项目二 三相异步电动机（待修改）

项目二三相异步电动机电机与电气控制技术目录CONTENTS认识三相异步电动机测试三相异步电动机的特性任务一任务二学习目标熟悉三相异步电动机的基本结构掌握三相异步电动机的工作原理掌握三相异步电动机铭牌数据的含义掌握三相异步电动机的运行原理及功率转换方法掌握三相异步电动机的机械特性及运行特性能拆装三相异步电动机能测定三相异步电动机的运行特性1认识三相异步电动机任务引入‌三相电机在多个领域都有广泛的应用‌，包括工业生产、交通运输、农业、建筑工程等。1．工业生产‌：三相电机广泛应用于机床、风机、泵、压缩机等各种生产设备中，实现自动化生产，提高生产效率和产品质量。2．交通运输‌：三相电机应用于汽车、火车、电动自行车等交通工具中，提供动力驱动‌1。3．农业‌：在农业生产中，三相电机用于驱动各种农机，如拖拉机、收割机、灌溉泵、风机、粉碎机等‌。4．建筑工程‌：在建筑工程中，三相电机用于起重机、混凝土搅拌机、水泵、通风机等设备，提高工作效率‌。2.1.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的分类（a）笼式三相异步电动机（b）绕线式三相异步电动机三相异步电动机按转子结构分类笼式绕线式三相异步电动机按外壳防护方式分类开启式防护式封闭式三相异步电动机按电动机尺寸分类大型中型小型2.1.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的分类——笼式三相异步电动机笼式三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成。其中，定子主要由机座、定子铁芯、定子绕组和端盖组成，转子主要由转子铁芯和转子绕组组成，如图2-4所示。定子和转子之间有一定的空气间隙，称为气隙。此外，笼式三相异步电动机中一般还需要一些辅助零部件，如轴承、风扇、风罩、接线盒等。图2-4笼式三相异步电动机的基本结构2.1.1三相异步电动机的基本结构机座一般由铸铁或铸钢浇铸而成，主要起支撑作用，用于固定定子铁芯和定子绕组，并在三相异步电动机运行时承受由负载产生的反作用力；同时，也用于将三相异步电动机运行时所产生的热量散发出去。1）机座定子铁芯装在机座里，是三相异步电动机主磁通磁路的一部分。它由0.35～0.5mm厚的硅钢片叠压而成，具有良好的导磁性能。硅钢片表面涂有绝缘漆，能够减少交变磁通通过铁芯时产生的涡流损耗。定子铁芯的内圆上有均匀分布的槽，用以放置定子绕组。2）定子铁芯1．定子2.1.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机有3个定子绕组嵌在定子铁芯的槽里，当为定子绕组通入三相对称交流电流时，其周围就会产生旋转磁场。定子绕组的线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制而成。其中，小型三相异步电动机的绕组一般采用漆包圆线，大中型三相异步电动机的绕组则用较大截面积的漆包扁铜线或绝缘包扁铜线。1．定子三相绕组的组成2.1.1三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机的3个定子绕组相互独立，各为一相，结构完全相同，它们的分布如图（a）所示，这3个定子绕组一共有6个出线端，即U1、U2、V1、V2、W1、W2，出线端均位于接线盒内。定子绕组有星形联结和三角形联结两种联结方式，分别用Y和△表示，如图（b）和（c）所示。3）定子绕组端盖由铸铁或铸钢浇铸而成，主要起防护作用。4）端盖1．定子（b）Y联结（c）△联结2.1.1三相异步电动机的基本结构转子铁芯一般由0.35～0.5mm厚的硅钢片叠压而成，是三相异步电动机主磁通磁路的一部分，在其外圆上有均匀分布的槽，用以放置转子绕组。1）转子铁芯2.转子小型三相异步电动机的转子铁芯直接套压在转轴上。大中型三相异步电动机的转子铁芯需要先套压在转子支架上，然后再套装在转轴上。2.1.1三相异步电动机的基本结构（1）笼式三相异步电动机的转子绕组。笼式三相异步电动机的转子绕组有铜排绕组和铸铝绕组两种形式。铜排绕组适用于大型笼式三相异步电动机，是在转子铁芯的每个槽中放置没有进行绝缘处理的铜条，在铜条的两端用端环把铜条连接起来，形成一个笼子的形状，如图（a）所示。铸铝绕组适用于中小型笼式三相异步电动机，其转子的导条和端环扇叶是用铝液一次性浇铸而成的，如图（b）所示。2）转子绕组2．转子（a）铜排绕组

