第5章异步电机

第五章

异步电机本章章节5.1概述5.2三相异步电动机的运行原理5.3三相异步电动机的运行特性5.4三相异步电动机的启动与调速5.5单相异步电动机5.6特殊用途的异步电机异步电机(也叫感应电机)是一种定、转子间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转接的交流旋转电机。异步电机一般都用作电动机，在少数场合下，亦有用作发电机的。对于异步电机的研究先说明空载和负载时三相感应电动机内的磁动势和磁场，然后导出异步电动机的基本方程和等效电路，接着分析它的运行特性和启动、调速问题。主要研究内容异步电动机的特点及应用应用：广泛，主要作电动机使用。如：机床；水泵；家用电器；优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用，有较高的效率和较好的工作特性。缺点：目前尚不能在较大范围内平滑调速，其必须从电网吸受滞后的无功功率，增加了线损。5.1概述5.1.1基本类型和基本结构

按相数分（针对定子绕组上的电枢电源）：

单相（并非指电枢只有一相绕组，且转子均为笼型）

三相（转子有笼型和绕线式两种）。按结构分类

笼型异步电动机：结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式。

绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的启动，调速等性能。异步电机定子绕组定子铁芯转子机座笼型转子铁芯转轴转子绕组绕线式定子5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构一、定子机座

机座是电动机的外壳，支撑电机各部件，并通过机座的底脚将电机安装固定。全封闭式电机的定子铁芯紧贴机座内壁，故机座外壳上的散热筋是电机的主要散热面。中小型电机采用铸铁机座。大型电机一般采用钢板焊接机座。5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构定子铁芯

定子铁芯是电机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。为了增强导磁能力和减小铁耗，定子铁芯常选用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。定子铁芯内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。

5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构定子绕组

定子绕组是异步电动机的电路部分，其材料主要采用紫铜。小型异步电动机常采用三相单层绕组，大中型异步电动机常采用三相双层短矩叠绕组形式，三相绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上，可根据需要将三相绕组接成Y形或△形。

5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构二、转子转轴

其作用是固定转子铁芯和传递机械功率。为保证其强度和刚度，转轴一般由低碳钢或合金钢制成。转子铁芯

是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。铁芯材料也用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，故通常用冲制定子铁芯冲片剩余下来的内圆部分制作。转子铁芯固定在转轴上，其外圆上开有槽，用来嵌放转子绕组。5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构转子绕组

①笼型转子绕组

在转子铁芯的每一个槽中，插有一根裸铜导条，并在转子铁芯两端槽口外用两个端环将全部导条短接，形成一个自身闭合的多相绕组。中、小型异步电动机还常采用铸铝型转子。5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构转子绕组

②绕线式转子绕组转子铁芯槽中，嵌放着三相对称绕组，采用星形接法，即三相绕组的末端连在一起，三个首端分别接到转子轴上三个彼此绝缘的滑环上。转子绕组通过滑环和电刷可外串电阻以改善异步电动机的启动和调速性能。5.1.1基本类型和基本结构风叶铁芯绕组滑环轴承5.1.1基本类型和基本结构与笼型转子相比较，绕线式转子造价高，制造工艺和维修较复杂。因此，仅用于要求启动转矩大，启动电流小和需要调速的场合。为了减小电刷磨损和摩擦损耗，绕线式异步电动机一般还装有提刷短路装置，在电动机启动完毕而不需调速时，可将电刷提起并同时将3个滑环短接。转子绕组通过滑环和电刷可外串电阻以改善异步电动机的启动和调速性能。5.1.1基本类型和基本结构绕组式三相异步电动机接线示意图5.1.1基本类型和基本结构5.1.1基本类型和基本结构三、气隙定转子之间的间隙，很小，0.2-1.5mm，对电机的性能影响很大。为了降低电机的空载电流和提高电机的功率，气隙应尽可能小，但气隙太小可能造成定、转子在运行中发生磨檫。理论基础：5.1.2基本工作原理三相异步电动机工作原理图动态效果图5.1.2基本工作原理基本电磁过程：定子三相对称绕组通三相对称电流→旋转磁场，n1→转子导体切割磁力线产生感应电势→产生转子电流→转子导体受电磁力作用→形成转矩→转子同向转动，n。转差率5.1.2基本工作原理说明：n≠n1

，否则，不可能产生感应电势。由于n≠n1，所以称之为异步电机。转子转速n除与电网频率有关外，还随负载的变化而变动。转差率s是表征感应电机运行状态的一个基本变量。按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态。5.1.2基本工作原理异步电机的三种工作状态5.1.2基本工作原理启动瞬间，n=0，s=1理想空载运行时：n=n1，s=0作为电动机运行时，s的范围在0~1之间。转差率一般很小，s=0.01~0.06。制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即n1与n反向，s>1发电运行时，n高于同步转速n1，s<0。

5.1.2基本工作原理例1：有一台50Hz的异步电动机，其额定转速nN＝730r／min，试求该机的额定转差率？解：s=(n1-nN)/n1

=

(750-730)/750=0.02667

注意：n1=60f/p，s=0.01~0.06，∴p=45.1.2基本工作原理三相异步电动机型号Y132S2-2电压380V接法△容量7.5kW电流15A工作方式连续转速2900r/min功率因数0.88温升80℃频率50Hz绝缘等级B重量×××××电机厂

