三相交流异步电动机讲义.docx
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三相交流异步电动机讲义
第六章三相交流异步电动机
三相的意思是有三相绕组，通入三相对称电流，每个绕组是一相。
三相异步电动机结构简单，运行可靠，制造方便，有较高的运行效率和较好的工作特性，所以非常通用，这里就以三相异步电动机为例介绍交流电机。
6.1结构
1一鸦子18组』乞一難昌I
三相异步电动机种类很多，但基本结构相同，都是由定子和转子这两大基本部分组成的，在定子和转子之间具有一定气隙。
此外，还有一些附件。
乞一轴壊』4一定予蜿组*5-转于』6-^j7—集电环|8—岀线當
6.1.1定子部分
定子是用来产生旋转磁场的，三相异步电动机的定子一般由外壳、定子铁心和定子绕组组成。
（1）定子铁心
异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由薄硅钢片叠压而成的。
每片之间绝缘，减少了由于交变磁通通过引起的铁心涡流损耗。
铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子线圈。
（2）定子绕组
定子绕组是三相电动机的电路部分，给三相钉子绕组通入对称三相电流时就会产生旋转磁场。
三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，每个绕组又由若干线圈连接而成。
线圈由绝缘铜/铝导线绕制而成。
每个绕组即为一相，各绕组在空间相差120。
电角度。
6込
定子三相绕组的六个出线端
6D.6
6
4
nn
<&）
都引至接线盒上，首端是di,d2,d3,末端是d4,d5,d6，这六个出线端在接线盒里的排列方式如图，可以接成星形或三角形。
6.1.2转子部分
（1）转子铁心
是由硅钢片叠压而成的，套在转轴上，作为电动机磁路的一部分，同时用来安放转子绕组。
（2）转子绕组
分为绕线型和鼠笼型两种，异步电动机由此分为绕组转子异步电动机与鼠笼异步电
动机两种。
①绕线型绕组
与定子绕组一样也是个三相绕组，一般接成星形。
三相引出线分别接到转轴上的三个集电环（滑环）上，集电环与转轴是绝缘的。
通过电刷与外电路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能。
②鼠笼型绕组
在转子铁心每个槽中插入一根铜条，铜条两端的铜环（端环）把导条连接起来，称为铜排转子。
或者是把转子导条和端环、风扇叶片等用铝液一次浇铸成型，称为铸铝转子。
笼形绕组因结构简单、制造方便、运行可靠，所以得到广泛应用。
导
5）镇条笼型转子p鴨铝笼弟转子
6.1.3其它部分
外壳：
一般由铸铁或铸钢浇铸成型，保护和固定定子绕组和转子，包括机座、轴承盖、端盖、接线盒、吊环等部件；机座：
保护和固定定子绕组；轴承：
支撑转子轴；轴承盖：
固定转子，使转子不能轴向移动，存放润滑油，保护轴承；端盖：
防护作用，支撑转子，把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀旋转；接线盒：
保护和固定绕组的引出线端子；吊环：
起吊、搬抬电动机；风扇：
通风冷却电动机。
三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为1mm左右，气隙太大时，电
动机运行的功率因数降低；气隙太小，装配困难，高次谐波磁场增强，附加损耗增大，启动性能差。
6.1.4铭牌数据
额定功率Pn:
满负载运行时三相电动机轴上输出的机械功率，单位W或者kW。
额定电压Un:
接到电动机绕组上的线电压。
三相电动机要求所接的电源电压值的变动一般不应超过额定电压的5%。
电压过高,
电动机容易烧毁；电压过低，电动机难以启动，即使启动后电动机也可能带不动负载，容易烧坏。
额定电流IN:
三相电动机在额定电源电压下输出额定功率时，流入定子绕组的线电
流，单位A。
PN
N1NC0SNN
如果超过额定电流过载运行，三相电动机就会过热乃至烧毁。
三相异步电动机额定功率和其它额定数据之间有如下关系式:
cosN为额定功率因数；N为额定效率
