第5章異步電機

第五章

異步電機本章章節(jié)5.1概述5.2三相異步電動機的運行原理5.3三相異步電動機的運行特性5.4三相異步電動機的啟動與調速5.5單相異步電動機5.6特殊用途的異步電機異步電機(也叫感應電機)是一種定、轉子間靠電磁感應作用，在轉子內感應電流以實現機電能量轉接的交流旋轉電機。異步電機一般都用作電動機，在少數場合下，亦有用作發(fā)電機的。對于異步電機的研究先說明空載和負載時三相感應電動機內的磁動勢和磁場，然后導出異步電動機的基本方程和等效電路，接著分析它的運行特性和啟動、調速問題。主要研究內容異步電動機的特點及應用應用：廣泛，主要作電動機使用。如：機床；水泵；家用電器；優(yōu)點：結構簡單、運行可靠、制造容易、價格低廉、堅固耐用，有較高的效率和較好的工作特性。缺點：目前尚不能在較大范圍內平滑調速，其必須從電網吸受滯后的無功功率，增加了線損。5.1概述5.1.1基本類型和基本結構

按相數分（針對定子繞組上的電樞電源）：

單相（并非指電樞只有一相繞組，且轉子均為籠型）

三相（轉子有籠型和繞線式兩種）。按結構分類

籠型異步電動機：結構簡單，堅固，成本低，運行性能不如繞線式。

繞線式異步電動機：通過外串電阻改善電機的啟動，調速等性能。異步電機定子繞組定子鐵芯轉子機座籠型轉子鐵芯轉軸轉子繞組繞線式定子5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構一、定子機座

機座是電動機的外殼，支撐電機各部件，并通過機座的底腳將電機安裝固定。全封閉式電機的定子鐵芯緊貼機座內壁，故機座外殼上的散熱筋是電機的主要散熱面。中小型電機采用鑄鐵機座。大型電機一般采用鋼板焊接機座。5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構定子鐵芯

定子鐵芯是電機磁路的一部分，并起固定定子繞組的作用。為了增強導磁能力和減小鐵耗，定子鐵芯常選用0.5mm或0.35mm厚的硅鋼片沖制疊壓而成，片間涂上絕緣漆。定子鐵芯內圓均勻沖出許多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組。

5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構定子繞組

定子繞組是異步電動機的電路部分，其材料主要采用紫銅。小型異步電動機常采用三相單層繞組，大中型異步電動機常采用三相雙層短矩疊繞組形式，三相繞組的六個出線端子均接在機座側面的接線板上，可根據需要將三相繞組接成Y形或△形。

5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構二、轉子轉軸

其作用是固定轉子鐵芯和傳遞機械功率。為保證其強度和剛度，轉軸一般由低碳鋼或合金鋼制成。轉子鐵芯

是電機磁路的組成部分，并用來固定轉子繞組。鐵芯材料也用0.5mm或0.35mm厚的硅鋼片沖制疊壓而成，故通常用沖制定子鐵芯沖片剩余下來的內圓部分制作。轉子鐵芯固定在轉軸上，其外圓上開有槽，用來嵌放轉子繞組。5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構轉子繞組

①籠型轉子繞組

在轉子鐵芯的每一個槽中，插有一根裸銅導條，并在轉子鐵芯兩端槽口外用兩個端環(huán)將全部導條短接，形成一個自身閉合的多相繞組。中、小型異步電動機還常采用鑄鋁型轉子。5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構轉子繞組

②繞線式轉子繞組轉子鐵芯槽中，嵌放著三相對稱繞組，采用星形接法，即三相繞組的末端連在一起，三個首端分別接到轉子軸上三個彼此絕緣的滑環(huán)上。轉子繞組通過滑環(huán)和電刷可外串電阻以改善異步電動機的啟動和調速性能。5.1.1基本類型和基本結構風葉鐵芯繞組滑環(huán)軸承5.1.1基本類型和基本結構與籠型轉子相比較，繞線式轉子造價高，制造工藝和維修較復雜。因此，僅用于要求啟動轉矩大，啟動電流小和需要調速的場合。為了減小電刷磨損和摩擦損耗，繞線式異步電動機一般還裝有提刷短路裝置，在電動機啟動完畢而不需調速時，可將電刷提起并同時將3個滑環(huán)短接。轉子繞組通過滑環(huán)和電刷可外串電阻以改善異步電動機的啟動和調速性能。5.1.1基本類型和基本結構繞組式三相異步電動機接線示意圖5.1.1基本類型和基本結構5.1.1基本類型和基本結構三、氣隙定轉子之間的間隙，很小，0.2-1.5mm，對電機的性能影響很大。為了降低電機的空載電流和提高電機的功率，氣隙應盡可能小，但氣隙太小可能造成定、轉子在運行中發(fā)生磨檫。理論基礎：5.1.2基本工作原理三相異步電動機工作原理圖動態(tài)效果圖5.1.2基本工作原理基本電磁過程：定子三相對稱繞組通三相對稱電流→旋轉磁場，n1→轉子導體切割磁力線產生感應電勢→產生轉子電流→轉子導體受電磁力作用→形成轉矩→轉子同向轉動，n。轉差率5.1.2基本工作原理說明：n≠n1

，否則，不可能產生感應電勢。由于n≠n1，所以稱之為異步電機。轉子轉速n除與電網頻率有關外，還隨負載的變化而變動。轉差率s是表征感應電機運行狀態(tài)的一個基本變量。按照轉差率的正負和大小，感應電機有電動機、發(fā)電機和電磁制動三種運行狀態(tài)。5.1.2基本工作原理異步電機的三種工作狀態(tài)5.1.2基本工作原理啟動瞬間，n=0，s=1理想空載運行時：n=n1，s=0作為電動機運行時，s的范圍在0~1之間。轉差率一般很小，s=0.01~0.06。制動運行時，電磁轉矩方向與轉速方向相反，即n1與n反向，s>1發(fā)電運行時，n高于同步轉速n1，s<0。

