第7章 異步電動機原理

2023/2/1電機與拖動1第七章異步電動機原理異步電動機結(jié)構(gòu)、額定數(shù)據(jù)與工作原理三相異步電動機的電磁關(guān)系及等值電路三相異步電動機的功率與轉(zhuǎn)矩三相異步電動機的機械特性2023/2/1電機與拖動2

7.1異步電動機結(jié)構(gòu)、額定數(shù)據(jù)與工作原理一、異步電動機的主要用途異步電機主要用作電動機，去拖動各種生產(chǎn)機械。

優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、價格低廉、運行可靠、堅固耐用、運行效率較高等。

缺點:功率因數(shù)較差。異步電動機運行時，必須從電網(wǎng)里吸收落后性的無功功率，功率因數(shù)總是小于１。異步電機又叫感應(yīng)電機。NSn12023/2/1電機與拖動3二、異步電動機的分類此外，根據(jù)電機定子繞組上所加電壓的大小，又有高壓異步電動機、低壓異步電動機之分。從其它角度看，還有高起動轉(zhuǎn)矩異步電機、高轉(zhuǎn)差率異步電機、高轉(zhuǎn)速異步電機等等。（2）按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分:

①繞線式異步電動機；②鼠籠式異步電動機。（1）按定子相數(shù)分:①單相異步電動機；②兩相異步電動機；

③三相異步電動機。2023/2/1電機與拖動4三、異步電動機的主要結(jié)構(gòu)異步電動機在結(jié)構(gòu)上也是由定子、轉(zhuǎn)子、氣隙組成。p2092023/2/1電機與拖動5

1、異步電動機的定子：異步電動機的定子是由機座、定子鐵心和定子繞組三個部分組成的。2023/2/1電機與拖動62、異步電動機的轉(zhuǎn)子：1）籠型轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組：分為籠型和繞線型兩類。由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成的轉(zhuǎn)子鐵心：是電動機磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上，整個轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形。2023/2/1電機與拖動7

2）繞線型轉(zhuǎn)子：繞線型轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌放有用絕緣導(dǎo)線組成的三相繞組，一般都聯(lián)接成Y形。轉(zhuǎn)子繞組的三條引線分別接到三個滑環(huán)上，用一套電刷裝置引出來，如圖所示。這就可以把外接電阻串聯(lián)到轉(zhuǎn)子繞組回路里去，以改善電動機的啟動性能或調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。2023/2/1電機與拖動8四、異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)（1）額定功率PN

指電動機在額定運行時軸上輸出的機械功率，單位是kw。（2）額定電壓

UN

指額定運行狀態(tài)下加在定子繞組上的線電壓，單位為V。（3）額定電流IN

指電動機在定子繞組上加額定電壓、軸上輸出額定功率時，定子繞組中的線電流，單位為A。（4）額定頻率f

指我國規(guī)定工業(yè)用電的頻率是50Hz。（5）額定轉(zhuǎn)速nN

指電動機定子加額定頻率的額定電壓，且軸端輸出額定功率時電機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。（6）額定功率因數(shù)指定子邊的功率因數(shù)。2023/2/1電機與拖動9如何根據(jù)電機的銘牌進行定子的接線？（1）當(dāng)電動機銘牌上標(biāo)明“電壓380/220V，接法Y/△”時，這種情況下，究竟是接成Y或△，要看電源電壓（線電壓）的大小。如果電源電壓為380V，則接成Y接；電源電壓為220V時，則接成△接。（2）當(dāng)電動機銘牌上標(biāo)明“電壓380V，接法時△”時，則只有這一種△接法。但是在電動機起動過程中，可以接成Y接，接在380V電源上，起動完畢，恢復(fù)△接法。

2023/2/1電機與拖動10五、異步電動機的工作原理旋轉(zhuǎn)磁場n1導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生e,I通電導(dǎo)體在磁場中受力T轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動nn<n12023/2/1電機與拖動11異步電動機轉(zhuǎn)差率s：在正常情況下，異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）。轉(zhuǎn)差率是一個表征異步電動機運行狀態(tài)的一個基本參數(shù)。感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速隨負載的變化而變化。

n與s一一對應(yīng)2023/2/1電機與拖動127.2三相異步電動機的電磁關(guān)系及等值電路電磁過程基本方程轉(zhuǎn)子靜止時的異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的異步電動機等值電路2023/2/1電機與拖動13一、異步電動機（YD）運行時的電磁過程(一)轉(zhuǎn)子靜止時的YD(n=0)(什么情況下轉(zhuǎn)子會靜止？)

