第四章 交流電動(dòng)機(jī)原理

第四章

交流電動(dòng)機(jī)及電氣控制

（交流電動(dòng)機(jī)工作原理）

概述

三相異步電動(dòng)機(jī) 異步電機(jī)單相交流電機(jī)異步發(fā)電機(jī) 同步發(fā)電機(jī)同步電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)同步調(diào)相機(jī)同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，也可用作電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)?，F(xiàn)代電力工業(yè)幾乎都是采用同步發(fā)電機(jī)。異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，可分為三相異步電動(dòng)機(jī)和單相異步電動(dòng)機(jī)兩類。三相異步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸業(yè)、國(guó)防工業(yè)中，有90％左右的電動(dòng)機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)。在電網(wǎng)總負(fù)荷中，異步電動(dòng)機(jī)占60％左右。

單相異步電動(dòng)機(jī)常用于使用單相交流電源的家用電器和醫(yī)療儀器中。

三相異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、堅(jiān)固耐用、維護(hù)方便、價(jià)格便宜、效率較高

。缺點(diǎn)：1.調(diào)速、起動(dòng)性能較差。隨著晶閘管元器件及交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，調(diào)速性能已大大改善。2.功率因數(shù)低。運(yùn)行時(shí)從電網(wǎng)中吸收感性無(wú)功功率，以建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使電網(wǎng)功率因素下降；受電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響較大。繼電-接觸器式控制是應(yīng)用最早的控制系統(tǒng)，它是由各種有觸點(diǎn)的接觸器、繼電器、按鈕、行程開(kāi)關(guān)等組成的控制電路。用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的控制；實(shí)現(xiàn)對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。盡管電力拖動(dòng)系統(tǒng)已向無(wú)觸點(diǎn)、連續(xù)控制、弱電化、微機(jī)控制方向發(fā)展，但由于繼電-接觸器控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足各種生產(chǎn)機(jī)械的不同的工藝過(guò)程，目前仍然廣泛應(yīng)用。

第一節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作

原理和結(jié)構(gòu)

一、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組是一個(gè)三相對(duì)稱繞組，若通以三相對(duì)稱交流電流，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。以兩極三相異步電動(dòng)機(jī)為例，如圖4-1所示。三相對(duì)稱繞組是指每相繞組的匝數(shù)、連接規(guī)律等相同，在空間布置上各相軸線相差120°空間電角度的繞組，線圈的首端分別為U1、V1、W1，尾端分別為U2、V2、W2。圖4-1兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)示意圖

三相對(duì)稱電流在時(shí)間上相差120°，其表達(dá)式為

規(guī)定：電流為正時(shí)，電流從線圈的首端(U1、V1、W1)流入，從線圈的尾端（U2、V2、W2）流出；電流為負(fù)值時(shí)則方向相反，從線圈的首端流出，而從線圈的尾端流入。用符號(hào)“”表示電流流入，“”表示電流流出。*根據(jù)右手螺旋定則來(lái)判斷三相繞組中電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的方向。三相基波合成磁場(chǎng)的特點(diǎn)：第一，三相基波合成磁場(chǎng)在空間是正弦分布，其軸線在空間是旋轉(zhuǎn)的——旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。其幅值恒定不變，是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。第二，當(dāng)某相電流達(dá)到最大值時(shí)，合成磁場(chǎng)的軸線也正好轉(zhuǎn)到該相的相軸上。因此，在三相繞組空間排序不變的條件下，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向由電流的相序決定。******若要改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向，只需將三相電源進(jìn)線中的任意兩相對(duì)調(diào)即可。

第三，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1（同步轉(zhuǎn)速）兩極電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為n1=60?(r／min)p=1四極電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為(r／min)p=2因?yàn)椋娊嵌?p×機(jī)械角度p—磁極對(duì)數(shù)

所以，三相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的一般表達(dá)式為(r／min)(4-1)圖4-2四極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)示意圖

定子繞組通入三相交流電流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流轉(zhuǎn)子電流與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)二、三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理

圖4-3三相異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)原理顯然，三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最終不會(huì)加速到等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。如果同步，轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流，也不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n總要略低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1，這就是異步電動(dòng)機(jī)的“異步”由來(lái)。