产品编号×××

年

月5.1.3额定值5.1.3额定值额定电压UN——电动机额定状态运行时，定子绕组应施加的线电压，单位为V或kV。额定电流IN——电动机额定状态运行时，定子绕组流过的线电流，同时也是电动机长期运行所不允许超过的最大电流，单位为A。额定频率fN——电动机额定状态运行时，定子绕组应接电源的频率，我国电网规定的工频为50Hz。额定功率PN——电动机额定状态运行时，轴上输出的机械功率，单位为W或kW。

5.1.3额定值额定功率因数

——电动机额定状态运行时，定子回路的功率因数。额定转速nN——在额定电压、额定频率下，转轴上有额定功率输出时，电动机的转子转速，单位是r/min。额定效率ηN——电机在额定状态运行时的效率。

对于三相异步电动机，有：

1.型号Y132M－4

磁极数(极对数p=2)同步转速1500转/分转差率2.转速:电机轴上的转速(n)。如:n=1440转/分5.1.3额定值3.额定电压：定子绕组在指定接法下应加的

线电压。说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5％。线电压AZBYXC线电压ABCXYZ例：380/220Y/是指：线电压为380V时采用Y接法；当线电压为220V时采用接法。5.1.3额定值4.额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流。如：

表示三角接法下，电机的线电流为11.2A，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为6.48A。△/Y11.2A/6.48A5.1.3额定值如：5.额定功率：

额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率（），不等于从电源吸收的功率（）。两者的关系为：

其中笼型电机=72－93％UN和IN为额定线电压和线电流5.1.3额定值

额定负载时一般为0.7~0.9，空载时功率因数很低约为0.2~0.3。额定负载时，功率因数最大。注意：实用中应选择合适容量的电机，防止“大马”拉“小车”的现象。6.功率因数(cos1)：P2PNcos15.1.3额定值5.1.3额定值7.接法接法指三相异步电动机的定子绕组的连接方式，有Y（星形）接线和△（三角形）接线两种，使用时应按铭牌规定连接。

联接方式：

Y/接法Y接法：

接法：ABCZXYABCZXYABCXYZAZBYXCABCXYZ接线盒：5.1.3额定值5.2三相异步电动机的运行原理本节以绕线式异步电动机为例，将运行方式分为转子静止时和转子旋转时，分别分析异步电动机的内部电磁关系，推导出电机的各类平衡方程和等效电路图。感应电机中主磁通所经过的磁路5.2三相异步电动机的运行原理主磁通和漏磁通1）主磁通Φm：由定、转子合成磁动势产生的。作用：传递能量的媒介作用；路径：定子—气隙—转子—气隙—定子。2）漏磁通Φσ（

Φ1σ

和Φ2σ

）：不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的作用；包括：槽部漏磁通、端部漏磁通。5.2三相异步电动机的运行原理端部漏磁槽漏磁5.2三相异步电动机的运行原理5.2.1转子静止时的异步电机一、转子绕组开路转子绕组中电流I2=0定子侧通以三相对称电流

基波旋转磁势

在定子绕组和转子绕组中都会产生感应电势定子电流

定子漏磁通

在定子绕组中感应漏电势三相异步电动机转子绕组开路时的电磁关系如下图：5.2.1转子静止时的异步电机异步电动机转子静止时的工作原理与变压器的工作原理的比较5.2.1转子静止时的异步电机5.2.1转子静止时的异步电机二、转子绕组短路，转轴被卡住定子侧通以三相对称电流

基波旋转磁势

在定子绕组和转子绕组中都会产生感应电势转子绕组中电流I2≠0，转子侧三相对称电流

基波旋转磁势

气隙磁场由定、转子电流共同建立定子、转子电流

定子、转子漏磁通

在定子、转子绕组中感应漏电势定子磁动势F1的转速为n1=60f1/p转子感应电动势和电流的频率为f2=pn1/60=f1转子磁动势F2的转速为n2=60f2/p=n1转子磁动势F2的转向与定子磁动势F1相同5.2.1转子静止时的异步电机结论：异步电动机转子静止时，定子磁动势F1和转子磁动势F2同向、同速n1旋转，在空间相对静止。三、磁动势平衡方程式定子磁动势和转子磁动势都是旋转磁动势，且方向和速度相同，即在空间相对静止，它们共同建立主磁通，故它们可以看成一个合成磁动势，表示为（）。由于电源电压不变，主磁通基本不变，所以负载时合成磁动势（）与空载时磁动势相等，即磁动势平衡方程式为5.2.1转子静止时的异步电机5.2.1转子静止时的异步电机若略铁损，则合成磁动势F0与旋转磁场Bm在空间同相位。其中此式说明F0用以产生旋转磁场，负载分量F1L用以平衡转子磁动势F2。5.2.1转子静止时的异步电机F1与F2在空间的相角关系与I1、I2的关系一致。为了简化分析，我们选F1与I1同相位，F2与I2同相位，F0与I0同相位，用I1、I2、I0三者在时间上的相位关系来表示F1、F2、F0在空间上的相位关系：同理三相异步电动机转子堵转时的电磁关系如下图：5.2.1转子静止时的异步电机转子静止时，异步电动机的内部电磁关系与变压器非常相似，定子绕组相当于变压器的原边绕组，转子绕组相当于副边绕组。定、转子绕组也是由主磁通耦合起来，进行能量传递。对应主磁通，定子绕组感应的电动势为，转子绕组的感应电动势为，和的频率都等于电源频率。5.2.1转子静止时的异步电机对应定子漏磁通，定子绕组感应的漏电势为，对应转子漏磁通，转子绕组感应的漏电势为。引入定、转子漏电抗、后，有：5.2.1转子静止时的异步电机转子静止时定、转子绕组各物理量5.2.1转子静止时的异步电机转子静止时的定、转子电动势平衡方程式：5.2.1转子静止时的异步电机五、转子绕组的折算与变压器的折算相似，将电机转子绕组的m2、N2、kN2

