電機學ElectricalMachinery異步電機是使用最廣泛的一種交流電機，它主要用作電動機，以驅動生產機械和生活用具。電動機的轉速隨負載大小改變而略有改變，與電源頻率間沒有嚴格不變的關系。它也可以用作發電機，但性能遠較同步發電機差。異步電機的轉子電流是依據電磁感應原理由定子磁場感應產生的，所以也稱為感應電機。有三相和單相兩種。異步電機結構簡單、制造方便、堅固耐用、又有較高的運行效率和令人滿意的工作特性，從而獲得廣泛應用。其主要不足是不能經濟地在較寬的范圍內實現平滑調速，以及具有總是滯后的功率因數。第七章

三相異步電動機工作原理第八章

異步電動機功率、轉矩和運行分析第七章

三相異步電動機工作原理第八章

異步電動機功率、轉矩和運行分析第一節

異步電機基本知識第二節

三相異步電動機磁場及感應電動勢第三節

負載運行時基本方程式等效電路、相量圖一.

異步電動機基本原理異步電機結構上分成定子（固定不動的部分）和轉子（旋轉的部分）兩大部件，兩者之間存在著“氣隙”。異步電機定子上設置有三相對稱繞組，當接通三相電源后，三相電流產生的基波合成磁場是一個旋轉磁場。旋轉磁場轉速，其轉向取決于三相電流的相序。異步電機轉子上有三相或多相閉合繞組。轉子導體切割定子旋轉磁場產生感應電動勢，并產生感應電流。設和同相，則轉子帶電流導體在旋轉磁場中受電磁力f作用。各個導體的電磁力合成電磁轉矩M驅動轉子轉動，這就是異步電動機工作原理。設轉子轉速為n，則轉子導體與定子旋轉磁場相對切割速度：△n=n1-n，當n=n1時，△n=0，e2=0，i2=0，即轉子與旋轉磁場間無相對切割運動。所以n≠n1是異步電動機維持運行的必要條件。定義轉差率s：

s又稱滑差，它是表征異步電機運行狀態的一個基本變量。二.

異步電機的三種運行狀態(1)電動機運行狀態（0<n<n1，0<s<1）(2)發電機運行狀態（n>n1，-∞<s<0）(3)電磁制動運行狀態（n<0，1<s<+∞

）三.

異步電動機結構簡介(1)定子1.定子鐵心定子鐵心是電機磁路主要部分，由0.5mm厚的硅鋼沖片疊成整體，壓入機座內，沖片內圓上沖制有相同形狀的槽，用來安放繞組。2.定子繞組圖7-6三相異步電動機引出線(a)△接法；(b)Y接法定子繞組是電動機電路部分。小型異步電動機定子繞組由高強度漆包圓線繞成；中、大型電機使用矩形截面導線預先制好的成型線圈。每相繞組按一定規律連接，三相構成對稱繞組。圖7-6三相異步電動機引出線(a)△接法；(b)Y接法異步電動機主絕緣指：①對地絕緣----繞組與鐵心間絕緣；②相間絕緣----各相線圈間絕緣；③匝間絕緣----線圈的各線匝之間的絕緣。3.機座機座主要用來支撐定子鐵心和繞組。中、小型異步電機多采用鑄鐵機座，大型電機則采用鋼板焊接機座。(2)轉子1.

轉軸和轉子鐵心轉軸用來支撐和固定轉子鐵心并傳遞電磁轉矩給機械負載；轉子鐵心也是電機磁路的一部分，由0.5mm厚的硅鋼沖片疊壓成圓柱體，套裝在轉軸上。鐵心外圓上沖制有均勻分布的槽，用來嵌放轉子繞組。2.

轉子繞組轉子繞組分成籠型和繞線型。⑴

籠型轉子圖7-7籠型轉子(a)銅條籠型轉子；(b)鑄鋁籠型轉子有銅條轉子和鑄鋁轉子兩種；籠型轉子結構簡單，制造方便，經濟耐用，應用廣泛。⑵

繞線型轉子在轉子鐵心槽內，嵌放三相對稱繞組，繞組的三根出線接在轉軸上的三個滑環上，利用電刷與滑環的滑動接觸引出轉子電流。四.

