一、实验目的

（1）了解三相异步电动机的工作原理。

（2）了解旋转磁场的产生。

（3）学会计算三相异步电动机的转差率。

（4）理解三相异步电动机的机械特性。

二、实验仪器

实验仪器如表2-4所示。

表2-4　实验仪器

三、知识学习及操作步骤

1.基本原理

为了说明三相异步电动机的工作原理，我们将做如下演示实验，如图2.13所示。

图2.13　三相异步电动机的工作原理图

1）演示实验

在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。

2）现象解释

当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线并在其内部发生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。

3）结论

欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。

2.旋转磁场

1）由电生磁——旋转磁场的产生

旋转磁场是一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。理论分析和实践都证明，在对称三相绕组中流过对称三相交流电时会产生这种旋转磁场。

所谓三相对称绕组就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同，首端彼此互隔120°，对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组，它们的首端分别用字母U1、V1、W1表示，末端分别用U2、V2、W2表示。由电网提供的三相电压是对称三相电压。由于对称三相绕组组成的三相负载是对称三相负载，每相负载的复阻抗都相等，流过三相绕组的电流也必定是对称三相电流。

图2.14　三相异步电动机定子接线

对称三相电流的函数式表示为

其波形图如图2.15所示。

图2.15　对称三相电流波形图

由于三相电流随时间的变化是连续的，且极为迅速，为了能考察它所产生的合成磁效应，说明旋转磁场的产生，可以选定ωt=0°、ωt=60°、ωt=120°、ωt=180°四个特定瞬间以窥全貌，如图2.16所示。同时规定：电流为正值时，从每相绕组的首端入、末端出；电流为负值时，从末端入、首端出。用符号⊙表示电流流出，用表示电流流入。由于磁力线是闭合曲线，对它的磁极的性质作如下假设：磁力线由定子进入转子时，该处的磁场呈现N极磁性；反之，则呈现S极磁性。

图2.16　旋转磁场的产生

在ωt=0°这一瞬间，从电流瞬时表达式和波形图均可看出，此时iU=0，iV＜0，iW＞0，将各相电流方向表示在各相绕组剖面图上，如图2.16（a）所示。从图2.16（a）可以看出，V2、W1均为电流流入，W2、V1均为电流流出。根据右手螺旋定则，它们合成磁场的磁力线方向是由右向左穿过定子、转子铁芯，是一个二极（一对极）磁场。用同样的方法，可画出ωt=60°、ωt=120°、ωt=180°这三个特定瞬间的电流与磁力线的分布情况，如图2.16（b）、（c）、（d）所示。

依次仔细观察图2.16，会发现这种情况下建立的合成磁场既不是静止的，也不是方向交变的，而是如一对磁极在旋转的磁场。随着三相电流相应的变化，其合成的磁场按顺时针方向旋转。

旋转磁场的转速为

式中：

f1——交流电的频率，Hz；

p——磁极对数。

用n1表示旋转磁场的转速，称为同步转速。

2）动磁生电——电磁感应定律的应用

图2.17　三相异步电动机的工作原理

图2.17所示为三相异步电动机的工作原理图。定子上装有对称三相绕组。定子接通三相电源后，即在定子、转子之间的气隙内建立了一个同步转速为n1的旋转磁场。磁场旋转时将切割转子导体，由电磁感应定律可知，在转子导体中将产生感应电动势，其方向可由右手定则确定。磁场逆时针方向旋转时，导体相对磁极为顺时针方向切断磁力线。转子上半边导体感应电动势的方向为“入”，用表示；下半边导体感应电动势的方向为“出”，用⊙表示。因转子绕组是闭合的，导体中有电流，电流方向与电动势相同。

3）形成电磁转矩——电磁力定律的应用

载流导体在磁场中会受到电磁力，其方向由左手定则确定，如图2.17所示。在转子导条上形成一个逆时针方向的电磁转矩，于是转子就跟着旋转磁场按逆时针方向转动。从工作原理上看，不难理解三相异步电动机为什么又叫作感应电动机了。