折算成m1、N1、kN1的等效绕组。折算的原则：1）折算前后磁动势不变；

2）折算前后功率不变5.2.1转子静止时的异步电机折算的方法：*电流：

*电势：5.2.1转子静止时的异步电机*阻抗：

同理可得：

*折算前后功率因数不变

*折算前后公式形式不变5.2.1转子静止时的异步电机5.2.2转子旋转时的异步电机一、转子绕组中电动势和电流转子转动后，转子绕组的电动势和电流的频率与转子的转速有关，它取决于旋转磁场与转子的相对速度。设转子的转速为n

，旋转磁场与转子的相对速度为n1-n

，故转子电动势和电流的频率为转子转动后，从电路角度看，最主要不同之处在于转子频率随转速而变化了。它使转子电动势和漏电抗随之变化。令表示转动后的电动势，表示转动后的漏电抗，则：5.2.2转子旋转时的异步电机转子转动时定、转子绕组各物理量5.2.2转子旋转时的异步电机转子转动后的定、转子电动势平衡方程式：5.2.2转子旋转时的异步电机三相异步电动机转子旋转时的电磁关系如下图：5.2.2转子旋转时的异步电机二、定、转子磁动势的相对静止关系定子磁动势F1

的转速为n1=60f1/p转子感应电动势和电流的频率为f2=sf1转子磁动势F2相对转子的转速为n2=60f2/p=sn1转子磁动势F2的空间转速为n2+n=n1结论：异步电动机转子转动时，定子磁动势F1

和转子磁动势F2

同向、同速n1旋转，在空间相对静止。5.2.2转子旋转时的异步电机例2：有一台50Hz、三相、四极的异步电动机，若转子的转差率s=5%，试求：（1)转子电流的频率；(2)转子磁动势相对于转子的转速；(3)转子磁动势在空间的转速。解：(1)转子电流的频率

f2=sf1=0.05×50Hz=2.5Hz(2)转子磁动势相对于转子的转速

n2=60f2/p=(60×2.5)/2=75r/min

(3)转子转速

n=n1(1-s)=1500(1-0.05)=1425r/min转子磁动势在空间的转速：

1425+75=1500r/min5.2.2转子旋转时的异步电机三、频率折算频率折算：就是用一个等效的静止转子来代替实际旋转的转子，使转子回路的频率与定子回路的频率相同。1）折算原则：①保持F2不变，只要使等效前后转子电流的大小和相位相等即可；②等效前后转子电路的功率和损耗相等。5.2.2转子旋转时的异步电机2）折算方法：说明：附加电阻的物理意义：模拟转轴上总的机械功率。

5.2.2转子旋转时的异步电机频率为f2频率为f11、频率折算5.2.2转子旋转时的异步电机四、等效电路2、绕组折算5.2.2转子旋转时的异步电机3、T型等效电路经频率折算和绕组折算后，，从而可得到异步电动机的“T”型等效电路。5.2.2转子旋转时的异步电机折算后的基本方程组：5.2.2转子旋转时的异步电机与变压器的比较：5.2.2转子旋转时的异步电机由等效电路可分析以下几种情况：(1)空载运行时：(2)带额定负载运行时：

(3)转子静止时：5.2.2转子旋转时的异步电机5.2.2转子旋转时的异步电机五、相量图5.2.3异步电机等效电路的简化将励磁支路直接移至电源端会引起较大的误差，因此必须引入一个校正系数，同时对等效电路进行必要的修改。5.2.3异步电机等效电路的简化Г型等效电路如下：5.2.3异步电机等效电路的简化其中：σ1≈1+X1σ/Xm。简化等效电路如下：5.2.3异步电机等效电路的简化对于容量大于100kW的异步电机，可取σ1≈1。例3：

有一台三相四极的笼型异步电动机，额定功率PN＝l0kW，额定电压UN＝380V(三角形联结)，定子每相电阻R1=1.375Ω,漏抗X1σ＝2.43Ω，R´2=1.047Ω，X´2σ=4.4Ω，Rm＝8.34Ω，Xm＝82.6Ω，试求s=0.03时电动机的转速，定子电流、转子电流折算值，定子侧功率因数、总机械功率。5.2.3异步电机等效电路的简化为了利用等效电路去分析异步电机的运行特性，必须先知道参数R1、X1