轉(zhuǎn)差(n1-n)是異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的必要條件，將轉(zhuǎn)差(n1-n)與同步轉(zhuǎn)速n1的比值稱為轉(zhuǎn)差率，用符號(hào)s表示，即(4-2)

轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)基本參數(shù)，它對(duì)電機(jī)的運(yùn)行有著很大的影響。

n=n1(1-s)異步電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其轉(zhuǎn)速與同步速同方向，但略低于同步速，所以電動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)差率s的范圍是：0～1。其中s=0，是理想空載狀態(tài)；s=1，是起動(dòng)瞬間。對(duì)普通的三相異步電動(dòng)機(jī)，為了使額定運(yùn)行時(shí)的效率較高，額定轉(zhuǎn)差率sN一般為0.02～0.06。因此當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率（即電流頻率）為50Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)不同極對(duì)數(shù)的同步速分別為：p=1，n1=3000r／min；p=2，n1=1500r／min；p=3，n1=1000r／min；p=4，n1=750r／min；

p=5，n1=600r／min

……。三、三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

機(jī)殼定子繞組轉(zhuǎn)子繞組1.定子定子鐵心2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心接線盒轉(zhuǎn)軸端蓋軸承

三相異步電動(dòng)機(jī)的分類：若按轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)分類有：籠型異步電動(dòng)機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)兩類?；\型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造、維護(hù)方便、成本低、運(yùn)行可靠；繞線轉(zhuǎn)子可通過(guò)外串電阻來(lái)改善起動(dòng)性能并進(jìn)行調(diào)速。若按機(jī)殼的防護(hù)形式分類有：防護(hù)式、封閉式和開(kāi)啟式。還可按電動(dòng)機(jī)容量的大小、冷卻方式等分類。

圖4-4封閉式三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

1．定子主要由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座等構(gòu)成。

(1)定子鐵心

定子鐵心是電動(dòng)機(jī)主磁路的一部分，并放置定子繞組。為了提高導(dǎo)磁性能和減少交變磁場(chǎng)在鐵心中的鐵心損耗，故采用片間絕緣的0.5mm厚的硅鋼片迭壓而成。定子鐵心及沖片的示意圖如圖4-5a、b所示。為了放置定子繞組，在鐵心內(nèi)圓開(kāi)有槽，槽的形狀有：半閉口槽、半開(kāi)口槽和開(kāi)口槽等。圖4-5定子鐵心及沖片的示意圖a)定子鐵心b)定子沖片圖4-6定子鐵心槽形和繞組分布示意圖a)半閉口槽b)半開(kāi)口槽c)開(kāi)口槽

(2)定子繞組

定子繞組是電動(dòng)機(jī)的定子電路部分，它將通過(guò)電流建立磁場(chǎng)，并感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。三相定子繞組的每相由許多線圈按一定的規(guī)律嵌放在鐵心槽內(nèi)，單層：如圖4-6a所示；雙層：如圖4-6b、c所示。三相繞組的六個(gè)出線端都引至接線盒上，首端分別為U1、V1、W1，尾端分別為U2、V2、W2。為了接線方便，這六個(gè)出線端在接線板上的排列如圖4-7所示，根據(jù)需要可聯(lián)成星形或三角形。圖4-7定子繞組的聯(lián)結(jié)a)星形聯(lián)接b)三角形聯(lián)接(3)機(jī)座

機(jī)座是電動(dòng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成部分，主要作用是固定和支撐定子鐵心還要固定端蓋。在中小型電動(dòng)機(jī)中，端蓋兼有軸承座的作用，則機(jī)座還要支撐電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，故機(jī)座要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。中小型電動(dòng)機(jī)一般采用鑄鐵機(jī)座，而大容量的異步電動(dòng)機(jī)采用鋼板焊接機(jī)座。2．轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組等所構(gòu)成。

(1)轉(zhuǎn)子鐵心

轉(zhuǎn)子鐵心也是電動(dòng)機(jī)主磁路的一部分，并放置轉(zhuǎn)子繞組。也用0.5mm厚的沖有轉(zhuǎn)子槽形的硅鋼片疊壓而成。

(2)轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸是支撐轉(zhuǎn)子鐵心和輸出轉(zhuǎn)矩的部件，必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。轉(zhuǎn)軸一般用中碳鋼車削加工而成，軸端銑有鍵槽，用來(lái)固定帶輪或聯(lián)軸器。(3)轉(zhuǎn)子繞組

