第 3篇 异步电机

第 8 章 异步电动机的基本工作原理和主要结构 8.1 异步电动机的主要用途和分类 一、异步电机主要用作电动机，去拖动各种生

产机械。 异步电动机的优点 : 结构简单、容易制造、价

格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特征。

异步电动机的缺点 : 功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于１。

异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。所以，异步电机又叫感应电机。

二、异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类法：（ 1 ）按定子相数分有 ① 单相异步电动机；②

两相异步电动机； ③ 三相异步电动机。（ 2 ）按转子结构分有 ① 绕线式异步电动机；②

鼠笼式异步电动机。后者又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机。

此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。

异步电机也可作为异步发电机使用。单机使用时，常用于电网尚未到达的地区，又找不到同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合上。在异步电动机的电力拖动中，异步电机回馈制动时，即运行在异步发电机状态。

8.2 异步电动机的主要结构 异步电动机在结构上也是由定子、转子、气隙

组成。

一、异步电动机的定子： 异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕

组三个部分组成的。 1 、定子铁心：是电动机磁路的一部分，装在机

座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用用 0.5mm 厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆。下图所示为定子槽 ,其中 (a) 是开口槽，用于大、中型容量的高压异步电动机中； (b) 是半开口槽，用于中型 500V以下的异步电动机中； (c) 是半闭口槽，用于低压小型异步电动机中。

2 、定子绕组： 高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用 Y 接，只有三根引出线，如图 (a)所示。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成 Y 形或△形，如图 (b) 所示。定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。

3 、机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此，机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。

二、气隙： 异步电动机的气隙比同容量直流电动机的

气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为 0.2~1.5mm 左右。

三、异步电动机的转子： 异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转

轴组成的 。 1 、转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用

0.5mm 厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。

2 、转子绕组：分为笼型和绕线型两类。 1 ）笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组。

在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个松鼠笼子，如图（ a) 所示，因此又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也有用铝的。

如果用的是铜料，就需要把事先做好的裸铜条插入转子铁心上的槽里，再用铜端环套在伸了两端的铜条上，最后焊在一起，如图 (b) 所示。如果用的是铸铝，就连同端环、风扇一次铸成，如图 (c) 所示 。笼型转子结构简单、制造方便、是一种经济、耐用的电机，所以应用极广。

2 ）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成 Y 形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如图所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。

与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小，起动转距大，或需平滑调速的场合使用。

8.3 异步电动机的铭牌数据 三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等。

8.3.1 异步电动机的型号： 电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成。例如 Y 系列三相异步电动机表示如下：

Y 100 L 1 2

异步电动机 极数

铁心长度代

号

机座中心高 机座长度代号

我国生产的异步电动机种类很多，下面列出一些常见的产品系列。

Y 系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。

JQ2 和 JQO2 系列是高起动转矩异步电动机，用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。 JQ2 是防护式和JQO2 是封闭式的。

JS 系列是中型防护式三相鼠笼异步电动机。 JR 系列是防护式三相绕线式异步电动机。用在电源容量

小、不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上。 JSL2 和 JRL2 系列是中型立式水泵用的三相异步电动机，

其中 JSL2 是鼠笼式， JRL2 是绕线式。

JZ2 和 JZL2 系列是起重和冶金用的三相异步电动机， JZ2 是鼠笼式， JZL2 是绕线式。

JD2 和 JDO2 系列是防护式和封闭式多速异步电动机。

BJO2 系列是防爆式鼠笼异步电动机。 JPZ 系列是旁磁式制动异步电动机。 JZZ 系列是锥形转子制动异步电动机。 JZT 系列是电磁调速异步电动机。 其他类型的异步电动机可参阅产品目录。

8.3.2 异步电动机的额定值： 异步电动机的额定值包含下列内容：（ 1 ）额定功率 PN 指电动机在额定运行时轴上输出的机械

功率，单位是 kw 。（ 2 ）额定电压 UN 指额定运行状态下加在定子绕组上的

线电压，单位为 V 。（ 3 ）额定电流 IN 指电动机在定子绕组上加额定电压、轴

上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为 A 。（ 4 ）额定频率 f 指我国规定工业用电的频率是 50Hz 。（ 5 ）额定转速 n 指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为 r/min 。

（ 6 ）额定功率因数 指电动机定子加额定负载时，定子边的功率因数。

Ncos

8.3.3 如何根据电机的铭牌进行定子的接线？ 如果电动机定子绕组有六根引出线，并已知其首、末端，分几种情况讨论。

（ 1 ）当电动机铭牌上标明“电压 380/220V ，接法 Y/ ”△ 时，这种情况下，究竟是接成 Y或△，要看电源电压（线电压）的大小。如果电源电压为 380V ，则接成 Y 接；电源电压为 220V 时，则接成△接。

（ 2 ）当电动机铭牌上标明“电压 380V ，接法时△”时，则只有这一种△接法。但是在电动机起动过程中，可以接成 Y 接，接在 380V 电源上，起动完毕，恢复△接法。

对有些高压电动机，往往定子绕组有三根引出线，只在电源电压符合电动机铭牌电压值，便可使用。

8.4 异步电动机的工作原理 工作原理： 三相异步电动机定子接三相电源后，电机内便

形成圆形旋转磁动势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针转，如图所示。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势 e ，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力 f ，用左手定则确定受力方向，如图所示。

转子受力，产生转矩 T ，为电磁转矩，方向与旋转磁动势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转后，转速为 n ，只要 n＜ n1（ n1 为旋转磁动势同步转速），转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力，电磁转矩 T仍旧为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行在 T=TL 情况下。记为异步电动机转差率：

1

1

n

nns

注意：在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低与旋转磁场的转速（同步转速）。转差率是一个表征异步电动机运行状态的一个基本参数。感应电动机的转速随负载的变化而变化。

第 9章 异步电动机的运行分析 9.1 三相异步电动机转子不转、转子绕组开路

时的电磁关系 正常情况下，电机转子总是旋转的，但是为了分析问题的方便，在这里我们首先从转子静止出发进行分析。

9.1.1 正方向的规定：

9.1.2 磁通及磁动势：1 、励磁磁动势：我们给异步电动机通入对称的

三相交流电时，根据我们前面所学的可知将会在气隙中会产生一个旋转的气隙磁场，这个旋转的磁场会同时切割定转子绕组，这样，在两个绕组内会产生相应的感应电动势，但是由于转子绕组是开路的所以，没有电流，即没有磁动势，由此可见，在这种情况下，整个气隙磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流产生，为此，定子磁动势又叫做励磁磁动势，定子电流亦叫做励磁电流。

（ a ） （ b ） （ c）

而由于整个分析过程是完全对称的，所以我们在分析时仅以 A 相为例来进行讲解。下面我们来看一下由电流产生的旋转磁场的磁动势的特点：

1 ）幅值：

2 ）转向：逆时针转向。 A1—B1—C1

3 ）转速：相对于定子绕组以角频率旋转。4 ）瞬间位置：正如前面所分析的，当 A 相电流达

到正最大 时，他所对应的磁动势也达到正最大。

011

0 2

24

2

3I

p

kNF N

60/2 11 pn

转子不转的三相异步电机，相当于一台副边开路的三相变压器，其中定子绕组是原绕组，转子绕组是副绕组，只是在磁路中，异步电机定、转子铁心中多了一个空气隙磁路而已。

2 ）主磁通和漏磁通：主磁通：同时铰链定子、转子、气隙构成闭

和回路的磁通，气隙里每极主磁通量用Φ1 表示漏磁通：只铰链定子绕组就形成闭和回路，

叫定子漏磁通，用 表示。1

如图所示：

由于气隙是均匀的，励磁磁动势 F0 产生的主磁通Φ1 所对应的气隙磁密是一个在气隙中旋转、在空间按正弦分布的磁密。用空间向量表示为 ， 的位置载其最大值处， 为是气隙磁密的最大值。气隙里每极主磁通为：

气隙磁密和励磁磁动势同方向，这是因为磁动势达到最大值时，该处的磁密也为最大。（在不考虑磁滞、涡流的影响下）

B

BB

lB

2

1

9.1.3 感应电动势 :

我们以知旋转磁场同时切割定转子绕组 , 在定转子绕组内将会产生感应电动势 E1,E2, 根据我们前面所学的知识可知 :

定子、转子每相电动势之比叫电压变化，用ke 表示，即 :

11111 44.4 NkNfE

12212 44.4 NkNfE

22

11

2

1

N

Ne kN

kN

E

Ek

二、 的相位关系： 我们以知感应电动势总是滞后于产生他的

磁通 Φ900 ，而在转子不转，且转子绕组开路的情况下，定子和转子是被同一个磁通所铰链，所以，很显然，两个感应电动势之间是同相位的。

9.1.4 励磁电流：和前面分析变压器的情况是一样的，励磁电

流也是由 IFe 和 Iμ 两分量组成。

1E 2E

III Fe 0

有功分量 IFe 很小，因此 领先 一个不大的角度。在时间空间向量图上， 与 相位相同，与 相位一样， 和 领先 一个不大的角度。

9.1.5 电压方程式： 从前面的图中，我们可以得到相应的电动

势平衡方程式，但是在这里需要注意的一点是：定子绕组的漏磁通在定子绕组内也会产生一个电动势，我们称之为定子漏电动势，用 表示，

所以，电压方程式为：

OI IOI OF

IB OI OF B

1E 101 xIjE

式中 Z1=R1+ j 是定子一相绕组的漏阻抗。上式用相量表示时，与三相变压器副绕组开路时的情况，完全一样。

11011 ERIEU

10101 xIjRIE )( 1101 jxRIE

101 ZIE

1x

9.1.6 等值电路： 与三相变压器空载时一样，异步电动机也能找出并联或串联的等值电路。以知：

于是，电压平衡等式为

mmm ZIjxRIE 001

11011 jxRIEU

1100 jxRIjxRI mm

10 ZZI m

作成电路图：

转子回路电压方程式：

22 EU

9.2 三相异步电动机转子堵转时的电磁关系

堵转 : 即堵住转子让转子不转的现象 , 实际上就是对转子进行了短路 . 下面 , 我们就来详细的分析一下 , 当转子被短路情况下的电机的电磁关系 .