σ、R2’、X2

σ’、Rm、Xm。和变压器一样，对于已制成的异步电机可以通过空载实验和短路实验测定其参数。5.2.4异步电机的参数测定5.2.4异步电机的参数测定一、空载试验为何说空转实验即为空载实验？从等效电路图可知，空载便是相当于转子侧开路，亦即等效消耗机械功率的电阻（1-s）R2’/s很大，即s很小，n与n1约相等，我们知道空转时，TL=T0，n约等于n1。

空载试验的目的确定电动机的激磁参数Rm、Xm，以及铁耗pFe和机械损耗pmec。5.2.4异步电机的参数测定5.2.4异步电机的参数测定与电压无关，为常数二、短路试验为何说堵转实验即为短载实验？堵转时n=0，s=1，便是相当于转子侧等效消耗机械功率的电阻（1-s）R2’/s=0，即相当于短路。5.2.4异步电机的参数测定堵转(ｓ＝1)时的等效电路如图所示：5.2.4异步电机的参数测定短路特性5.2.4异步电机的参数测定参数计算由于Xm＞＞Rm，忽略Rm5.2.4异步电机的参数测定参数计算由于Xm=X0-X1σ，且认为X1σ=X’2σ，有：5.2.4异步电机的参数测定参数计算对于大中型异步电动机近似有：5.2.4异步电机的参数测定例4：一台三相异步电动机，UN＝380V，f1=50Hz，R1=0.4Ω,△接法，空载试验数据：U0＝380V，I0=21.2A，P0=1.34kW，Pmec=100W。短路试验数据：Uk＝110V，Ik=66.8A，Pk=4.14kW。求该电机的T型等效电路。绕线式转子有明显的相数和极对数，必须使转子、定子的极对数相等，否则定、转子磁动势就不能相对静止，就不能转换平均功率，电机就不能工作。笼型转子绕组由导条、端环构成，其相数、极对数具有特殊性。

5.2.5笼型转子的参数计算相数：当一极对数为p的旋转磁场Bm在气隙中旋转时，它依次切割转子各导条，在每个导条中感应相同大小的电势，相邻两导条中感应电势在时间上相差的电角度为：2πp/Z2(Z2转子总导条数），于是构成了一个对称的Z2相电动势系统，该电动势作用在结构对称的笼型绕组上，产生对称的Z2相电流，所以笼型转子相数：

m2=Z2

每相只有一根导条，即½匝，绕组系数为1。5.2.5笼型转子的参数计算5.2.5笼型转子的参数计算极对数：5.2.5笼型转子的参数计算极对数：由下图示可知：

P2=P15.3三相异步电动机的运行特性5.3.1异步电动机的功率和转矩平衡方程式异步电动机功率流程5.3.1异步电动机的功率和转矩平衡方程式异步电动机从电源输入的电功率：消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗：消耗于定子铁芯变为铁耗：5.3.1异步电动机的功率和转矩平衡方程式写成方程式时有：借助于气隙旋转磁场的作用，从定子通过气隙传送到转子，这部分功率称为电磁功率：5.3.1异步电动机的功率和转矩平衡方程式正常运行时，转差率很小，转子中磁通的变化频率很低，通常仅1～3Hz，所以转子铁耗一般可略去不计。因此，从传送到转子的电磁功率中扣除转子铜耗后，可得转换为机械能的总机械功率：5.3.1异步电动机的功率和转矩平衡方程式用电磁功率表示时，上式亦可改写成从Pmec中再扣除转子的机械损耗pmec和附加损耗pad，可得转子轴上输出的机械功率P2，即5.3.1异步电动机的功率和转矩平衡方程式转矩方程式Tem——电磁转矩（驱动性质）；

T2——输出转矩（制动性质）；T0——空载转矩（制动性质）。5.3.1异步电动机的功率和转矩平衡方程式已知PN（单位kW），nN，可近似求得额定输出转矩：5.3.1异步电动机的功率和转矩平衡方程式例4：有一台三相50Hz异步电动机，额定功率PN=100kW，额定转速nN=950r/min，额定运行时机械损耗pmec=1kW，忽略附加损耗，求：（1）sN、Pem、pCu2（2）TemN、T2N、T05.3.1异步电动机的功率和转矩平衡方程式5.3.1异步电动机的功率和转矩平衡方程式一、物理表达式5.3.2电磁转矩的三种表达式结论：反映了异步电动机的电磁转矩与主磁通和转子电流有功分量的乘积成正比的物理本质。由于有：所以：5.3.2电磁转矩的三种表达式根据简化电路得到的转子电流：二、参数表达式5.3.2电磁转矩的三种表达式说明：当异步电动机U1、f1、电机的参数及极对数p不变时，电磁转矩Tem仅决定于转差率s。

5.3.2电磁转矩的三种表达式当电源及电动机参数不变时，电磁转矩Tem仅与转差率

s（或转速n）有关。电磁转矩Tem与转差率s

的关系Tem=f(s)称为机械特性。Tmax

——最大电磁转矩sm

——临界转差率Tst

——启动转矩5.3.2电磁转矩的三种表达式临界转差率

sm

最大电磁转矩Tmax5.3.2电磁转矩的三种表达式由两个表达式可见，当其它参数一定时：①最大电磁转矩与电源电压平方成正比；临界转差率与电源电压无关。③频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；

漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小。②最大电磁转矩与转子电阻无关，

转子回路电阻越大，临界转差率越大。5.3.2电磁转矩的三种表达式过载倍数过载倍数kM

是异步电动机性能的一项重要指标，它反映了电动机的短时过负荷的能力，kM越大，短时过负荷的能力越强。国家标准有明确规定：普通异步电动机的kM=1.6～2.5；对起重、冶金等特殊用途的电动机，则要求kM=2.7～3.7。5.3.2电磁转矩的三种表达式启动转矩

Tst启动转矩倍数kst5.3.2电磁转矩的三种表达式5.3.2电磁转矩的三种表达式由启动转矩表达式可见，当其它参数一定时：①起动转矩与电源电压平方成正比；②频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；③绕线式电动机，转子回路电阻越大，启动转矩先增后减。启动转矩倍数kst也是异步电动机的重要性能指标，它反映了电动机启动能力的大小。国家标准规定：普通异步电动机的kst=0.9～1.3；对起重、冶金等特殊用途的电动机，则要求kst=2.8～4.0。若令sm=1，则有此时启动转矩Tst等于最大转矩Tmax

。对于绕线式转子可通过外串电阻达到。5.3.2电磁转矩的三种表达式1s1s2T2+T0UN0.7UN结论：①②机械特性与电压的关系5.3.2电磁转矩的三种表达式

机械特性与转子电阻的关系结论：①②③R2的改变：笼型电机转子导条的金属材料不同，线绕式电机外接电阻不同。5.3.2电磁转矩的三种表达式

转矩-转速特性把转矩-转差率曲线Tem=f(s)的纵、横坐标对调，并利用n=n1(1-s)把转差率转换为对应的转速n，就可以得到转矩—转速特性n=f(Tem)。5.3.2电磁转矩的三种表达式异步电动机的转矩-转速特性5.3.2电磁转矩的三种表达式电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。）直至新的平衡。此过程中，时，电源提供的功率自动增加。只要不超过最大转矩则可自动调节维持运转常用特性段n1nTTmax

异步电动机的自适应负载能力硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但启起动转矩大，启动特性好。

硬特性（R2小）软特性（R2大）结论：不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。

机械特性的软硬

5.3.2电磁转矩的三种表达式三、实用表达式已知电机的额定功率、额定转速、过载能力忽略空载转矩，有此表达式主要用于求机械特性曲线。5.3.2电磁转矩的三种表达式例5：一台四极、380V、三角形联结的异步电动机，其参数为R1=4.47Ω，R´2=3.18Ω，X1σ=6.7Ω，X´2σ=9.85Ω，Xｍ=188Ω,Rm忽略不计。试求该电动机的最大转矩Ｔmax及临界转差sm，转子启动电流Ist及启动转矩Ｔst。解：起动时s=1，起动电流和起动转矩分别为：

例6：一台四极异步电动机，其额定电压为380V，过载能力kM=2，带80%额定负载运行，电网电压下降到230V，通过计算说明在此负载下电动机能否继续运行？此时该电动机能承担的最大负载能力为多少？例:一台正常运行时为△连接的三相笼型异步电动机，拖动20%额定负载连接运行时，有人建议将该电动机改为Y连接，电源电压不变，这是否可行？会对电动机性能有休影响？习题三相笼型异步电动机，在端电压不变的情况下，电磁转矩增加其转速会：A、下降B、上升C、不变只增加绕线型异步电动机的转子电阻，其他条件不变，电动机的启动转矩将：A.上升B.下降C.不能确定工作特性：

在额定电压和额定频率下，电动机的转速n、输出转矩Ｔ2、定子电流I1、功率因数、效率η与输出功率P2的关系曲线。

5.3.3异步电动机的工作特性1.转差率特性s=f(P2)随着输出功率的增大，电动机转速将减小，即s=f(P2)是一条稍微向上翘的曲线。解释：P2增加，负载转矩T2增大，由Tem=f(s)曲线可知，T2增加会使电动机转差率s增大，转速n下降。5.3.3异步电动机的工作特性2.定子电流特性I1=f(P2)随着输出功率的增大，定子电流将增大，即I1=f(P2)是一条上升并上翘的曲线。解释：用磁势平衡方程式可以说明定子电流变化的规律：空载时转子电流，此时，随着负载的增大，转子转速下降，转子电流增大，为了补偿转子电流的去磁作用，定子电流也相应增大，故定子电流几乎随负载P2成正比增加。5.3.3异步电动机的工作特性3.转矩特性T2=f(P2)随着输出功率的增大，T2=f(P2)近似为一条稍微上翘的直线。解释：由异步电动机的输出转矩可知：空载时，P2=0，T2=0；随着输出功率P2的增大，在额定负载范围内，n变化很小。故T2=f(P2)近似为一直线。5.3.3异步电动机的工作特性4.功率因数特性功率因数特性曲线在额定负载附近有一极值点。解释：空载时P2=0，定子电流基本上是用来建立磁场的励磁电流I0，其主要分量是无功的磁化电流，这时很低，一般小于0.2。负载时，随着P2增加，定子电流的有功分量增加，使上升；在额定负载附近值为最大，当负载超过额定值时，由于转差率s增大较多，致使转子额定频率f2增大，转子的无功分量增大，因而使趋于下降。5.3.3异步电动机的工作特性5.3.3异步电动机的工作特性5.效率特性效率特性曲线，有一极值点。异步电动机也是在可变损耗与不变损耗相等时η最高。考虑到异步电动机工作情况，通常中小型异步电动机负载在(0.25~0.75)PN时有最高效率ηmax。异步电动机的功率因数和效率都是在额定负载附近达到最大；选择异步电动机时，应使电动机额定容量和负载大小相匹配。如果电动机额定容量选择过大，不仅造价高，而且由于长期欠载运行，其功率因数和效率都低，很不经济；如果电动机额定容量选得过小，电动机将超载运行时，会造成电动机过热，影响寿命，甚至烧坏。5.3.3异步电动机的工作特性

