2017國網(wǎng)新增內(nèi)容電機(jī)學(xué)第5章

第五章步電學(xué)習(xí)目標(biāo)與要求學(xué)習(xí)重點(diǎn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)。 。異步電動(dòng)機(jī)的類5—2異步電機(jī)和其他旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣主要由固定不動(dòng)的定子部分，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部分以及5—15-3磁勢引起的渦流和磁滯損耗，鐵心材料選用0.5mm厚的硅鋼片疊成。外徑在1m以下的電機(jī)，沿軸向每隔40~50mm留有徑向通風(fēng)溝。500V以下的中型異步電動(dòng)機(jī)通常采用半開口槽。對于高壓中型和大型異步機(jī)，一步電機(jī)，常采用單層繞組，容量較大的異步電機(jī)都采層短距繞組。嚴(yán)密的，對于用在煤礦或其它有性氣體的場合的電機(jī)須采用防爆型結(jié)構(gòu)．二、轉(zhuǎn)0.5mm硅鋼片疊成。鐵心與轉(zhuǎn)籠型轉(zhuǎn)子（Cage5-6銅導(dǎo)條b)掉鐵心，繞組的形狀就象鼠籠，又稱鼠籠式轉(zhuǎn)子（SquirrelCagerotor）見圖5-5。繞線型轉(zhuǎn)子（Wound-造價(jià)高，復(fù)雜。因此，僅用于要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小或需要調(diào)速的場合。圖5- 繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接線示意三、氣0.2~lmm。大小和轉(zhuǎn)速，氣隙長度應(yīng)為機(jī)械條件所容達(dá)到的最小值。額定功率PN 額定電壓 額定頻率 我國電網(wǎng)頻率為50Hz，故國內(nèi)用的異步電機(jī)額定頻率為50Hz額定電流IN 線電流。其單位為A。

3UNINNcos3UNINcos式中N和cosN額定轉(zhuǎn)速nN指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率和額定功率輸出時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。其單位為r／min，這里r為轉(zhuǎn)數(shù)。率、溫升和等。對繞線型轉(zhuǎn)子還標(biāo)明轉(zhuǎn)子接法、轉(zhuǎn)子電壓(指定子施加額定電壓、產(chǎn)品型號一般采用大寫的漢語拼音字母和數(shù)字組成，如Y系列三相異圖5- 三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原一、三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)5-6所示為逆時(shí)針方向。同步轉(zhuǎn)速的大小決定于電網(wǎng)的頻率和繞n60

（5-二、轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)差Δn與同步轉(zhuǎn)速n1的比值稱為轉(zhuǎn)差率或滑差，用s表示，即:snn1n

（5-n是一代數(shù)量，一般取氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向?yàn)檗D(zhuǎn)速的正方向。根據(jù)上式可以看n=n1時(shí)，s＝0n＝0時(shí)，s＝1;n＞n1時(shí)，s是負(fù)值；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，n是負(fù)值，轉(zhuǎn)差率是決定異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和性能的一個(gè)重要物理的量。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載變化0.005三、異步電機(jī)三種不同的運(yùn)行圖5- 異步電機(jī)的三種運(yùn)行狀a)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)；(b)發(fā)電機(jī)狀態(tài)；(c)轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)并且轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速的情況，即0＜n＜n1，或5-8N、Sn1的箭頭表體時(shí)，將在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e2。電動(dòng)勢的方向根據(jù)右手定則確定。在圖5-8(a)有功分量與氣隙旋轉(zhuǎn)磁勢相互作用產(chǎn)生電磁力f，根據(jù)左手定則，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生一個(gè)和定子旋轉(zhuǎn)磁勢同方向的驅(qū)動(dòng)性的電磁轉(zhuǎn)矩Tem。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，如果該轉(zhuǎn)矩足以克服制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的話，轉(zhuǎn)子就將追隨著旋轉(zhuǎn)磁勢轉(zhuǎn)起來。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩Tem與軸端機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)并且轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速的情況，n＞n1， n上升到同步轉(zhuǎn)速時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩已等于零，因此電機(jī)本身不會加速到同步轉(zhuǎn)速以上，5-8(b)當(dāng)∞>s>l時(shí)，為電磁制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，適用于要求快速停止和準(zhǔn)確定位的短時(shí)運(yùn)5-105-1一臺50Hz的異步電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速nN=730r/min,空載轉(zhuǎn)差率為0.00267,試下降時(shí)的轉(zhuǎn)速為3000r/min,試求其轉(zhuǎn)差率，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行于什么狀態(tài)。 60

r/min,今已知額定轉(zhuǎn)速為730r/min,它略低于同步轉(zhuǎn)速，故知該電機(jī)同步轉(zhuǎn)速應(yīng)

n0=n1(1-s0)=750(1-0.00265)=748N n1nN750730N sn1n750(300)n1n1

異步電機(jī)是借電磁感應(yīng)作用傳遞能量的，所以它和變壓器的分析方法在原則上是相似轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子繞組開路時(shí)的電磁正方向的規(guī)定：一、磁動(dòng)勢與（1）勵(lì)磁磁動(dòng)勢：我們給異步電動(dòng)機(jī)通入對稱的三相交流電時(shí)，根據(jù)我們前面所幅值：F3 2N1kN1 2 轉(zhuǎn)向：逆時(shí)針轉(zhuǎn)向。A1—B1— 2pn12 A2）主磁通和漏磁通：Φ1表示。①②③諧波漏磁或稱差漏磁：氣隙總磁通減去基波磁通后所 5-12二感應(yīng)電動(dòng)勢E14.44E24.44f1N2kN

