第八章 三相異步電動機

杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院第八章三相異步電動機根據(jù)電動機轉(zhuǎn)子和定子磁場速度之間的不同關(guān)系，交流電動機可以分為兩大類：一類是同步電動機；另一類為異步電動機。同步電動機采用雙邊勵磁，而異步電動機僅通過定子邊勵磁，其轉(zhuǎn)子電流和磁動勢則是通過旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)產(chǎn)生，這使得兩種電機在性能方面具有較大的差異。

異步電動機屬于交流電動機，也稱為感應(yīng)電動機。異步電動機的“異步”是什么意思呢？異步是指電動機的轉(zhuǎn)子與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場之間速度不一樣，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速快于或者慢于定子磁場的轉(zhuǎn)速。8.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和額定數(shù)據(jù)8.1.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)三相鼠籠式異步電動機的結(jié)構(gòu)三相繞線式異步電動機的結(jié)構(gòu)定子、轉(zhuǎn)子、氣隙。三相異步電動機的定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心定子鐵心用0.35~0.5mm的硅鋼片疊壓而成。三相異步電動機的定子繞組三相異步電動機的端蓋主要作用：支撐軸承、密閉保護電機。三相異步電動機的接線端子高壓大、中型容量的異步電動機定子繞組通常為星形(?)接法，接線端子只有三根引出線。中、小容量，六根引出線：(1)電壓380/220V，接法Y/?(2)電壓380V，接法?（a）Y形接法（b）Δ形接法鼠籠式轉(zhuǎn)子繞線式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心用0.5mm的硅鋼片疊壓而成。異步電動機的氣隙對電機的性能具有重要的影響。中小型異步電動機的氣隙一般為0.2~2mm。氣隙的大小直接影響異步電動機的勵磁電流和功率因數(shù)。一般情況，電機氣隙越小，定子側(cè)的勵磁電流越小，同時電機功率因數(shù)越高。但是，電機的氣隙太小，會造成加工和裝配的困難，同時也將增加電機的高次諧波與附加損耗。8.1.2

三相異步電動機的額定數(shù)據(jù)三相異步電動機的額定數(shù)據(jù)：額定功率PN、額定電壓UN、額定電流IN、額定轉(zhuǎn)速nN、額定頻率f1N、額定效率ηN

、額定功率因數(shù)cosφN、絕緣等級和允許溫升。允許溫升是指電動機運行時電機本體高出周圍環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)溫度的值。在設(shè)計電機時，我國規(guī)定環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)溫度為，電機的允許溫升即電機的允許溫度減去的值。杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院8.2三相異步電動機的工作原理8.2.1三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理當(dāng)定子三相對稱繞組中通入三相對稱交流電后，在氣隙中會形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。(3)載流導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場中受到電磁力的作用，進而形成電磁轉(zhuǎn)矩，并使得轉(zhuǎn)子跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。(2)當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體時，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)形成三相對稱感應(yīng)電動勢。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體處于閉合回路。因此，感應(yīng)電動勢在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生三相對稱電流。鼠籠隨磁場旋轉(zhuǎn)的3D動畫8.2.2三相異步電動機的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院8.3三相異步電動機的等效電路三相異步電動機等效電路正方向的標(biāo)定三相異步電動機轉(zhuǎn)子繞組開路時的等效電路三相異步電動機空載時的等效電路三相異步電動機轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時的等效電路三相異步電動機帶負載運行時的等效電路8.3.1三相異步電動機等效電路正方向的標(biāo)定下標(biāo)1代表定子側(cè)的量，下標(biāo)2代表轉(zhuǎn)子側(cè)的量。通常把A相繞組磁動勢所在的方向定義為零坐標(biāo)軸的方向。杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院8.3.2三相異步電動機轉(zhuǎn)子繞組開路時的等效電路1．轉(zhuǎn)子繞組開路時的磁鏈和感應(yīng)電動勢在定子氣隙中會形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場。定子每極下同時交鏈定子和轉(zhuǎn)子的磁通稱為主磁通，

。只是交鏈定子或者轉(zhuǎn)子的磁通稱為漏磁通，和。主磁通定子A相磁鏈轉(zhuǎn)子A相磁鏈定子繞組的感應(yīng)電動勢定子繞組感應(yīng)電動勢有效值

轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢有效值

電壓變比2．轉(zhuǎn)子繞組開路時的電壓方程式和相量圖定子漏磁感應(yīng)電動勢定子一相繞組的電壓方程式3．轉(zhuǎn)子繞組開路時的等效電路和電磁關(guān)系分析定子繞組的感應(yīng)電動勢定子一相的電壓平衡方程式轉(zhuǎn)子一相的電壓平衡方程式轉(zhuǎn)子繞組開路時的等效電路圖轉(zhuǎn)子繞組開路時的電磁關(guān)系圖(1)轉(zhuǎn)子開路時，異步電動機呈感性，因此，電流相量滯后于電壓相量。(2)主磁通和漏磁通在定子繞組中分別形成相應(yīng)的感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢滯后于相應(yīng)的磁通相量電角度。(3)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢等于相應(yīng)的相電壓。杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院三相異步電動機空載運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

