1.2 三相異步電動機的運行特性

學習目標

1.了解三相異步電動機與變壓器運行原理的相似點與不同點。

2.了解三相異步電動機的定子、轉子電動勢和電流與轉速、轉差率之間的關系。

3.掌握三相異步電動機的功率和轉矩的關系。

內容提要

對異步電動機和變壓器工作原理之間的聯系與區別的理解，會對電動機運行狀態的分析有很大的幫助。

異步電動機的工作原理和變壓器有許多相似之處：電動機的定子繞組和轉子繞組類似變壓器的原級繞組和次級繞組；它們的輸出功率均由負載確定，輸入功率由輸出功率確定；都是根據電磁感應原理工作的，并在能量傳輸過程中都有一定損耗。不同之處：變壓器鐵芯中是脈動磁場，電動機中是旋轉磁場；變壓器磁路一般是閉合的，電動機定子和轉子間有氣隙；變壓器輸入的是電功率，輸出的也是電功率，而電動機輸入的是電功率，輸出的是機械功率；變壓器是靜止的，電動機轉子是轉動的。

一、三相異步電動機的空載運行

1.轉子不動的運行

電動機轉子回路開路（如繞線式異步電動機）時，轉子只有感應電動勢而沒有感應電流，因此不會轉動，此時與變壓器空載運行十分類似。在忽略漏磁通的情況下，根據變壓器原理可知，定子、轉子中的感應電動勢分別為

E10=4.44f1K1N1Φm； E20=4.44f1K2N2Φm

此時轉子中感應電動勢的頻率與定子中的相同，就如同變壓器的原、次級繞組中電壓頻率相同一樣。由于轉子中沒有電流，無輸出功率，因此定子的電流也很小，只需從電網吸取很小的功率來平衡電動機的鐵損和定子的銅損。

說明：若電動機轉子回路閉合，但是因外部機械轉矩而堵轉不動，則類似變壓器短路運行，此時轉子電流、定子電流均很大，會燒壞電動機。

2.轉子轉動的空載運行

在實際中，電動機的空載運行一般是指轉子轉動的空載運行狀態。此時，電動機轉子回路自成閉合回路，電流I2不為零，因而使轉子產生電磁轉矩而旋轉。

由于轉子是空載運轉的，因此電動機產生的電磁轉矩只需克服空載制動轉矩就行，而空載制動轉矩通常都很小，這時轉子轉速很高，接近同步轉速n0，轉差率s很小，轉子中的感應電動勢很小，電流I2≈0，這與轉子開路時類似。此時的定子空載電流主要用來建立旋轉磁場，空載時的功率因數很低，一般cosφ＜0.2。

總之，不論三相異步電動機是轉子繞組開路不動，還是轉子閉合的空載運行，與對應的變壓器的空載運行相似。

二、三相異步電動機的帶負載運行

當異步電動機從空載到帶負載時，由于軸上負載轉矩突然增大，原來的空載轉矩無法平衡負載轉矩，轉速開始下降，旋轉磁場和轉子間的相對運動增大，轉子中感應電動勢增大，轉子電流和轉矩也增大。當轉子轉矩和負載轉矩相平衡時，電動機就以低于空載的轉速而穩定運行。

可見，當負載轉矩發生變化時，轉子轉速n、轉差率s也隨之發生變化，從而引起諸多物理量的變化。

1.轉子繞組感應電動勢及電流的頻率f2

轉子電動勢及電流頻率與轉差率成正比，即

當轉子不動時，n=0，s=1，f2=f1；當轉速升高時，s減小，f2也減小；達到額定轉速時，f2就很小了。

2.轉子繞組的感應電動勢E2s

當轉子不動時，其感應電動勢最大，為E20=4.44f1K2N2Φm，則電動機運行時的轉子電動勢為E2s=4.44f2K2N2Φm=4.44sf1K2Φm=sE20。

