第三篇 交流电机及拖动

交流电机包括同步电机和异步电机两大类。同步电机的转速与电源频率之间有着严格的关系，感应电机转速虽然与电源频率之间有一定关系，但不像同步电机那么严格。同步电机主要做发电机，感应电机主要做电动机，大部分生产机械用感应电机作原动机。据统计，感应电机的用电量约为总用电量的 2/3 左右，所以，感应电机的应用是很广泛的。

第一节 三相感应电动机的工作原理及结构

第二节 三相感应电动机的定子绕组

第三节 绕组的感应电动势

第四节 绕组的磁动势

三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。

第四章 三相感应电动机的基本原理

第一节 三相感应电动机的工作原理及结构

一、三相感应电动机的结构（一）定子部分1、定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。（二）转子部分1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。2、转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。 2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。

包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上改装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却。

（三）其它部分

按转子结构分：

绕线型感应电动机笼型感应电动机

下面是它主要部件的拆分图。

右图是一台三相笼型感应电动机的外形图。

笼型转子铁心和绕组结构示意图

三相绕线型转子结构图

二、三相感应电动机的工作原理

U2U1

W2 V1

W1V2

1n

n

（一）转动原理

1 、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。

2 、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。

3 、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。

（二）转差率

1

1

n ns

n

转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。转子未转动时， ;s,n 10 电机理想空载时， .s,nn 01

作为电动机，转速在 1~0 n范围内变化，转差率在 0~1 范围内变。 负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：

11n = ( - s)n

额定运行时，转差率一般在 0.02 ～ 0.06 之间，即电机转速接近同步转速。

同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：

（一）感应电动机的铭牌数据三、三相感应电动机的铭牌数据及主要系列

额定值关系有： 3N N N N NP U I cos η

)VkV(UN 或额定电压

额定运行状态时加在定子绕组上的线电压 .

)kW(PN额定功率

额定条件下转轴上输出的机械功率。

)A(IN额定电流在额定运行状态下流入定子绕组的线电流 .

min)/r(nN额定转速额定运行时电动机的转速 . N

Nf

额定效率额定频率额定功率因数 Ncos

绝缘等级 决定了电动机的允许温升。

绝缘等级 A E B F H C额定温升 / 65 80 90 110 140 ℃ ＞ 140接法 用 Y 或△表示。表示在额定运行时，定子绕组应

采用的联接方式。

对绕线转子感应电动机，则还应有：

转子绕组的开路电压 指转子接额定电压，转子绕组开路时的转

子线电压，单位： V 。

转子绕组的额定电流 单位： A。

电机上除了以上额定数据外，还表明了电机型号。

Y (IP44) 200 L — 8

感应电机

防护形式中心高铁心长度等级

极数

（二） 三相感应电动机的主要系列 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 为小型笼型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。

JDO2系列 是小型三相多速感应电动机系列，主要用于各式机床及起重设备。

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。

YR系列 是一种大型三相绕线转子感应电动机系列，主要用于冶金工业和矿山中。

第二节 三相感应电动机的定子绕组

一、三相交流绕组的基本要求和分类

（ 5）绕组用铜量少，性能可靠，制造和检修要方便。

（一）对三相交流绕组的基本要求（ 1）每相绕组的阻抗要求相等，即每相绕组的匝数、形状都是相同的。（ 2）在一定的导体数下，有合理的最大绕组合成电动势和磁动势。（ 3）各相的相电动势和相磁动势波形力求接近正弦波，即要求尽量减少它们的高次谐波分量。（ 4）对基波而言，三相电动势和磁动势必须对称。

（二）三相交流绕组的分类 按槽内元件边的层数，分为单层和双层绕组。单层绕组又可分为等元件、链式、交叉式和同心式绕组；双层绕组则分为双层叠绕组和波绕组。单层绕组与双层绕组比较，电气性能稍差，但槽利用率高，制造工时少，因此 ,小容量的电动机中（ PN ≤10kW），一般都采用单层绕组。

（三）关于交流绕组的一些基本量

1、极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的槽数为 Z，磁极对数为 p，则极距：

Z=2 p

2 、线圈节距 y

一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。

.y 的绕组为整距绕组

3 、电角度 p电角度 机械角度

.y 的绕组为短距绕组

4、槽距角a

相邻两个槽之间的电角度：0360p

=Z

6 、相带

每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极面下所占的范围，用电角度表示称为相带。

每一个极面下每相所占的槽数为

5、每极每相槽数q

2

Zq =

pm

如图示为： 600 相带。

二、三相单层绕组 单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。（一）单层链式绕组

单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。

链式绕组的每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于 q=2 的 4、 6、 8 极小型三相异步电动机。