9.2.1 磁动势和磁通 :

1) 磁动势 : 异步电动机转子被短路的这种情况和变压器副边短路的情况类似 .

现在 , 转子被短路 , 所以 , 当在定子绕组内通入三相对称电流后 , 产生的沿逆时针方向旋转的磁场 , 不仅在定子绕组内产生磁动势 , 在转子绕组内也会产生磁动势 , 下面我们就来详细的进行分析 .

一、转子侧磁动势的特点：在三相对称的转子 绕组里流过三相对称电流时，产生的转子空间旋转磁动势 的特点：1 ）幅值：

2 ）转向：假设气隙旋转磁密是逆时针方向旋转，在转子绕组内感应产生的电动势及电流的相序

2I2F

222

2 2

24

2

3I

P

kNF N

就应为 A2—B2—C2 。3 ）转速：相对于转子绕组为注意：现在定转子被同一个磁通所铰链，所以，产

生的电流的频率是相等的。4 ）瞬间位置：当 A 相电流达到正的最大值时，与他相对应的磁动

势也达到正的幅值。与副边短路的三相变压器一样，当异步电机转子绕

组短路时，定子边电流不再是 ，用 表示。由定子电流产生的气隙空间旋转磁动势用 表示，叫定子旋转磁动势。定子旋转磁动势的特点与转子绕组开路时一样，仅幅值不同。

112

2

6060n

p

f

p

fn

0I 1I1F

转于绕组短路的三相异步电机，作用在磁路上的磁动势有两个：一为定子旋转磁动势 ；一为转子旋转磁动势。由于它们的旋转方向相同，转速又相等，只是一前一后地旋转着，我们称它们为同步旋转。

既然它们是同步旋转，又作用在同一个磁路上，把它们按向量的关系加起来，得到合成的磁动势仍用 表示。即 :0F

021 FFF

这个合成的旋转磁动势 ，才是产生气隙每极主磁通 的磁动势。主磁通 在定、转子相绕组里感应电动势 和

2 ）漏磁通：在这种情况下 ,除了定子侧的漏磁通外 , 转子侧有电流也要产生漏磁通 , 表现为注意，变压器中的主磁通是脉振磁通， 是

它的最大振幅。在异步电动机中，气隙里主磁通的却是旋转磁通，它对应的磁密波沿气隙圆周方向是正弦分布，以同步速相对于定子在旋转， 表示气隙里每极的磁通量。

0F1 1

1E 2E

2x1

1

9.2.3 定转子回路方程 :

根据前面的分析可知 :

式中 : 是转子绕组的漏阻抗 .

转子相电流为 :

2222222 )(0 zIEjxrIE

222 jxrz

2

22

22

2

22

22

je

xr

E

jxr

EI

式中 是转子绕组回路的功率因数角 .显然，上式中的转子侧的感应电动势和电流、电抗

等的频率都是 ，转子电流在相位上滞后与电动势 时间电角度。

根据定、转子磁动势合成关系，有

改写成

2

2

22 r

xarctg

2

12 ff

021 FFF

)( 201 FFF

从上面的分析我们可以看出，当转子侧电流不为零时，他也会产生一个磁动势，而此时定子侧的磁动势此时变成了 ，

这就可以认为定子旋转磁动势里包含着两个分量：一个分量是大小等于 ，而方向与 相反，用 表示。它的作用是抵消转子旋转磁动势对主磁通的影响；另一个分量就是励磁磁动势 。它是用来产生气隙旋转磁密的。由于这种情况下定子磁动势已变为 了，定子绕组里的电流也就变为 了。

)( 201 FFF

2F2F2F

0F

1F1I

定子回路的电压方程式为：

9.2.3 转子绕组的折合（折算）： 从前面的分析我们可以看出，分别对定转子进行

分析太过麻烦，异步电动机定、转子之间没有电路上的联结，只有磁路的联系，这点和变压器的情况相类似 ，所以在这里我们仍采用折算的方法，把转子折算到定子侧，用一个新转子，它的相数、每相串联匝数以及绕组系数都分别和定子的一样（三相、 ）

)( 11111 jxrIEU

1N 1Nk

但是关键的一点是：要保证转子侧在折算前后对整个磁场的影响不能发生改变，即折算前后转子的总视在功率、有功功率、转子的铜耗和漏磁场储能均保持不变。简单的说就是转子侧的磁动势没有改变，不影响定子边。

根据定、转子磁通势的关系：

可以写成

021 FFF

令

这样可得

2222

111

2

24

22

24

2

3I

p

kNmI

p

kN NN

011

2

24

2

3I

p

kN N

211

2222

2

24

2

3

2

24

2I

p

kNI

p

kNm NN

简化为：

而折算前后的电流的关系为：

211

111

2

24

2

3

2

24

2

3I

p

kNI

p

kN NN

011

2

24

2

3I

p

kN N

021 III

211

2222

1

3I

kI

kN

kNmI

iN

N

电流变比

式中 是转子绕组的相数，只有绕线式三相异步电动机转子绕组是三相，鼠笼式异步电动机转子绕组一般不是三相，而是相。

经过折算，从表面上看，好像定、转子之间真的在电路上有了联系。

eN

Ni k

mkNm

kN

I

Ik

2222

11

2

2 33

2m

2m

这样，我们就可以对相关的量进行折算。 于是转子回路的电压方程式 ：

)( 2222 xjrIEo

)( 222

2

2222 jxrkk

kI

Ek

I

Exjrz ie

i

e

22 xkjkrkk ieie

于是折合后转子漏阻抗与折合前转子漏阻抗的关系为：

折合前后的功率关系不变。例如转子里的铜损耗，用折合后的关系表示为：

22 rkkr ie 22 xkkx ie

22

2

2

22

rkk

xkkarctg

r

xarctg

ie

ie

折合前后的无功功率也不变。例如转子漏抗上的无功功率，用折合后的关系式表示为

即折算后的量我们全部用“ ´” 来表示 .

2222

2

22

2222 )(33 rIm

m

mrkk

k

IrI ie

i

2222

2

22

2222 )(33 xIm

m

mxkk

k

IxI ie

i

9.2.4基本方程式、等值电路和相量图： 整理可的基本方程式：

)( 11111 jxrIEU

)(01 mm jxrIE

021

2222

21

)(

III

xjrIE

EE

异步电动机定、转子的漏阻抗标么值都是比较小的，如果在它的定子绕组加上额定电压，这时定、转子的电流都很大，大约是额定电流的 4～ 7倍。这就是异步电动机加额定电压直接起动而转速等于零的瞬间情况。如果使电动机长期工作在这种状态，则有可能将电机烧坏。

有时为了测量异步电动机的参数，采用转子绕组短路并堵转实验。为了不使电动机定转子过电流，必须把加在定子绕组上的电压降低，以限制定、转子绕组中的电流。

9.3 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系 前面我们分析了转子不转、开路和转子堵转、

短路情况下的异步电动机的工作原理，下面我们来看一下转子旋转时将会是怎样的电磁关系。

一、转差率：当转子以转速 开始旋转时，此时显然，气隙磁场不在以同步转速 切割转子绕组，同步转速和转子转速之间有一个同方向的相对运动，即此时的气隙磁场是以一个 在切割转子绕组：

1

1

n

nns

1nn

nn 1

s 是一个没有量纲的数，它的大小也能反映电动机转子的转速。例如 时， ; 时， ； 时 s 为负；电动机转子的转向与气隙旋转磁密 的转向相反时， s＞ 1 。一般：

二、转子电动势： 当异步电动机转子以转速 恒速运转时，此

时一些相应的物理量将要结合转差率发生相应的变化转子回路的电压方程式为：

0n 1s 1nn 0s 1nn

B05.0~01.0s

n

)( 2222 sss jxRIE

此时在转子绕组内感应产生的感应电动势和感应电流及其他一些相关的参数的频率发生了变化。因为现在切割速度为：

表现在电动机转子上的频率 为：

为此转子频率也叫转差频率。正常运行的异步电动机，转子频率约为 0.5～ 2.5Hz 。

转子旋转时转子绕组中感应电动势为：

nnn 12

2f

sfn

nnpnnnppnf 1

1

11122 6060

)(

60

上式说明了当转子旋转时，每相感应电动势与转差率 s 成正比。

转子漏抗 是对应转子频率时的漏电抗。它与转子不转时转子漏电抗 ( 对应于频率 Hz) 的关系为：

= s

12222 44.4 Ns kNfE

2122144.4 sEkNsf N

sx 2

2x501 f

sx 2 2x

正常运行的异步电动机，9.3.3 定、转子磁动势及磁动势关系 下面对转子旋转时，定、转子绕组电流

产生的空间合成磁动势进行分析。1．定于磁动势 ： 前面我们以多次详细的介绍了，在这里

不在重复。2 、转子旋转磁动势 ：（ 1 ）幅值：

22 xx s

1F

2F

sN I

p

kNF 2

222 2

24

2

3

（ 2 ）转向：由于现在的气隙磁场在切割转子绕组时仅是切割速度发生了变化，而它的旋转方向并没有发生改变，所以此时是以 的速度沿逆时针方向切割转子绕组，因此：产生电流的相序仍然是

