第八章 三相異步電動(dòng)機(jī)

杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院第八章三相異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)速度之間的不同關(guān)系，交流電動(dòng)機(jī)可以分為兩大類：一類是同步電動(dòng)機(jī)；另一類為異步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)采用雙邊勵(lì)磁，而異步電動(dòng)機(jī)僅通過(guò)定子邊勵(lì)磁，其轉(zhuǎn)子電流和磁動(dòng)勢(shì)則是通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生，這使得兩種電機(jī)在性能方面具有較大的差異。

異步電動(dòng)機(jī)屬于交流電動(dòng)機(jī)，也稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的“異步”是什么意思呢？異步是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間速度不一樣，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速快于或者慢于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。8.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定數(shù)據(jù)8.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)定子、轉(zhuǎn)子、氣隙。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心定子鐵心用0.35~0.5mm的硅鋼片疊壓而成。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組三相異步電動(dòng)機(jī)的端蓋主要作用：支撐軸承、密閉保護(hù)電機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)的接線端子高壓大、中型容量的異步電動(dòng)機(jī)定子繞組通常為星形(?)接法，接線端子只有三根引出線。中、小容量，六根引出線：(1)電壓380/220V，接法Y/?(2)電壓380V，接法?（a）Y形接法（b）Δ形接法鼠籠式轉(zhuǎn)子繞線式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心用0.5mm的硅鋼片疊壓而成。異步電動(dòng)機(jī)的氣隙對(duì)電機(jī)的性能具有重要的影響。中小型異步電動(dòng)機(jī)的氣隙一般為0.2~2mm。氣隙的大小直接影響異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和功率因數(shù)。一般情況，電機(jī)氣隙越小，定子側(cè)的勵(lì)磁電流越小，同時(shí)電機(jī)功率因數(shù)越高。但是，電機(jī)的氣隙太小，會(huì)造成加工和裝配的困難，同時(shí)也將增加電機(jī)的高次諧波與附加損耗。8.1.2

三相異步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)：額定功率PN、額定電壓UN、額定電流IN、額定轉(zhuǎn)速nN、額定頻率f1N、額定效率ηN

、額定功率因數(shù)cosφN、絕緣等級(jí)和允許溫升。允許溫升是指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電機(jī)本體高出周圍環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)溫度的值。在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，我國(guó)規(guī)定環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)溫度為，電機(jī)的允許溫升即電機(jī)的允許溫度減去的值。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院8.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理8.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理當(dāng)定子三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱交流電后，在氣隙中會(huì)形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。(3)載流導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，進(jìn)而形成電磁轉(zhuǎn)矩，并使得轉(zhuǎn)子跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。(2)當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)形成三相對(duì)稱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體處于閉合回路。因此，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生三相對(duì)稱電流。鼠籠隨磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的3D動(dòng)畫8.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院8.3三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路三相異步電動(dòng)機(jī)等效電路正方向的標(biāo)定三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的等效電路三相異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的等效電路三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)的等效電路三相異步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)的等效電路8.3.1三相異步電動(dòng)機(jī)等效電路正方向的標(biāo)定下標(biāo)1代表定子側(cè)的量，下標(biāo)2代表轉(zhuǎn)子側(cè)的量。通常把A相繞組磁動(dòng)勢(shì)所在的方向定義為零坐標(biāo)軸的方向。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院8.3.2三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的等效電路1．轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在定子氣隙中會(huì)形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子每極下同時(shí)交鏈定子和轉(zhuǎn)子的磁通稱為主磁通，

。只是交鏈定子或者轉(zhuǎn)子的磁通稱為漏磁通，和。主磁通定子A相磁鏈轉(zhuǎn)子A相磁鏈定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值

轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值

電壓變比2．轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的電壓方程式和相量圖定子漏磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定子一相繞組的電壓方程式3．轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的等效電路和電磁關(guān)系分析定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定子一相的電壓平衡方程式轉(zhuǎn)子一相的電壓平衡方程式轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的等效電路圖轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路時(shí)的電磁關(guān)系圖(1)轉(zhuǎn)子開(kāi)路時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)呈感性，因此，電流相量滯后于電壓相量。(2)主磁通和漏磁通在定子繞組中分別形成相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)滯后于相應(yīng)的磁通相量電角度。(3)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于相應(yīng)的相電壓。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院三相異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

