原  理  简 述

一、基本方程式和等效电路

    由《电机学》中可知，将转子边的量经过频率折算和绕组折算，可得到异步电机的基本方程式为：

    式中转差率是异步电机的重要运行参数，为折算到定子一边的转子参数，也就是从定子上测得转子方面的数值。

    由方程式可以画出相应的等效电路，如图8-2所示。

    当异步电动机空载时，，。附加电阻。图8-2中转子回路相当开路；当异步电动机堵转时，，，附加电阻，图8-2转子回路相当短路，这就和变压器xx相同。因此异步电机也可以通过空载实验和堵转（短路）实验来求出异步电机的等效电路中的各参数。

二、空载实验    由空载实验可以求得励磁参数，以及铁耗和机械损耗。实验是在转子轴上不带任何机械负载，转速，电源频率的情况下进行的。用调压器改变试验电压大小，使定子端电压从逐步下降到左右，每次记录电动机的端电压、空载电流和空载功率，即可得到异步电动机的空载特性，如图8-3所示。

           图 8-3 空载特性         图 8-4 铁耗和机械耗分离

    空载时，电动机的输入功率全部消耗在定子铜耗、铁耗和转子的机械损耗上。所以从空载功率中减去定子铜耗，即得铁耗和机械耗之和，即

    式中为定子绕组每相电阻值，可直接用双臂电桥测得。

    机械损耗仅与转速有关而与端电压无关，因此在转速变化不大时，可以认为是常数。

    铁耗在低电压时可近似认为与磁通密度的平方成正比。机械耗和铁耗之和与端电压的平方值 的曲线接近直线，如图8-4所示，把曲线延长与纵坐标交于Ｋ点，由Ｋ点作平行于横坐标的直线，此直线以下就表示与端点电压无关的机械损耗，直线以上的部分即为不同电压的铁耗。

    由曲线和上查得额定电压时的和，可知

　　式中；其中可由堵转实验确定，则励磁电抗为

三、堵转实验

    异步电动机从堵转(短路)试验可以求出等效电路中的和。

    调节试验电压，使，然后逐步减小电压，每次记录端电压、定子电流和功率，即可得短路特性曲线，如图8-5所示。

　　      图 8-5 短路特性       图 8-6 对数座标下的短路特性

    由于堵转时漏抗随漏磁路饱和程度的增加而减小，与不是直线关系，而是指数关系。对中型和小型电机，，堵转转矩。因此，如果在低于额定电压下进行堵转试验，为了准确地求得额定电压时的堵转电流、堵转转矩，须作双对数堵转曲线，向上推至额定电压时求得。如图8-6。

    根据堵转特性曲线，可查得对应于的，求出堵转阻抗、电阻和电抗，公式如下

    此时，由于定子电压较低，磁通较小，所以铁耗可以忽略，即，且短路时等效电路中的附加电阻，可以看出：

    从上式中解出和，得：

    进一步假设 ，并利用 ，上式又可写为：

    由(8-8)第二式可知：，把此式代入(8-8){dy}式可解得：

    还可证明：

    式中：

    对于大、中型异步电动机，由于，等效电路中的励磁支路可近似认为无穷大，在堵转时的等效电路可简化为图8-7所示，这样可用下列简化公式来确定、和。

图 8-7 堵转时的等效电路

    对于大、中型异步电动机，用以上简化后求得的参数作出等效电路与实际情况相差不大。

    在正常工作情况下，定、转子漏电抗处于不饱和状态，为一常数。但当电机堵转时（即起动情况）定、转子电流比额定电流大(5～7)倍，漏磁路饱和，漏电抗比正常工作时小(15～30)%左右，所以电机从起动到正常工作状态漏磁路饱和情况不同，漏电抗不是一个常数。为了计算上力求准确，堵转时应分别测取、和时的堵转数据，以便计算工作特性时用求得不饱和漏电抗，计算起动特性时，用求得的饱和漏电抗值，计算{zd0}转矩时，采用时的漏电抗值。因为{zd0}转矩时，定子电流。等效电路没有考虑各种饱和情况引起电抗的变化，计算时要注意修正。

    异步电动机在工厂的出厂试验中，必须每台进行空载和堵转试验。空载试验时，可以从空载电流和空载损耗中检查定子绕组、磁路、气隙、装配等方面的质量问题。堵转试验时，一般将堵转电流调到额定电流，从堵转电压、堵转功率中检查鼠笼转子的结构参数，若进一步求出可以检查鼠笼转子铸铝质量的情况。

四、直接法求取工作特性

    在额定电压和额定频率下，电动机的转速（或转差率）、电磁转矩、定子电流、功率因数、效率与输出功率的关系称为异步电动机的工作特性，它是考核电动机性能的重要指标。直接法求取工作特性是指在电源电压、频率的条件下，直接给转子轴上加负载进行的。当改变电动机的负载时，分别记录，由此算出输出功率、功率因数、效率等得到工作特性。

五、损耗分析法计算电动机的效率

    直接负载法适合于中小型电机，对大容量异步电动机，由于设备所限，直接加负载有一定困难，因此在参数和机械耗已知的情况下（根据空载、堵转实验或设计值）、给定转差率，根据型等效电路，即可算出定、转子电流和励磁电流及各种功率损耗，进而算出输出功率和电动机的效率。总损耗有：

