三相异步电动机空载运行优化探究

【学习任务】（1）正确理解三相异步电动机空载运行时的电磁关系。

（2）正确写出三相异步电动机空载运行时的电动势平衡方程。

（3）正确画出三相异步电动机空载运行时的等效电路。

任务手册6：异步电动机的运行管理

微课6.1：三相异步电动机的空载运行

1.空载运行时的电磁关系

三相异步电动机定子绕组接对称的三相交流电源，转轴上不带机械负载时的运行，称为空载运行。为了便于分析，根据磁通经过的路径和性质的不同，异步电动机的磁通可分为主磁通和漏磁通两大类。

1）主磁通

当三相异步电动机定子绕组通入三相对称交流电流时，将产生旋转磁动势，该磁动势产生的磁通绝大部分穿过气隙，并同时交链定、转子绕组，这部分磁通称为主磁通，用Φ0表示。其路径为：定子铁芯→气隙→转子铁芯→气隙→定子铁芯，构成闭合磁路，如图6－1（a）所示。

主磁通同时交链定、转子绕组并在其中分别产生感应电动势。转子绕组为三相或多相对称短路绕组，在电动势的作用下，转子绕组中有感应电流通过。转子电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，实现异步电动机的机—电能量转换，即将电能转化为机械能从电动机轴上输出，从而带动机械负载做功，因此，主磁通是能量转换的媒介。

2）漏磁通

除主磁通外的磁通称为漏磁通，用Φ1σ表示，包括定、转子绕组的槽部漏磁通和端部漏磁通，如图6－1（a）和图6－1（b）所示。

图6－1　主磁通与漏磁通

（a）主磁通和槽漏磁通；（b）端部漏磁通

漏磁通沿磁阻很大的空气隙形成闭合回路，空气中的磁阻较大，所以它比主磁通小很多。漏磁通仅在定子绕组上产生漏磁电动势，因此不能起能量转换的媒介作用，只起电抗压降的作用。

3）空载电流和空载磁动势

异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流，用表示。当异步电动机空载运行时，定子三相绕组有空载电流通过，三相空载电流将产生一个旋转磁动势，称为空载磁动势，用表示，其基波幅值为

式中　m1——定子绕组相数；

N1——定子绕组匝数；

KW1——定子绕组系数；

p——电动机极对数。

异步电动机空载运行时，由于轴上不带机械负载，因而其转速很高，接近同步转速，即n≈n1，s很小。此时定子旋转磁场与转子之间的相对速度几乎为零，于是转子感应电动势E2≈0，转子电流I2≈0。

与变压器的分析类似，空载电流由两部分组成，一部分是专门用来产生主磁通Φ0的无功分量，另一部分是用于补偿铁芯损耗的有功分量，即

4）电磁关系

由以上分析可以得出空载运行时异步电动机的电磁关系如下：

2.空载运行时的电动势平衡方程

1）主、漏磁通感应的电动势

异步电动机主磁通在绕组中感应的电动势与变压器类似，只是多了一个绕组系数

式中　f1——电源频率；

N1——定子绕组匝数；

KW1——定子绕组系数。

漏磁通在定子绕组中感应的漏磁电动势可用漏抗压降的形式表示为

式中　x1——定子漏电抗，与定子漏磁通对应的漏电抗。

2）空载时的电动势平衡方程

式中　Z1——定子绕组的漏阻抗，Z1＝r1＋jx1。

3）空载时的等效电路

与变压器的分析方法相似，可写出空载时的主磁通感应电动势的数学表达式为

式中　Zm——励磁阻抗，Zm＝rm＋jxm；

rm——励磁电阻，是反映铁芯损耗的等效电阻；

xm——励磁电抗，与主磁通Φ0相对应。

于是电压方程可改写为

因为E1≫Z1I0，故可近似地认为(www.xing528.com)

由定子侧电动势平衡方程可作出异步电动机的等效电路，如图6－2所示。上述分析结果表明，异步电动机空载时的物理现象和定子侧电动势平衡关系式与变压器十分相似。但是在变压器中不存在机械损耗，主磁通所经过的磁路气隙也很小，因此变压器的空载电流很小，仅为额定电流的2%～8%；而异步电动机的空载电流则较大，在小型异步电动机中，I0甚至可达额定电流的60%。

图6－2　异步电动机空载时的等效电路

自测题

答案6.1

一、填空题

1.异步电动机空载磁动势的基波幅值为__________。

2.与变压器的类似，异步电动机的空载电流由两部分组成，一部分是__________，另一部分是________。

3.异步电动机的空载电流较大，在小型异步电动机中可达额定电流的________。

4.异步电动机空载运行时，由于轴上不带机械负载，故转速很高，接近________。

5.三相异步电动机空载运行时，气隙磁通的大小主要取决于__________。

二、选择题

1.三相异步电动机能画出像变压器那样的等效电路是由于（　　）。

A.它们的定子或原边电流都滞后于电源电压

B.气隙磁场在定、转子或主磁通在原、副边都感应电动势

C.它们都有主磁通和漏磁通

D.它们都由电网取得励磁电流

2.三相异步电动机的空载电流比同容量变压器大的原因是（　　）。

A.异步电动机是旋转的　B.异步电动机的损耗大

C.异步电动机有气隙　D.异步电动机有漏抗

3.三相异步电动机的转速越高，则其转差率绝对值越（　　）。

A.小　B.大　C.不变　D.不一定

4.三相异步电动机的同步转速与电源频率f磁极对数p的关系是（　　）。

A.n1＝60f/p　B.n1＝60p/f　C.n1＝pf/60　D.n1＝p/60f

5.三相对称电流加在三相异步电动机的定子端，将会产生（　　）。

A.静止磁场　B.脉动磁场

C.旋转圆形磁场　D.旋转椭圆形磁场

6.计算异步电动机转差率s的公式是s＝（n1－n）/n1，其中n1表示（　　）

A.同步转速　B.转子空载转速　C.定子转速　D.转子负载转速

三、判断题

1.电机是可逆的，既可用作发电机，也可用作电动机。（　　）

2.三相交流电动机中电枢与直流电动机中一样指的是定子。（　　）

3.三相交流异步电动机中电枢指的是定子。（　　）

4.三相交流异步电动机中电枢与直流电动机中一样指的是转子。（　　）

5.三相异步电动机转子的转速越低，转差率越大，转子电动势的频率越高。（　　）

6.三相异步电动机中当转子不动时，转子绕组电流的频率与定子电流的频率相同。（　　）

四、简答题

1.三相异步电动机中，主磁通与漏磁通的性质和作用有什么不同？

2.为什么相同容量的三相异步电动机的空载电流比变压器的大很多？

3.三相异步电动机空载运行时，电动机的功率因数为什么很低？

4.异步电动机中的空气隙为什么做得很小？