第八章交流电动机

1、第八章 交流电动机教学目标1、了解三相异步电动机的基本结构和工作原理。2、掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性，并能根据其特性来分析三相异步电动机的起动、调速和制动原理。3、了解三相异步电动机的铭牌上数据的含义。4、了解单相异步电动机的结构和工作原理。8.1 三相异步电动机的基本结构与工作原理8.1.1 三相异步电动机的结构图 8-1-1 三相异步电动机的结构三相异步电动机由两个基本部分组成：定子(固定部分)和转子(旋转部分)，如图8-1-1所示。定子由机座、定子铁心和定子绕组三部分组成。机座是用铸钢制成的，它有固定铁心、绕组和支撑端盖的作用。定子铁心是电动机磁路的组成部分，一般是由互相绝缘

2、的硅钢片叠成，见图 8-1-2。铁心的表面冲有槽，用于嵌放三相对称绕组，称为定子绕组。定子绕组是定子中的电路部分，有六个出线端，分别接到机座的接线盒内，以便使用时与三相交流电相联结。8-1-2 定子硅钢片图 8-1-3 转子硅钢片 转子是电动机的旋转部分，用来带动机械负载转动，它主要由转子铁心和转子绕组两部分组成。转子铁心是由许多硅钢片叠成的圆柱体，每一片转子硅钢片的形状如图8-1-3所示。其外圈冲有均匀分布的槽，槽内放置转子绕组。根据转子绕组结构不同分为笼型和绕线式两种。笼型转子是在转子铁心槽内压进铜条，铜条两端分别焊在两个铜环上，如图8-1-4a。由于其形状好像笼型，所以由此得名。为了节省

3、铜材，现在中、小型电动机一般采用铸铝转子，如图8-1-4b所示，即把熔化的铝浇铸在转子铁心的槽内，两个端环和风扇也一起铸成。铸铝转子不仅简化了制造工艺，也降低了成本。 a） b）图 8-1-4 笼型电动机的转子a) 笼型转子 b) 铸铝的笼型转子绕线式转子绕组同定子绕组一样，也是用导线制成对称三相绕组，放置在转子铁心槽内。图8-1-5 绕线式转子结构示意图转子绕组固定联结成丫形，把三个接线端分别接到转轴上三个彼此绝缘的铜质滑环上，滑环与轴也是绝缘的，通过与滑环滑动接触的电刷，将转子绕组的三个始端接到机座的接线盒内，其结构示意图如图8-1-5所示。三个接线端可以把外加的三相变阻器串人转子绕组中，

4、从而改善电动机的起动和调速性能。当不接外加三相变阻器时，必须把三个接线端短接，使转子绕组形成闭合通路，否则电动机将不能转动。 两种转子的电动机只是在转子结构上有所不同，其工作原理完全一样。笼型的最多，最普遍；绕线式电动机有较好的起动和调速性能，一般用于要求起动频繁和在一定范围内调速的场合，如大型立式车床和起重设备等。 8.1.2 三相异步电动机的工作原理8-1-7 两极（一对磁极）旋转磁场a) 三相电流的波形 b) 合成磁场图8-1-6 定子绕组示意图 三相异步电动机的三相定子绕组通人三相电流，便产生旋转磁场，即三相异步电动机的工作原理是基于对旋转磁场的利用，所以先说明旋转磁场是怎样产生的。1

5、旋转磁场1）旋转磁场的产生 三相异步电动机的定子绕组如图8-1-6a所示。它是由在空间彼此相隔120的三组相同的线圈组成(即三相对称绕组)，每组线圈是一相绕组，为了便于分析其基本原理，每组绕组以一个线圈表示。各相绕组的始、末端分别以U1、V1、W1和U2、V2、W2表示。定子绕组可以联成Y，也可以联成，图8-1-6b所示为Y 联结。将定子绕组接在三相电源上，即产生三相正弦交流电流，其波形如图8-1-7a所示。瞬时表达式为=sint=sin(t120)=sin(t240)= sin(t+120) 我们规定电流的正方向是从绕组首端流人，末端流出，三相绕组通入三相电流后，产生了一个随电流交变而在空间

6、不断旋转的合成磁场，这就是旋转磁场。下面我们在图8-1-7中任取几个不同的瞬间进行分析。图中，符号：“”表示电流流人纸面，符号“”表示电流流出纸面。 a)在t0瞬间，0，U1U2绕组中无电流；为负，V1V2绕组中电流的方向与正方向相反，电流从V2到V1，即电流从末端V2流人，从首端V1流出；为正，WlW2绕组中电流的方向与正方向相同，电流从Wl到W2，即电流从首端Wl流人，从末端W2流出。根据右手螺旋定则可知，他们产生的合成磁场如图8-1-7b所示。 b)在t瞬间，为正，U1、U2绕组中电流的方向与正方向相同，即电流从U1到U2；为负，V1V2 绕组中电流的方向与正方向相反， 电流从V2到V1