5.1.2基本工作原理例1：有一臺50Hz的異步電動機，其額定轉速nN＝730r／min，試求該機的額定轉差率？解：s=(n1-nN)/n1

=

(750-730)/750=0.02667

注意：n1=60f/p，s=0.01~0.06，∴p=45.1.2基本工作原理三相異步電動機型號Y132S2-2電壓380V接法△容量7.5kW電流15A工作方式連續(xù)轉速2900r/min功率因數0.88溫升80℃頻率50Hz絕緣等級B重量×××××電機廠

產品編號×××

年

月5.1.3額定值5.1.3額定值額定電壓UN——電動機額定狀態(tài)運行時，定子繞組應施加的線電壓，單位為V或kV。額定電流IN——電動機額定狀態(tài)運行時，定子繞組流過的線電流，同時也是電動機長期運行所不允許超過的最大電流，單位為A。額定頻率fN——電動機額定狀態(tài)運行時，定子繞組應接電源的頻率，我國電網規(guī)定的工頻為50Hz。額定功率PN——電動機額定狀態(tài)運行時，軸上輸出的機械功率，單位為W或kW。

5.1.3額定值額定功率因數

——電動機額定狀態(tài)運行時，定子回路的功率因數。額定轉速nN——在額定電壓、額定頻率下，轉軸上有額定功率輸出時，電動機的轉子轉速，單位是r/min。額定效率ηN——電機在額定狀態(tài)運行時的效率。

對于三相異步電動機，有：

1.型號Y132M－4

磁極數(極對數p=2)同步轉速1500轉/分轉差率2.轉速:電機軸上的轉速(n)。如:n=1440轉/分5.1.3額定值3.額定電壓：定子繞組在指定接法下應加的

線電壓。說明：一般規(guī)定電動機的運行電壓不能高于或低于額定值的5％。線電壓AZBYXC線電壓ABCXYZ例：380/220Y/是指：線電壓為380V時采用Y接法；當線電壓為220V時采用接法。5.1.3額定值4.額定電流：定子繞組在指定接法下的線電流。如：

表示三角接法下，電機的線電流為11.2A，相電流為6.48A；星形接法時線、相電流均為6.48A?！?Y11.2A/6.48A5.1.3額定值如：5.額定功率：

額定功率指電機在額定運行時軸上輸出的功率（），不等于從電源吸收的功率（）。兩者的關系為：

其中籠型電機=72－93％UN和IN為額定線電壓和線電流5.1.3額定值

額定負載時一般為0.7~0.9，空載時功率因數很低約為0.2~0.3。額定負載時，功率因數最大。注意：實用中應選擇合適容量的電機，防止“大馬”拉“小車”的現象。6.功率因數(cos1)：P2PNcos15.1.3額定值5.1.3額定值7.接法接法指三相異步電動機的定子繞組的連接方式，有Y（星形）接線和△（三角形）接線兩種，使用時應按銘牌規(guī)定連接。

聯接方式：

Y/接法Y接法：

接法：ABCZXYABCZXYABCXYZAZBYXCABCXYZ接線盒：5.1.3額定值5.2三相異步電動機的運行原理本節(jié)以繞線式異步電動機為例，將運行方式分為轉子靜止時和轉子旋轉時，分別分析異步電動機的內部電磁關系，推導出電機的各類平衡方程和等效電路圖。感應電機中主磁通所經過的磁路5.2三相異步電動機的運行原理主磁通和漏磁通1）主磁通Φm：由定、轉子合成磁動勢產生的。作用：傳遞能量的媒介作用；路徑：定子—氣隙—轉子—氣隙—定子。2）漏磁通Φσ（

Φ1σ

和Φ2σ

）：不起傳遞能量的媒介作用，只起電抗壓降的作用；包括：槽部漏磁通、端部漏磁通。5.2三相異步電動機的運行原理端部漏磁槽漏磁5.2三相異步電動機的運行原理5.2.1轉子靜止時的異步電機一、轉子繞組開路轉子繞組中電流I2=0定子側通以三相對稱電流

基波旋轉磁勢

在定子繞組和轉子繞組中都會產生感應電勢定子電流

定子漏磁通

在定子繞組中感應漏電勢三相異步電動機轉子繞組開路時的電磁關系如下圖：5.2.1轉子靜止時的異步電機異步電動機轉子靜止時的工作原理與變壓器的工作原理的比較5.2.1轉子靜止時的異步電機5.2.1轉子靜止時的異步電機二、轉子繞組短路，轉軸被卡住定子側通以三相對稱電流