作用是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、流過(guò)電流并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。按其結(jié)構(gòu)形式可分為籠型轉(zhuǎn)子和繞線轉(zhuǎn)子。①籠型轉(zhuǎn)子:在轉(zhuǎn)子鐵心的每個(gè)槽內(nèi)插入一根導(dǎo)體，在鐵心的兩端分別用兩個(gè)導(dǎo)電端環(huán)把所有的導(dǎo)條聯(lián)結(jié)起來(lái)，形成一個(gè)自行閉合的短路繞組。如圖4-8所示，稱為籠型轉(zhuǎn)子。對(duì)于中小型三相異步電動(dòng)機(jī)，籠型轉(zhuǎn)子繞組一般采用鑄鋁，將導(dǎo)條、端環(huán)和風(fēng)葉一次性澆鑄，如圖4-8b所示。大型三相異步電動(dòng)機(jī)則采用銅條籠型轉(zhuǎn)子，如圖4-8a所示。圖4-8籠型轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)示意圖a)銅條籠型繞組b)鑄鋁籠型繞組1-風(fēng)葉2-端環(huán)3-鋁導(dǎo)條

②繞線轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣，是對(duì)稱三相繞組。聯(lián)結(jié)成Y后，其三根引出線分別接到軸上的三個(gè)集電環(huán)，再經(jīng)電刷引出而與外部電路接通，如圖4-9a所示?？梢栽谵D(zhuǎn)子回路中串入外接的附加電阻或其它控制裝置，以改善三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能及調(diào)速性能。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)還裝有提刷短路裝置，如圖4-9b所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完畢而又不需調(diào)速時(shí)，可操作手柄將電刷提起切除全部電阻同時(shí)使三只集電環(huán)短路起來(lái)，其目的是減少電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中電刷磨損和摩擦損耗。圖4-9繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)示意圖a)接線圖b)提刷裝置1-定子2-轉(zhuǎn)子3-電刷4-集電環(huán)

3．氣隙三相異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，比同容量直流電動(dòng)機(jī)的氣隙要小得多，一般僅為0.2～1.5mm。氣隙的大小對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的性能影響很大。氣隙大，則磁阻大，由電網(wǎng)提供的勵(lì)磁電流(滯后的無(wú)功電流)大，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)降低。但是氣隙過(guò)小時(shí)，將使裝配困難，運(yùn)行不可靠；高次諧波磁場(chǎng)增強(qiáng)，從而使附加損耗增加以及使起動(dòng)性能變差。四、三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌

表4-l三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)Y112M-2編號(hào)××××4KW8.2A380V2890r/minLW79Db(A)接法△防護(hù)等級(jí)IP4450Hz××㎏ZBK2007-88工作制S1B級(jí)絕緣××年××月××電機(jī)廠

1．型號(hào)

Y

112M-2——規(guī)格代號(hào)，表示中心高112mm，中機(jī)座，兩極————產(chǎn)品代號(hào)，表示異步電動(dòng)機(jī)

YR

160S2-4

WF—特殊環(huán)境代號(hào)，W表示戶外用，F(xiàn)表示化工防腐用————規(guī)格代號(hào)，表示中心高160mm，短機(jī)座2號(hào)(長(zhǎng))鐵心，四極——————產(chǎn)品代號(hào)，Y表示異步電動(dòng)機(jī)，R表示繞線轉(zhuǎn)子