（二）单层交叉式绕组

单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互相交叉。

交叉式绕组由两大一小线圈交叉布置。线圈端部连线较短，有利于节省材料，并且省铜。广泛用于 q>1 的且为奇数的小型三相异步电动机。

（三）单层同心式绕组

同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。

同心式绕组端部连线较长，适用于 q=4、 6、 8等偶数的 2极小型三相异步电动机。

优点

不适宜于大中型电机

元件少，结构简单，嵌线方便，槽内无层间绝缘

广泛应用于 10kW以下的异步电动机定子绕组

单层绕组为整距绕组

缺点电动势和磁动势波形较差

铁损和噪声较大

起动性能较差

三相单层绕组的优缺点

三、三相双层绕组

双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为y 的另一槽的下层。

双层绕组分双层叠绕组（如图 2a=1 ）和双层波绕组（略）。

双层绕组的特点：

1）线圈数等于槽数；2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数；3 ）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。

优点

可以选择最有利的节距，使电动势和磁动势波形更接近正弦波

所有线圈的形状和尺寸相同，便于实现机械化

端部排列整齐机械强度高

可组成较多的并联支路

缺点

嵌线困难

用铜量大

三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“ Y”形或“ D”形。

U1 V1 W1 U1 V1 W1

W2 U 2 V2 W2 U2 V2

D 联结Y 联结

四、外部接线

第三节 绕组的感应电动势

一、线圈的感应电动势

（一）一根导体的电动势

（二）整距绕组的电动势

每个整距绕组由 Nc个相同和线匝组成，每个整距线圈的电动势 :

1 1 14 44y (y ) c t cE N E . fN

电动势频率 :60

pnf

电动势大小 :12 221cE . fΦ

电动势波形 : Blve 随时间变化的波形取决于气隙磁密在空间的分布波形

（三）短距线圈的电动势

每个短距线圈的电动势 :

1 4 44 1 1( ) c yE . fN Φ ky y

称为短距因数：线圈短距时电动势比整距时打的一个折扣．

09011

1

y (y τ)y

y (y τ)

E yk sin( )

E τ

二、线圈组的感应电动势 一组线圈由 q个线圈组成 , 若 q个线圈为集中绕组时 ,各线圈电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为 :

1 1 1 14.44q (q= ) c yE = fqN k

若 q个线圈为分布绕组 ,放在 q个槽内 ,各线圈电动势大小相同 ,相位相差 α电角度 ,电动势为 :

1 1 1 1 14 44 4 441 1( ) c y q cE . fqN k k . fqN kq q w

11

1

2

2

q (q>1)q

q (q=1)

qasinE

k = =aE qsin

称为分布因数 : 线圈组电动势等于集中线圈组电动势打的一个折扣。 称为绕组因数。

1 1 1w y qk = k k

三、一相绕组的感应电动势

每相绕组的电动势等于每一条并联之路的电动势。一般情况下，每条支路中所串联的机个线圈的电动势的大小相等，相位相同，因此，可以直接相加，可得绕组相电动式的公式。

11 14.44p wE = fNk

对单层绕组：2

cpqNN =

a

对双层绕组： c2 pqNN =

2a

四、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响

090

2

24 44

k sin( )

sink

sin

E . fNk k

y

q

p y q

y

q

q

对 V 次谐波：

1ν ν

ν ν

ν νν

p νp τ τν

n n α ναp n

f νf60

改善电动势波形的方法 :

001

py E,k,y 时采用

.k y 尽可能小让 0

（１）采用短距绕组来削弱高次谐波

（２）采用分布绕组来削弱高次谐波尽可能小让 qk

１．改善主磁极磁场的分布２．改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势

３．采用Ｙ接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波

005

455 py E,k,y 时

第四节 绕组的磁动势

一、单相绕组的磁动势（一）整距线圈的磁动势 一台两极气隙均匀的交流电机 ,一个整距绕组通入交流电流 ,线圈磁动势在某瞬间的分布如图 ,由全电流定律得 :

iNiHdl c 忽略铁心磁阻 ,磁动势完全降落在两个气隙上 .每个气隙的磁动势为 :

tt sinFsinINiNf cmcccc 2

1

2

1

空间分布为矩形波 ,随时间按正弦规律变化。变化频率为电流频率。 空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉振磁动势。

矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波 :

1 3

3( , ) sin cos sin cos ... sin cos ...c c c cf x t F t x F t x F t x

基波磁动势为 :

1

4 20 9

2c c c c cF N I . N I

1 1( , ) sin cosc cf x t F t x

基波磁动势最大值为 :

