第十一章 单相异步电动机及异步电机的其它运行方式目录第一节 三相异步电动机在不对称电压下运行1第二节 单相异步电动机6第三节 异步发电机12第四节 异步电机的制动运行14小 结17思考题17习 题18第一节 三相异步电动机在不对称电压下运行在实际运行中，三相异步电动机有时会遇到供电电源三相电压不对称的情况，这会给电机的 正常运行带来影响。本节讨论三相电压不对称，而电机定子、转子绕组为对称时，三相异步 电动机的运行性能。一、不对称运行的分析方法应用对称分量法是分析不对称问题十分方便而有效的方法。它是一个线性变换，把不对称三 相电压分解为正序分量、负序分量和零序分量，分别计算各序系统的电流和转矩。基本分析 方法与变压器的不对称运行分析类同，但是不同相序电流流经旋转的电机和静止的变压器有 不同的影响，其等效电路的参数不同。正序电压1+作用于定子绕组，便流过正序电流厶+,建立正向旋转磁场，产生正向转矩兀, 拖动转子与它同方向旋转，设转子转速为，则正序转差率111)负序电压1-作用于定子绕组，便流过负序电流建立负向旋转磁场，它与转子旋转方向相反，负序转差率三相异步电机一般不接中线，则无零序电压，所以定子绕组也无零序电流。正序和负序等效电路如图11 1所示。由于卩“-，故这是与变压器根本不同之处。正序阻抗厲+兀）+ 二乜 +A+仇+九）+负序阻抗厲+九）= / +A +仇+凡）+X总丿0+严；、2_ 丿7:V严； 、2_总丿一(11-3)圄111异步电机正序与负序等翹电路（a）正序；（b）负序当外施三相不对称电压丄为已知，则可求出电压的正序分量1+和负序分量由此，求得正、负序定子电流(11-4)三相定子电流rA -厶+ + 1-仏=a2/1+ + aiT_ *| 115)c mi+ +i3正、负序转子电流，按式（9-43）得正、负序电磁功率正、负序电磁转矩11-8)由负序电流产生的转矩与正序电流产生的转矩方向相反，起制动作用。合成转矩11-9 )不对称电压下三相异步电动机的曲线如图11 2所示图11-2电压不对称时异步电动机的曲线、电压不对称对电机运行的影响电动机运行时由于曰很小，因而沁，于是J仏，则11-10 )式中6额定电压下起动电流，s由此可见，即使很小的负序电压，也会产生较大的负序电流。例如1- = 0 05,那么A- = 0.05ZJf = 0.05(5 皿=(0.25 0.35)/由式(11-5)可见，三相电流为正序电流和负序电流叠加，其结果会使其中某一相或二相电流很大，铜耗增大，效率降低，发热严重，长期过电流运行，绝缘将遭受损坏。由式(11-9)可见，由于负序转矩的存在，使合成转矩小于正序转矩，导致电机的最大转矩 和过载能力下降，起动转矩减小。因此三相异步电动机不允许长期在严重不对称电压下运行。【例11 1】设有一三相异步电动机,4极居，丸0卩，星形连接，额定转速1470 Aim ?G =略去励磁电流。设双倍频率时，由于集肤 效应转子绕组电阻将增加2啊，试求: (1)额定时电磁转矩和定子电流(2)外电路有一相断线，设负载转矩保持不变，电机的转速和定子电流图11-3三相异步电动机一相断路S =竿=220()解：(1)每相电压s = -. = 1500-1470 = O2额定转差率 叫1500电磁转矩0.05023x 2 2202x50tt+（0.2+ 0.2）(2)如图11 3所示，说相断线，列端点方程分解为对称分量，得打=o 1(11 12)流入 b 相电流分量1113) 肿+妇z-肿+-打z=a1 -a)lL+(Z+ +Z(11 14)1115)又电磁转矩由式( 11 12)，( 11 13)求得1116)代入数据3802 x343 =2ttx50X70.051.2x0.052 s+(2 x 0.2 + 2 x 0.2)用试探法求得：s= 0 0252=(1_S)2Z = (1-0.0252)60 50 = 1462(r/mm转速 定子电流。代入式(1115)得+(2x0.2 + 2x0.2)2xQ.065 + + 12X0050.02522- 0.0252J=166（.4）由此可见，正在运行的三相异步电动机，一相电源断电，将使转速有所下降，未断相电流急 剧增大（算例中大近一倍），如未能及时发现，绕组将会过热而烧毁，实际上，三相异步电 动机的损坏，不少是由此造成的。第二节 单相异步电动机单相异步电动机是用单相交流电源供电，在只有单相交流电源的场所应用非常广泛，如家用 电器、医疗器械，电动工具等。通常单相异步电机定子上有两相绕组，一为主绕组聊（或 称工作绕组），一为辅助绕组说（或称起动绕组），两绕组在空间有相位差，一般为90 电角度。转子为结构简单的笼型绕组，结构示意图如图114 所示。图11-4单相异歩电动机幅）结构示育国；基本接竝團单相异步电动机与三相异步电动机主要不同在于：三相异步电动机的定、转子绕组，以及三相绕组的电压、电流一般都是对称的，工作时气隙磁场是圆形旋转磁场，而单相异步电动机 的绕组以及绕组的电压，电流一般是不对称的，工作时气隙磁场是椭圆形旋转磁场。对于这 样的不对称问题，常用的分析方法有：对称分量法、双旋转磁场理论和正交磁场理论等。