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1、1,第六章 三相异步电动机的运行原理 及工作特性,2,第一节 转子不动时的异步电动机,一般异步电动机转子总是旋转的，转子不动是它的一种特殊情况，即电机处于堵转状态。此时，异步电动机的运行方式与变压器二次侧短路时的运行状态非常相似。其定子侧相当于变压器的一次侧，转子侧相当于变压器的二次侧，变压器的二次侧和异步电机的转子侧电动势、电流都是电磁感应产生的。其不同之处在于，异步电机三相合成磁动势为旋转磁动势，变压器为脉动磁动势；异步电机定、转子之间有气隙，空载励磁电流较大，而变压器一、二次绕组之间磁路无气隙，空载励磁电流较小；异步电机的绕组是分布绕组，而变压器的绕组为集中绕组。,3,定子绕组在外加电压
2、和内部感应电动势共同作用下，流过电流 ；转子绕组在转子电动势作用下，流过电流 ，整个电机处于电磁平衡状态。,当异步电动机定子三相绕组接到三相对称电源时，定子绕组中流过三相对称电流，在电机中建立旋转磁动势 ，产生以同步转速旋转的旋转磁场。该磁场同时切割定子绕组和转子绕组，并在其中感应电动势。因为转子绕组是闭合的，在转子感应电动势作用下，转子绕组中有电流流过，转子电流建立转子旋转磁动势。转子旋转磁动势的旋转方向与定子的旋转磁动势相同。转子不动时，转子感应电动势的频率 ，即转子感应电动势频率与定子电流频率相同。 因此，转子旋转磁场的速度 。可见，转子旋转磁动势和定子旋转磁动势在空间以同转向、同速度旋
3、转，即二者相对静止。,一、转子不动时异步电动机运行的电磁关系,4,二、电动势平衡方程,转子不动时，主磁通以同步转速切割定子和转子绕组，感应电动势，其有效值为：,同样，漏磁通也在绕组中感应漏电动势，与变压器类似，漏电动势用漏抗压降来表示，有：,5,定、转子回路电动势方程为：,6,三、磁动势平衡方程,，称为异步电机的电流变比；,，为定子绕组电流的负载分量。,7,四、转子绕组的折算,电流的折算,保持折算前后磁动势,2.电动势及电压的折算,保持折算前后电磁功率不变，有：,为电动势变比。,8,3.阻抗的折算 折算前后绕组的铜耗不变，有：,根据折算前后功率因数不变的原则，有：,9,经过折算后异步电机的基本
4、方程为：,10,五、等效电路,11,第二节 转子旋转时的异步电动机,当转子以转速 旋转后，电机主磁通仍以同步转速切割定子绕组，产生感应电动势，所以定子回路电动势平衡方程不变。而转子绕组以相对速度 切割主磁通，所以转子中感应电动势的频率、大小及漏抗都将发生变化。,、转子感应电动势,转子绕组感应电动势的频率为：,，称为转差频率。由于异步电动机在额定转速下运行时，转差率s很小，所以正常运行时，转子频率很低，为13Hz。,由于频率改变，所以转子感应电动势也变化，有效值为：,12,二、转子电动势平衡方程,因为转子回路不变，所以电动势方程形式不变，为：,此时，转子漏抗为：,三、磁动势平衡方程,转子旋转时，
5、磁动势平衡方程仍为：,13,频率折算的物理意义是：用一个静止的具有电阻为 的等效转子去代替电阻为 的实际旋转转子，等效转子与实际转子具有相同的转子磁动势。,四、频率折算,转子转动后转子电流为：,只要等效的静止转子满足 ，则完成了频率折算。,14,频率折算后，转子电阻分解为两项：,经过频率折算后，再考虑转子绕组的折算，最终得到异步电机的基本方程为；,15,五、等效电路,16,输入电动机的电功率 减去 和 后，余下的功率通过电磁感应传递到转子侧，为电磁功率,当电流流过定子绕组时，由于定子绕组有电阻，产生定子铜耗,第三节 异步电动机的电磁转矩及机械特性,、功率平衡方程,三相异步电动机稳定运行时，从电
6、源输入的电功率为：,异步电动机铁耗主要指定子铁耗，即：,17,电磁功率可以表示为：,也可表示为：,转子绕组的铜耗,附加电阻上的损耗,附加电阻上的损耗，这部分损耗实际上就是传递到电机转子上的机械功率，称为总机械功率，它是转子绕组中电流与气隙磁场共同作用产生的电磁转矩，带动转子旋转所对应的功率，有：,18,转子铜耗与电磁功率的关系：,总机械功率与电磁功率的关系：,19,二、转矩平衡方程,转子机械角速度,输出转矩,电磁转矩,与负载无关的空载转矩,20,，称为旋转磁场的同步角速度。,三、电磁转矩表达式 1. 物理表达式 利用异步电动机等效电路可知，电磁功率还可以表示为：,电磁转矩为：,21,2. 参数