由转子电流入产生的三相合成旋转磁动势的转向，相对于转子绕组而言，仍为逆时针方向旋转。

（ 3 ）转速：

)( 1 nn

222 CBA

112

2

6060sn

p

sf

p

fn

（ 4 ）瞬间位置：当转子绕组哪相电流达正最大值时，正好位于该相绕组的轴线上。

3．合成磁动势：搞清楚了定、转子三相合成旋转磁动势的特点后，现在希望站在定子绕组的角度上看定、转子旋转磁动势（ 1 ）幅值：关于定、转子磁势的幅值，不

因站在定子上看而有什么改变，仍为前面分析的结果。（ 2 ）转向：二者的转向相对于定子都为逆

时针方向旋转。

（ 3 ）转速：相对与定子绕组而言，定子

磁动势 的转速为 ，而转子我们分开看：首先转子磁动势相对于转子的转速为

而转子本身又是以转速 n 旋转，为此站在定子绕组上看转子旋转磁动势的转速为

于是，转子旋转磁动势相对于定子绕组的转速为：

1n1F

2n

nn 2

nsnnn 12

111

1 nnnn

nn

可见，转子磁动势和定子磁动势的转速在空间总是等于同步转速，始终保持相对静止，即定、转子磁势之间没有相对运动！所以，感应电机在任何异步转速下均能产生恒定的电磁转矩，并实现机电能量转换。

所以：合成的总磁动势，仍用 来表示。即

这种情况下的合成磁动势，与前面介绍过的两种情况下的励磁磁动势，就实质来说都一样，都是产生气隙每极主磁通的励磁磁动势。就大小来说，不一定都一样大。

0F

021 FFF

9.3.4 转子绕组频率的折合 :

通过对转子旋转的分析可知 , 转子旋转后 , 转子频率的大小仅仅影响转子旋转磁动势相对于转子本身的转速 , 转子旋转磁动势相对于定子的转速永远为同步转速 , 与转子电流的频率无关 ,另外 ,定转子之间是通过磁动势相联系的 , 所以只要保持转子旋转磁动势的大小不变 ,至于电流的频率是多少无所谓 . 根据这个概念 ,我们对下式进行变换 :

2n

22

2

22

22 jsxr

Es

jxr

EI

s

ss

2

22

2 Ijx

s

rE

同时，在频率变换的过程中，除了电流有效值保持不变外，转子电路的功率因数角 也没有发生任何变化。即

在上式的推导过程中，并没做任何的假设，结果证明了两个电流 和 的有效值以及初相角完全相等 ,但此时的频率以从变成 , 下面我们来分析一下这两个有效值

相等的电流和它们的频率如何。

2

sr

xarctg

r

sx

r

xarctg s

2

2

2

2

2

22 arg

sI 2

2I2f

1f

由此可见 ,频率折算是用一个静止的电阻为 的等效转子去代替电阻为 R2 的实际旋转的转子 ,

等效转子将于实际转子具有相同的转子磁动势 .

s

R2

此时，转子电路虽然经过这种变换，但是从定子边看转子旋转磁通势并没有发现任何不同，两个情况下产生的磁通势的幅值大小是完全一样的，这就是转子电路的频率折算，即：把转子旋转时实际频率为 f2的电路，变成了转子不转，频率为 f1的电路。

而把上式得到的电阻的形式再进行变形，可以分解成，

很明显和转子不转时相比，转子侧多了一个电阻。

222 '

1'

'r

s

sr

s

r

注意 : 它的电动势为转子不转时 （注意不是转子堵转时的电动势），转子回路的电阻变成 ，漏电抗变成 。对其中转子回路电阻来说，除了原来转子绕组本身电阻 外，相当于多串一个大小为 的电阻 , 由等效电路可见 . 而这个电阻很重要！

2E

sr2 2x

2r 2)1

( rs

s

我们知道在转子旋转时有机械能产生，在经过了频率折算后，得到转子侧的频率和定子侧的频率相等，而我们知道在转子静止转子短路的情况下，我们得到两侧的频率相等的情况，能量是不能凭空消失的，所以，显然，此时我们是用一个静止的转子电阻来代替旋转的转子电阻，即用在静止的转子上消耗的电功率来等值代替旋转的时候产生的机械能。

再考虑把转子绕组的相数、匝数以及绕组系数都折合到定子边，转子回路的电压方程式则变为 ：

)( 22

22 xjs

rIE

当异步电动机转子电路进行了频率折合后， 转子旋转磁通势的幅值可写成 :

再考虑转子绕组的相数、匝数折合， 为 :

2222

2 2

24

2I

p

kNmF N

2F

211

2 2

24

2

3I

p

kNF N

这样一来，定、转子旋转磁动势的关系 ，又可写 :

9.3.5 基本方程式、等值电路和时间空间向量图 :

与异步电动机转子绕组短路并把转子堵住不转时相比较，在基本方程式中，只有转子绕组回路的电压方程式有所差别，其他几个方程式都一样。可见，用式（ 7-10 ）代替式（ 7-7 ），就能得到异步电动机转子旋转时的基本方程式，为 :

021 FFF

021 III

021

22

22

21

01

1111

)(

)(

III

xjs

rIE

EE

jxrIE

jxrIEU

mm

这样就可以画出相应的等值电路 :

从等效电路图上我们可以看出，转子电路中多了一个表征机械负载的等效电阻

，而在这个电阻上消耗的电功率在数值上刚好和转子旋转时的机械功率相等。

2)1

( rs

s

当异步电动机空载时，转子的转速接近同步速，转差率 s 很小， /s趋于∝， 电流可认为等于零 , 这时定子电流就是励磁电流 ,电动机的功率因数很低。

当电动机运行于额定负载时，转差率 /s 约为 的 20倍左右，等值电路里转子边

呈电阻性，功率因数 COS 较高。这时定子边的功率因数 COS 也比较高，可达0.8～ 0.85.

2r2I

05.0s

2r 2r2

1

由于异步电动机定子漏阻抗不大 , 异步电动机从空载到额定负载运行时，由于定于电压不变，主磁通 Φ1基本上也是固定的数值。因此励磁电流也差不多是个常数。但是，当异步电动机刚起动时，转速 n＝ 0（ s=1 ），这时定子电压全部降落在定、转子的漏阻抗上，已知定、转子漏阻抗 ，这样，定、转子漏阻抗上的电压降近似为定子电压一半左右。也就是说，近似是的一半左右，气隙主磁通 Φ1也将变为空载时的一半左右 ,这样 , 根据上述五个基本方程式画出的异步电动机时间空间相量图，与三相变压器带纯电阻负载运行时的相量图相似。

9.3.6 鼠笼转子 :

鼠笼转子每相邻两根导条电动势 ( 电流 ) 的相位相差的电角度与他们空间相差的电角度是相同的 , 导条是均匀分布的 .若一对磁极范围内有 m2 根导条 , 转子就感应产生 m2 相对称的感应电动势和电流 .若一对磁极范围内的导条数不为整数 ,则取m2 等于转子槽数 .

对于鼠笼转子的整个分析过程和前面我们所用的方法相同 , 所以 , 在这里我们不在进行详细的分析 .

第 10章 三相异步电动机及机械特性 10.1 三相异步电动机的功率与转矩10.1.1 功率关系 :

当三相异步电动机以转速 n 稳定运行时，从电源输入的功率为 :

定子铜损耗 为 :

1P

1111 cos3 IUP

1Cup

12

11 3 rIpCu

在正常情况下，转子的转速接近与同步转速，所以转子回路的铁耗很小，我们给予忽略，因此只计定子回路的铁耗：

从等值电路看出，传输给转子回路的电磁功率等于转子回路全部电阻上的损耗。

电磁功率也可表示为 ：

mFeFe rIpp 201 3

s

rIppPP FeCuM

22211 3

2222222 coscos3 IEmIEPM

转子绕组中的铜损耗为：

这样电磁功率减去转子铜耗，剩下的就是等效电阻上的损耗，而此损耗实际上是电机转轴上总的机械功率，用 表示。

电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，把这部分功率叫做机械损耗，用 表示。

MCu sPrIp 22

22 3

mP

MCuMm Psrs

sIpPP )1(

13 2

222

mp

当然除了这些损耗外，还有一些附加损耗等， 这样，输出功率为：

所以整个功率传递过程中的功率关系为：

功率流程图：

admm ppPP 2

admFeCu ppppPP !12

从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的定量关系是：

10.1.2 转矩关系： 机械功率 除以轴的角速度 Ω就是电磁转

矩 ，即：

)1(::1:: 2 ssPpP mCuM

mP

T

mPT

11

60

2)1(

60

2

Mmmm P

ns

Pn

PPT

式中 Ω1 为同步角速度（用机械角表示），对功率表达式进行变形：

T0 是空载转矩

10.1.3 电磁转矩的物理表达式：电磁功率除以同步机械角速度 得电磁转矩：

02 TTT

00

pppT adm

1

60

2

3

1

22

2

1n

rIPT M

60

2cos3

1

222

nIE

60

2

cos23

1

2221 12

nn

IkNf N

22122 cos2

3 IkpN N

221 cosIC jM

式中 ： 是一常数，叫转矩系数。

222

3NMj kpNC

10.2 三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩 T与转速 （或转差率 ）之间的函数关系。

10.2.1 机械特性的参数表达式 :

已知 :

n s

p

fs

rI

ns

rI

T 2

3

60

2

3 222

1

222

异步机等值电路中，由于励磁阻抗比定、转子漏阻抗大很多，把 T 型等值电中励磁阻抗这一段电路前移来计算 ，误差很小 ,故 :

代入上面电磁转矩公式中去，得到 :

2I

221

2

21

12

)( xxs

rr

UI

2

21

2

21

1

221

)(60

2

3

xxsr

rf

sr

UT

这就是机械特性的参数表达式。固定 、及阻抗等参数， 画成曲线便为 T－ s曲线。

10.2.2 固有机械特性 :

1) 固有机械特性曲线 :

2

21

2

211

221

)(2

3

xxs

rrf

s

rpU

1U 1f)(sfT

有了机械特性的表达式 ,我们就可以作出相应的特性曲线 . 根据条件 的不同 , 特性曲线又可以分为固有机械特性曲线和人为特性曲线 :

固有机械特性曲线 : 三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变，定、转子回路不串入任何电路元时的机械特性称为固有机械特性，如图 .