5.4.1异步电动机的启动启动性能指标：（1）启动转矩Tst

（2）启动电流Ist

（3）启动时间

（4）启动设备

要求：异步电动机启动转矩足够大，启动电流较小，启动设备尽量简单、可靠、操作方便，启动时间短。5.4三相异步电动机的起动实际：启动瞬间

(即n=0,s=1)

5.4.1异步电动机的启动结果：启动电流很大5.4.1异步电动机的启动结果：启动转矩不大定子电流原因：启动时n=0，转子导条切割磁力线速度很大。转子感应电势转子电流中小型笼型电机启动电流为额定电流的4~7倍。大电流使电网电压降低影响其他负载工作频繁启动时造成热量积累电机过热影响：5.4.1异步电动机的启动直接启动（7.5kW以下的异步电动机一般采用直接启动。）降压启动（大容量电机）定子回路串电抗器起动Y/起动自耦变压器起动5.4.1异步电动机的启动一、直接启动直接启动或全压启动：利用刀闸或交流接触器把异步电动机的定子绕组直接接到额定电压的电源上。优点：启动方法最简单，不需要专门的启动设备，操作方便，具有较大的起动转矩，能带额定负载启动。缺点：因启动瞬间电动机的等效阻抗小，启动电流大，可达额定电流的4～7倍。当供电变压器的容量不大时，会使供电变压器的输出电压降低过多，进而影响到自身的启动和接在同一线路上的其它设备的正常工作。5.4.1异步电动机的启动

能否采用直接启动要考虑的因素：

电动机容量与供电变压器的比值；

启动是否频繁；

供电线路距离；同一台变压器其它用户的要求。一般要求采用直接启动的电动机容量不超过供电变压器容量的20%，这样，启动电流引起的电网压降不超过电网额定电压的10%。当启动电流不符合要求时，就必须采用降压启动。在发电厂中，由于供电变压器的容量足够大，所以厂用异步电动机大都采用直接启动。5.4.1异步电动机的启动二、降压启动直接启起动的缺点是启动电流大。降低电流的方法，主要靠降低电压。降压启动时，启动电流与定子电压成比例降低。待转速升高到一定值，恢复全电压。注意：启动转矩与U12成正比，降压启动后，启动转矩比启动电流降低得更厉害。5.4.1异步电动机的启动启动时K1合上，K2断开，电抗器串入回路中，起到分压作用。当启动结束时，K2合上，使电动机在全压下运行。1、定子回路串电抗器启动5.4.1异步电动机的启动设定子串电抗后电机绕组上的电压减为直接启动时的1/a倍，则：由此可见，启动电流虽然减小了，但启动转矩下降更多，所以这种启动方法仅适用于轻载或空载启动。5.4.1异步电动机的启动2、Y/△启动Y/△降压启动仅适合于额定运行时规定采用△接法的异步电动机。

5.4.1异步电动机的启动注意：采用Y/△降压启动时，启动电流和启动转矩都降为直接启动时的1/3，所以这种方法适合于空载或轻载启动。5.4.1异步电动机的启动3、自耦变压器启动启动时将开关K2、K3合上，使自耦变压器的原边接入额定电压的电网，其副边接异步电动机，以降低电压，达到减小启动电流的目的。待转速接近稳定时，再把开关K2、K3断开，K1合上，从而将自耦变压器切除，使电动机全压运行。5.4.1异步电动机的启动设降压后电机绕组上的电压减为直接启动时的1/a倍，则：注意：启动电流下降很多，所以这种启动方法适用于大容量电动机的启动。国产自耦补偿器三个抽头：55%、64%、75%5.4.1异步电动机的启动5.4.1异步电动机的启动例7：一台三相异步电动机，三角形连接，已知下列数据：PN=15kW，nN=1460r/min，UN=380V，ηN=0.87，cosφN=0.85，Tmax/TN=2，Tst/TN=1.1，Ist/IN=6.5，试求：（1）IN，T2N（2）直接启动时Ist△和Tst△（3）Y/△启动时IstY和TstY（4）Y/△启动时，带上0.5T2N的负载能否启动。5.4.1异步电动机的启动5.4.1异步电动机的启动三、采用高启动转矩异步电动机主要矛盾是启动转矩不足。解决的方法：①容量大一号的电动机； ②高启动转矩的电动机特殊电机获得高启动转矩的原因，主要是转子电阻的影响。转子参数自动随转速的变化而变化。如双笼型电机和深槽笼型电机。5.4.1异步电动机的启动趋肤效应漏磁通只穿过槽一次，由槽底铁芯形成闭合回路。可以看成许多单元导体的并联；越接近槽口的导体所交链的漏磁通越少，即漏抗小；接近槽底的单元导体，漏抗大，使导体电流密度分布不均，产生把电流向槽口排挤的“趋肤效应”；5.4.1异步电动机的启动电机转速越低，转子电流频率越高，趋肤效应越突出；导体的导电高度缩小，有效截面减小，转子电阻增加；随着转速升高，频率降低，电流分布趋向均匀，转子电阻自动减小。

