第七章 異步電動(dòng)機(jī)原理

第七章

異步電動(dòng)機(jī)原理7.1

異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、額定數(shù)據(jù)與工作原理7.1.1異步電動(dòng)機(jī)的主要用途與分類(lèi)異步電機(jī)又稱(chēng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，主要用作電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械。

由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、效率較

高，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民用電器方面獲得廣泛應(yīng)用。異步電機(jī)有不同的分類(lèi)法：(1)按定子相數(shù)分，有單相異步電動(dòng)機(jī)、兩相異步電動(dòng)機(jī)及三相異電動(dòng)步機(jī)。(2)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分，有線繞式異步電動(dòng)機(jī)和鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。(3)按有無(wú)換向器分，有無(wú)換向器異步電動(dòng)機(jī)和換向器電動(dòng)機(jī)。除外，還按電壓高底、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小等進(jìn)行分類(lèi)。7.1.2

三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖7.1是三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，主要有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定、轉(zhuǎn)子中間是氣隙。其他各部分見(jiàn)圖。圖7

.

1

三相鼠籠式異部電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖7

.

1三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1——軸；2——軸承蓋；3——軸承；4——軸承蓋；5——端蓋；6——定子繞組；7——轉(zhuǎn)子；8——定子鐵心；9——機(jī)座；10——吊環(huán)；11——出線盒；12——端蓋；13——風(fēng)扇；14——風(fēng)罩1.異步電動(dòng)機(jī)定子異步電動(dòng)機(jī)定子由機(jī)座、定子鐵芯和定子繞組組成。定子鐵芯裝在機(jī)座內(nèi)，由硅鋼片疊壓而成，是電機(jī)磁路的一部分。如圖7.2

定子鐵芯

圖7.2所示。(a)(b)(c)圖7

.

3

定子槽1——槽楔；2——層間絕緣；3——扁銅線；4——槽楔；5——槽絕緣；6——圓導(dǎo)線定子鐵芯內(nèi)圓上開(kāi)有槽，槽內(nèi)放有定子繞組。圖7.3為定子槽，各種槽口用于不同類(lèi)型的電機(jī)。(a)

(b)圖7.4三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)出線2.氣隙氣隙是定、轉(zhuǎn)子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的間隙。氣隙小，可提高功率因數(shù)，但氣隙太小可能造成定轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子間發(fā)生摩擦；氣隙太大將高壓大中型異步電動(dòng)機(jī)定子繞組常采用

接法，只有三根出線。對(duì)中小容量的低壓異步電動(dòng)機(jī)，通常把三相繞組的六根線

頭都引出來(lái)，可變更連接方式，如圖7.4所示。導(dǎo)至勵(lì)磁電流過(guò)大。3.

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，也是電機(jī)磁路的一部分。圖7.5是轉(zhuǎn)子

槽型圖，

(a)

為線繞式電機(jī)槽型，

(b)

為單鼠籠槽型，(c)

為雙鼠籠槽型。鐵芯壓裝在轉(zhuǎn)軸上，成為一體。(a)(b)(c)圖7.5轉(zhuǎn)子沖片上的槽型鼠籠式繞組是一個(gè)自己短路的繞組。對(duì)銅材料繞組，先在每個(gè)槽內(nèi)放一根導(dǎo)體，在兩側(cè)用兩個(gè)端環(huán)將所有導(dǎo)條焊接起來(lái)，

形成一個(gè)鼠籠，見(jiàn)圖7.7

(a)、

(b)。

當(dāng)用鋁料作材料時(shí)，線繞式異步電動(dòng)機(jī)的繞組也是三相繞組，可連成D型或Y型，繞組的三條引線通過(guò)三個(gè)滑環(huán)和電刷引出來(lái)，如圖7.6所示。圖7.6線繞式異步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組接線方式(a)(b)

(c)圖7.7

鼠籠轉(zhuǎn)子7.1.3異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)冷卻、保護(hù)方式的不同，異步電動(dòng)機(jī)有開(kāi)啟式、防護(hù)式和防爆式幾種。防護(hù)式結(jié)構(gòu)能在一定范圍內(nèi)防止水滴和鐵削掉入電機(jī)，冷空氣從軸向進(jìn)入，冷卻后從機(jī)座兩旁排出。將熔化的鋁液直接澆鑄在轉(zhuǎn)子槽里，連同端環(huán)、風(fēng)扇一次鑄成。如圖7

