1.2 三相异步电动机的运行特性

学习目标

1.了解三相异步电动机与变压器运行原理的相似点与不同点。

2.了解三相异步电动机的定子、转子电动势和电流与转速、转差率之间的关系。

3.掌握三相异步电动机的功率和转矩的关系。

内容提要

对异步电动机和变压器工作原理之间的联系与区别的理解，会对电动机运行状态的分析有很大的帮助。

异步电动机的工作原理和变压器有许多相似之处：电动机的定子绕组和转子绕组类似变压器的原级绕组和次级绕组；它们的输出功率均由负载确定，输入功率由输出功率确定；都是根据电磁感应原理工作的，并在能量传输过程中都有一定损耗。不同之处：变压器铁芯中是脉动磁场，电动机中是旋转磁场；变压器磁路一般是闭合的，电动机定子和转子间有气隙；变压器输入的是电功率，输出的也是电功率，而电动机输入的是电功率，输出的是机械功率；变压器是静止的，电动机转子是转动的。

一、三相异步电动机的空载运行

1.转子不动的运行

电动机转子回路开路（如绕线式异步电动机）时，转子只有感应电动势而没有感应电流，因此不会转动，此时与变压器空载运行十分类似。在忽略漏磁通的情况下，根据变压器原理可知，定子、转子中的感应电动势分别为

E10=4.44f1K1N1Φm； E20=4.44f1K2N2Φm

此时转子中感应电动势的频率与定子中的相同，就如同变压器的原、次级绕组中电压频率相同一样。由于转子中没有电流，无输出功率，因此定子的电流也很小，只需从电网吸取很小的功率来平衡电动机的铁损和定子的铜损。

说明：若电动机转子回路闭合，但是因外部机械转矩而堵转不动，则类似变压器短路运行，此时转子电流、定子电流均很大，会烧坏电动机。

2.转子转动的空载运行

在实际中，电动机的空载运行一般是指转子转动的空载运行状态。此时，电动机转子回路自成闭合回路，电流I2不为零，因而使转子产生电磁转矩而旋转。

由于转子是空载运转的，因此电动机产生的电磁转矩只需克服空载制动转矩就行，而空载制动转矩通常都很小，这时转子转速很高，接近同步转速n0，转差率s很小，转子中的感应电动势很小，电流I2≈0，这与转子开路时类似。此时的定子空载电流主要用来建立旋转磁场，空载时的功率因数很低，一般cosφ＜0.2。

总之，不论三相异步电动机是转子绕组开路不动，还是转子闭合的空载运行，与对应的变压器的空载运行相似。

二、三相异步电动机的带负载运行

当异步电动机从空载到带负载时，由于轴上负载转矩突然增大，原来的空载转矩无法平衡负载转矩，转速开始下降，旋转磁场和转子间的相对运动增大，转子中感应电动势增大，转子电流和转矩也增大。当转子转矩和负载转矩相平衡时，电动机就以低于空载的转速而稳定运行。

可见，当负载转矩发生变化时，转子转速n、转差率s也随之发生变化，从而引起诸多物理量的变化。

1.转子绕组感应电动势及电流的频率f2

转子电动势及电流频率与转差率成正比，即

当转子不动时，n=0，s=1，f2=f1；当转速升高时，s减小，f2也减小；达到额定转速时，f2就很小了。

2.转子绕组的感应电动势E2s

当转子不动时，其感应电动势最大，为E20=4.44f1K2N2Φm，则电动机运行时的转子电动势为E2s=4.44f2K2N2Φm=4.44sf1K2Φm=sE20。

可见，转子中感应电动势和转差率也成正比。

3.转子电抗X2s

转子静止时有漏抗X20=2πf1L2，当转子转动时，频率发生变化，则X2s=2πf2L2=sX20。

4.转子电流I2s

由于转子电动势和转子漏抗都随着s的变化而变化，并考虑到转子绕组的直流电阻r2，故转子电流也与s有关，即

（1）当s接近1时（启动瞬间），，则，该值为一个常数，说明电动机在启动时，无论是否有负载，启动电流应该是一样的。

（2）当s很小时，，，即I2s和s近似成正比。

（3）当s由小增大时，即电动机转速下降时，转子与旋转磁场相对速度增大，转子绕组切割磁感线的速度增大，于是E2s和I2s均增大。

5.转子功率因数cosφ2

（1）当s接近1时，，即启动时cosφ2较小；

（2）当s很小时，，即额定运行时cosφ2较大；

（3）当s由小增大时，X2s也增大，cosφ2减小。

转子电流和转子功率因数与转差率的变化关系如图1-2-1所示。

说明：

（1）电动机从启动到额定运行过程中，转子电流逐渐减小，功率因数逐渐增大，这一过程中，在某一转速时，两者的乘积最大，此时的转差率称为临界转差率sm，在数值上

（2）对于整台电动机而言，其功率因数应为定子的功率因数cosφ1，它与转子功率因数cosφ2不相同，但两者比较接近。

三、三相异步电动机的功率与转矩

1.功率与效率

电动机的额定功率是指转轴上输出的机械功率，而电动机从电网吸收的电功率要比输出功率大，这是因为电动机在运行时有损耗，具体损耗表现在以下几个方面。

（1）电流在定子绕组中的铜损PCu1和转子绕组中的铜损PCu2。

（2）交变磁通在电动机定子铁芯中产生的涡流损耗和磁滞损耗，通称铁损PFe。

（3）电动机运行中的机械摩擦损耗、风阻损耗及其他附加损耗等，通称机械损耗Pt。

电动机运行时功率损耗流程如图1-2-2所示。P1为电动机从电网吸收的总功率，Pe为电动机的输入电磁总功率，经过气隙传递给转子回路时，有转子铜耗PCu2和总的机械总功率PM。