从图上我们可以看出相异步电动机固有机械特性不是一条直线，它具有以下特点：（ 1 ）在 0≤S≤1 ，即＜ n≤0 的范围内，特性在第Ⅰ象限，电磁转矩 T 和转速 n 都为正，从正方向规定判断， T与 n 同方向，如图所示。电动机工作在这范围内是电动状态。这也是我们分析的重点 .

（ 2 ）在 s＜ 0范围内， n＞ ，特性在第Ⅱ象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态，如图左上部所示 , 机械特性在 S＜ 0和 s＞ 0 两个范围内近似对称。（ 3 ）在 s＞ 1范围内， n＜ O ，特性在第Ⅳ象限，

T＞ 0 ，也是一种制动状态，如图右下部所示。在第Ⅰ象限电动状态的特性上， B 点为额定运行点，其电磁转矩与转速均为额定值。 A 点， T=0,为理想空载运行点。 C 点是电磁转矩最大点。 D点 n=0 ，转矩为 TS ，是起动点（见图 ）。

1n

1nn

2)最大电磁转矩 :

正、负最大电磁转矩可以从参数表达式求得，令 :

得到最大电磁转矩 :

最大转矩对应的转差率称为临界转差率

0ds

dT

221

2111

21

)(2

3

2

1

xxrrf

pUTm

221

21

2

xxr

rsm

一般情况下， 值不超过 的 5% ，可以忽略。这样一来，有 :

也就是说，异步发电机状态和电动机状态的最大电磁转矩绝对值可近似认为相等，临界转差率也近似认为相等，机械特性具有对称性。

21r 2

21 xx

)(

)(2

3

2

1

21

2

211

21

xx

rs

xxf

pUT

m

m

过载倍数 :最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最大转矩倍数，又称过载能力，用 λ表示为

一般三相异步电动机 λ=1.6～ 2.2, 起重、冶金用的异步电动机 λ=2.2～ 2.8 。

3. 起动转矩 :

满足 n=0， s=1 的电磁转矩 ,将 s＝ 1代入式（ 7-14 ）中，得到起动转矩为 :

N

m

T

T

221

2211

22

1

)()(2

3

xxrrf

rpUTs

从式中看出， TS 与电压平方成正比，而且转子电阻越大，起动转矩越大，漏电抗越大，起动转矩越小。

起动转矩倍数 : 起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数，用 表示，

电动机起动时，只有 TS 大于 (1.1～ 1.2)倍的负载转矩才可顺利起动。一般异步电动机起动转矩倍数 =0.8～ 1.2。

TK

N

sT T

TK

TK

4.稳定运行问题 :

从三相异步电动机机械特性上看，当 0＜ s＜ ，机械特性下斜，拖动恒转矩负载和泵类负载运行时均能稳定运行。当 ＜ s＜ 1 ，机械特性上翘，拖动恒转矩负载不能稳定运行。拖动泵类负载时，满足 处 的条件，即可以稳定运行。但是由于这时候转速低，转差率大，转子电动势 比正常运行时大很多，造成转子电流、定子电流均很大，不能长期运行。因此三相异步电动机稳定运行在 0＜ s＜ 范围内，长期稳定运行在 0＜ s＜ 范围内。

ms

ms

LTT dn

dT

dn

dT L

22 sEE s

msms

10.2.3 人为机械特性 : 从机械特性表达式上我们可以看出我们可以通过改变一些参数使得特性曲线更满足用户的需要 ,这样就得到了我们的人为机械特性曲线 .

1) 降低定子端电压的人为机械特性 :

除了自变量与因变量外，保持其它量都不变，只改变定子电压的大小，研究这种情况下的机械特性。由于异步电机的磁路在额定电压下已有点饱和了，故不宜再升高电压。下面只讨论降低定子端电压时的人为机械特性。

2

21

2

21

1

221

)(60

2

3

xxsr

rf

sr

UT

从表达式上可以看出 , 异步电机的同步转速与电压无关不同电压的人为机械性，都得通过 点。我们知道，电磁转矩 T 与 成正比，为此最大转矩 以及起动转矩 TS 都要随 的降低而按 的平方减小。而最大转矩对应的转差率 不变。如图所示。

2．转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性 :

绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把 三相对称电阻串入转子回路而后三相再短路。

1n2

1U

mT1U

1Ums

从机械特性的表达式上可以看出 ,最大电磁转矩与转子每相电阻值无关，即转子串入电阻后， Tm

不变。从式（ 10-6 ）看出，临界转差率 :

转子回路串电阻并不改变同步转速 . 转子回路串三 相对称电阻后的人为机械特性图所示。

从图看出，转子回路稍串入一些电阻，可以增大 起动转矩，串的电阻合适时，

ms ∝（2r

+R）

ms

m

TT

xx

Rrs

121

2

但是若串入转子回路的电阻再增加，则 ＞1 了。因此转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而是有一个限度，如图所示。

除了上面两种方法 , 还可以改变定子电源频率 ,这种方法我们异步电动机起动与调速方法中介绍。

10.2.4 机械特性的实用公式 : 1实用公式 : 实际应用时，三相异步电机的参数不易得到， 这样我们用前面的机械特性表达式就很不方便 , 所以 , 在实际工程中 ,

ms

若利用异步电机产品目录中给出的数据，找出异步电动机的机械特性公式，即便是粗糙些，但也很有用，这就是实用公式。下面我们进行一下推导。

221

2

21

221

2112

)(

)(2

xxs

rrs

xxrrr

T

T

m

以知 :

代入上式 , 于是上式变为 :ms

rxxr 22

212

1 )(

qs

s

ss

q

srr

s

s

ss

srr

rrsr

srs

sr

rr

T

T

m

m

mm

m

m

m

m

2

2

)1(2

2)()(

)(2

2

1

2

1

21

22

2

22

212

式中 :

其中 大约在 0.1～ 0.2 范围内，上式中，显然在任何 s 值时，都有

而 q<< 2 可忽略，这样上式可简化为

mm ssr

rq 2

2

2

1

ms

2s

s

s

s m

m

ssT

T

mm

mss

2

这就是三相异步电动机机械特性的实用公式。

2．实用公式的使用 :

从实用公式看出，必须先知道最大转矩及临界转差率才能计算。而额定输出转矩可以通过额定功率和额定转速计算，在实际应用中，忽略空载转矩，近似认为 。过载能力 λ 可从产品目录中查到，故 便可确定。

下面再推导一下临界转差率 的计算公式。

NN TT 2

Nm TT

ms

若用额定工作点的 和 ，将其代入上式

此式使用时，额定工作点的数据是已知的。

Ns NT

N

m

m

N

s

s

s

s

21

)1( 2 Nm ss

若使用实用公式时，不知道额定工作点数据，更多的情况是在人为机械特性上运行（机械特性照样可以用实用公式计算），但该特性上没有额定运行点，这时可用如下公式：

异步电动机的电磁转矩实用公式很简单，使用起来也较方便，应该记住。同时最大转矩对应的转差率 的公式也应记住。

1)( 22

T

T

T

TsS NN

m

ms

当三相异步电动机在额定负载范围内运行时，它的转差率小于额定转差率（ ＝ 0.01～ 0.05 ）。这就是说

忽略 s/ ，式（ 10-8 ）变成为 :

经过以上简化，使三相异步电动机的机械特性呈线性变化关系，使用起来更为方便。但是，上式只能用于转差率在 ≥ s＞ 0 的范围内。

Ns

s

smms

s

ss

TT

m

m2ms

Ns

10.3 三相异步电动机的工作特性及其测试方法

异步电动机的工作特性 : 指 时电动机的转速 n 、定子电流 , 功率因数

电磁转矩 T 、效率 η 等与输出功率 P2 的关系。

可以通过直接给异步电动机带负载测得工作特性，也可以利用等值电路计算而得。

下面，我们将分别进行介绍 .

1I 1cosNUU 1 Nff 1

1) 转速特性 :

三相异步电动机空载时，转子的转速 n 接近于同步转速 。随着负载的增加，转速 n 要略微降低，这时转子电动势 增大，转子电流 增大，以产生大的电磁转矩来平衡负载转矩。因此，随着 P2

的增加，转子转速 n 下降，转差率 s增大。 2) 定子电流特性 空载时 , 转子电流基本上为零 , 此时的定子电流就是励磁电流 I0,随着负载的增加 , 转速降低 , 转子电流增大 , 定子电流也增大 .

)( 2Pfn

1nSE2 SI 2

)( 21 PfI

3) 定子边功率因数 以知三相异步电动机运行时必须从电网中吸收滞后的无功功率来建立磁场 , 所以它的功率因数永远小于 1.空载时 , 定子侧的功率因数很低 ,不超过 0.2, 接近额定负载时 , 定子电流中的有功电流增加 , 使功率因数提高 , 接近负载时 , 功率因数接近于 1.但是如果进一步增大负载 , 由于转差率的增大 , 使功率因数角增大 ,则功率因数减小 .

