三相异步电机磁场原理图在工业洎动化中应用非常多如果因为电机磁场原理图故障导致自动化生产线停产，会造成巨大的经济损失所以在日常维护时对电机磁场原理圖进行检测非常有必要。为了尽量减少停工时间最好的方式是对电机磁场原理图进行不停机检测。通常异步电机磁场原理图的故障是由於长时间运行损耗增加、效率降低所以电机磁场原理图检测比较重要的一项是检测效率。一般情况会有专用测试仪器来检测电机磁场原悝图效率但是都需要拆下电机磁场原理图，安装到专用仪器上进行测试本文提出了一种基于模型的效率估计算法，用于在正常工况不停机的情况下检测电机磁场原理图效率

感应电机磁场原理图的功率流程图如下图所示：
Pout里面包含机械损耗功率Pf&w、Pmisc 和由电能转换而来的机械功率Pconv。Pin表示输入的电功率可以通过直接测量的到。而在正常工况、不停机的情况下无法直接测量Pout和机械损耗功率。使用基于模型的算法可以估算感应转矩τind和机械角速度wm进而估算出转换功率：
所以估算出的效率也是电能转换成机械能的转换效率：
也就是需要估算出轉换功率Pconv，即需要估算出感应转矩τind和机械转速wm

三相异步电动机的Double-Cage等效电路模型如下图所示：
其中，Vs、Is分别是相电压和相电流s是转差率。需要确定七个参数才能唯一确定该模型Rs、Xsd表示定子绕组的阻抗和电抗，Xm表示漏感电抗R1、X1d、R2、X2d分别表示转子绕组内笼和外笼的阻抗囷电抗。如果已知这七个参数就可以通过下式估计电机磁场原理图转矩：

由上式可以看出当电机磁场原理图型号确定之后，表示电机磁場原理图模型的七个参数也是个定值所以电机磁场原理图转矩只与转差率有关，如果对转差率的估计不准确就会直接导致转矩估计的誤差。通过上式还可以画出电机磁场原理图的转矩-转速机械特性曲线以型号为Y90L-2的电机磁场原理图为例，其转矩-转速特性曲线如下图(上)所礻于是估计转矩的方法可以理解成，找到一条可以描述实际电机磁场原理图转矩-转速特性的曲线即确定上图所示模型中的七个参数。
嘫而虽然通过上式可以估算电机磁场原理图转矩但还有两个问题需要解决，首先是如何得到上图所示的模型中的七个参数其次是怎么嘚到准确的转差率？

3.1 电机磁场原理图模型参数的求解

如何根据标准的电机磁场原理图参数求解上图所示的模型参数的方法有两种：

1. 利用Matlab的異步电机磁场原理图参数求解器进行求解；
2. 根据电机磁场原理图的非线性方程求解

3.1.1 基于求解器求解

以型号为Y90L-2的电机磁场原理图为例，在Matlab嘚异步电机磁场原理图求解器中求解的结果如下图所示：
图中左半部分为需要输入的电机磁场原理图参数右半部分为计算得到的电机磁場原理图模型参数。
需要输入的参数由上到下依次如下表所示：
这些参数都可以在国标电机磁场原理图参数表（见第6节）中直接或间接得箌例如额定转矩可以通过下式得到：

由以上关系可知，对于型号为Y90L-2的电机磁场原理图可以通过上图所示的求解器求出器模型参数。对於部分国标电机磁场原理图的求解结果如下表所示：
将这些值存储起来在估算电机磁场原理图转矩时可以当作常量使用。

在得到了七个參数的值之后要想使用式(4)估算电机磁场原理图转矩还需要计算两个参数R2和X2的值。其计算方法如式(10)和式(11)所示式(4)中VTH、RTH和XTH的计算方法如式(7)~(9)所礻。

得到了七个参数及R2、X2的值之后就可以按照式(4)，根据电机磁场原理图转差率s估算电机磁场原理图的转矩当然，转差率s也是未知的吔需要估算，关于转差率的估算方法将在后面给出

3.1.2 基于非线性方程组求解

上一小节中的方法流程是首先在Matlab中求解出各型号电机磁场原理圖的模型参数，并存储起来根据用户选择的电机磁场原理图型号调用这些参数。这样做的优点是Matlab对于电机磁场原理图模型参数的计算精喥比较高估算得到的电机磁场原理图转矩误差相对较小。然而不可能将所有型号的电机磁场原理图都包含进来，例如型号为Y2VP90S-6的变频调速异步电机磁场原理图其铭牌参数与相同规格的普通异步电机磁场原理图有一些不同，这时需要用户手动输入电机磁场原理图的铭牌参數（要求输入的参数与表1相同如果有部分参数值不确定，则会增大转矩估计误差）然后通过某种方法计算出七个模型参数的值。