5.4.1异步电动机的启动深槽笼型：高度是宽度的10～12倍。启动时：

f2=f1，电阻达额定运行的3倍，好像转子回路串入一个电阻，可获得一个较大的Tst。同时，由于导条中的电流被挤到了槽口，与非深槽转子相比，相同的电流产生的槽漏磁通小了，因此槽漏抗减小了。正常运行时：随着转速升高，频率降低，电流分布趋向均匀，转子电阻自动减小。但转子漏抗比普通笼型转子漏抗要大些。5.4.1异步电动机的启动双笼型：两套绕组，材料不同，截面也不同。上笼：启动笼，截面小，选用电阻系数大材料；下笼：工作笼，截面大，选用电阻系数小材料。启动时：s=1,f2=f1,X2>>R2,R2上>>R2下

由于趋肤效应，X2下>>X2上故I2上>>I2下，上笼cosφ2大，Tst大正常运行时：f2=sf1,R2>>X2

由于R2上>>R2下,故I2下>>I2上，

此时漏抗X2小，cosφ2↑，Tem↑5.4.1异步电动机的启动5.4.1异步电动机的启动优点：较大的Tst和较小Ist；缺点：漏抗较大，其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小。双笼型异步电动机的启动性能比深槽式好，但深槽式结构简单，制造成本低。二者共同的缺点是功率因数和过载能力低。四、采用绕线式异步电动机

对于需要在重载下启动的生产机械或需要频繁启动的电力拖动系统，不仅要限制启动电流，而且还要有足够大的启动转矩。在这种情况下，必须采用绕线式异步电动机。启动方法：转子回路串电阻分级启动转子回路串频敏变阻器启动5.4.1异步电动机的启动1.转子回路串电阻分级起动

5.4.1异步电动机的启动T1T2一般取最大加速转矩T1=(0.7～0.85)Tm，切换转矩T2=(1.1～1.2)TN

5.4.1异步电动机的启动1.转子回路串电阻分级起动只要转子回路串的电阻合适，既可以减小启动电流，又能提高启动转矩。

为什么？

Tst=CmΦmI2cosφ2

RΩ↑,I2↓,Φm↑,

RΩ↑,cosφ2↑↑,I2cosφ2↑,∴

Tst=CmΦmI2cosφ2↑2.转子回路串频敏变阻器启动

频敏变阻器的铁芯由几片或十几片30～50mm厚的钢板或铸铁板组成。频敏变阻器的等值电路与变压器空载时的等值电路相似。5.4.1异步电动机的启动RmR1RmXm工作原理：刚启动时，f2≈f1，f2较高，铁耗较大，其等效电阻Rm也很大，此时相当于在转子回路中串入一个较大的电阻。随着转速的升高，f2变低，铁耗减小，使Rm减小，相当于随转速的升高自动减小启动电阻值；当转速接近额定值时，f2极低，所以Rm很小，相当于将启动电阻全部切除。此时应把电刷提起且将三只滑环短接，起动过程结束。5.4.1异步电动机的启动5.4.2异步电动机的制动制动方法：机械制动：加抱闸。

电磁制动：电磁转矩与转速方向相反，电动机就工作在电磁制动状态。在此状态下，电动机转轴从外部吸收机械功率转而转换成电功率。5.4.2异步电动机的制动一、反接制动1、转速反向的反接制动（正接反转）属于下放重物这种情况。5.4.2异步电动机的制动由机械特性方程式可得如下特性曲线：电动机启动转矩与负载转矩反方向，且TL﹥Tst，在TL作用下，电动机反向加速在A点达到平衡。5.4.2异步电动机的制动2、两相反接的反接制动（反接正转）5.4.2异步电动机的制动注意：反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。即切割磁力线的速度很大，造成I2上升，引起I1上升。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。对于以上两种反接制动，s﹥1，则：说明电机从转轴上吸收的机械功率和从电网上吸收的电磁功率全部消耗在转子回路里。二、反向回馈制动是在位能性负载作用下电动机转速大于同步转速，重物以高于同步转速的速度下放。n>n1Fn15.4.2异步电动机的制动M3~+-运行制动nF转子5.4.2异步电动机的制动三、能耗制动停车时，断开交流电源，接至直流电源上，转子由于惯性继续转动，转子绕组中感应电势、电流，产生制动转矩。转子将动能变成电能消耗在转子电阻上，直至动能消耗完，转子停转。负载不变时，人为地改变电动机的转速，称为调速。要求：电动机具有几种转速；在一定的范围内可以连续调速。