.7(C)封閉式異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣和機(jī)殼外部空氣是隔開(kāi)的，靠風(fēng)扇和機(jī)殼上的散熱片進(jìn)行散熱。防爆式異步機(jī)是一種全封閉電機(jī)，將易燃易爆氣體隔離在機(jī)殼外。7.1.4異步電動(dòng)機(jī)的名牌數(shù)據(jù)電機(jī)產(chǎn)品的型號(hào)通常由大寫(xiě)漢語(yǔ)拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成。如

Y

系列三相異步電動(dòng)機(jī)表示如下：2極數(shù)一鐵心長(zhǎng)度代號(hào)——機(jī)座長(zhǎng)度代號(hào)異步電動(dòng)機(jī)機(jī)座中心高100Y下面列出一些常見(jiàn)的異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品系列Y

系列小型全封閉自冷式三相異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用極其廣泛；JQ2

和JQO2

系列高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩異步電動(dòng)機(jī)；JS

系列中型防護(hù)式三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)；JR

系列防護(hù)式線繞三相異步電動(dòng)機(jī)；JSL2

和JRL2

分別為鼠籠式和線繞式中型立式水泵系列異步機(jī)；JZ2

和JZR2

分別為鼠籠式和線繞式起重系列三相異步電機(jī)；JD2

和JDO2

系列分別為防護(hù)式和封閉式多速異步機(jī)；BJO2系列是防爆式鼠籠異步電動(dòng)機(jī)；

……

。2.額定值(1)額定功率P

指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)軸上輸出的機(jī)械功率率，單位是KW

.(2)額定電壓U、指額定狀態(tài)下，定子繞組上的線電壓，單位為V。(3)額定電流I

、定子在額定電壓下，軸上輸出額定功率時(shí)，定子繞組中的線電流，單位為A。(4)額定頻率f?我國(guó)規(guī)定工業(yè)用電頻率是50Hz。(5)額定轉(zhuǎn)速

nx

在定子加額定頻率的額定電壓，且軸上輸出額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。(6)額定功率因數(shù)

cosg

指額定負(fù)載時(shí)定子邊的功率因數(shù)。(7)絕緣等級(jí)與溫升。此外，還有工作方式、連接方法等。線繞式異步電機(jī)還要式為：7.1.5

異步電動(dòng)機(jī)的工作原理當(dāng)三相對(duì)稱(chēng)電流流入三相對(duì)稱(chēng)繞組時(shí)，電機(jī)內(nèi)形成圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，設(shè)

轉(zhuǎn)速為n1

以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖7.8。

由于旋轉(zhuǎn)磁密與鼠籠條間存在相對(duì)

運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)條中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，感

應(yīng)電流在磁場(chǎng)中受力，轉(zhuǎn)子便旋轉(zhuǎn)標(biāo)明轉(zhuǎn)子繞組額定電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子額定電流。電動(dòng)機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩可由額定功率、額定轉(zhuǎn)矩來(lái)計(jì)算，公圖7.8異步電動(dòng)機(jī)工作原理起來(lái)。轉(zhuǎn)速為n與n1

同方向。只要

n<n1,

轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與磁場(chǎng)間就有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子就能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。7.2異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路的電磁關(guān)系7.2.1

規(guī)定正方向圖7.9為一臺(tái)線繞式三相異步電動(dòng)機(jī)，定、轉(zhuǎn)子繞組都是Y連接。圖(a)

是定、轉(zhuǎn)子等效繞組在鐵芯中的布置方式。圖(b)

為定、轉(zhuǎn)子繞組的連接方式。圖中，U,,

它

，i,

分別為定子繞組的相電壓、相電勢(shì)和相電流

；U?,E,,i?分別是轉(zhuǎn)子繞組的相電壓、相電勢(shì)和相電流。把定轉(zhuǎn)子的空間坐標(biāo)軸+A

和+A,都選在A

相繞組的軸處，7.2.2

磁通及磁通勢(shì)1.勵(lì)磁磁通勢(shì)當(dāng)轉(zhuǎn)子開(kāi)路，定子接到三相對(duì)稱(chēng)電源時(shí)，定子繞組中產(chǎn)生三相

對(duì)稱(chēng)電流。由于對(duì)稱(chēng)，我們只取A相電流，用i。表示，并畫(huà)在

圖7.10

(a)

的時(shí)間坐標(biāo)軸上。并重疊在一起，見(jiàn)圖7.9(a)。圖7.9

轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)三相線

繞式異步電動(dòng)機(jī)的正方向(a)(b)(a)

(b)(c)圖7.10

勵(lì)磁電流、勵(lì)磁磁通勢(shì)及定、轉(zhuǎn)子繞組電動(dòng)勢(shì)相矢量圖三相對(duì)稱(chēng)電流在定子中產(chǎn)生的空間合成旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)戶(hù)有如下特

點(diǎn)：(1)幅值：

(2)轉(zhuǎn)向：因電流相序?yàn)锳?