kE1 e N2kN三、勵(lì)磁電IIII 四、電動(dòng)勢平衡關(guān)E.I.R

0. (R(R

R

EE

0 五、等效電E.I.RjXI. 0U.1E.I.Rjx I.RjXI.R 轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)的電磁一、定子磁動(dòng)勢和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢相對靜相差θ12角；定、轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)相等，均為p，轉(zhuǎn)子繞組短路且靜止不動(dòng)。定子繞組A－B－C逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。F1n1同時(shí)切割定、轉(zhuǎn)子繞f1f2=n1p/60E1E2。由于轉(zhuǎn)子是三相對稱電路，I2F2，其頻 的合成磁Fm，再由合成磁動(dòng)勢Fm產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場Bm，顯然這時(shí)FmBm的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向F1相同。二、磁動(dòng)勢GF1F2G

空間矢量F1、F2Fm都以同步轉(zhuǎn)速n1、逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，在空間均按正弦波分布G間上Fm波一個(gè)鐵耗 1Im

流的負(fù)載分量I1L通過定子三相繞組產(chǎn)生定子磁動(dòng)勢波的負(fù)載分量F1L。F1Fm 則很明顯F1FmF1L在空間上的相位差與I1ImI1L在時(shí)間上的相位差一致。F1LF2F1L

mN

m2N2kN20.9 1N1I1L0.9 I 式中，m1、m2分別為定轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)，此時(shí)N1、 分別為定轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)k為電流變比，且km1

I1LI2/ m2N2 I1I2/ 三、電動(dòng)勢止時(shí)，兩者的頻率均為f1，相位上滯后主磁通m900。兩者的有效值為：E14.44f1N1kE24.44f1N2kN

E1ke kE14.44f1N1kw1

eE 4.44f1N2kw2 N2e U1E1I1(R1jX1 0E2I2(R2jX2Z1R1jXZ2R2jX

arctanX 22 E1Im(RmjXm)Im

jX

為勵(lì)磁電阻，反映異步機(jī)鐵耗的等效電磁電抗，是定子每相繞組與主磁通對應(yīng)的電抗 前面各式中Xm、X1σ和X2σ的性質(zhì)和物理意義均與變壓器中的相似。但不同的是，由X1σ就是由定子三相對稱電流聯(lián)合產(chǎn)生的定子漏磁通Φ1σ在定子該相中引起的電抗，設(shè)這時(shí)每相電流有效值為I1，由Φ1σ感應(yīng)于每一相的漏電動(dòng)勢有效值為E1σ，則此時(shí)X1σ＝E1σ/I1。對轉(zhuǎn)子漏抗X2σ 變壓器大，變壓器的X*、X*0.012~0.08范圍內(nèi)，異步機(jī)的X*、X*

略而應(yīng)包括述的Rm之中。但在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的頻率很低，—般可以不考慮轉(zhuǎn)子的鐵耗，所以在一般的等值電路中，Rm只代表定子鐵耗。 ≈X

＝0.08~0.12I*

4~7

X*X

0.16~ 14～7倍，若忽略勵(lì)Z’≈ZIZ上，因而此時(shí)的電動(dòng)勢E1也只有U1 1負(fù)載后，電動(dòng)機(jī)將以某一低于同步轉(zhuǎn)速n1的轉(zhuǎn)速n沿著氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。氣隙旋一、轉(zhuǎn)子繞組的各電 1fp(n1n)n1npn11 1

一節(jié)討論的特殊情況。正常運(yùn)行時(shí)，s值很小，轉(zhuǎn)子頻率很低，因此轉(zhuǎn)子鐵耗很小，可忽略不計(jì)；如額定負(fù)載時(shí)s=0.02~0.05，電機(jī)越大，效率越高，轉(zhuǎn)差也較小，f2=1~2.5Hz。E2S4.44f2N2kN2ms4.44f1N2kN2msE2 式中E2稱為折算為定子頻率的轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢，它是同一m值下當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的每相電動(dòng)勢。從式(5-5-2)可見，如果電機(jī)在某一轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，Φm的大小變化很小，則可認(rèn)為E2接近常數(shù)，而E2S與轉(zhuǎn)差率成正比變化。轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗忽略集膚效應(yīng)和轉(zhuǎn)子溫度變化時(shí)，可認(rèn)為轉(zhuǎn)子繞組的X2S2f2L22sf1L2sX （5-式中L2σ為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)每相繞組的漏 I

I I2

ER2jX

sER2jsX

R22R222

轉(zhuǎn)子繞組的功率因數(shù)從式(5-5-5I2E2SarctanX2

arctansX

（5- cos2

RR22二、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)定子磁動(dòng)勢和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢相對靜轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢、電流的頻率f2決定；則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢F相對于定子的轉(zhuǎn)速為n'，顯 2然n'＝n2n22當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，n=0，f2=f1，n2n1，n＝n2nn1，即定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢相對靜止。當(dāng)nf2=sf1F2相2n'nnsn1nn1。 2部分，恰好等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢F2相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n2所減少的部分，兩部分抵消而保持n'＝n1不變，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為任意大小時(shí)均成立。2三、磁動(dòng)勢平衡方程和電動(dòng)勢F1F2Fm

