第八章 三相异步电动机

杭州电子科技大学《电机学》自动化学院第八章三相异步电动机根据电动机转子和定子磁场速度之间的不同关系，交流电动机可以分为两大类：一类是同步电动机；另一类为异步电动机。同步电动机采用双边励磁，而异步电动机仅通过定子边励磁，其转子电流和磁动势则是通过旋转磁场感应产生，这使得两种电机在性能方面具有较大的差异。

异步电动机属于交流电动机，也称为感应电动机。异步电动机的“异步”是什么意思呢？异步是指电动机的转子与定子绕组产生的旋转磁场之间速度不一样，转子的转速快于或者慢于定子磁场的转速。8.1三相异步电动机的结构和额定数据8.1.1三相异步电动机的结构三相鼠笼式异步电动机的结构三相绕线式异步电动机的结构定子、转子、气隙。三相异步电动机的定子铁心和转子铁心定子铁心用0.35~0.5mm的硅钢片叠压而成。三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的端盖主要作用：支撑轴承、密闭保护电机。三相异步电动机的接线端子高压大、中型容量的异步电动机定子绕组通常为星形(Ү)接法，接线端子只有三根引出线。中、小容量，六根引出线：(1)电压380/220V，接法Y/∆(2)电压380V，接法∆（a）Y形接法（b）Δ形接法鼠笼式转子绕线式转子转子铁心用0.5mm的硅钢片叠压而成。异步电动机的气隙对电机的性能具有重要的影响。中小型异步电动机的气隙一般为0.2~2mm。气隙的大小直接影响异步电动机的励磁电流和功率因数。一般情况，电机气隙越小，定子侧的励磁电流越小，同时电机功率因数越高。但是，电机的气隙太小，会造成加工和装配的困难，同时也将增加电机的高次谐波与附加损耗。8.1.2

三相异步电动机的额定数据三相异步电动机的额定数据：额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN、额定转速nN、额定频率f1N、额定效率ηN

、额定功率因数cosφN、绝缘等级和允许温升。允许温升是指电动机运行时电机本体高出周围环境标准温度的值。在设计电机时，我国规定环境标准温度为，电机的允许温升即电机的允许温度减去的值。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院8.2三相异步电动机的工作原理8.2.1三相异步电动机的旋转原理当定子三相对称绕组中通入三相对称交流电后，在气隙中会形成圆形的旋转磁场。(3)载流导体在定子旋转磁场中受到电磁力的作用，进而形成电磁转矩，并使得转子跟着定子旋转磁场旋转。(2)当定子旋转磁场切割转子导体时，转子导体内形成三相对称感应电动势。转子导体处于闭合回路。因此，感应电动势在转子导体内产生三相对称电流。鼠笼随磁场旋转的3D动画8.2.2三相异步电动机的转差率转差率杭州电子科技大学《电机学》自动化学院8.3三相异步电动机的等效电路三相异步电动机等效电路正方向的标定三相异步电动机转子绕组开路时的等效电路三相异步电动机空载时的等效电路三相异步电动机转子堵转时的等效电路三相异步电动机带负载运行时的等效电路8.3.1三相异步电动机等效电路正方向的标定下标1代表定子侧的量，下标2代表转子侧的量。通常把A相绕组磁动势所在的方向定义为零坐标轴的方向。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院8.3.2三相异步电动机转子绕组开路时的等效电路1．转子绕组开路时的磁链和感应电动势在定子气隙中会形成圆形旋转磁场。定子每极下同时交链定子和转子的磁通称为主磁通，

。只是交链定子或者转子的磁通称为漏磁通，和。主磁通定子A相磁链转子A相磁链定子绕组的感应电动势定子绕组感应电动势有效值

转子绕组的感应电动势转子绕组感应电动势有效值

电压变比2．转子绕组开路时的电压方程式和相量图定子漏磁感应电动势定子一相绕组的电压方程式3．转子绕组开路时的等效电路和电磁关系分析定子绕组的感应电动势定子一相的电压平衡方程式转子一相的电压平衡方程式转子绕组开路时的等效电路图转子绕组开路时的电磁关系图(1)转子开路时，异步电动机呈感性，因此，电流相量滞后于电压相量。(2)主磁通和漏磁通在定子绕组中分别形成相应的感应电动势，感应电动势滞后于相应的磁通相量电角度。(3)转子绕组感应电动势等于相应的相电压。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院三相异步电动机空载运行时，转子转速n