→B?

→C?,

故F。

的轉(zhuǎn)向是逆時(shí)針?lè)较?。?jiàn)圖7.9(a)。(3)轉(zhuǎn)速：

w=2πpn?/60(rad/s)(4)瞬間位置：當(dāng)三相電流中某相電流達(dá)最大值時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)的正幅值就處于該相繞組的軸線處，而在圖7.10(a)

中，

A相電流再過(guò)90度

才能達(dá)正的最大值，故旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)它應(yīng)畫(huà)在圖7.10(b)的位置。為了方便，把時(shí)間參考軸+j和空間坐標(biāo)軸

+

A?,+A。重疊在一起，如圖7.10

(C)。2.主磁通與漏磁通把通過(guò)氣隙同時(shí)鏈著定、轉(zhuǎn)子繞組的磁通稱(chēng)為主磁通。把只鏈定子繞組的磁通稱(chēng)為定子漏磁通，定子漏磁通包含槽漏磁通和端

部漏磁通，見(jiàn)圖7.11。氣隙是均勻的，F(xiàn)

。所產(chǎn)生主磁通φ所對(duì)

應(yīng)的氣隙磁密

B。是一個(gè)在空間正弦分布且旋轉(zhuǎn)的磁密波，見(jiàn)圖

7.10(b)

和(c)。主磁通

定子槽漏磁通7.23感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)旋轉(zhuǎn)的氣隙每極主磁通在定、轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電勢(shì)分別為：E?=4.44f?N?ka?φE?=4.44f?N?k??定轉(zhuǎn)子間相電勢(shì)之比叫電壓比為：式中為氣隙平均磁密；c為定子的極距；l

為電機(jī)軸向的有效長(zhǎng)度。(a)

(h)圖7

.

11

異步電動(dòng)機(jī)主磁通與漏磁通氣隙每極主磁通

為：其中電壓變比k。可以計(jì)算,故有E?=E?

(7-1)7.2.4

勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流由兩部份組成，即I?=1o。+i。有功分量很小，無(wú)功分量與

同相，

而

與

領(lǐng)

先一個(gè)不大的角度。見(jiàn)

圖7.

12。參閱圖6

.

5,將+j軸與+A?

,+A?

重合，可將B

與E

,E,

之間的關(guān)系畫(huà)在圖7.10(C)

中?？芍狤.E,

落后i。90度，且轉(zhuǎn)180

度后才能與+j

軸重合。為了方便，通常把轉(zhuǎn)子繞組相定子邊折合，即

E=E?=kE?。圖7

.

12

考慮的勵(lì)磁電流、磁通

勢(shì)

與繞組電動(dòng)勢(shì)的時(shí)空相矢量圖抗

X?上的壓降，根據(jù)圖7.9

(b)

中的正方向可寫(xiě)成

E,=-ji。X電流在定子繞組電阻上的壓降為I。R?。按圖7.9(b)的正方向，定子一相回路的電壓方程式為：U?=-E?+I?R?-E?=-E?+i?R?+ji?X?

=-E?+I?(R?+jX?)

=-E?+I?Z?7.2.5

電壓方程式把漏磁通在定子繞組里感應(yīng)的漏電動(dòng)勢(shì)看成定子電流I。在漏電圖7.

13轉(zhuǎn)子繞組

開(kāi)路時(shí)的相量圖式中Z?=R?+jX?

為定子一相繞組的漏阻抗。按上述電壓方程畫(huà)的相量圖見(jiàn)圖7.13。7.2.6等效電路若用勵(lì)磁電流I。在參數(shù)Zm

上的壓降表示-E,則有：-E?=l(Rm+jXm)=l?Zm

(7-2)式中Zm=Rm+jX

為勵(lì)磁阻抗，為勵(lì)磁電阻，

為勵(lì)磁電抗。于是，定子一相電壓平衡式為：U?=-E?+I?(R?+jX?)=I

。(Rm+jXm)+I?(R?+jX?)=i

。(Zm+Z?)轉(zhuǎn)子回路電壓方程式為：U?=E?

圖7

.

