第五章 异步电机(二)

第五章异步电机（二）第一节三相异步电动机运行时的电磁过程一、异步电动机负载时的物理情况

当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过三相交流电流。若不计谐波和齿槽影响，这个对称三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布、并且以同步转速n0旋转的旋转磁动势F1，由旋转磁动势F1建立旋转的气隙主磁场Bm。这个旋转磁场切割定子、转子绕组，分别在定子、转子绕组内感应出定子电动势和转子电动势。在转子电动势作用下转子回路中有对称三相电流流过。于是，在气隙磁场和转子电流的相互作用下，产生了电磁转矩，转子就顺着旋转磁场的方向转动。2

三相异步电动机空载时，电磁转矩只需克服很小的空载损耗，转子转速接近同步转速n≈ns，可以认为旋转磁场不切割转子绕组，对应的转子绕组电流很小，I2≈0，建立气隙磁场的励磁磁动势就是定子绕组产生的三相合成磁势。空载的情况下：n≈ns,I2≈03

当异步电动机从空载到负载瞬时，由于轴上机械负载转矩的突然增加，原空载时的电磁转矩无法平衡负载转矩，电动机开始降速，旋转磁场与转子之间的相对运动加大，转子感应电动势增加，转子电流和电磁转矩增加，当电磁转矩增加到与负载转矩和空载制动转矩相平衡时，电动机就以低于空载时的转速而稳定运行。

当电机带有机械负载后：n<ns,E2s增大，I2增大，转子绕组电流也形成了磁动势F2。4三相绕组基波磁势合成圆形旋转磁动势三相异步电动机定子绕组的电动势回顾5三相异步电动机定子绕组的电动势回顾定子绕组6转子绕组电势为三相对称电动势，转子绕组电流为三相对称电流，转子磁动势F2是一种旋转磁动势。转子绕组（一）转子磁动势分析7

如果相序为A-B-C的异步电动机定子电流所产生的旋转磁场按逆时针方向旋转，因为n<ns，旋转磁场以ns-n的相对转速逆时针方向切割转子绕组，则转子电流相序为a-b-c

。则转子磁动势F2的旋转方向也按照相序a-b-c，即：按逆时针方向。1、转子磁动势F2的旋转方向82、F2转速的大小

转子绕组内感应电动势和电流的频率为f2为转差频率，转子电流形成的转子磁动势F2的旋转方向与F1的旋转方向相同，它相对于转子的转速为Δn，F2相对于定子的转速应为其相对于转子的转速Δn再加上转子本身的转速n，等于ns，即F2与F1在空间保持静止，两者无相对运动9（二）磁动势平衡转子磁动势F2与定子磁动势F1相对静止，得到合成磁动势F1+F2负载时空载时电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小，差不多和电源电压相平衡。所以，工程上可以近似认为于是10异步电动机的负载运行时的电磁关系（三）电磁关系11有效值相量表达式定、转子的漏磁通在各自绕组中感应产生漏电动势12二、基本方程式（一）磁动势平衡方程式式中m1、m2为定子、转子的相数；Im为对应于励磁磁动势的励磁电流。励磁电流负载电流令则异步电动机的电流比13（二）电动势平衡方程式14RΩ为转子绕组中的外加电阻15

Zm为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻抗；Xm称为励磁电抗；Rm为反映铁耗的励磁电阻。定子漏电抗转子漏电抗

和变压器一样，感应电动势和漏电动势作为电压降来处理16令当n=0,s=1，f2=f1用表示转子不动时转子绕组内漏电动势的有效值，如果转子转动，有效值为转子转动时的漏电抗X2s，等于转子不动时的漏电抗X2与转差率s的乘积转子转动时的感应电动势E2s，等于转子不动时的感应电动势E2与转差率s的乘积。17旋转时异步电动机的电路异步电动机负载时的基本方程式列出如下18

为了更方便的分析异步电动机的运行特性。希望得到一个象变压器那样的等效电路，则必须进行两次折算：一是频率折算；二是绕组折算。从磁通势平衡关系可知，转子对定子的影响是通过转子磁势通来实现的。所以这两种折算的原则和变压器一样，即折算前后F2不变以保证磁势平衡关系不变及各种功率不变。第二节三相异步电动机的等效电路及相量图一、异步电动机的等效电路19（一）频率归算频率归算——保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在这里，就是用一个具有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路。所谓“等效”是指：1）进行代换后，转子电路对定子电路的电磁效应不变。2）等效的转子电路的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等）必须和实际转子电路一样。当n=0,s=1，f2=f1，说明转子频率与定子频率相等时，转子是静止的。因此，只要利用一个静止的等效转子电路来代替实际上旋转的转子电路，为此，将实际运行的转子电流转换成等效静止的转子电流。20若RΩ=0分子、分母同除以s以上两式中的前者频率为f2

，后者为f1，但电流的数值仍是相等的，因此频率折算前后保证转子磁动势F2不变。模拟电阻，等效负载电阻转子实际电阻实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功率等效机械损耗和机械功率之和——总的机械功率。22绕组折算：用与定子绕组一样的m1、N1和Kw1新转子绕组等效代替实际参数m2、N2及Kw2的转子绕组。但保证F2不变，功率关系不变。为了区别起见，将折算过的各量均用原符号加“’”来表示。（二）绕组归算异步电动机的电流比由转子磁动势不变23由转子总的视在功率不变式中由转子铜耗和漏磁通储能不变为电动势比转子绕组折算到定子绕组的规律是：单位为[A]的折算量等于折算前的量除以电流比ki；单位为[V]的折算量等于折算前的量乘以电动势比ke；单位为[Ω]的折算量等于折算前的量乘以keki。2424绕组归算后的定、转子电路经过归算后，定子、转子的电动势方程式磁动势方程式励磁支路的电动势方程式25（三）异步电动机的等效电路26几种异步电动机的典型运行情况1、空载运行2、额定负载下运行转差率SN

