电工技术基础（第5版）（微课版）（AR H5交互版）课件 项目5 异步电动机及控制技术

项目5异步电动机及控制技术任务5.1认识三相异步电动机任务5.2异步电动机的的电磁转矩和机械特性任务5.3异步电动机的控制技术利用电磁原理实现电能与机械能相互转换的机械装置，称为电机。从能量转换的角度来看，电动机是把电能转换为机械能的一种动力机械。根据用电性质的不同，电动机可分为直流电动机和交流电动机。交流电机主要包括异步电机和同步电机两大类；两类电机在结构上既具有共同之处，又各有其自身特点。共同之处在于定子铁心和绕组，不同之处在于转子结构和绕组。由于工农业生产和日常生活中通常使用的是交流电，因此交流电动机得到了极其广泛的应用。其中异步电动机的应用最为广泛，厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。项目导入

从能量转换的角度来看，电动机是把电能转换为机械能的一种动力机械。根据用电性质的不同，电动机可分为直流电动机和交流电动机。交流电动机主要包括异步电动机和同步电动机两大类，两类电动机在结构上既具有共同之处，又各有其自身特点。共同之处在于定子铁心和绕组，不同之处在于转子结构和绕组。由于工农业生产和日常生活中通常使用的是交流电，因此交流电动机得到了极其广泛的应用。其中异步电动机的应用最为广泛，厂矿企业、交通工具、娱乐、科研、农业生产、日常生活都离不开异步电动机。项目导入

通过本项目的学习，读者应初步理解异步电动机的结构组成及其控制技术，了解新材料的应用使异步电动机更加节能，理解新技术对降低电动机的启动电流、平滑地调速能过载能力的提升，还有对大电机的保护、提高效率等都直到很大的改进。知识目标

了解三相异步电动机的结构和工作原理，熟悉三相异步电动机的铭牌数据，了解单相异步电动机的组成和工作原理，理解和掌握异步电动机的电磁转矩和机械特性，理解和掌握三相的控制技术，了解三相异步电动机的选择原则。。技能目标

理解三相异步电动机的启动、调速、反转与制动的控制方法，具有对三相异步电动机的启动、正反转进行控制的技能和能力。任务5.1

认识三相异步电动机提出问题

三相异步电动机在电动机中的地位如何？你了解三相异步电动机的结构组成吗？你理解三相异步电动机的工作原理吗？你对三相异步电动机的铭牌数据了解多少？单相异步电动机有什么显著特点？

经典的三相异步电动机，其优点是结构简单、运行可靠、效率高、制造容易、成本低、维修方便，因此在工程应用和实际生产中得到了极其广泛的应用，如在轧钢厂中被用来拖动中小型轧钢机，在矿山上被用来拖动卷扬机和鼓风机等等。三相异步电动机属于一种典型的三相用电器，其缺点是功率因数低、调速性能差。知识准备5.1.1三相异步电动机的结构组成三相异步机是由定子和转子组成的三相异步电动机定子转子

三相异步电动机具有结构简单、制造成本低廉、使用和维修方便、运行可靠且效率高等优点，被广泛应用于工农业生产中的各种机床、水泵、通风机、锻压和铸造机械、传送带、起重机及家用电器、实验设备中。

异步电动机的定子指其固定不动部分，主要包括有：机座机座是电动机的支架，通常用铸铁或铸钢制成。定子铁芯铁芯硅钢片

异步电动机的定子铁芯是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成的。定子铁芯内圆冲有分布的槽。定子铁芯构成异步电动机磁路的一部分。定子绕组定子绕组是由漆包线绕制而成，嵌入到定子铁芯槽中。构成电机电路的一部分。一般用45号钢制成，用来传递电磁转矩。

异步电动机的转子指其旋转部分，主要部件包括：转子铁芯也是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成。在其内圆冲有均匀分布的槽，用来嵌放转子绕组。转子铁芯构成电动机磁路的又一部分。转子铁芯铁芯硅钢片转子绕组转轴转子绕组大部分是浇铸铝笼型，大功率也有铜条制成的笼型转子导体。转子绕组构成电动机电路的另一部分。

绕线式异步电动机的转子结构中，转子铁芯与鼠笼式相类似，但转子绕组与定子绕组相同，也是采用漆包线绕制成对称三相绕组，嵌放到转子铁芯中。绕线式转子三相绕组必须连接成星形，三个向外的引出端子与固定在转轴上的三个相互绝缘的铜环相接，如下图所示：

