1、2 三相異步電動機(jī)原理分析2.1 異步電動機(jī)的損耗分析異步電動機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的各種損耗，根據(jù)GB755電機(jī)基本技術(shù)要求中規(guī)定，將異步電動機(jī)損耗劃分為恒定損耗、負(fù)載損耗及雜散損耗。2.1.1 恒定損耗 恒定損耗是指異步電動機(jī)運(yùn)行時固有損耗， 它與電動機(jī)材料、 制造工藝、 結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關(guān)，而與負(fù)載大小無關(guān)。恒定損耗包括鐵心損耗（含空載 雜散損耗）及機(jī)械損耗。（ 1）鐵心損耗鐵心損耗 PFe （含空載雜散損耗 ）亦稱鐵耗，指主磁場在電動機(jī)鐵心中交變所 引起的渦流損耗和磁滯損耗。 異步電動機(jī)在正常運(yùn)行時， 轉(zhuǎn)差率很小， 轉(zhuǎn)子鐵心 中磁通變化的頻率很小，一般僅為每秒 13周，故異步電動機(jī)鐵耗

2、主要為定子 鐵心損耗。鐵耗大小取決于組成電動機(jī)的鐵心材料性能、 頻率及磁通密度， 包括磁滯損 失和渦流損失，它是鐵芯在磁場中受交變磁化作用產(chǎn)生的。PFe kf1.3B2式中，k為常數(shù)；f 為電源頻率；B 為磁通密度；由于 BE1 U 1式中， 為磁通量；Ei為定子繞組的感應(yīng)電動勢；Ui為定子繞組的相電壓。空載雜散損耗 Ps 。是指空載電流通過定子繞組的漏磁通在定子機(jī)座、端蓋 等金屬中產(chǎn)生的損耗， 一般空載電流近似不變， 因此這些損耗也是恒定的。 鐵耗 一般占異步電動機(jī)總損耗的 2025。（2）機(jī)械損耗機(jī)械損耗p通常包括通風(fēng)系統(tǒng)損耗P及軸承摩擦損耗Pt ,繞線式轉(zhuǎn)子還有 電刷摩擦損耗。通風(fēng)系統(tǒng)的

3、風(fēng)摩損耗主要為產(chǎn)生冷卻電機(jī)的氣流所需的風(fēng)扇總功率。P 9.81-HV kV3式中，H為風(fēng)扇有效壓力;V為氣體流量；為風(fēng)扇效率。可見，合理的選用冷卻風(fēng)扇所用材料及合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)等可降低通風(fēng)系統(tǒng)損 耗。軸承摩擦損耗主要與軸承型號，裝配水平，潤滑脂有關(guān)。對于滾動軸承，軸承摩擦損耗一般形式為:Pt 9.81G s式中，G為軸承承受的負(fù)荷;為軸徑線速度;為摩擦系數(shù)機(jī)械損耗一般占總損耗的10% 50%,電動機(jī)容量越大，由于通風(fēng)損耗變大, 在總損耗中比重也增大。2.1.2負(fù)載損耗負(fù)載損耗主要是指電動機(jī)運(yùn)行時，定子、轉(zhuǎn)子繞組通過電流而引起的損耗，亦稱銅損。銅損失包括定子銅損失 PCu1和轉(zhuǎn)子銅損失凡Fcu2。

4、它們是由定子電流和轉(zhuǎn)子電流流過定子、轉(zhuǎn)子繞組而產(chǎn)生的2Pcu1 3Ii Ri式中，R1為定子每相電阻；I1為定子每相電流；PCu2 SPe式中，S為轉(zhuǎn)差率；Pe為電磁功率。2.1.3雜散損耗電動機(jī)的雜散損失包括鐵雜損失和銅雜損失。鐵雜損失由于齒磁通在轉(zhuǎn) 子旋轉(zhuǎn)時發(fā)生脈動而產(chǎn)生的，通常稱為脈動損失或表面損失。近似認(rèn)為鐵雜 損失與外加電壓的平方成正比。銅雜損失是由于高次諧波磁勢的影響產(chǎn)生的。 近似認(rèn)為銅雜損失與電流的平方成正比，隨負(fù)載的變化而變化。雜散損失部分取決于電壓，部分取決于電流。對于感應(yīng)電動機(jī)來說，銅 雜損失是主要的，約占電動機(jī)雜散損耗的 70%90%.感應(yīng)電動機(jī)雜散損失在總損失中占的比例

