第十章 三相异步电动机的机械特性10

正常运行的异步电动机，其转子回路频率与定 子回路频率不一致，为了便于分析问题，通常把转 子回路参数折算成频率为工频的参数，并用上标 “ ’ ”加于区别。
三、异步电机的分析
1、异步电动机的电磁关系
U R1 I1 R1 U1 I1 1 e 1 F1 I1 N 1 1
2 r2 PT 3 E 2 I 2 cos 2 3 I 2 s pCu 2 3 I 22 r2 sPT P P p 3 I 2 1 s r (1 s ) P T Cu 2 2 2 T m s P2 Pm pm pad
三相异步电动机定子绕组接法
联接方式对电机参数的影响
U Ul V W V W Il UΦ IΦ Ul U Il IΦ
UΦ
星形接法：
三角形接法：
U l 3U I l I
U l U I l 3 I
2、转子成，外圆开槽，用于嵌放转子绕组。

两式中“+”为电动状态（特性在第Ⅰ象限）
“-”为制动状态（特性在第Ⅱ象限） 思考：电动状态与制动状态的最大转矩相等吗？
通常情况下 r12 ( x1 x )2 ，可忽略 r1，则有： 2
r2 sm x x 1 2 3 pU 12 T m 4f1 ( x1 x ) 2
福州大学电气学院
杨明发
§10-0
三相异步电动机的基础知识
一、三相异步电机的结构
三相异步电动机由定子(固定部分)和转 子(旋转部分)两个基本部分构成。 1、定子
定子铁芯：起导磁作用。0.35~0.5mm硅钢片冲制、 涂漆、叠压而成，内圆均匀开槽，用于嵌放定子三 相绕组。
定子绕组：起导电作用。漆包线绕制线圈，若干线 圈按一定规律连接成三相对称绕组，定子三相绕组 可以接成星形或三角形。 机座： 起支撑和固定作用。铸铁或钢板焊接而成。
绕线转子异步电动机转子绕组结构示意图
二、异步电动机的基本工作原理
1、旋转磁场 (1) 旋转磁场的产生
(2) 旋转磁场的转速 旋转磁场的转速称为同步转速，用n0表示。
60 f1 n0 ( r / min) p
由于我国电网频率 f1 固定为50Hz，极对数P只能为 整数，所以同步速只有固定的几种可能，常见的有：
4、转矩表达式
Pm (1 s ) PT Pm PT PT PT T (1 s ) 2n / 60 9.55 n 9.55 n 0 0 1 1 P2 P2 P2 9.55 T2 2n / 60 n T0 pm pad pm pad 9.55 pm pad 2n / 60 n
2n0 为同步机械角速度。 其中： 0 60
四、异步电动机的额定参数
1、额定功率PN：电动机在额定运行时，轴上输出的 机械功率，单位：W或kW。 2、额定电压U1N：电动机额定运行时，加在定子绕组 上的线电压，单位：V。 3、额定电流I1N：电动机在定子绕组上加额定电压、 轴上输出额定功率时定子绕组的线电流，单位：A。
r r 2 x x 2 2r2 1 1 1 2 2 r2 2 s r1 x1 x 2 s
r r 2 x x 2 2r2 1 1 1 2 2 r22 r2 2 s r1 2r1 2 x1 x 2 s s
转子功率因数：
cos 2
r2 / s / s )2 x 2 ( r2 2
转子功率因数随转速的增大而增大，低速运 行时转子功率因数很低，起动时大约在0.2左右。 接近同步速时转子功率因数接近1。
二、参数表达式
mI 22 r2 s mI 22 r2 s T 0 2n0 / 60 2f1 / p PT
定子
E1 气隙 m E 2 2 F2 I 2 N 2 I2 2 e 2
U R 2 I 2 R2
转子
2、异步电机的基本方程式及等效电路
U 1 E1 I 1 ( r1 jx1 ) E1 I 1 Z1 E I ( r jx ) I Z 1 m m m m m r2' ' ' ' E 2 I 2 ( jx 2 ) s ' E1 E 2 ' I1 I 2 I m
一、物理表达式
m1 E 2 I 2 cos 2 T 0 2n0 / 60 PT
m1 ( 2f1 N1k w1 m ) I 2 cos 2 2f1 / p pm1 N1k w1 m I 2 cos 2 2 CTJ m I 2 cos 2
注意：等效电路是某一相的等效电路，而不是整 台电机的等效电路。
异步电动机简化等效电路
从简化等效电路得：
I2
U1 / s r1 ) 2 ( x1 x ) 2 ( r2 2
3、功率平衡方程式： P1 3U1 I1 cos 1 pCu1 3 I12 r1 2 pFe 3 I m rm P P p p 1 Cu 1 Fe T
最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数，其值大 小反映电动机短时过载的极限：
Tm KT TN
一般异步电动机过载倍数 KT = 1.8 ~ 3.0。
结论：
1、最大电磁转矩Tm与电源电压U1平方成正比; 临界转差率sm与电源电压U1无关。
2、转子回路电阻越大，临界转差率sm越大；最 大电磁转矩Tm与转子电阻无关。 3、频率f1越高，最大电磁转矩Tm和临界转差率 sm越小；漏抗越大，最大电磁转矩Tm和临界转 差率sm越小；
P n0 1 2 3 4 3000 1500 1000 750 5 600 6 500
结论：改变电源频率或极对数可以改变气隙磁场 转速。
(3) 旋转磁场的方向 旋转磁场沿着U1→V1→W1方向旋转，与三相 绕组中的三相电流的相序L1→L2→L3是一致的。 结论：改变电源相序可以改变气隙磁场转向，从 而改变电机的转向。
绕组：起导电作用，分为鼠笼型和绕线型两种 。 相应的电机称为笼型转子异步电动机和绕线转子异 步电动机。
笼型绕组：用铝浇铸而成或用铜条焊接而成，所 有导条都通过端环自行形成闭合回路。
绕线型绕组： 铜线绕成的三相对称绕组， 星形 接法， 通过集电环引出，可自成回路也可通过外 电阻形成闭合回路。
绕线型转子的外形结构
2、三相异步电动机的转动原理 三相异步电动机的定子绕组接通三相交流电源 后，在电动机内部产生旋转磁场，转子在旋转磁场 的作用下就会转动起来。 启动时，转子静止， 磁场旋转，转子导体切割 磁场感应出电流；载流导 体与磁场作用产生电磁力 矩拖动转子旋转。 思考：转子转速能否达 到同步速？
3、转差率 由于需要有相对运动才能产生驱动转子旋转的 力矩，所以转子与气隙磁场之间总有一定的转差， 转差与同步速的比值称为转差率：s = ( n0 – n )/n0。 在同步速一定的情况下，转差率与转子转速之间的 关系是固定的，在很多情况下用转差率表示电机的 转速更方便于分析问题。
I2 U1 ( r1 r2 s ) 2 ( x1 x ) 2 2
3 pU r s T 2 2f1 r1 r2 s x1 x 2