14轉(zhuǎn)子繞組時(shí)異步電機(jī)等效電路相轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢(shì)的作用下，在三相繞組中流過(guò)三相

對(duì)稱(chēng)電流

I?并產(chǎn)生轉(zhuǎn)子空間

旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)F?,其特點(diǎn)如下：(1)幅值7.3三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)的電磁關(guān)系圖715是三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子短接并堵轉(zhuǎn)時(shí)的接線圖，在三圖7.14為上述方程的等效電路。其電磁關(guān)系的示意圖如下：圖7

.

15

轉(zhuǎn)子短路并堵轉(zhuǎn)時(shí)的三相異步電動(dòng)機(jī)(2)轉(zhuǎn)向

按

B。在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的相序旋轉(zhuǎn)。(3)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速為

,角速度

w?=2πpn?/60=o?(rad/s)(4)瞬間位置同樣把轉(zhuǎn)子電流看成轉(zhuǎn)子邊A。相繞組里的電流，當(dāng)i。達(dá)到正最大值、即在+j

軸上時(shí)，轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)應(yīng)轉(zhuǎn)到A?

相繞組的軸線

處，即+A?

上。所以畫(huà)時(shí)、空相矢量圖時(shí)，應(yīng)使F?和

I?重合，

見(jiàn)圖7.16。(1)幅值：

(2)轉(zhuǎn)向：與

B。同方向旋轉(zhuǎn)。(3)轉(zhuǎn)速：

相對(duì)定子繞組的轉(zhuǎn)速n和角速度w?

同上。(4)瞬間位置：

當(dāng)定子A?

相電流l?

達(dá)到正最大值時(shí)，F(xiàn)?

應(yīng)在

A?

相繞組

的軸線處。故畫(huà)時(shí)空相矢量圖時(shí)，

應(yīng)使F和

i?重合。2圖7.16

轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)勢(shì)、

電流及磁通勢(shì)的時(shí)空相矢量圖下面分析堵轉(zhuǎn)時(shí)定子旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)F的特點(diǎn)+j

A+A?,+A?由于定子旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)F

和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)F?

轉(zhuǎn)向相同且轉(zhuǎn)速相等，即兩者是同步的，相對(duì)靜止的。將兩者相加，得合成磁

通

勢(shì)

。

,

即

F?+F?=F

。,這才是產(chǎn)生氣隙每極磁通的磁動(dòng)勢(shì)。2.

漏磁通堵轉(zhuǎn)時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁路中都有漏磁通，見(jiàn)圖7.17。分別用漏電抗X1和

X2

表示在電路中。通常

X1、X2是常數(shù)，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子電流很

大時(shí)，漏電抗值變小。轉(zhuǎn)子漏磁通圖7

.

17

漏磁通7.3.2定、轉(zhuǎn)子回路方程根據(jù)圖7.15中的正方向，轉(zhuǎn)子繞組一相的回路電壓方程為0=E?-i?(R?+jX?)=E?-i?Z?

(7-3)式中

Z?=R?+jX?

為轉(zhuǎn)子繞組的樓阻抗。轉(zhuǎn)子相電流為

其中

q?轉(zhuǎn)子繞組回路的功率因數(shù)角，即

éi。夾角。

F?

·

i?相。參閱圖7.16。將定、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)改寫(xiě)成

F?=Fo+(-F?)可認(rèn)為定子旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)包含兩個(gè)分量，

一個(gè)為

-

F,]

以抵消轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)F?,

另一個(gè)為勵(lì)磁磁通勢(shì)F。用以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣隙磁密B。,

見(jiàn)圖7.

16。7.3.3

轉(zhuǎn)子繞組的折合只要保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)的大小、相位不變，就可用一個(gè)與定子的相數(shù)、匝數(shù)、繞組系數(shù)完全相同的新轉(zhuǎn)子來(lái)代替，這就

是轉(zhuǎn)子繞組折合的原則。

將關(guān)系式

F?+F?=F

。

寫(xiě)成：令則可得(7-5)簡(jiǎn)化為i?+i?=i?

(7-6)折合前后的電流關(guān)系由(7-5)式可得m?N?

k?l?=3

N?

k則電流

則

.為電流比。下面分析折合后的漏阻抗、損耗和無(wú)功功率：轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗用Z?=

R?+jX?

來(lái)表示，根據(jù)(7-3)式可寫(xiě)成：

0=E?-I?(R2+jX2)

(7-7)Z?

與Z?

