交流三相异步电动机的主要性能分析

异步电机是利用电磁感应原理而工作的，即通过定子的三相电流产生的旋转磁场，与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩从而进行能量转换。在正常情况下，异步电机的转子转速n总是略低于或略高于旋转磁场的同步转速n_s。旋转磁场的转速与转子转速之差称为转差Δn，转差Δn与同步转速n_s的比值称为转差率，用s表示。转差率是表征异步电动机运行状态的基本变量，公式为

s=（n_s-n）/n （3-7）

当异步电机的负载发生变化时，转子的转差率也随之改变，使转子导体中的电动势、电流和电磁转矩发生相应的变化。按照转差率的正负和大小，异步电机分为电动机、发电机和电磁制动三种状态，如图3-39所示。

图3-39 异步电机的三种运行状态

当转子转速高于旋转磁场转速时，电磁转矩为制动性质的转矩，原动机的驱动转矩必须克服制动的电磁转矩，此时转子从原动机输入机械功率，通过电磁感应由定子输出电功率，电机处于发电机状态；当转子转速低于旋转磁场转速时，转子导体中有电流通过，转子感应电流与气隙磁场相互作用，产生与转子转向相同的驱动性质的电磁转矩，此时电机从电网输入功率，电机处于电动机状态；若由机械或其他因素使转子逆着旋转磁场的方向旋转，对转子而言电磁转矩表现为制动转矩，此时电机处于电磁制动状态，电机既从外界输入机械功率，还从电网中吸收电功率，两者都变成电机内部的损耗被消耗掉。

旋转磁场的转速n_s与供电电源的频率f和电机的极对数p的关系为

n_s=60f/p （r/min） （3-8）

电动机空载运行时，电动机的转速n₀非常接近同步转速，即s≈0，由于旋转磁场“切割”转子导体的相对速度接近于零，转子电流很小，可近似认为转子电流为零，此时定子磁动势F基本上就是产生气隙主磁场B_m的励磁磁动势。气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通Φ_m将在定子绕组中感应出电动势E₁。

E₁=4.44f₁N₁K_W1Φ_m （3-9）

式中，f₁表示定子绕组的供电频率；N₁表示定子绕组匝数；K_W1表示定子绕组因数。

电动机负载运行时，电动机转速从空载转速n₀下降至转速n，与此同时，定子电流将增大，转子绕组也会产生与定子绕组所产生磁场同方向的旋转磁动势F₂，定子绕组磁场以相对转速Δn=n_s-n=sn_s切割转子绕组磁场，此时转子感应电动势F₂和电流的频率f₂=sf₁。无论转子的实际转速是多大，定子磁动势F₁和转子磁动势F₂在空间中的转速总是等于同步转速n_s，由于F₁和F₂始终保持相对静止，所以异步电机在任何异步转速下均能产生恒定电磁转矩并能实现能量转换。

负载时异步电机的转子磁动势的基波对气隙磁场的影响，称为转子反应。转子反应有两个作用，一个是使气隙磁场的大小和相位发生变化，从而引起定子感应电动势E₁和电子电流I₁发生变化，定子电流I₁中除激励分量I_m外，还将出现补偿转子磁动势的负载分量I_1L。由于负载分量I_1L的出现，异步电机将从电源吸取一定的电功率。转子反应的另一个作用是与主磁场相互作用产生需要的电磁转矩以带动轴上的机械负载。这两个作用综合在一起，体现了电机的电磁感应作用和机电能量转换的机理。

异步电动机从电源侧输入电功率P₁，一部分消耗为定子绕组的铜耗p_Cu1，另一部分消耗为定子铁心铁耗p_Fe，余下的功率从定子通过气隙传递到转子，该功率称为电磁功率P_e，电磁功率表达式为

P₁=p_Cu1+p_Fe+P_e （3-10）

式中，P₁=m₁U₁I₁cosφ₁；p_Cu1=m₁I²₁R₁；p_Fe=m₁I²_mR_m；其中，m₁为相数；U₁为相电压；I₁为相电流；cosφ₁为定子功率因数。

转子磁通频率为1～3Hz，所以转子铁耗忽略不计。电磁功率P_e扣除转子铜耗p_Cu2后，可得转换为机械能的总机械功率P_Ω。其中，p_Cu2=sP_e，P_Ω=（1-s）P_e。(www.xing528.com)

总机械功率P_Ω扣除机械损耗p_Ω和杂散损耗P_Δ，可得转子轴上输出的机械功率P₂。总机械功率与机械损耗、杂散损耗、输出机械功率的关系为

P_Ω=p_Ω+P_Δ+P₂ （3-11）

式（3-11）是异步电动机转子的输出功率方程，将此式除以机械角速度Ω可得到转子的转矩方程，即

T_e=T₀+T₂ （3-12）

式中，T_e=P_Ω/Ω，T_e为电磁转矩；T₀=（P_Δ+P₂）/Ω，T₀为阻力转矩；T₂=P₂/Ω，T₂为电动机输出转矩。

三相异步电动机的主要参数为额定电压U_n、额定电流I_n、额定功率因数cosφ、额定转矩T_n、额定转速n_n、额定效率η_n、堵转转矩T_k、堵转电流I_k、最大转矩T_max、最小转矩T_min等。

因为机械角速度Ω为转速的2π倍，所以额定转矩T_n与额定转速n_n的关系为

T_n=P_n/（2πn_n/60）=9.549P_n/n_n （3-13）

式中，n_n单位为r/min。

三相异步电动机的参数由电动机的空载试验、堵转试验、负载试验和转矩-转速曲线的测定试验等来确定。三相异步电动机的工作特性包括转速特性、定子电流特性、功率因数特性、转矩特性和效率特性等。转矩-转速曲线如图3-40所示。需要说明的是，转矩T∝U²₁R₂。增大定子电压U₁和转子电阻R₂将明显增大电动机的起动转矩、最小转矩、最大转矩和额定转矩。

图3-40 转矩-转速曲线

笼型转子三相异步电动机的起动方式有“直接起动”和“减压起动”两种方式。一般笼型电动机的起动电流倍数I_st/I_n=5～7，起动转矩倍数T_st/T_n=1～2。直接起动方式的优点是操作方便，缺点是起动电流大，对电网的冲击大；减压起动方式能减少起动电流，因为转矩与定子电压U²₁成正比，起动转矩将会发生较大程度的减少，故该方法只适合对起动转矩要求不高的场合。常用的减压起动方法有星三角起动法和自耦变压器起动法。

三相异步电动机的转速n公式为

n=n_s（1-s）=60（1-s）f₁/p （3-14）

从式（3-14）中可知，可通过改变定子绕组极对数p、电动机的转差率s或电源频率f₁三种方法来实现电动机的调速。变极调速主要是改变绕组的接线方法，使一套定子绕组具有两种或多种极对数，从而可以改变旋转磁场的同步转速，达到转子调速的目的。通过改变电动机的端电压和绕线转子异步电动机转子串电阻的方法可改变电动机的转差率，从而实现电动机的调速。变频调速有“恒转矩”和“恒功率”两种调速方法。如果忽略定子漏阻抗的影响，定子电压U₁≈E₁=4.44f₁N₁K_W1Φ_m，要保持气隙磁通量Φ_m基本不变，最大转矩T_max亦保持不变，此时U₁/f₁=常数，此种调速方案为恒转矩调速；如果调速前后保持输出功率不变，则T_ef₁=常数，此时若要保持同样的过载能力，则，此种调速方案为恒功率调速。