2 1 2 2

在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩 T与转差率 s 之间的关系可用曲线表示如图所示。
起动瞬间电动机的电磁转矩称为起动转矩，用 Tst 表示，将 s = 1代入转矩表达式得：
3 pU 12 r2 Tst 2 2 2f1 r1 r2 x1 x 2


起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数， 用 Kst 表示:
Tst K st TN
很显然，只有Tst> TZ ，电动机才能起动。一般 异步电动机的 Kst = 1 ~ 2。
思考：所串电阻是否越大越好？ 此时再增大所串的电阻，起动转矩反而减小。
三、实用表达式
2 r2 2 2 r2 3 pU 1 2f1 r1 x1 x 2 s s T 2 Tm r r 2 x x 2 3 pU 1 4f1 1 1 1 2
一般情况下有：
sm 0.1～0.2 1 r1 r2
从转差率的定义可以看出，电机速度越低转差 率越大，通常情况下sN = 0.015~0.06，电动机起动 时 s = 1，空载运行时 s < 0.05。
4、转子回路的频率：
p n p( n0 n) pn0 n0 n f2 s f1 60 60 60 n0
电机刚起动时，转子回路频率与电网频率相同， 随着转速的升高，转子回路频率逐步降低。
令 dT/ds = 0，可以求得出现最大转矩时的转 差率，该转差率称为临界转差率，用 sm 表示：
sm
r2
r12 ( x1 x ) 2 2
将 sm 代入转矩表达式可以得到最大转矩Tm：
Tm
)2 4f1 r1 r ( x1 x2
2 1

3 pU
2 1
考虑到
sm
r2
)2 r ( x1 x2
2 1
r1 sm r2 2r2 r1 2 r 1 sm T 2 r1 sm sm s Tm r2 2 r2 r2 2 2 s 2 2r1 2 s r2 s s s sm m
4、额定频率f1N：我国规定电网工频为50Hz。
5、额定转速nN：电动机在定子额定电压、额定频率 下，轴上输出额定功率时的转子转速，单位：r/min。