可見，轉子中感應電動勢和轉差率也成正比。

3.轉子電抗X2s

轉子靜止時有漏抗X20=2πf1L2，當轉子轉動時，頻率發生變化，則X2s=2πf2L2=sX20。

4.轉子電流I2s

由于轉子電動勢和轉子漏抗都隨著s的變化而變化，并考慮到轉子繞組的直流電阻r2，故轉子電流也與s有關，即

（1）當s接近1時（啟動瞬間），，則，該值為一個常數，說明電動機在啟動時，無論是否有負載，啟動電流應該是一樣的。

（2）當s很小時，，，即I2s和s近似成正比。

（3）當s由小增大時，即電動機轉速下降時，轉子與旋轉磁場相對速度增大，轉子繞組切割磁感線的速度增大，于是E2s和I2s均增大。

5.轉子功率因數cosφ2

（1）當s接近1時，，即啟動時cosφ2較小；

（2）當s很小時，，即額定運行時cosφ2較大；

（3）當s由小增大時，X2s也增大，cosφ2減小。

轉子電流和轉子功率因數與轉差率的變化關系如圖1-2-1所示。

說明：

（1）電動機從啟動到額定運行過程中，轉子電流逐漸減小，功率因數逐漸增大，這一過程中，在某一轉速時，兩者的乘積最大，此時的轉差率稱為臨界轉差率sm，在數值上

（2）對于整臺電動機而言，其功率因數應為定子的功率因數cosφ1，它與轉子功率因數cosφ2不相同，但兩者比較接近。

三、三相異步電動機的功率與轉矩

1.功率與效率

電動機的額定功率是指轉軸上輸出的機械功率，而電動機從電網吸收的電功率要比輸出功率大，這是因為電動機在運行時有損耗，具體損耗表現在以下幾個方面。

（1）電流在定子繞組中的銅損PCu1和轉子繞組中的銅損PCu2。

（2）交變磁通在電動機定子鐵芯中產生的渦流損耗和磁滯損耗，通稱鐵損PFe。

（3）電動機運行中的機械摩擦損耗、風阻損耗及其他附加損耗等，通稱機械損耗Pt。

電動機運行時功率損耗流程如圖1-2-2所示。P1為電動機從電網吸收的總功率，Pe為電動機的輸入電磁總功率，經過氣隙傳遞給轉子回路時，有轉子銅耗PCu2和總的機械總功率PM。

說明：電磁總功率經過氣隙傳遞給轉子回路時，轉子銅損與轉差率成正比，即PCu2=sPe，因此轉子銅耗又稱轉差功耗。

電動機實際工作時，其輸入功率的大小是由輸出功率決定的，而輸出功率大小是由所帶負載決定的，輸出功率越大輸入功率就越大，輸出功率與輸入功率的比值就是電動機的效率，即。電動機是一種旋轉機械，定子與轉子之間有氣隙存在，故電動機額定運行時的效率比同容量的變壓器要低得多。

2.功率與轉矩

根據力學知識可知，旋轉體上的轉矩T等于機械功率P與機械角速度Ω的比值，即。

由電動機功率損耗流程可知

P2=Pe-（PCu2+Pt）

上式兩邊同除以Ω，得

即

T2=T-T0

式中，T2———輸出轉矩；

T———電磁轉矩；

T0———空轉轉矩。

該式稱為電動機轉矩平衡方程。

電動機輸出轉矩

式中，功率P2的單位是kW，轉速n的單位是r/min，轉矩T2的單位是N·m；電動機在不同狀態時對應不同的轉矩，當電動機額定運行時，則上式中各物理量均為電動機額定值。

例題解析

【例1-2-1】某工頻三相異步電動機額定電壓為380V，接法為Y形，額定轉速為950r/min。若啟動時轉子電動勢為120V，則電動機額定運行時轉子電動勢和頻率是多大？若其空載轉差率為0.005，則額定運行時轉子電動勢是空載運行時的多少倍？

【要點解析】三相異步電動機在不同轉速時有不同的轉差率，而且轉子回路的電動勢和頻率均和轉差率成正比。

【解】由題意知，電動機同步轉速應為1000r/min額定運行時，額定轉差率

轉子電動勢E2N=sNE20=0.05×120=6V

轉子電動勢頻率f2N=sNf1=0.05×50=2.5Hz

電動機額定運行與空載運行時，轉子電動勢的關系為

【例1-2-2】一臺三相異步電動機的額定轉差率為sN=0.05，臨界轉差率為sm=0.2。試分析電動機啟動時轉子繞組電動勢、轉子回路阻抗及轉子回路電流和額定狀態時的關系。