基波旋轉磁勢

在定子繞組和轉子繞組中都會產生感應電勢轉子繞組中電流I2≠0，轉子側三相對稱電流

基波旋轉磁勢

氣隙磁場由定、轉子電流共同建立定子、轉子電流

定子、轉子漏磁通

在定子、轉子繞組中感應漏電勢定子磁動勢F1的轉速為n1=60f1/p轉子感應電動勢和電流的頻率為f2=pn1/60=f1轉子磁動勢F2的轉速為n2=60f2/p=n1轉子磁動勢F2的轉向與定子磁動勢F1相同5.2.1轉子靜止時的異步電機結論：異步電動機轉子靜止時，定子磁動勢F1和轉子磁動勢F2同向、同速n1旋轉，在空間相對靜止。三、磁動勢平衡方程式定子磁動勢和轉子磁動勢都是旋轉磁動勢，且方向和速度相同，即在空間相對靜止，它們共同建立主磁通，故它們可以看成一個合成磁動勢，表示為（）。由于電源電壓不變，主磁通基本不變，所以負載時合成磁動勢（）與空載時磁動勢相等，即磁動勢平衡方程式為5.2.1轉子靜止時的異步電機5.2.1轉子靜止時的異步電機若略鐵損，則合成磁動勢F0與旋轉磁場Bm在空間同相位。其中此式說明F0用以產生旋轉磁場，負載分量F1L用以平衡轉子磁動勢F2。5.2.1轉子靜止時的異步電機F1與F2在空間的相角關系與I1、I2的關系一致。為了簡化分析，我們選F1與I1同相位，F2與I2同相位，F0與I0同相位，用I1、I2、I0三者在時間上的相位關系來表示F1、F2、F0在空間上的相位關系：同理三相異步電動機轉子堵轉時的電磁關系如下圖：5.2.1轉子靜止時的異步電機轉子靜止時，異步電動機的內部電磁關系與變壓器非常相似，定子繞組相當于變壓器的原邊繞組，轉子繞組相當于副邊繞組。定、轉子繞組也是由主磁通耦合起來，進行能量傳遞。對應主磁通，定子繞組感應的電動勢為，轉子繞組的感應電動勢為，和的頻率都等于電源頻率。5.2.1轉子靜止時的異步電機對應定子漏磁通，定子繞組感應的漏電勢為，對應轉子漏磁通，轉子繞組感應的漏電勢為。引入定、轉子漏電抗、后，有：5.2.1轉子靜止時的異步電機轉子靜止時定、轉子繞組各物理量5.2.1轉子靜止時的異步電機轉子靜止時的定、轉子電動勢平衡方程式：5.2.1轉子靜止時的異步電機五、轉子繞組的折算與變壓器的折算相似，將電機轉子繞組的m2、N2、kN2

折算成m1、N1、kN1的等效繞組。折算的原則：1）折算前后磁動勢不變；

2）折算前后功率不變5.2.1轉子靜止時的異步電機折算的方法：*電流：

*電勢：5.2.1轉子靜止時的異步電機*阻抗：

同理可得：

*折算前后功率因數不變

*折算前后公式形式不變5.2.1轉子靜止時的異步電機5.2.2轉子旋轉時的異步電機一、轉子繞組中電動勢和電流轉子轉動后，轉子繞組的電動勢和電流的頻率與轉子的轉速有關，它取決于旋轉磁場與轉子的相對速度。設轉子的轉速為n

，旋轉磁場與轉子的相對速度為n1-n

，故轉子電動勢和電流的頻率為轉子轉動后，從電路角度看，最主要不同之處在于轉子頻率隨轉速而變化了。它使轉子電動勢和漏電抗隨之變化。令表示轉動后的電動勢，表示轉動后的漏電抗，則：5.2.2轉子旋轉時的異步電機轉子轉動時定、轉子繞組各物理量5.2.2轉子旋轉時的異步電機轉子轉動后的定、轉子電動勢平衡方程式：5.2.2轉子旋轉時的異步電機三相異步電動機轉子旋轉時的電磁關系如下圖：5.2.2轉子旋轉時的異步電機二、定、轉子磁動勢的相對靜止關系定子磁動勢F1

的轉速為n1=60f1/p轉子感應電動勢和電流的頻率為f2=sf1轉子磁動勢F2相對轉子的轉速為n2=60f2/p=sn1轉子磁動勢F2的空間轉速為n2+n=n1結論：異步電動機轉子轉動時，定子磁動勢F1

和轉子磁動勢F2

同向、同速n1旋轉，在空間相對靜止。5.2.2轉子旋轉時的異步電機例2：有一臺50Hz、三相、四極的異步電動機，若轉子的轉差率s=5%，試求：（1)轉子電流的頻率；(2)轉子磁動勢相對于轉子的轉速；(3)轉子磁動勢在空間的轉速。解：(1)轉子電流的頻率

f2=sf1=0.05×50Hz=2.5Hz(2)轉子磁動勢相對于轉子的轉速

n2=60f2/p=(60×2.5)/2=75r/min

(3)轉子轉速

n=n1(1-s)=1500(1-0.05)=1425r/min轉子磁動勢在空間的轉速：

1425+75=1500r/min5.2.2轉子旋轉時的異步電機三、頻率折算頻率折算：就是用一個等效的靜止轉子來代替實際旋轉的轉子，使轉子回路的頻率與定子回路的頻率相同。1）折算原則：①保持F2不變，只要使等效前后轉子電流的大小和相位相等即可；②等效前后轉子電路的功率和損耗相等。5.2.2轉子旋轉時的異步電機2）折算方法：說明：附加電阻的物理意義：模擬轉軸上總的機械功率。

5.2.2轉子旋轉時的異步電機頻率為f2頻率為f11、頻率折算5.2.2轉子旋轉時的異步電機四、等效電路2、繞組折算5.2.2轉子旋轉時的異步電機3、T型等效電路經頻率折算和繞組折算后，，從而可得到異步電動機的“T”型等效電路。5.2.2轉子旋轉時的異步電機折算后的基本方程組：5.2.2轉子旋轉時的異步電機與變壓器的比較：5.2.2轉子旋轉時的異步電機由等效電路可分析以下幾種情況：(1)空載運行時：(2)帶額定負載運行時：

(3)轉子靜止時：5.2.2轉子旋轉時的異步電機5.2.2轉子旋轉時的異步電機五、相量圖5.2.3異步電機等效電路的簡化將勵磁支路直接移至電源端會引起較大的誤差，因此必須引入一個校正系數，同時對等效電路進行必要的修改。5.2.3異步電機等效電路的簡化Г型等效電路如下：5.2.3異步電機等效電路的簡化其中：σ1≈1+X1σ/Xm。簡化等效電路如下：5.2.3異步電機等效電路的簡化對于容量大于100kW的異步電機，可取σ1≈1。例3：