额定频率fN:
电动机所接交流电源每秒钟内周期变化的次数，我国规定标准电源频
率为50Hz额定转速nN:
三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，一般略小于对应的同步转速。
绝缘等级：
三相电动机所采用的绝缘材料的耐热能力，它表明三相电动机允许的最高工作温度。
定额：
三相电动机的运转状态，即允许连续使用的时间，分为连续、短时、周期断续三种。
接法：
星形还是三角形。
三相电动机定子绕组的连接只能按规定方法连接，不能任意
改变接法，否则会损坏电动机。
防护等级：
三相电动机外壳的防护等级，IP是防护等级标志符号，其后面的两位数字分别表示电动机防固体和防水的能力。
数字越大，防护能力越强。
6.2工作原理和转动原理
621工作原理
三相异步电动机转子之所以会旋转，实现电能向机械能转换，是因为转子气隙内有
一个旋转磁场。
AX、BY、CZ是三相定子绕组，在空间彼此相隔120°,接成星形。
为了保证绕组通电以后，形成对称的磁势和电势，它们在空间的分布必须对称。
所以顺时针方向的排列顺序是AZBXCY。
三相绕组的首端A、B、C接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组，设
电源的相序为A、B、C,并将iA的初始相位角设在90°。
则有
iAsint900,iBsint30°,iCsint2100
为了分析方便，假设电流在
绕组中从首端流向末端时，电流
为正；从末端流向首端时为负。
负，根据“右手螺旋定则”，相电流产生的磁场叠加的结果
便形成一个合成磁场，如图（a）
所示。
此时的合成磁场是一对磁
极，上边是S极下边是N极。
当t120°时，ip为正，iA,ic
为负，合成磁场如图（b）所示,它的方位与t0°时相比，顺时
针转过了120°。
当t24C°时,ic为正，iA,ip为负，合成磁场转
过240°。
当t360°时，合成磁场转过一圈。
由此可见，对称三相电流
iA,iB,ic分别通入对称三相绕组
5i't=2-40"
AX、BY、CZ中所形成的合成
磁场，是一个随时间变化的旋转磁场（方向由电流初相角决定）。
如何改变旋转磁场的方向呢？
最简单的方法：
使其中某两相电源对调即可。
这是电动机产生一对磁极时的情况。
当定子绕组连接形成两对磁极时，同样分析可
知，电流变化一个周期，磁场只转动半圈，即旋转磁场的转速减慢了一半。
由此类推,
当旋转磁场有P对磁极时，交流电每变化一个周期，旋转磁场就在空间转动1p转。
因此，三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速n°、定子电流频率f以及磁极对数p
之间的关系是n。
60fp，n。
又称为同步转速。
622转动原理
£AC
三相交流电流通入定子绕组后，便形成一个旋转磁场，转速为no。
旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。
转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。
现在旋转磁场按逆时针方向旋转，N极在上，S极在下，根据右手定则（磁力线穿过手心，大拇指是导体旋转方向），转子导体中
感应出的电动势和电流方向为上半部由外向里，下半部由里向外。
流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力的作用，力F的方向由左手定则决定。
电磁力F作用在转子导体上对转轴形成电磁转矩，转子按照旋转磁场方向旋转起来。
转子转速为n,它始终不会加速到旋转磁场的转速no，只有这样，转子和旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组中才能产生感应电动势和电流，这是异步电动机工作的必要条件。
旋转磁场的转速no和转子的转速n的差值与同步转速no的比值称为转差率s%%。
转差率是异步电动机的基本参数，对分析和计算异步电动机的运行状态和机械特性有重要意义。
转子尚未转动时，n0,s1;若门no，则s0。
