第五章異步電機（二）第一節三相異步電動機運行時的電磁過程一、異步電動機負載時的物理情況

當三相異步電動機的定子繞組接到對稱三相電源時，定子繞組中就通過三相交流電流。若不計諧波和齒槽影響，這個對稱三相交流電流將在氣隙內形成按正弦規律分布、并且以同步轉速n0旋轉的旋轉磁動勢F1，由旋轉磁動勢F1建立旋轉的氣隙主磁場Bm。這個旋轉磁場切割定子、轉子繞組，分別在定子、轉子繞組內感應出定子電動勢和轉子電動勢。在轉子電動勢作用下轉子回路中有對稱三相電流流過。于是，在氣隙磁場和轉子電流的相互作用下，產生了電磁轉矩，轉子就順著旋轉磁場的方向轉動。2

三相異步電動機空載時，電磁轉矩只需克服很小的空載損耗，轉子轉速接近同步轉速n≈ns，可以認為旋轉磁場不切割轉子繞組，對應的轉子繞組電流很小，I2≈0，建立氣隙磁場的勵磁磁動勢就是定子繞組產生的三相合成磁勢。空載的情況下：n≈ns,I2≈03

當異步電動機從空載到負載瞬時，由于軸上機械負載轉矩的突然增加，原空載時的電磁轉矩無法平衡負載轉矩，電動機開始降速，旋轉磁場與轉子之間的相對運動加大，轉子感應電動勢增加，轉子電流和電磁轉矩增加，當電磁轉矩增加到與負載轉矩和空載制動轉矩相平衡時，電動機就以低于空載時的轉速而穩定運行。

當電機帶有機械負載后：n<ns,E2s增大，I2增大，轉子繞組電流也形成了磁動勢F2。4三相繞組基波磁勢合成圓形旋轉磁動勢三相異步電動機定子繞組的電動勢回顧5三相異步電動機定子繞組的電動勢回顧定子繞組6轉子繞組電勢為三相對稱電動勢，轉子繞組電流為三相對稱電流，轉子磁動勢F2是一種旋轉磁動勢。轉子繞組（一）轉子磁動勢分析7

如果相序為A-B-C的異步電動機定子電流所產生的旋轉磁場按逆時針方向旋轉，因為n<ns，旋轉磁場以ns-n的相對轉速逆時針方向切割轉子繞組，則轉子電流相序為a-b-c

。則轉子磁動勢F2的旋轉方向也按照相序a-b-c，即：按逆時針方向。1、轉子磁動勢F2的旋轉方向82、F2轉速的大小

轉子繞組內感應電動勢和電流的頻率為f2為轉差頻率，轉子電流形成的轉子磁動勢F2的旋轉方向與F1的旋轉方向相同，它相對于轉子的轉速為Δn，F2相對于定子的轉速應為其相對于轉子的轉速Δn再加上轉子本身的轉速n，等于ns，即F2與F1在空間保持靜止，兩者無相對運動9（二）磁動勢平衡轉子磁動勢F2與定子磁動勢F1相對靜止，得到合成磁動勢F1+F2負載時空載時電動機從空載到負載，定子繞組的感應電動勢的變化很小，差不多和電源電壓相平衡。所以，工程上可以近似認為于是10異步電動機的負載運行時的電磁關系（三）電磁關系11有效值相量表達式定、轉子的漏磁通在各自繞組中感應產生漏電動勢12二、基本方程式（一）磁動勢平衡方程式式中m1、m2為定子、轉子的相數；Im為對應于勵磁磁動勢的勵磁電流。勵磁電流負載電流令則異步電動機的電流比13（二）電動勢平衡方程式14RΩ為轉子繞組中的外加電阻15

Zm為表征鐵心磁化特性和鐵耗的一個綜合參數，稱為勵磁阻抗；Xm稱為勵磁電抗；Rm為反映鐵耗的勵磁電阻。定子漏電抗轉子漏電抗

和變壓器一樣，感應電動勢和漏電動勢作為電壓降來處理16令當n=0,s=1，f2=f1用表示轉子不動時轉子繞組內漏電動勢的有效值，如果轉子轉動，有效值為轉子轉動時的漏電抗X2s，等于轉子不動時的漏電抗X2與轉差率s的乘積轉子轉動時的感應電動勢E2s，等于轉子不動時的感應電動勢E2與轉差率s的乘積。17旋轉時異步電動機的電路異步電動機負載時的基本方程式列出如下18