2．額定值額定值規(guī)定了電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)和條件，是選用、安裝和維修電動(dòng)機(jī)時(shí)的依據(jù)。異步電動(dòng)機(jī)的銘牌上標(biāo)注的主要額定值有：(1)額定功率PN指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，軸上輸出的機(jī)械功率(kW)。(2)額定電壓UN指額定運(yùn)行時(shí)，加在定子繞組出線端的線電壓(V)。(3)額定電流IN指電動(dòng)機(jī)在額定電壓額定頻率下，軸上輸出額定功率時(shí)，定子繞組中的線電流(A)。對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的額定功率與其它額定數(shù)據(jù)之間有如下關(guān)系式(4-3)式中cosN—額定功率因數(shù)；N—額定效率。(4)額定頻率?N表示電動(dòng)機(jī)所接的交流電源的頻率，我國(guó)電網(wǎng)的頻率(即工頻)規(guī)定為50Hz。(5)額定轉(zhuǎn)速nN指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率下，軸上輸出額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r／min)。(6)絕緣等級(jí)指電動(dòng)機(jī)內(nèi)部所用絕緣材料允許的最高溫升等級(jí)，它決定了電動(dòng)機(jī)的允許溫升。(7)接法用Y或Δ表示。表示在額定運(yùn)行時(shí)，定子繞組應(yīng)采用的連接方法。(8)工作制指電動(dòng)機(jī)按定額運(yùn)行時(shí)的持續(xù)時(shí)間。分為三種工作制：長(zhǎng)期工作制S1、短時(shí)工作制S2、斷續(xù)工作制S3。五、三相異步電動(dòng)機(jī)的主要系列簡(jiǎn)介新系列電機(jī)符合國(guó)際電工協(xié)會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)，具有國(guó)際通用性，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更高。我國(guó)生產(chǎn)的異步電動(dòng)機(jī)主要產(chǎn)品系列有:Y系列：是一般用途的小型籠型全封閉自冷式三相異步電動(dòng)機(jī)，取代了原先的JO2系列。額定電壓為380V，額定頻率為50Hz，功率范圍為0.55～315kW，同步轉(zhuǎn)速為600～3000r／min，外殼防護(hù)型式有IP44和IP23兩種。

該系列主要用于金屬切削機(jī)床、通用機(jī)械、礦山機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械等。也可用于拖動(dòng)靜止負(fù)載或慣性負(fù)載較大的機(jī)械，如壓縮機(jī)、傳送帶、磨床、錘擊機(jī)、粉碎機(jī)、小型起重機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械等。

YR系列：為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。用在電源容量小，不能用同容量籠型異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械上。第二節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路

三相異步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間只有磁的耦合，沒(méi)有電的直接聯(lián)系，它是靠電磁感應(yīng)作用，將能量從定子傳遞到轉(zhuǎn)子的。這一點(diǎn)和變壓器完全相似。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組相當(dāng)于變壓器的一次繞組，轉(zhuǎn)子繞組則相當(dāng)于變壓器的二次繞組。因此，可以用分析變壓器的基本方法來(lái)分析異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系。圖4-10異步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子電路

三相異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電路如圖4-10所示。與變壓器的區(qū)別在于：三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電路的頻率?1和轉(zhuǎn)子電路的頻率?2不相等。一、定子電路的分析

三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組接在對(duì)稱的三相電源上，轉(zhuǎn)子軸上不帶機(jī)械負(fù)載時(shí)的運(yùn)行，稱為空載運(yùn)行。此時(shí)的定子電流稱為空載電流，用表示。

1．主、漏磁通的分布

當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組通入三相對(duì)稱交流電時(shí)，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，該磁通勢(shì)產(chǎn)生的磁通絕大部分穿過(guò)氣隙，并同時(shí)交鏈定子、轉(zhuǎn)子繞組，這部分磁通稱為主磁通，用Ф1表示。其路徑為：定子鐵心氣隙轉(zhuǎn)子鐵心氣隙定子鐵心，構(gòu)成閉合磁路，如圖4-11所示。

圖4-11主磁通與漏磁通

由于主磁通同時(shí)交鏈定、轉(zhuǎn)子繞組而在其中分別產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和，起到轉(zhuǎn)換能量的媒介作用。除主磁通外的磁通稱作漏磁通，用Ф1σ表示。漏磁通只交鏈于定子繞組，而不交鏈于轉(zhuǎn)子繞組。由于漏磁通沿磁阻很大的空氣形成閉合回路，因此它比主磁通小很多。它僅在定子繞組上產(chǎn)生漏電動(dòng)勢(shì)，因此不能起能量轉(zhuǎn)換的媒介作用，只起電抗壓降的作用。

2．主、漏磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)