可知，异步电动机处于电动状态时，
0s1，额定运行时，Sn1%~5%。
可见，额定运行时，n和no接近。
6.3空载运行
6.3.1电磁关系
当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时，定子绕组中就通过对称三相交
流电流&A,l&B,l&c，三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布，并以同步转速no旋转
的磁动势F1
由旋转磁动势建立气隙主磁场。
这个旋转磁场切割定、转子绕组，分别在定、转子
绕组中感应出对称的定子电动势E&a,E&b,E&c；转子电动势骸,南b,E&2c和转子电流
&2a」&B」&c。
空载时轴上没有任何机械负载，异步电动机产生的电磁转矩Te仅用来克服摩擦力、
风力产生的阻转矩，所以是很小的。
电机所受阻转矩很小，其转速接近同步转速nno,转子与旋转磁场的相对转速就接近于0。
这样就可近似认为旋转磁场不切割转子绕组，则E2S0,I2s0,则F20
可见，异步电动机空载运行时，空载磁动势Fo即为定子上的磁势Fl;建立气隙磁场Bm
的励磁磁动势Fm0就是Fo，即Fm0=F-i，产生的磁通为0
励磁磁动势Fm产生的磁通绝大部分同时与定、转子交链，这部分称为主磁通，主
磁通参与能量转换，在电动机中产生有用的电磁转矩。
的磁路由定、转子铁心和气隙
组成，是非线性磁路。
另外有一小部分磁通仅与定子绕组交链，称为定子漏磁通-。
-不参与能量转换，
主要通过空气闭合，可近似认为是线性磁路。
©4'的训血M愴％C&）轄于中右电流时蚀紀
632定子电压平衡关系
设空载时，定子每相端电压L&，相电流&;主磁通在定子中感应的每相电动势为
E&；漏磁通1在定子中感应出的每相电动势E&；定子每相电阻r。
则电动机空载时每相定子电压平衡方程式为U&E&E&&R（感应电动势方向总是阻碍电流、磁通变化的）。
磁通正方向与电流正方向符合右手螺旋定则；感应电动势正方向与磁通正方向符合
右手螺旋定则，感应电动势实际方向由楞次定律确定，总是阻碍电流以及磁通的变化。
如何求取E呢？
设ei为定子中感应电动势的瞬时值，Ni为定子每相绕组匝数，KNi为定子绕组系数,则依据电磁感应定律，有eN1KN1d—（一个导体为e1-一）。
dtdt
由于加在定子上的电流是按正弦规律变化的，磁通也按正弦规律变化，有
=mSint，其中m为主磁通幅值，为交流电流的角频率。
EimNiKni2fm为定子绕组感应电动势幅值，Eim、'2巳，则
q.2E1sint900
Ei在相位上比滞后90°，用相量表示即为E&j4.44fNiKNi&
另外，可令E&&RmjXm，其中Rm为励磁电阻，反映铁耗的等效电阻；Xm为
励磁电抗，对应于主磁通；Zm入jXm为励磁阻抗。
Ei是由&感应出的定子每相电动势，用来建立励磁磁动势F］。
Xm代表主磁通，代
表损耗，反映了磁路的非线性特性，因为交变磁通作用于铁心时，一方面产生涡流，一方面使铁心磁化，都会使铁心发热，产生一部分能量损耗。
这部分能量损耗称为铁损耗,用Rm反映。
同理，可求得Ei4.44fNiKNiim，Ej4.44fNiKNi&i，E&jI&Xi
其中X1为定子漏磁抗，与漏磁通4相对应（无电阻项，因为是线性磁路，无需铁
耗等效）。
则有U&Ejl&XiRjXiE&乙，令乙RjXi为定子
每相漏阻抗，因为冋|1。
乙|，可近似认为1&E或UiEl。
显然，对于电动机，当频率f恒定时，U。
可见，在异步电动机中，若外加电压
一定，主磁通大体上也为一恒定值。
6.4负载运行
当三相异步电动机负载运行时，由于轴上机械负载转矩增加，原空载时的电磁转矩无法平衡负载转矩，电动机开始减速。
此时，磁场与转子之间相对运动速度加大，转子感应电动势增大，转子电流和电磁转矩增加。
当电磁转矩增加到和负载转矩相平衡时，电动机就以低于空载时的转速稳定运行。
6.4.1电磁关系
负载运行时，电动机将以低于同步转速no的速度n旋转，其转向与气隙旋转磁场的转向相同。
因此，气隙磁场与转子的相对转速为nn0nsn0，n也就是气隙磁场切割转子
绕组的速度。
于是，转子绕组中感应出电动势，产生电流，频率为fPPSpnof
f?