7、；为负，W1、W2绕组中电流的方向与正方向相反，电流从W2到W1。此时产生的合成磁场如图8-1-7b所示。与前图相比，在定子内空间旋转了90。 同理可以得出在t的瞬间的合成磁场，它在定子内空间又转了90，如图8-1-7b所示。以此下去，可以得出在t和t2瞬间的合成磁场，它从一个位置转到另一个位置。由上分析可见，当定子绕组（三相对称绕组）通过三相电流时，由于电流随时间不断的变化，所以他们产生的合成磁场就在定子内空间不停的旋转。 2）旋转磁场的转速 由以上分析可见，当电流变换一个周期时，旋转磁场在定子内空间转了一转(360)。对于工频而言，由于电源的频率f150Hz，因此旋转磁场的转速 n160f

8、16050Hz3000r/min (8-1-1) 以上是一对磁极(P1)的旋转磁场。在旋转磁场具有两对磁极的情况下，当电流变化一个周期时，旋转磁场在定子内空间仅转半转(180)，比P1的情况下的转速慢了一半，即。由此可见，旋转磁场的磁极对数越多，其转速越慢，二者关系如下： （8-1-2）式中 旋转磁场的转速(r/min)，又称同步转速； f1电源的频率(Hz)； P磁极对数(一般P=l、2、3和4)。 3）旋转磁场的方向 图8-1-7中，三相电流的相序是U1V1W1，旋转磁场的转向与这个相序一致。如果将三相电流的相序改变，将接在三相电源上的三根导线中的任意两根对调一下，按照以上方法分析可以得出

9、，旋转磁场的转向就要改变，即旋转磁场的转向由定子电流的相序决定。 图 8-1-8 转动原理 2 转子转动原理 电动机定子绕组通人三相正弦交流电流产生的旋转磁场，在图8-1-8中以旋转的磁极N、S表示，转子绕组用一个闭合线圈来表示。 旋转磁场以速度顺时针方向旋转，切割转子绕组，转子绕组中产生感应电动势，其方向由右手定则来确定。应该注意，旋转磁场顺时针方向旋转，而转子绕组则是逆时针方向切割磁力线的。在N极下，导体中感应电动势垂直纸面向外(以表示)；在S极下，导体中感应电动势垂直纸面向里(以表示)。由于转子绕组是闭合的，因此在感应电动势作用下会产生电流，其方向与感应电动势相同。转子绕组中的电流与旋转

10、磁场相互作用产生电磁力F，其方向由左手定则确定。电动机转子在电磁力F的方向上随旋转磁场的方向旋转，但异步电动机的转子转速一定低于旋转磁场的转速，两者不同步，这就是异步电动机名称的由来。如果两者相等，转向又相同，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，磁力线不切割转子绕组，转子绕组中就不会感应电动势和电流，电磁转矩也就无法形成。 由于它是靠感应电动势和电流而工作，为此又叫感应电动机。 综上所述，三相异步电动机的工作原理是由定子绕组产生旋转磁场，在转子导体中产生感应电动势和电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，从而形成电磁转矩，转子就转动起来。 通常把旋转磁场的转速(又称同步转速)与转子转速n的

11、差值称为转差，转差与的比值称为转差率，用s表示，即 (8-1-3a)或 (8-1-3b)例8-1 已知一台50Hz的三相异步电动机，额定转速1430r/min，试求该机的磁极对数p和额定转差率。 解 已知1430r/min，因为异步电动机的额定转速略小于同步转速，而50Hz异步电动机同步转速靠近1430r/min的只有1500r/min，所以可以断定同步转速n01500r/min。磁极对数 额定转差率 思考题8-1-1 三相异步电动机的旋转磁场是如何产生的？怎样确定它的转速和转向?8-1-2 有一台三相异步电动机，转子额定转速730r/min，电源频率为50Hz，试求它的磁极对数p和额定转差率

12、。8-1-3 三相异步电动机接通电源后，如果转轴被卡住，长久不能起动，对电动机有什么影响？为什么？8.2 三相异步电动机的特性电动机拖动生产机械工作时，负载改变，电动机输出的电磁转矩随之改变，因此电磁转矩是电动机的一个重要参数。当电动机电磁转矩改变时，电动机转速也会变化，这种反映转子转速和电磁转矩之间的关系曲线称为电动机的机械特性，它是电动机运行的重要特性。8.2.1 转矩特性 因为三相异步电动机的电磁转矩是由转子绕组中电流与旋转磁场相互作用而产生的，所以转矩T的大小与旋转磁场的主磁通及转子电流I2有关。1旋转磁场的主磁通与转子电流 三相异步电动机的电磁关系与变压器类似，定子绕组相当于变压器的