（b）铸铝绕组2.1.1三相异步电动机的基本结构（2）绕线式三相异步电动机的转子绕组。绕线式三相异步电动机的转子绕组一般采用Y联结。三相转子绕组嵌放在转子铁芯的槽内，引出线分别接在转轴的3个滑环上，并通过电刷引出，与外部电路的变阻器相连（变阻器也采用Y联结）。绕线式三相异步电动机结构复杂，成本较高，但其启动性能较好，且可通过调节变阻器的电阻来改变转速，具有良好的运行性能，因此适用于需要较大启动转矩的场合。2）转子绕组2.转子2.1.2三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的定子绕组是三相对称绕组，如果在定子绕组中通入三相对称交流电流，则会产生旋转磁场。转子绕组切割旋转磁场的磁感线产生感应电流，旋转磁场和感应电流相互作用产生电磁转矩，驱动转子旋转。1．旋转磁场的产生当三相异步电动机的定子绕组采用Y联结并接入三相交流电源后，绕组、、中将有电角度分别相差120°的三相对称电流、、通过，如图（a）所示，其相序为U—V—W，波形如图（b）所示。为了方便讨论，设定交流电流在正半周时，电流从定子绕组的首端流入、末端流出；在负半周时，电流从定子绕组的末端流入、首端流出。（a）三相绕组的联结方式

（b）三相交流电流的波形

为零，绕组中无电流；为负，电流从端流入、端流出；为正，电流从端流入、端流出。此时三相绕组产生的合磁场如图所示。为正，和为负，可采用同样的方法分析得出合磁场，如图所示。可见，此时的合磁场已较时的合磁场沿顺时针方向旋转了90°。为正，电流从端流入、端流出；为负，电流从端流入、端流出；为零，绕组中无电流。此时三相绕组产生的合磁场如图所示，它已较时的合磁场沿顺时针方向旋转了60°。继续按上述方法分析，可得、时合磁场的情况，如图（d）、（e）所示。2.1.2三相异步电动机的工作原理1.旋转磁场的产生结论：在向定子的三相对称绕组中通入三相对称交流电流后，定子中将会产生一个以转轴为中心的旋转磁场。2.1.2三相异步电动机的工作原理旋转磁场的转向由通入定子绕组的三相交流电流的相序决定，并与三相交流电流的相序保持一致。若改变定子绕组中任意两相绕组的通电顺序，则旋转磁场将会反转。改变三相异步电动机的转向只需要改变旋转磁场的转向。旋转磁场旋转的速度称为转速，又称同步转速，符号为，单位为r/min。定子绕组产生的旋转磁场为两极磁场，即磁极对数，三相交流电流变化一个周期，旋转磁场也转动一周。当时，三相交流电流变化一个周期，旋转磁场转动半周。经实践证明，旋转磁场的同步转速是由三相交流电流的频率和定子绕组的磁极对数p共同决定的，其表达式为

