变压器和异步电动机的电磁原理异同分析

变压器和异步电动机在功能、外型特征和运行方式上很不相同，但它们在原理分析上有很大的相似性，探讨它们在电磁原理分析上的异同，有利于进一步透彻深入地掌握变压器和异步电动机的电磁原理，简化分析过程，丰富电机理论分析手段。

交流电机的分析计算过程主要是依据方程式、等值电路和向量图来进行，在下面的分析中，主要对一般电力变压器和异步电动机的基本公式、方程式以及等值电路和向量图进行剖析，文中电压、电势、电流和阻抗均是指一相的量，各量大小比较关系均是指实际值相对于额定值的比值，异步电动机以绕线式为例，定子绕组相当于变压器的原方，转子绕组相当于变压器的付方。

1电势计算公式变压器原、付方电势计算公式为：异步电动机定、转子绕组电势计算公式为两者感应电势的大小均与频率、匝数和磁通成正比，形式上相似，不同点为：变压器原、付方感应电势同频率，原、付方电势计算公式仅匝数不同。异步电动机正常运行时，定、转子绕组感应电势不同频率，定、转子绕组匝数以及短距和分布糸数一般也不相同。

变压器的和2是原、付方一相绕组的总匝数，异步电动机的1和2是定、转子一相绕组一条支路的串联匝数。

变压器的主磁通！m为脉振磁通，被约束在铁芯中，其大小和方向随时间以电源频率按正弦规律变化，为铁芯柱中总磁通。异步电动机的主磁通！m为空间位置不断移动的旋转磁通，其转速取决于电源频率和定子绕组的磁极对数，为每极磁通量。

变压器一相绕组的全部线圈绕在同一铁芯柱上，为集中布置绕组，每一匝线圈交链相同的主磁通，各匝电势同相位，一相电势是一相绕组所有匝电势的代数和。在异步电动机中，为了改善电势和磁势波形，沿铁芯圆周合理布置线圈，往往采用了短距和分布绕组，短距线匝两个有效边感应电势相位不是相差180.，而是小于180.，在一个线匝中是向量相加，另外，分布绕组的各个线圈电势不同相位，各个相邻的线圈电势在相位上相差一个槽距电角”，极相组电势是\’个线圈电势的向量和，所以在电势计算公乘以短距和分布糸数，即相对于全距和集中绕组电势打了折扣，略有减小。

2原方定子电势平衡方程式变压器原方和异步电动机定子电势平衡方程式形式上均为即原方（定子）外加电压被感应电势及电阻和漏抗压降所平衡，由于）1*1和）1，1均比-1和（1小得多，公式近似可写成即外加电压和感应电势近似相等，铁芯中主磁通大小主要取决于外加电压，不同点为：变压器的电阻很小，异步电动机导线通常细些，线圈匝数多些，电阻稍大些；另外，异步电动机磁路中有气隙存在，绕组为分布布置，且置于铁芯槽中，漏磁通要多些，漏电抗要稍大些，忽略ii产生的误差比变压器大。

变压器相对于电网可认为是负载，如果变压器负载阻抗不变，当外加电压下降时，1会减小；另外，下降导致主磁通减少，感应电势减小，忽略某些次要的非线性因素，方程和与大致相同的比例减小。对于异步电动机，如果负载转距不变，电压下降时，主磁通减少，由于电磁转距\’与！2成正比，下降导致转距特性曲线下降，则转差率（上升，转速）下降，转子电流频率/2上升，转子回路功率因数cs！（减小，计算电磁转距公式：为维持转距不变，转子电流上升，定子电流也同时上升，定子漏阻抗压降随下降反而上升，由于！下降，”m减小，加之ii上升，则1下降，且下降比例比略大。