5、很小。在小型鑄鋁轉(zhuǎn)子籠型感應(yīng)電動機(jī)中，滿載下雜散損失可達(dá)輸出功率的1%3%，在大型的感應(yīng)電動機(jī)中，雜散損失一般為輸出功率的5%。2.1.4總損失（P ）圖1-1感應(yīng)電動機(jī)的功率圖圖中，R為輸入功率；P為機(jī)械功率;P2為輸出功率。電動機(jī)的總損失 P由定子銅損失Pcu1、轉(zhuǎn)子銅損失Pcu2、鐵損失PFe、機(jī)械損失Pfw和雜散損失Ps組成。即：PPCu1PCu2PFePfwPS2.2 /Y轉(zhuǎn)換的工作特性轉(zhuǎn)換丫后是否節(jié)能的核心問題是施加到定子每相繞組上的電壓u，降為接時的1/ 3，使得電動機(jī)的鐵損PFe、降低為接時的1/3,同時電動機(jī) 的定子銅損與轉(zhuǎn)子銅損根據(jù)負(fù)載變化而變化。所以電動機(jī)總的損耗是增加還

6、 是減少，則需根據(jù)負(fù)載而定。電動機(jī)的工作特性，是指在電網(wǎng)電壓 U =380V,頻率f =50Hz時，電動機(jī)在接和丫接兩種狀態(tài)下定子電流Ii、功率因數(shù)COS，效率 與負(fù)載率 的關(guān)系。其中：P2/ Pn1.6式中的Pn為額定功率。下面對 /Y轉(zhuǎn)換時各項(xiàng)關(guān)系分別進(jìn)行分析。2.2.111與關(guān)系分析三相交流異步電動機(jī)的定子一相等效電路如下圖所示：圖1-2三相交流異步電動機(jī)的定子一相等效電路圖中，X1為定子每相繞組的電抗；R2為轉(zhuǎn)子相電阻的折算值；X2為轉(zhuǎn)子相電抗的折算值；Rm為激磁電阻；Xm為激磁電抗；丨2為轉(zhuǎn)子電流的折算值；-為激磁電流。當(dāng)電動機(jī)空載時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率S0, R2/S

7、fK, 轉(zhuǎn)子相當(dāng)于開路。此時轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流基本上是激磁電流。即:1 m 1 0I 11 01 2式中，Io為定子空載電流。式1.8可表示為圖1-3的矢量圖。分析電動機(jī)由接轉(zhuǎn)換為丫接運(yùn)行時，定子電流Ii，隨負(fù)載的變化情況， 則需分析定子空載電流Io和轉(zhuǎn)子折算電流丨2隨負(fù)載變化的情況。空載電流Io一方面，電動機(jī)的電勢平衡條件為：Ui Ei Ii(Ri jXJ1.9因?yàn)镽i、Xi很小，故可以認(rèn)為，當(dāng)電動機(jī)由接轉(zhuǎn)換為 丫接運(yùn)行時， 定子每相繞組上感應(yīng)的主電勢 Ei將近似地隨Ui的降低而降為接時的 1/ 3。由：E14.44 fw1kc m1.10式中，Wi為定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù)；kc為繞

8、組系數(shù)；m為定子繞組 回路的磁通最大值。可見，對于某一在用的電動機(jī)， 丫接時的m也將近似的降為接時的1/.3。一般說來，設(shè)計(jì)電動機(jī)時選取B值在磁化曲線的拐角處，因而，當(dāng)電 動機(jī)由接轉(zhuǎn)換為丫接運(yùn)行時，定子每相繞組的空載相電流將降為接時的 1/ .3還要低一些。綜上所述，當(dāng)電動機(jī)由接轉(zhuǎn)換為丫接運(yùn)行時，空載線電流將降為接 時的1/3。轉(zhuǎn)子折算電流12由電動機(jī)的近似等效電路得：I2 Uj 1.11(Ri R2)2 (X1 X2)2由式1.11可見，電動機(jī)由接轉(zhuǎn)換為丫接時，一方面U1的降低會使丨2減小，另一方面S的增大會使I?增大。一般說來，負(fù)載很輕時，丨2是降低的；隨著負(fù)載的增大，S明顯增大，I2呈上