U1E1I1(R1jX1

（5- 0E2SI2(R2jX2S （5-

E1I0(RmjXm)Im I1ImIF1L

（5-YX－1nN1470rmin，電源頻率f150Hz，試求：f2四、異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化時(shí)的物理過nn1，氣隙旋轉(zhuǎn)磁場只以很低的相對轉(zhuǎn)速(n1—n)切割轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生很小的I0稱為空載電流。I0中主要分量是用于產(chǎn)生主磁Im。由于異步電動(dòng)機(jī)存在氣隙，要求勵(lì)磁電流較大。因此一般異步電機(jī)空I0＝0.02~0.40.6，比變壓器的要大得多?？誌1Z1σU1保持一定時(shí)，定于是Φm、Im和Fm均可認(rèn)為不變。I2F1、F2原來的平衡，為了維一、頻率折算——等效靜止轉(zhuǎn)所以要實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的頻率折算，必須保持轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢F2的大小和相位不變。進(jìn)一步說，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢F2是由轉(zhuǎn)子電生的，所以簡單地說，頻率折算的原則是使等效 E

sE EI2

R R 2 E21 R2jX2 1轉(zhuǎn)子的阻抗為Z2R2jX2S，頻率為f2；后者處于轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)，其電勢為E2，轉(zhuǎn)子的阻抗為ZR ，再加上一個(gè)外加等效電阻1sR，頻率為f。電流在大小1 這種把實(shí)際旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子等效成串入1s

U2E2I2(R2jX2 （5- 1二、轉(zhuǎn)子繞組

U2I s

與原來一樣的轉(zhuǎn)子磁場，使得作為原邊的定子繞組中的各個(gè)物理量E1、I1、Fm、F1、ΦmF2的大小和相位仍保持不變。折算方法與變壓器保持折算前后轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢F2的大小不變0.45mN1kN1I'0.45mN2kN2 （5- II

'm2N2kN'I

I2 iE'N1kN1

k

eN2kN2emI'2R'mI21 22mI mm1N1kN1 m1N1kN1即：R' 22R 2 R N1 mI mm2N2kN2 N2kN2m2N2kN2keki

1 1mI2X 1mI2 1 2 （5-X2KiKeX U1E1I1(R1jX1 R (1s)RE'I'(2jX')I'(Z' 2 1 U2I 2I1ImIiLIm(I'2 2E1E2 E1Im(RmjXm 三、等效電1.T1s器的基本方程式在結(jié)構(gòu)上完全一樣,所不同的只是：在異步電機(jī)中負(fù)載是一個(gè)純電’ T5-14圖5- n0,s1,1sR'0 大；又因?yàn)?>>R arctanX2900，所以轉(zhuǎn)子側(cè)功率因數(shù)cos很低。而 步電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)：nns

22' I子側(cè)功率因數(shù)

很低；但轉(zhuǎn)子側(cè)功率因數(shù)角

arctansX22

0，cos

很高相位和相數(shù)，更重要的是它可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。等效電路中的純電阻1sR實(shí)際是 n0,s1,1sR'0，此時(shí)無機(jī)械功率輸出，而當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，s≠1,1sR≠ 0，此時(shí)有機(jī)械功率輸出，可見轉(zhuǎn)子電流在1s 2Γ2T形等效電路是串并聯(lián)復(fù)合電路，復(fù)數(shù)運(yùn)算比較麻煩。若能象變壓器一樣將其中的激磁支路移到電源端變成Γ形等效電路，分析計(jì)算即可簡化。但在變壓器中，由于Zm很大，Im和Z1σ都很小，把激磁支路直接移到電源端，不會引起過大的誤差；而在異步電機(jī)中，由于氣隙的存在，Zm較小，Im較大和Z1σ也比變壓器的要大，把激磁支路直接移Z'Z'1sR

jX （5-

III'ZE1 （5-1

E(1Z1Z1ZZU1E1I1ZZ

Z'E1(1Z1Z'2

其中，

稱為異步電機(jī)的校正系數(shù)，是一個(gè)復(fù)數(shù)，

1Z1ZmIU1I1Z1

I1Z1

(1 1)Z Z' Z'

Z11ZI I'I （5-111 11

ZZ 式 I' U1 m1

Z1 II1I1

1 Γ準(zhǔn)確Γ形等效電路，由于1是個(gè)復(fù)數(shù)，計(jì)算仍然不便。通常R1<<X1σ，Rm<<Xm

不計(jì)，這時(shí)即將

簡化為

1XX

m5-15異步電機(jī)的準(zhǔn)確ΓΓ

5-16異步電機(jī)的較準(zhǔn)確Γ一般異步電機(jī)