13、一次绕组；转子绕组(一般是短接的)相当于变压器的二次绕组；旋转磁场主磁通相当于变压器中的主磁通，其数学表达式与变压器也相似，为 (8-2-1)式中：旋转磁场每极主磁通； U1定子绕组相电压； K1定子绕组的绕组系数（0k11）； f1电源频率； N1定子每相绕组的匝数。 由于k1、f1、N1都是常数，因此旋转磁场每极主磁通与外加电压U1成正比，当U1恒定时，基本上保持不变。 旋转磁场的主磁通不仅与定子绕组相交链，同时也交链着转子绕组，在转子绕组中产生感应电动势，表达式为 (8-2-2)式中：转子感应电动势； 转子绕组的绕组系数（01）； 转子感应电动势、转子电流的频率； 转子每相绕组的匝数。

14、与变压器不同，异步电动机的转子并非是静止的，而是不断旋转的。对转子而言，旋转磁场是以（）的相对速度切割转子导体，所以转子感应电动势和转子电流的频率 (8-2-3)由上式可见，转子频率f2与转差率s有关，s=1，f2=f1；s越小，f2越低。 将式(8-2-3)代人式(8-2-2)得 E20=4.44k2f1N2 (8-2-4)在s=1时，转子电动势e2的有效值最大，用E20表示，即E20=4.44k2f1N2，而s为任意值时，转子电动势 E2=sE20 (8-2-5) 和变压器一样，在异步电动机中也有漏磁现象。在定子方面有一小部分磁通只交链定子绕组，不交链转子绕组，称为定子绕组漏磁通；同理，在

15、转子方面也有一小部分磁通只交链转子绕组不交链定子绕组，称为转子绕组漏磁通。2于转子电路存在漏磁通，在转子绕组中引起漏感抗，因而使转子感应电动势与转子电流i2之间出现相位差，这样对电磁转矩T的大小有影响，所以转矩T不仅与旋转磁场的主磁通、转子电流有效值I2有关，而且还与转子电路功率因数cos有关。综上所述，三相异步电动机的转矩公式为 (8-2-6)式中：转矩常数。转矩T的国际单位是Nm。而当电源频率不变时，转矩T与转差率s、转子电阻、定子绕组相电压有关，并且有下式成立 (8-2-7) 式中：与电动机结构有关的比例常数。3转矩特性图8-2-1 三相异步电动机的转矩特性曲线由式(8-2-7)知，在电

16、源频率、电源电压和转子电阻一定时，转矩T是随着转差率s而变化的，其变化的曲线T=(s)，称为三相异步电动机的转矩特性，如图8-2-1所示。当s很小时，可以忽略，则T随s的增加而增大；当s较大时，可以忽略，则T随s的增大而减小。每台三相异步电动机都有它的转矩特性曲线，是它的固有特性。 由图8-2-1可以看出当s从0变到1之间，转矩T有一个最大值，对应最大转矩的转差率称为临界转差率。它可以通过式(11-2-7)对s微分， 并令=0得到 (8-2-8)将式(8-2-8)代人(8-2-7)，可得最大转矩 (8-2-9) 由式(8-2-8)、(8-2-9)可知，最大转矩Tm与转子电阻R2无关，但临界转差

17、率Sm与R2有关。因此，在三相绕线式异步电动机的转子电路中串人外接的附加电阻之后，电动机的最大转矩Tm值不变，但临界转差率Sm值改变了，因此转子串人电阻后可以使电动机的T=f(s)曲线形状发生变化，如图8-2-2所示，转子电阻R2增大，临界转差率Sm增加。图8-2-2 不同转子电阻时的转矩特性曲线 （R2” R2R2） 由式(8-2-7)可知，在其它参数不变的情况下，电磁转矩T与电压的平方成正比，所以供电电压的波动对电动机转矩影响较大。电压U1变化时，临界转差率Sm并不改变。图8-2-3 示出了不同电压下的转矩特性曲线。 图8-2-3 定子绕组相电压不等时的特性曲线 （U1” U1U1） 8.

18、2.2 机械特性图8-2-4 三相异步电动机的机械特性曲线在电力拖动中，为了便于分析，通常把T曲线改画成曲线，称之为电动机的机械特性。若把曲线中的转差率s坐标改换成转子的转速n，并按顺时针方向转过90，再将转矩T的横坐标下移，即得异步电动机的机械特性曲线，如图8-2-4所示。电动机在接通电源，刚被起动的一瞬间n=0，s=1，此时的转矩称为起动转矩，即图11-2-4中的d点。当起动转矩大于电动机轴上的负载转矩时，电动机就转动起来，并逐渐加速，电动机的转矩T沿着曲线的dc段上升，经过最大转矩后又沿ca段逐渐下降。最后当时，电动机就以某一转速n等速旋转，如图8-2-4中的g点。当电动机在ac段工作时

19、，如把负载转矩突然增大，则在该瞬间，于是转速n下降，转矩T自动增大，直至增大到时，n不再降低，电动机便在较低的转速下达到新的平衡；反过来，如果突然减小，电动机将在较高的转速下稳定运行。这说明在ac段，无论负载怎样变化，只要，电动机轴上输出转矩必定随负载而变化，最后达到转矩平衡，并稳定运行，所以 ac段称为电动机的稳定运行区。在ac段，电动机具有自动适应负载变化的能力。三相异步电动机机械特性的稳定运行区比较平坦，转矩T从零值增大到最大值时，电动机的转速n下降不多，这种特性称为硬的机械特性，简称硬特性。如果电动机工作在cd段，当负载转矩增加使转速n降低时，电磁转矩T反而减少，会使电动机的转速越来越