以繞線式Y(jié)D為例2023/2/1電機與拖動14

由于整個分析過程是完全對稱的，所以在分析時僅以A相為例來進行講解。由電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的磁動勢的特點：3）轉(zhuǎn)速：2）轉(zhuǎn)向：1）幅值：2023/2/1電機與拖動15a.轉(zhuǎn)子開路時的工作情況2023/2/1電機與拖動16電壓方程式：定子一相漏阻抗2023/2/1電機與拖動17b.轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時的電磁關(guān)系1.物理過程:r22023/2/1電機與拖動182.磁勢平衡電流變比：2023/2/1電機與拖動19

(二)三相異步電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的電磁關(guān)系2023/2/1電機與拖動202023/2/1電機與拖動21轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢

相對于定子的轉(zhuǎn)速為:結(jié)論:不論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn),定轉(zhuǎn)子磁勢在空間總是靜止的,仍可合成.2023/2/1電機與拖動22二、異步電動機的等值電路(思路)從前面分析知:YD與B極其相似,YD的轉(zhuǎn)子動或不動具有同一個磁勢平衡.YD也可采用等值電路來簡化分析計算.折算步驟:用轉(zhuǎn)子不動的等效電機取代轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電機,將轉(zhuǎn)子邊各量折算到定子邊,即B折算.2023/2/1電機與拖動23（一）轉(zhuǎn)子繞組頻率的折算（靜止的轉(zhuǎn)子）:

只要保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢的大小不變,從定子邊看可認為轉(zhuǎn)子沒有變化.根據(jù)這個概念,對下式進行變換:2023/2/1電機與拖動24

由此可見,頻率折算是用一個靜止的電阻為的等效轉(zhuǎn)子去代替電阻為R2的實際旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,等效轉(zhuǎn)子于實際轉(zhuǎn)子具有相同的轉(zhuǎn)子磁動勢.2023/2/1電機與拖動25從定子邊看轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢并沒有發(fā)現(xiàn)任何不同，兩個情況下產(chǎn)生的磁通勢的幅值大小是完全一樣的，這就是轉(zhuǎn)子電路的頻率折算，即：把轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時實際頻率為f2的電路，變成了轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，頻率為f1的電路。

:轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生的機械功率的等值電阻結(jié)論:一臺旋轉(zhuǎn)的YD可用一臺轉(zhuǎn)子不動,轉(zhuǎn)子每相繞組串入一個等值電阻的YD等效取代.2023/2/1電機與拖動26（二）YD轉(zhuǎn)子繞組的各量折算到定子邊(B折算)2023/2/1電機與拖動27（三）等值電路基本方程:2023/2/1電機與拖動28

“

T”型等值電路(一相):R1Rm2023/2/1電機與拖動29與B的區(qū)別:2023/2/1電機與拖動30

異步電動機空載時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近同步速，轉(zhuǎn)差率s很小，

，電流可認為等于零,定子電流就是勵磁電流,電動機的功率因數(shù)很低。YD定子漏阻抗不大,從空載到額定負載運行時，由于定子電壓不變，主磁通Φ1基本上不變。因此勵磁電流也是個常數(shù)。但是，當(dāng)異步電動機剛起動時，轉(zhuǎn)速n＝0（s=1），這時定子電壓全部降落在定、轉(zhuǎn)子的漏阻抗上，這樣，定、轉(zhuǎn)子漏阻抗上的電壓降近似為定子電壓一半左右。氣隙主磁通Φ1也將變?yōu)榭蛰d時的一半左右,當(dāng)電動機運行于額定負載時，轉(zhuǎn)差率/s約為的20倍左右，等值電路里轉(zhuǎn)子邊呈電阻性，功率因數(shù)

較高。這時定子邊的功率因數(shù)

也比較高，可達0.8～0.85.2023/2/1電機與拖動31（四）YD的相量圖:

2023/2/1電機與拖動327.5三相異步電動機的功率與轉(zhuǎn)矩功率平衡方程式（即能量傳遞關(guān)系）及效率轉(zhuǎn)矩平衡方程YD電磁轉(zhuǎn)矩的表達式2023/2/1電機與拖動33一、功率平衡方程式及效率等值電路為一相等值電路每一電阻都對應(yīng)一定的功率2023/2/1電機與拖動34輸入功率定子銅損定子鐵損電磁功率機械功率輸出功率轉(zhuǎn)子銅損2023/2/1電機與拖動352023/2/1電機與拖動36