说明：电磁总功率经过气隙传递给转子回路时，转子铜损与转差率成正比，即PCu2=sPe，因此转子铜耗又称转差功耗。

电动机实际工作时，其输入功率的大小是由输出功率决定的，而输出功率大小是由所带负载决定的，输出功率越大输入功率就越大，输出功率与输入功率的比值就是电动机的效率，即。电动机是一种旋转机械，定子与转子之间有气隙存在，故电动机额定运行时的效率比同容量的变压器要低得多。

2.功率与转矩

根据力学知识可知，旋转体上的转矩T等于机械功率P与机械角速度Ω的比值，即。

由电动机功率损耗流程可知

P2=Pe-（PCu2+Pt）

上式两边同除以Ω，得

即

T2=T-T0

式中，T2———输出转矩；

T———电磁转矩；

T0———空转转矩。

该式称为电动机转矩平衡方程。

电动机输出转矩

式中，功率P2的单位是kW，转速n的单位是r/min，转矩T2的单位是N·m；电动机在不同状态时对应不同的转矩，当电动机额定运行时，则上式中各物理量均为电动机额定值。

例题解析

【例1-2-1】某工频三相异步电动机额定电压为380V，接法为Y形，额定转速为950r/min。若启动时转子电动势为120V，则电动机额定运行时转子电动势和频率是多大？若其空载转差率为0.005，则额定运行时转子电动势是空载运行时的多少倍？

【要点解析】三相异步电动机在不同转速时有不同的转差率，而且转子回路的电动势和频率均和转差率成正比。

【解】由题意知，电动机同步转速应为1000r/min额定运行时，额定转差率

转子电动势E2N=sNE20=0.05×120=6V

转子电动势频率f2N=sNf1=0.05×50=2.5Hz

电动机额定运行与空载运行时，转子电动势的关系为

【例1-2-2】一台三相异步电动机的额定转差率为sN=0.05，临界转差率为sm=0.2。试分析电动机启动时转子绕组电动势、转子回路阻抗及转子回路电流和额定状态时的关系。

【要点解析】转子电路各个物理量都与转速，即转差率有关；对于转子电路模型及电路分析要联系交流电路的分析方法。

【解】转子电动势关系倍

转子阻抗关系

转子电流关系

【例1-2-3】现有Y160M—4型和Y180L—8型三相异步电动机各一台，额定功率均是11kW，前者额定转速为1460r/min，后者额定转速为730r/min。分别求出它们的额定输出转矩。

【要点解析】对于三相异步电动机的型号意义能理解，特别是隐含的磁极数的条件；对于电动机输出转矩计算公式要十分熟悉，特别要注意功率的单位。

【解】Y160M—4电动机

Y180L—8电动机

从此例题可知，输出功率相同的异步电动机的磁极数多时，转速低、转矩大；磁极数少时，转速高、转矩小。

巩固练习

一、单项选择题

1.三相异步电动机转子回路的漏电抗大小（ ）。

A.启动时最大 B.空载时最大 C.额定时最大 D.临界时最大

2.三相异步电动机空载启动与满载启动相比较（ ）。

A.空载启动转矩大，启动电流小

B.启动转矩和启动电流都相同

C.启动转矩相同，但空载启动电流小

D.启动电流相同，但空载启动转矩小

3.三相异步电动机在堵转时，以下说法正确的是（ ）。

A.功率因数较高 B.效率较高 C.转差率为1 D.工作电流较小

4.一台额定转差率为0.04的三相异步电动机，在启动瞬间转子电动势为额定运行时的（ ）。

A.0.04倍 B.4～7倍 C.0.96倍 D.25倍

5.三相异步电动机空载运行时（ ）。

A.转子损耗较大 B.转子电流频率较高

C.输出转矩很小 D.转子电抗较大

6.一台额定转差率为0.04的三相异步电动机，在额定状态下运行，则定子通过气隙传递给转子的功率中有4%是（ ）。

A.电磁功率 B.风阻和摩擦损耗 C.机械功率 D.转子铜耗

二、判断题

7.由知，三相异步电动机在启动瞬间因转速为零，故启动转矩很大。（ ）

8.三相异步电动机在制造好以后，其临界转差率基本不变。（ ）

9.三相异步电动机额定运行时，转子电流近似为一个直流量。（ ）

10.三相异步电动机的功率因数一般是指定子功率因数。（ ）

11.三相异步电动机启动时电流最大，故启动时转矩也最大。（ ）

12.三相异步电动机从启动到额定运行过程中，转子功率因数逐渐增大。（ ）

三、填空题

13.一台额定转速为1470r/min的国产三相异步电动机，正常运转时转差率为_____，定子电流频率为_____，转子电流频率为_____。

14.三相异步电动机转速越高，则转差率_____，转子电动势_____，转子电流_____，转子损耗_____。

15.某三相异步电动机额定转速为960r/min，空载转差率为0.005。若启动时转子电动势为100V，则额定运行时转子电动势为_____，空载运行时转子电动势为_____。

16.若一台4极异步电动机的额定转差率为0.02，额定功率为10kW，则电动机额定转速为_____，额定输出转矩为_____。

四、问答题

17.三相异步电动机在额定电压下运行，分析转速上升时转差率s、定子电动势E1、定子电流I1、转子电动势E2、转子电流I2及转子功率因数cosφ2的变化情况。

五、计算题

18.某一国产三相异步电动机额定转速为1470r/min，功率为30kW，转子电阻r2=0.02Ω，转子电抗X20=0.08Ω，E1/E20=10。求：

（1）电动机的额定输出转矩；

（2）若E1=200V，电动机在启动及额定运行时每相转子电动势、转子电流及转子功率因数。