nn°ssfi
606060
转子电流E还产生转子磁动势F2，总的气隙磁动势是F2与定子磁动势Fi的合成。
转子磁动势相对于转子的旋转速度为门260f2
/p2
转子的磁极对数与定子的磁极对数始终是相同的，则
60f260f260sf]60f1
n2ssn0
P2PPP
若定子旋转磁场为顺时针方向，而转子的转速小于同步转速，所以感应出来的转子电动势或电流的相序也必然按顺时针方向排列。
而合成磁动势的转向决定于绕组中电流的相序，所以转子磁动势F2的转向与定子磁动势Fi的转向相同，也为顺时针方向，则转子磁动势F2在空间中相对于定子的旋转速度为n2nsrtnn0，即等于定子磁动势F1在空间的旋转速度。
即无论异步电动机转速如何变化，定、转子磁动势相对静止。
642转子绕组各电磁量的特点
可见，当负载转矩变化时，转子转速n和转差率s都会随之变化，而s的变化会引起电动机内部许多物理量的变化。
（1）转子绕组感应电动势及电流频率：
f2sfi,f2和s成正比
转子静止时，s=1,f2fi;转子转动时，f2随着s的减小而减小
（2）转子旋转时转子绕组的感应电动势
E2s4-44f2N2KN2m4.44sf|N2KN2mS4.44fiN2KN2msE2
其中N2为转子每相绕组匝数，Kn2为转子绕组系数，E2s是转子旋转时感应电动势，E2为转子静止时（n=0，s=1）的感应电动势，又称为堵转电动势。
可见，转子电动势大小也与转差率成正比。
当转子不动时，s1,E2sE2，转子电动
势达到最大（即转子静止时的电动势）；当转子转动时，E2s随着s的减小而减小。
（3）转子电抗：
X2s2L22f2L22sf1L2sX2
其中，L2是转子绕组每相漏电感，X2则为转子静止时每相漏电抗，X22f』2。
可见，转子电抗的大小与转差率成正比。
转子不动时，s1,X2sX2，转子电抗达到最大
（即转子静止时的电抗）；当转子转动时，X2s随着s的减小而减小。
（4）转子电流
由于转子电动势和转子漏电抗都随s改变，故转子电流I2s也和s有关
&&sR2jX2s，其中R2为转子每相绕组的电阻，则有
12s
E2sE2
s—:
Rlx2sR；sX22
上式说明转子电流随s的增大而增大，当电动机启动瞬间，s=l为最大，转子电
流也为最大（启动时电流最大）；当转子旋转时，S减小，转子电流也随之减小。
（5）
转子电路的功率因数cos2
由于转子每相绕组都有电阻和电抗，是一个感性电路。
所以转子电流滞后于转子电
大而减小。
643磁动势平衡方程式
当异步电动机空载运行时，主磁通是由定子绕组的空载磁动势产生的。
异步电动机负载运行时，气隙中的合成磁场的主磁通是由定子磁动势和转子磁动势共同产生的。
由电磁关系可知，定转子磁动势在空间相对静止，可以合并为一个合成磁动势，即
Fo称为励磁磁动势，它产生气隙中的旋转磁场；上式称为异步电动机的磁动势平衡方程式。
上式也可写为FiFoF2，即认为定子电流建立起来的磁动势有两个分量：
一个