為了更方便的分析異步電動機的運行特性。希望得到一個象變壓器那樣的等效電路，則必須進行兩次折算：一是頻率折算；二是繞組折算。從磁通勢平衡關系可知，轉子對定子的影響是通過轉子磁勢通來實現的。所以這兩種折算的原則和變壓器一樣，即折算前后F2不變以保證磁勢平衡關系不變及各種功率不變。第二節三相異步電動機的等效電路及相量圖一、異步電動機的等效電路19（一）頻率歸算頻率歸算——保持整個電磁系統的電磁性能不變，把一種頻率的參數和物理量換算成另一種頻率的參數和物理量。在這里，就是用一個具有定子頻率而等效于轉子的電路去代換實際轉子電路。所謂“等效”是指：1）進行代換后，轉子電路對定子電路的電磁效應不變。2）等效的轉子電路的電磁性能（有功功率、無功功率、銅耗等）必須和實際轉子電路一樣。當n=0,s=1，f2=f1，說明轉子頻率與定子頻率相等時，轉子是靜止的。因此，只要利用一個靜止的等效轉子電路來代替實際上旋轉的轉子電路，為此，將實際運行的轉子電流轉換成等效靜止的轉子電流。20若RΩ=0分子、分母同除以s以上兩式中的前者頻率為f2

，后者為f1，但電流的數值仍是相等的，因此頻率折算前后保證轉子磁動勢F2不變。模擬電阻，等效負載電阻轉子實際電阻實際的旋轉轉子軸上有機械損耗和機械功率輸出。頻率折算后，轉子靜止，沒有機械損耗和機械功率輸出，但電路中多了一個附加電阻。根據能量守恒關系，該電阻消耗的功率等效機械損耗和機械功率之和——總的機械功率。22繞組折算：用與定子繞組一樣的m1、N1和Kw1新轉子繞組等效代替實際參數m2、N2及Kw2的轉子繞組。但保證F2不變，功率關系不變。為了區別起見，將折算過的各量均用原符號加“’”來表示。（二）繞組歸算異步電動機的電流比由轉子磁動勢不變23由轉子總的視在功率不變式中由轉子銅耗和漏磁通儲能不變為電動勢比轉子繞組折算到定子繞組的規律是：單位為[A]的折算量等于折算前的量除以電流比ki；單位為[V]的折算量等于折算前的量乘以電動勢比ke；單位為[Ω]的折算量等于折算前的量乘以keki。2424繞組歸算后的定、轉子電路經過歸算后，定子、轉子的電動勢方程式磁動勢方程式勵磁支路的電動勢方程式25（三）異步電動機的等效電路26幾種異步電動機的典型運行情況1、空載運行2、額定負載下運行轉差率SN

大約為5%，轉子電路中的總電阻為轉子電阻R2’

的20倍左右，轉子電路基本上成為電阻性的，負載情況下的(-I2)比Im

大得多，所以定子的功率因數能達到0.8

~

0.85。轉子電路相當于開路情況，電流Im

滯后于外加電壓U1的相位差接近90°,所以異步電機空載運行時功率因數很低。273、起動時的情況附加電阻為零，起動電流很大，功率因數較低。4、異步發電運行轉差率為負，附加電阻也為負值。表示從轉子軸上輸入（而不是輸出）機械功率轉子機械功率輸入=轉子銅耗+傳給定子的電磁功率。285、電磁制動狀態運行

，附加電阻為負值，表示從轉子軸上輸入（而不是輸出）機械功率。轉子機械功率輸入+定子輸入電磁功率

=轉子銅耗29異步電機近似等效電路常把勵磁支路移到輸入端，使電路簡化為單純的并聯電路，這種等效電路稱為異步電動機近似的等效電路。注意：和變壓器情況不同，因為勵磁電流占總負載電流的比例并不很小，故勵磁支路只能前移，不能略去。（四）等效電路的簡化30二、異步電動機的相量圖31能量轉換關系功率關系第三節三相異步電動機的功率和轉矩一、功率轉換過程32二、功率方程式1.從定子繞組輸入電動機的功率2.一小部分消耗在定子電阻上的定子銅耗3.一小部分消耗在定子鐵心中的鐵耗4.余下的電功率經過氣隙磁場傳送到轉子，這就是異步電動機的電磁功率335.轉子繞組電阻上發生了轉子銅耗由于正常運行時轉差率很小，所以轉子的鐵耗可以略去不計。6.余下是使轉子產生旋轉運動的總機械功率7.扣除機械損耗和附加損耗最終為轉子軸上輸出凈機械功率P234因為機械功率等于相應的轉矩與機械角速度的乘積，所以對機械功率方程式三、轉矩方程式