1X

的數(shù)值1.03~1.08范圍內(nèi)電機(jī)容量愈大時(shí)

m例如40kW以上的異步電動(dòng)機(jī)σ1接近于1。因此，對中、大型電機(jī)和計(jì)算準(zhǔn)確度要求不高σ1＝lΓΓ形等效電路，如圖5-17所示。5-17異步電機(jī)的簡化等效電路四、異步電動(dòng)機(jī)的相量5-18所示?？梢郧逦挠^察和分析電機(jī)各物理量間的相位關(guān)系，并可5-18可見，在規(guī)定的正方向下，異步電機(jī)的定子電流總是滯后于定子電壓，5-18異步電機(jī)的相量圖5-18所示異步電機(jī)的相量圖，近似于變壓器負(fù)載運(yùn)行的相量圖，二者主要區(qū)別要得到異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路圖，分析和計(jì)算異步電機(jī)的電磁功率和轉(zhuǎn)矩特性，獲一、空載試驗(yàn)空載試驗(yàn)的目的是測定激磁阻抗ZmRmjXmpFepmec1.2U1左右逐漸降低，直到轉(zhuǎn)差率明顯增大，電流開始回升為止。每次測U1I0P0。然后由試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可得出電(a)空載等效電路；(b)空載試驗(yàn)曲線ImU1的降低，起初由s變化很小，Z2σ仍較大，空載所增大；空載電流反而降低；但是，當(dāng)U1下降過低時(shí)，機(jī)械特性變軟將會引起s明顯增大，Z2σ將變小，轉(zhuǎn)子電流明顯增大，開始出現(xiàn)空栽電流隨端電壓降低反而增大0pmec和空載附加損pad0

p0＝mI2R 0pFepad0均與電壓的平方成正比，可采用電壓平方法分離出機(jī)械損耗pmec。因?yàn)闄C(jī)械損耗pmec只與轉(zhuǎn)速有關(guān)而與電壓無關(guān)，空載運(yùn)行轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定，可認(rèn)為機(jī)械損耗pmec為常數(shù)，那么減去定子銅耗后，使U1＝0，則pFe+pad0=0，從而得到機(jī)械損耗pmec，如圖5-20所示。此時(shí)：p0＝mI2R （5-05-20p0=mI2R 0故從p0中減去定子銅耗后，即可得到鐵耗pFeZ2R ZU1,RP0,Z2R m m 1空載試驗(yàn)時(shí)，s≈0，I2≈0，轉(zhuǎn)子可認(rèn)為是開路，從 5-19（a）可見X0X1X 減去由異步電動(dòng)機(jī)短路實(shí)驗(yàn)得漏電抗X1σ激磁電抗Xm磁電阻可由下式R mI1二、短路試驗(yàn)s＝1備，短路試驗(yàn)可從3倍額定電流開始，逐步降到額定電流。Z2R 5-21所示。并可進(jìn)一步求得異步電動(dòng)機(jī)短路阻抗Z2R U1,

Pk2,X m m 圖5- 短路試驗(yàn)曲必須注意，定、轉(zhuǎn)子漏電抗X1σ和X2σ并非常值，其數(shù)值是隨著漏磁路磁部分X1σ和X2σ變小。因此，為了滿足計(jì)算電動(dòng)機(jī)不同的運(yùn)行數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)選取不同的短路電流值，Ik≈2～3I1N時(shí)的參數(shù)；計(jì)算起動(dòng)參數(shù)時(shí)，采用外施電壓為U1N時(shí)的短路電流的參數(shù)。 X'，由于Rm<<Xm，可忽略Rm，從而可根據(jù)T型等效

R'(RR) X

1X X X

X0X0Xk(R'2X2200 式中定子電阻R1可用電橋測出，X0為空載試驗(yàn)求出的對大、中型異步電機(jī)，由 Xm很大，勵(lì)磁支路可近似認(rèn)為是斷開的，則RkR1R 或R'R X 或Xk或

'XX 一、籠型轉(zhuǎn)子的圖5-22籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中電動(dòng)勢、電流的分布及形成的磁極圖5-22(a)表示某一瞬間籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電動(dòng)勢E2s和磁動(dòng)勢F2的空間分布波。圖中Bm表示氣隙中旋轉(zhuǎn)的基波磁通密度波，其轉(zhuǎn)速為n1；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n，則旋轉(zhuǎn)磁場以 E2sBm是同波形、同相位效阻抗角為ψ2每根導(dǎo)條中感應(yīng)的電流I2在時(shí)間上將滯后于該導(dǎo)條中的電動(dòng)勢E2sψ2相位角。同I2產(chǎn)生的磁動(dòng)勢F2的波形也與磁通密度分布波Bm是同波形、相位上滯后ψ2角如圖5-22(b)所示。二、籠型轉(zhuǎn)子的相Z2根導(dǎo)條構(gòu)成的。各導(dǎo)條在氣隙磁場的2

pZ

m2Z pZ2根mZ 位，因此可認(rèn)為m2Z2。三、籠型轉(zhuǎn)子的匝數(shù)和繞組系數(shù)kN2=1四、籠型轉(zhuǎn)子參數(shù) 的漏阻抗ZZ RRpZ2α2

IBIRIB2IRsin

Z2IRZ2

mI2R'mI2 R'R

B 2R' '

(IR)2 R

IB 4sin2pZIBR'R XXR4sin2

R2RB2R RX2XB2X R折算系數(shù)k為： N 4m(N kkeki 1 1N1) 1 N2kN

4m(N R'kR 1

2R' Z Z2X'2kXX'

4m(N R 1 (XB2X' （5-RZ 生平均電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的必要條件。 圖5- 異步電動(dòng)機(jī)的功率5-24所示，該圖表現(xiàn)出了電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換過程，其中包括了電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的各種損耗轉(zhuǎn)換的幾種功率。 mI2R