【要點解析】轉子電路各個物理量都與轉速，即轉差率有關；對于轉子電路模型及電路分析要聯系交流電路的分析方法。

【解】轉子電動勢關系倍

轉子阻抗關系

轉子電流關系

【例1-2-3】現有Y160M—4型和Y180L—8型三相異步電動機各一臺，額定功率均是11kW，前者額定轉速為1460r/min，后者額定轉速為730r/min。分別求出它們的額定輸出轉矩。

【要點解析】對于三相異步電動機的型號意義能理解，特別是隱含的磁極數的條件；對于電動機輸出轉矩計算公式要十分熟悉，特別要注意功率的單位。

【解】Y160M—4電動機

Y180L—8電動機

從此例題可知，輸出功率相同的異步電動機的磁極數多時，轉速低、轉矩大；磁極數少時，轉速高、轉矩小。

鞏固練習

一、單項選擇題

1.三相異步電動機轉子回路的漏電抗大小（ ）。

A.啟動時最大 B.空載時最大 C.額定時最大 D.臨界時最大

2.三相異步電動機空載啟動與滿載啟動相比較（ ）。

A.空載啟動轉矩大，啟動電流小

B.啟動轉矩和啟動電流都相同

C.啟動轉矩相同，但空載啟動電流小

D.啟動電流相同，但空載啟動轉矩小

3.三相異步電動機在堵轉時，以下說法正確的是（ ）。

A.功率因數較高 B.效率較高 C.轉差率為1 D.工作電流較小

4.一臺額定轉差率為0.04的三相異步電動機，在啟動瞬間轉子電動勢為額定運行時的（ ）。

A.0.04倍 B.4～7倍 C.0.96倍 D.25倍

5.三相異步電動機空載運行時（ ）。

A.轉子損耗較大 B.轉子電流頻率較高

C.輸出轉矩很小 D.轉子電抗較大

6.一臺額定轉差率為0.04的三相異步電動機，在額定狀態下運行，則定子通過氣隙傳遞給轉子的功率中有4%是（ ）。

A.電磁功率 B.風阻和摩擦損耗 C.機械功率 D.轉子銅耗

二、判斷題

7.由知，三相異步電動機在啟動瞬間因轉速為零，故啟動轉矩很大。（ ）

8.三相異步電動機在制造好以后，其臨界轉差率基本不變。（ ）

9.三相異步電動機額定運行時，轉子電流近似為一個直流量。（ ）

10.三相異步電動機的功率因數一般是指定子功率因數。（ ）

11.三相異步電動機啟動時電流最大，故啟動時轉矩也最大。（ ）

12.三相異步電動機從啟動到額定運行過程中，轉子功率因數逐漸增大。（ ）

三、填空題

13.一臺額定轉速為1470r/min的國產三相異步電動機，正常運轉時轉差率為_____，定子電流頻率為_____，轉子電流頻率為_____。

14.三相異步電動機轉速越高，則轉差率_____，轉子電動勢_____，轉子電流_____，轉子損耗_____。

15.某三相異步電動機額定轉速為960r/min，空載轉差率為0.005。若啟動時轉子電動勢為100V，則額定運行時轉子電動勢為_____，空載運行時轉子電動勢為_____。

16.若一臺4極異步電動機的額定轉差率為0.02，額定功率為10kW，則電動機額定轉速為_____，額定輸出轉矩為_____。

四、問答題

17.三相異步電動機在額定電壓下運行，分析轉速上升時轉差率s、定子電動勢E1、定子電流I1、轉子電動勢E2、轉子電流I2及轉子功率因數cosφ2的變化情況。

五、計算題

18.某一國產三相異步電動機額定轉速為1470r/min，功率為30kW，轉子電阻r2=0.02Ω，轉子電抗X20=0.08Ω，E1/E20=10。求：

（1）電動機的額定輸出轉矩；

（2）若E1=200V，電動機在啟動及額定運行時每相轉子電動勢、轉子電流及轉子功率因數。