综上所述，三相异步电动机能够转动的必备条件有两个：一是电动机的定子必须产生一个在空间内不断旋转的磁场；二是电动机的转子必须是闭合导体。

4）旋转磁场的方向

旋转磁场的方向是由三相绕组中电流的相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。

在实验中，可尝试任意调换两相电源，观察转子运动的方向有何不同。

3.三相异步电动机的极数与转速

1）极数（磁极对数p）

三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。

当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120°空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；

当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差60°空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；

同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间串联的三个线圈，绕组的始端之间相差40°（=120°/p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角关系为：

（1）同步转速n1。

三相异步电动机旋转磁场的转速n1与电动机磁极对数p有关，它们的关系是公式（2-1）。

由式（2-1）可知，旋转磁场的转速n1取决于电流频率f1和磁场的极数p。对某台异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。

在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n1，见表2-5。

表2-5　磁极对数与同步转速对应表

（2）转差率s。

电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在了。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。

旋转磁场的转速n1常称为同步转速。

转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n1相差程度的物理量，即：

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。

当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率s=1。转子转动起来之后，n＞0，（n1-n）差值减小，电动机的转差率s＜1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，会产生足够大的感应电动势和电流，同时产生足够大的电磁转矩，这时的转差率s增大。反之，s减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下为0.02～0.06。

根据式（2-3），可以得到电动机的转速常用公式：

［例］有一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率s。

解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。显然，与975r/min最相近的同步转速n1=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。因此，额定负载时的转差率为：

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4.三相异步电动机的机械特性

根据三相异步电动机的简化等效电路计算推导可得异步电动机的机械特性方程参数，表达式为：

式中：

U1——外施电源电压；

f1——电源频率；

r1，x1——电动机定子绕组参数；

——电动机转子绕组参数。

机械特性是指在一定条件下，三相异步电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系，即n=f（T）。因为异步电动机的转速n与转差率s之间存在一定的关系，异步电动机的机械特性往往多用T=f（s）的形式表示，称T-s曲线，如图2.18所示。

图2.18　三相异步电动机的机械特性曲线图

1）固有机械特性

（1）定义：异步电动机的固有机械特性是指，在额定电压和额定频率下按规定方式接线，定子、转子外接电阻为零时，T与s的关系，即T=f（s）曲线。

也就是说，外加额定频率的额定电压，即U1=UN，f1=fN=50Hz，定子、转子电路不外接电阻时的机械特性。

（2）曲线形状：

①当0＜s＜sm时，为直线。

②当sm＜s＜1时，为曲线。

（3）对曲线上几个特殊点分析如下：

①A：起动点。电动机刚接入电网，但尚未开始转动的瞬间，轴上产生的转矩称为电动机起动转矩（又称为堵转转矩）。只有当起动转矩Ts大于负载转矩TL时，电动机才能起动，通常起动转矩与额定电磁转矩的比值称为电动机的起动转矩倍数，用KT表示，KT=TS/TN。它表示启动转矩的大小，是异步电动的一项重要指标，对于一般的笼型电动机，起动转矩倍数KT为0.8～1.8。

这时，n=0，s=1，T=Tst；当Tst＞TN时，电机才能起动。

图2.19所示为A点固有机械特性曲线。

图2.19　A点固有机械特性曲线图

②B：临界点。从式（2-5）可以看出，机械特性方程为一个二次方程，当s为某一数值时，电磁转矩有一最大值Tm。由数学知识可知，令dt/ds=0，即可求得此时的转差率，用sm表示，即在临界转差率下，电动机产生的最大电磁转矩Tm。图2-20所示为B点固有机械特性曲线图。