)(cos 21 Pf

4) 电磁转矩特性稳定运行时异步电动机的转矩方程为输出功率 ，所以

当电动机空载时，电磁转矩 。随着负载增加， 增大，由于机械角速度 Ω变化不大，电磁转矩 T随的变化近似地为一条直线。

5) 效率特性 :

)( 2PfT

20 TTT 22 TP

2

0

PTT

0TT 2P

)( 2Pf

pP

p

P

P

21

2 1

空载时， = 0 ， ＝ 0 ，随着输出功率的增加，效率也在增加。在正常运行范围内因主磁通变化很小，所以铁损耗变化不大，机械损耗变化也很小，合起来叫不变损耗。定、转子铜损耗与电流平方成正比，变化很大，叫可变损耗。当不变损耗等于可变损耗时，电动机的效率达最大。对中、小型异步电动机，大约 时，效率最高。如果负载继续增大，效率反而要降低。一般来说，电动机的容量越大，效率越高。

2P

NPP 75.02

10.3.2 用试验法测三相异步电动机的工作特性 :

直接负载试验是在电源电压为额定电压、额定频率的条件下，给电动机的轴上带上不同的机械负载，测量不同负载下的输入功率、定子电流、转速 n ，即可算出各种工作特性，并画成曲线。

10.4 三相异步电动机参数的测定 上面已经说明，为了要用等值电路计算

异步电动机的工作特性，应先知道它的参数。和变压器一样，通过做空载和短路（堵转）两个试验，就能求出异步电动机的参数来。

10.4.1 短路 (堵转 )实验 :

短路试验又叫堵转试验，即把绕线式异步电机的转于绕组短路，并把转子卡住，不使其旋转，鼠笼式电机转子本身已短路。

实验过程 : 从 开始 ,然后逐渐降低电压。 实验过程 :记录定子绕组加的端电压、定子电流

和定子输入功率 。试验时，还应量测定子绕组每相电阻 的大小。根据试验的数据，画出异步电动机的短路特性 、 , 如图所示。

NUU 4.01

KI1

KP1

1r

)( 11 UfI K )( 11 UfP K

因电压低铁损耗可忽略，为了简单起见，可认为 由于试验时，转速 n＝ 0 ，机械损耗 , 定子全部的输入功率 都损耗在定、转子的电阻上，即

由于 所以

2zzm 00 I0mp

KP1

22

212

11 )(33 rIrIP K

00 I KIII 112

)(3 212

11 rrIP KK

根据短路试验测得的数据，可以算出短路阻抗、短路电阻和短路电抗。即

22

21

1

1

1

3,

kkk

k

kk

Kk

rzx

I

Pr

I

Uz

2121 , xxxrrr kk

221kxxx

10.4.2 空载实验 : 实验目的 : 为了测励磁阻抗 机械损耗 pm, 铁心损耗 pFe 。

试验过程 : 转轴上不加任何负载，即电动机处于空载运行，把定子绕组接到频率为额定的三相对称电源上，当电源电压为额定值时，让电动机运行一段时间，使其机械损耗达到稳定值。用调压器改变加在电动机定于绕组上的电压，使其从（ 1.1～ 1.3 ）开始，逐渐降低电压 , 直到电动机的转速

,, mm xr

NU

发生明显的变化为止。记录电动机的端电压、空载电流、空载功率 P 。和转速 n ，并画成曲线。如图所示，即异步电动机的空载特性。

由于异步电动机处于空载状态，转子电流很小，转子里的铜损耗可忽略不计。所以这个时候的空载损耗全部消耗在定子铜耗 , 铁耗 , 机械损耗 , 和附加损耗中 ,既 :

转换一下 :

在上面的损耗中 , 铁耗和附加损耗是随着定子的端电压变化的 , 与磁密的平方成正比 ,近似地看成为与电动机的端电压成正比。 而机械损耗与电压无关 , 只要转速不变 , 可认为是常数 .这样就可以作出 对 的关系曲线 .

admFe ppprIP 1200 3

admFe ppprIPP 102

00 3

0P 21U

如图所示 , 把图中曲线延长与纵坐标轴交于点 ，过 做一水平虚线，把曲线的纵坐标分成两部分。由于机械损耗与转速有关，电动机空载时，转速接近于同步转速，对应的机械损耗是个不变的数值。即可由虚线与横坐标轴之间的部分来表示这个损耗，其余部分当然就是铁损耗和空载附加损耗了。

定子加额定电压时，根据空载试验测得的数据 和 ，可以算出 :

0 0

0I 0P

式中 是测得的三相功率； 、 分别是相电流和相电压。

可从短路（堵转）试验中测出， 于是励磁电抗 :

20

00

0

10 3

,I

pPr

I

Uz m

20

200 rzx

0P 0I 1U

10 xxx m

10 xxxm

1x

励磁电阻为 :

10 rrrm

第 11章 三相异步电动机的起动、制动与调速 我们知道异步电动机的作用就是拖动负载工作，那么关于它的起动、制动和调速问题就是我们关心的重点。

在三相异步电动机电力拖动系统中，电动机转速、电磁转矩、负载转矩等物理量的正方向，都按电动机惯例规定。本章讨论三相异步电动机的起动、调速及各种运行状态。

11.1 三相异步电动机的直接起动 对于电动机来说最简单、最直接的起动方

法就是我们大家能最先想到的直接起动法。由前面所介绍的机械特性出发，我们知道如果在额定电压下直接起动三相异步电动机，由于最初起动瞬间主磁通约减少到额定值的一半，功率因数 cos 很低，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。以普通鼠笼式三相异步电动机为例，起动电流

2

NNIs IIKI 7~4

起动转矩如图所示为三相异步电动机直接起动时的固有机械

特性与电流特性，其中 为定子每相电流，而

一般地说，容量在 7.5kw 以下的小容量鼠笼式异步电动机都可直接起动。

起动电流较大有什么影响呢？ 1 、首先对于绕组来说是非常不利的，如果电机

是属于频繁起动的，频繁出现短时大电流会使电动机内部发热较多而过热。

2 对于变压器而言，整个交流电网的容量相对于

NNTs TTKT )3.1~9.0(

1I

021 ' III

单个的三相异步电动机来讲是非常大的。但是具体到直接供电的变压器来讲，容量却是有限的。若变压器额定容量相对不够大时，电动机短时较大的起动电流，会使变压器输出电压短时下降幅度较大，超过了正常规定值，例如 U＞ 10％或更严重。这样一来，影响了几个方面：

（ 1 ）起动电动机本身，由于电压太低起动转矩下降很多（ ），当负载较重时，可起动不了。（ 2 ）影响由同一台配电变压器供电的其他负载，

比如说电灯会变暗，数控设备可能失常，重载的异步电动机可能停转等。

21UTs

起动转矩不大有什么影响呢 ？很显然，电机的起动是非常吃力的， l.1-1.2

的条件下，电动机才能正常起动。一般地说，如果异步电动机轻载和空载起动，直接起动时的起动转矩就够大了，但是如果是重载起动例如 ，且要求起动过程快时，某些异步电动机例如绕线式三相异步电动机， 往往小于 1 ，直接起动的起动转矩就不够大了。

sTLT

NL TT

TK

从上面分析看出，三相异步电动机直接起动有些情况下是可行的，而下面两种情况下是不可行的：①变压器与电动机容量之比不足够大；②起动转矩不能满足要求。

不能直接起动的第①种情况下需要减小起动电流，第②种情况下需要加大起动转矩。

即起动必须满足的条件是： 起动电流要足够小；起动转矩要足够大。 起动电流：

221

221

121

)()('

rr

UII ss

从上面两个表达式我们可以看出，降低起动电流的方法有：①降低电源电压；②加大定子边电抗或电阻；③加大转子边电阻或电抗。加大起动转矩的方法只有适当加大转子电阻，但不能过份，否则起动转矩反而可能减小。

而直接起动的最大优点就是不需要专门的起动设备。

])()[(2

32

212

211

22

1

rrf

rpUTs

11.2 三想鼠笼异步电动机的降压起动11.2.1 定子串接电抗器起动： 三相异步电动机定子串电抗器起动，起动时电抗器接入定子电路；起动后，切除电抗器，进入正常运行。显然此时的电抗器起到了分压的作用。三相异步电动机直接起动时，其每相等值电路如图（ a ）所示，电源电压 直接加在短路阻抗 上。定子边串入电抗 X起动时，每相等值电路如图（ b ）所示，

kkk jrz 1U

加在（ jX＋ ）上，而 上的电压是 。定

子边串电抗起动可以理解为增大定子边电抗值，也可以理解为降低定子实际所加电压，其目的是减小起动 电流。根据等值电路，可以得出

我们知道，三相异步电动机直接起动时转子功率

因数很低，这是由于电动机设计时，短路阻抗

1U kz kz 1U

ks

ks

zIU

jXzIU

11

11

''