的關(guān)系為

得折合前后漏阻抗關(guān)系為：

R2=kk;R?X?=kk;X?可見(jiàn)折合前后樓阻抗角不變。從下式可知折合前后的銅秏不變折合前后的無(wú)功功率可寫(xiě)成即折合后的無(wú)功功率不變。U?=-E?+i?(R?+jX?)-E?=i?(Rm+jXm)E?=E2E2=i2(R?+jX?)右邊列出轉(zhuǎn)子繞組短路且堵轉(zhuǎn)時(shí)的五個(gè)方程式7.3.4基本方程式、等效電路和向量圖阻抗角為I?+I?=l?圖7.18和圖7.19分別是轉(zhuǎn)子繞組短路且堵轉(zhuǎn)時(shí)的等值電路和向量圖。圖7.20是這種情況下的電磁關(guān)系示意圖。圖7.19轉(zhuǎn)子繞組短

路且堵轉(zhuǎn)的相量圖圖7

.

18轉(zhuǎn)子繞組短路且堵轉(zhuǎn)的等效電路7.4三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的電磁關(guān)系7.4.1

轉(zhuǎn)差率定子繞組接三相額定電壓、轉(zhuǎn)子繞組短接時(shí)，若不堵轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子就要沿氣隙旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。當(dāng)電磁力矩與負(fù)

載轉(zhuǎn)矩(含摩擦轉(zhuǎn)矩和附加損耗轉(zhuǎn)矩)平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

n

就圖7

.

20

電

磁關(guān)系示意圖穩(wěn)定下來(lái)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速N

只能小于同步速

n?,

若兩者相等，則將不能在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流，也就不能產(chǎn)生電磁力矩。即轉(zhuǎn)子速

度與氣隙磁通勢(shì)的轉(zhuǎn)速不可能同步，異步電動(dòng)機(jī)由此而得名。轉(zhuǎn)差率S就是同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與同步速的比值。7.4.2

轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的電壓方程式為當(dāng)兩者同轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)差率為當(dāng)兩者反轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)差率為E??=I?(R?+jX?)(7-8)上式中的各個(gè)參數(shù)均為轉(zhuǎn)子繞組的一相參數(shù)。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與氣隙磁密轉(zhuǎn)速間的轉(zhuǎn)速差為：

(7-9)旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢(shì)為E?

。=4.44f?N?ka?φ?=4.44sf?N?k?φ?=sE?即每相感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)差率成正比。注意式中的

E?

與電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的電動(dòng)勢(shì)有區(qū)別。轉(zhuǎn)子的漏電抗

也是對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子頻率

時(shí)的漏電抗，即X??=sX?可見(jiàn)轉(zhuǎn)子漏電抗與轉(zhuǎn)差率成正比，通常

X?

。<X?

。7.4.3

定、轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)及磁通勢(shì)的關(guān)系1.定子磁通勢(shì)F1定子的磁通勢(shì)前面已分析過(guò)，不再重述。假定它以同步速n1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。2.

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)(1)幅值為(2)轉(zhuǎn)向由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步速，氣隙磁密在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流的相序仍為A?

→B?

→C?[見(jiàn)圖7.9(a)]。

即轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)也為逆

時(shí)針旋轉(zhuǎn)。3.合成磁通勢(shì)(1)F?與

F?的幅值同前。于是得即兩者是同步的。因此兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)可疊加為

F?+F?=F。。需說(shuō)明，這里的合成磁通勢(shì)是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的磁通勢(shì)，與前述的磁通勢(shì)略有不同。(2)轉(zhuǎn)向：如前所述?

與廣。都是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。(3)轉(zhuǎn)速：F?相對(duì)定子繞組的轉(zhuǎn)速仍為n1

。而

F?相對(duì)轉(zhuǎn)子的速度為n2,由于轉(zhuǎn)子本身以轉(zhuǎn)速

n在旋轉(zhuǎn)，所以下。相對(duì)定子

的轉(zhuǎn)速為

n?+n

。已

知分別為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組一相電動(dòng)勢(shì)、電流和電抗。分別為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組一相電動(dòng)勢(shì)、電流和電抗。7.4.4轉(zhuǎn)子繞組頻率的折合只要保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)不變，可將轉(zhuǎn)子看作不動(dòng)的轉(zhuǎn)子，便于分析，就需要頻率折合。據(jù)此可將(7-8)式變換為：式中

E?,I?,X?。其功率因數(shù)角而

E?,I?,X?(a)

(b)比較兩圖，可見(jiàn)折合后的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變成了E

。,電阻變成了R?/s,

漏電抗變成了X?/s=X?