接近于同步轉(zhuǎn)速n1

，s≈0，此時，定子磁場近似于不切割轉(zhuǎn)子繞組，所以轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢，轉(zhuǎn)子繞組中的電流，因此，在空載情況下，轉(zhuǎn)子繞組不產(chǎn)生磁動勢。8.3.3三相異步電動機空載時的等效電路三相異步電動機的空載運行：定子繞組接到三相對稱電源上，轉(zhuǎn)軸上不帶任何機械負載。1．空載電流是形成鐵心損耗的有功分量部分是形成主磁通的部分空載電流主要是形成主磁通的一個無功性質(zhì)的電流，大、中型三相異步電動機的空載電流約占額定電流的30%，小型三相異步電動機的空載電流幾乎達到額定電流的50%。2.空載時的電壓方程式轉(zhuǎn)子繞組不產(chǎn)生磁動勢，相應(yīng)地也無法形成轉(zhuǎn)子側(cè)的磁通，因此，轉(zhuǎn)子繞組不會影響定子繞組產(chǎn)生的磁動勢和主磁通。三相異步電動機空載時，定子側(cè)的電壓方程式與三相異步電動機轉(zhuǎn)子開路時是相同的。轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓方程式3.空載時的等效電路轉(zhuǎn)子側(cè)的感應(yīng)電動勢三相異步電動機空載時的等效電路杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院8.3.4三相異步電動機轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時的等效電路1.轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時的磁動勢和磁通的分析氣隙磁動勢旋轉(zhuǎn)方向一致，轉(zhuǎn)速相同，在空間上相差α

電角度。2.轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子繞組的折合三相異步電動機定子和轉(zhuǎn)子之間沒有電路的聯(lián)系，只有磁路的聯(lián)系。通過折合算法，將轉(zhuǎn)子回路折算到定子側(cè)，或者將定子側(cè)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)。從定子邊看轉(zhuǎn)子，只有轉(zhuǎn)子磁動勢與定子磁動勢影響主磁通，因此，只要保持轉(zhuǎn)子磁動勢的大小和相位不變，至于轉(zhuǎn)子邊的感應(yīng)電動勢、電流以及每相串聯(lián)的匝數(shù)是多少都無關(guān)緊要?？梢岳靡粋€虛擬轉(zhuǎn)子代替電機的實際轉(zhuǎn)子，虛擬轉(zhuǎn)子的相數(shù)、每相串聯(lián)的匝數(shù)和繞組系數(shù)與定子繞組相一致。轉(zhuǎn)子折算原則電流變比轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢折算到定子側(cè)轉(zhuǎn)子阻抗折算到定子側(cè)（1）轉(zhuǎn)子阻抗角（2）轉(zhuǎn)子銅耗（3）無功功率4.轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時的基本方程式和相量圖5.轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時的等效電路和電磁關(guān)系分析三相異步電動機在轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)情況下的三個結(jié)論：(1)電機內(nèi)會形成兩個電流通路，一個為定子繞組電流通路，另一個為轉(zhuǎn)子繞組的電流通路。兩個電流通路通過主磁通聯(lián)系起來。(2)定子和轉(zhuǎn)子的磁動勢都以同步轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)，兩個磁動勢共同形成電機的氣隙磁動勢。(3)電機產(chǎn)生很大的電流。三相異步電動機應(yīng)避免長時間處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院8.3.5三相異步電動機帶載旋轉(zhuǎn)時的等效電路1.轉(zhuǎn)子電磁量的變化分析(1)感應(yīng)電動勢的頻率（轉(zhuǎn)差頻率）(2)感應(yīng)電動勢(3)轉(zhuǎn)子繞組的漏電抗2.定子和轉(zhuǎn)子磁動勢之間的關(guān)系轉(zhuǎn)子磁動勢相對于定子的轉(zhuǎn)速定子磁動勢相對于定子的轉(zhuǎn)速跟轉(zhuǎn)子是否旋轉(zhuǎn)沒有關(guān)系。3.轉(zhuǎn)子頻率的折算將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子側(cè)頻率轉(zhuǎn)換為靜止的定子側(cè)頻率的過程稱為頻率的折算。頻率為頻率為機械功率4.轉(zhuǎn)子帶載旋轉(zhuǎn)時的基本方程式和相量圖5.轉(zhuǎn)子帶載旋轉(zhuǎn)時的等效電路和電磁關(guān)系圖三相異步電動機T型等效電路(1)當(dāng)時，，異步電動機運行于空載狀態(tài)；(2)當(dāng)時，電機相當(dāng)于處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；(3)當(dāng)和時，，電機處于發(fā)電狀態(tài)。(1)定子側(cè)各個電磁量的物理關(guān)系不因轉(zhuǎn)子是否旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化。(2)與轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)情況相比，此時轉(zhuǎn)子側(cè)電量都與轉(zhuǎn)差率s