由于绕线式异步电动机的能采用转子绕组串电阻起动和调速，因此起动性能和调速性能均比鼠笼式异步机优越。转轴转子铁芯固定在转轴上的三个铜滑环。Y接三相转子绕组分别与三个铜滑环相联。变阻器电刷电刷与滑环紧压，并通过输电线与变阻器相联。显然，三相绕线式异步机的转子绕组是闭合的。5.1.2

三相异步电动机的工作原理

设三相异步电动机模型的定子磁极是顺时针转动的。固定不动的转子绕组和旋转的定子磁场相切割而感应电动势。

转子绕组是闭合的，因此感应电动势在绕组中产生感应电流。感应电流的方向与感应电动势的方向相同。

载流的转子绕组处在磁场中，必定受到电磁力的作用。

两个电磁力的大小相等、方向相反，因此对电动机转轴形成了电磁转矩。于是转子就顺着定子磁场的方向转动起来。NS模型电机的定子磁极模型电机的转子绕组eei2FFn0电机转动的关键是：旋转的定子磁场！n用右手定则判断用左手定则判断三相异步电动机是如何转动起来的？实际三相电动机的旋转磁场是如何产生的呢？

在电动机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电；AXBYCZωt0iωt=0时电流和磁场情况×A、C两相电流t=0时为正，因此首端流入、尾端流出。××B相电流t=0时为负，尾端流入、首端流出。

电流入

电流出NSn0相邻线圈电流流向一致，在气隙中生成合成磁场，方向为：ωt0iωt=120°AXBYCZωt=120°时电流和磁场情况×××NSn0

显然，电流随时间变化120°电角，电动机的气隙磁场在空间的位置也随之旋转了120°。

观察电流波形图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相电流的顺序，A→B→C正序时气隙磁场顺时针旋转。ωt0iωt=240°AXBYCZωt=240°时电流和磁场情况×××NSn0

电流随时间继续变化，经历了120°电角的同时，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了120°。ωt0iωt=360°AXBYCZωt=360°时电流和磁场情况×××NSn0

电流随时间变化一周，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了360°。

可见，工程实际中，三相异步电动机定子和转子之间的气隙旋转磁场代替了模型电机定子的转动磁极。归纳：只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间空间位置不断变化的旋转磁场。AXBYCZ×××n0三相异步电动机工作原理概括

在电动机对称三相定子绕组中通入对称三相交流电流产生气隙旋转磁场NS转子导体与磁场相切割感应电动势，由于闭合生成感应电流载流导体受电磁力的作用形成力偶力偶对电机转轴形成电磁转矩从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来。FF

若要改变电动机的旋转方向，只需任意改变通入定子绕组中两相电流的相序即可。三相电动机旋转磁场的转速与哪些因素有关？AXBYCZ

设电动机各相定子绕组有四个线圈，各相首尾相接顺串后分别构成三相定子绕组时，其磁极对数：AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZ

当电动机各相定子绕组的四个线圈首接首、尾接尾连接后分别构成三相定子绕组时，其磁极对数：SN

显然，频率不变时，电动机旋转磁场的转速取决于电动机的极对数p。四极旋转磁场转速的分析AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZ

相邻线圈电流的流向一致，其合成磁场的分布情况为：ωt0iωt=0°时××××ωt=120°时AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZ××××

电流变化120°，旋转磁场在空间的位置仅转过了60°；当电流变化360°时，四极电动机的旋转磁场才能旋转180°。显然，四极旋转磁场的转速是二极电机的1/2。

依此类推，可得电动机旋转磁场的转速与极对数之间的关系为：

电动机通常工作在50Hz的工频情况下，因此：

即：异步电动机旋转磁场的转速与电源频率成正比，与电机的极对数(出厂时就已经确定)成反比。当电源频率不变时，改变电机的极对数，即可得到不同的转速。有关转差率的讨论

电动机的转差速度与磁场转速之比称为转差率，用s表示：

显然，电动机的转差率随着电动机转速的升高而减小。(1)电动机起动瞬间，电动机转速n=0，转差率s=1；(2)电动机转速最高时，转速n≈n0，转差率s≈0；(3)电动机运行过程中，转速0<n<n0，转差率0<s<1；问题与讨论