有一臺三相四極的籠型異步電動機，額定功率PN＝l0kW，額定電壓UN＝380V(三角形聯結)，定子每相電阻R1=1.375Ω,漏抗X1σ＝2.43Ω，R′2=1.047Ω，X′2σ=4.4Ω，Rm＝8.34Ω，Xm＝82.6Ω，試求s=0.03時電動機的轉速，定子電流、轉子電流折算值，定子側功率因數、總機械功率。5.2.3異步電機等效電路的簡化為了利用等效電路去分析異步電機的運行特性，必須先知道參數R1、X1

σ、R2’、X2

σ’、Rm、Xm。和變壓器一樣，對于已制成的異步電機可以通過空載實驗和短路實驗測定其參數。5.2.4異步電機的參數測定5.2.4異步電機的參數測定一、空載試驗為何說空轉實驗即為空載實驗？從等效電路圖可知，空載便是相當于轉子側開路，亦即等效消耗機械功率的電阻（1-s）R2’/s很大，即s很小，n與n1約相等，我們知道空轉時，TL=T0，n約等于n1。

空載試驗的目的確定電動機的激磁參數Rm、Xm，以及鐵耗pFe和機械損耗pmec。5.2.4異步電機的參數測定5.2.4異步電機的參數測定與電壓無關，為常數二、短路試驗為何說堵轉實驗即為短載實驗？堵轉時n=0，s=1，便是相當于轉子側等效消耗機械功率的電阻（1-s）R2’/s=0，即相當于短路。5.2.4異步電機的參數測定堵轉(ｓ＝1)時的等效電路如圖所示：5.2.4異步電機的參數測定短路特性5.2.4異步電機的參數測定參數計算由于Xm＞＞Rm，忽略Rm5.2.4異步電機的參數測定參數計算由于Xm=X0-X1σ，且認為X1σ=X’2σ，有：5.2.4異步電機的參數測定參數計算對于大中型異步電動機近似有：5.2.4異步電機的參數測定例4：一臺三相異步電動機，UN＝380V，f1=50Hz，R1=0.4Ω,△接法，空載試驗數據：U0＝380V，I0=21.2A，P0=1.34kW，Pmec=100W。短路試驗數據：Uk＝110V，Ik=66.8A，Pk=4.14kW。求該電機的T型等效電路。繞線式轉子有明顯的相數和極對數，必須使轉子、定子的極對數相等，否則定、轉子磁動勢就不能相對靜止，就不能轉換平均功率，電機就不能工作?；\型轉子繞組由導條、端環(huán)構成，其相數、極對數具有特殊性。

5.2.5籠型轉子的參數計算相數：當一極對數為p的旋轉磁場Bm在氣隙中旋轉時，它依次切割轉子各導條，在每個導條中感應相同大小的電勢，相鄰兩導條中感應電勢在時間上相差的電角度為：2πp/Z2(Z2轉子總導條數），于是構成了一個對稱的Z2相電動勢系統，該電動勢作用在結構對稱的籠型繞組上，產生對稱的Z2相電流，所以籠型轉子相數：

m2=Z2

每相只有一根導條，即?匝，繞組系數為1。5.2.5籠型轉子的參數計算5.2.5籠型轉子的參數計算極對數：5.2.5籠型轉子的參數計算極對數：由下圖示可知：

P2=P15.3三相異步電動機的運行特性5.3.1異步電動機的功率和轉矩平衡方程式異步電動機功率流程5.3.1異步電動機的功率和轉矩平衡方程式異步電動機從電源輸入的電功率：消耗于定子繞組的電阻而變成銅耗：消耗于定子鐵芯變?yōu)殍F耗：5.3.1異步電動機的功率和轉矩平衡方程式寫成方程式時有：借助于氣隙旋轉磁場的作用，從定子通過氣隙傳送到轉子，這部分功率稱為電磁功率：5.3.1異步電動機的功率和轉矩平衡方程式正常運行時，轉差率很小，轉子中磁通的變化頻率很低，通常僅1～3Hz，所以轉子鐵耗一般可略去不計。因此，從傳送到轉子的電磁功率中扣除轉子銅耗后，可得轉換為機械能的總機械功率：5.3.1異步電動機的功率和轉矩平衡方程式用電磁功率表示時，上式亦可改寫成從Pmec中再扣除轉子的機械損耗pmec和附加損耗pad，可得轉子軸上輸出的機械功率P2，即5.3.1異步電動機的功率和轉矩平衡方程式轉矩方程式Tem——電磁轉矩（驅動性質）；

T2——輸出轉矩（制動性質）；T0——空載轉矩（制動性質）。5.3.1異步電動機的功率和轉矩平衡方程式已知PN（單位kW），nN，可近似求得額定輸出轉矩：5.3.1異步電動機的功率和轉矩平衡方程式例4：有一臺三相50Hz異步電動機，額定功率PN=100kW，額定轉速nN=950r/min，額定運行時機械損耗pmec=1kW，忽略附加損耗，求：（1）sN、Pem、pCu2（2）TemN、T2N、T05.3.1異步電動機的功率和轉矩平衡方程式5.3.1異步電動機的功率和轉矩平衡方程式一、物理表達式5.3.2電磁轉矩的三種表達式結論：反映了異步電動機的電磁轉矩與主磁通和轉子電流有功分量的乘積成正比的物理本質。由于有：所以：5.3.2電磁轉矩的三種表達式根據簡化電路得到的轉子電流：二、參數表達式5.3.2電磁轉矩的三種表達式說明：當異步電動機U1、f1、電機的參數及極對數p不變時，電磁轉矩Tem僅決定于轉差率s。