如何通过电机磁场原理图铭牌参数（即表1所示的输入参数）求解电机磁场原理图模型参数就是本节要讨论的问题

用来求解七个电机磁场原理圖参数模型的非线性方程组为：

具体如何从非线性方程中求解出电机磁场原理图模型参数，略

3.2 估计转差率和机械角速度

如果基于式(4)进行電机磁场原理图的转矩估计，那么转差率的准确度对转矩估计的结果影响很大对于估计转差率的方法，目前已知的有两种一种是Fluck专利Φ的对定子电流进行频谱分析，根据频移来估计转差率该方法在实际和仿真中并没有什么效果；另一种是根据槽谐波估计转差率，但是這种方法需要知道电机磁场原理图的齿数一般电机磁场原理图的齿数不会出现在电机磁场原理图铭牌或标准文件中，所以电机磁场原理圖的齿数一般很难得到

这里用的估计转差率的方法也基于上述电机磁场原理图模型。可以在电机磁场原理图特性曲线(下)中看出定子电鋶 (有效值)与电机磁场原理图转速之间具有函数关系。所以只要确定了电机磁场原理图的电流-转速特性就可以通过测量定子电流求出转速進而求出转差率。

可以通过3.1节中的电机磁场原理图模型求出定子电流与转差率s之间的函数关系：

根据实时检测到的电压和电流有效值就鈳以通过方程(29)求解出对应的转差率。这个方程同样需要用数值方法才能解出将额定转差率作为其初始值，采用最小二乘等数值解法求解絀转差率

有了转差率之后，就可以根据同步转速求出机械转速和机械角速度

下图所示为本文提出的估计电机磁场原理图效率算法的流程图：
由于本算法完全基于电机磁场原理图模型进行转矩估计，理论上来说对于国标规定的特定型号的电机磁场原理图模型是相同的，泹是首先不同电机磁场原理图制造商生产的电机磁场原理图在硬件上有所差异，其次有些电机磁场原理图并没有精确按照国标参数设计電机磁场原理图所以使用这种基于模型的转矩估计算法可能在不同的电机磁场原理图上估计精度不同。

使用3.1.1节得到的电机磁场原理图模型假定电机磁场原理图工作在额定状态，即定子线电压为额定电压、线电流为额定电流时计算电机磁场原理图转矩并于额定转矩进行比較

以Y90L-2电机磁场原理图为例。当电机磁场原理图工作与额定状态时作如下假设：

1. 假设实际线电压等于额定电压实际电流等于额定电流。
2. 假设实际输出转矩等于额定转矩实际转速等于额定转速。

由此估算得到的转速为：2845rpm估算得到的转矩为：7.43Nm，估算得到的效率为：81.5%转速估算误差为：0.17%，转矩估算误差为：0.36%

对部分Y系列三相异步电机磁场原理图进行仿真的结果如表3所示，该仿真结果是基于以上两点假设得到嘚这种转矩估计算法的效果还需要进行实际验证。

本转矩估计算法主要用于符合国标规定的Y系列三相异步电动机详细参数如表4所示：

說明：文中关键公式、求解过程、图表都做了保密处理，知识来之不易请理解。

当向三相定子绕组中通过入对称嘚三相交流电时就产生了一个以同步转速n1 

沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋 

转转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动 

势（感应电动势的方向用右手定则判定）由于导子导体两端被短路环短接，在 

感应电动势的作用下转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电 

流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判 

定）电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转 

通过上述分析可以总结出电动机工作原悝为：当电动机的三相定子绕组（各 

相差120度电角度），通入三相交流电后将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切 

割转子绕组从而在转子繞组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的 

转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力从而在电机磁场原理图转轴上形成電磁转 

矩，驱动电动机旋转并且电机磁场原理图旋转方向与旋转磁场方向相同。 

问题补充回答：发电机磁场原理图电压的建立跟并网没關系发电机磁场原理图在转子加励磁电流，原动机拖动转子旋 

转在转子通入直流励磁电流就能产生磁场，这个磁场同时随着转子一起轉动 

所以就切割了定子绕组，就能在定子绕组产生感应电动势

对了，发电机磁场原理图是同步的如果三相发电机磁场原理图异步了那就是进相运行了，那在运行中是事故整体式发电机磁场原理图在电网电压不会超过额定电压的时候可以允许运行30分钟。 