电动机的转速n能等于旋转磁场的转速n0吗？分析如果二者相等，则转子与旋转磁场之间产生感应电流成为载流导体→不是载流导体就无法在磁场中n≠n0，异步！就没有了相对切割→转子不切割磁场就不能受力→不受力电动机就永远转运不起来。例解有一台三相异步电动机，其额定转速为975r/min。试求工频情况下电动机的磁极对数和电动机的额定转差率。由于电动机的额定转速接近于旋转磁场的转速，所以即该电动机的极对数p=3，同步转速n0=1000r/min。额定转差率为：5.1.3

三相异步电动机的铭牌数据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Δ转速1440r/min绝缘等级B工作方式连续标准编号工作制S1

B级绝缘年月编号××电机厂Y表示异步机，132(mm)表示机座中心高；M代表中机座(L长机座、S短机座)，-4代表4极电机。额定功率指的是电动机输出的机械功率。额定电压、电流均指电动机额定运行情况下的定子线电压、线电流的数值。额定转速指的是电动机转子的转速n。

三相异步电动机的定子绕组有两种接法：Y形和Δ形

。

三相定子绕组由机壳外面的接线盒引出，如图示：Y形接线Δ形接线5.1.4单相异步电动机简介

实验室、家庭及办公场所通常是单相供电，因此实验室的很多仪器、各种电动小型工具、家用洗衣机、电冰箱、电风扇等，都采用单相异步电动机。单相异步机采用鼠笼式转子结构，一般容量多在0.75kW以下。电容运转单相机洗衣机电动机电风扇电动机单相异步电动机产品图

三相异步电动机只所以能够转动，是因为它的定子绕组通入对称三相交流电后产生的旋转磁场。那么，单相异步电动机通入单相交流电后，产生的是一个什么样的磁场呢？制冷压缩机单相异步电动机的定子磁场单相机定子单相机转子ωt0i在定子绕组中通入单相交流电×××电流正半周，线圈导体中通过的电流始终为正值，如图示：

相邻导体中电流方向相同，电流的合成磁场方向一致。

合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。NS电流的负半周，线圈导体中通过的电流方向始终为负，如图：×××SN

相邻导体中电流方向相同，电流的合成磁场方向一致。

合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。显然，单相异步电动机的定子磁场是一个大小和方向随时间不断变化、但磁场轴线位置始终不变的脉动磁场。单相异步电动机脉动磁场的分析

脉动磁场可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的旋转磁场B1和B2。

顺时针方向旋转的磁场B1对转子产生顺时针方向的电磁转矩；逆时针方向旋转的磁场B2对转子产生逆时针方向的电磁转矩。由于在任何时刻这两个电磁转矩都大小相等、方向相反，所以单向异步机的转子不会自行起动，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。如何使单相异步电动机旋转起来呢？电容分相法可让单相异步机转动

电容分相式异步电动机的定子有两个绕组：一个是工作绕组；另一个是起动绕组，两个绕组在空间对称嵌放。起动绕阻与电容C串联，使起动绕组电流i2和工作绕组电流i1产生90°的相位差，即：

加入起动绕组后，和工作绕组并联连接于单相交流电源上。这时两绕组中的电流磁场为：

可见，单相电动机定子两绕组的合成磁场也是一个随时间空间位置不断变化的旋转磁场。单相电动机也因之可以自行起动了。ABYAXBYABYXX单相异步电动机如果没有起动绕组能否转动起来？为什么？你会做吗？能否说出三相鼠笼式异步电动机名称的由来？为什么异步电动机常常称之为感应电动机

？

何谓异步电动机的转差速度？转差率？异步电动机处在何种状态时转差率最大

？三相异步电动机起动前有一根电源线断开，接通电源后该三相异步电动机能否转动起来？思考与问题你能否从异步电动机结构上识别出鼠笼式和绕线式？二者的工作原理相同吗

？

精益求精铸就工匠之魂拓展阅读

20世纪90年代，许振妃进入万德电气，成了一名嵌线工。他说，虽然只是将漆包线嵌入一个“铁疙瘩”，但里头的门道可不少。“线圈握在手里的斜度、入槽位置的选择、手腕扭转的力度等都有讲究。”许振妃说，那时候他整天都在想这道工序，不停做不停试，精益求精，力求把产品做到极致。