大约为5%，转子电路中的总电阻为转子电阻R2’

的20倍左右，转子电路基本上成为电阻性的，负载情况下的(-I2)比Im

大得多，所以定子的功率因数能达到0.8

~

0.85。转子电路相当于开路情况，电流Im

滞后于外加电压U1的相位差接近90°,所以异步电机空载运行时功率因数很低。273、起动时的情况附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。4、异步发电运行转差率为负，附加电阻也为负值。表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率转子机械功率输入=转子铜耗+传给定子的电磁功率。285、电磁制动状态运行

，附加电阻为负值，表示从转子轴上输入（而不是输出）机械功率。转子机械功率输入+定子输入电磁功率

=转子铜耗29异步电机近似等效电路常把励磁支路移到输入端，使电路简化为单纯的并联电路，这种等效电路称为异步电动机近似的等效电路。注意：和变压器情况不同，因为励磁电流占总负载电流的比例并不很小，故励磁支路只能前移，不能略去。（四）等效电路的简化30二、异步电动机的相量图31能量转换关系功率关系第三节三相异步电动机的功率和转矩一、功率转换过程32二、功率方程式1.从定子绕组输入电动机的功率2.一小部分消耗在定子电阻上的定子铜耗3.一小部分消耗在定子铁心中的铁耗4.余下的电功率经过气隙磁场传送到转子，这就是异步电动机的电磁功率335.转子绕组电阻上发生了转子铜耗由于正常运行时转差率很小，所以转子的铁耗可以略去不计。6.余下是使转子产生旋转运动的总机械功率7.扣除机械损耗和附加损耗最终为转子轴上输出净机械功率P234因为机械功率等于相应的转矩与机械角速度的乘积，所以对机械功率方程式三、转矩方程式

两边除以转子的机械角速度

Ω就可以得到稳态转矩平衡方程式式中——电动机输出的机械转矩；——机械损耗转矩；

——附加损耗转矩；——空载转矩；

——电磁转矩。旋转磁场对转子做功的物理情况电磁转矩既可以用转子的总机械功率除以转子机械角速度来计算；也可以用电磁功率除以同步角速度来计算。35四、电磁转矩公式——转矩常数36三相异步电动机的工作特性是指在U1=UN和f1=fN条件下，电动机的转速n、定子电流I1、功率因数特性cos1、转矩特性T、效率特性与输出功率P2的关系。转速特性n=f(P2)定子电流特性I1=f(P2)功率因数特性cos1=f(P2)

转矩特性T=f(P2)效率特性=f(P2)

第四节三相异步电动机的工作特性及其测取方法37一、工作特性的分析1、转速特性负载增大时，必使转速略有下降，转子电势

E2s

增大，所以转子电流

I

2

增大，以产生更大一点的电磁转矩和负载转矩平衡。因此随着输出功率

P2

的增大，转速稍有下降，所以异步电动机的转速特性为一条稍向下倾斜的曲线输出功率变化时转速变化的曲线

382、定子电流特性空载时P2=0，I20，I1=Im，随着P2↑→n↓→I2

↑→I1↑393、功率因数特性(1)空载时定子电流I1

主要用于无功励磁，所以功率因数很低，约为0.1~

0.2(2)负载增加时转子电流的有功分量增加，定子电流的有功分量随之增加，使功率因数提高。(3)接近额定负载时功率因数达到最大(4)负载超过额定值时s值就会变得较大，使转子电流中得无功分量增加，因而使电动机定子功率因数又重新下降了。

404、电磁转矩特性5、效率特性电磁转矩特性近似为于一条斜率为1/Ω

的直线。当可变损耗等于不变损耗时，异步电动机的效率达到最大值。中小型异步电机的最大效率出现在大约为3/4的额定负载时。第五节三相异步电动机参数的测定通过空载试验可以测定异步电动机的励磁参数，异步电动机的励磁参数决定于电机主磁路的饱和程度，所以是一种非线性参数；通过堵转试验可以测定异步电动机的堵转参数,异步电动机的堵转参数基本上与电机的饱和程度无关，是一种线性参数。

我们要利用异步电动机的等效电路定量计算和分析时，必须知道等效电路中的参数。与变压器一样，可分别通过空载试验和堵转试验来测定。4142一、空载试验与励磁参数的确定1、空载试验异步电动机在额定电压、额定频率下，轴上不带任何负载运行。2、励磁参数与铁耗及机械损耗的确定空载试验时输入电动机的损耗有：定子铜耗、铁耗和机械损耗从空载损耗中扣除定子铜耗，可得铁耗和机械损耗之和1.机械损耗和铁耗的分离43曲线作曲线延长线相交于直轴于oˊ点，过oˊ作一水平虚线将曲线的纵坐标分为两部分。所以虚线下部纵坐标表示与电压大小无关的机械损耗，虚线上部纵坐标表示对应于某个电压U1

的铁耗。由于可认为铁耗与磁密平方成正比，因而铁耗与端电压平方成正比。由于机械损耗仅与转速有关，空载状态下电动机的转速n接近ns

，可以认为机械损耗是恒值。绘制铁耗与机械损耗之和与端电压平方值的曲线。44空载时异步电动机的等效电路2.励磁参数的确定励磁电抗励磁电阻短路试验求取45二、堵转试验及堵转时参数的确定堵转时异步电动机的等效电路异步电动机的堵转特性对异步电动机而言，堵转是指

T

形等效电路中的附加电阻(1-s)R2'/s=0

的状态，即电动