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1、4.1 三相异步电动机的基本工作原理 4.2 三相异步电动机的基本结构和铭牌 4.3 三相异步电动机的定子绕组和感应电动势 4.4 三相异步电动机的空载运行 4.5 三相异步电动机的负载运行 4.6 三相异步电动机的功率和转矩 4.7 三相异步电动机的工作特性 4.8 三相异步电动机参数的测定 思考与练习题,第 4 章 三 相 异 步 电 动 机,三相异步电动机的机电能量转换过程和直流电动机的相似, 不过异步电动机中的电磁功率却在定子绕组中发生, 然后经由气隙送给转子, 扣除一些损耗以后, 从轴上输出。异步电动机在能量转换过程中产生的一些损耗,其种类与性质也和直流电动机的相似。下面根据异步电动
2、机的 T 形等效电路说明其功率转换过程, 然后进一步推导其功率平衡方程式和转矩平衡方程式。,4.6 三相异步电动机的功率和转矩,异步电动机负载运行时, 由电源供给的从定子绕组输入的电功率为P1 , 从图4 - 24(b)所示的 T 形等效电路可以看出 , 1的一小部分消耗于定子电阻上的定子铜损耗 pCu1 , 还有一小部分消耗于定子铁心中的铁损耗 pFe , 余下的大部分电功率借助于气隙旋转磁场由定子传送到转子, 这部分功率就是异步电动机的电磁功率Pem。电磁功率Pem传递到转子以后 , 必伴生转子电流, 电流在转子绕组中流过 , 在转子电阻上又产生了转子铜损耗pCu2。 气隙旋转磁场在传递电
3、磁功率的过程中, 与转子铁心存在着相对运动, 理应在转子铁心中引起铁损耗, 但实际上由于电动机正常运行时, 转差率很小, 以致转子铁心中磁通变化的频率很低, 通常仅为13 Hz , 所以转子铁损耗可以略去不计。这样, 从定子传递到转子的电磁功率仅需扣除转子铜损耗 , 便是使转子旋转的总机械功率Pm 。总机械功率补偿了机械损耗 pm 和附加损耗 pad 后,才是轴上输出的净机械功率P2。,4.6 .1 功率转换过程,图 4 - 25 三相异步电动机的功率流程图,4. 6. 2 功率平衡方程式 根据上述功率转换过程 , 可建立功率平衡方程式如下：, 综上可得,三相异步电动机的效率为,(4-35),
4、另外, 由 T 形等效电路又可知,4. 6. 3 转矩平衡方程式 由于机械功率等于相应的转矩与机械角速度的乘积,把异步电动机的功率平衡方程式 Pm=P2+pm+ps 两边同除以转子的机械角速度, 就可以得到相应的稳态运行时的转矩平衡方程式为,即,(4-41),式中：T电动机的电磁转矩,T2电动机的输出机械转矩,T0电动机的空载转矩,只有满足转矩平衡关系,电动机才能以一定的转速稳定运行。稳态运行时,电动机的输出转矩2 也等于负载转矩 TL , TL和 T0 均为制动转矩,它们与驱动性质的电磁转矩T方向相反。 电动机在额定运行时, P2=PN , T2=TN , n=nN , 则,(4-42),从
5、上面我们已经知道了电磁转矩T=Pm /, 因为Pm=(1-s)Pem , 转子的机械角速度与旋转磁场的机械角速度1又有关系 , 即=2n/60=2n1(1-s)/60=(1-s)1 , 所以,（4-43）,例4. 4 有一台 Y 形连接的三相异步电动机 , PN=145 kW, UN=380 V , fN=50 Hz。额定运行时pCu2=3000 W , pm+pad=2000 W, pCu1+pFe=5000 W, cos =0.8。试求： (1) 额定运行时的电磁功率Pem、额定转差率sN、额定效率N和额定电流IN。 (2) 额定运行时的电磁转矩T、额定转矩 TN 和空载制动转矩T0 。