)(

所至，一般说来， 因此，串电抗起动时，可以近似把

看成是电抗性质。设串电抗时电动机定子电压与直接起动时电压比值为 u ，则

kkkkk zxjxrz 中kk zx 9.0

kz

Xz

zu

U

U

I

I

k

k

s

s

1

1

1

1

222

1

1 )()(Xz

zu

U

U

T

T

k

k

s

s

显然，定子串电抗器起动，降低了起动电流，但起动转矩降低得更多。因此，定子串电抗器起动，只能用于空载和轻载。

工程实际中，往往先给定线路允许电动机起动电流的大小 ，再计算电抗 X 的大小。计算公式推导如下：

其中短路阻抗为

sI

Xz

zu

I

I

k

k

s

s

u

uX

1

N

N

s

Nk

IK

U

I

Uz

133

若定子回路串电阻起动，也属于降压起动，也可以降低起动电流。但由于外串的电阻上有较大的有功功率损耗，特别对中型、大型异步电动机更不经济，因此这里不予介绍。

11.2.2 Y 一 起动： 在这里主要是利用了星—三角电压之间 的关系，我们知道在星接中线电压是相电压的 倍，注意这种方法只适用与绕组在起动的时候是星接，而运行的时候是角接。如图所示：

3

3

试想一下，如果起动的时候是角接，这样，相电压等于线电压 每相起动电流为 线上的起动电流为 。而如果起动时定子绕组 Y 接，如图（ b ）所示，每根起动电压为

每相起动电流，则

NUU 1

I II s 3

331

1NUU

U

3

13/

1

1

N

NY

U

U

U

U

I

I

线起动电流为 :

III Ys3

1

3

1

3

3

1

I

I

I

I

s

s

上式说明， Y 一 起动时，尽管相电压和相电流与直接起动时相比降低到原来的 1／，但是对供电变压器造成冲击的起动电流则降低到直接起动时的 1／ 3 。

直接起动时起动转矩为 ， Y 一 起动时起动转矩为 ，则：

Y 一 起动可以用于拖动 的轻负载。在轻载起动条件下，应该优先采用。

3

sT sT

3

1)( 2

1

1

U

U

T

T

s

s

sss

L TTT

T 3.031.11.1

11.2.3 自耦变压器（起动补偿器）降压起动： 如图所示： 我们在前边已经学过了自耦变压器的工作原理，

在这里就是利用了自耦变压器有抽头可供选用，比较灵活，可以实现不同要求的降压。

电动机起动电压下降为 ， 与直接起动时电压的关系为

U

1

2

N

N

U

U

N

电动机降压起动电流为 ，与直接起动的起动电流 之间关系是：

自耦变压器原边的起动电流为 ，与 之间关系为：

因此降压起动与直接起动相比，供电变压器的起动电流的关系为：

sI sI

1

2

N

N

U

U

I

I

Ns

s

sI sI

1

2

N

N

I

I

s

s

2

1

2 )(N

N

I

I

s

s

自耦变压器起动时记起动转矩为 ，与直接起动时起动转矩 之间的关系为：

采用自耦变压器降压起动时，与直接起动相比较，电压降低到 倍，起动电流与起动转矩降低到 倍。

sT

sT

2

1

22 )()('

N

N

U

U

T

T

Ns

s

1

2

N

N

2

1

2 )(N

N

实际上起动用的自耦变压器，备有几个抽头供选用。例如 QJ 2 型有三种抽头，分别为 55% （即 =55% ）、 64%、 73% （出厂时接在 73%抽头上）； QJ 3 型也有三种抽头，分别为 40％、 60%、 80% （出厂时接在 60％抽头上）等。这也是我们前面所讲的优点，但是，自耦变压器体积大，价格高，也不能带重负载起动。自耦变压器降压起动在较大容量鼠笼异步电动机上广泛应用。

到目前为止，前面所介绍的几种鼠笼式异步电动机降压起动方法，主要目的都是减小起动电流，但同时又都程度不同地降低了起动转矩，因此只适合空载或轻载起动。对于重载起动，尤其要求起动过程很快的情况下，则需要起动转矩较大的异步电动机。式（ 11－ 1 ）表明，加大起动转矩的方法是增大转子电阻。对于绕线式异步电动机，则可在转子回路内串电阻。对于鼠笼式异步电动机，只有设法加大鼠笼本身的电阻值，这类电动机有高转差率鼠笼式异步电动机、双鼠笼式异步电动机和深槽式鼠笼异步电动机。下面介绍绕线式三相异步电动机的起动。

11.3 三相绕线式异步电动机的起动 在前面我们已经分析了绕线式异步电动机的相

关特性知识 , 从中我们知道通过给绕线式异步电动机的转子侧串电阻可以很好的改善电机的起动性能 , 下面我们将进行详细的介绍 .

一、转子串频敏变阻器起动： 对于单纯为了限制起动电流、增大起动转矩的

绕线式异步电动机，可以采用转子串频敏变阻器起动。

如图所示：接触器触点 K断开时，电动机转子串入频敏变阻器起动。起动过程结束后，接触器触点 K再闭合，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行 。

频敏变阻器每一相的等值电路与变压器空载运行时的等值电路是一致的，忽略绕组漏阻抗时，其励磁阻抗为励磁电阻与励磁电抗串联组成，用 表示。但是与一般变压器励磁阻抗不完全相同，主要表现在以下两点：

ppp jxrz

⑴ 频率为 5OHz 的电流通过时，阻抗比一般变压器励磁阻抗小得多。这样串在转子回路中，既限制了起动电流，又不致使起动电流过小而减小起动转矩。

（ 2 ）频率为 5OHz 的电流通过时 , >> ，其原因是：频敏变阻器中磁密取得高，铁心处于饱和状态，励磁电流越大，因此励磁电抗较小。而铁心是厚铁板或厚钢板的、磁滞涡流损耗都很大，频敏变阻器的单位重量铁心中的损耗，与一般变压器相比较要大几百倍，因此 较大。

pr px

绕线式三相异步电动机转子串频敏变阻器起动时， s＝ 1 ，转子回路中的电流的频率为 5OHz 。转子回路串入 ，而 ，因此转子回路主要是串入了电阻。这样，转子回路功率因数大大提高了，既限制了起动电流，又提高了起动转矩。

二、转子串电阻分级起动： 为了使整个起动过程中尽量保持较大的起动

转矩、绕线式异步电动机可以采用逐级切除起动电阻的转子串电阻分级起动。

ppp jxrz pp xr

如图所示：

起动过程如下： （ l ）接触器触点 KI， KZ， K3断开，绕线式异

步电动机定子接额定电压、转子每相串入起动电阻（ ），电动机开始起动。起动点为机械特性曲线 3 上的 a 点，起动转矩为 ， 。

（ 2 ）转速上升，到 b 点时， （＞ ），为了加大电磁转矩加速起动过程，接触器触点 K3闭合，切除起动电阻 。忽略异步电动机的电磁惯性，只计拖动系统的机械惯性， 则电动机运行点从 b变到机械特性曲线 2 上的 C 点，该点上电动机电磁转矩

RRR

mTT 11T2TT LT

R

1TT

转速继续上升，经 h 点最后稳定运行在 j点。上述起动过程中，转子回路外串电阻分三级切除，故称为三级起动。为最大起动转矩，为最小起动转矩或切换转矩。

11.4 三相异步电动机的各种运行状态

我们知道当异步电动机的电磁转矩和转子的转速是同方向时，电动机运行与电动状态，若电磁转矩和转速的方向相反时，电动机处于制动状态，而在制动运行状态中，根据转矩和转速的不同情况，又可分为：回馈制动、反接制动、到拉反转及能耗制动等。

11.4.1 电动运行： 就是我们前面所分析的各种正常运行状态，

在这里不在进行详细的介绍。 11.4.2能耗制动： （ 1 ）能耗制动基本原理： 如图所示：

三相异步电动机处于电动运行状态的转速为 n, 如果突然切断电动机的三相交流电源，同时把直流电 通入它的定于绕组，例如开关 K1打开、 K2 闭合，结果，电源切换后的瞬间，三相异步电动机内形成了一个不旋转的空间固定磁动势，用 表示。

空间固定不转的磁动势相对于旋转的转子来说变成了一个旋转磁动势 ,旋转方向为顺时针，转速大小为 n 。正如三相异步电动机运行于电动状态下一样，

I

F

转子与空间磁动势 有相对运动，转子绕组则感应电动势，产生电流；进而转子受到电磁转矩 T。T 的方向与磁动势 相对于转子的旋转方向是一样的，即转子受到顺时针方向的电磁转矩 T 。转子转向为逆时针方向，受到的转矩为顺时针方向，显然 T与 n反方向，电动机处于制动运行状态， T 为制动性的阻转矩。转速 n＝ 0 时，磁通势与转子相对静止， ＝ 0 ， ＝ 0， T＝ 0 ，减速过程才完全终止。

上述制动停车过程中，系统原来贮存的动能消耗了，这部分能量主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中。因此，上述过程亦称之为能耗制动过程。

F

F

2E 2I

三相异步电动机能耗制动过程中电磁转矩 T的产生，是由于转子与定于磁动势之间有相对运动；至于定子磁动势相对于定子本身是旋转的还是静止的，以及相对转速是多少，都是无关紧要的。因此，分析能耗制动状态下运行的三相异步电动机，可以用三相交流电流产生的旋转磁动势等效替代直流磁动势，在等效替代后，就可以使用电动运行状态时的分析方法与所得结论。等效替代的条件是：

（ 1 ）保持磁动势幅值不变，即 = ; （ 2 ）保持磁动势与转子之间相对转速

（即转差）不变，为 2. 定子等效电流 :

异步电动机定子通入直流电流产生磁动势，其幅值的大小与定子绕组的接法及通入的方法有关。例如图所示的，合成磁动势的大小为 :

~F F

nn 0

Ip

kNFF Nl

BA1

2

14

Ip

kNF Nl1

2

143

把 等效为三相交流电流产生的 , 每相交流电流的有效大小为 ,则交流磁动势大小为 :

等效的结果是

F

1I

11

~ 2

24

2

3I

p

kNF Nl

11

2

24

2

3I

p

kN Nl

Ip

kN Nl1

2

143

II3

21

3. 转差率与等值电路 :