主磁通在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為(4-4)式中N1———定子每相串聯(lián)匝數(shù)。kW1——定子繞組的基波繞組因素,它反映了交流繞組采用短距和分布繞組后對(duì)基波電動(dòng)勢(shì)大小的影響。定子漏磁通在定子繞組中感應(yīng)的漏電勢(shì)可用漏抗壓降的形式表示，即(4-5)式中x1稱為定子每相漏電抗，x1=2?1L1,它是對(duì)應(yīng)于定子漏磁通的電抗。3．定子電壓平衡方程式根據(jù)基爾霍夫第二定律，得每相的定子電壓平衡方程式。(4-6)式中，Z1為定子繞組的漏阻抗，Z1＝r1+jx1。(4-7)式中，rm+jxm=Zm為勵(lì)磁阻抗，其中rm為勵(lì)磁電阻，是反映鐵心損耗的等效電阻；xm為勵(lì)磁電抗，反映主磁通的效應(yīng)。由于r1、x1較小，其電壓降與電動(dòng)勢(shì)比較，可忽略，于是或U1≈E1

二、轉(zhuǎn)子電路的分析

1．轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)的頻率感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率正比于導(dǎo)體與磁場(chǎng)的相對(duì)切割速度，故轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)的頻率為

?2=s?1(4-8)式中，?1為電網(wǎng)頻率，轉(zhuǎn)子電勢(shì)的頻率?2與轉(zhuǎn)差率s成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)(如起動(dòng)瞬間)時(shí)，n=0，s=l，則?2=?1，即轉(zhuǎn)子靜止時(shí)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)頻率與定子感應(yīng)電勢(shì)頻率相等；當(dāng)轉(zhuǎn)子接近同步速(如空載運(yùn)行)時(shí)，n≈n1，s≈0，則?2≈0。異步電動(dòng)機(jī)在額定情況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，通常在0.02～0.06之間；若電網(wǎng)頻率為50Hz，則轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率僅在1～3Hz之間，很低。2.轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

E2s=4.44?2N2kW2Ф1(4-9)若轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率?2=?1，故此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2為

E2=4.44?1N2kW2Ф1(4-10)得

E2s=sE2(4-11)上式表明：轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也與轉(zhuǎn)差率s成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，s=1，主磁通切割轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度最快，此時(shí)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)最大。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加時(shí)，轉(zhuǎn)差率將隨之減小。因正常運(yùn)行時(shí)，s很小，故轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)也就很小。3．轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗由于電抗與頻率成正比，故轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組漏電抗x2s為

x2s=2?2

L2=2?1sL2=sx2(4-12)式中，x2為轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)的漏電抗，

L2為轉(zhuǎn)子繞組的每相漏電感。上式表明：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組漏電抗也正比于s。同樣，在轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)(如起動(dòng)瞬間)時(shí)，s=l，轉(zhuǎn)子繞組漏電抗最大。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而減小。4．轉(zhuǎn)子繞組的電流

由于轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子繞組漏電抗都隨s的變化而變化，故轉(zhuǎn)子繞組電流I2s也與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，即(4-13)上式說(shuō)明:轉(zhuǎn)子電流隨s的增大而增大。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，s=1為最大，轉(zhuǎn)子電流也為最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，s減小，轉(zhuǎn)子電流也隨之減小。5．轉(zhuǎn)子繞組功率因數(shù)(4-14)

上式說(shuō)明:轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)也與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)。當(dāng)s=0時(shí)，cos2=1；當(dāng)s增加時(shí)，cos2則減小。圖4-12轉(zhuǎn)子各電磁量與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系

