Ω可近似认为不变5、效率特性可变损耗等于不变损耗时效率达到最大值5.8三相异步电动机的启动电动机启动要求：1）启动转矩足够大，以加速启动过程，缩短启动时间；2）启动电流尽量小，即在启动转矩满足要求的前提下，尽量减小启动电流，以减小对电网的冲击；3）启动所需要的设备简单、成本低、操作方便、运行可靠。5.8.1笼型三相异步电动机的直接启动当定子直接加额定电压启动时：若忽略励磁电流指代的是定子电流令s=1直接启动的优缺点：优点：启动设备、操作方便、启动转矩大、启动快。缺点：启动电流对电网的影响较大，如果电源的容量足够大，应尽量采用此方法。若电源容量不够大，则电动机的启动电流可能使电网电压显著下降，影响接在同一电网上的其它电动机和电气设备的正常工作。因此，应设法限制启动电流，采用降压启动。电业部门对电动机直接启动的规定有独立的变压器给电动机供电：对于不经常启动的异步电动机，其容量小于变压器容量的30%时，可允许直接启动；对于需要频繁启动的电动机，其容量小于变压器容量的20%时，才允许直接启动；无专用的变压器给电动机供电：则只要电动机直接启动时的启动电流在电网中引起的电压降落不超过10%~15%就允许采用直接启动。5.8.2笼型三相异步电动机的降压启动随着定子电压的降低，电动机的启动转矩将按电压平方的倍数下降。因此降压启动法多用于空载启动或轻载启动；

1.定子回路串电抗器降压启动当启动电压变为0.8倍时，启动转矩变为0.64倍，因此该方法仅限于启动转矩要求不高的场合M3~XstQ1FUQ23~电抗可否换为电阻？2.星-三角降压启动起动时，将定子三相绕组联结成星形接到额定电压的电源上，启动后再将其改接为三角形联结正常运行，称为星－三角起动。显然，这种方法只能适用于正常运行时定子绕组为三角形接法的电动机。优势：启动电流为直接启动的三分之一；缺点：启动转矩也降为原来的三分之一。下面我们分析原因！启动电流和转矩都降为三分之一的原因分析：星-三角启动的接线电路1)只适用于正常运行时定子绕组为△接的异步电动机，且必须引出六个出线端。2)由于启动转矩减小为直接启动转矩的1/3，所以只适用于空载或轻载启动。3~UNQ1FUQ2U1U2V1V2W1W23.自耦变压器降压启动

自耦变压器的高压侧接电源，低压侧接电动机。设自耦变压器的变比为ka(ka>1);若电压降低为原来的启动电流与启动转矩降低为原来直接启动时的结论：5.8.3绕线转子三相异步电动机的启动

1.转子回路串电阻启动

方法：绕线式异步电动机转子绕组的端头接到滑环上经电刷引出，可接入外加电阻。转子回路串电阻启动的优势转子回路串附加电阻，一方面可以增加起动转矩，另一方面可以减小起动电流。当转子回路中串入电阻后，最大转矩不变，但最大转矩所对应的转差率随串入电阻的增加而增大。因此，串入适当电阻，使起动转矩达到最大转矩。转子回路串电阻启动所串的电阻值令=1=-归算回二次侧=绕线转子三相异步电动机串电阻的启动性能好，因此在对启动性能要求较高的场合，例如卷扬机、起重机中，大多采用绕线转子异步电动机。缺点：结构复杂、价格较高

有级转子串电阻启动RST1RST23~M3~Q1Q2Qc(R20)b(R21)n0TnOa(R22)T2T1a1a2TLb1b2c1c2p随速度的上升总保持较大的启动转矩，缩短启动时间，且过程平滑。2.转子回路串频敏变阻器启动所谓频敏变阻器实际上就是一个只有一次绕组的三相芯式变压器。其涡流损耗与铁心中磁通变化的频率的平方成正比，当频率越大时，等效电阻越大，所以称为频敏变阻器。

启动时f2高，电阻大，TST'大，IST'小。正常运行时

f2低，电阻小，自动切除变阻器。转子串频敏电阻启动的接线图避免了逐段切除启动电阻后所引起的转矩冲击，整个启动过程中转矩曲线是很平滑的。频敏变阻器是一种静止的无触点变阻器，其结构简单，材料和加工要求低，使用寿命长，维护方便。5.8.4改善启动性能的笼型三相异步电动机1.深槽型异步电动机槽深h与槽宽b之比为：h/b=8~12漏电抗小↑漏电抗大增大↑电流密度

起动时，f2高，漏电抗大，电流的集肤效应使导条的等效面积减小，即R2

，

使TST

。

运行时，f2很低，漏电抗很小，集肤效应消失，R2→

。2.双笼型三相异步电动机电阻大漏抗小电阻小漏抗大上笼（外笼）下笼（内笼）

起动时，f2高，漏抗大，起主要作用，

I2主要集中在外笼，外笼R2大→TST大。外笼——起动笼。

运行时，f2很低，漏抗很小，R2起主要作用，

I2主要集中在内笼。内笼——工作笼。5.9三相异步电动机的调速1.改变磁极对数p2.改变转差率s

3.改变电源频率f1(变频调速)调速方法：

n=(1－s)n0=(1－s)60f1

p——

有级调速。无级调速。5.9.1异步电动机的变极调速变极调速时，极对数的改变必须在定子绕组和转子绕组上同时进行。由于笼型转子绕组本身没有固定的极数，它的极数随定子绕组的极数而改变，所以仅改变定子绕组的极数即可，因此变极多速异步电动机都采用笼型转子。实际应用中，定子绕组极对数的改变一般都是通过一套定子绕组、几种不同的接线方式来实现的，称为单绕组双速变极调速三相异步电动机。5.9.1异步电动机的变极调速5.9.2异步电动机的变频调速在变频调速时，希望主磁通Φm保持不变。若主磁通大于正常运行时的主磁通，则磁路过饱和而使励磁电流增大，功率因数降低；若主磁通小于正常运行时的主磁通，则电机最大转矩下降。在忽略定子漏阻抗的情况下，有