9、升趨勢。根據(jù)上述內(nèi)容，定子電流I1與B的關(guān)系分析如下:1009080706030403020/rA/A/L/rV10L1 一 一.人02040 6U100圖1-4 接和丫接狀態(tài)下h /I n與 的關(guān)系曲線圖1-4為電動機(jī)在丫接時以及接時的I1與 關(guān)系曲線。電動機(jī)在空載情況下，丫接時的空載線電流近似等于接時的1/3。輕載時，由于Io起主要作用，同時I 2尚未增加或增加不大，這就使得丫接時的I 1明顯低于接時的Il當(dāng)負(fù)載增大到一定程度(大約 70%)時，由于電動機(jī)依靠增大轉(zhuǎn)差率S 來提高電磁轉(zhuǎn)矩以達(dá)到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，導(dǎo)致 12隨著S的增大值超 過了空載電流Io的減少值，使得Y接時的Ii大于

10、接時的Ii。2.2.2 COS與關(guān)系分析電動機(jī)的功率因數(shù)與其端電壓及負(fù)載率之間存在如下關(guān)系 ：COS ncos 13(Ki Ku)2(1/21)(3 Ku)21.12式中，Ku為電動機(jī)的調(diào)壓系數(shù)，Ku U,Un( Un和分別為電動機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行時的實(shí)際電壓)；電動機(jī)在丫接時，Ku 1/ 3Ki為電動機(jī)的空載電流系數(shù)。K1 Io/In1.13式中，Io為電動機(jī)的空載電流；In為電動機(jī)的額定電流 特定的電動機(jī)，其空載電流系數(shù) K1為定值。圖1-5為電動機(jī)在接和丫接狀態(tài)下COS與 的關(guān)系曲線，由圖可知, Y接的COS 要高于接的COS。223 /Y轉(zhuǎn)換時與關(guān)系分析電動機(jī)的效率與其端電壓及轉(zhuǎn)差率

11、之間存在如下關(guān)系SNCOS nKU s cos1.14式中，Sn為電動機(jī)額定工況時的轉(zhuǎn)差率S為電動機(jī)降壓運(yùn)行時的轉(zhuǎn)差率；N為電動機(jī)額定工況時的效率；為電動機(jī)降壓運(yùn)行時的效率。考慮到轉(zhuǎn)差率與功率因數(shù)隨負(fù)載的變化， 得出電動機(jī)在接和丫接狀態(tài)下n與B的關(guān)系曲線如圖1-6所示。由關(guān)系曲線分析可知：當(dāng) 40%時，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與端電壓平方成正比，一丫切換后電動機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之下降而小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)只有依靠增大轉(zhuǎn)差率，提高電 磁轉(zhuǎn)矩以達(dá)到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)。由于此時轉(zhuǎn)差率增大，導(dǎo)致2隨著 S的增大值超過了空載電流I0的減少值，定子電流隨之增大，從而使定子銅 損PCu1和轉(zhuǎn)子銅損PCu2的增大值超過鐵損

12、PFe的下降值，致使電動機(jī)的效率 下降。2.3異步電動機(jī)的功率關(guān)系當(dāng)異步電動機(jī)以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定運(yùn)行時，輸入功率為P ；P 3U1I1 cos 1式中：U1定子相電壓;I1定子相電流； cos 1定子邊功率因數(shù) 定子銅損耗為：Pcu1 31 1 R1式中：R定子相電阻正常運(yùn)行情況下的異步電動機(jī)，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，氣隙旋轉(zhuǎn)磁 場與轉(zhuǎn)子鐵心的相對轉(zhuǎn)速很小，故磁滯損耗小。轉(zhuǎn)子鐵心和定予鐵心同樣是用 O. 5m厚的硅鋼片（大、中型異步電動機(jī)還涂漆）疊壓而成，故渦流損耗也不大。 因此轉(zhuǎn)子鐵損耗很小，所以電動機(jī)的鐵損耗主要為定子鐵損耗，即：PFe PFe1 3 mRm式中：PFe電動機(jī)鐵損；PFel定