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许振妃从事电机生产已20多年，曾获评福州市劳动模范、福州市优秀共产党员、福州市优秀企业家、福州市总工会“福州工匠”年度人物、“福州好人榜”身边好人等。如今，许振妃不忘初心，仍以百倍的努力，带领技术工人忘我工作，在电机制造领域中不断刷新着自己的精彩人生。任务5.2

异步电动机的电磁转矩和机械特性提出问题什么是异步电动机的电磁转矩？异步电动机的电磁转矩包括哪几个重要值？什么是异步电动机的机械特性？机械特性在分析异步电动机的实际运转情况时有何作用？

由三相异步电动机的转动原理可知，驱动异步电动机的电磁转矩是由转子导体中的电流与旋转磁场每极磁通相互作用而产生的，因此称为电磁转矩。知识准备

异步电动机的机械特性是指电动机运行时，其转速与电磁转矩之间的关系，即n=f（T）。5.2.1

异步电动机的电磁转矩电动机的结构常数每极下工作主磁通转子电流转子电路功率因数

异步电动机的电磁转矩等于转子中各载流导体在旋转磁场作用下，受到电磁力所形成的转矩之总和。上式中各参数：每极下工作主磁通遵循主磁通原理。转子电路的功率因数和转子电流均随转差率的变化而变化。

将公式中各量的计算式代入电磁转矩公式，即可得到电磁转矩的另一种表达形式：

电磁转矩T正比电源电压U12的平方，反映了电动机的电磁转矩在负载不变情况下，其大小取决于电源电压的高低。但这并不意味电动机的工作电压越高，电动机实际输出的电磁转矩就越大。上式说明，只要电机参数不发生变化，电磁转矩

电动机拖动机械负载运行时，输出机械转矩的大小，实际上决定于来自于电动机轴上负载阻转矩的大小。换言之，当电磁转矩T等于负载阻转矩TL时，电动机就会在某一速度下稳定运行；若T>TL，电动机就会加速运行；若T<TL，电动机则要减速运行直至停转。电磁转矩有三个重要值，分别为：Tmsm1T0sn=0n=n0根据公式可得异步机的电磁转矩特性曲线：最大电磁转矩对应最大电磁转矩的临界转差率。1.额定转矩TN

电动机额定电压下以额定转速nN运功率单位若为W时，9550改为9.55行，输出额定机械功率PN时，电机转轴上对应输出的机械转矩为额定电磁转矩TN。

最大转矩反映了电动机带最大负载的性能，我们把它与额定转矩的比值称为电动机的过载能力，即：TMT0s最大电磁转矩起动电磁转矩2.最大转矩TM

启动转矩反映了异步机带负载起动时的性能。启动转矩与额定电磁转矩之比称作电动机的启动能力，即：Tst3.启起动转矩Tst

λm通常在1.6~2.0之间。如果负载转矩超过了最大转矩，电动机将停转。

λst通常在1.4~1.8之间。如果电机的启动转矩Tst小于电动机轴上的负载阻转矩TL时，电动机将无法启动。5.2.2异步电动机的机械特性n0T机械特性曲线额定工作点NnNTNTstTM额定转矩

电动机运行在AB段，其电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。ABC

机械特性曲线可分为稳定运行区AB段和非稳定运行区BC段两部分。

电机稳定运行时TL=TN。当负载增加时，TL'>TN动力小于阻力

电机稳定运行状态被破坏

转速n下降

转差率s上升

转子电路感应电动势增加

电流I2增大

定子电流I1随之增大

电磁转矩T增大至T′

当T′=TL′时

电动机转速重新稳定在n'上，此时n′<n。特性曲线的N点向右移。

显然，把转矩特性曲线旋转90°后即可得到机械特性曲线。额定转速最大电磁转矩起动电磁转矩分析

电机稳定运行在TL=TN。当负载减少时，TL″<TN动力大于阻力

电机的稳定运行状态被破坏

转速n上升

转差率s下降

转子电路感应电动势减小

电流I2减小

定子电流I1随之减小

电磁转矩T减小至T″

当T″=TL″时

电动机转速重新稳定在n″上，此时n″>n。沿特性曲线左移。N′N″

三相异步电动机运行在额定状态下，当(（1)负载增大；(2)电压升高；(3)频率升高时，试分别分析电动机的转速和电流的变化情况。为什么增加三相异步电动机的负载时，定子电流会随之增加