5.3.2電磁轉矩的三種表達式當電源及電動機參數不變時，電磁轉矩Tem僅與轉差率

s（或轉速n）有關。電磁轉矩Tem與轉差率s

的關系Tem=f(s)稱為機械特性。Tmax

——最大電磁轉矩sm

——臨界轉差率Tst

——啟動轉矩5.3.2電磁轉矩的三種表達式臨界轉差率

sm

最大電磁轉矩Tmax5.3.2電磁轉矩的三種表達式由兩個表達式可見，當其它參數一定時：①最大電磁轉矩與電源電壓平方成正比；臨界轉差率與電源電壓無關。③頻率越高，最大電磁轉矩和臨界轉差率越??；

漏抗越大，最大電磁轉矩和臨界轉差率越小。②最大電磁轉矩與轉子電阻無關，

轉子回路電阻越大，臨界轉差率越大。5.3.2電磁轉矩的三種表達式過載倍數過載倍數kM

是異步電動機性能的一項重要指標，它反映了電動機的短時過負荷的能力，kM越大，短時過負荷的能力越強。國家標準有明確規(guī)定：普通異步電動機的kM=1.6～2.5；對起重、冶金等特殊用途的電動機，則要求kM=2.7～3.7。5.3.2電磁轉矩的三種表達式啟動轉矩

Tst啟動轉矩倍數kst5.3.2電磁轉矩的三種表達式5.3.2電磁轉矩的三種表達式由啟動轉矩表達式可見，當其它參數一定時：①起動轉矩與電源電壓平方成正比；②頻率越高，起動轉矩越??；漏抗越大，起動轉矩越??；③繞線式電動機，轉子回路電阻越大，啟動轉矩先增后減。啟動轉矩倍數kst也是異步電動機的重要性能指標，它反映了電動機啟動能力的大小。國家標準規(guī)定：普通異步電動機的kst=0.9～1.3；對起重、冶金等特殊用途的電動機，則要求kst=2.8～4.0。若令sm=1，則有此時啟動轉矩Tst等于最大轉矩Tmax

。對于繞線式轉子可通過外串電阻達到。5.3.2電磁轉矩的三種表達式1s1s2T2+T0UN0.7UN結論：①②機械特性與電壓的關系5.3.2電磁轉矩的三種表達式

機械特性與轉子電阻的關系結論：①②③R2的改變：籠型電機轉子導條的金屬材料不同，線繞式電機外接電阻不同。5.3.2電磁轉矩的三種表達式

轉矩-轉速特性把轉矩-轉差率曲線Tem=f(s)的縱、橫坐標對調，并利用n=n1(1-s)把轉差率轉換為對應的轉速n，就可以得到轉矩—轉速特性n=f(Tem)。5.3.2電磁轉矩的三種表達式異步電動機的轉矩-轉速特性5.3.2電磁轉矩的三種表達式電動機的電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調整，這種能力稱為自適應負載能力。自適應負載能力是電動機區(qū)別于其它動力機械的重要特點。（如：柴油機當負載增加時，必須由操作者加大油門，才能帶動新的負載。）直至新的平衡。此過程中，時，電源提供的功率自動增加。只要不超過最大轉矩則可自動調節(jié)維持運轉常用特性段n1nTTmax

異步電動機的自適應負載能力硬特性：負載變化時，轉速變化不大，運行特性好。軟特性：負載增加轉速下降較快，但啟起動轉矩大，啟動特性好。

硬特性（R2?。┸浱匦裕≧2大）結論：不同場合應選用不同的電機。如金屬切削，選硬特性電機；重載起動則選軟特性電機。

機械特性的軟硬

5.3.2電磁轉矩的三種表達式三、實用表達式已知電機的額定功率、額定轉速、過載能力忽略空載轉矩，有此表達式主要用于求機械特性曲線。5.3.2電磁轉矩的三種表達式例5：一臺四極、380V、三角形聯結的異步電動機，其參數為R1=4.47Ω，R′2=3.18Ω，X1σ=6.7Ω，X′2σ=9.85Ω，Xｍ=188Ω,Rm忽略不計。試求該電動機的最大轉矩Ｔmax及臨界轉差sm，轉子啟動電流Ist及啟動轉矩Ｔst。解：起動時s=1，起動電流和起動轉矩分別為：

例6：一臺四極異步電動機，其額定電壓為380V，過載能力kM=2，帶80%額定負載運行，電網電壓下降到230V，通過計算說明在此負載下電動機能否繼續(xù)運行？此時該電動機能承擔的最大負載能力為多少？例:一臺正常運行時為△連接的三相籠型異步電動機，拖動20%額定負載連接運行時，有人建議將該電動機改為Y連接，電源電壓不變，這是否可行？會對電動機性能有休影響？習題三相籠型異步電動機，在端電壓不變的情況下，電磁轉矩增加其轉速會：A、下降B、上升C、不變只增加繞線型異步電動機的轉子電阻，其他條件不變，電動機的啟動轉矩將：A.上升B.下降C.不能確定工作特性：