13、子鐵損；Im勵磁電流;Rm勵磁電阻進(jìn)行頻率規(guī)算和繞組規(guī)算后，得到異步電動機(jī)的 T型等效T電路，如圖2. 1所 示：圖2 . 1交流異步電動機(jī) T型等效電路圖從等效電路可見，異步電動機(jī)從電源輸入的電功率 Pi，其中一小部分將消耗于定子繞組的電阻而變成銅耗Pcui，一小部分將消耗于定子鐵心變?yōu)殍F耗 PFe，余下 的大部分功率將借助于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的作用，從定予通過氣隙傳送到轉(zhuǎn)子，這部 分功率稱為電磁功率，用P表示。寫成方程有：Fe R PCu1 PFe電磁功率也可以表示為：R m1E112 cos 2 mJ 22 氏其中，cos 2為轉(zhuǎn)子的內(nèi)功率因數(shù),引 22R2arctanX2R2s轉(zhuǎn)子銅損耗Pc

14、u為：如前所述，轉(zhuǎn)子鐵耗一般可以略去不計(jì)，因此，從傳到轉(zhuǎn)子的電磁功率Pe中扣除轉(zhuǎn)子銅損FCu2后，可得轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的總機(jī)械功率(即轉(zhuǎn)換功率)P，即:P Pe PCu2 mjj JR2s用電磁功率表示時，上式亦可改寫成，氐2 sPP (1 S)P上式說明：傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率 Pe中，s部分變?yōu)檗D(zhuǎn)子銅耗，(1 一s)部 分轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率。由于轉(zhuǎn)子銅耗等于 SP，所以它亦稱為轉(zhuǎn)差功率。從P中再扣除轉(zhuǎn)子的機(jī)械損耗P和雜散損耗P，可得轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械 功率P2，即:P2 P (P P )異步電動機(jī)功率流程圖如圖所示Px厲尻圖異步電動機(jī)功率流程圖從以上功率關(guān)系定量分析中看出，異步電動機(jī)運(yùn)行時電磁功率、

15、損耗和機(jī)械功率 三者之間的定量關(guān)系是：R : Pcu2 : P 1: s: (1 s)上式說明，若電磁功率一定，轉(zhuǎn)差率s越小，轉(zhuǎn)子回路銅損耗越小，機(jī)械功 率越大。2.4異步電動機(jī)輸入電壓、電流之間的關(guān)系當(dāng)異步電動機(jī)以某一轉(zhuǎn)速nx ,給定頻率為fx)拖動某一負(fù)載t時，定子電壓Ui 的大小對定子電流I1的影響，即I1 f (U1) 首先假定：(1) 異步電動機(jī)的給定頻率fx不變；(2) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl不變。2.4.1 Te恒定的充要條件Te CT m12 COS 2式中，Ct轉(zhuǎn)矩常熟，且CTpm2N2 kw2 0上式說明，電磁轉(zhuǎn)矩與氣息主磁通m和轉(zhuǎn)子電流有功分量I 2 COS 2成正比。如忽略COS

16、 2的微小變化不計(jì)，則保持T COSSt的充分和必要條件是：ml 2 constm由勵磁電流Im產(chǎn)生，可以粗略的認(rèn)為，只要m小于鐵心飽和點(diǎn)時的磁通mA， m的增大或減小，將同時引起Im和丨2的變化，從而也必將影響J的大小。242磁通m與電流I2、丨0和I1的關(guān)系分析(1) m對丨2的影響設(shè)a為磁通變化系數(shù)，則有：m a mA磁通的變化量m為:m a mA mAmA1)由式推得，這時I2為:I 2Aa式中：i2A是mA時轉(zhuǎn)子電流。由轉(zhuǎn)子電流I 2得變化量 J為:I212A |1 21 aI2-a一般認(rèn)為，m是和Im成正比的，所以Im 3 I 0A變化量：I mI0A(a1)(2)m對Im的影響式中：lA是 mmA 時勵磁電流當(dāng)鐵心飽和后，當(dāng) m增加 m時，Im的變化量 5將是很大的(3)m對Il的影響m減小(mmA)，這時，3 1，鐵心沒有飽和。由式和式可知I2的增大的比例比 m和Io減小的比例大。此外，Im通常只有定子額定電流IlN的10%20%左右，比12小的多，所以I2Io由式Ii I2 Im，Ii也將增加。(4) Ii f(Uj