接近于同步转速n1

，s≈0，此时，定子磁场近似于不切割转子绕组，所以转子绕组中的感应电动势，转子绕组中的电流，因此，在空载情况下，转子绕组不产生磁动势。8.3.3三相异步电动机空载时的等效电路三相异步电动机的空载运行：定子绕组接到三相对称电源上，转轴上不带任何机械负载。1．空载电流是形成铁心损耗的有功分量部分是形成主磁通的部分空载电流主要是形成主磁通的一个无功性质的电流，大、中型三相异步电动机的空载电流约占额定电流的30%，小型三相异步电动机的空载电流几乎达到额定电流的50%。2.空载时的电压方程式转子绕组不产生磁动势，相应地也无法形成转子侧的磁通，因此，转子绕组不会影响定子绕组产生的磁动势和主磁通。三相异步电动机空载时，定子侧的电压方程式与三相异步电动机转子开路时是相同的。转子侧的电压方程式3.空载时的等效电路转子侧的感应电动势三相异步电动机空载时的等效电路杭州电子科技大学《电机学》自动化学院8.3.4三相异步电动机转子堵转时的等效电路1.转子堵转时的磁动势和磁通的分析气隙磁动势旋转方向一致，转速相同，在空间上相差α

电角度。2.转子堵转时转子绕组的折合三相异步电动机定子和转子之间没有电路的联系，只有磁路的联系。通过折合算法，将转子回路折算到定子侧，或者将定子侧折算到转子侧。从定子边看转子，只有转子磁动势与定子磁动势影响主磁通，因此，只要保持转子磁动势的大小和相位不变，至于转子边的感应电动势、电流以及每相串联的匝数是多少都无关紧要。可以利用一个虚拟转子代替电机的实际转子，虚拟转子的相数、每相串联的匝数和绕组系数与定子绕组相一致。转子折算原则电流变比转子感应电动势折算到定子侧转子阻抗折算到定子侧（1）转子阻抗角（2）转子铜耗（3）无功功率4.转子堵转时的基本方程式和相量图5.转子堵转时的等效电路和电磁关系分析三相异步电动机在转子堵转情况下的三个结论：(1)电机内会形成两个电流通路，一个为定子绕组电流通路，另一个为转子绕组的电流通路。两个电流通路通过主磁通联系起来。(2)定子和转子的磁动势都以同步转速逆时针旋转，两个磁动势共同形成电机的气隙磁动势。(3)电机产生很大的电流。三相异步电动机应避免长时间处于堵转状态。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院8.3.5三相异步电动机带载旋转时的等效电路1.转子电磁量的变化分析(1)感应电动势的频率（转差频率）(2)感应电动势(3)转子绕组的漏电抗2.定子和转子磁动势之间的关系转子磁动势相对于定子的转速定子磁动势相对于定子的转速跟转子是否旋转没有关系。3.转子频率的折算将旋转的转子侧频率转换为静止的定子侧频率的过程称为频率的折算。频率为频率为机械功率4.转子带载旋转时的基本方程式和相量图5.转子带载旋转时的等效电路和电磁关系图三相异步电动机T型等效电路(1)当时，，异步电动机运行于空载状态；(2)当时，电机相当于处于堵转状态；(3)当和时，，电机处于发电状态。(1)定子侧各个电磁量的物理关系不因转子是否旋转而发生变化。(2)与转子堵转情况相比，此时转子侧电量都与转差率s