整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化——仍然为脉振磁动势。

（二）整距分布绕组的磁动势

cqycyqp Ikk)qN(kFF 11111 20.92

每个绕组由 q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角α,绕组的基波磁动势为 q个线圈基波磁动势的空间矢量和：

111 qcq kqFF

（三）短距分布绕组的磁动势

双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：

（四）相绕组的磁动势

每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有 p对磁极，就有 p条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若每相电流为 Ip:

xcostsinIp

Nk.xcostsinFt)(x,f p

1wpp

9011

单相绕组的基波磁动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小随时间按正弦规律变化的脉振磁动势。

二、三相绕组的磁动势——旋转磁动势

三相的合成磁动势：

取 U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为 x的参考方向、 U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：

)xtsin(F)xtsin(F)xcos()tsin(Ff

)xtsin(F)xtsin(F)xcos()tsin(Ff

)xtsin(F)xtsin(FxcostsinFf

pppW

pppV

pppU

3

4

2

1

2

1

3

2

3

23

4

2

1

2

1

3

2

3

22

1

2

1

1111

1111

1111

1 1 1

3

2 pf (x,t) = F sin( t- x) = F sin( t- x)

可见：三相合成磁动势是一个圆形旋转磁动势。

交流电机三相对称绕组 , 通入三相对称电流，磁动势是三相的合成磁动势。

为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化， U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：

U2U1

W2 V1

W1V2

1n

用图解法分析——不同时刻三相合成磁动势

合成磁动势的旋转方向决定于绕组中电流的相序，总是从电流超前相转到电流滞后相。如果改变绕组中电流的相序，就可以改变旋转磁动势的转向。

产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。

三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质：(1) 幅值是单相脉动磁动势最大幅值的 3/2倍。(2)转向由电流相序决定 , 从载有超前电流相转到载有滞后电流相。(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数

p

fn

601

(4) 当某相电流达最大值时 ,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相绕组的轴线位置上。

第一节 三相感应电动机的空载运行

第二节 三相感应电动机的负载运行

第三节 感应电动机的功率和电磁转矩

第四节 三相感应电动机的工作特性

三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。

第五章 三相感应电动机的运行原理

第一节 三相感应电动机的空载运行

一、空载电流和空载磁动势异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。

.I,I

:I,

a

r

0

00

0

功分量损耗的有另一个是用来供给铁心的无功分量产生主磁通一是用来由两部分组成异步电动机空载电流与变压器一样

基波幅值为载磁动势产生的旋转磁动势为空三相空载电流 ,FI 00

0Ip

kNmF 1w11

0 0.92

.III ar 000 :即

.F，I，E，、,,,

000 22 于是乎为零转子之间相对速度几定接近同步速转子转速很高空载运行时

.II,I,II rar 00000 即基本为一无功性质电流所以由于

二、空载时的定子电压平衡关系

与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：

0111010110111 IZEXIjRIERIEEU

同样也有：

1 0 0m m mE = - I (R + jX ) = - I Z

根据上两式，可以作出空载时等效电路。

尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：

1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场。

4）由于存在气隙 ,异步电动机漏抗较变压器的大。

;I,E,I,E) 00002 2222 变压器异步电动机空载时

%.~%%,~%%I,)

10230203 0

的仅为而变压器为异步电动机由于存在气隙

5)异步电动机通常采用短距和分布绕组 ,计算时需考虑绕组系数 ,变压器则为整距集中绕组 ,可认为绕组系数为 1。

第二节 三相感应电动机的负载运行

一、负载运行时的物理情况 负载运行时，电机将以低于同步转速 n1 的速度 n 旋转，其转向仍与 n1 的方向相同，因此，气隙磁场与转子的相对速度为△n=n1-n=sn1, △n 也就是气隙磁场切割转子绕组的速度，于是在转子绕组中感应出电势，产生电流，其频率为

1 1 12 1

1 1 60

p(n - n) n - n pnf = = = sf

n n

负载运行时，除了定子电流产生一个磁动势外，转子电流也产生一个磁动势，总的磁动势由它们合成，因此必须对转子磁动势要有所了解。（一）转子磁动势的分析 无论是笼型电机还是绕线型转子电机，其转子绕组都是一个对称的多相系统。转子中的电流也一定是一个对称的多相电流。

转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势。

2222

2 902

Ip

kN.

mF w1) 幅值

2)转向 转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同 ,转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致 .

1nnn)(nnn 12转子旋转磁动势相对定子的速度为 可见 ,无论转子转速怎样变化 ,定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。（二）电动势平衡方程式根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：

mKNfE

ZIEjXRIEU

1111

11111111

44.4

)(.