20、低，直至停转；当减小时，电动机转速又会越来越高，直到进入稳定区运行。所以cd段称为电动机的不稳定运行区。三相异步电动机的曲线上有三个重要转矩，即额定转矩(b点)、最大转矩(c点)、起动转矩(d点)。1额定转矩 额定转矩是电动机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率时，其轴上输出的转矩。因为电动机转轴上的功率P等于角速度与转矩T的乘积，即P=T，故 (8-2-10)式中：额定功率(kW)； 额定转速(r/min)； 额定转动角速度(rad/s)。2最大转矩 最大转矩是电动机转矩的最大值。为了描述电动机允许的瞬时过载能力，通常用最大转矩与额定转矩的比值来表示，称为过载系数，即 (8-2-11)

21、 一般三相异步电动机的过载系数在1.62.0之间。特殊用途的异步电动机，如起重用电动机、冶金机械用电动机的过载系数可超过2.0。电动机的，目的是给电动机工作留有余地，使它在受到突然冲击性负荷时，不致于因电动机转矩低于负载转矩而发生停机事故。但为了避免电动机出现过热现象，一般不允许电动机在超过额定转矩的情况下长期运行。 3起动转矩 起动转矩是电动机刚接入电源时所产生的转矩值。将s=1代人式(8-2-7)，可得起动转矩 （8-2-12）此式表明，起动转矩也与外加电压成正比；另外起动转矩与转子电阻有关，所以在绕线式异步电动机的转子电路中串入附加电阻后，起动转矩会增大。起动转矩与额定转矩的比值称为电动

22、机的起动能力，即 (8-2-13)起动能力反映出电动机带负载起动的能力，一般三相鼠笼式异步电动机的起动能力在1.0左右，特殊的(高起动转矩)鼠笼式异步电动机的可达到2.0左右。绕线式异步电动机的起动能力较大，达到3.0左右。例8-2 有一台三相笼形异步电动机，其额定功率55kW，额定转速1480r/min，求电动机的额定转矩、起动转矩和最大转矩各是多少？解： 因为 所以 起动转矩 最大转矩 思考题8-2-1 什么是电动机的机械特性？为什么说异步电动机是硬特性电机？8-2-2 如果异步电动机长时间在不适当的低压下运行将导致什么后果？8-2-3 在什么条件下电磁转矩近似与转差率成正比？8.3 三相

23、异步电动机的铭牌数据电动机应该在一定条件下使用，才能充分发挥它的作用而不至于损坏。这些条件由制造厂给出，称为额定值。把它们打印在电动机外壳上的一块铭牌上，为了正确使用电动机，必须了解铭牌上各个技术数据的意义，现以Y系列三相笼型异步电动机为例来说明。下面是某个三相异步电动机的铭牌。 三相异步电动机的铭牌三相异步电动机型 号 Y132M-4 功 率 7.5KW 频 率 50Hz电 压 380V 电 流 15.4A 接 法 转 速 1440r/min 绝缘等级 B工作方式 连续年 月 日 电机厂 1型号 电动机的型号由大写字母和阿拉伯数字组成，各有一定含义。 例如 Y132M-4 其中 Y-表示异步

24、电动机； 132-表示机座中心高(mm)； M-表示机座长度代号(M表示中机座；S表示短机座；L表示长机座)；4-表示磁极数为4。2功率 铭牌上所标出的功率是在额定运行情况下，电动机的转轴上输出的机械功率，又叫容量，用(或)表示。它与电动机从电源取用的输入功率并不相等，它们之比称为效率。电动机为三相对称负载，从电源输入的功率用下式计算： （8-3-1）式中UN、IN分别为额定线电压、线电流。3电压和接法 铭牌上所标出的电压是电动机额定运行时加在定子绕组上的线电压值。用表示。Y系列基本型电动机的额定电压为380V。容量为3kW以下为Y接法，4kW以上者为接法。对于前者，如果三相电源线电压为220

25、V，应接成。4电流 铭牌上所标出的电流是电动机额定运行时定子绕组的线电流值，用表示。5转速 是指在额定电源电压、额定频率和电动机输出额定功率时，电动机每分钟的转数称为额定转速。 6频率 我国规定工频为50Hz。 7 绝缘等级和温升 绝缘等级与电动机所用绝缘材料有关。各种绝缘材料的耐温能力不一样。温升是指电动机运行时高出周围环境温度值。我国规定了环境最高温度为40C。对应各绝缘等级的温升，请见下表： 表8-3-1绝缘材料的绝缘等级与允许温升的关系绝缘等级AEBFHC绝缘材料允许的温度105120130155180180以上电动机的允许温升607580100125125以上 8 工作方式 铭牌上所