1 1 pFepmI2R 1m率很小，只有1～3Hz，轉(zhuǎn)子的鐵心損耗很小，可忽略不計(jì)，所以pFe實(shí)際上只是定子的鐵pmec機(jī)械損耗。機(jī)械損耗是由于軸承摩擦和通風(fēng)引起的，與此相應(yīng)，轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)性質(zhì)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tmec。padTad，因而是消耗在電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械功率。在小型異步電機(jī)中，滿載時(shí)pad約為輸出功率的l～3％，而在大型異步電機(jī)中，pad可取為輸出功率的0.5%。電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的4P1P1m1U1I1cos1 Pem電磁功率，它是通過電磁感應(yīng)作用借助氣隙旋轉(zhuǎn)磁場從定子傳遞到轉(zhuǎn)子的功率，PmEI/cos。由P1減去定子銅pCu1和鐵心損pFe后得到，即定 12 1；） PmecPempCu （5- pmecpad后就是電動(dòng)機(jī)軸端 P2P1pP1(pCu1pFepCu2pmecpad功率平衡方程式中的兩個(gè)重要

率和損耗可在異步電機(jī)的T型等效電路中，利用電流通過各種電阻的損耗來表示，如圖ZJ-2所示。圖5- 從等效電路看異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān) mI2R；鐵心損耗 11可等效為電阻Rm上消耗的電功率，即： mI2R。從等效電路圖可見，輸入電 1m2的總功率P1減去電阻R1、Rm上消耗的功率應(yīng)等于電阻R'/s上消耗的功率，即2P 1 2 mI'2R2 1

2 mI'2R 1 (1可見Pem減去pCu2之后的功率可以用電 上消耗的電功率來等效，即。s2(1s)R mI 1 pmec(1s)PempCu2sPem

s的乘積，當(dāng)異步機(jī)轉(zhuǎn)子通過外接電阻短路時(shí)，還包括消耗在轉(zhuǎn)子回路中的總電功率。s越大，電磁功率消耗在轉(zhuǎn)子銅耗上的二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式把轉(zhuǎn)軸上的功率平衡方程式兩邊同除以轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度2n

P2

(pmecpad

T2Tem

T0pmec

PmecPem(1s) （5-

1(1 常數(shù)?？梢娹D(zhuǎn)矩Tem正比于電磁功率Pem，所以稱之為電磁轉(zhuǎn)矩，是主磁通與轉(zhuǎn)子電流有例題GJ 有一臺三相四極異步電動(dòng)機(jī)，50Hz，UN=380V，Y接法cosN0.83R10.35R'0.34sN0.04，288W2I1N=I2N’=20.5A，求此電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的輸出功率、電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩2(1s)R解：總的機(jī)械功率 mI 1 320.52(10.04)0.34=10288輸出功 =10000 mI' 2320.520.34＝10716R 1 n60f160

r/min=1500 nNsNn1(10.04)=1440

2

1071660N23.14＝68.26N

10288 Nm23.14＝68.26NTP2P2 10000

N

2 ＝66.35N5-25PN=28千瓦，UN=380伏，f1=50Hz，nN=950轉(zhuǎn)/cos10.88，pcu1+pFe=2.2千瓦，pmec=1.1千瓦，pad=0，計(jì)算在額定時(shí)的sN、pcu2、ηN、I1f2。

60pp60

6050

pn160f60501000r n1n1000950N NPmecPNpmec281.1pcu sPP

1s P 29.1

cu

1

1P1PNpmecpcu2pFepcu1281.11.5322.2效率：PN100%

100%

338033380

f2sNf10.0550一、物理表達(dá)

m1E2'I2'cos2f=m14.44f1N1kN1mI2'cos2f

4.44m1pN1kN1

I2'cos pCTI' C

（5-m 2

mI式中， 是轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角；CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，對已制成的電機(jī)來說是不變的常數(shù)量主磁通和轉(zhuǎn)子有功電流均有一定的，所以物理表達(dá)式一般多用于定性的分析。二、參數(shù)表達(dá)I UI(R(R 2)2(R1s X

'mI '

mpU2則

Pem1

1

R' p 2f1R1 2( X')2 s （-3em（（轉(zhuǎn)差率s（ZJ-13）算出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的—組數(shù)值后即可以得到異步電機(jī)的Temf(s曲線ZJ-3ZJ-4電磁制動(dòng)狀 電動(dòng)機(jī)狀 發(fā)電機(jī)狀 SmSN -圖5- 異步電動(dòng)機(jī)的Tem=f(s)曲瞬間，n=0，s=1，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst。如果起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，則電機(jī)s=0Tem=0；這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間沒有相對運(yùn)動(dòng)，電機(jī)中不能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩；或者說，當(dāng)2s0,R2s