g再把轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)、匝數(shù)和繞組系數(shù)都折合到定子邊，轉(zhuǎn)子回路的電壓方程為

(7-10)可見(jiàn)頻率折合前后，電流的有效值和相角完全一樣，而頻率由f2變成了f1。

圖7.22(a)

為折合前的電路，圖7.22(b)為折圖7.22轉(zhuǎn)子

頻率的折合合后的電路。再考慮其相數(shù)、匝數(shù)的折合后，可寫(xiě)成

于是定、轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)的關(guān)系可寫(xiě)成

I?+I?'=I

。

的電流關(guān)系。7.4.5基本方程式、等效電路和時(shí)空相矢量圖與堵轉(zhuǎn)時(shí)的分析相比較，只有轉(zhuǎn)子繞組回路電壓方程與運(yùn)

行時(shí)有區(qū)別，則用式(7-10)代替式(7-7),就得到旋轉(zhuǎn)時(shí)的基本方程式，如右所示。U?=-_+I?(R?+jX?)-E?=I

。(Rm+jXm)E?=E?′頻率折合后，轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)的幅值可寫(xiě)成I?+i2=I。載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s≈0.05

,由于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行可用等效電路來(lái)表示，那么當(dāng)知道電動(dòng)機(jī)參數(shù)時(shí)，就可等效電路計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的性能。根據(jù)以上五個(gè)基本方程式可畫(huà)出如圖7.23所示，圖中將分解成

R?

和

兩部分畫(huà)出來(lái)。由圖可知，電機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，R?/s趨于無(wú)窮，12幾乎為零，定子電流就是勵(lì)磁電流，功率因數(shù)很低。而當(dāng)額定負(fù)此時(shí)功率因數(shù)可達(dá)0.8~0.85。圖7

.23三相異步機(jī)T型等值電路圖圖7.24是根據(jù)上述五個(gè)基本方程畫(huà)出的異步電動(dòng)機(jī)時(shí)空相矢量圖。三想異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系見(jiàn)圖7.25。圖7

.

24三相異步電

動(dòng)機(jī)時(shí)空相矢量圖圖7

.

25三相異步電動(dòng)機(jī)電磁關(guān)系示意圖7.4.6

鼠籠轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子上的繞組就是鼠籠條。若一對(duì)磁極范圍內(nèi)有m?

根鼠籠條，轉(zhuǎn)子就感應(yīng)m?

對(duì)稱(chēng)的電流，形成與定子相同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)

磁通勢(shì)，這與前述的道理一樣。因此鼠籠三相異步電動(dòng)機(jī)磁通勢(shì)的關(guān)系也為F?+F?=F?鼠籠轉(zhuǎn)子根7

籠條，相數(shù)為

，每相繞組匝數(shù)為1/2,繞組系數(shù)為1。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系、折合算法、等效

電路及時(shí)空相矢量圖也與線繞式異步電動(dòng)機(jī)類(lèi)同。7.5

三相異步電動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩7.5.1

功率關(guān)系電磁功率也可表示為Pu=3EI?cosq?=m?E?I?cosq?

。轉(zhuǎn)子繞組的銅秏為Pc=31?R?=sPm電磁功率減去轉(zhuǎn)子繞組的銅秏，就是等效電阻

上的損耗，這部分損耗就是傳輸給轉(zhuǎn)子軸上的機(jī)械功率，用P.表示

為Pm=P-Pca?三相異步電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，從電源輸入的功率為P?=3U?

I?cosqn,

定子銅秏為Pcu=3IR?。正常運(yùn)行時(shí)由于轉(zhuǎn)子

頻率很低，其鐵耗略而不計(jì)，則電機(jī)鐵耗為Pr

。=Pra=3GR

。。由圖7.23所示的等效電路可知，傳給轉(zhuǎn)子的電磁功率為=(1—s)PM軸承及風(fēng)阻等摩擦轉(zhuǎn)矩用P…表示，諧波附加損耗用P。表示，則轉(zhuǎn)軸上的實(shí)際輸出功率為P?=Pm-p-p

。

(7-11)可見(jiàn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，從電源輸入功率P?

到轉(zhuǎn)軸上的輸出功率P?