接近于同步轉(zhuǎn)速n1

，s≈0，此時(shí)，定子磁場(chǎng)近似于不切割轉(zhuǎn)子繞組，所以轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子繞組中的電流，因此，在空載情況下，轉(zhuǎn)子繞組不產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)。8.3.3三相異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的等效電路三相異步電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行：定子繞組接到三相對(duì)稱電源上，轉(zhuǎn)軸上不帶任何機(jī)械負(fù)載。1．空載電流是形成鐵心損耗的有功分量部分是形成主磁通的部分空載電流主要是形成主磁通的一個(gè)無(wú)功性質(zhì)的電流，大、中型三相異步電動(dòng)機(jī)的空載電流約占額定電流的30%，小型三相異步電動(dòng)機(jī)的空載電流幾乎達(dá)到額定電流的50%。2.空載時(shí)的電壓方程式轉(zhuǎn)子繞組不產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，相應(yīng)地也無(wú)法形成轉(zhuǎn)子側(cè)的磁通，因此，轉(zhuǎn)子繞組不會(huì)影響定子繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)和主磁通。三相異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，定子側(cè)的電壓方程式與三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)路時(shí)是相同的。轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓方程式3.空載時(shí)的等效電路轉(zhuǎn)子側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)三相異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的等效電路杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院8.3.4三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)的等效電路1.轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)和磁通的分析氣隙磁動(dòng)勢(shì)旋轉(zhuǎn)方向一致，轉(zhuǎn)速相同，在空間上相差α

電角度。2.轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子繞組的折合三相異步電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有電路的聯(lián)系，只有磁路的聯(lián)系。通過(guò)折合算法，將轉(zhuǎn)子回路折算到定子側(cè)，或者將定子側(cè)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)。從定子邊看轉(zhuǎn)子，只有轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與定子磁動(dòng)勢(shì)影響主磁通，因此，只要保持轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的大小和相位不變，至于轉(zhuǎn)子邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電流以及每相串聯(lián)的匝數(shù)是多少都無(wú)關(guān)緊要?？梢岳靡粋€(gè)虛擬轉(zhuǎn)子代替電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)子，虛擬轉(zhuǎn)子的相數(shù)、每相串聯(lián)的匝數(shù)和繞組系數(shù)與定子繞組相一致。轉(zhuǎn)子折算原則電流變比轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)折算到定子側(cè)轉(zhuǎn)子阻抗折算到定子側(cè)（1）轉(zhuǎn)子阻抗角（2）轉(zhuǎn)子銅耗（3）無(wú)功功率4.轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)的基本方程式和相量圖5.轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)的等效電路和電磁關(guān)系分析三相異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)情況下的三個(gè)結(jié)論：(1)電機(jī)內(nèi)會(huì)形成兩個(gè)電流通路，一個(gè)為定子繞組電流通路，另一個(gè)為轉(zhuǎn)子繞組的電流通路。兩個(gè)電流通路通過(guò)主磁通聯(lián)系起來(lái)。(2)定子和轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢(shì)都以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)共同形成電機(jī)的氣隙磁動(dòng)勢(shì)。(3)電機(jī)產(chǎn)生很大的電流。三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院8.3.5三相異步電動(dòng)機(jī)帶載旋轉(zhuǎn)時(shí)的等效電路1.轉(zhuǎn)子電磁量的變化分析(1)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率（轉(zhuǎn)差頻率）(2)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(3)轉(zhuǎn)子繞組的漏電抗2.定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)速定子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)速跟轉(zhuǎn)子是否旋轉(zhuǎn)沒(méi)有關(guān)系。3.轉(zhuǎn)子頻率的折算將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子側(cè)頻率轉(zhuǎn)換為靜止的定子側(cè)頻率的過(guò)程稱為頻率的折算。頻率為頻率為機(jī)械功率4.轉(zhuǎn)子帶載旋轉(zhuǎn)時(shí)的基本方程式和相量圖5.轉(zhuǎn)子帶載旋轉(zhuǎn)時(shí)的等效電路和電磁關(guān)系圖三相異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路(1)當(dāng)時(shí)，，異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于空載狀態(tài)；(2)當(dāng)時(shí)，電機(jī)相當(dāng)于處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；(3)當(dāng)和時(shí)，，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。(1)定子側(cè)各個(gè)電磁量的物理關(guān)系不因轉(zhuǎn)子是否旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化。(2)與轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)情況相比，此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)電量都與轉(zhuǎn)差率s