，轉(zhuǎn)子電流有功分量為零，數(shù)學(xué)上不難證明電磁轉(zhuǎn)矩仍為零。當(dāng)s X

X' 1(RR2')2一項(xiàng)，R忽略之后，約去分母中的R2'，可認(rèn)為 s，即隨著s的增加1 X

R2'，

R'2的值可忽略不計(jì)，這樣可R

認(rèn)為

ss變?yōu)樨?fù)值，因而電磁轉(zhuǎn)矩也變負(fù)，對原動(dòng)機(jī)起制動(dòng)作用。此時(shí)Temf(s曲線在右下方，形狀與電動(dòng)機(jī)的類似，只是因?yàn)閟負(fù)值Tmax比電動(dòng)機(jī)的要稍大一些。其Temf(s是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線的延長s>1，Temf(s曲線是電動(dòng)機(jī)曲線的延必須，異步電機(jī)的參數(shù)實(shí)際上并非常數(shù)，由于存在集膚效應(yīng)和漏磁通的飽和，s2=sf1s。從等效電路圖可知，轉(zhuǎn)子電流的大小也決定于轉(zhuǎn)在Temf(s)曲線中有兩個(gè)數(shù)值對電機(jī)的運(yùn)行具有特別的重要意義，一個(gè)是最大電TmaxTst，這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩是衡量電動(dòng)機(jī)性能好壞的重要指標(biāo)。再加上額定轉(zhuǎn)矩TN，構(gòu)成了異步電動(dòng)機(jī)中三個(gè)重要轉(zhuǎn)矩。仍認(rèn)為電機(jī)參數(shù)不變，只需將電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式（ZJ-13）對sdTemdTem0 m

R2(R2( XR

R2RX

（5-mpU mpU （5-R2( X 4f[R R2( X ⑴當(dāng)電源頻率和電機(jī)參數(shù)不變時(shí)，最大電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，即∝U2；并且Sm與U2無關(guān)。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，若電壓下降 以至最大電磁轉(zhuǎn)矩Tmax小于總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩（T2+T0，而則將發(fā)生停轉(zhuǎn)事故。R2SmR2比。故當(dāng)增加轉(zhuǎn)子回路電阻時(shí)，Tmax雖然不變，但發(fā)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率Sm⑶由于定轉(zhuǎn)子漏抗( X')與頻率成正比所以最大電磁轉(zhuǎn)矩近似與 ⑷臨界轉(zhuǎn)差率和最大電磁轉(zhuǎn)矩近似與定、轉(zhuǎn)子漏抗( X')成反比，即定

Tmax，否則電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)下來。由此可見，最大電磁轉(zhuǎn)矩越大，電動(dòng)機(jī)的短時(shí)kM：

NkM越大，過載能力越強(qiáng)。對一般異步電動(dòng)機(jī)，kM的大小通常在1.6～2.5之間把n=0，S=1代入式(ZJ-13）電磁轉(zhuǎn)矩，可得mpU2R 2f[(RR')2( x')2 對于繞線型轉(zhuǎn)子，如果想在起動(dòng)時(shí)得到最大轉(zhuǎn)矩，應(yīng) Sm＝1；于是，由式（ZJ-

R'R'

X

'11⑵轉(zhuǎn)子電阻增加時(shí)，Tst先增加后減??；當(dāng)Sm=1，即轉(zhuǎn)子回路電阻 R'R' ⑶f1一定時(shí)， X'越大，Tst越小 通常用額定轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)來表示起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)kst

Nkst越大，Tst越大，起動(dòng)能力越強(qiáng)。對于一般的異步電動(dòng)機(jī)kst＝1.0～2.2；特殊電 N N9.55 （5-N PNkW三、實(shí)用表達(dá)計(jì)算轉(zhuǎn)矩特性曲線Tem＝f(s)，這樣的計(jì)算可以采用電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)用表達(dá)式。令Xk= Tem

R1m1pU 1sR

2 p' （5- 2f[(2)2X2 2fX 2 kR R

sm

kmpU 2f1X

(sms mmpU 4f1X s m 數(shù)據(jù)采用轉(zhuǎn)矩的實(shí)用表達(dá)式作出轉(zhuǎn)矩特性曲線Tem＝f(s)，或進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算。具體步驟由kM、sN及（ZJ-25）可以求程度有關(guān)，而這兩種因素都與電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，所以電機(jī)參數(shù)在轉(zhuǎn)差率s不同時(shí)應(yīng)采nf(Tem時(shí)，dTem

mm

dTem

異步電機(jī)的工作特性是指在額定電壓和頻率下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n(s)、輸出轉(zhuǎn)矩T2、定子電流I1、功率因數(shù)cosφ1、效率η與輸出功率P2之間的關(guān)系。一、轉(zhuǎn)sN的大小與電機(jī)的效率有密切的關(guān)系,由轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子銅耗和電磁功率的時(shí)，轉(zhuǎn)子電流很小，pcu2≈0，s=0。隨著負(fù)載的增加，由： mr'I' Cu2 12 mE'I'12 pcu2Pems也增加，即sf(P2是一條略向上翹的曲nN=(1-sN)n1=(0.99~0.95)n1，與同步轉(zhuǎn)速很接近。而轉(zhuǎn)速特性n

二、輸出轉(zhuǎn)矩特性T2f(P2根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn) T2P2P2，由于轉(zhuǎn)速n變化很小，且為略 下降的曲線，所以輸出轉(zhuǎn)矩特性T2f(P2三、定子電I1f(P2由 知：空載時(shí)

I1ImI I0I1Im，很小但不為零；負(fù)載時(shí)，P2增加，I 四、定子功率因數(shù)特性cos1f(P2) 小于1。這主要是由激磁cos1常不超加；當(dāng)電機(jī)接近額定負(fù)載時(shí)，cos1為最大；超過此點(diǎn)后由于轉(zhuǎn)差率的增加，使 arctansX

加大，轉(zhuǎn)子本身的功率因數(shù)

