第七章 三相異步電動機運行原理

第七章三相異步電動機運行原理7-1異步電動機的氣隙為什么要盡可能地?。克c同容量變壓器相比，為什么空載電流較大？答：異步電動機氣隙小的目的是為了減小其勵磁電流（空載電流），從而提高電動機功率因數(shù)。因異步電動機的勵磁電流是由電網(wǎng)供給的，故氣隙越小，電網(wǎng)供給的勵磁電流就小。而勵磁電流又屬于感性無功性質(zhì)，故減小勵磁電流，相應(yīng)就能提高電機的功率因數(shù)。異步電動機與變壓器一樣，均為交流勵磁的電機。它們U1---E1---?0----I0的分析思路相同。在容量和電壓相同的情況下，異步電動機和變壓器的主磁通？0基本相同，又由磁路歐,=^^姆定律知：0Rm，其I0-R（匝數(shù)N1的影響遠不及R），由于異步電動機主磁通磁路中有兩個氣隙，而變壓器是純鐵心、磁路，故異步電動機主磁通磁路的磁阻遠較變壓器大，故其空載電流遠較變壓器大。7-2異步電動機在起動和空載運行時，為什么時候功率因數(shù)很低？當(dāng)滿載運行時，功率因數(shù)會提高？答：1.由等效電路分析：下面分別畫出起動（a）、空載（b）和滿載（c）時的等效電路rmmrmmQwarctanX1+(c)1r+rx+x'>>r+r'古打甲cos^12由于1212，故丁1大t1就h較小。空載時中warctan中warctan—m1r+r由于X1+Xm?r1+rm，故平］較大，cOS^1就較小。r

—2-sN并聯(lián)，又由于激磁阻抗遠大于轉(zhuǎn)滿載時：激磁支路阻抗r

—2-sN并聯(lián)，又由于激磁阻抗遠大于轉(zhuǎn)中warctan2-,r+Mx+x'<r+^2~1s由于121sN，故平1較小，cos^1就較大。2、由電磁關(guān)系分析①起動時：s=1，轉(zhuǎn)子漏抗x2s=sx2最大，故轉(zhuǎn)子功率因數(shù)cos甲2較小，因而轉(zhuǎn)子無