異步電動機銘牌數據、額定值1.型號由漢語拼音字母、數字和符號組成。Y—112M—4異步電動機中心高mm（機軸中心到底腳平面的垂直距離）例：Y系列中、小型異步電動機Y-112M-4，其意義是：機座類別（L-長機座；M-中機座；S-短機座）極數2.額定值電動機按額定值運行稱為額定運行狀態。⑴額定功率PN和額定轉速nN⑵額定頻率fN⑶額定電壓UN⑷額定電流IN⑸額定效率ηN和額定功率因數cosφN3.銘牌上其他重要數據⑴絕緣等級與額定溫升QN⑵定子繞組接法⑶工作方式⑷防護等級第一節

異步電機基本知識第二節

三相異步電動機磁場及感應電動勢第三節

負載運行時基本方程式等效電路、相量圖一.空載運行時磁動勢及磁場異步電動機定子繞組與三相電源相接，轉軸上不帶任何機械負載“空轉”的運行情況，稱為空載運行。旋轉磁勢在電機內會產生旋轉磁通，根據磁通的性質和流通路徑將其分為主磁通和漏磁通。1.主磁通基波旋轉磁場產生的磁通經過定、轉子鐵心和兩段小氣隙，它屬于工作磁通，可同時匝鏈和切割定子和轉子繞組的磁通叫主磁通。轉子導體切割主磁通并在其中感生電流。導體感生電流在磁場中受到電磁力的作用而形成驅動轉矩，使電機旋轉。1.主磁通2.漏磁通定子繞組的漏磁通，它屬于非工作磁通，異步電動機的漏磁通有：①槽漏磁通：由槽的一壁橫越至槽的另一壁的漏磁通。②端部漏磁通：匝聯繞組端部的漏磁通。③諧波漏磁通諧波磁勢會產生諧波磁通。電機正常運轉時，諧波磁通不會產生有用的轉矩。盡管諧波磁通也能同時匝鏈定子和轉子繞組，也將其歸入漏磁通。二.主電動勢E1和激磁阻抗Zm因空載運行時，n=n1,所以E2=0,I2=0，所以空載運行時定子磁動勢F10基本上為產生氣隙主磁場的激磁磁動勢Fm，空載時電流就近似等于激磁電流Im，考慮鐵心損耗時，Im超前Bm鐵心損耗角αFe。當氣隙中主磁場以同步轉速旋轉時，Φm將在定子繞組中感應電勢E1,因在相位上E1滯后Φm90度，所以用向量表示有：當定子接入對稱三相電壓u1后，定子中便流過對稱三相電流(空載電流)產生一基波合成旋轉磁場。與變壓器分析一樣，把E1作為電壓降來處理，引入Zm。式中：Zm、xm、rm分別為激磁阻抗、激磁電抗、激磁電阻。⑴Zm表示電機主磁路磁化特性和鐵耗特性的綜合參數。⑵

xm是表征磁路磁化特性發熱參數，與主磁通Φm大小相對應。⑶

rm是表示電機磁路鐵特性的參數。三.漏電動勢和定子繞組漏磁電抗除產生Φm

外，定子電流還產生僅與定子繞組鉸鏈的漏磁通。將在定子繞組中感應漏電動勢。四.負載運行時轉子磁動勢F2當負載運行后，，出現。

F2也為旋轉磁勢。若定子旋轉磁場正向旋轉則轉子感應電動勢的相序為正序，轉子電流也為正序，也產生正向旋轉的磁動勢F2。

即F2與F1轉向相同，如定子旋轉磁場的轉速為n1，轉子轉速為n，此時定子旋轉磁場以的速度切割轉子，所以在轉子中感應電動勢的頻率：轉子電流產生的磁動勢F2相對于轉子的轉速為：而轉子本身有以n的速度旋轉，所以轉子磁勢相對于定子的轉速為：即無論轉子的實際轉速為多少，轉子磁勢F2和定子磁勢F1在空間的轉速總是等于n1，它們之間沒有相對運動。由于F1與F2相對靜止，就可以把F1和F2合成起來，所以異步電動機負載時在氣隙內產生的旋轉磁勢是定、轉子合成磁勢：（7-9）五.磁動勢平衡方程定子磁勢包含兩個分量：一個是產生主磁通的磁勢另一個是抵消轉子磁勢作用的分量，因Fm基本不變，當負載增加即F2增加時，F1也相應的增加以補償F2（即負載變化對定子的影響是通過F2起作用的）。磁動勢平衡關系可用電流形式表達。由磁動勢公式，有：令電流變比：則：（7-10）定子電流包含兩個分量：一個是激磁電流，用來產生電機激磁磁動勢，建立電機主磁場；另一個是定子電流的負載分量，用來產生，以便與轉子磁動勢去磁平衡。（7-10）第一節