2下降較多，引起定子側(cè)的無功電流加，電機(jī)的cos1五、效率特性f(P2根據(jù)電機(jī)效 ：η=P21

P2P式中異步電機(jī)總損耗為ppCu1pCu2pFepmecpad從空載到額定負(fù)數(shù)運(yùn)行pFepmec基本不變，pcu1、pcu2pad是隨負(fù)載而變化的，故稱0.7~1.1PN范圍內(nèi)，并且在該范Y2.2~90kW的三相異步電動(dòng)機(jī)，額定負(fù)載時(shí)的效率由于電機(jī)在額定負(fù)載附近的cos1和 較高所以選擇電機(jī)時(shí)希望電機(jī)在PN附近ηS5-27從簡化的Г形等效電路可見，異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的瞬間，n=0，s=1，機(jī)械模擬電阻1sR (RR)2((RR)2( Zk

5~7N根據(jù)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的物理：TemCTmI2cos2可見，起動(dòng)電流雖然很大，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻不大，原因是：1)起動(dòng)時(shí)，s＝1，f2=f1，此時(shí)2arctan(X2R2900，cosψ2很小，所以，盡壓降增大，致使感應(yīng)電動(dòng)勢E1減小，也就是Φm變小。這說明起動(dòng)電流雖然大．但由于I2cos2大，及Φm變小，故起動(dòng)轉(zhuǎn)矩一、籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)快；若電源容量不夠大，引起電壓降落超過15％，則應(yīng)設(shè)法限制起動(dòng)電流，采用降壓起動(dòng)。降壓起動(dòng)定子電路串電抗器起動(dòng)的接線圖如圖5-28所示。接通電源前，先打開開關(guān)K2，將電抗串入定子繞組。起動(dòng)時(shí)合上電源開關(guān)K1，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后再合上開關(guān)K2：使電抗不起作用。由于起動(dòng)時(shí)定子繞組串機(jī)端電壓降到額定電壓的1／K倍，則起動(dòng)電流降到額定電壓時(shí)起動(dòng)電流的l／K倍，但起動(dòng)1／K2I

1k

；

1k2

5-29自耦變壓器起動(dòng)接線圖II IIk ka

Tk； Tk；a

1I1

Ik Ika

I

；k ；ka

（5-aa

滿壓下運(yùn)行。其接線如圖5-30所示。5-303 33 313I' ；T'1 13 33 313I' 13

1

3固定為1/ 3二、繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst不大。路。繞線式電機(jī)設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)子電阻R2小，電機(jī)電機(jī)運(yùn)行時(shí)s小，效率高，除了起動(dòng)性能好，還可用于調(diào)5-31圖QD-4表示繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入分級起動(dòng)電阻的起動(dòng)過程，在整個(gè)起動(dòng)過程中，逐段切除T1=(0.7～0.85)Tmax，切換轉(zhuǎn)矩T2=(1.1～1.2)TN。最終切除全部電阻，電機(jī)在A點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。于恒起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的平滑的機(jī)械特性。結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，方便，應(yīng)用廣泛。迅速。起動(dòng)初，f1＝50Hz值最大，串入轉(zhuǎn)子繞組回路后既可限制起動(dòng)電流，同時(shí)又改善轉(zhuǎn)子功率因cosψ2f2逐漸降低，頻敏變持較大的電磁轉(zhuǎn)矩Tem。起動(dòng)完成后，f2很低，Rm≈0，頻敏變阻器幾乎不起作用，起到自動(dòng)切除轉(zhuǎn)三、深槽式和雙鼠籠異步電動(dòng)10－205-32(a)為深槽中導(dǎo)條的漏磁場分布圖，可見在轉(zhuǎn)子5-32在起動(dòng)時(shí)s＝1，轉(zhuǎn)子電流頻率f2＝f1，漏電抗較大，是導(dǎo)條阻抗的主要成分，導(dǎo)條中的電流分布近似與電抗成反比分配，故導(dǎo)條中電流密度的分布由下(槽底)而上(槽口)QD－5b)所示。電流密度向?qū)l表面密集分配，相當(dāng)于整個(gè)導(dǎo)條高度縮短，相應(yīng)地導(dǎo)條面積減小，如圖QD－5(c)所示，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。因此，轉(zhuǎn)子電阻R2可增大為直流阻值3倍左右，使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩到正常運(yùn)行時(shí)，f21~3Hz，此時(shí)轉(zhuǎn)子的漏電抗比電阻小得多，電流按導(dǎo)條電阻均勻分布在導(dǎo)條中，集膚效應(yīng)，即轉(zhuǎn)子電阻、電抗均恢復(fù)正常值，從而保證運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子銅耗小和效率高的的定子與普通鼠籠電動(dòng)機(jī)一樣，而轉(zhuǎn)子上有兩套鼠籠：上層籠采用的電阻率ρ大的黃銅或青銅制成作籠。并且工作籠處在轉(zhuǎn)子，交鏈漏磁通多，故漏電抗大起動(dòng)籠交鏈漏磁通少，漏電抗小，如圖QD-6所示。s＝1f2＝f1，漏電抗較大起主要作用，因Φσ下>Φσ上，X2下>X2上，222籠導(dǎo)條電阻成反比分配。因下籠電阻小，工作電流主要流經(jīng)下籠，此時(shí)電抗逐漸減小，ψ2小，cosψ2增大，電磁轉(zhuǎn)矩增加，并產(chǎn)生主要工作轉(zhuǎn)矩，故下籠稱為工作籠。一、概