功分量電流大，則與其平衡的定子側(cè)無功分量電流也大，因而功率因數(shù)cos^1就小。②空載時，I]=I0,其中很小一部分的有功分量用來供空載損耗，其余絕大部分的無功分量電流用來勵磁，因此，空載電流屬感性無功性質(zhì)，因而電動機的功率因數(shù)cos^1就?、蹪M載時，因電動機軸上輸出的是機械功率，從電路角度需用有功功率來模擬其機械功r'—2-率，因此負載后，轉(zhuǎn)子電流的有功分量增大（S增大），則與其平衡的定子有功分量電流就增大，因而電動機的功率因數(shù)cos^1就大。7-3當(dāng)異步電動機運行時，定子電動勢的頻率是多少？轉(zhuǎn)子電動勢的頻率為多少？由定子電流的產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢以什么速度截切定子，又以什么速度截切轉(zhuǎn)子？由轉(zhuǎn)子電流的產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢以什么速度截切轉(zhuǎn)子，又以什么速度截切定子？，它與定子旋轉(zhuǎn)磁動勢的相對速度是多少？答：定子電動勢頻率為f1；轉(zhuǎn)子電動勢頻率為f2=sf1；由定子電流產(chǎn)生的定子旋轉(zhuǎn)磁動勢以n1的速度截切定子，又以n1-n的速度截切轉(zhuǎn)子。由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢以n2=sn1的速度截切轉(zhuǎn)子，又以n2+n=n1的速度截切定子，它與定子旋轉(zhuǎn)磁動勢的相對速度為（n2+n）-n1=0。7-4說明異步電動機軸機械負載增加時，定、轉(zhuǎn)子各物理量的變化過程怎樣？答：電動機穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩（TQ與負載轉(zhuǎn)矩（Tl）平衡，當(dāng)機械負載（即負載轉(zhuǎn)矩）n-n增加時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n勢必下降，轉(zhuǎn)差率n1增大。這樣轉(zhuǎn)子切割氣隙磁場速度增加，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢（E2s=SE2）及電流I2隨之增大，因而轉(zhuǎn)子磁動勢F2增大。根據(jù)磁動勢平衡關(guān)系，與轉(zhuǎn)子磁動勢F2所平衡的定子負載分量磁動勢F1L相應(yīng)增大，而勵磁磁動勢Fo基本不變，因而定子磁動勢增大，定子電流I1隨之增大。由于電源電壓不變，則電動機的輸入功率就隨之增加，直至轉(zhuǎn)子有功電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩又與負載轉(zhuǎn)矩重新平衡為止。7-5為什么說異步電動機的功率因數(shù)總是滯后的，而變壓器呢？O■答：異步電動機定，轉(zhuǎn)子間的電磁關(guān)系尤如變壓器，定子電流11也由空載電流10和負載分量電流11L兩部分組成：1）1）維持氣隙主磁通和漏磁通，需從電網(wǎng)吸取一定的滯后無功電流（即為Io）;2）2）負載分量電流取決于轉(zhuǎn)子電路；由等效電路可知，電動機軸上輸出的機械功率（還包括機械損耗等）只能用轉(zhuǎn)子電流流1-S'過虛擬的附加電阻S‘2所消耗的功率來等效代替（因輸出的機械功率是有功的，故只能用有功元件電阻來等效代替）。再加上轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗，故轉(zhuǎn)子電流只可能是滯后無功電流，則與轉(zhuǎn)子平衡的定子負載分量也只能是滯后的無功電流，因此異步電動機的功率因數(shù)總是滯后的。變壓器卻不一定。與異步電動機相同的一點是其空載電流總是滯后無功電流，而變壓器所帶的電氣負載有阻、感、容性的（而異步電動機在電路中模擬機械負載的只能是阻性的有功元件），當(dāng)其負載容抗若大于變壓器的感抗時，其功率因數(shù)就會超前。

