交流异步电动机的工作原理简介

在使用和讨论交流笼型电动机拖动生产机械起动、运行工作时，首先要查明电动机的机械性质与生产机械的特性相适应的情况。然而电动机起动、制动、停止过程中的工作情况和电动机转矩的变化特性不但与机械阻力有关，也和转速有关。因此，为正确设计选用电气传动产品，并得到经济、可靠运行，有必要知道这些特性。电动机起动过程中主要考虑机械特性和起动特性，下面依次介绍。

1.交流异步电动机的机械特性

图16-12 上海电科电器公司VRQ软起动器电路

a）主回路 b）控制回路

图16-13为交流异步电动机等效电路。其中U₁为定子相电压；I₁为定子相电流；I′₂为转子电流折算值；I_m为励磁电流；X₁为一次绕组漏电抗；X′₂为二次绕组漏电抗折算值；R₁为一次绕组电阻值；R′₂为二次绕组电阻折算值；s为转差率；X_m、R_m为励磁电抗和励磁电阻。

图16-13 异步电动机T型等效电路

电磁转矩的基本公式如下：

式中 T_e——电动机额定电磁转矩；

P_Ω——机械功率；

P_e——电磁功率；

ω——机械旋转角速度；

ω₁——同步旋转磁场角速度；

m₁——相数；

n——旋速；

n₁——同步转速。

以磁通表示的电磁转矩公式如下：

式中 k_ω1——绕组系数；

p——磁极对数；

C_m——常数。

I₂——转子电流

将式（16-4）代入式（16-2）中，得到

电动机的机械特性指的是电磁转矩与转速之间的关系曲线，如图16-14所示。

从图16-14可以看出，电动机机械特性可以分为两段：一段为1～s_m，这一段是电动机的起动过程，为不稳定工作区。另一段是s_m～s₀，这一段是电动机正常工作区域。图16-14是在电动机定子直接施加额定电压时的特性曲线，所以也称为固有机械特性曲线。

令dT/ds=0，求得

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图16-14 交流电动机机械特性

T_m—电动机临界转矩 n₀—电动机同步转速， s_m—电动机最大转矩时的转差率

将式（16-6）代入式（16-2）中，得

过载能力：最大转矩与额定转矩之比为

由式（16-7）可得出几个结论：①最大转矩与电网电压二次方成正比；②最大转矩与漏电抗成反比；③最大转矩的位置，即转差率的值由转子电阻值决定；④最大转矩的值与转子电阻值无关。

将起动条件s=1代入式（16-1）中，可以直接求得起动转矩为

式中，变量为R₂′，如果希望得到最大起动转矩，使dT_st/dR′2=0即可，即得，

由式（16-8）可以得到以下结论：①异步电动机的起动转矩与电网电压成正比；②起动转矩近似与漏电抗成反比。

由这些公式和结论可以计算电动机的起动转矩，为实现电动机的直接转矩控制提供了方法，也为电动机用软起动器起动提供了实现的可能。

2.交流异步电动机的起动特性

（1）对电动机起动要求 采用电动机拖动生产机械，对电动机起动的主要要求有：

1）有足够大的起动转矩，保证生产机械能正常起动。一般场合下，希望起动越快越好，以提高生产效率，即要求电动机的起动转矩大于负载转矩，否则电动机不能起动。

2）在满足起动转矩要求的前提下，起动电流越小越好。因为过大起动电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的。

3）要求起动平滑，即要求起动时加速平滑，以减小对生产机械的冲击。

4）起动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。

5）起动过程中的功率损耗越小越好。

其中前两条是衡量电动机起动性能的主要技术指标。

（2）异步电动机的起动特点

1）定子电流大。起动电流达到5～7倍的额定电流。异步电动机在接入电网起动的瞬时，由于转子处于静止状态，n=0、s=1，定子旋转磁场以最快的速度（即同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电动势和转子电流，与之平衡地引起很大定子电流。

2）起动转矩小。起动转矩达到0.8～1.5倍额定转矩。起动时s=1，转子功率因数很低，因而起动转矩T_st=K_mΦI_2stcosφ_2st不大。

忽略励磁电流，得到定子电流

由式（16-9）可以得到以下结论：①异步电动机的起动电流与定子电压成正比；②异步电动机的起动电流近似与转差率成正比。同时也可以绘出交流异步电动机电流与电动机转速的关系曲线n=f（i），如图16-15所示。

图16-15 交流异步电动机固有起动特性

根据式（16-9）可知，如不采用任何措施直接投入电网起动，会产生起动电流过大的问题。正常运行时，由于转差率s很小，所以转子等效阻抗就很大，因此限定了转子电流。

电动机投入电网后的最初阶段，围绕着某一正的平均值，电磁转矩有一个较大的由定子电流中瞬态直流分量所引起的50Hz振荡，然后振荡逐渐衰减。

对于对称三相电动机，虽然定子各相直流瞬态分量的大小与合闸的瞬间有关，但从总体来看，它们所形成的空间矢量的幅值与合闸瞬间无关。此振荡转矩的瞬时值，在短时内可能成为负值，并使转子转速在短时内产生微小的下降。到起动过程的中、后期，对于中、小型异步电动机，动态的转矩-转差率曲线与稳态曲线重合，转速将逐步平稳到达稳态运行点。