    式中为铁耗；为机械耗，由空载试验中分析得出，两者为基本不变的损耗。

    为定子铜耗，

    为转子铜耗（铝耗），，电磁功率。

    是输入功率为时的转差率。

    为杂散损耗，对铜条鼠笼转子，。对铸铝鼠笼转子，（为额定输出功率）。由于杂散损耗与制造工艺直接有关，国家规定在现有的条件下必须实际测出。所以

实验八  三相异步电动机工作特性和参数测定实验

一、实验目的

    1．掌握三相异步电动机直接负载和空载、堵转实验方法。

    2．用空载、堵转实验数据，求出异步电动机每相等效电路中各个参数。

二、实验内容

    1．用测功机作负载，测出三相异步电动机的工作特性。

    2．空载实验，测出空载特性曲线

    3．堵转实验，测出堵转特性曲线

    4．从空载实验和堵转实验中求出和等参数。

三、实验说明和操作步骤

    记录本小组实验机组的铭牌数据。

    每次实验，应从所求测量值的上限开始读数，然后逐渐减小测量值，这样求得的整条曲线，其温度比较均匀，减小因温度不同带来的误差。

1．直接负载法求取异步电动机的工作特性

    测功机说明：

    在实验室中用测功机直接加负载的方法有以下两种：

    ① 涡流测功器作异步电动机的负载，这种机组只要调节涡流测功器的励磁电流，就能调节异步电动机负载的大小，负载转矩可以直接从测功器的刻度板上读得（本实验的刻度单位为公斤力·米）。

    ② 以电动测功机作异步电动机的负载，这种测功机是将一台直流发电机改装成的。它的定子可以在两个支柱上左右摆动，加负载时将电动测功机接成他励发电机，电枢发出的直流电消耗在电阻箱上（也可以馈向直流电网），同时定子摆动一个角度，可以通过指针读出转矩（公斤力·米）。

    负载实验是在定子上施加额定电压和额定频率的情况下进行的，接线如图8-8所示，（a）为涡流测功器线路，（b）为电动测功机线路。

    操作步骤:

    （1）按图接线，记录被试电机额定电压、额定电流值。

    （2）调压器输出电压调至零，无错误后合上开关S1、S2，升高调压器输出电压起动异步电动机。并将电压调至额定值。

    （3）将测功机励磁回路单相调压器输出调至0位置（逆时针到底）。

    （4）保持电动机外加电压不变，通过调节单相调压器改变整流电路的输入电压，从而改变了整流电路的输出电压，即改变了测功机的励磁电流，调节电动机的负载。在范围内均匀测取点，每次记录三相电流、三相功率和转速、转矩。数据填入表8-1内。

图 8-8 三相异步电动机负载实验接线图

表8-1 负载实验数据   伏 

    表中的单位为公斤·米；为三相电流平均值(安)；；；；；。

2. 空载实验

　　空载实验就是在电动机轴上不带负载时，定子绕组上施加额定频率的三相对称电压，然后通过调压器，调节定子绕组上的电压，在不同电压下测取三相，接线同图8-8。

　　空载实验可以作出空载特性曲线，利用空载实验数据从空载功率中分离出铁耗和机械损耗，进而计算出。

    操作步骤如下：

    （1）先将调压器输出电压调至零，测功机不加励磁，使电动机处于空载状态。

    （2）合上电源开关S1、S2，逐渐升高电压，起动电动机并将电压调至额定值。

    （3）调节电动机的电压，由逐渐减少到可能达到的{zd1}电压（即电流回升时的电压，此时电压很低，磁场很弱，电机为了克服一定的空载力矩，转差率会增大，转子电流亦随之增大，从而引起定子电流的回升，此电压值约为左右）。读取三相空载电压、电流、功率，共取7～9点，记录填入表8-2。

表8-2  空载实验数据　　　（）

    表中为三相线电压平均值；为三相电流平均值；；。

3．  堵转实验（短路实验）

　　堵转实验时电流很大，为了使电流不致过大，应降低电源电压进行。控制堵转电流以下，电压约在以下。

  　堵转实验可以测取堵转特性和等效电路中和等参数。事先检查转子旋转方向，然后堵住转子。实验线路与空载时相同。

    操作步骤如下：

    （1）用螺栓堵住转子（即），调压器输出电压调到零位置。

    （2）合上电源开关S1、S2，以堵转电流为准，观察电流表，慢慢升高电压，在额定电流左右（此时电压大约100伏左右）观察仪表工作是否正常。调节外施电压，使电流升到，迅速读取三相电流、功率、电压，从大约之间均匀测取5～7点，记录填入表8-3。此实验动作要迅速，因为此时电机不转，散热条件差，防止电机绕组过热。电压允许只测一相值。

    （3）实验完毕立即断开电源，将堵转的螺栓取掉，以便以后的实验正常进行。

    注意：记录室温及定子每相冷态电阻值。

表8-3  短路实验数据   （）

    表中为三相线电压平均值；为三相电流平均值；；。

四、实验报告

    1．根据表8-1数据，在同一座标纸上画出工作特性曲线

    2．根据表8-2数据画出空载特性曲线

    3．根据表8-3数据画出堵转特性曲线

    4．从空载和堵转实验中求出等效电路各参数

    （1）根据室温时的冷态电阻值，换算到基准工作温度75℃时的定子每相电阻。

    式中为室温θ℃时的冷态电阻

    （2）分出铁耗和机械耗，用公式（8-2）求出各点的，作曲线，从曲线中查得额定电压时的铁耗和机械耗数值，用公式（8-3）求出。

    （3）由堵转曲线中查得时的数值，按公式（8-11）求得归算到定子边的转子电阻和定转子不饱和电抗和。按公式（8-4）求出。

    （4）作出T型等效电路图

五、思考题

    1．容量略大一些的异步电机，测量定子电阻时为什么一定要用双臂电桥。

    2．从工作特性曲线形状来说明异步电机轻载运行的不经济原因。

    3．空载损耗中转子绕组的损耗为什么可以略去不计。

    4．实验中异步电动机空载电流约占额定电流的百分之几，为什么要比变压器空载电流大得多。