1一s7-6異步電動機等效電路中的附加電阻一"'2的物理意義是什么？能否用電感或電容來代替，為什么？答：異步電動機等效電路中的附加電阻實為代表機械負載（嚴格地說還包括機械損耗等）的1'2―r一個虛擬電阻，用轉(zhuǎn)子電流在該電阻所消耗的功率2s2來等效代替總機械功率（包括軸上輸出的機械功率和機械損耗等）.因輸出的機械功率及機械損耗等均屬有功性質(zhì)，因此，從電路角度來模擬的話，只能用有功元件電阻，而不能用無功元件電感或電容來等效代替。7-7異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與哪些因數(shù)有關(guān)，哪些是運行因素，哪些是結(jié)構(gòu)因素?答：電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達式mpU22T=em11sr2兀f（r+2）2+（x+x'）211s12電磁轉(zhuǎn)矩Tem與①電源參數(shù)：電源電壓U1頻率fi，②電機本身參數(shù)：相數(shù)m「極對數(shù)p、定、轉(zhuǎn)子漏阻抗七、r2’、x1>x2’；③運行參數(shù)：轉(zhuǎn)差率T=em其中U］、匕及s是運行因素，m1>p、七、r2’、X］、x2’為結(jié)構(gòu)因素。7-8異步電動機帶額定負載運行時，且負載轉(zhuǎn)矩不變，若電源電壓下降過多，對電動機的T、T、④|、I、I,、s及n有何影響？maxst112答：因為Tm仗U12，而s與U1無關(guān)，因而電源電壓下降后其T---s曲線如圖所示，曲線1為正常電壓下的曲線，曲線3為電壓下降過多的曲線，曲線2為電壓下降的曲線。電機正常工作時，Tm=T，穩(wěn)定運行于a點，其對應(yīng)轉(zhuǎn)差率為s。1、當(dāng)電壓下降過多，則電磁轉(zhuǎn)矩下降更多，當(dāng)最大電磁轉(zhuǎn)矩T’’<T，則電動mL機就停轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子電流急速增大，若無保護，則繞組會因過熱而燒毀。2、2、電壓下降，而T’>TL（曲線2），則穩(wěn)定運行于b點，（不停轉(zhuǎn)），但此時：Tmax減?。篢mxU/Tst減?。篢st必U/i①W私減?。?4.44fN1七1S增大：由于U1下降瞬間，Tem減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降I2增大:sEI=2I2增大:sEI=22"3+(sX2)2，正常運行時，Isx2<<r2,故2sE牝2r2I1增大：I2增大，F(xiàn)2增大，F(xiàn)1l=F2增大，故I1L增大；而U1下降，致使氣、I0減小，但由于I1L增大幅度遠大于I0減小程度，故I］仍為增大。n降低：電壓u1下降，鐵損減小，但此時I］、i2增大，定、轉(zhuǎn)子銅損增大，其增加的幅度遠大于鐵損減小幅度，故效率下降。7-9漏抗的大小對異步電動機的運行性能，包括起動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)有何影響，為什么？T答：由：'mpU2r'2nf1(r+r')2+(x_+x')T答：由：'11212mpU2―[m1PU:]4兀fr+\，'r2+（x+x'mpU2知：起動轉(zhuǎn)矩Tt1和1最大轉(zhuǎn)矩T1隨漏抗的增大而減小。漏抗增大，功率因數(shù)下降。因阻的成份（有功）不變，而漏抗（無功）增大所致。7-10通常的繞線式異步電動機如果：（1）轉(zhuǎn)子電阻增加；（2）轉(zhuǎn)子漏抗增加；（3）定子電壓大小不變，而頻率由50Hz變?yōu)?0Hz，各對最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩有何影響？r'S=,2答：起動轉(zhuǎn)矩T和最大轉(zhuǎn)矩T見上題兩式，m*r12+（x1+七）2，TOC\o"1-5"\h\ztsmax1、轉(zhuǎn)子電阻r2增加，①T不變，因T與。無關(guān)，②在一定范圍內(nèi)（s<1），T隨2maxmax2mstr2的增大而增大。因在此范圍內(nèi)，r2增大，轉(zhuǎn)子電流虹減小，而轉(zhuǎn)子功率因數(shù)cosu卻增2222大，致使轉(zhuǎn)子電流的有功分量12廣12COsW2增大，故起動轉(zhuǎn)矩增大2、轉(zhuǎn)子漏抗x2增大，Tmax、Tst減小:見上題公式3、定子頻率f1增大，T：：、T：減小:見上題公式7-11一臺鼠籠異步電動機，原來轉(zhuǎn)子是銅條，后因損壞改成鑄鋁，如輸出同樣功率，在通常情況下，s^、cos中1、n|、I、s、T、T有何變化？

N11Nmmaxst答：鋁的電阻率比銅大，故轉(zhuǎn)子由銅條改為鋁條，實為增加轉(zhuǎn)子繞組電阻r2，其Tem---s曲（2）cos^1不變，因轉(zhuǎn)子電阻改變不影響電機從電網(wǎng)吸取的勵磁功率，故無功功率不變，由于輸出功率不變，則電機從電網(wǎng)吸取的有功功率基本不變，忽略電機損耗，所以cos^1答：鋁的電阻率比銅大，故轉(zhuǎn)子由銅條改為鋁條，實為增加轉(zhuǎn)子繞組電阻r2，其Tem---s曲（3）nN下降：由于轉(zhuǎn)差率s增大，故轉(zhuǎn)子銅損pcu2=sPem增加，I1稍有增大，故定子銅損也稍大，而鐵損不變，機械損耗p因s增大n減小而稍有減小，但其減小幅度不及轉(zhuǎn)子繞組銅損增大幅度，故總損耗增加：“效率降低。

