第七章 三相异步电动机运行原理

第七章三相异步电动机运行原理7-1异步电动机的气隙为什么要尽可能地小？它与同容量变压器相比，为什么空载电流较大？答：异步电动机气隙小的目的是为了减小其励磁电流（空载电流），从而提高电动机功率因数。因异步电动机的励磁电流是由电网供给的，故气隙越小，电网供给的励磁电流就小。而励磁电流又属于感性无功性质，故减小励磁电流，相应就能提高电机的功率因数。异步电动机与变压器一样，均为交流励磁的电机。它们U1---E1---?0----I0的分析思路相同。在容量和电压相同的情况下，异步电动机和变压器的主磁通？0基本相同，又由磁路欧,=^^姆定律知：0Rm，其I0-R（匝数N1的影响远不及R），由于异步电动机主磁通磁路中有两个气隙，而变压器是纯铁心、磁路，故异步电动机主磁通磁路的磁阻远较变压器大，故其空载电流远较变压器大。7-2异步电动机在起动和空载运行时，为什么时候功率因数很低？当满载运行时，功率因数会提高？答：1.由等效电路分析：下面分别画出起动（a）、空载（b）和满载（c）时的等效电路rmmrmmQwarctanX1+(c)1r+rx+x'>>r+r'古打甲cos^12由于1212，故丁1大t1就h较小。空载时中warctan中warctan—m1r+r由于X1+Xm»r1+rm，故平］较大，cOS^1就较小。r

—2-sN并联，又由于激磁阻抗远大于转满载时：激磁支路阻抗r

—2-sN并联，又由于激磁阻抗远大于转中warctan2-,r+Mx+x'<r+^2~1s由于121sN，故平1较小，cos^1就较大。2、由电磁关系分析①起动时：s=1，转子漏抗x2s=sx2最大，故转子功率因数cos甲2较小，因而转子无

功分量电流大，则与其平衡的定子侧无功分量电流也大，因而功率因数cos^1就小。②空载时，I]=I0,其中很小一部分的有功分量用来供空载损耗，其余绝大部分的无功分量电流用来励磁，因此，空载电流属感性无功性质，因而电动机的功率因数cos^1就小③满载时，因电动机轴上输出的是机械功率，从电路角度需用有功功率来模拟其机械功r'—2-率，因此负载后，转子电流的有功分量增大（S增大），则与其平衡的定子有功分量电流就增大，因而电动机的功率因数cos^1就大。7-3当异步电动机运行时，定子电动势的频率是多少？转子电动势的频率为多少？由定子电流的产生的旋转磁动势以什么速度截切定子，又以什么速度截切转子？由转子电流的产生的旋转磁动势以什么速度截切转子，又以什么速度截切定子？，它与定子旋转磁动势的相对速度是多少？答：定子电动势频率为f1；转子电动势频率为f2=sf1；由定子电流产生的定子旋转磁动势以n1的速度截切定子，又以n1-n的速度截切转子。由转子电流产生的转子旋转磁动势以n2=sn1的速度截切转子，又以n2+n=n1的速度截切定子，它与定子旋转磁动势的相对速度为（n2+n）-n1=0。7-4说明异步电动机轴机械负载增加时，定、转子各物理量的变化过程怎样？答：电动机稳定运行时，电磁转矩（TQ与负载转矩（Tl）平衡，当机械负载（即负载转矩）n-n增加时，转子转速n势必下降，转差率n1增大。这样转子切割气隙磁场速度增加，转子绕组感应电动势（E2s=SE2）及电流I2随之增大，因而转子磁动势F2增大。根据磁动势平衡关系，与转子磁动势F2所平衡的定子负载分量磁动势F1L相应增大，而励磁磁动势Fo基本不变，因而定子磁动势增大，定子电流I1随之增大。由于电源电压不变，则电动机的输入功率就随之增加，直至转子有功电流产生的电磁转矩又与负载转矩重新平衡为止。7-5为什么说异步电动机的功率因数总是滞后的，而变压器呢？O■答：异步电动机定，转子间的电磁关系尤如变压器，定子电流11也由空载电流10和负载分量电流11L两部分组成：1）1）维持气隙主磁通和漏磁通，需从电网吸取一定的滞后无功电流（即为Io）;2）2）负载分量电流取决于转子电路；由等效电路可知，电动机轴上输出的机械功率（还包括机械损耗等）只能用转子电流流1-S'过虚拟的附加电阻S‘2所消耗的功率来等效代替（因输出的机械功率是有功的，故只能用有功元件电阻来等效代替）。再加上转子绕组的漏阻抗，故转子电流只可能是滞后无功电流，则与转子平衡的定子负载分量也只能是滞后的无功电流，因此异步电动机的功率因数总是滞后的。变压器却不一定。与异步电动机相同的一点是其空载电流总是滞后无功电流，而变压器所带的电气负载有阻、感、容性的（而异步电动机在电路中模拟机械负载的只能是阻性的有功元件），当其负载容抗若大于变压器的感抗时，其功率因数就会超前。