26、标出的工作方式按规定分为连续、短时、断续。 其中“连续”是指电动机在额定运行情况下长期连续使用；“短时”是指电动机只能在限定的时间内短时运行；“断续”是指电动机以间歇方式运行。此外，它的主要技术数据还有：功率因数、起动电流、起动转矩和最大转矩等。思考题8-3-1 异步电动机的铭牌电压、电流和功率是指什么电压、电流和功率？8.4 三相异步电动机的使用与维护为了能正确地使用和选择三相异步电动机，本节将叙述三相异步电动机的起动、调速、反转、制动的原理和方法以及维护注意事项。8.4.1 起动 异步电动机接入三相电源后，电动机从静止状态过渡到稳定运转状态的过程称为起动。 电动机起动时，起动转矩Tst必须

27、大于负载转矩TL，它们的差值越大，则起动时间越短，但是差值也不能过大，否则会使传动机构(齿轮)受到冲击而损坏。对频繁起动的生产机械(如起重运输机械等设备)，起动过程时间的长短要加以考虑，因为它对劳动生产率有影响。电动机起动的初始瞬间，n=0，s=1，旋转磁场以最大的相对转速切割转子绕组，在转子绕组中产生最大的感应电动势和感应电流，因而定子电流也最大(与变压器原理相同)。此瞬间的电源线上的电流称为起动电流Ist。一般中、小型三相鼠笼式异步电动机的起动电流Ist约为额定电流IN的47倍。只要电动机不频繁起动，起动电流对电动机本身影响不大。因为起动电流虽大，但起动时间很短(小型电动机只有零点几秒，大

28、型电动机约为十几秒到几十秒钟)，从发热的角度考虑没有问题，并且一经起动后，电动机的转速很快升高，电流便很快减小了。但是当电动机频繁起动或电动机容量较大，起动电流造成输电线路上的压降较大，影响接在同一电网中其它用电设备的正常工作时，就需要采取措施降低电动机的起动电流。 综上所述，电动机起动时应当考虑：第一，是否要限制起动电流，若不需要，就可以用刀闸或其它设备直接将电动机接到电源上去，这种情况称为全压起动或直接起动；第二，若要求限制起动电流，在限制起动电流的同时应当使电动机保持有足够的起动转矩，并且起动设备尽可能简单经济，操作方便。 由于起动方法与电动机的转子结构有关，下面分别介绍鼠笼式和绕线式电

29、动机的起动方法。1 鼠笼式电动机的起动方法 三相鼠笼式异步电动机常用的有全压起动(直接起动)和降压起动两种方法o 1)全压起动(直接起动) 虽然全压起动存在起动电流大的缺点，但这种起动方法最简单，操作很方便，所以一般对于小容量的三相鼠笼式异步电动机，如果电网容量足够大，应尽量采用全压起动。可参考下面经验公式来确定电动机能否全压起动，即 (8-4-1)式中：电源变压器总容量； 电动机容量。 如果计算结果不能满足上式时；应采用降压起动。 2)降压起动 利用起动设备将电源电压适当降低后加到电动机定子绕组上起动，以限制电动机的起动电流，待电动机转速升高到接近稳定时，再使电压恢复到额定值，这种起动过程称

30、降压起动。由于起动电压的降低，起动转矩也显著减小了，因此降压起动只能用于空载或轻载起动，起动完毕后再加上机械负载。常用的降压起动方法有Y换接起动、自耦降压起动等。图8-4-1 Y换接起动的线路图(1)Y换接起动 Y换接起动只适用于正常运行时定子绕组为三角形联结的电动机。起动时，先将定子绕组接成星形，待转速上升接近正常转速时，再换接成三角形运行。Y换接起动的线路如图8-4-1所示。 采用Y换接起动时，因电动机定子绕组为Y联结，故各相绕组上的电压减小到联结的1/，起动时每相绕组中的电流也相应减小到接法的1/；又由于联结时线电流是相电流的倍，而Y联结时线电流等于相电流，所以采用Y换接起动，电动机的起

31、动电流(线电流)减小到直接起动时的1/3，即/3，有效地限制了起动电流。并且由于电动机的电磁转矩与它的外加电压的平方成正比，所以Y联结时的起动转矩也减小到联结直接起动时的起动转矩的1/3，即。Y换接起动的优点是设备简单，成本低，运行比较可靠，维护方便。所以目前4kWlOOkW的三相鼠笼式异步电动机定子绕组都是联结，以便采用Y换接起动。 图8-4-2 自耦降压起动的线路图 (2)自耦降压起动 自耦降压起动是利用三相自耦变压器将电动机起动时的端电压降低，其线路如图8-4-2所示。起动时，自耦变压器的高压侧接至电网，低压侧接电动机定子绕组，待转速上升接近正常转速时，切除自耦变压器，电动机的定子绕组直