异步电动机电流1随下降而上升并不是无止境的，而是有一定范围，如转子不转时，随下降，1也会下降。

上述讨论不涉及电压变化对电机运行的不利影响。

3付方”转子电势平衡方程式变压器付方电势平衡方程式为：22\’2?2=222异步电动机转子电势平衡方程式为两者在形式上相似，不同点为：（1）变压器正常运行时，付方输出端接有负载阻抗，输出电压和电流，即输出电功率，付方感应电势2被输出电压！2和漏阻抗压降22的向量和所平衡。异步电动机正常运行时，转子绕组是短接的，轴上输出机械功率，转子绕组感应电势仅被漏阻抗压降所平衡。

在正常工作范围内，变压器付方电势主要决定于原、付方电势的变比关系，与负载的大小和性质关系不大，即使从空载到满载，只要外加电压不变，2变化很小。异步电动机的2除与定、转子绕组的电势比有关外，还与转速有关，或者说与机械负载有关，通常，异步电动机制成后，定、转子绕组的电势比就固定了，定子外加电压一般基本不变，2实际上主要取决于轴上的机械负载，随负载变动2的变化幅度较大。

变压器的负载阻抗％z通常比漏阻抗大得多，在负载阻抗上的压降（输出电压）也比漏阻抗压降大得多，22相对于2和！2很小，几乎可忽略，所以有如下近似关系。

异步电动机正常运行时，转子转速）很接近于旋转磁场的同步转速）1，转差率（很小，转子电势2=（20也很小，通常2比转子静止时的感应电势2变化而变化，2和22总是保持平衡，没有输出电压。

变压器的负载大小和性质发生变化时，漏阻抗压降的大小和相位也随之变化，从而使输出电压发生变化，影响供电质量。异步电动机的机械负载大小发生变化时，轴上的制动转矩也随之变化，从而使转速发生变化，影响机械性能。

变压器的付方漏抗?2比电阻2大，在漏阻抗压降中漏抗压降起主导作用。异步电动机转子静止时转子漏抗?20也比电阻2大，正常运行时，由于转子电流频率很低，这时的转子漏抗很小，在漏阻抗压降中电阻压降起主导作用。

4磁势平衡方程式变压器和异步电动机的磁势平衡方程式均为：。1两者铁芯中主磁通均为原（定）、付方（转子）磁势共同建立，原方（定子）磁势中包含有建立磁场的励磁磁势。0和抵消付方（转子）磁势的分量。2，都体现了能量传递关系。不同点为：（1）变压器的原、付方磁势h和。2的大小和方向随时间按正弦规律变化，作用位置在固定的铁芯中，为脉振磁势，脉振频率就是电源频率。异步电动机的定、转子磁势。1和。2在空间按正弦规律分布，以相同转速和转向在电机内空间转动，为旋转磁势，转速取决于电源频率和定子绕组的磁极对数，转向取决于流过定子三相绕组电流的相序。

2）变压器的磁路无气隙，磁路磁阻小，建立一定量的磁通所需励磁磁势很小，正常运行情况下！）比和小得多，几乎可忽略。而异步电动机的磁路有气隙存在，磁阻较大，建立一定量磁通所需励磁磁势比变压器大得多，在方程！\’不能忽略。

3）变压器的负载变化体现在付方所接负载阻抗的变化，引起付方电流变化，由磁势平衡关系导致原方电流和输入功率变化，异步电动机的负载变化体现在转子轴上负载制动转矩的变化，引起转子转速”变化，使转子电势和电流变化，由磁势平衡关系，导致定子电流和输入功率变化。

5等值电路变压器的等值电路图异步电动机的等值电路见。

它们在形式上极为相似，不同点为1）变压器原、付方匝数不等，要得到原、付方连为一体的等值电路，需进行绕组折算。异步电动机除定、转子绕组匝数和绕组糸数不等外，正常运行时的定、转子频率也不相等，在绕组折算前，还要进行频率折算，将旋转的转子等值变换为静止的转子，从而得到定、转子连为一体的等值电路。