在額定電壓和額定頻率下，電動機的轉速n、輸出轉矩Ｔ2、定子電流I1、功率因數、效率η與輸出功率P2的關系曲線。

5.3.3異步電動機的工作特性1.轉差率特性s=f(P2)隨著輸出功率的增大，電動機轉速將減小，即s=f(P2)是一條稍微向上翹的曲線。解釋：P2增加，負載轉矩T2增大，由Tem=f(s)曲線可知，T2增加會使電動機轉差率s增大，轉速n下降。5.3.3異步電動機的工作特性2.定子電流特性I1=f(P2)隨著輸出功率的增大，定子電流將增大，即I1=f(P2)是一條上升并上翹的曲線。解釋：用磁勢平衡方程式可以說明定子電流變化的規(guī)律：空載時轉子電流，此時，隨著負載的增大，轉子轉速下降，轉子電流增大，為了補償轉子電流的去磁作用，定子電流也相應增大，故定子電流幾乎隨負載P2成正比增加。5.3.3異步電動機的工作特性3.轉矩特性T2=f(P2)隨著輸出功率的增大，T2=f(P2)近似為一條稍微上翹的直線。解釋：由異步電動機的輸出轉矩可知：空載時，P2=0，T2=0；隨著輸出功率P2的增大，在額定負載范圍內，n變化很小。故T2=f(P2)近似為一直線。5.3.3異步電動機的工作特性4.功率因數特性功率因數特性曲線在額定負載附近有一極值點。解釋：空載時P2=0，定子電流基本上是用來建立磁場的勵磁電流I0，其主要分量是無功的磁化電流，這時很低，一般小于0.2。負載時，隨著P2增加，定子電流的有功分量增加，使上升；在額定負載附近值為最大，當負載超過額定值時，由于轉差率s增大較多，致使轉子額定頻率f2增大，轉子的無功分量增大，因而使趨于下降。5.3.3異步電動機的工作特性5.3.3異步電動機的工作特性5.效率特性效率特性曲線，有一極值點。異步電動機也是在可變損耗與不變損耗相等時η最高。考慮到異步電動機工作情況，通常中小型異步電動機負載在(0.25~0.75)PN時有最高效率ηmax。異步電動機的功率因數和效率都是在額定負載附近達到最大；選擇異步電動機時，應使電動機額定容量和負載大小相匹配。如果電動機額定容量選擇過大，不僅造價高，而且由于長期欠載運行，其功率因數和效率都低，很不經濟；如果電動機額定容量選得過小，電動機將超載運行時，會造成電動機過熱，影響壽命，甚至燒壞。5.3.3異步電動機的工作特性

5.4.1異步電動機的啟動啟動性能指標：（1）啟動轉矩Tst

（2）啟動電流Ist

（3）啟動時間

（4）啟動設備

要求：異步電動機啟動轉矩足夠大，啟動電流較小，啟動設備盡量簡單、可靠、操作方便，啟動時間短。5.4三相異步電動機的起動實際：啟動瞬間

(即n=0,s=1)

5.4.1異步電動機的啟動結果：啟動電流很大5.4.1異步電動機的啟動結果：啟動轉矩不大定子電流原因：啟動時n=0，轉子導條切割磁力線速度很大。轉子感應電勢轉子電流中小型籠型電機啟動電流為額定電流的4~7倍。大電流使電網電壓降低影響其他負載工作頻繁啟動時造成熱量積累電機過熱影響：5.4.1異步電動機的啟動直接啟動（7.5kW以下的異步電動機一般采用直接啟動。）降壓啟動（大容量電機）定子回路串電抗器起動Y/起動自耦變壓器起動5.4.1異步電動機的啟動一、直接啟動直接啟動或全壓啟動：利用刀閘或交流接觸器把異步電動機的定子繞組直接接到額定電壓的電源上。優(yōu)點：啟動方法最簡單，不需要專門的啟動設備，操作方便，具有較大的起動轉矩，能帶額定負載啟動。缺點：因啟動瞬間電動機的等效阻抗小，啟動電流大，可達額定電流的4～7倍。當供電變壓器的容量不大時，會使供電變壓器的輸出電壓降低過多，進而影響到自身的啟動和接在同一線路上的其它設備的正常工作。5.4.1異步電動機的啟動

能否采用直接啟動要考慮的因素：

電動機容量與供電變壓器的比值；

啟動是否頻繁；

供電線路距離；同一臺變壓器其它用戶的要求。一般要求采用直接啟動的電動機容量不超過供電變壓器容量的20%，這樣，啟動電流引起的電網壓降不超過電網額定電壓的10%。當啟動電流不符合要求時，就必須采用降壓啟動。在發(fā)電廠中，由于供電變壓器的容量足夠大，所以廠用異步電動機大都采用直接啟動。5.4.1異步電動機的啟動二、降壓啟動直接啟起動的缺點是啟動電流大。降低電流的方法，主要靠降低電壓。降壓啟動時，啟動電流與定子電壓成比例降低。待轉速升高到一定值，恢復全電壓。注意：啟動轉矩與U12成正比，降壓啟動后，啟動轉矩比啟動電流降低得更厲害。5.4.1異步電動機的啟動啟動時K1合上，K2斷開，電抗器串入回路中，起到分壓作用。當啟動結束時，K2合上，使電動機在全壓下運行。1、定子回路串電抗器啟動5.4.1異步電動機的啟動設定子串電抗后電機繞組上的電壓減為直接啟動時的1/a倍，則：由此可見，啟動電流雖然減小了，但啟動轉矩下降更多，所以這種啟動方法僅適用于輕載或空載啟動。5.4.1異步電動機的啟動2、Y/△啟動Y/△降壓啟動僅適合于額定運行時規(guī)定采用△接法的異步電動機。