.....

0

0)(

222

222

..

..

ZIsE

sjXRrIsE

其中： ms

KNfE 2222

44.4.

（三）磁动势平衡方程式由于定转子磁动势相对静止，因此可以合并成一个磁动势 FM 。即： F1+F2=FM

FM 也称为励磁磁动势，它产生气隙中的旋转磁场。对上述公式其物理意义如下：

在平衡方程式中，表现出：在转子绕组中通过电流产生磁动势 F2 的同时，定子绕组中必然要增加一个分量，使这一分量产生磁动势 - F2抵消转子电流产生的磁动势 F2 ，从而保持总磁动势 FM不变，显然 FM等于空载时的定子磁动势 F0 。

二、相量图

按照基本方程可以作出异步电动机的相量图。

。，

，、。U

I,

后的因数总是滞所以异步电动机的功率率

定的感性无功功电机需要从电源吸收一转子的漏磁通气隙中的主磁通和定

这是因为要建立和维持于电源电压总是滞后定子电流从相量图可见

1

1

三、感应电机的等效电路（一）用静止的转子代替转动的转子—频率折算

频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统 , 而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。

因为感应电动机定、转子的电动势、电流的频率不相等，所以它们之间不能直接进行运算。

在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。

转子回路电流

Xs

Rr

E

sXrR

sE

sXR

sEsI

22

22

)2( 222

22

22

22

上述公式说明，进行频率折算后，只要用 代替 Rr, 就可以保持转子电流的大小不变。而转子电流滞后电动势的角度为：

s

Rr

sRr

xarctg

Rr

sx

Rr

sxarctg 22arg2

2

说明频率折算后，转子对定子的影响不变。1-ss由此可见 , 频率折算是用一个静止的电阻为 Rr

的等效转子去代替电阻为 Rr 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。用静止的转子等效转动的转子时，转子上的动能就用消耗在电阻 Rr 上的电能来表示了。1-s

s

2Rs

s1

实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻 。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功率等效机械损耗和机械功率之和——总的机械功率。（二）绕组的折算

。。

kN、mkN、m

w

w

同本相折算的方法与变压器基组

的实际转子绕及取代等效转子及绕组相同的定子绕组折算就是用一个和

222

111

1 、电流的折算根据折算前后转子磁动势不变，得：

电流变比111

222

22

111

222.

.

..

.

2

'

222

2

29.0

'

2

11

2

19.0

kNmKNmK

KIIkNm

KNmI

II

i

i

p

NKwm

p

NKwm

2 、电压的折算根据折算前后主磁通不变

...'2

.

.'2

12

22

11

2

EEKE

KKNKN

E

E

e

e

rr RIRI mm 222''

22

1

rierr RKKRI

IRmm

'2

21

222'

3 、阻抗的的折算a)电阻的折算根据折算前后转子铜耗不变

即

b)电抗的折算根据折算前后电路的功率因数角不变

rr

RX

R

X 222

'

'tan 即 222

'' XKKXX ieRr

rR

c) 阻抗的折算

22' ZKKZ ie

eK —— 电压变比

（三）感应电动机的等效电路

经过绕组折算后，感应电机的基本方程可写为：

021

22

22

21

01

1111

)(

)(

III

xjs

rIE

EE

jxrIE

jxrIEU

mm

1 、基本方程式

2 、等效电路

由基本方程可以作出等效电路 :

T型等效电路 简化等效电路

从等效电路分析可知 :

;

,,I,Rs

s,s,nn,) '

电机相当于开路总机械功率近似为零理想空载时 0

102 220

;

,,Rs

s,s,n,) '

短路状态电机处于总机械功率为零电机不转时 0

1101 2

3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；

4)附加电阻不能用电感或电容来代替；

5)在等效电路中负载的变化是用转差率 s来体现的。

（四）感应电机的向量图

第三节 感应电动机的功率和电磁转矩

一、功率转换过程和功率平衡方程式异步电动机的功率和损耗有：

输入功率 11111 cosIUmP

定子铁损 mFe RImp 201

电磁功率s

RImppPP

''