32、接与电网相接，进人正常运行状态。 图8-4-3 绕线式电动机转子串电阻三级起动线路图 由变压器的变换电流的作用可知，变压器一次电流为二次电流的1/k倍(k是变压比)，电动机的起动电流就是自耦变压器的二次电流，而供电线路的电流是自耦变压器的一次电流。因此采用这种降压方式，可使供电线路的电流减小为直接起动时起动电流的倍。同时，降压起动的起动转矩 也减小为直接起动时起动转矩的倍。 自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头，如73、64、55(即1/k=0.73、0.64、0.55)，用户可以根据对起动电流和起动转矩的要求加以选用。 自耦降压起动的优点是起动电压可根据需要选择，但设备体积大、重量重、成本高，

33、还需经常维修。自耦降压起动适用于容量较大或正常运行时连接成星形的三相鼠笼式异步电动机。2 绕线式电动机的起动方法 既要求限制起动电流又要求有高起动转矩时，可采用绕线式电动机拖动，如起重机械等。绕线式电动机转子绕组中串人附加电阻后，可以降低起动电流又增大起动转矩。图8-4-3所示的是绕线式转子串电阻三级起动(即分三次切除)的原理接线图。刚起动时，全部起动电阻都串入转子电路，这时转子回路每相电阻为，随着转速的升高，逐级切除(即短接)、，直到电动机转速接近正常转速时，再切除，将转子绕组短接，进入正常运行状态。 8.4.2 调速 在同一负载下，用人为的方法使电动机的转速从某一数值改变为另一数值，以满足

34、生产需要，这种情况称为调速。由转差率可知，电动机转速 （8-4-2）可见，要调节异步电动机的转速，可采用改变电源频率、改变磁极对数p和改变转图8-4-4变频调速装置的原理差率s的方法来实现。 1改变电源频率调速图8-4-5 定子绕组改接成不同极对数的线路图a)串联 b)并联 我国电网频率为50Hz，所以用变频法调速时，需有专门的变频设备，近年来主要采用晶闸管变频装置，如图8-4-4所示。该装置由晶闸管整流器和晶闸管逆变器组成。整流器先将频率50Hz的交流电变换成直流电，再由逆变器变换成频率可调、电压可调的三相交流电，供给三相异步电动机调速之用。由式可知，所以在改变电源频率调速时，为了保持主磁通

35、不变，还必须改变电源电压，并保持/比值不变。 变频调速平滑性好，可以做到无级调 速，调速范围广，机械特性硬，效率高。但变频设备较复杂，价格较贵。随着晶闸管变流技术的不断发展，这种变频调速方法应用将会日益广泛。2改变磁极对数调速 这种调速方法只适用于三相鼠笼式异步电动机，不适用于三相绕线式异步电动机。因为鼠笼式电动机转子的磁极数可以随定子磁极数的改变而改变，而绕线式电动机的转子绕组在转子嵌线时就已确定了磁极对数，一般情况很难改变。 采用变极调速的电动机一般每相定子绕组由两个相同的部分组成，这两部分可以串联也可以并联，通过电动机外部接线改变联结方式。在串联时，其磁极对数是并联时的两倍，而转子的转速

36、为并联时的一半。图8-4-5画出了其中一相绕组改接前后所产生的磁场分布情况。由于定子绕组的磁极对数只能成对的改变，所以转速也只能按级来调节。绕组的极对数可以改变的电动机称为多速电动机。多速电动机可以做到二速、三速、四速等。 变极调速比较经济、简便，目前已普遍应用在机床上，以简化机床的传动机构。3改变转子电路电阻调速 通过在转子绕组串联附加电阻的方法改变转差率调速，这种调速方法只适用于绕线式异步电动机。在转子电路中串人不同阻值的调速电阻(和起动电阻一样接人)时，电动机的机械特性硬度有所变化，如图8-4-3所示。从图中可以看出，在同一负载下，如转子电路电阻增加时，将使电动机的转差率增大，转速下降。

37、 绕线式异步电动机转子串电阻调速时，调速电阻消耗电能大，效率低，并且随着调速电阻的增大，机械特性将变软，运行稳定性将变差，但是由于调速设备简单，操作方便，故仍广泛应用在起重设备中。 4反转 三相异步电动机的转动方向与旋转磁场的旋转方向一致，旋转磁场的转向又取决于定子绕组通入的三相电流的相序，因此只要把接到电动机上的三根电源线中的任意两根对调一下，电动机便反向旋转。8.4.3 制动在电动机旋转的反方向加上制动力矩，迫使转子停转或限制其转速的措施叫做制动。 正在运行的电动机，断开电源后，由于转子本身惯性的作用，并不能立即停转。而在某些生产机械上，为了提高生产效率，要求电动机迅速停转，或有的机械从安