5.4.1異步電動機的啟動注意：采用Y/△降壓啟動時，啟動電流和啟動轉矩都降為直接啟動時的1/3，所以這種方法適合于空載或輕載啟動。5.4.1異步電動機的啟動3、自耦變壓器啟動啟動時將開關K2、K3合上，使自耦變壓器的原邊接入額定電壓的電網，其副邊接異步電動機，以降低電壓，達到減小啟動電流的目的。待轉速接近穩(wěn)定時，再把開關K2、K3斷開，K1合上，從而將自耦變壓器切除，使電動機全壓運行。5.4.1異步電動機的啟動設降壓后電機繞組上的電壓減為直接啟動時的1/a倍，則：注意：啟動電流下降很多，所以這種啟動方法適用于大容量電動機的啟動。國產自耦補償器三個抽頭：55%、64%、75%5.4.1異步電動機的啟動5.4.1異步電動機的啟動例7：一臺三相異步電動機，三角形連接，已知下列數據：PN=15kW，nN=1460r/min，UN=380V，ηN=0.87，cosφN=0.85，Tmax/TN=2，Tst/TN=1.1，Ist/IN=6.5，試求：（1）IN，T2N（2）直接啟動時Ist△和Tst△（3）Y/△啟動時IstY和TstY（4）Y/△啟動時，帶上0.5T2N的負載能否啟動。5.4.1異步電動機的啟動5.4.1異步電動機的啟動三、采用高啟動轉矩異步電動機主要矛盾是啟動轉矩不足。解決的方法：①容量大一號的電動機； ②高啟動轉矩的電動機特殊電機獲得高啟動轉矩的原因，主要是轉子電阻的影響。轉子參數自動隨轉速的變化而變化。如雙籠型電機和深槽籠型電機。5.4.1異步電動機的啟動趨膚效應漏磁通只穿過槽一次，由槽底鐵芯形成閉合回路?？梢钥闯稍S多單元導體的并聯；越接近槽口的導體所交鏈的漏磁通越少，即漏抗??；接近槽底的單元導體，漏抗大，使導體電流密度分布不均，產生把電流向槽口排擠的“趨膚效應”；5.4.1異步電動機的啟動電機轉速越低，轉子電流頻率越高，趨膚效應越突出；導體的導電高度縮小，有效截面減小，轉子電阻增加；隨著轉速升高，頻率降低，電流分布趨向均勻，轉子電阻自動減小。

5.4.1異步電動機的啟動深槽籠型：高度是寬度的10～12倍。啟動時：

f2=f1，電阻達額定運行的3倍，好像轉子回路串入一個電阻，可獲得一個較大的Tst。同時，由于導條中的電流被擠到了槽口，與非深槽轉子相比，相同的電流產生的槽漏磁通小了，因此槽漏抗減小了。正常運行時：隨著轉速升高，頻率降低，電流分布趨向均勻，轉子電阻自動減小。但轉子漏抗比普通籠型轉子漏抗要大些。5.4.1異步電動機的啟動雙籠型：兩套繞組，材料不同，截面也不同。上籠：啟動籠，截面小，選用電阻系數大材料；下籠：工作籠，截面大，選用電阻系數小材料。啟動時：s=1,f2=f1,X2>>R2,R2上>>R2下

由于趨膚效應，X2下>>X2上故I2上>>I2下，上籠cosφ2大，Tst大正常運行時：f2=sf1,R2>>X2

由于R2上>>R2下,故I2下>>I2上，

此時漏抗X2小，cosφ2↑，Tem↑5.4.1異步電動機的啟動5.4.1異步電動機的啟動優(yōu)點：較大的Tst和較小Ist；缺點：漏抗較大，其功率因數、最大轉矩和過載能力較普通的籠型電動機小。雙籠型異步電動機的啟動性能比深槽式好，但深槽式結構簡單，制造成本低。二者共同的缺點是功率因數和過載能力低。四、采用繞線式異步電動機

對于需要在重載下啟動的生產機械或需要頻繁啟動的電力拖動系統，不僅要限制啟動電流，而且還要有足夠大的啟動轉矩。在這種情況下，必須采用繞線式異步電動機。啟動方法：轉子回路串電阻分級啟動轉子回路串頻敏變阻器啟動5.4.1異步電動機的啟動1.轉子回路串電阻分級起動

5.4.1異步電動機的啟動T1T2一般取最大加速轉矩T1=(0.7～0.85)Tm，切換轉矩T2=(1.1～1.2)TN

5.4.1異步電動機的啟動1.轉子回路串電阻分級起動只要轉子回路串的電阻合適，既可以減小啟動電流，又能提高啟動轉矩。

為什么？

Tst=CmΦmI2cosφ2

RΩ↑,I2↓,Φm↑,

RΩ↑,cosφ2↑↑,I2cosφ2↑,∴

Tst=CmΦmI2cosφ2↑2.轉子回路串頻敏變阻器啟動

頻敏變阻器的鐵芯由幾片或十幾片30～50mm厚的鋼板或鑄鐵板組成。頻敏變阻器的等值電路與變壓器空載時的等值電路相似。5.4.1異步電動機的啟動RmR1RmXm工作原理：剛啟動時，f2≈f1，f2較高，鐵耗較大，其等效電阻Rm也很大，此時相當于在轉子回路中串入一個較大的電阻。隨著轉速的升高，f2變低，鐵耗減小，使Rm減小，相當于隨轉速的升高自動減小啟動電阻值；當轉速接近額定值時，f2極低，所以Rm很小，相當于將啟動電阻全部切除。此時應把電刷提起且將三只滑環(huán)短接，起動過程結束。5.4.1異步電動機的啟動5.4.2異步電動機的制動制動方法：機械制動：加抱閘。

電磁制動：電磁轉矩與轉速方向相反，電動機就工作在電磁制動狀態(tài)。在此狀態(tài)下，電動機轉軸從外部吸收機械功率轉而轉換成電功率。5.4.2異步電動機的制動一、反接制動1、轉速反向的反接制動（正接反轉）屬于下放重物這種情況。5.4.2異步電動機的制動由機械特性方程式可得如下特性曲線：電動機啟動轉矩與負載轉矩反方向，且TL﹥Tst，在TL作用下，電動機反向加速在A點達到平衡。5.4.2異步電動機的制動2、兩相反接的反接制動（反接正轉）5.4.2異步電動機的制動注意：反接制動時，定子旋轉磁場與轉子的相對轉速很大。即切割磁力線的速度很大，造成I2上升，引起I1上升。為限制電流，在制動時要在定子或轉子中串電阻。對于以上兩種反接制動，s﹥1，則：說明電機從轉軸上吸收的機械功率和從電網上吸收的電磁功率全部消耗在轉子回路里。二、反向回饋制動是在位能性負載作用下電動機轉速大于同步轉速，重物以高于同步轉速的速度下放。n>n1Fn15.4.2異步電動機的制動M3~+-運行制動nF轉子5.4.2異步電動機的制動三、能耗制動停車時，斷開交流電源，接至直流電源上，轉子由于慣性繼續(xù)轉動，轉子繞組中感應電勢、電流，產生制動轉矩。轉子將動能變成電能消耗在轉子電阻上，直至動能消耗完，轉子停轉。負載不變時，人為地改變電動機的轉速，稱為調速。要求：電動機具有幾種轉速；在一定的范圍內可以連續(xù)調速。