7、表达式 物理表达式常用于定性分析，深入分析时并不方便，根据异步电动机等效电路可推导出电磁转矩的参数表达式（推导从略）如下：,，为异步电动机的短路电抗。,22,四、机械特性 当异步电动机电源电压恒定，电机参数已知时，可根据电磁转矩的参数表达式得到转差率s与电磁转矩T之间的关系曲线，即 曲线，称为异步电动机的机械特性曲线。,23,五、最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩 1. 最大电磁转矩,令,可求出产生最大转矩的转差率，称为临界转差率，为：,得到最大电磁转矩表达式：,24,定子绕组电阻很小，可忽略，这样，临界转差率和最大转矩公式可近似为：,讨论： 当电源频率和电机参数不变时，最大电磁转矩与电源电压的
8、平方成正比； 当电源电压和频率一定时，最大电磁转矩与短路电抗成反比； 最大电磁转矩与转子电阻无关，但临界转差率与转子电阻有关，转子电阻增大，临界转差率增大，T-s曲线的最大值向s增大方向偏移。,25,转子电阻对临界转差率的影响,26,2. 起动转矩,起动转矩（又叫堵转转矩）的大小决定了电动机的起动性能，将 代入电磁转矩计算公式，可求出起动转矩为：,讨论： 起动转矩与外加电压的平方成正比，电压减小，起动转矩成平方倍减小。 要增大起动转矩，可在转子回路串电阻，随着所串电阻的增大，起动转矩也增加。但是，随着转子电阻增加，转差率增大，转子铜耗也将增大。,27,要使电动机起动时有最大转矩，可令 ，则起动
9、转矩为最大转矩时转子回路所串的电阻应为：,3. 额定转矩,额定转矩是异步电动机带额定负载时输出的机械转矩，此时的转差率为额定转差率 , 可根据电动机铭牌标出的额定机械功率 和额定转速 求出，为,28,六、过载能力和起动转矩倍数 1. 过载能力,电动机带负载运行时，如果最大电磁转矩较负载转矩大得越多，电动机承受短时过载能力越强，将最大电磁转矩与额定电磁转矩之比称为过载能力，用 表示， 为：,如果电动机的负载制动转矩大于最大转矩，电动机将停转。为保证电动机不会因为短时过载而停转，要求电动机具有一定的过载能力。一般异步电动机的 ，特殊要求时 。,29,2. 起动转矩倍数 如果起动转矩太小，在一定负载
10、下电动机可能无法起动。起动转矩越大，电动机起动越容易。通常用 和 的比值来表示电动机起动转矩的倍数，为：,起动转矩倍数是电动机的又一个重要性能指标，我国生产的Y系列三相笼型异步电动机， 为1.22.4（中小型）和0.50.8（大中型）。,30,六、稳定运行问题,异步电动机稳定运行的条件为：,31,七、人为机械特性 三相异步电动机在改变电源电压、电源频率、定子极对数或增大定、转子阻抗的情况下， 所得到的机械特性称为人为机械特性。,1. 降低定子端电压的人为机械特性 在电磁转矩的参数表达式中，保持其它量都不变，只改变定子电压Us的大小。由于异步电动机的磁路在额定电压下工作于近饱和点，故不宜再升高电
11、压，所以只讨论降低定子电压Us时的人为机械特性。,32,2. 转子回路串三相对称电阻的人为机械特性 绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把三相对称电阻串入转子回路后再三相短路。转子回路串入电阻并不影响同步转速n1。又因为最大电磁转矩与转子回路电阻无关，即转子串入电阻后，Tm不变。由于临界转差率与转子回路电阻成正比，当转子串入电阻后sm增大。转子回路串三相对称电阻的人为机械特性如图9-4所示。,33,从图9-4看出，在转子回路中串入合适的电阻，可以增大起动转矩，当所串入的电阻满足,则有 ，即起动转矩为最大电磁转矩，其中 。但是若串入转子回路的电阻再增加，则 ， 。因此，转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而是有一个限度。,