相关。8.3.6三相异步电动机鼠笼式转子的极数和相数的归算鼠笼式转子的导体是均匀分布的，每两根相邻的导条内感应电流相差的电角度与导条在空间相差的电角度是一致的。假如鼠笼式转子有根导条组成，定子主磁场有对极，则鼠笼式转子的相数为。鼠笼式转子由于每根导体相当于半匝，因此每相串联的匝数为。因为每相只有一根导体，鼠笼式转子的绕组系数。鼠笼式转子的相对称电流在个对称导体中也会产生圆形旋转磁动势。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院8.4三相异步电动机的功率关系和转矩计算三相异步电动机的功率传递过程输入功率定子铜耗定子铁耗电磁功率转子铜耗总机械功率输出机械功率8.4.1三相异步电动机的功率关系注意：此处电压、电流和电阻均为相值！！！三相异步电动机的功率流程图8.4.2三相异步电动机的电磁转矩计算电磁转矩三相异步电动机的电磁功率输出转矩简化计算三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的转矩系数(1)直流电动机中的电磁转矩与电枢电流之间是线性关系。(2)三相异步电动机的电磁转矩与转子电流之间是非线性关系。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院8.5三相异步电动机参数的测定需测量的参数：定子电阻和电抗，转子的折算电阻和电抗，励磁电阻和励磁电抗，定子铁耗和机械损耗。用于分析和计算三相异步电动机功率和转矩。测量方法：短路试验、空载试验。定子电阻可以直接利用电桥测得。8.5.1短路试验（堵转试验）可测得8.5.2空载试验可以测得与成正比保持不变实验测得杭州电子科技大学《电机学》自动化学院8.6三相异步电动机的工作特性和机械特性三相异步电动机的工作特性：电动机在时，

等与输出功率之间的关系。三相异步电动机的机械特性：电磁转矩与转差率(或者转速)之间的关系，也称为

曲线。1.转速特性2.电流特性8.6.1三相异步电动机的工作特性（与的关系）4.功率因数特性功率因数是三相异步电动机的主要性能指标之一。由于三相异步电动机是一个感性负载，它必将从电网吸收感性的无功功率，因此三相异步电动机的功率因数总是小于1。

3.转矩特性5.效率特性异步电机功率损耗主要包括两大类：可变损耗：与电机的负载大小密切相关的损耗，如定子和转子铜耗，损耗大小与电流的平方成正比；不变损耗：与电机的负载大小基本无关的损耗，如定子铁耗和机械损耗。可变损耗等于不变损耗时效率最高。超过时，铜耗会快速增大，效率下降。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院8.6.2三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的电磁转矩与转差率(或转速)之间的关系。8.6.2.1三相异步电动机的机械特性的表达式转子折算电流电磁转矩8.6.2.2三相异步电动机的固有机械特性分析1.三相异步电动机固有机械特性曲线的分析且定子和转子回路都不接入任何电气元件。(1)第I象限：0<s<1(0<n<n1)，T>0，正向电动；(2)第II象限：s<0(n>n1)，T<0，发电状态；(3)第IV象限：s>1(n<0)，T>0，制动状态。重点掌握固有机械特性曲线1上的四个点——(1)A点：正向同步运行点，

；(2)B点和D点：三相异步电动机的临界运行点，

可以获得最大电磁转矩和临界转差率，B点：D点：“+”对应电动运行状态，“-”对应发电运行状态。令一般最大转矩倍数(或者过载倍数)一般三相异步电机的过载倍数为1.6~2.5。受哪些参数变化的影响？(3)

C点：正向起动点，起动转矩倍数为了顺利起动，一般要求三相异步电机的起动转矩倍数为0.8~1.2。受哪些参数变化的影响？2.三相异步电动机的稳定性分析三相异步电动机机械特性分为两个区域：稳定运行区域、不稳定运行区域。(1)稳定运行区域：机械特性下倾，无论拖动何种性质的负载，系统都是稳定的。(2)不稳定运行区域：在该区域内，恒转矩负载电机拖动系统无法稳定；风机和泵类负载虽然可以满足稳定运行条件，但是