二、轉(zhuǎn)矩平衡方程：2023/2/1電機與拖動37三、電磁轉(zhuǎn)矩的三種表達式：1.物理表達式2023/2/1電機與拖動38T的表達式與直流電機類似，但與轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比．物理表達式的意義及用途：2023/2/1電機與拖動39２.參數(shù)表達式2023/2/1電機與拖動40若已知YD的參數(shù)，則可據(jù)n(s)求得T,畫出機械特性.2023/2/1電機與拖動41令:得到最大電磁轉(zhuǎn)矩:最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱為臨界轉(zhuǎn)差率：2023/2/1電機與拖動42

一般情況下，值不超過的5%，可以忽略。則最大電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率:

過載倍數(shù)：2023/2/1電機與拖動43實際應(yīng)用時，三相異步電機的參數(shù)不易得到，所以,在實際工程中,若利用異步電機產(chǎn)品目錄中給出的數(shù)據(jù)，找出異步電動機的機械特性公式，即便是粗糙些，但也很有用，這就是實用公式。３.實用表達式2023/2/1電機與拖動44已知:代入上式,于是上式變?yōu)?2023/2/1電機與拖動45式中:其中大約在0.1～0.2范圍內(nèi)，上式中，顯然在任何s值時，都有而q<<2可忽略，這樣上式可簡化為2023/2/1電機與拖動46實用公式將額定工作點的值代入實用表達式,得:

2023/2/1電機與拖動47當(dāng)三相異步電動機在額定負載范圍內(nèi)運行時，它的轉(zhuǎn)差率小于額定轉(zhuǎn)差率（）。這就是說

經(jīng)過以上簡化，使三相異步電動機的機械特性呈線性變化關(guān)系，使用起來更為方便。但是，上式只能用于轉(zhuǎn)差率在的范圍內(nèi)。實用公式變?yōu)?2023/2/1電機與拖動487.6三相異步電動機的機械特性

三相異步電動機的機械特性是指電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n（或轉(zhuǎn)差率s)之間的函數(shù)關(guān)系。一、機械特性根據(jù)條件的不同,特性曲線又可以分為固有機械特性曲線和人為特性曲線:2023/2/1電機與拖動49

固有機械特性曲線2023/2/1電機與拖動50a.機械特性的特點：（1）在0≤S≤1，即0≤

n≤n1的范圍內(nèi)，特性在第Ⅰ象限，電磁轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n都為正，從正方向規(guī)定判斷，T與n同方向。電動機工作在這范圍內(nèi)是電動狀態(tài)。這是分析的重點.（2）在s＜0范圍內(nèi)，n＞n1

，特性在第Ⅱ象限，電磁轉(zhuǎn)矩為負值，是制動性轉(zhuǎn)矩，電磁功率也是負值，是發(fā)電狀態(tài)，如圖左上部所示,機械特性在s＜0和s＞0兩個范圍內(nèi)近似對稱。（3）在s＞1范圍內(nèi)，n＜O，特性在第Ⅳ象限，T＞0，也是一種制動狀態(tài)，2023/2/1電機與拖動51D點:n=0，轉(zhuǎn)矩為Ts，是起動點b.特殊點A點:T=0,為理想空載運行點C點:電磁轉(zhuǎn)矩最大點pp452023/2/1電機與拖動52

起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù):電動機起動時，只有TS大于(1.1～1.2)倍的負載轉(zhuǎn)矩才可順利起動。一般異步電動機起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)=0.8～1.2。

2023/2/1電機與拖動53二、人為機械特性:通過改變一些參數(shù)使得特性曲線更滿足用戶的需要,這樣就得到了人為機械特性曲線.獲得人為機械特性的方法:研究三個特殊點(A,C,D)2023/2/1電機與拖動54D點:n=0，A點:T=0,C點:2023/2/1電機與拖動551)降低定子端電壓的人為機械特性:snsm10TLUN0TstTmaxTemn1A0.8UN0.64Tst0.64Tmax2023/2/1電機與拖動562)轉(zhuǎn)子回路串入三相對稱電阻的人為機械特性:繞線式三相異步電動機通過滑環(huán)，可以把三相對稱電阻串入轉(zhuǎn)子回路而后三相再短路r2+Rs3Tst2sm2r2+Rs2Tst1sm1r2+Rs110TstTmTems