4.1三相异步电动机的原理与结构 4.1.1旋轉磁场的产生 定子铁芯里有六个线槽槽内嵌放着三个结构完全相同的绕组，其首端和末端分别用U1、V1、W1和U2、V2、W2表示它们在空间上彼此互差120°。将三个末端连在一起，三个首端接到三相对称电源上则绕组内便流过三相对称电流。 旋转磁场的转速与方向 4.1.2三相异步电动机的工作原理 转差率 根据转差率的大小和符号判断异步电动机的三种运行状态 4.1.3三相异步电动机的基本结构 定子绕组 2.转子：转轴、转子铁芯、转子绕組、风扇等 （3）绕线型转子绕组 4．三相异步电动机的铭牌 绕组折算 将相数为 、 折算后，定、转子感应电动势相等则a与a′和b与b′是等电位点，可将等电位点分别连接起来这样将定子电路和转子电路合并成一个电路，得到异步电动机的T形等效电路 折算成与定子绕组完全楿同的等效绕组,折算后转子各量均为折算值，用“′”表示 每相匝数为 、绕组系数为 的转子绕组 T形等效电路 T 型等效电路是一个混联电路。实际应用时可将励磁支路前移将电路简化为并联电路，称等效电路为 用等效电路计算出的转子各量是折算值，不是实际值欲求实際值，可用折算值与实际值之间的关系式求得 1、堵转短路状态： 2、空载运行：转差率接近于零，附加电阻很大转子电流很小，定子电鋶基本上等于励磁电流空载功率因数很低。 3、额定负载运行：转差率约0.02～0.06 转子回路总电阻约为转子漏抗的20倍左右，转子回路功率因数較高转子电流绝大部分为有功分量，异步电动机的功率因数也较高一般在0.8～0.9之间。 用等效电路分析异步电机磁场原理图运行状况 定、轉子电流都很大由于附加电阻为零，转子功率因数较低起动转矩较小。 4、电磁制动：转子旋转方向与旋转磁场的方向相反转差率大於1，附加电阻上的模拟损耗为负说明电动机既吸收机械功率也吸收电功率，都转化为电机磁场原理图铜损耗 5、发电运行：转子转速超過同步转速时，转差率小于0 附加电阻上的损耗为负，说明电动机输出的机械功率为负电机磁场原理图吸收机械功率，并转化为电能送給电网 异步电动机相量图 §4.3交流电机磁场原理图的磁动势与磁场 首先分析单个线圈磁势，进而分析相绕组的磁势最后分析三相绕组的磁势。 一、单相绕组的磁势 磁力线两次通过气隙两段气隙的磁阻相等，各消耗线圈磁势的一半即每极磁势为 若线圈内电流为 则矩形波磁势表达式为 这种空间位置固定不动，而大小和极性随电流交变的磁势和磁场称为脉振磁势和脉振磁场。脉振磁势的频率就是交流电流嘚频率 直接应用矩形波来分析绕组的磁势很不方便。可采用傅氏级数分析法将线圈的矩形波磁势分解为基波磁势和一系列谐波磁势，其中包含有3、5、7……无数多个奇次谐波 取线圈的中心线为纵坐标轴，在任意点处的磁势可以表示为 矩形波磁势分解为基波磁势和谐波磁勢 是与横坐标x对应的电角度Fy1是基波磁势的幅值 线圈磁势在空间的分布情况表达式为 Fy3、Fy5……分别表示3、5……各奇次谐波的幅值和相位，以v表示谐波次数则有 考虑磁势随时间变化，既是空间函数又是时间函数 二、单相绕组的合成磁势 考虑电机磁场原理图采用分布系数、 每相繞组所产生基波磁势幅值为 次谐波磁势的幅值为 单相绕组的磁势方程式为 定义磁势绕组系数 短距系数 单相绕组磁势的几点结论： 3）单相绕組谐波磁势的幅值为基波磁势幅值1/ ν 并谐波磁势绕组系数成正比。采用分布短距绕组可使谐波磁势大为减小 1）位置固定不动，而大小囷极性随电流交变的磁势和磁场称为脉振磁势和脉振磁场。脉振磁势的频率就是交流电流的频率 2）单相绕组磁势既包含有基波，又包含有3、5……无数多个奇次谐波 三、三相绕组基波合成磁势—旋转基波磁势 三相对称绕组通以三相对称电流，在U、V、W三个绕组中分别产生幅值相等、时间互差120电角度的脉振磁势基波磁势方程式分别为 将上列三式相加，得到三相绕组的基波合成磁势为 三相绕组基波合成磁势嘚幅值为单相绕组基波磁势幅值的1.5倍其值发生在 处，即在 当 时（U相电流达最大）磁势幅值出现在 位置（即U相绕组轴线上）