Fecuem22

2111

定子铜损 12111 RImpcu

转子铜损 ''cu RImRImp 2

2212

2222

输出功率 P2=PΩ- （ pΩ+ps ）

机械功率 PΩ=Pem-pcu2

功率平衡方程式 P1=Pem+pcu1+pFe

Pem=P +pcu2

P =P2+p +Ps

两个重要关系式 pcu2=sPem

PΩ=（ 1-s ） Pem

可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。

二、转矩平衡方程式

3 ）由电机所拖动的负载的反作用转矩 T2 。

以上公式也可以表示为：

当电动机稳定运行时，作用在电动机转子上有三个转矩。1）使电动机旋转的电磁转矩 Tem。2）由电机的机械损耗和附加损耗引起的空载制动转矩 T0 。

显然： Tem = T0 + T2

1

1

0

22

0

Pem

s

PemTem

T

T

Tem

pp

P

P

电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械角速度。

三、电磁转矩公式（一）电磁转矩的物理表达式

21K1N1pm

T

2cos2'

1

111pm

cos1121

C

mIKN

2'2'2

其中

或

Tem

f

pPTem IEmem

称为转矩常数，对制造好的电机为一定值。

（二）电磁转矩的参数表达式

假定 :U1 E2 可得：

2

2

2

)21(112

11

''

'

XXs

RRf

s

R

em

r

rpUmT

第四节 三相感应电动机的工作特性

异步电动机的工作特性 : 指 时电动机的转速 n、定子电流 I1 、功率因数 、电磁转矩 Tem、效率 η等与输出功率 P2 的关系曲线。

1cosNUU 1 Nff 1

三相异步电动机空载时，转子的转速 n接近于同步转速 n1 。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。

一、转速特性

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。

二、定子电流特性

已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 ,仅为： 0.1~0.2,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。

三、功率因数特性

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的变化近似地认为一条直线。

20 TTT 22 TP

20

PTT

0TT 2P

四、转矩特性

五、效率特性 :

pP

p

P

P

21

2 1

2P 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。

NPP 75.02

max此点对应的条件是：

不变损耗等于可变损耗。

第一节 三相感应电动机的机械特性

第二节 三相感应电动机的起动

第三节 感应电动机的电磁制动

第四节 三相感应电动机的调速

　　本章首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械特性为理论基础，分析研究三相异步电动机的起动、制动和调速等问题。

第六章 三相感应电动机的电力拖动

第一节 三相感应电动机的机械特性

三相感应电动机的机械特性是指在一定的条件下，电动机的转速 n与转矩 Tem之间的关系 ,n = f(Tem) 。

一、固有机械特性的分析

0

S=1

S=0H

P

Tem

P`

TMTstTN

Sm

n s

A

n1

感应电动机的固有机械特性曲线如右图：

1) H-P部分（转矩由 0～ Tem，转差率由 0～ Sm）。这一部分为电机的稳定工作部分，特性曲线为一条直线。

三相感应电动机的固有机械特性是指感应电动机工作在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子外接电阻为零时， n 与 Tem 的关系。

0

S=1

S=0H

P

Tem

P`

TMTstTN

Sm

n s

A

n1

2 ） P—A部分（转矩由 T～ Tst，转差率由 Sm ～ 1 ）。在这部分随着转矩的减小，转速也减小，特性为一曲线。称为电机的非工作部分。有几个特殊点需要分析一下。

（一）理想空载点 H 此时 n=n1,s=0,电磁转矩 Tem=0 ，转子电流 I2=0 ，定子电流 I1=I0 。

（二）最大转矩点 P此时 s=sm,Tem=Tm。

在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界

转差率，可令 求得 : 0ds

dTem

最大转矩与额定转矩之比称为过载能力 :

2 、 越大， 越大； 与 无关。2R 2Rms emT

1 、 与 成正比； 与 无关。mT2

1U mT 1U

3 、 和 都近似与漏抗成反比mT ms

22

2

22

)'(4

)'(

'

21111

11

211

XXRRf

pUmT

XXR

rRs

m

m

N

m

TT

一般电机的 λ为 :1.6 ～ 2.2 ，它反映了电机短时过载的极限。

（三）起动点 A

0

S=1

S=0H

P

TemTMTstTN

Sm

n s

A

n1

P` 此时， n=0,s=1,电磁转矩 Tm=Tst。

22

2

)'()'1(2

'

211

11

XXrRRf

rRpUmTst

公式为：

结论：当其它参数一定时1、起动转矩与电源电压平方成正比；2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。4、起动转矩倍数 st

stN

TK

T

二、人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。

（一）降低定子电压时的人为机械特性

s n

sm

1 0

TL

UN

0

Tst Tm

Tem

n1

0.8UN

0.64Tst 0.64Tm

下降后 , 和 均下降 , 但 不变 , 和 减少。

1U mT stT

ms stkT

如果电机在定额负载下运行 , 下降后 , 下降 , 增大 , 转子电流因 增大而增大 ,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。