旋转磁场的同步转速与交流电流的频率成正比，与磁极对数p成反比。我国规定工业及民用交流电的额定频率为50Hz，因此对于不同的磁极对数p，旋转磁场都有与之对应的同步转速，如表所示。旋转磁场的转向旋转磁场的转速2.旋转磁场的转向和转速p123456/（）3000150010007506005002.1.2三相异步电动机的工作原理在定子的三相绕组、、中通入三相交流电流，将产生沿顺时针方向旋转、同步转速为的旋转磁场，如图所示。3.转动原理当定子绕组开始通电时，转子是静止的，旋转磁场是运动的，两者之间产生相对运动，转子绕组将切割旋转磁场的磁感线并产生感应电压。由于转子绕组自成闭合回路，因此转子绕组中便产生感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。通过左手定则可以判定，转子在电磁转矩的作用下将顺着旋转磁场的转向转动。2.1.2三相异步电动机的工作原理3.转动原理虽然三相异步电动机转子的转向与旋转磁场的转向相同，但转子转速n不可能达到旋转磁场的同步转速。若两者相等，则转子和旋转磁场之间就不存在相对运动，转子绕组就不会切割旋转磁场的磁感线而产生感应电流，也就不会产生电磁转矩，因此转子的转速n必须小于旋转磁场的同步转速，两者不同步，异步电动机中的“异步”也由此而来。旋转磁场的同步转速与转子转速n之差称为转速差，用表示，即，转速差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率，用s表示，即2.1.3三相异步电动机的铭牌数据1.产品型号为了适应不同用途和不同工作环境的需要，三相异步电动机可分为多种，并用不同的产品代号表示（如Y、YZ、YB等）。此外，三相异步电动机的产品型号中还包含了表示机座中心高、机座长度、磁极数等信息。例如，某三相异步电动机的产品型号为Y100L-2，其含义如图所示。2.1.3三相异步电动机的铭牌数据2.主要技术数据为了适应不同用途和不同工作环境的需要，三相异步电动机可分为多种，并用不同的产品代号表示（如Y、YZ、YB等）。此外，三相异步电动机的产品型号中还包含了表示机座中心高、机座长度、磁极数等信息。例如，某三相异步电动机的产品型号为Y100L-2，其含义如图所示。2.1.3三相异步电动机的铭牌数据

1）额定电流三相异步电动机的额定电流是指在电动机额定运行状态下，流入定子绕组的线电流，符号为，单位为A。当三相异步电动机以超过额定电流过载运行时，电动机会过热甚至烧毁。若铭牌上标有两个电流，则表示定子绕组在两种不同接法时的额定电流。2）额定电压三相异步电动机的额定电压是指在电动机额定运行状态下，定子绕组上的线电压，符号为UN，单位为V。三相异步电动机要求所接电源电压的变动不应超过额定电压的5%。因为若电压过低，则电动机难以正常启动；若电压过高，则电动机容易烧毁若铭牌上标有两个电压，则表示定子绕组在两种不同接法时的额定电压。3）额定功率三相异步电动机的额定功率是指在电动机额定运行状态下，转轴上输出的机械功率，符号为，单位为kW。三相异步电动机的额定功率为式中：——在三相异步电动机额定运行状态下的效率； ——在三相异步电动机额定运行状态下的功率因数4）额定转速三相异步电动机的额定转速是指在电动机额定运行状态下，转子的转速，符号为，单位为r/min。2.主要技术数据2.1.3三相异步电动机的铭牌数据3.接线说明三相异步电动机的铭牌上标有该三相异步电动机接线方式的图和文字说明。若铭牌上标有两个电压，如380V/220V，接法为Y/△，则表明当电源线电压为380V时应采用Y联结，当电源线电压为220V时应采用△联结。2测试三相异步电动机的特性2.2.1三相异步电动机的运行原理三相异步电动机的定子绕组在通入三相对称交流电流后会产生旋转磁场。通常认为，旋转磁场也按正弦规律变化，其同步转速为，而定子绕组是静止不动的。因此，定子绕组切割磁感线所产生感应电压的频率与电源频率相同，也为。定子绕组的感应电压为式中：——定子绕组感应电压的有效值，单位为V；——定子绕组的绕组系数；——定子每相绕组的匝数；——定子绕组感应电压的频率，单位为Hz；——旋转磁场每极磁通的最大值，单位为Wb。式中的感应电压公式与三相变压器绕组的感应电压公式相比，多了一个绕组系数，这是由于三相异步电动机的绕组是分布式绕组，且多为短距绕组，各线圈的感应电压之间存在相位差，整个绕组的感应电压为各线圈感应电压的相量和，其有效值小于各线圈电压有效值的代数和，因此需要乘上一个绕组系数。由于定子绕组自身的阻抗电压降比电源电压要小得多，因此可以近似认为电源电压与定子绕组的感应电压相等，即1.定子绕组的感应电压2.2.1三相异步电动机的运行原理在旋转磁场作用下，转子绕组切割磁感线产生感应电压。转子的转向与旋转磁场的转向一致，设转子的转速为n，旋转磁场的同步转速为，则转子绕组与旋转磁场的相对转速为，转子绕组中感应电压的频率为