磁通势 与转子相对转速为 (-n), 的转速 即同步转速为 ,能耗制动转差率用 表示 ,则为 :

转子绕组感应电动势 的大小与频率则为 :

~F ~F

p

fn 1

1

60

1n

n

2E

22 EE

22 EE

三相异步电动机能耗制动的等值电路如图所示。注意，等值电路中各电量是等效电流 产生磁动势 作用的结果，并非指电机运行时的量。

有了等值电路，能耗制动的机械特性推导就与正常运行时的固有机械特性完全一样了。

1I FF~

4. 能耗制动的机械特性 :

能耗制动时，电动机内铁损耗很小，可以将其忽略。这样一来，根据等值电路画出电动机走子电流、励磁电流及转子电流之间的相量关系如图所示。它们之间大小的关系为

忽略铁损耗后 ,则有 :

)90cos(2 20

0220

22

21 IIIII

20220

22 sin2 IIII

mm x

E

x

EI 21

0

另外 , 还有

整理后得到

22

22222 )( x

r

x

I

x

zI

mm

22

22

22

)(

sin

x

r

x

22

22

2212

2

)()( xx

rxI

I

m

m

根据前一章的分析结果知道，电磁转矩为电磁功率除以同步角速度，即

1

222

1

3

r

IPT M

])()[(

3

22

221

2221

xxr

rxI

m

m

上式便为能耗制动的机械特性表达式，其与电动运行状态时的机械特性方程式是一致的，但是电动运行状态时，是用电源电压 来表示，而能耗制动的这个式子，是用等效的定子电流 来表示。能耗制动时，视 为已知量。

对上式微分，并使 ，则得到能耗制动运行时的最大转矩及相应的转差率为

1U

1I1I

0d

dT

)(2

3

2

221

1 xx

xIT

m

mmT

2

2

xx

r

mm

根据上式画出三相异步电动机能耗制动时的机械特性如图所示。显然，能耗制动时的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似。改变直流励磁电流的大小，或者改变绕线式异步电动机转子回路每相所串的电阻值 R ，就都可以调节能耗制动时制动转矩的数值。

能耗制动机械特性的实用公式为：

m

m

mTTT

2

11.4.3 反接制动 :

反接制动过程 : 处于正向电动运行的三相绕线式异步电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动过程 . 反接制动过程中，电动机电源相序为负序， 如图所示 :

接触器触点 K1 闭合为正向电动运行， K1断开 K2 闭合，则改变了电源相序。（ b ）图为拖动反抗性恒转矩负载，反接制动的同时转子回路串入较大电阻时的反接制动机械特性。电动机的运行点从A—B—C ，到 C 点后， ＜ T＜ 可以准确停车。

而在反接制动过程中 , 因为接的是反相序电源 , 所以 , 转速大 n 0 时 , 相应的转差率s 1 。若转子回路总电阻折合值为 ，机械功率则为

LT LT

2r

01

3 22

2 rs

sIPm

即负载向电动机内输入机械功率。显然负载提供机械功率是靠转动部分减少动能。从定子到转子的电磁功率为

转子回路铜损耗 :

03 222

s

rIPM

mMmMcu PPPPrIp 22

22 3

因此，转子回路中消耗了从电源输入而来的电磁功率及由负载送入的机械功率，数值很大，在转子回路中必须串入较大的外串电阻，以消耗大部分转子回路铜损耗，保护电动机不致由于过热而损坏。所谓大电阻是指比起动电阻阻值还要大。下图就是反接过程中的机械特性图 :

从图上我们可以看出 , 如果电动机拖动负载转矩较小的反抗性恒转矩负载运行，或者拖动位能性恒转矩负载运行，这两种情况下，如果进行反接制动停车，那么必须在降速到 n＝ 0 时切断电动机电源并停车，否则电动机将会反向起动，三相异步电动机反接制动停车比能耗制动停车速度快，但能量损失较大。一些频繁正、反转的生产机械，经常采用反接制动停车接着反向起动，就是为了迅速改变转向，提高生产率。

反接制动停车的制动电阻计算，根据所要求的最大制动转矩进行。为了简单起见，可以认为反接制动后瞬间的转差率 s 2 ，处于反接制动机械特性的 s＝ 0～ 之间。

鼠笼式异步电动机转子回路无法串电阻，因此反接制动不能过于频繁。

ms

11.4.4 倒拉反转制动运行 : 我们知道，拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕

线式异步电动机，若在转子回路内串入一定值的电阻，电动机转速可以降低。如果所串的电阻超过某一数值后，电动机还要反转，称之为倒拉反转制动运行状态。

倒拉反转制动运行是转差率 s＞ 1 的一种稳态，其功率关系与反接制动过程一样，电磁功率 ＞ 0 ，机械功率＜ 0 ，转子回路总铜耗。但是倒拉反转运行时负载向电动机送入的机械功率是靠着负载贮存的位能的减少，是位能性负载倒过来拉着电动机反转。

11.4.5 回馈制动运行 :

回馈制动运行分为正向回馈制动运行和反向回馈制动运行 .

1 、正向回馈制动运行：通过将一部分机械能转换为电能并回馈回电源的现象。从图上可以看出：

在这个降速过程中，电动机运行在第 II象限 BC这一段机械特性上时，转速 n＞ 0 ，电磁转矩 T＜ 0 ，是个制动运行状态，称之为正向回馈制动过程。整个回馈制动过程中，始终有 n＞ 。正向回馈制动过程中，电动机的转速 n＞ ，转差率

从三相异步电动机等值电路上看出，电动机总的机械功率为

1n

1n0

1

1

n

nns

01

3 22

2 rs

sIPm

从定子到转子的电磁功率为 ：

实际是系统减少了动能而向电动机送入机械功率并转换为电功率，扣除了转子损耗后 ，变成了从转子送往定子的电磁功率 了。那么主要送到哪里去了呢？为此，先看着转子过功率因数角的情况。

我们知道

03 222

s

rIPM

0cos2

2

2

2

2

2

xs

r

s

r

22

22 3 rIpcu

MP

根据以上两式，画出正向回馈制动时异步电动机的相量图，如图 11-19 所示。显然得出结论为 ：

因此，这样一来，电动机的输入功率则为：

02 90 0cos 2

21 0cos 1

0cos3 1111 IUP

说明有功功率是电动机送出给交流电网了。这也就是说，回馈制动过程中，转子边送过来的电磁功率，除了定子绕组上钢损耗消耗外，其余的回馈给电源了。这时的三相异步电动机实际上是一台发电机。

2 、反向回馈制动运行： 当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载，

电源为负相序（ A 、 C 、 B ）时，电动机运行于第 IV象限，如图 中的 B 点，电磁转矩 T＞ 0 ，转速 n＜ 0,称为反向回馈制动运行。

起重机高速下放重物（指 ）时，经常采用反向回馈制动运行方式。若负载大小不变，转子回路串入电阻后，转速绝对值加大，如图中的 C 点；串入电阻值越大，转速绝对值越高。

反向回馈制动运行时，电动机的功率关系与正向回馈制动过程是一样的，电动机是一台发电机，它把从负载位能减少而输入的机械功率转变为电功率，然后回送给电网。从节能的观点看问题，反向回馈制动下放重物比能耗制动下放重物要好。

1nn

11.5 异步电动机的调速 我们知道，异步电动机的转速为：

因此，三相异步电动机的调速方法很多，大致可以分成以下几种类型：（ 1 ）改变转差率 s调速，包括降低电源电压、

绕线式异步电动机转子回路串电阻等方法；

)1(60

)1( 11 s

p

fsnn

（ 2 ）改变旋转磁通势同步转速调速，包括改变定于绕组极对数、改变供电电源频率等方法；（ 3 ）双馈调速，包括串级调速，属改变理想空载转速的一种调速方法；（ 4 ）利用转差离合器调速。下面简要异步电机的几种常用调速方法。11.5.1 绕线式异步电动机转子回路率电阻调

速 ：

我们知道，改变转子回路串入电阻值的大小，例如转子绕组本身电阻为 r2 ，分别串入电阻 RSl、 RS2 、 RS3 时 ，如图所示：所串电阻越大，转速越低 . （拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩，即 TL=TN ）

已知电磁转矩 T 为：

当电源电压一定时，主磁通 Φm基本上是定值，转子电流 I2 可以维持在它的额定值工作。至于 COS , 作如下的推导 ：

22 cosIT m

2

根据转子电流：

从上式看出，转子串电阻调速对，如果保持电机转子电流为额定值，必有：

22

2

222

2

2

222

2

xs

rr

E

xs

r

EII

s

N

N

常数

s

rr

s

r

N

122

当电机转子回路串了电阻后，转子回路的功率因数为 ：

常数

22

2

2

212

/)(cos

xs

rr

Srr

s

22

2

2

2

22

2

2

212

//)(cos

xs

r

sr

xs

rr

Srr

N

N

s

ncos

可见，转子回路串电阻是属恒转矩调速方法，当负载转矩 TL=TN 时，根据上式，则有：

式中 s1、 s2、 s3别是转子串入不同的电阻后的转差率。 这种调速方法的调速范围不大，一般为 （ 2～ 3） :1 。

3

32

2

22

1

122

s

Rr

s

Rr

s

Rr

s

r SSS

N

负载小时，调速范围就更小了。由于转子回路电流很大，使电阻的体积笨重，抽头不易，所以调速的平滑性不好，基本上属有级调速。多用于断续工作的生产机械上，在低速运行的时间不长，且要求调速性能不高的场合，如用于桥式起重机。