调速的方法：（1）改变定子绕组的极对数p；（2）改变电源的频率f1；（3）改变电动机的转差率s。5.4.3异步电动机的调速一、变极调速由n≈n1=60f1/p

知：n∝1/pp为整数，故变极调速不能实现平滑调速。变极调速只适用于笼型异步电动机。变极调速常用的方法是单绕组变极调速，即在定子铁芯中装一套绕组，通过改变定子绕组的连接方式，使部分绕组中电流的方向改变，来实现电动机的磁极对数和转速的改变。5.4.3异步电动机的调速A1A2X1X2A2A1X1X2A1A2X1X2以一台4/2极的双速电动机为例p=2p=15.4.3异步电动机的调速单绕组双速电机：一套定子绕组具备两种极对数而得到两个不同同步转速；三速或四速电机：定子内放两套独立的绕组；5.4.3异步电动机的调速5.4.3异步电动机的调速实际工程中，

一般三相绕组之间的联接有两种方式，一种是Y/YY，即低速时接为Y，高速时接为YY。如下图。此接法适用于恒转矩变极调速。另一种是△/YY，即低速时接为△，高速时接为YY。如下图。此接法适用于恒功率变极调速。5.4.3异步电动机的调速在相邻两相之间的空间相位角在高速时为120°，则在改变为低速接法时，由于极数增加一倍，空间相位角变为240°，也就是说，在改变后，三相之间的相序将改变，为了在改变转速后电动机转向不变，因而在改接的同时，应将任意两个出线端互换。5.4.3异步电动机的调速二、变频调速属无级光滑调速此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器（AC-DC)、逆变器(DC-AC)等组成）。变频电源可变5.4.3异步电动机的调速5.4.3异步电动机的调速单一调频，U1不变，

f1↑→Φm

↓→Tem(Tmax)↓→电机得不到充分利用；f1

↓→Φm

↑→磁路过饱和，励磁电流↑↑→cosφ1↓，pFe↑Φm保持不变，调f1同时，调U1。5.4.3异步电动机的调速1、恒转矩调速电机变频调速前后额定电磁转矩相等，即恒转矩调速时，有，则若令电压随频率作正比变化：，则主磁通不变，电机饱和程度不变，电机过载能力也不变。电机在恒转矩变频调速前后性能都保持不变。5.4.3异步电动机的调速2、恒功率调速电机变频调速前后它的电磁功率相等，即1）若主磁通不变：2）若过载能力不变：，主磁通发生变化；优点：调速范围广，平滑性好。缺点：价格比较贵。三、转子回路串电阻调速适用于绕线式电动机。串电阻前后保持转子电流不变，则有：；；保持不变，即属于恒转矩调速。优点：简单、可靠、价格便宜；缺点：效率低。为克服这一缺点，可采用串级调速，即在转子回路中串一个与转子同频率的Ead。5.4.3异步电动机的调速四、改变定子端电压调速适应于：泵与风机类负载；缺点：电动机效率低，温升高。5.4.3异步电动机的调速电源接有大的单相负载或发生两相短路；定子三相绕组中一相断线，一相接地或发生匝间短路，都将引起电网三相电压不对称。单相异步电动机只需要单相交流电源供电，其分析方法与三相异步电动机在不对称电压下运行时的分析方法基本相同。5.5单相异步电动机5.5.1三相异步电动机在不称电压下运行由于三相异步电动机的不对称运行是电压不对称所引起，因此可用对称分量法将不对称电压分解成对称分量。接法Y型但无中线引出，则无零序电流；若接成D，由于三相线电压之和为零，则零序电流也为零。因此只需分析正序和负序分量，即：5.5.1三相异步电动机在不称电压下运行正序电压分量作用在电动机上的等效电路如下：异步电动机在正序电压作用下→定转子绕组产生正序电流→产生一个以同步速n1旋转的正序旋转磁场→正向电磁转矩；5.5.1三相异步电动机在不称电压下运行负序电压分量作用在电动机上的等效电路如下：异步电动机在负序电压作用下→定转子绕组产生负序电流→产生一个以同步速n1旋转的反序旋转磁场→反向电磁转矩。5.5.1三相异步电动机在不称电压下运行合成电磁转矩为：

Tem=Tem++Tem-实际电流为：缺点：①三相定子绕组流有三相不对称电流，产生椭圆形旋转磁场→幅值时大时小→转速时大时小→电机振动→转速不均和电磁噪音。②负序阻抗近似等于短路阻抗，不大的负序电压会产生较大的负序电流，引起电机过热。以一相断线为例，分析其发生的后果。三相异步电动机的定子绕组接线有Y和△两种接法。一相断线可分成4种情况。其中图(a)、(b)、(c)为单相运行，图(d)为两相运行。异步电动机的缺相运行(a)(b)(c)