6、解 (1) 额定运行时的电磁功率,由式（4-39）可知额定转差率为,额定运行时的输入功率为,额定效率为,额定电流为,(2) 由于此电机是 6 极异步电动机,因此其同步转速 n1=1000 r/min。 额定转速为,额定运行时的电磁转矩为,额定转矩为,空载转矩为,4. 7 三相异步电动机的工作特性 异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频率时, 电动机的转速 n、定子电流 I1 、功率因数 、电磁转矩 T、效率 等与输出功率 P2 的关系 , 即U1=UN , f1 = fN时 , n、I1、 、T、= f ( P2 ) 。下面从物理概念上分析工作特性的形状。,图4-27 三相异步电动机的工作
7、特性曲线,1. 转速特性 n = f ( P2 ) 当异步电动机空载时 , P2=0 , I20 , 转子的转速接近于同步转速 , 即 nn； 当负载增加,即输出功率P2增大时, I2增大 , 必使转速略有下降。因为只有转速降低 ,才能使转子电动势 E2s 增大 , 从而使转子电流 I2增大 , 以产生更大的电磁转矩去和负载转矩平衡。所以三相异步电动机的转速特性是一条稍向下倾斜的曲线 , 如图4-27 所示 , 与并励直流电动机的转速特性极为相似 , 为硬特性。,2. 定子电流特性 I1=f ( P2 ) 根据异步电动机的定子电流方程式 可知,空载时, P2 = 0 , 0 , 此时定子电流几
8、乎全部为励磁电流 , 即 I1 I0 ； 随着负载的增加 , 即 P2 增大 , 转子转速下降 , 转子电流增大 , 定子电流 I1 及磁动势几乎随之成正比地增大 , 来抵消转子电流产生的磁动势 , 以保持磁动势关系的平衡； 当 P2 增大到一定数值时 , 由于转子转速下降较多 , 转差率较大 , 转子功率因数较低 , 这时平衡较大的负载转矩需要更大的转子电流 , 因而 I1 的增长比原先更快些。所以三相异步电动机的定子电流特性几乎是一条向上倾斜的直线 , 只是负载较大时 , 曲线开始向上弯曲 , 如图4-27 所示。,3. 功率因数特性 = f ( P2 ) 异步电动机空载时, P2 = 0
9、 , 定子电流几乎全部为励磁电流 , 主要用于建立旋转磁场,因此定子电流主要是感性无功分量 , 功率因数 很低 , 约为0.10.2；当负载增加 , 即 P2 增大时 , 转子电流的有功分量增大 , 定子电流的有功分量也随之增大 , 使功率因数 提高 , 在接近额定负载时 , 功率因数达到最高；由于在空载到额定负载范围内 , 电动机的转差率很小 , 而且变化也很小 , 所以转子功率因数角 几乎不变,但负载超过额定值时 , 转差率 s 就会变得较大 , 因此 变大 , 转子电流的无功分量增大 , 使定子电流的无功分量也随着增大,从而使电动机的功率因数 又重新下降。三相异步电动机的功率因数特性如图
10、4-27 所示。,4. 电磁转矩特性 T = f ( P2 ) 根据稳态运行时异步电动机的转矩平衡方程式T=T0+T2 及公式 T2= 9.55P2/n 可知 , 空载时, P2=0 , 电磁转矩约等于空载阻转矩 , 即 T0； 随着输出功率 P2 的增大 , 若转子转速 n 不变 , 则 T2 随 P2 成正比地增大 , T2 = f ( P2 )为过原点的直线。由于考虑到 P2 增大时, 转速n 略有降低 , 因此 T2 随 P2 的增大略向上偏离直线。因为空载阻转矩 T0 很小,而且在负载不超过额定值时, T0可认为基本不变 , 所以电磁转矩特性 T= f ( P2 )将比 T2= f
11、( P2)平行上移 T0 数值 , 如图4 - 27 所示。,5. 效率特性=f ( P2 ) 根据效率的定义 , 异步电动机的效率为,空载时, P2=0 ,=0；当负载增加但数值较小时, 可变损耗（pCu1+pCu2+pad）增加较慢 , 效率随负载的增加而迅速上升； 当负载继续增加时,可变损耗随之增大 , 直至可变损耗等于不变损耗（ pFe+pm )时 , 效率达到最高； 随后负载继续增加时, 可变损耗增加很快 , 效率开始下降。异步电动机的效率特性如图4-27 所示 , 和直流电动机的效率特性相似。对于中小型异步电动机 , 最大效率大约出现在额定负载的 时, 电动机容量越大 , 效率就越