三、三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路

因定、轉(zhuǎn)子電路的頻率不同，必須進(jìn)行兩次折算：一是頻率折算；二是繞組折算。

1．頻率折算

將頻率為?2的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電路折算為與定子頻率?1相同的等效靜止轉(zhuǎn)子電路，稱為頻率折算。因?yàn)檗D(zhuǎn)子靜止不動(dòng)時(shí)，s=l，?2=?1。所以，只要利用一個(gè)靜止的等效轉(zhuǎn)子電路來(lái)代替實(shí)際上旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子電路；或者說(shuō)，將實(shí)際上轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子電路折算為靜止不動(dòng)的等效轉(zhuǎn)子電路，便可達(dá)到頻率折算的目的。將下式實(shí)際運(yùn)行的轉(zhuǎn)子電流(4-15)分子和分母同除以轉(zhuǎn)差率s，則得靜止的轉(zhuǎn)子電流(4-16)以上兩式的電流的數(shù)值是相等的，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角2=arctanx2s／r2=arctan(sx2／r2)的大小也相等，由于頻率折算前后，轉(zhuǎn)子電流的數(shù)值未變、相位未變，所以F2的大小、相位未變；同時(shí)F2的轉(zhuǎn)速是同步速，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。

將等效轉(zhuǎn)子電路中的等效電阻r2/s分解為兩項(xiàng)，即：r2和r2(1-s)/s。第一項(xiàng)的r2為轉(zhuǎn)子繞組的實(shí)際電阻；第二項(xiàng)的r2(1-s)/s稱為模擬電阻，它與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，故又稱為等效負(fù)載電阻。等效負(fù)載電阻r2(1-s)/s上消耗的電功率為，實(shí)際上就相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)軸上產(chǎn)生的總機(jī)械功率PMEC。2．繞組折算

(1)電流的折算由保持轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)F2′=F2不變的原則，可得折算后的轉(zhuǎn)子電流為(4-17)式中ki=——電流比。(2)電動(dòng)勢(shì)的折算根據(jù)折算前后傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)的視在功率不變?cè)瓌t，可得折算后的轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)為

E2′=ke

E2(4-18)式中ke=——電壓比。(3)阻抗的折算由折算前后轉(zhuǎn)子銅耗不變的原則，可得

r’2=kike

r2同理，由折算前后轉(zhuǎn)子電路的無(wú)功功率不變，可得

x’2=kikex2(4-19)綜上分析可知，轉(zhuǎn)子電路向定子電路進(jìn)行繞組折算的規(guī)律是：（1）轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)、電壓乘以電壓比ke；（2）轉(zhuǎn)子電流除以電流變比ki；（3）轉(zhuǎn)子電阻、電抗乘以電壓比與電流比之積（阻抗比）kike。

3．T型等效電路

圖4-13異步電動(dòng)機(jī)折算后的等效電路

從這個(gè)等效電路中，得到異步電動(dòng)機(jī)的基本方程式為:

(4-20)由等效電路分析可知：(1)當(dāng)轉(zhuǎn)子電路堵轉(zhuǎn)時(shí)，n=0，s=1，則附加電阻r2′(1-s)/s=0，總機(jī)械功率PMEC=0，此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)處于短路運(yùn)行狀態(tài)，定、轉(zhuǎn)子電流均很大。(2)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速趨于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，nn1，s0，則r2′(1-s)/s，等效電路近似開(kāi)路，轉(zhuǎn)子電流很小，相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行。4．簡(jiǎn)化的等效電路圖4-14異步電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化等效電路

為了減少誤差，需引入一個(gè)修正系數(shù)C1，經(jīng)推導(dǎo)，修正系數(shù)，對(duì)40KW及以上容量的異步電動(dòng)機(jī)，可取C1=1。簡(jiǎn)化為：（4-21）第三節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的功率

和電磁轉(zhuǎn)矩一、功率平衡和轉(zhuǎn)矩平衡1．功率平衡圖4-15異步電動(dòng)機(jī)的功率平衡關(guān)系圖

由電網(wǎng)供給電動(dòng)機(jī)的功率稱為輸入功率，

P1=3U1I1cos1

(4-22)式中U1、I1——定子繞組中的相電壓、相電流。定子電流流過(guò)定子繞組時(shí)，電流I1在定子繞組電阻r1上的功率損耗稱為定子銅損耗，(4-23)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子鐵心中還將產(chǎn)生鐵心損耗(因轉(zhuǎn)子頻率很低，1～3Hz，故轉(zhuǎn)子鐵心損耗很小，可忽略不計(jì))，其值可看作勵(lì)磁電流Io在勵(lì)磁電阻上所消耗的功率(4-24)

由氣隙磁場(chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)關(guān)系由定子傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)的電磁功率Pem，即

Pem=P1–(pCu1+pFe

)