異步電機基本知識第二節

三相異步電動機磁場及感應電動勢第三節

負載運行時基本方程式等效電路、相量圖一.負載運行時物理情況等效電路(Equivalentcircuit)法是分析異步電動機的重要手段。在異步電動機中，作出等效電路需要進行兩個折算：(1)轉子電路的頻率折算；(2)與定子方面具有同樣相數、匝數、繞組系數的轉子繞組折算。二.定、轉子電壓方程（7-11）1.定子電壓方程2.轉子電壓方程氣隙磁場在轉子繞組上引起的電動勢為：（7-12）漏磁通在轉子每相繞組中感應產生的漏磁電動勢為：（7-13）其中：轉子每相電壓方程：（7-14）負載運行時電動機定、轉子的電量頻率不同，相數和有效匝數也不同，定轉子電路間僅靠磁通耦合無電的直接聯系，可以用一個簡單電路來表示。三.折算1.

頻率折算頻率折算指在保持整個電磁系統的電磁性能不變的前提下，把一種頻率的參數及物理量換算成另一種頻率的參數及有關物理量。所謂繞組的折算，就是人為的用一個相數，匝數以及繞組系數和定子一樣的繞組去代替原來的轉子繞組，在折算中必須保證折算前后轉子的電磁效應不變。2.

繞組折算2.

繞組折算⑴電流的折算：折算前后磁動勢不變。⑵電動勢的折算：折算前后轉子側視在功率不變。⑶阻抗折算：折算前后損耗及磁場儲能不變。阻抗折算時應乘以kuki，即：阻抗折算后，轉子銅耗和磁場儲能不變。將m2相、N2Kw2匝的轉動轉子繞組折算成m1相、N1Kw1匝的靜止轉子時，應將轉子電動勢（電壓）乘以ku；轉子電阻變為r2/s，再乘以kuki；轉子電抗乘以kuki；則折算前后保證了物理情況不變。四.異步電動機T型等效電路和相量圖折算后基本方程式：等效電路是分析和計算感應電動機性能的有力工具。在給定參數和電源電壓的情況下，若已知s，則電機的轉速、電流、轉矩、損耗和功率均可用等效電路算出。圖7-17異步電動機相量圖圖7-17異步電動機相量圖五.簡化等效電路圖7-18簡化等效電路第七章

三相異步電動機工作原理第八章

異步電動機功率、轉矩和運行分析第一節

異步電動機功率及轉矩方程第二節

異步電動機轉矩——轉差率曲線第三節

異步電動機工作特性第四節

異步電動機啟動方法第一節

異步電動機功率及轉矩方程第二節

異步電動機轉矩——轉差率曲線第三節

異步電動機工作特性第四節

異步電動機啟動方法一.損耗及功率平衡方程輸入功率P1中扣除pCu1和pFe，得傳遞到轉子側的電磁功率：（8-1）電磁功率數值上等于轉子回路各等值電阻的損耗：其中：（8-2）式中：pCu2為轉子繞組的銅損耗；PM為模擬電阻上的損耗，稱為內機械功率。由（8-2）可推得：由（8-3）得：（8-3）考慮摩擦阻力、風阻等機械損耗和高次諧波等因素引起的附加損耗，電機軸上的輸出功率為：（8-4）總損耗計有以下幾項：（8-4）⑴銅損耗pCu：其大小與電流平方成正比；⑵鐵損耗pFe：主磁通引起，當U1不變時，pFe基本不變；⑶機械損耗：軸承摩擦、風阻等引起，其大小與電機轉速、摩擦系數等因素有關；⑷附加損耗pad：又稱雜散損耗，通常根據經驗估計。例如：大型電機pad≈0.5%PN；小型電機pad≈（1-3）%PN。功率流程及損耗關系為：電機運行效率為：令空載損耗，得：二.轉矩平衡方程則內機械功率以轉速n輸出的轉矩M為：（8-7）即：由于：（8-8）所以：三.電磁轉矩M的物理概念同步角速度可表示為：電磁功率可表示為：又：所以：（8-9a）（8-9b）式（8-9a）表示用轉子電流折算值時電磁轉矩的表示式；式（8-9b）表示用轉子電流實際值時電磁轉矩的表示式式（8-9a）和式（8-9b）表明：異步電動機電磁轉矩M大小與氣隙主磁通幅值和轉子電流有功分量二者乘積成正比。第一節