38、全角度考虑，要求限制电动机不致过速(例如起吊的重物下降时)，为此必须对电动机进行制动控制。三相异步电动机常用的制动方法有以下几种。1能耗制动 能耗制动是在切断电动机定子绕组三相电源后，立即将一直流电源接人任意两相定子绕组中，其制动原理及线路图如图8-4-6所示。当定子绕组通人直流电流时，在电动机内便产生一个恒定的不旋转的磁场，此时转子由于惯性仍继续旋转，转子导体将切割此磁场产生感应电动势和感应电流。不难看出，载流导体在该磁场作用下所产生的电磁转与电动机的旋转方向相反，为制动转矩。在的作用下，电动机将迅速停转。制动转矩的大小与通人定子绕组直流电流的大小有关，可通过调节电阻R值来控制。电动机停转后

39、，转子与磁场相对静止，制动转矩也随之消失。这种制动方法是把电动机轴上的旋转动能转变为电能，消耗在转子回路电阻上，故称为能耗制动。能耗制动的特点是制动准确、平稳，但需直流电源，且制动转矩随转速降低而减小。2反接制动反接制动是在电动机需要停下时，将电动机与电源相联的三根电源线任意对调两根，待转速接近于零时，再把电源切断。当电动机反接后，旋转磁场便反向旋转，转子图-4-6 能耗制动原理及线路图 图8-4-7 反接制动原理图绕组中的感应电动势和感应电流的方向也都随之改变，如图8-4-7所示。这样，转子所产生的电磁转矩与转子的转动方向相反，为一制动转矩。在作用下，电动机的转速很快地下降到零。当电动机的转

40、速接近于零时，应立即切断电源，否则电动机会反向起动。因此，常采用速度继电器来自动切除电源。 反接制动时，由于转子导体以速度切割旋转磁场，因此转子绕组感应电流增大定子绕组中的电流也随之增大。为了限制电流，对功率较大的电动机进行反接制动时，必须在定子电路(鼠笼式)或转子电路(绕线式)中串人适当的电阻。图8-4-8 反馈制动原理图 反接制动制动力强，停转迅速，无需直流电源，但制动过程中冲击大，电路消耗多。3 反馈制动用于限制电动机的转速而不是停转。当电动机转速n超过旋转磁场的转速时，电动机转入发电机运行，这会改变转子电流和电磁转矩的方向，即使转矩变成制动转矩，阻止电动机加速，起到限制转速的制动作用，

41、其原理如图8-4-8所示。反馈制动经常发生在起重机下放重物时，以使重物能稳定下降。在制动过程中，电动机将负载送来的动能，转换为电能，返送给电网，所以称为反馈制动。8.4.4 维护为了保证电动机的正常工作，除了应按操作规程正确使用外，还应进行定期检查和保养。其间隔时间可根据电动机的类型、使用环境决定。主要检查和维护保养事项为：(1)电动机应经常保持清洁，最好每隔几天就清扫一次，以及时清除其机座外部的灰尘、油污和杂物等。(2)经常检查轴承有无发热、漏油等情况，并定期更换润滑脂(一般可半年更换一次)。在更换润滑脂时应先将轴承盖用煤油清洗，然后再用汽油予以清洗干净。更换加入的新润滑脂数量，以充满轴承室

42、空间的1/21/3为宜。 (3)应经常检查电动机接线板的螺丝是否松动或烧伤，如有此情况，应予以紧固和用同等绝缘包垫修复。 (4)应定期检查起动控制设备，观察所有触头有无烧伤、氧化或接触不良等，如发现问题应立即维修保养。(5)定期检查电动机的绝缘电阻。由于绝缘材料的绝缘能力因干燥程度不同而异，所以保持电动机绕组的干燥是极为重要的。若电动机工作环境潮湿或有腐蚀性气体等存在，均有可能破坏电动机的绝缘。因此，在电动机的运行和使用中，应经常检查其绝缘电阻，同时还应注意查看电动机外壳接地是否可靠。(6)除按以上几项内容对电动机定期检查和维护保养外，当其运行一年后，应大修一次。大修的目的在于对电动机进行一次

43、全面、彻底的检查和维护保养，增补和更换电动机缺少或磨损的零、部件；彻底清除电动机内外的灰尘、杂物；检测绕组绝缘的情况；清洗轴承并检查其磨损情况，及时发现问题并立即予以处理，将可延长电动机的工作寿命。思考题8-4-1 异步电动机的基本起动方式有几种？鼠笼式电动机有几种起动方式？8-4-2 常用的降压起动方法有几种？为什么降压仅适用于空载或轻载起动？8-4-3 异步电动机的制动方法有哪几种，它们的优缺点是什么？8.5 单相异步电动机在只有单相电源或只需要较小容量电动机的地方(如电钻、电风扇、电唱机、录音机、自动化仪表等)，常常采用单相异步电动机。单相异步电动机的结构特征为：定子绕组单相，转子大多是