是励磁分量Fo用来产生主磁通；另一个是负载分量F2用来抵消转子磁动势的去磁作用,保证主磁通不变。
异步电动机磁动势的平衡关系，使得电路上无直接联系的定、转子电流有了关联。
644电压平衡方程式
定子电路每相绕组电动势平衡方程式U&I&R,jX1不变。
转子电路自身闭合，对外输出电压是0，则有
转子电路每相绕组电动势平衡方程式为E2s&sR2jX2s&sZ2s
令Z2s=R2jX2s，为转子绕组在转差率为S时的漏阻抗。
6.5等效电路
异步电动机定、转子之间只有磁路上的联系，没有电路上的联系，不便于实际计算，所以要进行等效电路的分析。
为了能将转子电路与定子电路作直接的电的连接，等效要在不改变定子绕组的物理量（定子电动势、电流、功率因数等）而且转子对定子的影响不变的原则下进行。
即，将转子电路折算到定子侧时要保持折算前后F2（转子磁动势）
不变，以保证磁动势平衡不变，且折算前后各功率不变。
为了找到异步电动机的等效电路，除了进行转子绕组折算外，还要进行转子频率折算。
6.5.1频率折算
频率折算：
将频率为f2的旋转转子电路折算为与定子频率fl相同的等效静止转子电
等效转子电路，便达到频率折算的目的。
实际运行的转子电流&S踐」
R2jX2s
分子分母同时除以转差率s,可得到
路。
转子静止不动时，s1,f2fl，因此只要将实际上转动的转子电路折算为静止不动的
R2jsX2
（1）
&——
（2）
R2''1S''
R2jX2R2+R2jX2
sS
上两式电流数值仍然相等，但两式的物理意义不同了。
（1）式中实际转子电流频率为f2，是转子转动时的实际情况
（2）式中为等效静止时转子所具有的电流，其频率为fl，是转子静止不动时的等效
情况
由于频率折算前后转子电流数值未变，所以磁动势F2大小不变。
同时，F2的转速为
同步转速no，与转子转速无关，所以
（2）式频率折算能够保持电磁效应不变。
频率折算前后转子的电磁效应不变，即转子电流的大小、相位不变，除了改变与频率有关的参数之外，只要用等效转子的电阻咚代替实际转子电阻R2即可
可分解为R2+
^sR2，后者为异步电动机的等效负载电阻，它消耗的电功率为s
12R2V，这部分损耗在实际电路中并不存在，它实质上表征了异步电动机输出的机械功
率。
ii
6.5.2绕组折算
进行频率折算后，将旋转的异步电动机转子电路化为等效静止电路，但是还不能把
定、转子电路连接起来，因为两个电路的电动势还不相等。
方法：
人为地用一个相数、
每相串联匝数以及绕组系数和定子绕组一样的绕组代替相数为m2，每相串联匝数为N2，
绕组系数为kN2且经过频率折算的转子绕组。
但仍要保证折算前后转子对定子的电磁效应不变，即转子的磁动势、转子总的视在功率、铜耗以及转子漏磁场储能均保持不变。
（1）电流折算
由保持转子磁动势F2F2不变的原则，即■miN1KNil2匹N2KN2I2，折算后的转子电
2p2p
流有效值为I2叫“2©2=丄12，其中kimiNlKN1称为电流比。
m）iNiKnikjm?