兩邊除以轉子的機械角速度

Ω就可以得到穩態轉矩平衡方程式式中——電動機輸出的機械轉矩；——機械損耗轉矩；

——附加損耗轉矩；——空載轉矩；

——電磁轉矩。旋轉磁場對轉子做功的物理情況電磁轉矩既可以用轉子的總機械功率除以轉子機械角速度來計算；也可以用電磁功率除以同步角速度來計算。35四、電磁轉矩公式——轉矩常數36三相異步電動機的工作特性是指在U1=UN和f1=fN條件下，電動機的轉速n、定子電流I1、功率因數特性cos1、轉矩特性T、效率特性與輸出功率P2的關系。轉速特性n=f(P2)定子電流特性I1=f(P2)功率因數特性cos1=f(P2)

轉矩特性T=f(P2)效率特性=f(P2)

第四節三相異步電動機的工作特性及其測取方法37一、工作特性的分析1、轉速特性負載增大時，必使轉速略有下降，轉子電勢

E2s

增大，所以轉子電流

I

2

增大，以產生更大一點的電磁轉矩和負載轉矩平衡。因此隨著輸出功率

P2

的增大，轉速稍有下降，所以異步電動機的轉速特性為一條稍向下傾斜的曲線輸出功率變化時轉速變化的曲線

382、定子電流特性空載時P2=0，I20，I1=Im，隨著P2↑→n↓→I2

↑→I1↑393、功率因數特性(1)空載時定子電流I1

主要用于無功勵磁，所以功率因數很低，約為0.1~

0.2(2)負載增加時轉子電流的有功分量增加，定子電流的有功分量隨之增加，使功率因數提高。(3)接近額定負載時功率因數達到最大(4)負載超過額定值時s值就會變得較大，使轉子電流中得無功分量增加，因而使電動機定子功率因數又重新下降了。

404、電磁轉矩特性5、效率特性電磁轉矩特性近似為于一條斜率為1/Ω

的直線。當可變損耗等于不變損耗時，異步電動機的效率達到最大值。中小型異步電機的最大效率出現在大約為3/4的額定負載時。第五節三相異步電動機參數的測定通過空載試驗可以測定異步電動機的勵磁參數，異步電動機的勵磁參數決定于電機主磁路的飽和程度，所以是一種非線性參數；通過堵轉試驗可以測定異步電動機的堵轉參數,異步電動機的堵轉參數基本上與電機的飽和程度無關，是一種線性參數。

我們要利用異步電動機的等效電路定量計算和分析時，必須知道等效電路中的參數。與變壓器一樣，可分別通過空載試驗和堵轉試驗來測定。4142一、空載試驗與勵磁參數的確定1、空載試驗異步電動機在額定電壓、額定頻率下，軸上不帶任何負載運行。2、勵磁參數與鐵耗及機械損耗的確定空載試驗時輸入電動機的損耗有：定子銅耗、鐵耗和機械損耗從空載損耗中扣除定子銅耗，可得鐵耗和機械損耗之和1.機械損耗和鐵耗的分離43曲線作曲線延長線相交于直軸于oˊ點，過oˊ作一水平虛線將曲線的縱坐標分為兩部分。所以虛線下部縱坐標表示與電壓大小無關的機械損耗，虛線上部縱坐標表示對應于某個電壓U1

的鐵耗。由于可認為鐵耗與磁密平方成正比，因而鐵耗與端電壓平方成正比。由于機械損耗僅與轉速有關，空載狀態下電動機的轉速n接近ns

，可以認為機械損耗是恒值。繪制鐵耗與機械損耗之和與端電壓平方值的曲線。44空載時異步電動機的等效電路2.勵磁參數的確定勵磁電抗勵磁電阻短路試驗求取45二、堵轉試驗及堵轉時參數的確定堵轉時異步電動機的等效電路異步電動機的堵轉特性對異步電動機而言，堵轉是指

T

形等效電路中的附加電阻(1-s)R2'/s=0

的狀態，即電動