相關(guān)。8.3.6三相異步電動機鼠籠式轉(zhuǎn)子的極數(shù)和相數(shù)的歸算鼠籠式轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體是均勻分布的，每兩根相鄰的導(dǎo)條內(nèi)感應(yīng)電流相差的電角度與導(dǎo)條在空間相差的電角度是一致的。假如鼠籠式轉(zhuǎn)子有根導(dǎo)條組成，定子主磁場有對極，則鼠籠式轉(zhuǎn)子的相數(shù)為。鼠籠式轉(zhuǎn)子由于每根導(dǎo)體相當(dāng)于半匝，因此每相串聯(lián)的匝數(shù)為。因為每相只有一根導(dǎo)體，鼠籠式轉(zhuǎn)子的繞組系數(shù)。鼠籠式轉(zhuǎn)子的相對稱電流在個對稱導(dǎo)體中也會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院8.4三相異步電動機的功率關(guān)系和轉(zhuǎn)矩計算三相異步電動機的功率傳遞過程輸入功率定子銅耗定子鐵耗電磁功率轉(zhuǎn)子銅耗總機械功率輸出機械功率8.4.1三相異步電動機的功率關(guān)系注意：此處電壓、電流和電阻均為相值?。?！三相異步電動機的功率流程圖8.4.2三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩計算電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動機的電磁功率輸出轉(zhuǎn)矩簡化計算三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(1)直流電動機中的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間是線性關(guān)系。(2)三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流之間是非線性關(guān)系。杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院8.5三相異步電動機參數(shù)的測定需測量的參數(shù)：定子電阻和電抗，轉(zhuǎn)子的折算電阻和電抗，勵磁電阻和勵磁電抗，定子鐵耗和機械損耗。用于分析和計算三相異步電動機功率和轉(zhuǎn)矩。測量方法：短路試驗、空載試驗。定子電阻可以直接利用電橋測得。8.5.1短路試驗（堵轉(zhuǎn)試驗）可測得8.5.2空載試驗可以測得與成正比保持不變實驗測得杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院8.6三相異步電動機的工作特性和機械特性三相異步電動機的工作特性：電動機在時，

等與輸出功率之間的關(guān)系。三相異步電動機的機械特性：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率(或者轉(zhuǎn)速)之間的關(guān)系，也稱為

曲線。1.轉(zhuǎn)速特性2.電流特性8.6.1三相異步電動機的工作特性（與的關(guān)系）4.功率因數(shù)特性功率因數(shù)是三相異步電動機的主要性能指標(biāo)之一。由于三相異步電動機是一個感性負載，它必將從電網(wǎng)吸收感性的無功功率，因此三相異步電動機的功率因數(shù)總是小于1。

3.轉(zhuǎn)矩特性5.效率特性異步電機功率損耗主要包括兩大類：可變損耗：與電機的負載大小密切相關(guān)的損耗，如定子和轉(zhuǎn)子銅耗，損耗大小與電流的平方成正比；不變損耗：與電機的負載大小基本無關(guān)的損耗，如定子鐵耗和機械損耗?？勺儞p耗等于不變損耗時效率最高。超過時，銅耗會快速增大，效率下降。杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院8.6.2三相異步電動機的機械特性三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率(或轉(zhuǎn)速)之間的關(guān)系。8.6.2.1三相異步電動機的機械特性的表達式轉(zhuǎn)子折算電流電磁轉(zhuǎn)矩8.6.2.2三相異步電動機的固有機械特性分析1.三相異步電動機固有機械特性曲線的分析且定子和轉(zhuǎn)子回路都不接入任何電氣元件。(1)第I象限：0<s<1(0<n<n1)，T>0，正向電動；(2)第II象限：s<0(n>n1)，T<0，發(fā)電狀態(tài)；(3)第IV象限：s>1(n<0)，T>0，制動狀態(tài)。重點掌握固有機械特性曲線1上的四個點——(1)A點：正向同步運行點，

；(2)B點和D點：三相異步電動機的臨界運行點，

可以獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率，B點：D點：“+”對應(yīng)電動運行狀態(tài)，“-”對應(yīng)發(fā)電運行狀態(tài)。令一般最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)(或者過載倍數(shù))一般三相異步電機的過載倍數(shù)為1.6~2.5。受哪些參數(shù)變化的影響？(3)

C點：正向起動點，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為了順利起動，一般要求三相異步電機的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為0.8~1.2。受哪些參數(shù)變化的影響？2.三相異步電動機的穩(wěn)定性分析三相異步電動機機械特性分為兩個區(qū)域：穩(wěn)定運行區(qū)域、不穩(wěn)定運行區(qū)域。(1)穩(wěn)定運行區(qū)域：機械特性下傾，無論拖動何種性質(zhì)的負載，系統(tǒng)都是穩(wěn)定的。(2)不穩(wěn)定運行區(qū)域：在該區(qū)域內(nèi)，恒轉(zhuǎn)矩負載電機拖動系統(tǒng)無法穩(wěn)定；風(fēng)機和泵類負載雖然可以滿足穩(wěn)定運行條件，但是