N2Kn2
（2）电动势折算
由于定、转子磁动势在绕组折算前后都不变，故气隙中主磁通也不变，绕组折算前
后转子电动势分别为E24.44fiN2KN2m,E24.44fiNiKNim。
则E2■^KniE2=keE2Ei，其中ke称为电压比。
N2KN2N2KN2
（3）阻抗折算
由折算前后，转子铜耗不变原则，有mil2R2讥12只2，则
2
m9l9m9mNiKni
R224R,—i2kR2=kikeR2
mil2mim2N2KN2
同理，由绕组折算前后转子电路的无功功率不变原则，有X2kikeX2,Z2kjkeZ2。
Il
-u
m山NikM1
mi,NlkW]
6.5.3T型等效电路
1-s
由T型等效电路可得异步电动机负载时的基本方程式为
U&El&RjX,
El&RmjXm
EE
&&&
E2&r2sjx2
空载运行时，nn,,s0，FR2，此时相当于转子开路。
转子堵转时（接上电源，转子被堵住不动），n0,s0，¥&0，转子侧近似短路。
因此在异步电动机启动初始接上电源时，就相当于短路状态，会使电动机电流很大,
应多加注意。
6.6功率和电磁转矩
6.6.1功率平衡方程式
异步电动机的功率关系可用T型等效电路图来分析。
异步电动机通电运行时，T型等效电路中每个电阻上都会产生一定损耗。
如：
定子电阻Ri产生的定子铜损耗Pcui3Ii2Ri
励磁电阻Rm产生的定子铁损耗PFe31；只皿
转子电阻R2产生的转子铜损耗Pcu2312^2
电流输入电功率去掉定子铜损耗和铁损耗之后，便是定子传递给转子回路的电磁功率，即卩
FempPCu1Re
电磁功率又等于等效电路转子回路全部电阻的损耗，即
f^em312R2
JR23I；色
ss
损耗实际上是传递给电动机轴上的机械功率PjPemPcu2
Pj是转子绕组中的电流与气隙旋转磁场共同作用下产生的电磁转矩，带动转子以转
速n旋转所对应的功率。
电动机运行时，还存在着由于轴承摩擦产生的机械损耗PjS和附加损耗Pfj。
大型电机
中P*0.5%PN，小型电机中P*1~3%PN
转子的机械功率Pj减去机械损耗Pjs和附加损耗Pfj才是转轴上实际输出的功率，用P2
表示：
P?
PjPjsPfj
可见，异步电动机运行时，从电源输入电功率P到转轴输出机械功率的全过程为
BR—l~Cu1Rel"Cu2PjsPfjPP
电磁功率Pem、转子损耗FCu2和机械功率Pj三者之间定量关系是:
电机运行时，若S增大,
662转矩平衡方程式
Pn150kW，额定负载时的转
1s巴皿=卩82Pj,PCu2sPem,Pj1sPem
Pfj1000W，试求额定负载时:
子铜耗Pcu22210W，机械损耗Pjs2640W，杂散损耗
（1）电磁功率Pem、电磁转矩Te各为多少?
（2）转速n、转差率s各为多少？
（3）负载转矩Tl、空载转矩T。
各为多少？
解：
（1）电磁功率PemPj
%21502.21152.21kW
额定转速n0
60f
3000
1500r/min
P
2
电磁转矩Te
Rm
9.55矗
152210
9.55969.07Nm
0
n
1500
⑵由Te立9町可得转速n9.55?
9・55翳1478r/min
转差率sJ150014781.47%
n01500
（3）
负载转矩TlT2P29.55P2
n
空载转矩ToTeTl
6.7工作特性
异步电动机的工作特性是指定子电压、
频率为额定值时，电动机转速n、定子电流1,、
功率因数COS1、电磁转矩Te和效率等与输出功率P2之间的关系曲线。
这些关系曲线可
以直接通过给异步电动机带上负载后测量得到，也可利用等效电路参数计算得到。
它们衡量了电动机性能的优劣。
异步电动机丄作特性
功率冈数MS如
1.转速特性nfP2
空载时，转子的转速n接近于同步转速no，随着负载增加，转速n要略微降低，这
时转子电动势E2SSE2增大，从而使转子电流I2S增大，以产生较大的电磁转矩来平衡负载转矩。
因此，随着F2增加，转子转速n下降，转差率s增大。
2.转矩特性Tef巳
空载时P0，电磁转矩Te等于空载制动转矩T）。
随着P2增加，因为E9.55P2”，所
以若n基本不变，则T2是过原点的直线。
考虑到P2增加时，n稍
升级会员 