（4）、有所增大：P2=、如疽I,C0S甲/N，因P2不變，*甲n不變，0N下降，故I1N有所增大。（5）sm增大，見圖（因為smxr2’）(6)(7)T不變（因為TmaxTst增大，見圖(6)(7)T不變（因為TmaxTst增大，見圖max7-12一臺50Hz380伏的異步電動機若運行于60Hz、380伏的電網(wǎng)上，設(shè)輸出功率保持不變，問下列各量是增大還是減小:1）1）激磁電抗、激磁電流和電動機的功率因數(shù);2）2）同步轉(zhuǎn)速和額定電流時的電機轉(zhuǎn)速；3）3）最大轉(zhuǎn)矩和產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率；4）4）起動轉(zhuǎn)矩；5）5）電機效率。答：本題題意為頻率增加：頻率增加及輸出功率不變的Tem---n曲線見圖曲線1、2.（1）勵磁電抗增大，勵磁電流減小，功率因數(shù)增大，I.U0x；

m，因I0減小所導(dǎo)致。n=604（2）同步轉(zhuǎn)速增大，七p；額定電流時轉(zhuǎn)速增大，nN=（1—\）n1,工作點由a至b，n增加。（3）最大轉(zhuǎn)矩下降，臨界轉(zhuǎn)差率減小，見7-9題式或圖（4）起動轉(zhuǎn)矩下降，見7-9題式或圖（5）電動機效率升高。7-13增大異步電動機的氣隙對空載電流、漏抗、最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩有何影響?答：氣隙增大：（1）空載電流增大，當(dāng)電源電壓一定，①W104.44fN（1）空載電流增大，當(dāng)電源電壓一定，①W104.44fNK定，又由于0IN,Rm(N1定），氣隙大，磁阻R大，

m故I0大。N2N2x=2兀fR，m，故漏抗減小。（2）、漏抗減小，因氣隙大，漏磁路徑增長，其磁阻增大，（3）、最大轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩減小，見題7-9式。7-14一臺六極異步電動機，額定功率Pn=28千瓦，Un=380伏，f1=50Hz，nN=950轉(zhuǎn)/分，額定負載時，cos中1=0.88，p1+pF=2.2千瓦，p=1.1千瓦，pd=0，計算在額定時的sN、Pcu2、n￡】1和f2。cuemeca

解：磁極對數(shù):60f60f同步轉(zhuǎn)速:額定轉(zhuǎn)差率:總機械功率:mec轉(zhuǎn)子銅損:pcu2輸入功率:mec效率:定子電流:1N60f60x503.1695060x50=1000r/min1000-950=0.05mec1000N-0.05-scu2+PmecFe1-解：磁極對數(shù):60f60f同步轉(zhuǎn)速:額定轉(zhuǎn)差率:總機械功率:mec轉(zhuǎn)子銅損:pcu2輸入功率:mec效率:定子電流:1N60f60x503.1695060x50=1000r/min1000-950=0.05mec1000N-0.05-scu2+PmecFe1-0.05cu1100%=28100%32.83229.MWx29.1=1.532kW=28+1.1+1.532+2.2=32.832kW=85.3%32.832=56.68A\-3Ux380x0.88轉(zhuǎn)子電動勢頻率：f2=sNf1=0.05x50=2.5HZ7-15一臺4極異步電動機，額定功率Pn=5。5千瓦，f1=50Hz，在某運行情況下，自定子方面輸入的功率為6.32千瓦，p1=341瓦，p2=237.5瓦，pF=167.5瓦，p=45瓦，pd=29瓦，試繪出該電機的功率流程圖，U標明電磁功率、總機械功率和輸出功率的大小，并計算在該運行情況下的效率、轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)速及空載轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩。解:輸出功率:P2P2=P1-(Pad+Pmec+Pcu2+PFe+Pcu1)=6.32—(0.029+0.045+0.2375+0.1675+0.341)=5.5kWP5.5門=f100%=100%=87.03%效率：P$32電磁功率:=5.8115kW=