n0n1smr22023/2/1電機與拖動57

從圖看出，轉(zhuǎn)子回路稍串入一些電阻，可以增大起動轉(zhuǎn)矩，串的電阻合適時，

但是若串入轉(zhuǎn)子回路的電阻再增加，則sm

＞1了。因此轉(zhuǎn)子回路串電阻增大起動轉(zhuǎn)矩并非是電阻越大越好，而是有一個限度。除了上面兩種方法,還可以改變定子電源頻率等方法。

2023/2/1電機與拖動587.7異步電動機的工作特性及其測試方法異步電動機的工作特性:指時電動機的轉(zhuǎn)速n、定子電流,功率因數(shù)電磁轉(zhuǎn)矩T、效率η等與輸出功率P2的關(guān)系。可以通過直接給異步電動機帶負載測得工作特性，也可以利用等值電路計算而得。下面，我們將分別進行介紹.2023/2/1電機與拖動591)轉(zhuǎn)速特性:三相異步電動機空載時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n接近于同步轉(zhuǎn)速。隨著負載的增加，轉(zhuǎn)速n要略微降低，這時轉(zhuǎn)子電動勢增大，轉(zhuǎn)子電流增大，以產(chǎn)生大的電磁轉(zhuǎn)矩來平衡負載轉(zhuǎn)矩。因此，隨著P2的增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n下降，轉(zhuǎn)差率s增大。2)定子電流特性空載時,轉(zhuǎn)子電流基本上為零,此時的定子電流就是勵磁電流I0,隨著負載的增加,轉(zhuǎn)速降低,轉(zhuǎn)子電流增大,定子電流也增大.2023/2/1電機與拖動603)定子邊功率因數(shù)以知三相異步電動機運行時必須從電網(wǎng)中吸收滯后的無功功率來建立磁場,所以它的功率因數(shù)永遠小于1.空載時,定子側(cè)的功率因數(shù)很低,不超過0.2,接近額定負載時,定子電流中的有功電流增加,使功率因數(shù)提高,接近負載時,功率因數(shù)接近于1.但是如果進一步增大負載,由于轉(zhuǎn)差率的增大,使功率因數(shù)角增大,則功率因數(shù)減小.2023/2/1電機與拖動614)電磁轉(zhuǎn)矩特性穩(wěn)定運行時異步電動機的轉(zhuǎn)矩方程為輸出功率，所以

當(dāng)電動機空載時，電磁轉(zhuǎn)矩。隨著負載增加，增大，由于機械角速度Ω變化不大，電磁轉(zhuǎn)矩T隨的變化近似地為一條直線。5)效率特性:2023/2/1電機與拖動62空載時，

=0，＝0，隨著輸出功率的增加，效率也在增加。在正常運行范圍內(nèi)因主磁通變化很小，所以鐵損耗變化不大，機械損耗變化也很小，合起來叫不變損耗。定、轉(zhuǎn)子銅損耗與電流平方成正比，變化很大，叫可變損耗。當(dāng)不變損耗等于可變損耗時，電動機的效率達最大。對中、小型異步電動機，大約時，效率最高。如果負載繼續(xù)增大，效率反而要降低。一般來說，電動機的容量越大，效率越高。2023/2/1電機與拖動6310.3.2用試驗法測三相異步電動機的工作特性:

直接負載試驗是在電源電壓為額定電壓、額定頻率的條件下，給電動機的軸上帶上不同的機械負載，測量不同負載下的輸入功率、定子電流、轉(zhuǎn)速n，即可算出各種工作特性，并畫成曲線。2023/2/1電機與拖動6410.4三相異步電動機參數(shù)的測定上面已經(jīng)說明，為了要用等值電路計算異步電動機的工作特性，應(yīng)先知道它的參數(shù)。和變壓器一樣，通過做空載和短路（堵轉(zhuǎn)）兩個試驗，就能求出異步電動機的參數(shù)來。10.4.1短路(堵轉(zhuǎn))實驗:2023/2/1電機與拖動65短路試驗又叫堵轉(zhuǎn)試驗，即把繞線式異步電機的轉(zhuǎn)于繞組短路，并把轉(zhuǎn)子卡住，不使其旋轉(zhuǎn)，鼠籠式電機轉(zhuǎn)子本身已短路。實驗過程:從開始,然后逐漸降低電壓。實驗過程:記錄定子繞組加的端電壓、定子電流和定子輸入功率。試驗時，還應(yīng)量測定子繞組每相電阻的大小。根據(jù)試驗的數(shù)據(jù)，畫出異步電動機的短路特性、,如圖所示。2023/2/1電機與拖動66因電壓低鐵損耗可忽略，為了簡單起見，可認為由于試驗時，轉(zhuǎn)速n＝0，機械損耗,定子全部的輸入功率都損耗在定、轉(zhuǎn)子的電阻上，即由于所以2023/2/1電機與拖動67根據(jù)短路試驗測得的數(shù)據(jù)，可以算出短路阻抗、短路電阻和短路電抗。即2023/2/1電機與拖動6810.4.2空載實驗:實驗?zāi)康?為了測勵磁