12、高。,由此可见 , 效率特性曲线和功率因数特性曲线都是在额定负载附近达到最高 , 因此选择电动机容量时 , 应注意使其与负载相匹配 , 如果容量选得过小 , 则电动机长期过载运行 , 就会影响其寿命； 如果容量选得过大 , 则电动机长期轻载运行 , 功率因数和效率都较低 , 浪费能源。 上述异步电动机的工作特性曲线可以通过直接给异步电动机带负载测得 , 也可以利用等效电路经计算得出。,4. 8 三相异步电动机参数的测定 我们利用异步电动机的等效电路进行定量分析和计算时 , 必须知道等效电路中的参数。与变压器一样,这些参数可通过空载试验和堵转(短路)试验来测定。 4. 8 .1 空载试验 空载试
13、验的目的是通过测取异步电动机的空载电流 I0 及空载损耗 p0 分别与电动机空载电压 U0 的关系曲线,来确定电动机的铁损耗 pFe 和机械损耗 pm , 励磁参数rm 和 Xm 。,1. 空载试验 异步电动机的空载运行, 是指在额定电压和额定频率下,轴上不带任何机械负载的运行。空载试验接线图如图 4-28 所示, 试验是在电动机空载时进行的, 定子绕组上施 加额定频率的对称三相电压, 将电动机启动后, 先在额定电压下运转一段时间,使其机械损耗达到稳定值, 然后用调压器调节电动机的电源电压从约1.2UN 开始 , 然后逐步降低电源电压, 当电压降到使电动机转速发生明显变化时, 停止试验。此过程
14、共记录 79 组数据,每次记录空载电压U0（相电压）、空载电流 I0（相电流）、空载功率 p0（三相总功率）和转速。试验中应注意 , 记数开始后电压要单方向下调 , 并在额定点附近取点密一些 , 以保证试验的准确性。根据记录数据 , 画出异步电动机的空载特性曲线I0=f (U0)、p0= f (U0) , 如图 4-29 所示。,图 4-28 三相异步电动机的空载试验接线,图 4-29 三相异步电动机的空载特性曲线,2 铁损耗和机械损耗的分离 当异步电动机空载时,转子电流 I20 , 转子铜损耗可以忽略不计 , 输出功率为零 , 那么输入功率与定子空载铜损耗、铁损耗 pFe 和机械损耗 pm相
15、平衡,即,与变压器相比 , 异步电动机的空载电流较大 , 空载时的定子铜损耗不能忽略 , 同时转子旋转有机械损耗 , 因此求励磁电阻 rm 不像变压器那么简单 , 要先从空载损耗中分离出铁损耗来 , 步骤如下： ,首先从空载损耗中减去空载定子铜损耗 , 就可得铁损耗和机械损耗之和,其次 , 由于铁损耗与磁通的平方成正比,即与电压的平方成正比； 而机械损耗的大小仅与转速有关,与端电压的大小无关。因此,把不同电压下的机械损耗和铁损耗之和与端电压的平方值的关系绘成曲线 pFe+pm=f ( ) , 并把这一曲线延长到纵轴 U0=0 处 , 得交点a , 过 a 点作与横轴平行的虚钱 , 虚线以下部分
16、就是与电源电压大小无关的机械损耗 , 虚线以上部分就是与电压平方成正比的铁损耗 , 如图4-30 所示。,图 4-30 铁损耗和机械损耗的分离,图 4-31 三相异步电动机的空载等效电路,3 励磁参数的确定 空载时,转差率 s0 , T 形等效电路中的附加电阻 , 则等效电路呈开路状态,如图4-31 所示。根据这个等效电路,并由空载特性曲线上查得空载电压为额定相电压即U0= 时的空载电流 I0 和空载损耗 p0 , 以及从铁损耗和机械损耗的分离曲线上查得额定电压二次方对应的铁损耗 pFeN , 即可计算以下励磁参数。 空载阻抗,空载电阻,空载电抗 ,励磁电抗,上式中, X1可由短路试验求得。 励磁电阻,定子电阻,4. 8. 2 堵转试