異步電動機功率及轉矩方程第二節

異步電動機轉矩—轉差率曲線第三節

異步電動機工作特性第四節

異步電動機啟動方法一.電磁轉矩與轉差率的關系——M-s曲線在電源電壓額定的情況下，電磁轉矩與轉差率之間的關系就稱為轉矩轉差率曲線，或曲線。由異步機等效電路：（8-10）（8-10）

M-s曲線時一條二次曲線，電動機運行段為s=1~0一段。⑴

s=1（n=0）時，M=Mst稱為啟動轉矩。⑵當n=n1（s=0）時，M=0，此刻轉子轉速與氣隙磁場同步，△n=0，所以e2=0，i2=0，稱為理想空載運行狀態。⑶當轉差s=sm時，電動機產生最大電磁轉矩Mm，通常sm=0.1~0.2。⑷電動機額定狀態運行時，sN=0.02~0.05，對應的電磁轉矩為額定轉矩MN。二.最大轉矩與啟動轉矩（8-11a）（8-11b）把sm代入（8-10）求得Mm：（8-11a）（8-11b）計及r1時，發電狀態時Mm值要略大于電動狀態時的Mm值。Mm的大小與以下因素有關：國家標準規定：一般三相異步電動機Km=1.6~2.2；起重、冶金專用異步電動機，Km=2.2~2.8。（8-13）（8-14）國家標準規定：一般異步電動機Kst=1.0~2.0；起重、冶金專用異步電動機要求啟動轉矩大的場合，Kst=2.8~4.0。三.異步電動機機械特性

轉速n改變，電動機輸出轉矩M相應改變，其函數關系n=f(M)稱為異步電動機的機械特性。機械特性處于第一象限時：0<s<1，0<n<n1為電動機運行狀態，M、n均有正值，轉子轉速n與氣隙磁場同步轉速n1同向，M為原動轉矩；機械特性處于第二象限時：s<0，n>n1，電磁轉矩為負值，即制動性質，電磁功率也是負值，所以是發電狀態；機械特性處于第四象限時：s>1，n<0

，電磁轉矩為正值，但轉速n反向，所以M為制動性質，是制動運行狀態；異步電動機U1、f1均為額定值，定轉子回路內不串入外電阻情況下獲得的機械特性稱為固有機械特性。改變外接電壓，或者定轉子回路串入外接電阻得到的機械特性稱為人為機械特性。四.異步電動機運行的穩定性問題圖8-9穩定運行條件分析恒轉矩負載ML與電動機機械特性相交于A、B兩點，該兩點處均滿足轉矩平衡條件，然而A點是穩定運行點，而B點運行卻不穩定。圖8-9穩定運行條件分析第一節

異步電動機功率及轉矩方程第二節

異步電動機轉矩——轉差率曲線第三節

異步電動機工作特性第四節

異步電動機啟動方法異步電動機運行時，必須從電網中吸收滯后的無功功率，因此它的功率因數總是小于1的。空載時，功率因數很低，不超過0.2。當負載增大時，定子電流中有功電流部分增大，從而使增大，在額定負載附近有最高值。當負載繼續增大，由于s值增大較多，會使轉子功率因數角變大，從而又使變小。第一節

異步電動機功率及轉矩方程第二節

異步電動機轉矩——轉差率曲線第三節

異步電動機工作特性第四節

異步電動機啟動方法一.籠型異步電動機啟動方法1.直接啟動將電源與電動機直接接通，又稱全壓啟動。（8-20）啟動時，同時電抗也會減小，所以Ist=(5~7)IN。這樣大的啟動沖擊電流引起供電網壓降，從而會影響同一供電網上其他電動機的工作。同時：⑴

啟動初s=1，轉子回路功率因數角大，小，所以啟動時轉子有功電流小。⑵啟動沖擊電流引起的定子漏阻抗壓降IstZ1很大，則電動勢較小，對應的值比正常運行減小很多。所以最初啟動轉矩很小。2.降壓啟動⑴

定子繞組串入電抗器啟動⑵自耦變壓器啟動⑶星形-三角形換接啟動圖8-15Y-△啟動原理接線二.繞線型異步電動