？你理解吗？

将三相绕线式异步电动机的定子转子三相绕组开路，问这台电动机能否转动

？三相异步电动机中的气隙大小对电动机运行有何影响

？思考与问题

电动机的转矩与电源电压之间的关系如何？若在运行过程中电源电压降为额定值的60%，假如负载不变，电动机的转矩、电流及转速有何变化？任务5.3

异步电动机的控制技术提出问题你了解三相异步电动机的控制技术包括哪些方面？三相异步电动机什么情况下需要降压启动？三相异步电动机的调速有什么特点？实现三相异步电动机的正转或反转主要取决于什么？三相异步电动机的制动和自由停车有何区别？三相异步电动机在选择时应注意哪些方面？知识准备5.3.1三相异步电动机的启动控制或电机容量在10kW以下，并且小于供电变压器容量的20％时，

异步电动机通电后，从静止状态到稳定运行状态的过渡过程称为启动。全压启动也叫做直接启动。其优点：操作简单；缺点：启动电流较大，通常是额定电流的4~7倍，这么大的启动电流将使线路电压下降，严重时影响同一电网上的其它负载正常工作。当电动机满足条件时，电动机可以直接加全压启动，称为全压启动。1、Y—Δ降压起动

如果三相异步电动机不满足直接起动条件，就要采取降压起动的措施，以减小起动电流给电网和设备带来的不利因素。

即：电动机启动时定子绕组连成星形，启动后转速升高，当转速基本达到额定值时再切换成三角形连接的启动方法。手柄上打，定子绕组Δ形运行手柄下搬，定子绕组成Y形启动优点：起动电流降为全压启动时的1/3；QS1L3V2L2L1QS2FUV1U1U2W1W2V1U1W1W2U2V2缺点：起动转矩也降为全压启动时的1/3。适用范围正常运行时定子绕组为三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电机。三相异步电动机Y-Δ起动器闭合电源开关，为电机通电做好准备例解某三相异步电动机，接于线电压=380V的三相电源，已知电机三相定子绕组正常运行为

形接法，额定电流IN=20A，刚启动瞬间电流与额定电流之比是7。

求：（1）接法时的起启动电流Ist

（2）若启动时电机改为Y接法，求

IstY。(1)已知Ist/IN=7，可得直接启动时的起动电流为：(2)若改为Y形起动，根据前面所讲知识可得：采用Y-Δ启动，显然大大减小了启动电流对电网的影响。2.自耦降压启动

利用三相自耦变压器将电动机在启动过程中的端电压降低，以达到减小启动电流的目的。自耦变压器备有40％、60％、80％等多种抽头，使用时要根据电动机启动转矩的要求具体选择。运行时上打与电机直通启动时下搬通过自耦变压器降压QS1L3V1L2L1QS2FUU1W1V1U1W1L2L1L3优点：缺点：具有不同的抽头，可以根据起动转矩的要求，比较方便的得到不同的电压。设备体积大、成本高。适用范围

适用于容量较大的电动机或不能用Y-Δ降压启动的鼠笼式三相异步电动机。三相自耦变压器闭合电源开关，为电机通电做好准备3.绕线式异步电动机的启动

绕线式异步电动机启动时，只要在转子电路中串入适当的启动电阻Rst，就可以达到减小启动电流增大启动转矩的目的。

绕线式异步电动机目前用得更多的是在转子回路中接频敏变阻器启动，此变阻器在启动过程中能自动减小阻值，以代替人工切除启动电阻。绕线式异步机价高维护难。

绕线式异步电动机启动转矩大的特点，使它广泛应用于要求启动转矩较大的卷扬机、起重机等场合。5.3.2三相异步电动机的调速(1)改变极对数p，

实现有级调速；由式可知，异步电动机的调速通过三种形式可实现：三相异步电动机的转速公式：(2)改变转差率s，

实现无级调速；(3)改变电源频率f1，

实现无级调速。

目前，第三种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源，通常由整流器、逆变器等组成。

用人为的方法使电动机的转速从某一数值改变到另一数值的过程称为调速。5.3.3三相异步电动机的反转控制

三相异步电动机的转动方向总是同旋转磁场的旋转方向相一致，而旋转磁场的方向取决于通入异步电动机定子绕组中的三相电流的相序。因此，若要电动机反转，只需把接到电动机定子绕组上的三根电源线中的任意两根对调一下位置，三相异步电动机即可改变旋转方向。5.3.4三相异步电动机