44、笼型；其磁场特征为：当单相正弦电流通过定子绕组时，会产生一个空间位置固定不变，而大小和方向随时间作正弦交变的脉动磁场，而不是旋转磁场，如图8-5-1所示。由于脉动磁场不能旋转，故不能产生起动转矩。假如转子原来是静止的，在脉动磁场作用下，它仍然是静止不动的，如果将转子拨动一下，转子便顺着拨动方向转动起来，可见脉动磁场不能使电动机自行起动，但一经起动后，脉动磁场产生的电磁转矩能使其继续沿原旋转方向运行。为了使单相异步电动机通电后能产生一个旋转磁场，自行起动，常用电容式、罩极式和电阻分相式三种方法。下面介绍电容式、罩极式和电阻分相式单相异步电动机的基本工作原理。8.5.1 电容分相式电动机图8-5-

45、2为电容式单相异步电动机的结构原理图。电动机定子上有两个绕组U1、U2和V1、V2。U1、U2是工作绕组，Vl、V2是起动绕组。两绕组在定子圆周上的空间位置相差90，如图8-5-2a所示。起动绕组Vl、V2与电容C串联后，再与工作绕组U1、U2并联接人电源。工作绕组为感性电路，其电流滞后于电源电压一个角度，当电容C的容量足够大时，起动绕组为一容性电路，电流超前于电源电压一个角度，如果电容器的容量选择适当，可使两绕组的电流的相位差为90，这称为分相。即电容器的作用使单相交流电分解成两个相位相差90的交流电。其接线图和向量图分别如图8-5-2b、c所示。 a) b) c) 图 8-5-1 单相异步

46、电动机 图 8-5-2 电容式单相异步电动机 的脉动磁场 a) 绕组的空间位置 b) 接线图c) 电压电流相量图 a) b) 图8-5-3 电容式单相异步电动机的电流波形和旋转磁场 a) 电流波形 b) 旋转磁场图8-5-4 电容式单相异步电动机的反向旋转空间位置相差90的两个绕组通人相位相差90的两个电流以后，在电动机内部就会产生一个旋转磁场。在该旋转磁场的作用下，电动机便产生起动转矩，转子就自行转动起来。其分析方法如同三相异步电动机的转动原理一样。如图8-5-3是电容式单相异步电动机的电流波形和旋转磁场图。电容式单相异步电动机起动后，起动绕组可以留在电路中，也可以在转速上升到一定数值后利用

47、离心开关的作用切除它，只留下U1、U2绕组工作。这时，电动机仍能继续运转。电容式单相异步电动机也可以反向运行，如图8-5-4，其工作原理读者可自行分析。8.5.2 罩极式异步电动机 单相罩极式异步电动机按照磁极形式的不同，分为凸极式和隐极式两种，其中以凸极式结构最为常见，如图8-5-5所示。 凸极式单相罩极异步电动机单相主绕组套装在定子凸极铁心上，在每个磁极极靴的1/31/4处开有一个小槽，槽中嵌入短路铜环将小部分极靴罩住。当主绕组接通单相交流电流时，将产生一个脉动磁场，其磁通的一部分通过磁极的未罩部分，另一部分磁通穿过短路环通过磁极的罩住部分。由于短路环的作用，当穿过短路环中的磁通发生变化时

48、，短路环中必然产生感应电动势和感应电流，根据楞次定律，该电流的作用总是阻碍磁通的变化，这就使穿过短路环部分的磁通滞后通过磁极未罩部分的磁通，造成磁场的中心线发生移动，如图8-5-6所示，于是在电动机内部就产生了一个移动磁场，相当于一个旋转磁场。转 图8-5-5凸极式单相罩极异步电动机结构示意图1-凸极式铁心 2-短路环3-定子绕组 4-转子子在此移动磁场作用下，获得起动转矩而转动起来。 由图8-5-6可以看出，磁场的中心线总是从磁极的未罩部分转向磁极的被罩部分，所以罩极式电动机转子的转向总是从磁极的未罩部分转向磁极的被罩部分，即转向不能改变。单相异步电动机的优点是能在单相电源上使用，其性能不如

49、三相异步电动机，它的功率因数和效率都较低，过载能力较差，震动声较大，与同样功率的三相异步电动机相比其体积大，成本高，因此，目前主要生产小型的单相异步电动机，其容量一般不到1KW。a) b) c)图8-5-6 单相罩极式电动机移动磁场的形成a)电流增加 b)电流不变 c)电流减小8.5.3 电阻分相式单相异步电动机 图8-5-8电阻分相式单相异步电动机 图8-5-9PTC元件的工作特性如果将图8-5-2b中的电容C换成电阻R就构成电阻起动单相电动机，如图8-5-8所示。这种电动机的特点是起动绕组Z1Z2的导线直径较细，主绕组的导线直径较粗，则起动绕组的电阻值比主绕组大，使流过起动绕组与主绕组中的电流有一定的相位差，在定子与转子气隙中产生旋转磁场，使转子获得转矩而转动，这种电动机起动转矩不大，宜于空载起动。家用电冰箱中拖动压缩机的单相异步电动机目前较多采用电阻分相单相异步电动机。它是利用一个热敏电阻R(称为PTC元件)与起动绕组串联。PTC元件的工作特性如图8-5-9所示，但温度t较低时，PTC元件本身电阻值R很小，当高于一定