1一s7-6异步电动机等效电路中的附加电阻一"'2的物理意义是什么？能否用电感或电容来代替，为什么？答：异步电动机等效电路中的附加电阻实为代表机械负载（严格地说还包括机械损耗等）的1'2―r一个虚拟电阻，用转子电流在该电阻所消耗的功率2s2来等效代替总机械功率（包括轴上输出的机械功率和机械损耗等）.因输出的机械功率及机械损耗等均属有功性质，因此，从电路角度来模拟的话，只能用有功元件电阻，而不能用无功元件电感或电容来等效代替。7-7异步电动机的电磁转矩与哪些因数有关，哪些是运行因素，哪些是结构因素?答：电磁转矩参数表达式mpU22T=em11sr2兀f（r+2）2+（x+x'）211s12电磁转矩Tem与①电源参数：电源电压U1频率fi，②电机本身参数：相数m「极对数p、定、转子漏阻抗七、r2’、x1>x2’；③运行参数：转差率T=em其中U］、匕及s是运行因素，m1>p、七、r2’、X］、x2’为结构因素。7-8异步电动机带额定负载运行时，且负载转矩不变，若电源电压下降过多，对电动机的T、T、④|、I、I,、s及n有何影响？maxst112答：因为Tm仗U12，而s与U1无关，因而电源电压下降后其T---s曲线如图所示，曲线1为正常电压下的曲线，曲线3为电压下降过多的曲线，曲线2为电压下降的曲线。电机正常工作时，Tm=T，稳定运行于a点，其对应转差率为s。1、当电压下降过多，则电磁转矩下降更多，当最大电磁转矩T’’<T，则电动mL机就停转，定、转子电流急速增大，若无保护，则绕组会因过热而烧毁。2、2、电压下降，而T’>TL（曲线2），则稳定运行于b点，（不停转），但此时：Tmax减小：TmxU/Tst减小：Tst必U/i①W私减小：04.44fN1七1S增大：由于U1下降瞬间，Tem减小，导致转速下降I2增大:sEI=2I2增大:sEI=22"3+(sX2)2，正常运行时，Isx2<<r2,故2sE牝2r2I1增大：I2增大，F2增大，F1l=F2增大，故I1L增大；而U1下降，致使气、I0减小，但由于I1L增大幅度远大于I0减小程度，故I］仍为增大。n降低：电压u1下降，铁损减小，但此时I］、i2增大，定、转子铜损增大，其增加的幅度远大于铁损减小幅度，故效率下降。7-9漏抗的大小对异步电动机的运行性能，包括起动转矩、最大转矩、功率因数有何影响，为什么？T答：由：'mpU2r'2nf1(r+r')2+(x_+x')T答：由：'11212mpU2―[m1PU:]4兀fr+\，'r2+（x+x'mpU2知：起动转矩Tt1和1最大转矩T1随漏抗的增大而减小。漏抗增大，功率因数下降。因阻的成份（有功）不变，而漏抗（无功）增大所致。7-10通常的绕线式异步电动机如果：（1）转子电阻增加；（2）转子漏抗增加；（3）定子电压大小不变，而频率由50Hz变为60Hz，各对最大转矩和起动转矩有何影响？r'S=,2答：起动转矩T和最大转矩T见上题两式，m*r12+（x1+七）2，TOC\o"1-5"\h\ztsmax1、转子电阻r2增加，①T不变，因T与。无关，②在一定范围内（s<1），T随2maxmax2mstr2的增大而增大。因在此范围内，r2增大，转子电流虹减小，而转子功率因数cosu却增2222大，致使转子电流的有功分量12广12COsW2增大，故起动转矩增大2、转子漏抗x2增大，Tmax、Tst减小:见上题公式3、定子频率f1增大，T：：、T：减小:见上题公式7-11一台鼠笼异步电动机，原来转子是铜条，后因损坏改成铸铝，如输出同样功率，在通常情况下，s^、cos中1、n|、I、s、T、T有何变化？