n(1

60f1(1p

②改變異步電動(dòng)機(jī)所施加的電源頻率f1；，稱為變頻③改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。由電磁轉(zhuǎn)矩可知，轉(zhuǎn)差率s是下列各物理量的函數(shù)s＝f(Ul,改變加于定子的端電壓Ul，但必須采用調(diào)壓器調(diào)壓。應(yīng)用。但是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速比較，在早期采用的主要是線繞式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外串電阻和鼠籠型異步電動(dòng)極調(diào)速。后來在50年代異步電動(dòng)機(jī)定子串飽和電抗器的調(diào)速方法也有了一定的發(fā)二、變極調(diào)異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1，當(dāng)改變極對數(shù)p時(shí)，n1將發(fā)生改變．而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是小于但接近于n1，也相應(yīng)改變，此即變極調(diào)速。但是極對數(shù)p只能整數(shù)倍變化，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的改變也接方式，來達(dá)到改變極對數(shù)的目的的。如圖5-293為4極電機(jī)的繞組連接方式。如果象圖5-294的2 a1 a2 a1x1 三、變頻調(diào)當(dāng)改變供電電源頻率f1時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n1將隨著f1變化而變化，采用改變電源頻率的調(diào)速U1E4.44f1 （5-f1U1，以保持氣隙磁通Φm基本不變，并且希望能保持電動(dòng)機(jī)過載能力kM不變。mpUTmax

4f1( )(UX)f

1又因?yàn)門max=kMTN，所1 TemN X kMf1 ,T ,k'，則變頻前后額定電磁轉(zhuǎn)矩之比的一般式為 T U 2 2

XU

(1)(M

頻調(diào)速前后額定電磁轉(zhuǎn)矩相等，即有T' TemN，則:T U emN X)2

1)2

M)

f k

UX ff'ff T

emN則

T emN 1 f

U 2 U X)(1)(M) U

U1

U f 則 kMf1

M'MUXU

U1(f1 U f 四、轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速---屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速Sm改這種調(diào)速方法只適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。從圖QD—22可見，當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，由于轉(zhuǎn)子回其轉(zhuǎn)速由n1(1-s1)降到n1(1-s2)，從而達(dá)到調(diào)速的目的。Tem=TL為常值，即TemCTmI2cos2I2不變，功率因數(shù)cos2cos2N不變，則有：R2R2Rt 隨著轉(zhuǎn)子回路總電阻(R2+Rt) 功率皆不改變。轉(zhuǎn)子回路串入 五、改變定子端電壓調(diào)速----屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速Sm不時(shí)的機(jī)械特性如圖5-32所示。從圖可見，在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)差率s隨端電壓的降低而增大，對于恒轉(zhuǎn)短負(fù)載，當(dāng)s＞sm時(shí)，電動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行，因此最大調(diào)速范圍只能在0～sm。對于普通籠型異但是，由于機(jī)械特性變軟，致使低速運(yùn)行穩(wěn)定差，為此對恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載以及要求的調(diào)速范國在2:1以上的往往采用速度負(fù)反饋控制，以達(dá)到擴(kuò)大平滑調(diào)速范圍。5-33a)普通籠型轉(zhuǎn)子，b)六、串級調(diào)位差為00或1800的兩種情況，故相量運(yùn)算可簡化為標(biāo)量運(yùn)算。在圖中所示正向下，有s'EI2 R2jX

cos21，此時(shí)式(5-127)

s'EI2

則穩(wěn)態(tài)下的I2亦為常數(shù)。若記Ead＝0時(shí)的轉(zhuǎn)差率為s，則有 s'E2 即s's

nEadEadEadE2同相時(shí)，s’Ead增大而下降，n進(jìn)入超同步運(yùn)行狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可在n>n0下調(diào)節(jié)，是串級調(diào)速的特征之一。s's或

s s

同相時(shí)，EadPadn>n0s’<0，在此條件下式(5-PadsPem （5-上式表明，在超同步運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子電路的銅耗sPem和轉(zhuǎn)差功率s’Pem均由Pad提供。此時(shí)電動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)在不對稱電壓下的通；當(dāng)定子繞組接成Δ接法，零序電流電流中也無法流通。因此通常情況下只需分序兩個(gè)分量，取分量中大的電壓作為正序電壓U1，小的作為負(fù)序電壓U1。異步電動(dòng)機(jī)在三相對稱正序電壓U1作用下產(chǎn)生定、轉(zhuǎn)子的正序電流I1I2，聯(lián)合在氣隙中建n1，在正序磁場作用Tem+Pem+；三相對稱負(fù)序電壓U1產(chǎn)生定、轉(zhuǎn)差率s+為：s=n1n +s=n1n2n1n1n2n1n=2- - 異步電動(dòng)機(jī)在不對稱電壓運(yùn)行時(shí)正序和負(fù)序等放電路如圖DX—1所示。若考虎到集膚效應(yīng)正、負(fù)序每相轉(zhuǎn)子電阻和漏電抗是不相等的。圖中R''和X R＞R，而X''＜X' 5-34Ta)正序等效電路b) I

X' I'

2)j( s

2)j( 2 I1I1 R2X (R1 R2X (R1 2)2(X1X2''2Z

kR2X R2X U1-下直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流，這個(gè)值通?？梢赃_(dá)到額定電流的4～7例如U*=0.05，則I*(4~7)0.050.2