1U n s

2 2sE sE

（二）转子回路中串接对称电阻时的人为机械特性

串电阻后 , 、 不变， 增大。n mT ms

在一定范围内增加电阻，可以增加 。当 时 ，若再增加电阻， 减小。

stT 1ms st mT T

stT

串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。

除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人为机械特性。

1 0 Tst Tm

Tem

s n0

n1

sm R2

Tst

sm R2+Rs

22

2

22

)'(4

)'(

'

21111

11

211

XXRRf

pUmT

XXR

rRs

m

m

由以下公式可知：

三、机械特性的实用表达式

2 mem

m

m

TT

sss s

工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：

9550 NN

N

PT

n m T NT T 1

1

NN

n ns

n

2 1m N T Ts s ( )

将 Tm和 sm代入即可得到机械特性方程式。

利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：

第二节 三相感应电动机的起动

起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程 . 对电动机的起动性能要求二：起动电流小 ,起动转矩不大。

1. 起动电流大的原因 起动时 , ,转子感应电动势大 ,使转子电流大 ,根据磁动势平衡关系 ,定子电流必然增大 .

1,0 sn

2. 起动转矩不大的原因从下述公式分析 0 2 2

'st em TT T C I cos

起动时 , ,远大于运行时的 ,转子漏抗 很大 , 很低 , 尽管 很大 ,但 并不大 .

1s s 22 sXX s 2cos

2I 22 cosI

由于起动电流大 ,定子漏阻抗压降大 ,使定子感应电动势减小 ,对应的气隙磁通减小 .

由上述两个原因使得起动转矩不大 .

一、三相笼型转子感应电动机的起动（一）直接起动

可以直接起动的条件：起动电流倍数

)kW(

)kVAkI 电动机容量

电源容量（3

4

1

直接起动也叫全压起动，启动时，电机定子绕组承受额定电压。这种起动方法最简单，也不需要复杂的起动设备，但起动电流大一般可达到额定电流的 4~7倍，对电机的稳定运行不利。一般只允许在小功率电机中（ PN<7.5KW）使用。

（二）降压起动

1、电阻降压或电抗降压起动

降压起动的目的是限制起动电流，通过起动设备使定子绕组承受的电压小于额定电压，待电动机转速达到某一数值时，再使定子绕组承受额定电压，使电动机在额定电压下稳定工作。

若起动电压降为原先

的 ，起动电流减为

原先的 起动转矩

为全压时的 。

3

1

3

13

1

这种起动方法能耗较多，已被其他方法取代。

2 、自耦补偿起动自耦补偿起动利用自耦变压器来降低定子电压以实现减小启动电流的目的。

自耦补偿起动适用于中小容量电机。

若起动电压降为原先的 ，

起动电流减为原先的 起动

转矩为全压时的 。

3

13

1

3

1

3 、 Y — 起动

若起动电压降为原先的 ，起动电流减为原先的

起动转矩为全压时的 。这种起动操作方便，设备

简单，应用广泛。

3

1

3

13

1

适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。起动时 Y接；运行时△接。

（三）深槽式及双笼型电动机 从笼型电机来看，采用直接起动，电流太大；采用降压起动虽然可以减小起动电流，但起动转矩相应减小。为了解决这一矛盾，人们从笼型电机的转子槽形着手，利用集肤效应来达到启动时转子电阻较大，正常运行时电阻自动变小的要求。1、深槽式感应电动机 深槽式电机转子槽形深而窄，当转子导条中有电流通过时，磁通如图：

可见，槽底的漏磁通要比槽口的多，越靠近槽口的比槽底的小，对电流来说，槽底电流小而槽口的大。这种效应成为集肤效应，也叫挤流效应。 当起动完毕，当电机正常运行时，由于转子电流频率很低，转子漏电抗很小，集肤效应基本消失，导条内电流分布均匀，电阻自动变小。

2 、双笼型感应电机双笼型感应电机的转子上有两套笼，如图：

1是上笼为起动笼， 2是下笼，运行笼。

二、三相绕线型感应电动机的起动

（一）转子回路串电阻起动

在转子回路中串联适当的电阻 ,既能限制起动电流，又能增大起动转矩。

为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。

电动机由 a点开始起动，经 b→c→d→e→f →g→h，完成起动过程。

起动过程

（二）转子串接频敏变阻器起动

频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。

起动时， S2断开，转子串入频敏变阻器 ,S1闭合，电机通电开始起动。

起动时 , ,频敏变阻器铁损大 ,反映铁损耗的等效电阻 大 ,相当于转子回路串入一个较大电阻。随着 上升 , 减小 ,铁损减少 ,等效电阻 减小 ,相当于逐渐切除 ,起动结束 ,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。