的全過(guò)程為

P?=P?-pca-Pre-Pc?-Pm—P,其功率流程如圖7.26所示。圖7.26

異步電動(dòng)機(jī)功率流程圖從上所述，異步電機(jī)運(yùn)行的電磁功率、轉(zhuǎn)子銅秏和機(jī)械功率之間存在如下關(guān)系Pm:pc:Pm=1:s:(1-s)

(7-12)上式說(shuō)明，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，若

大，效率一定不高。式兩邊除以角速度2得

T?=T-T式中為空載轉(zhuǎn)矩，

T?

為輸出轉(zhuǎn)矩。式中Ω?

為同步角速度，用機(jī)械角表示。電磁轉(zhuǎn)矩T

與電磁功率Pm

的關(guān)系為7.5.2

轉(zhuǎn)矩關(guān)系(7-13)式中

為常數(shù)，叫轉(zhuǎn)矩系數(shù)。當(dāng)磁通單位為wb,電流單位為A

時(shí)，上式轉(zhuǎn)矩單位為N·m。上式說(shuō)明，電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙每極磁通和轉(zhuǎn)子電流的有功分量成7.5.3

電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式電磁功率P除以同步角速度Ω

,得電磁轉(zhuǎn)矩T正

比。7.6三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性7.6.1

機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系為忽略勵(lì)磁電流(即勵(lì)磁支路開(kāi)路),則轉(zhuǎn)子,將此式代入上式得電流為(7-14)7.6.2

固有機(jī)械特性1.固有機(jī)械特性曲線三相異步電動(dòng)機(jī)在電壓、頻率均為額定值不變，定、轉(zhuǎn)子回路不串入任何電

路元件時(shí)的機(jī)械特性稱(chēng)為固有機(jī)械特性。

如圖7.27所示。圖中1為正相序機(jī)械特

性曲線，2為負(fù)相序機(jī)械特性曲線。前式為機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式。固定U?

,fi

及阻抗參數(shù)，所畫(huà)成的T=f(s)

曲線稱(chēng)為T(mén)s。圖7

.

27

固有機(jī)械特新由圖可知，異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性有如下特點(diǎn)：(

1

)

在

0<s≤1即

n<n≤0的范圍內(nèi)，特性在第

I象限

，T

與n同方向，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。(

2

)

在

s<0

的范圍內(nèi)，n>n,

特性在第Ⅱ象限，

電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電磁功率也為負(fù)值，工作在發(fā)電狀態(tài)，見(jiàn)圖7.28(a)。(

3

)

在S>1范圍內(nèi)，

n<0,特性在第IV

象限

，T>0,也是一種制動(dòng)狀態(tài)，如圖7.28(b)

所示。在第一象限的特性上，

B

為額定工作點(diǎn)；

A為理想空載運(yùn)行點(diǎn)；C為電磁轉(zhuǎn)矩最大點(diǎn)；

D為啟動(dòng)點(diǎn)。2.

最大電磁轉(zhuǎn)矩

則求得最大電磁轉(zhuǎn)矩為(a)圖7

.28三相異步

電動(dòng)機(jī)制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩(7-15)(b)即發(fā)電機(jī)狀態(tài)和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的最大電磁轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值近似相等，臨界轉(zhuǎn)差率也近似相等，機(jī)械特性具有對(duì)稱(chēng)性。最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定電磁轉(zhuǎn)矩的比值稱(chēng)為過(guò)載倍數(shù)，用λ表示為

通常Ri

值占(X?+X?)2值得比例很小，若忽略其影響則有最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為臨界轉(zhuǎn)差率，為(7-16)3.堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，

n=0,S=1

的電磁轉(zhuǎn)矩叫堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。將

S=1代入

(7-17)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比值稱(chēng)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，用Kr

表示。即電機(jī)都能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。在Sa<S<1

的范圍，只有泵類(lèi)負(fù)載滿(mǎn)足T=T.處，件時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行，4.

穩(wěn)定性問(wèn)題在機(jī)械特性0<S<S的范圍，無(wú)論恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載還是泵類(lèi)載，的條7.6.3

人為機(jī)械特性1.