N11Nmmaxst答：铝的电阻率比铜大，故转子由铜条改为铝条，实为增加转子绕组电阻r2，其Tem---s曲（2）cos^1不变，因转子电阻改变不影响电机从电网吸取的励磁功率，故无功功率不变，由于输出功率不变，则电机从电网吸取的有功功率基本不变，忽略电机损耗，所以cos^1答：铝的电阻率比铜大，故转子由铜条改为铝条，实为增加转子绕组电阻r2，其Tem---s曲（3）nN下降：由于转差率s增大，故转子铜损pcu2=sPem增加，I1稍有增大，故定子铜损也稍大，而铁损不变，机械损耗p因s增大n减小而稍有减小，但其减小幅度不及转子绕组铜损增大幅度，故总损耗增加：“效率降低。

（4）、有所增大：P2=、如疽I,C0S甲/N，因P2不变，*甲n不变，0N下降，故I1N有所增大。（5）sm增大，见图（因为smxr2’）(6)(7)T不变（因为TmaxTst增大，见图(6)(7)T不变（因为TmaxTst增大，见图max7-12一台50Hz380伏的异步电动机若运行于60Hz、380伏的电网上，设输出功率保持不变，问下列各量是增大还是减小:1）1）激磁电抗、激磁电流和电动机的功率因数;2）2）同步转速和额定电流时的电机转速；3）3）最大转矩和产生最大转矩时的转差率；4）4）起动转矩；5）5）电机效率。答：本题题意为频率增加：频率增加及输出功率不变的Tem---n曲线见图曲线1、2.（1）励磁电抗增大，励磁电流减小，功率因数增大，I.U0x；

m，因I0减小所导致。n=604（2）同步转速增大，七p；额定电流时转速增大，nN=（1—\）n1,工作点由a至b，n增加。（3）最大转矩下降，临界转差率减小，见7-9题式或图（4）起动转矩下降，见7-9题式或图（5）电动机效率升高。7-13增大异步电动机的气隙对空载电流、漏抗、最大转矩和起动转矩有何影响?答：气隙增大：（1）空载电流增大，当电源电压一定，①W104.44fN（1）空载电流增大，当电源电压一定，①W104.44fNK定，又由于0IN,Rm(N1定），气隙大，磁阻R大，

m故I0大。N2N2x=2兀fR，m，故漏抗减小。（2）、漏抗减小，因气隙大，漏磁路径增长，其磁阻增大，（3）、最大转矩、起动转矩减小，见题7-9式。7-14一台六极异步电动机，额定功率Pn=28千瓦，Un=380伏，f1=50Hz，nN=950转/分，额定负载时，cos中1=0.88，p1+pF=2.2千瓦，p=1.1千瓦，pd=0，计算在额定时的sN、Pcu2、n£】1和f2。cuemeca

解：磁极对数:60f60f同步转速:额定转差率:总机械功率:mec转子铜损:pcu2输入功率:mec效率:定子电流:1N60f60x503.1695060x50=1000r/min1000-950=0.05mec1000N-0.05-scu2+PmecFe1-解：磁极对数:60f60f同步转速:额定转差率:总机械功率:mec转子铜损:pcu2输入功率:mec效率:定子电流:1N60f60x503.1695060x50=1000r/min1000-950=0.05mec1000N-0.05-scu2+PmecFe1-0.05cu1100%=28100%32.83229.MWx29.1=1.532kW=28+1.1+1.532+2.2=32.832kW=85.3%32.832=56.68A\-3Ux380x0.88转子电动势频率：f2=sNf1=0.05x50=2.5HZ7-15一台4极异步电动机，额定功率Pn=5。5千瓦，f1=50Hz，在某运行情况下，自定子方面输入的功率为6.32千瓦，p1=341瓦，p2=237.5瓦，pF=167.5瓦，p=45瓦，pd=29瓦，试绘出该电机的功率流程图，U标明电磁功率、总机械功率和输出功率的大小，并计算在该运行情况下的效率、转差率、转速及空载转矩、输出转矩和电磁转矩。解:输出功率:P2P2=P1-(Pad+Pmec+Pcu2+PFe+Pcu1)=6.32—(0.029+0.045+0.2375+0.1675+0.341)=5.5kWP5.5门=f100%=100%=87.03%效率：P$32电磁功率:=5.8115kW=