《电机与电气控制》——三相异步电动机

第3章 三相异步电动机
转差率 通常，把同步转速n1和电动机转子转速n二者之差与同步转 速n1的比值称为转差率，也称为转差或滑差，用s表示，即
n1 − n s= n1
转差率是一个没有单位的物理量，它的大小反映了电动机 的各种运行情况。对于普通的三相异步电动机，为了提高 效率，经常设计成转子转速n略低于但很接近同步转速n1， 在正常运行时转差率一般在0.01～0.05之间。
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3.1.3 三相异步电动机的铭牌数据 型号 三相异步电动机的型号一般由大写的汉语拼 音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母 是根据三相异步电动机的全称选择有代表意义 的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成。
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额定值 和其他电机一样，三相异步电动机的机座上也有 一个铭牌，上面标注着电动机正常运行状态下的额 定数据，即额定值。
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3.3.2 等效电路 折算后的基本方程
折算后，三相异步电动机的基本方程组为
U 1 = − E1 + I 1 ( R1 + jX 1 ) • • • ′ ′ ′ ′ U ′2 = E2 − I 2 ( R2 + jX 2 ) • • E1 = −( Rf + jX f ) I 0 • • E ′2 = E 1 • • 1− s ′ ′ ′ U 2 = I2 R2 s • • • I 1 + I ′2 = I 0
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3.6.1 三相笼型异步电动机的启动 三相笼型异步电动机的启动方法主要有直接启 动和降压启动两种。 直接启动 直接启动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕 组直接接入额定电压的电网上，也称为全压启动。 直接启动时，启动电流很大，故一般选取熔体的额 定电流为电动机额定电流的2.5~3.5倍。这种启动方 法的优点是操作简便，启动设备简单。
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3.3 三相异步电动机的等效电路与相量图 3.3.1 折算 频率折算 频率折算的主要目的是用一个等效的静止转子电路代替实 际旋转的转子系统，使等效转子电路与定子电路具有相同的 频率。 在折算的过程中要遵守两个原则：一是保持转子磁动势不 变，二是保持转子电路的功率和损耗不变。设转子频率为f2 ， 定子频率为f1 。
电机与电气控制
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教学重点 三相异步电动机的结构、工作原理、等效电 路、功率和转矩、工作特性、等效电路、功 率和转矩、工作特性、机械特性表达式、调 速原理等。 教学难点 三相异步电动机的定子绕组的磁动势和电动 势计算、相量图、能耗转差调速。
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交流电机可分为同步电机和异步电机两大 类，异步电机是指运行时转子转速与旋转磁场 的转速不同步的电机。异步电机主要用做电动 机，来拖动各种生产机械。由于其具有结构简 单、使用方便、效率高等特点，因此在工业生 产、农业机械化、民用电器等方面应用广泛。
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降低定子电压的人为机械特性 由前面的分析可知，当降低定子电压U1时，电磁转矩Tem与 电压成正比的降低，sm和n1不变，最大转矩和启动转矩都随电 压的平方而降低，如图3-14所示。
图3-14 异步电动机降低定子电压时的人为特性
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转子串电阻时的人为机械特性 在绕线转子异步电动机中，通常在转子电路中串入三相对 称电阻，此时n1、Tm和最大转矩不变，sm与转子电阻成正比， 如图3-15所示。
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3.4.3 三相异步电动机的工作特性 三相异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频率运 行的情况下，电动机的转速n、定子电流I1 、功率因数 cosφ1、 电磁转矩Tem、效率η等与输出功率P2的关系，如图3-12所示。
图3-12 三相异步电动机的工作特性
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图3-11 异步电动机功率流程图
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3.4.2 三相异步电动机的转矩平衡
(1 − s ) Pem Pem Pem = = = = 2πn 2πn1 ω1 ω 60 60 Pmec
Tem
电磁转矩既可以用转子的总机械功率除以同步 机械角速度来计算，又可以用电磁功率除以同步机 械角速度来计算。
4.44m1 f1 N1k w1 ′ ′ = Φ0 I 2 cos ϕ 2 = CTΦ0 I 2 cos ϕ 2 2π
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参数表达式
′ m1 pU12 R2 / s Tem = ′ 2 ′ 2 2πf1 (R1 + R2 / s ) + ( X 1 + X 2 )
[
]
实用表达式
Tem 2Tm = s sm + sm s
■额定电压 ■额定电流 ■额定效率 ■额定功率 ■额定频率 ■额定转速