相關(guān)。8.3.6三相異步電動(dòng)機(jī)鼠籠式轉(zhuǎn)子的極數(shù)和相數(shù)的歸算鼠籠式轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體是均勻分布的，每?jī)筛噜彽膶?dǎo)條內(nèi)感應(yīng)電流相差的電角度與導(dǎo)條在空間相差的電角度是一致的。假如鼠籠式轉(zhuǎn)子有根導(dǎo)條組成，定子主磁場(chǎng)有對(duì)極，則鼠籠式轉(zhuǎn)子的相數(shù)為。鼠籠式轉(zhuǎn)子由于每根導(dǎo)體相當(dāng)于半匝，因此每相串聯(lián)的匝數(shù)為。因?yàn)槊肯嘀挥幸桓鶎?dǎo)體，鼠籠式轉(zhuǎn)子的繞組系數(shù)。鼠籠式轉(zhuǎn)子的相對(duì)稱電流在個(gè)對(duì)稱導(dǎo)體中也會(huì)產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院8.4三相異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系和轉(zhuǎn)矩計(jì)算三相異步電動(dòng)機(jī)的功率傳遞過(guò)程輸入功率定子銅耗定子鐵耗電磁功率轉(zhuǎn)子銅耗總機(jī)械功率輸出機(jī)械功率8.4.1三相異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系注意：此處電壓、電流和電阻均為相值?。?！三相異步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖8.4.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率輸出轉(zhuǎn)矩簡(jiǎn)化計(jì)算三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(1)直流電動(dòng)機(jī)中的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間是線性關(guān)系。(2)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流之間是非線性關(guān)系。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院8.5三相異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)的測(cè)定需測(cè)量的參數(shù)：定子電阻和電抗，轉(zhuǎn)子的折算電阻和電抗，勵(lì)磁電阻和勵(lì)磁電抗，定子鐵耗和機(jī)械損耗。用于分析和計(jì)算三相異步電動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩。測(cè)量方法：短路試驗(yàn)、空載試驗(yàn)。定子電阻可以直接利用電橋測(cè)得。8.5.1短路試驗(yàn)（堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)）可測(cè)得8.5.2空載試驗(yàn)可以測(cè)得與成正比保持不變實(shí)驗(yàn)測(cè)得杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院8.6三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性和機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性：電動(dòng)機(jī)在時(shí)，

等與輸出功率之間的關(guān)系。三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率(或者轉(zhuǎn)速)之間的關(guān)系，也稱為

曲線。1.轉(zhuǎn)速特性2.電流特性8.6.1三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性（與的關(guān)系）4.功率因數(shù)特性功率因數(shù)是三相異步電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)之一。由于三相異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)感性負(fù)載，它必將從電網(wǎng)吸收感性的無(wú)功功率，因此三相異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)總是小于1。

3.轉(zhuǎn)矩特性5.效率特性異步電機(jī)功率損耗主要包括兩大類：可變損耗：與電機(jī)的負(fù)載大小密切相關(guān)的損耗，如定子和轉(zhuǎn)子銅耗，損耗大小與電流的平方成正比；不變損耗：與電機(jī)的負(fù)載大小基本無(wú)關(guān)的損耗，如定子鐵耗和機(jī)械損耗?？勺儞p耗等于不變損耗時(shí)效率最高。超過(guò)時(shí)，銅耗會(huì)快速增大，效率下降。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院8.6.2三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率(或轉(zhuǎn)速)之間的關(guān)系。8.6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的表達(dá)式轉(zhuǎn)子折算電流電磁轉(zhuǎn)矩8.6.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性分析1.三相異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性曲線的分析且定子和轉(zhuǎn)子回路都不接入任何電氣元件。(1)第I象限：0<s<1(0<n<n1)，T>0，正向電動(dòng)；(2)第II象限：s<0(n>n1)，T<0，發(fā)電狀態(tài)；(3)第IV象限：s>1(n<0)，T>0，制動(dòng)狀態(tài)。重點(diǎn)掌握固有機(jī)械特性曲線1上的四個(gè)點(diǎn)——(1)A點(diǎn)：正向同步運(yùn)行點(diǎn)，

；(2)B點(diǎn)和D點(diǎn)：三相異步電動(dòng)機(jī)的臨界運(yùn)行點(diǎn)，

可以獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率，B點(diǎn)：D點(diǎn)：“+”對(duì)應(yīng)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，“-”對(duì)應(yīng)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。令一般最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)(或者過(guò)載倍數(shù))一般三相異步電機(jī)的過(guò)載倍數(shù)為1.6~2.5。受哪些參數(shù)變化的影響？(3)

C點(diǎn)：正向起動(dòng)點(diǎn)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為了順利起動(dòng)，一般要求三相異步電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為0.8~1.2。受哪些參數(shù)變化的影響？2.三相異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性分析三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性分為兩個(gè)區(qū)域：穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域、不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。(1)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域：機(jī)械特性下傾，無(wú)論拖動(dòng)何種性質(zhì)的負(fù)載，系統(tǒng)都是穩(wěn)定的。(2)不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域：在該區(qū)域內(nèi)，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定；風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載雖然可以滿足穩(wěn)定運(yùn)行條件，但是