本 节采用对称分量法对单相电动机进行分析。一、单相异步电动机的工作原理首先分析辅助绕组开路的情况。这时妇二仅主绕组有电流人应用对称分量法分解如下=4+4- 1 =h +k = o.11-17)其中人+,妇+组成正序系统，人-一组成负序系统，设转子的转向为自尬相转向朋相，(11-18)代入式(11-17) 得1 M+ 1 M- T 2 M 即2(11-19)相应的相量图如图 11-5 所示图11-5单相电机一相工作时的电流对称分量电压正序分量和负序分量的平衡式为人+ =打+?+uw =L zIIL ML11-20 )式中是电机正序阻抗和负序阻抗=+_ = 4A+4-1丿(11-21)时=几-=z+z_式(11-21 )相应的等效电路图如图11-6所示，图中电源电压U对应脉动磁动势，可分解 为正序和负序电压和卩心对应的正序和负序圆形旋转磁动势，其磁动势幅值相同，为 脉动磁动势幅值的一半，如图7-8所示。因此，等效电路图11-6的正序阻抗却和负序阻抗 亠中的山恥池并不是定、转子的真实参数，其数值是相应真实参数的，转子对正序和负序旋转磁场的转差率分别为占和2_So乞+ = % + 严1 +(G+理)+F丄1- + 72 S11-22 )11_6说相开路时求心十和-的等效电路正、负序转子电流正、负序电磁功率11-23)d(11-24)总的电磁功率(11-25)正、负序电磁转矩_J_2 s(11-26)合成转矩(11-27)单相异步电动机一相开路时的曲线如图11-7所示以上分析了单相异步电动机只有一相绕组通电，另一相开路时的特性，主要特点：（1）、此时起动转矩等于零。当转速为零，即21时，兀二匸，合成转矩7=0时，这说明单相电机仅有一个绕组工作是不能自行起动的。如果转子已经转动，电机只有一个绕组工 作，此时+*-，则兀*匸，丁工,电机能够继续运转。2）、由于负序转矩的存在，使电机的总转矩减少，当然最大转矩和过载能力均有所降低， 转速有所减小，转子中的负序电流又增加了转子铜耗，负序磁场又增加了铁耗，因此单相异 步电动机的效率较低，各种性能指标都低于三相异步电动机。3）、理想空载状态也达不到同步转速，当负载转矩为零时，转子电流不可能为零，单相 电机转差率不为零。单相电机往往采用两相电动机的结构形式，主绕组那和辅助绕组圧通常它们在空间正交, 相差电角度，其匝数、线径和匝数分布均不同，通入相位不同的两相电流，这两相绕组 的磁动势为亢=兔gin x sm戲=-7 cos (疋_戲)一訊 U0 (忑+戲) /ffl =sm(x-90)-sin(-p)11-28)_+毎皿心-90)+ _閒电机内部合成磁动势了 -人+九 式中说相绕组超前欣相绕组9呼电角度;盘相绕组的电流超前聊相绕组电流矽;战为相和朋相绕组磁动势的最大值P如果两绕组的磁动势大小相等，相位移角电角度,即貯=簸J （11-29）将式（1129）代入（11-28）得11-30)合成磁动势了 F+人如叭11-31) 由此可见，此时电机气隙磁场是一个圆形旋转磁动势，如同对称的三相异步电机一样。 通常式(11-29)中两个等式不会同时成立，两个绕组产生的合成磁动势为椭圆形旋转磁动 势，此时的起动性能和运行性能均比圆形旋转磁动势时差。二、单相异步电动机的起动方法和类型 根据起动方法和运行方式不同，单相异步电动机可分为以下几种类型。(一)电容电动机 电容电动机是将主绕组固定接单相电源，辅助绕组串联电容器后接单相电源，电容的作用使 主、辅助绕组电流不同相，合理选择电容器和主辅绕组匝数，使起动或额定运行时气隙磁场 接近圆形旋转磁场，因而有较高的起动转矩或较好的运行性能。根据电容器的不同串接方式 电容电动机又可分为下面三种。1、单相电容运转异步电动机 单相电容运转异步电动机是将电容器固定接在辅助绕组回路中而构成两相异步电动机， 其 接线如11-8 (a)所示。图中主绕组电流人总是滞后于电压疗一个角度少槪，辅助圏11-S电容运转电动机祐)接线图；(b)相童图绕组中串电容器，当容抗大于绕组自身感抗，妇将超前力一个角度矶，电容器选择适当， 可以使超前90，如图11-8 (b)所示，合理配置有关参数，还能获得圆形旋转磁场。 由于几和山的大小和夹角都随电机的运行状态而变化，因此电机内部旋转磁场的椭圆度也 随之变化，一般电容运转电机设计成额定负载时为接近圆形旋转磁场，因此运行性能大为改 善，效率、功率因数和过载能力都比其它单相电机高，接近三相异步电动机，但是起动时只 能是一个椭圆度比较差的旋转磁场，起动转矩比较小。同样空载运行也因为负序磁场的增大， 使电机空载电流大，损耗大，温升增高。该类电机额定时有较高的效率，功率因数，工作可 靠，使用方便适用各类空载或轻载起动的负载。2、单相电容起动异步电动机 为了有较高的起动转矩，使气隙磁场在起动时接近圆形旋转磁场，必定加大辅助绕组回路中 的电容器和调整辅助绕组的参数，但是这样的参数对于长期绕组运行显然是不合理的，因而 在辅助绕组回路中加一个离心开关疋起动时闭合，当转速达到（-75-S5k时，在离 心力的作用下，庄的常闭触点断开，自动切断辅助电路，正常运转时电机只有主绕组通电 工作，运行性能较差。接线图如