为了使变频时Φm维持不变，则U1／f1应为定值。≈变频调速同时希望电机过载能力不变

但有时和希望磁通不变是一对矛盾。若要求过载能力不变则下面分析三种典型负载变频调速时电压的调节方式1.恒转矩负载

且在忽略定子漏阻抗的情况下，有这样恰好主磁通变大，磁路易饱和，引起励磁电流变大，功率因数降低；铁耗增加，效率降低。主磁通变小，最大转矩减小恒压频比调速法特别适用于恒转矩负载的情况主磁通变大变小都不好若要求过载能力不变2.恒功率负载

若要求过载能力不变功率恒定，则：即加到电动机上的电压必须随频率的开方成比变化

很显然，这种变频调速方式的主磁通前后发生了改变！3.风机、泵类负载

风机、泵类负载的特点是其转矩随转速的平方成正比变化。若要求过载能力不变即加到电动机上的电压必须随频率的平方成正比变化很显然，这种变频调速方式的主磁通前后也发生了改变！大连理工大学电气工程系

变频器大连理工大学电气工程系

优点：(1)一体化的通用变频器和电动机的组合可以提供最大效率。(2)变速驱动，输出功率范围宽（如从120W~7.5kW）。(3)在需要的时候，通用变频器可以方便地从电动机上移走。(4)高起动转矩。

电机变频器一体化产品5.9.3异步电动机的调压调速特点：电动机的临界转差率不变。电动机的电磁转矩（包括最大转矩）与定子绕组电压的平方成正比。

且降压调速时容易引起电动机过热！n0TnOnMUNTLTLTLU1n0TnOnMUNU15.9.4绕线转子异步电动机的调速1.转子回路串电阻调速恒转矩调速时，为保持Te不变：则需不变：转子串电阻调速的优缺点：优点：初期投资小、方法简单、调速范围较宽广；缺点：串入电阻越大，能量损耗越大，且机械特性斜率加大，动态精度变差，主要用于起重机等场合。注意：一般串电阻启动用的变阻器都是短时工作的。而调速用的变阻器应为长期工作的。2.转子回路串级调速为了克服转子串电阻调速效率低这一缺点，可采用串级调速方式，不串电阻，而采用电力电子线路串入一个电势，该电动势等效替代串电阻的压降，以提高电机效率。由控制器控制逆变器，把直流转换为和电源具有相同频率的交流回馈给交流电源。逆变器的电压可看成是加在转子回路的附加电动势，控制逆变器的移相角，就相当于改变串接在转子回路的电动势，也就可以改变电动机的转速。

近年来常见的晶闸管串级调速方法5.10三相异步电动机的制动M3~3~Q15.10.1能耗制动1.

制动原理制动前

Q1合上，Q2断开，

M为电动状态。制动时

Q1断开，Q2合上。定子:U→I1→Φ

转子:n→E2→I2M为制动状态。n＋U－Q2

RbI1×ΦFFTT动能消耗在转子铜耗中5.10.2异步电动机的反接制动反接制动方法：正转反接和正接反转。正转反接制动异步电动机本来工作在正向电动状态，将定子两相绕组的出线头对调后再接到电源，这就是定子两相反接的反接制动。

为了使反接制动时电流不致过大，绕线式异步机，应在转子回路中串入制动电阻；笼型异步机，应在定子绕组电路中串联限流电阻。

－TLTLOnT1n02－n0

bacd曲线2为转子串入制动电阻后的特性曲线，b-c为制动段到

c点时，若未切断电源，M将可能反向起动。2.正接反转制动异步电动机定子电源正向连接，其定子磁动势旋转方向为n1正向旋转，但由于转子回路串有较大的电阻，在转轴上带有较大的位能性负载(下放重物)，电机起动时电磁转矩Te与负载转矩T2方向相反，在T2作用下，电动机反向旋转。OnT1n02bcTLad

制动运行状态3e1.机车下坡或下放重物时的回馈制动机车先下坡，当n>ns时，异步电机处于发电机状态，电磁转矩的方向与电动机运行状态时相反，成为制动转矩。

2.变极或变频调速过程中的回馈制动TnOf1'f1"f1'＞

f1"TLabcdTnOTLabcd变频调速，频率突降时的bc段变极调速，极数突增时的bc段5.11单相异步电动机定子上一般有两个绕组：起动绕组、工作绕组，两绕组在空间上相距90度电角度。转子是笼型结构。起动绕组只在起动时接入，起动完毕从电源断开。单相交流电所建立的磁动势为脉振磁动势双旋转磁场理论：脉振磁场可以认为是由两个