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3.1.4 三相异步电动机的主要特点与分类 三相异步电动机的特点 三相异步电动机的主要优点是结构简单，容 易制造，价格低廉，运行可靠，坚固耐用，运 行效率较高；三相异步电动机的主要缺点是功 率因数较低，通常总是小于1，启动和调速性 能差。
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三相异步电动机的分类 ■ 按转子结构可分为绕线型和笼型，其中笼 型三相异步电动机又包括单鼠笼型、双鼠 笼型和深槽式三相异步电动机。 ■ 按有无换向器可分为无换向器和换向器三 相异步电动机。 ■ 按电动机定子绕组上所加电压大小可分为 高压和低压三相异步电动机。
系
3.2.1 三相异步电动机的磁动势 由前面的介绍可知，在三相异步电动机中，实现能 量转换的前提是旋转磁场的存在。这种旋转磁场是 由三相对称电流产生的磁动势建立的，此磁动势是 总磁动势。总磁动势分为定子磁动势和转子磁动势 两种。
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定子磁动势 当三相异步电动机定子的三相对称绕组接到三相对称的电 源上时，定子所产生的磁动势是圆形旋转磁动势F1，其表达 式为 πx F1 ( x, t ) = F1 m cos(ωt − ) τ N 1 k W1 3 F1m = × 0.9 × I1 2 p1
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简化等效电路
由于图3-8中的T形等效电路是一个串、并联混合电路，计 算和分析时比较复杂，因此，在实际应用时常把励磁电流移 到输入端，这样电路就简化为单纯的并联电路，如图3-9所示。
图3-9 三相异步电动机简化等效电路
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相量图
由折算后的异步电动机的基本方程，可以画出相应的相量 图，如图3-10所示。
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T形等效电路 形等效电路
T形等效电路，如图3-8所示。
图3-8 三相异步电动机的T形等效电路
由等效电路和三相异步电动机的基本方程组可知，当 转子不转（如堵转或启动）时附加电阻为零，即总机械 功率为零；当转子的转速接近于同步转速时，等效电路 近似于开路，转子的电流很小，总机械功率也很小。
图3-15 绕线转子异步电动机转子串电阻时的人为特性
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3.6 三相异步电动机的启动
三相异步电动机的启动是指异步电动机定子绕组接 入电网后，转子从静止状态到稳定运行状态的过程。 一般中、小型异步电动机启动过程时间很短，通常 是几秒到几十秒钟。 一般情况下，异步电动机的启动要求有两点： 要求有足够大的启动转矩，以缩短启动时间。 要求有比较小的启动电流，以减小启动时供电线路 的电压降。
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3.1 三相异步电动机的基本知识 3.1.1 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机的结构和直流电动机基本相 似，主要由定子和转子两大部分组成，在定子 与转子之间有一定的气隙，如图3-1所示为笼 型三相异步电动机的结构示意图。
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图3-1 笼型三相异步电动机的结构示意图 1—转子绕组；2—端盖；3—转轴；4—定子绕组； 5—转子铁芯；6—定子铁芯；7—集电环；8—接线盒
由上分析可知，当三相异步电动机转子以转速n旋转时，定 子、转子的磁动势关系并没有改变，只是大小及相互间的相 位不同 。
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3.2.2 三相异步电动机的感应电动势
由于主磁通Φm与定子、转子绕组相交链，因此分别在定子、 转子绕组中感应出对称的定子电动势和转子电动势，其有效 值分别为
E1 = 4.44 f1 N1k W1Φm E2s = 4.44 f 2 N 2 k W2Φm
而定子电动势和转子电动势在相位上都滞后于主磁通90°， 所以它们的相量表达式分别为
E 1 = − j4.44 f1 N1k W1 Φ m • • E 2 s = − j4.44 f 2 N 2 k W2 Φ m
3.5 三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与 电磁转矩Tem或转差率s之间的函数关系，即n=f(Tem) 或n=f(s)。 3.5.1 机械特性的表达式 物理表达式
Tem ′ ′ ′ m1 E2 I 2 cos ϕ 2 m1 × 4.44 f1 N1k w1Φ0 I 2 cos ϕ 2 = = = 2πn1 f ω1 2π 60 p Pem
图3-10 三相异步电动机的相量图
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3.4 三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡和工作特性 三相异步电动机的功率平衡、 3.4.1 三相异步电动机的功率平衡 三相异步电动机定子绕组从电网吸收电功率并产生电磁功 率，转子向机械负载输出机械功率。电动机在实现机/电能量 转换的过程中，不可避免地会产生一些损耗。三相异步电动 机的功率流程图如图3-11所示。
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3.1.2 三相异步电动机的基本工作原理 旋转磁场的产生
旋转磁场是指极性与大小不变，且沿着一定方向以 一定速度旋转的磁场。当对称三相绕组中通入对称 的三相电流时，便会产生旋转磁场。