(4-25)由等效電路可得(4-26)

轉(zhuǎn)子電流流過(guò)轉(zhuǎn)子繞組時(shí)，在轉(zhuǎn)子電阻r2上的功率損耗稱為轉(zhuǎn)子銅損耗，

(4-27)傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率扣除轉(zhuǎn)子銅損耗為總機(jī)械功率PMEC，即PMEC=Pem-pCu2(4-28)由等效電路可知，它就是轉(zhuǎn)子電流消耗在附加電阻r’2(1-s)/s上的電功率，即(4-29)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生軸承及風(fēng)阻等摩擦所引起的機(jī)械損耗pmec，另外還有由于定、轉(zhuǎn)子開(kāi)槽和諧波磁場(chǎng)引起的附加損耗ps?？倷C(jī)械功率PMEC扣去機(jī)械損耗pmec和附加損耗ps，是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，即

P2=PMEC-pmec-ps(4-30)可見(jiàn)異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，從電源輸入電功率P1到轉(zhuǎn)軸上輸出功率P2的總公式為

P2=P1-pCu1-pFe-pCu2-pmec-ps=P1-∑p

(4-31)式中∑p為電動(dòng)機(jī)的總損耗。

=P2/P1圖4-16異步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖可得分析異步電動(dòng)機(jī)特性的兩個(gè)重要公式：

pCu2=sPem(4-32)

PMEC=(1-s)Pem（4-33）它說(shuō)明了轉(zhuǎn)差率s越大，電磁功率消耗在轉(zhuǎn)子銅耗中的比重就越大，電動(dòng)機(jī)的效率就越低，異步電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行在s=0.02～0.06的范圍內(nèi)，其中絕大部分功率(1-s)Pem轉(zhuǎn)變?yōu)榭倷C(jī)械功率。同時(shí)也說(shuō)明，只要已知異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子銅耗和轉(zhuǎn)速，就可求出電磁功率Pem和總機(jī)械功率PMEC。

2．轉(zhuǎn)矩平衡方程式

當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，作用在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的有三個(gè)轉(zhuǎn)矩：(1)使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem;(2)由機(jī)械損耗和附加損耗所引起的空載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T0;(3)由電動(dòng)機(jī)所拖動(dòng)的負(fù)載的反作用轉(zhuǎn)矩T2。顯然Tem=T2+T0（4-34）其中：電磁轉(zhuǎn)矩Tem=PMEC/Ω（4-35）負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2=P2/Ω（4-36）空載轉(zhuǎn)矩T0=（pmec+ps）/Ω=p0/Ω（4-37）得*Tem=PMEC/Ω=(1-s)Pem/Ω=Pem/Ω1(4-38)式中Ω1=2n1/60rad/s——旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度，即同步角速度。注意：這一點(diǎn)是和直流電動(dòng)機(jī)有所區(qū)別的。二、電磁轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩是分析異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的一個(gè)重要參數(shù)，它有三種不同的表達(dá)式：物理表達(dá)式、參數(shù)表達(dá)式及實(shí)用表達(dá)式。1．電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式

(4-39)

式中CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。上式說(shuō)明：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩在磁通一定時(shí)，并不是與轉(zhuǎn)子電流I’2成正比，而是與轉(zhuǎn)子電流的有功分量I’2cos2成正比，這是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩一個(gè)很重要的性質(zhì)。2．電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達(dá)式

實(shí)際計(jì)算和分析感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，需要知道電磁轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系——參數(shù)表達(dá)式。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化等效電路，可得轉(zhuǎn)子電流（4-40）可得

（4-41）單位為N·m。上式表明了電磁轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)差率s之間的關(guān)系，也稱為Tem-s曲線方程。

第四節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性異步電動(dòng)機(jī)的工作特性是指在額定電壓和頻率運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、輸出轉(zhuǎn)矩T2、定子電流Il、功率因數(shù)cos1、效率與輸出功率P2之間的關(guān)系曲線。

一、轉(zhuǎn)速特性n=?(P2)當(dāng)電源電壓和頻率一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與輸出功率P2之間的關(guān)系曲線n=?(P2)稱為轉(zhuǎn)速特性曲線。由pCu2=sPem可得