11.5.2 变 频 调 速 ： 已知：

因此，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。

p

fn 1

1

60

1. 从基频向下变频调速我们知道，三相异步电动机每相电压：

降低电源频率时，必须同时降低电源电压。降低电源电压 有两种控的制方法。

⑴ 保持 = 常数 ：这种方法是恒磁通控制方式 ，

mNkNfEU 11111 44.4

1U

1

1

f

E

s

r

xs

r

E

f

pmn

s

rImP

T M 2

2

22

2

2

2

1

1

1

2221

1 260

2

上式是保持气隙每极磁通为常数变频调速时的机械特性方程式。下面根据该方程式，具体分析一下最大转矩 Tm及相应的转差率sm 。

最大转矩处 ，对应的转差率为 sm ，即：

2

222

22

1

11111

22

2

2

22

1

111

222

r

xs

s

rs

r

f

Epfmpfm

xs

rs

r

f

Epfm

0ds

dT

2

2

x

rsm

式中 为转子静止时转子一相绕组漏电感系数折合值， =

最大转矩处的转速降落为：

22

2

1

111 1

2 xxf

EpfmTm

2

1

2

1

11

22

1

x

f

f

Epm

常数

2

2

1

11

2

1

22

1

Lf

Epm

2L

212 Lf 2x

常数

pL

r

p

f

x

rnsn mm

60

2

60

2

21

2

21

当改变频率时，若保持 = 常数，最大转矩 常数，与频率无关，并且最大转矩对应的转速降落相等，也就是不同频率的各条机械特性是平行的，硬度相同。根据上式画出保持恒磁通变频调速的机械特性，如图所示。这种调速方法机械特性较硬，在一定的静差率要求下，调速范围宽，而且稳定性好。由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好。另外，电动机在正常负载运行时，转差率 s 较小，因此转差功率较小，效率较高。

经分析，恒磁通变频调速是属于为恒转矩调速方式。即当： 时，

⑵ 保持 = 常数

1

1

f

E

mT

NII 11 NII 22

NTT

1

1

f

U

最大转矩 Tm 为：

2

21

2

211

2211

)(2 xxS

rrf

S

rpUm

T

221

2

21

21

2

1

11

2

xx

s

rr

s

rf

f

Upm

从上式可以看出，当频率减小时，最大转矩不是一个常数。如图：

221111

211

22

1

xxrrf

pUmTm

221

211

1

2

1

11

22

1

xxrr

f

f

Upm

已知（ ）与 f1 成正比变化， 与 f1

无 关。因此，在 f1 接近额定频率时， 随着 f1 的减小， Tm减少得不多，但是，当 f1 较低时，（ ）比较小， 相对变大了。这样一来，随着 f1 的降低， Tm

就减小了。显然此时的机械特性上面的机械特性，特别在低频低速的机械特性变坏了。

保持 = 常数降低频率调速近似为恒转矩调速方式。

21 xx 1r)( 211 xxr

21 xx 1r

1

1

f

U

2. 从基频向上变频调速 ： 升高电源电压是不允许的，因此升高频率向上调速时，只能保持电压为 UN 不变，频率越高，磁通 Φm越低，是一种降低磁通升速的方法，类似他励直流电动机弱磁升速情况。

保持不变升高频率时，电动机电磁转矩

2

21

2

211

2211

2 xxs

rrf

s

rpUm

T

2

212

111

12

11

22

1

xxrrf

fpUmTm

21211

211 1

22

1

fxxf

pUm

21

2

221

21

2

xx

r

xxr

rSm

1211

2 1

2 fLLf

r

因此，频率越高时， 越小， 也减小，最大转矩对应的转速降落为

根据电磁转矩方程式画出升高电源频率的机械特性，其运行段近似平行，如图所示。

mT mS

常数

p

f

LLf

rnsn mm

1

212

21

60

2

综上所述，三相异步电动机变频调速具有以下几个特点：

①从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上调速，近似为恒功率调速方式；

②调速范围大； ③转速稳定性好； ④运行时小，效率高； ⑤频率可以连续调节，变频调速为无级调

速。11.5.3 绕线式异步电动机双馈调速及串级调

速原理：

(1) 双馈调速的基本原理 :

绕线式异步电动机多用在要求起动转矩大或要求调速的负载场合 , 在这两种场合下传统的方法是在转子回路中串联电阻 .但这种调速方法的效率是比较低的 , 而且调速性能也不理想 . 而如果采用了双馈调速法 ,则效果要好一些 .

双馈 : 是指绕线式异步电动机的定、转子三相绕组分别接到两个独立的三相对称电源，其中定于绕组的电源为固定频率的工业电源，而转子电源电压的幅值、频率和相位则需按运行要求分别进行调节。

随着电力电子技术的发展，绕线式异步电动机组成的双馈调速系统，得到了许多人的重视。经过试验研究，已经取得了重要的技术成就。下面讨论这一技术问题。

一、双馈调速法： 绕线式异步电动机双馈调速系统不仅能调节电动机的转速，还能改变电动机定子边的功率因数。我们知道，当普通异步电动机定子边加额定电压且带上机械负载时，转子有功电流的有效值 为：

aI 2

为了简化分析和突出主要的概念，暂时忽略转子漏电抗的影响。当定子电源电压及负载转矩保持不变的条件下， 应为常数，即

= 常数

22

22

2

22

22

2

22

22

22

SSS

a xr

sE

xr

r

xr

sEI

aI 2

2

22 r

sEI a

现在分析绕线式异步电动机转子回路接有外电源的情况。为了简单起见，在下面的分析中，凡是转子的各物理量都应理解为已经进行过折合，不再用带撇的符号表示了。定、转子电压、电动势和电流的正方向如图所示。其中Ｕ 2 是转子外加三相对称电源相电压的有效值。下面分几种情况讨论。

⑴ 转子外接电压 与转子电动势 反相：这种情况的相量图如图（ a ）所示。

2U 2Es

在这种情况下，由于转子回路合成电动势的减小，使电流 减小，于是电磁转矩随之减小，因负载转矩不变，转子便减速。随着转速的降低，转子回路感应电动势增大，当转差率增大到 时，转子感应电动势为 。 等于原先的 ，就能保持电子电流不变。电磁转矩与负载转短达到了新的平衡，电机在新的转差率 下运行，即＞ s ，转速降低了。注意，这里的转差率 s 不再是电动机实际运行的转差率，它的含义是在同样负载转矩下，转子回路未接电压 时的转差率，是个固定的数值。

aI 2

s2Es 22 UEs

2Es

ss

2U

这种情况下转子电流为：

或

所以电机实际运行的转差率 为：

2

2

2

222 r

Es

r

UEsI a

2

2

2

222 r

sE

r

UEsI a

s

2

2

E

Uss

⑵ 转子外接电压 与转子电动势 同相 这种情况要分几种情况讨论 ： 1 ）当 如图 b 所示：刚开始时，由于转子回路合

成电动势增大，使 增大，电磁转矩增大，在负载转矩不变的条件下，转子加速。随着转速的增加（转差率减小为 ），转子回路感应电动势减小，直到 等于原先的 ，才能保持不变，电磁转矩与负载转矩达到新的平衡，电机在新的转差率 下运行。这时， <S, 即电机的转速升高了。

2U2Es

22 sEU

aI 2

s22 UEs

2Es s

s

2 ）当 仅由 的作用就能产生 ，电机的转速达

同步速， 为零，见图（ c ）。

22 sEU

2U aI 2

2Es

3 ）当 在负载转矩不变的条件下，电机的转速可

以超过同步速，转差率 ＜ 0 ，如图 d ）所示。这种情况下，转子电流为：

或

22 sEU

s

2

2

2

222 r

Es

r

UEsI a

2

2

2

222 r

sE

r

UEsI a

电机实际运行的转差率 为：

⑶ 转子外接电压与转子电动势相位差 90° ：1 ）当 领先 ： 这种情况转子回路的合成电动势 产生的转子电

流入 者同相（仅考虑 的作用），其中有功电流为 ，无功电流为 。由于无功电流 与气隙磁密 同相 ，起了励磁电流的作用， 以知电机定子电流为：

s

2

2

E

Uss

2U 902Es

2E

2I 2raI 2

rI 2

rI 2

)( 201 III

可见，定子边的功率因数 得到了改善。在调速范围较大时，不能忽略转子漏阻抗

的影响，因为它对转子电流的大小和相位都有影响。

1cos

（ 2 ）串级调速的基本要求：前述的双馈调速要求加在电机转子绕组

的电压频率与转子绕组感应电动势同频率。如果把异步电机转子感应电动势变为直流电动势，同时把转子外加电压也变为直流量，这就是串级调速的基本思路。如图所示：

图中的整流桥把异步电动机转子的转差电动势、电流变成直流，逆变器的作用是给电机转子回路提供直流电动势，同时给转子电流提供通路，并把转差功率（扣除转子绕组铜损耗 ）大部分反送回交流电源。

异步电动机转子相电动势为：

经三相整流器后变为直流电动势：

MsP

22 sEE s

2121 sEkEkE Sd

式中 是整流系数。逆变器直流侧直流电动势为：

式中 是逆变器的系数； 是变压器副边相 电压； 是逆变角。

于是直流回路电流

1k

cos22UkE 2k 2U

dI

R

EEI dd

式中 R 是直流回路等效电阻。因 R 较小，可忽略不计。上式变为：

当整流器、逆变器都为三相桥式电路时， ，得转差率：

cos2221 UksEkEEd

21 kk

cos2

2

E

Us

从上式可知，改变逆变角 的大小，就能改变电动机的转差率 S。

这种调速方法适合于高电压、大容量绕线式异步电动机拖动风机、泵类负载等要求调速不高的场合。