2）变压器磁路磁阻小，单位励磁电流产生的感应电势较大，励磁阻抗m+J\’m=m很大，往往比漏阻抗大得多，励磁电流/几乎可忽略，去掉励磁支路，可得出简化等值电路，产生的误差很小，在工程允许范围内。异步电动机由于有气隙，磁路磁阻比变压器大，单位励磁电流产生的感应电势比变压器小，励磁阻抗比变压器小，也比漏阻抗大得多，但不像变压器相差那么悬殊，不能忽略，励磁支路不能去掉。

3变压器的负载阻抗在电路中是实际存在的。异步电动机的等值电阻k2在电路中并不存在，它是通过频率折算引伸出的机械功率模拟电阻。

4变压器既输出有功，又输出无功，等值电路输出端接的是阻抗。异步电动机输出纯有功的机械功率，等值电路输出端接的是纯电阻。

5变压器付方电流在负载阻抗6=+fz+/fz上流过时消耗的有功功率fz为完全输出的有功功率。异步电动机转子电流在等值电阻k2上流过时消耗的有功功率/k2还包含有异步电动机内部的机械损耗。

6向量图变压器和异步电动机的向量图分别见、4.它们在形式上相似，不同点为：1）变压器原、付方各交变物理量同频率，可以画在同一个向量图上。异步电动机在正常运行时定、转子交变物理量不同频率，需进行频率折算才华中电网电力节能潜力分析刘文胜\’，叶永松2，胡献忠3，赖敏％1.华中电网有限公司计划发展部，湖北武汉430077；2.华中电网有限公司技术中心，湖北武汉4300773.华能武汉阳逻电厂，湖北武汉431415能潜力，并从电力供应侧和需求侧提出了具体的节能措施。

0前言能源是国民经济的命脉，我国人均能源可采储量远低于世界平均水平，与此同时，我国能源消费量巨大，已成为世界第二大能源消费国，我国的能源安全已经引起了人们的高度关注。

虽然我国经济取得了令人瞩目的成就，但能源的利用效率非常低，能源浪费相当严重。我们每创造一美元国民生产产值所消耗的煤、电等能源是美国的4.3倍，德国和法国的7.7倍，日本的11.5倍。

而水资源消耗，我国万元GDP用水量是美国的近10倍、日本的24倍。

我国主要用能产品的单位产品能耗比发达国家高25~90，加权平均高达40左右。例如，我国火电厂供电煤耗为每千瓦时404g标准煤，国际先进水平为317g标准煤，高出27.4.2003年的煤炭产量为16亿t标准煤，已经达到了原先规划中2010年的水平。据测算，我国2003年能源消费总量16.78亿t标准煤，比上年增长10.1.其中，原油消费量2.52亿t，增长12；原煤15.79亿t，增长13.6.其中，电煤8.26亿t标准煤，比去年增加近1亿t标准煤，而往年电煤每年仅增加3000万t标准煤左右。我国正处于工业化中期和新一轮经济周期的上升阶段，能源消耗强度较大。到2020年，国内煤炭需求将在20亿t标准煤以上。

能源低效率利用一方面造成巨大浪费，另一方面将造成严重的能源短缺，并将危及经济发展和国家安全。节能工作刻不容缓。

1华中电网地区能源消费现状1.1一次能源消费华中电网地区的一次能源消耗逐年增加，从1980年的12306万t标准煤增加到2002年的32200万t标准煤左右，人均能源消费量为841kg标准煤，为我国平均水平的64.4.其中，华中地区2002年火力发电包括供热用能源总量约为8547万t标准煤，占一次能源消费总量的26.54.能画在同一个向量图上。

2变压器总的功率因数角！1的大小取决于变压器本身的内阻抗及负载的性质和大小，变压器负载一般为感性，滞后于，在特殊情况下，如带有足够的容性负载，1也可能超前于。异步电动机总的功率因数角！\’的大小取决于异步电动机本身的内阻抗和负载大小，由于异步电动机对电源来说是感性负载，无论负载怎样变化，/1总是滞后于”1.！结束语探讨归纳变压器和异步电动机电磁原理的异同，在理论分析上提炼共性，区分个性，对于提高交流电机运行分析水平和专业教学的质量具有现实意义。