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---υ0----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υ
0
基本相同，又由磁路欧姆定律知：
?0?I0N1Rm，其
I0∝Rm（匝数N1的影响远不及Rm），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 r1 x1 r2’ x2’ r1 x1 ... 。 'I1?I0I1st??I2st 。rm .U1U1 xm （a） (b)
r1 x1 r2’/sN x2’ .. .I2 I1 rm I0 。 U1
xm
（c） 起动时
'x1?x2?1?arctan'r1?r2' 由于x1?x2??r1?r2'，故? 1较大，
cos?1就较小。
空载时
?1?arctanx1?xmr1?rm 由于x1?xm??r1?rm，故? 1较大，
cos?1就较小。
r2''?jx2满载时：激磁支路阻抗rm+jxm 与转子支路阻抗sN 并联，又由于激磁阻抗远大于转子支路阻抗，
故可近似看成激磁支路开路。
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'x1?x2?1?arctanr2'r2''x1?x2?r1?r1?sN，故?s 由于
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cosψ2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，I1=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率，因此负载后，
r2'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=s f1 ；
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（Tem）与负载转矩(TL)平衡，当机械负载（即负载转矩）增加时，转
s?子转速n势必下降，转差率
n1?nn1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F0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？
答： 异步电动机定，转子间的电磁关系尤如变压器，定子电流I1也由空载电流I0和负载分量电流I1L两
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。..部分组成：
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I0）； 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）只能用转子电流流过虚拟的附加
1?s'r2电阻s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?s'r27-6 异步电动机等效电路中的附加电阻s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） 的一个虚拟电
'2I2阻，用转子电流在该电阻所消耗的功率
1?s'r2s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
Temr2'm1pUs??r2'2'2?2?f1?(r1?)?(x1?x2)?s??
21电磁转矩Tem与①电源参数：电源电压U1频率f1，②电机本身参数：相数m1、极对数p、定、转子漏阻抗r1、r2’、x1、x2’； ③运行参数：转差率s有关。
其中U1、f1及s是运行因素，m1、p、r1、r2’、x1、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Tmax、Tst、Φ1、I1、I2、s及η有何影响？
Tem 答：因为Tem?U1，而sm与U1无关, 因而电源电压下降后其
2Tem---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，Tem?TL，稳定运行于a点，其对应转差 率为sa。
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b a 1 2 3 Tm Tm’ TL Tm’’
s 1
sm sb sa 0
1、当电压下降过多，则电磁转矩下降更多, 当最大电磁转矩Tm’’
(曲线2)，则稳定运行于b 点， （不停转），但此时： Tmax减小：Tm∝U12 Tst减小：Tst∝U12
υ0减小：
?0?U14.44fN1Kw1
sE2r22?(sx2)2，正常运行时，sx2< S增大：由于U1下降瞬间，Tem减小，导致转速下降 I2s?I2增大： I2s?sE2r2 I1增大：I2增大，F2增大，F1L=F2增大，故I1L 增大；而U1下降，致使Φ0、I0减小，但由于I1L增大幅度远大于I0减小程度，故I1仍为增大。 η降低：电压U1下降，铁损减小，但此时I1、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？ m1pU12r2'Tst?'2'22?f(r?r)?(x?x11212)答： 由： ?? Tmax? 知：起动转矩Tst和最大转矩Tmax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？ '24?f1r1?r12?(x1?x2) ?m1pU12?sm?答：起动转矩Tts和最大转矩Tmax见上题两式， ''r2''2r12?(x1?x2)， 1、转子电阻r2增加，①Tmax不变，因Tmax与r2无关，②在一定范围内（sm<1），Tst随r2的增大而增大。因在此范围内，r2增大，转子电流I2’减小，而转子功率因数cosψ2却增大，致使转子电流的有功分 ''I?Icos?2增大，故起动转矩增大 2a2量 ''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，Tmax、Tst减小:见上题公式 49 ' 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，sN、 cos?1、η1、I1N、sm、Tmax、Tst 有何变化？ 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曲线如图曲线1。 Tem Tmax 1 2 b a S Sb Sa 0 1 Sm’ 输出同样功率（如额定功率）, 由P?T?得其曲线2. （1）sN增大，由图知，工作点由a（sa）变至b（sb）。 （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基本不变。 （3）η N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pmec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）I1N有所增大：P2?3U1NI1Ncos?N?N，因P2不变，cos?N不变，η（5）sm增大，见图（因为sm∝r2’） （6）Tmax不变（因为Tmax与r2无关） （7）Tst增大，见图 7-12 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） 激磁电抗、激磁电流和电动机的功率因数； Tem 2） 同步转速和额定电流时的电机转速； 3） 最大转矩和产生最大转矩时的转差率； 4） 起动转矩； 5） 电机效率。 2 1 答：本题题意为频率增加：频率增加及输出 a 功率不变的Tem---n曲线见图曲线1、2. b 50 'N下降，故I1N有所增大。 0 S na nb n