2 1f f

n

2fmR

mR

第三节 感应电动机的电磁制动

一、能耗制动

实现：制动时， S1断开 ,电机脱离电网，同时 S2闭合 ,在定子绕组中通入直流励磁电流。

直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。

制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上——能耗制动。

n

Tem

A

0

n1

C

1

B23 对笼型异步电动机 ,可以

增大直流励磁电流来增大初始制动转矩 。 对绕线型异步电动机 ,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩 。

.101 s，n 所以能耗制动时由于

制动电阻大小：2

2

2

0 2 0 43

NB

N

ER ( . ~ . ) R

I

其中，曲线 1、 2是转子电阻相同，曲线 2的直流励磁大于曲线 1。曲线 1、3是直流励磁相同，曲线 3的转子电阻大于曲线 1。

二、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。

如右图所示 :

（一）定子两相反接制动

由曲线我们注意到反接制动结束后一定要立即切断电源，否则电机会反向起动。

绕线式电动机在定子两反接同时 ,可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩 , 如曲线 3所示。

反接制动时，理想空载转速 n1 变为 -n1 。

1

1

1

1

n

nn

n

nns

＞ 1特点：

其机械特性曲线为：

（二）倒拉反转的反接制动条件 : 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。实现：在转子回路串联适当大电阻 RB。

电机工作点由 A→B →C，n=0 ，制动过程开始，电动机反转，直到电动机稳定工作在 D 点。在第四象限才是制动状态。

由于电机反向旋转， n<0 ，所以 s>1 。

此时电磁转矩方向与电动工作状态时相同，而转向与电动工作状态时相反，电动机处于制动工作状态。

所以有：

机械功率为 21 2 2

10MEC

sP m I R

s

电磁功率为 2 21 2 0em

RP m I

s

机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并由定子向转子传递功率。

而 2 2 221 2 2 1 2 1 2 2

1MEC em

RsP P m I R m I m I R

s s

表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损耗较大。

三、回馈制动 若感应电动机在电动机工作状态时，由于某种原因，在转向不变的情况下，使转速 n 大于 n1 ，电动机便处于回馈制动状态。

从向量图上可看出，定子电压与定子电流的相位差大于 900 ，此时的输入功率为负值，电机向外发电，好似一台发电机。因此，回馈制动也称为：再生发电制动。

机械特性：

此制动过程中，转子电路串入电阻越大，稳定转速就越高，所以回馈制动时，转子电路中不宜串入过大的电阻。

T

n

n1

A

Aˊ回馈制动时的电动机的机械特性是电动工作状态的机械特性在第二象限的延长部分。

其中虚线表示绕线转子感应电动机转子串电阻后回馈制动的机械特性。

第四节 感应电动机的调速

由异步电动机的转速公式

11

601 1

fn n ( s ) ( s )

p

可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：

（ 1）改变定子极对数 调速。p

（ 2）改变电源频率 调速。1f

（ 3）改变转差率 调速。s

称为变极调速

称为变频调速

转子串电阻调速和串极调速

一、变极调速

以 4 极变 2极为例：U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生 4 极磁场：

反向串联和反向并联，定子绕组产生 2极磁场：

要改变电机的极数，当然可以在定子槽内嵌放两套不同极数的定子三相绕组，从制造的角度看，这种方法很不经济。通常是利用改变定子绕组的接法来改变极数，这种电动机就被称为多速电动机。多速电动机均采用笼型转子，因为这时转子的极数能自动地与定子极数相适应。

多速电机定子绕组的接线方式很多，其中有两种常用。（ 1）∆ /YY 联结方式

T6

T1

T5

T3

T4

T2

低速时 T1 、 T2 、 T3 输入， T4、T5、 T6开路

高速时 T4、 T5、 T6 输入， T1 、T2 、 T3连在一起

∆-YY 后 ,极数减少一半 ,转速增大一倍 ,即 ，保持每一绕组电流为 ,则输出功率和转矩为

2YYn n

NI

1 15

0 58YY

YY

P . P

T . T

可见，∆ -YY 联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。∆/YY变极调速方法对应的机械特性曲线：

2

32

3

mYY m

mYY m

stYY st

s s

T T

T T

（ 2） Y/YY 联结方式

T1T2

T3T4 T5

T6

低速时 T1 、 T2 、 T3 输入， T4、 T5、 T6开路

高速时 T4、 T5、 T6 输入，T1 、 T2 、 T3连在一起

T6

T1

T5

T3

T4

T2

Y-YY 后 ,极数减少一半 ,转速增大一倍 ,即 ，保持每一绕组电流为 ,则输出功率和转矩为

2YY Yn n

NI

2YY Y

YY Y

P P

T T

可见， Y-YY 联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。Y/YY变极调速方法对应的机械特性曲线：