調速的方法：（1）改變定子繞組的極對數p；（2）改變電源的頻率f1；（3）改變電動機的轉差率s。5.4.3異步電動機的調速一、變極調速由n≈n1=60f1/p

知：n∝1/pp為整數，故變極調速不能實現平滑調速。變極調速只適用于籠型異步電動機。變極調速常用的方法是單繞組變極調速，即在定子鐵芯中裝一套繞組，通過改變定子繞組的連接方式，使部分繞組中電流的方向改變，來實現電動機的磁極對數和轉速的改變。5.4.3異步電動機的調速A1A2X1X2A2A1X1X2A1A2X1X2以一臺4/2極的雙速電動機為例p=2p=15.4.3異步電動機的調速單繞組雙速電機：一套定子繞組具備兩種極對數而得到兩個不同同步轉速；三速或四速電機：定子內放兩套獨立的繞組；5.4.3異步電動機的調速5.4.3異步電動機的調速實際工程中，

一般三相繞組之間的聯接有兩種方式，一種是Y/YY，即低速時接為Y，高速時接為YY。如下圖。此接法適用于恒轉矩變極調速。另一種是△/YY，即低速時接為△，高速時接為YY。如下圖。此接法適用于恒功率變極調速。5.4.3異步電動機的調速在相鄰兩相之間的空間相位角在高速時為120°，則在改變?yōu)榈退俳臃〞r，由于極數增加一倍，空間相位角變?yōu)?40°，也就是說，在改變后，三相之間的相序將改變，為了在改變轉速后電動機轉向不變，因而在改接的同時，應將任意兩個出線端互換。5.4.3異步電動機的調速二、變頻調速屬無級光滑調速此種調速方法發(fā)展很快，且調速性能較好。其主要環(huán)節(jié)是研制變頻電源（常由整流器（AC-DC)、逆變器(DC-AC)等組成）。變頻電源可變5.4.3異步電動機的調速5.4.3異步電動機的調速單一調頻，U1不變，

f1↑→Φm

↓→Tem(Tmax)↓→電機得不到充分利用；f1

↓→Φm

↑→磁路過飽和，勵磁電流↑↑→cosφ1↓，pFe↑Φm保持不變，調f1同時，調U1。5.4.3異步電動機的調速1、恒轉矩調速電機變頻調速前后額定電磁轉矩相等，即恒轉矩調速時，有，則若令電壓隨頻率作正比變化：，則主磁通不變，電機飽和程度不變，電機過載能力也不變。電機在恒轉矩變頻調速前后性能都保持不變。5.4.3異步電動機的調速2、恒功率調速電機變頻調速前后它的電磁功率相等，即1）若主磁通不變：2）若過載能力不變：，主磁通發(fā)生變化；優(yōu)點：調速范圍廣，平滑性好。缺點：價格比較貴。三、轉子回路串電阻調速適用于繞線式電動機。串電阻前后保持轉子電流不變，則有：；；保持不變，即屬于恒轉矩調速。優(yōu)點：簡單、可靠、價格便宜；缺點：效率低。為克服這一缺點，可采用串級調速，即在轉子回路中串一個與轉子同頻率的Ead。5.4.3異步電動機的調速四、改變定子端電壓調速適應于：泵與風機類負載；缺點：電動機效率低，溫升高。5.4.3異步電動機的調速電源接有大的單相負載或發(fā)生兩相短路；定子三相繞組中一相斷線，一相接地或發(fā)生匝間短路，都將引起電網三相電壓不對稱。單相異步電動機只需要單相交流電源供電，其分析方法與三相異步電動機在不對稱電壓下運行時的分析方法基本相同。5.5單相異步電動機5.5.1三相異步電動機在不稱電壓下運行由于三相異步電動機的不對稱運行是電壓不對稱所引起，因此可用對稱分量法將不對稱電壓分解成對稱分量。接法Y型但無中線引出，則無零序電流；若接成D，由于三相線電壓之和為零，則零序電流也為零。因此只需分析正序和負序分量，即：5.5.1三相異步電動機在不稱電壓下運行正序電壓分量作用在電動機上的等效電路如下：異步電動機在正序電壓作用下→定轉子繞組產生正序電流→產生一個以同步速n1旋轉的正序旋轉磁場→正向電磁轉矩；5.5.1三相異步電動機在不稱電壓下運行負序電壓分量作用在電動機上的等效電路如下：異步電動機在負序電壓作用下→定轉子繞組產生負序電流→產生一個以同步速n1旋轉的反序旋轉磁場→反向電磁轉矩。5.5.1三相異步電動機在不稱電壓下運行合成電磁轉矩為：

Tem=Tem++Tem-實際電流為：缺點：①三相定子繞組流有三相不對稱電流，產生橢圓形旋轉磁場→幅值時大時小→轉速時大時小→電機振動→轉速不均和電磁噪音。②負序阻抗近似等于短路阻抗，不大的負序電壓會產生較大的負序電流，引起電機過熱。以一相斷線為例，分析其發(fā)生的后果。三相異步電動機的定子繞組接線有Y和△兩種接法。一相斷線可分成4種情況。其中圖(a)、(b)、(c)為單相運行，圖(d)為兩相運行。異步電動機的缺相運行(a)(b)(c)