最大电磁转矩和临界转差率都与定子电阻及定子、转子漏抗有关。

将式（2-6）代入式（2-5），求得对应的电磁转矩，即最大电磁转矩值

当电源频率及电动机的参数不变时，最大电磁转矩与定子绕组电压的平方成正比。

最大电磁转矩和转子回路电阻无关，而临界转差率与其成正比，所以调节转子回路电阻，可使最大转矩在任意s时出现。

将产生最大电磁转矩Tm所对应的转差率Sm称为临界转差率。一般电动机的临界转差率Sm为0.1～0.2。在Sm下，电动机会产生最大电磁转矩Tm。

电动机应工作在不超过额定负载的情况下。但在实际运行中，负载免不了会发生波动，因此会岀现短时间内超过额定负载转矩的情况。如果最大电磁转矩大于波动时的峰值，电动机还能带动负载，否则不行。最大转矩Tm与额定转矩TN之比为过载能力λ，它也是异步电动机的一个重要指标，一般λ=Tm/TN=1.6～2.2。

图2.20　B点固有机械特性曲线图

③O：同步点。仅存在于理想电动机中，n=n1电机转速达到同步速，S=0，T=0。图2.21所示为0点固有机械特性曲线。

图2.21　O点固有机械特性曲线图

④C：额定点。异步电动机稳定运行区域为0＜s＜sm。为了使电动机能够适应在短时间过载而不停转，电动机必须留有一定的过载能力，额定运行点不宜靠近临界点，一般sN=0.02～0.06。图2.22所示为C点固有机械特性曲线图。

异步电动机额定电磁转矩T等于空载转矩T0加上额定负载转矩TN，即T=T0+TN，此时电机处于稳定运行状态；当T＜T0+TN时，电动机减速；当T＞T0+TN时，电动机加速。

因空载转矩比较小，有时认为稳定运行时，额定电磁转矩就等于额定负载转矩。额定负载转矩可从铭牌数据中求得，即

式中：

TN——额定负载转矩，N·m；

PN——额定功率，kW；

nN——额定转速，r/min。

图2.22　C点固有机械特性曲线图

2）人为机械特性

人为机械特性就是人为地改变电源参数（如电源电压）或电动机参数（如转子回路串接电阻）而得到的机械特性。三相异步电动机的人为机械特性主要有以下两种。

（1）降低定子电压的人为机械特性。

当定子电压U1降低时，电磁转矩与U2成正比地降低，则最大电磁转矩Tm与起动转矩Ts都随电压的平方降低。同步点不变，临界转差率与电压无关，即Sm也保持不变。其特性曲线如图2.23所示。

图2.23　降低电源电压时的机械特性曲线

（2）转子串电阻的人为机械特性。

此法适用于绕线式异步电动机。在转子回路内串入三相对称电阻时，同步点不变。Sm与转子电阻成正比变化，而最大电磁转矩Tm因与转子电阻无关而不变，其机械特性如图2.24所示。

图2.24　转子电路串电阻时的人为机械特性曲a线

四、实验内容及要求

（1）认真观察演示实验，从根本上了解其基本原理。

（2）认真学习磁场的产生，为后面进一步学习打下牢固基础。

（3）不能私自拆卸实验器材，以免造成不必要的损失。

（4）在观察现象时逐一传看，切莫争抢打闹。

（5）实验人员之间应分工明确，在实验室内不要大声说话。

（6）在实验结束后整理好实验台，保持实验台整洁。

五、思考题

（1）当给出s与p时，我们能否求出n与n1？

（2）一台三相异步电动机，额定功率PN=50kW，电网频率为fN=50Hz，额定电压UN=380V，额定效率ηN=0.8，额定功率因数cosφN=0.9，额定转速nN=720r/min，试求：

①同步转速n1；

②磁极对数p；

③额定电流IN；

④额定转差率sN。

六、实验报告要求

（1）根据要求整理实验内容及现象。

（2）标明实验电路所用的器件型号。

（3）记录实验中发现的问题、错误、故障及解决方法。