2

2

mYY mY

mYY mY

stYY stY

s s

T T

T T

变极调速时 ,转速几乎是成倍变化的 ,调速的平滑性较差 ,但具有较硬的机械特性 ,稳定性好 , 可用于恒功率和恒转矩负载。

二、变频调速变频调速是改变电源频率从而使电动机的同步转速变化达到调速的目的。（一）电压随频率调节的规律 当转差率 s变化不大时，电动机的转速 n基本与电源频率 f1正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是，

1 10

1 1 1 1 1 1

2 21 1 1

21 1 2 1

4 44 4 44

4

w w

mT

N N N

E U

. f N k . f N k

T m pU Uc

T f ( X X )T f T

频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要求下式成立： 2 2

1 1 1 12 2

1 1 1 1

N

N N N

U U U f T

f T f T U f T

及

1 、恒转矩变频率调速

对恒转矩负载

此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。

2、恒功率变频率调速

对恒功率负载

得

此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化。

1

1

95509550 f

f

n

n

T

TnTnTP

N

N

N

NNNNNN

常数

常数

1

1

1

1

f

f

U

U

常数

1

1

1

1

f

U

f

U

（二）不同负载变频调速的特点

变频调速特别适用于恒转矩负载。

三、变转差率调速（一）转子电路串接电阻调速绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为

从机械特性看，转子串电阻时，同步速和最大转矩不变，但临界转差率增大。当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。

21ems

em

s TR ( )R

sT

设 、 、 是转子串联电阻 前的量， 、 、 是串联电阻后的量， 则转子串接的电阻为：

ms semT

ms s emT sR

（二）串级调速

在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势 同步频率的附加电动势 。

sE2

adE

adE通过改变 的幅值和相位，也可实现调速，这就是串级调速。

第一节 单相感应电动机

第二节 电磁调速感应电动机

第七章 其它种类的感应电动机

第一节 单相感应电动机

电动机工作时绕组中流过的电流为： tIi cos2

txFtxf coscos),( 11

_

cos2

1cos

2

111

ff

txFtxF

单相脉振磁动势的基波表达式为：

此式表明，一个脉振磁动势可以分解为两个幅值相等、方向相反的磁动势。与电动机转向相同的 称为正转磁动势， 称为逆转磁动势。

f _f

一、单相感应电机的工作原理

所产生的磁动势为一个单相脉振磁动势。

如图所示： 和普通的三相感应电机一样，正转磁动势与逆转磁动势均切割转子导体，并感应出电流，产生转矩。由于T+与 T-方向是相反的，他们抵销后剩下的部分才是电机的转矩。无论 T+与 T-，他们的大小与三相感应电动机的情况是一样的，如转速为 n ，则转差率为：

snnns

nnns

2)(1

1

1

1

2s0s2s0s

时，当时，当 由此可绘出单相感应电动机的 T

—s曲线为：

从曲线上可看出单相感应电动机的特点为：

1、当电动机不转时， n=0,s+=s-=1, 合成转矩 T=T++T-=0,说明单相感应电动机无起动转矩，如不采取其它措施，电动机不能起动。

3、由于逆转矩 T-的存在，使电机的总转矩减小，所以单相感应电动机的过载能力较三相感应电动机小，负载转矩相同时， s则较大。

2、合成转矩曲线对称于 s+=s-=1点。若外力使电动机转动起来，合成转矩不为零，这时若合成转矩大于负载转矩，则即使去掉外力，电动机也能被加速到接近同步转速 n1。旋转方向由起动时电动机的转向而定。

二、单相感应电机的主要类型和起动方法1 、分相电动机

辅助绕组

主绕组

2 、电容电动机 这种电动机与电容分相电动机结构一样，只是辅助绕组和电容器都设计成能长期运行的形式，实质上成为一台两相电动机。

3、罩极电动机

罩极电动机分为：凸极式罩极电动机和隐极式罩极电动机，多用于风扇中。

第二节 电磁调速感应电动机

电磁调速感应电动机也称为滑差电动机，从原理上看，它就是一台带有电磁滑差离合器的普通笼型感应电动机。

电磁滑差离合器由电枢和磁极两部分组成，他们之间无机械联系，各自能独立旋转。电枢由感应电动机带动旋转，称为主动部分。磁极由直流励磁，与生产机械联接，称为从动部分。