降低定子端電壓的人為機(jī)械特性由于異步電動(dòng)機(jī)在額定電壓下已接近飽和，故只討論電壓下降時(shí)的人為機(jī)械特性。其特性特點(diǎn)如下：(1)同步轉(zhuǎn)速與電壓無(wú)關(guān)，因此不同電壓的機(jī)械特性有共同的理想空載運(yùn)行點(diǎn)。(2)據(jù)式(7-14)各點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，包括最大轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。(3)最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率5m

與電壓無(wú)關(guān)。降低電壓的人為機(jī)械特性見(jiàn)圖7-29。注意，在額定負(fù)載時(shí)將低電壓會(huì)使電流、銅秏增大，可能燒毀電機(jī)；而在輕載時(shí)降低電壓運(yùn)行，則可減少鐵耗，可節(jié)能。圖7

.30定子串三相對(duì)

稱(chēng)電阻的人為機(jī)械特性圖7

.29改變定子電壓的人為機(jī)械特性2.定子回路串接三相對(duì)稱(chēng)電阻的人為機(jī)械特性從式(7-15)、式(7-17)和式(7-7)可知，最大轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)率都隨電阻增大而減??；其同步轉(zhuǎn)速不受影響。

其機(jī)械特性如圖7.30所示。3.

定子回路串三相對(duì)稱(chēng)電抗的人為機(jī)械特性與串三相對(duì)稱(chēng)電阻的特性相似，其n?

不變，T。,T、及

m

均減小，且不消耗有功功率。4.

轉(zhuǎn)子回路串入三相對(duì)稱(chēng)電阻的人為機(jī)械特性由式(7-15)可知，轉(zhuǎn)子串入電阻后，最大轉(zhuǎn)矩不變，而臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比，即5mCRc

(R?+R)。R

的串入電阻。轉(zhuǎn)子回路串電阻并不影響同步轉(zhuǎn)速n,其機(jī)械特性如圖7.31所示。由圖可知轉(zhuǎn)子串電阻適當(dāng)，可使即

Ts=Tm,

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩。式中R'=k.k,R

。。若串入電阻過(guò)大，反使得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降。圖7.31轉(zhuǎn)子回路穿對(duì)稱(chēng)

三相電阻的人為機(jī)械特性7.6.4機(jī)械特性的實(shí)用公式1.實(shí)用公式因異步機(jī)參數(shù)不易得到，式(7-14)使用不便，可根據(jù)名牌數(shù)據(jù)推導(dǎo)出實(shí)用公式。式(7-5)除式(7-

14)得

再將代入上式得當(dāng)已知銘牌數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)額定功率和額定轉(zhuǎn)速算出額定轉(zhuǎn)矩Tv,

近似認(rèn)為

Tx=T?x

,再?gòu)漠a(chǎn)品目錄中查得λ得

Tm=λT。

將額定點(diǎn)的sn

和

Tx等代入式(7-18)得解上式得

5m=sx(λ+/a2-1)至此就可運(yùn)用實(shí)用公式了。由于5m

約在0.1~0.2的范圍內(nèi)，總有

2sm《2,

可忽略，最后推得2.

如何使用實(shí)用公式,而式中的(7-18)考慮到額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),忽略

則式(7-

18)變?yōu)?/p>

,這是一線性了的實(shí)用公式，應(yīng)用在

s>s>0

范圍內(nèi)。將額定轉(zhuǎn)差率代入上式，得對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)差為：Sm=2λsN

。當(dāng)不知道銘牌額定點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，可將人為機(jī)械上任一已知點(diǎn)的T和

S

代入式(7-18),求出5m,過(guò)程如下：代入后得解上式得變換成圖7.32為其工作特性，分別敘述如下。7.7.1

工作特性的分析1.轉(zhuǎn)速特性n=f(P?)空載時(shí)，轉(zhuǎn)速接近同步速，隨負(fù)載加，轉(zhuǎn)速略微下降，使轉(zhuǎn)子電流增大，以獲7.7三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性及測(cè)試方法工作特性是指：在額定電壓下和額定頻率下，電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子電流、功率因數(shù)、

電磁轉(zhuǎn)矩、效率等與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。U?=Ux,f?=fx

時(shí)n,I?,cosqi,T,η=f(P?)。圖7.32三相異步

電動(dòng)機(jī)的工作特性即取較大的電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩。2.定子電流

l?

=f(P?

)空載時(shí)定子電流為勵(lì)磁電流，隨負(fù)載增大，轉(zhuǎn)速下降，定子電流也逐漸增大。3.

定子邊功率因數(shù)

cosφ

?=f(P?)空載時(shí)功率因數(shù)不超過(guò)0.2,隨負(fù)載增大，有功電流增加，功率因數(shù)變大，在額定負(fù)載附近達(dá)到最大，負(fù)載進(jìn)一步增大，轉(zhuǎn)差

率變大又使功率因數(shù)開(kāi)始減小。4.

電磁轉(zhuǎn)矩特性

T=f(P?

)異步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩方程為T(mén)=T?+T。,

考慮到輸出功率為P?=T?Ω,