转差率为

因此有

2.转子绕组的感应电压2.2.1三相异步电动机的运行原理可知，转子感应电压的频率与转差率成正比。在启动瞬间，即转子未转动（）时，，。随后，转子在旋转磁场的作用下开始转动，当达到同步转速（）时，，0，转子绕组停止切割磁感线，无法产生感应电压。当转子旋转时，转子绕组感应电压的大小为式中：——转子绕组的绕组系数；——转子每相绕组的匝数。当转子不动（，）时，转子绕组中的感应电压最大，用表示，，为定值。当转子转动后，随着转子转速的增加，转差率s减小，也逐渐减小。2.转子绕组的感应电压2.2.1三相异步电动机的运行原理与三相变压器相同，三相异步电动机中的磁通可分为主磁通和漏磁通两部分。在定子绕组产生的旋转磁场中，绝大部分磁通通过气隙进入转子铁芯，这部分磁通称为三相异步电动机的主磁通。主磁通同时被定子绕组和转子绕组切割，分别在定子绕组和转子绕组中产生感应电压和。还有极少一部分磁通不进入定子铁芯和转子铁芯，只被定子绕组或转子绕组切割，这两部分磁通分别称为定子漏磁通和转子漏磁通。定子漏磁通和转子漏磁通合称为三相异步电动机的漏磁通。漏磁通同样可以产生感应电压和，引起定子漏电抗和转子漏电抗，形成电压降。定子漏磁通产生的感应电压大小为式中：——定子电流，单位为A；——定子漏电抗，单位为Ω。3.漏电抗和阻抗2.2.1三相异步电动机的运行原理

式中：——转子电流，单位为A；——转子漏电抗，单位为Ω。的大小与转子漏电感有关，即可知，当转子不动，即时，转子漏电抗最大，为；当转子转动时，转子漏电抗为，则式中：——转子每相绕组的阻抗，单位为Ω；——转子每相绕组的电阻，单位为Ω。可知，转子绕组的阻抗在启动瞬间最大，并随着转子转速的增大（即s的减小）而减小。3.漏电抗和阻抗2.2.1三相异步电动机的运行原理1）转子每相绕组的电流转子绕组在旋转磁场的作用下产生感应电压，对转子电阻和漏电抗作用并产生感应电流，其大小为

由于为定值，且对于某一三相异步电动机而言，其转子电阻和最大漏电抗基本上是不变的，因此，转子每相绕组电流的大小与转差率s有关，其关系曲线如图所示。4.转子电流和功率因数2.2.1三相异步电动机的运行原理1）转子每相绕组的电流当时，转子转速达到同步转速，转子不再切割磁感线，转子绕组中没有电流，。当s开始增大时，初始由于s很小，，因此可以忽略，则，即与s几乎成正比。当s增大到一定数值时，的影响不能忽略，此时的增长速度变慢。当时，达到最大值。4.转子电流和功率因数2.2.1三相异步电动机的运行原理2）转子电路的功率因数在转子旋转过程中，转子漏电抗使转子电流滞后于感应电压一个电角度，转子电路的功率因数为

可知，转子电路功率因数的大小也与转差率s有关。当时，，三相异步电动机正常运行时转子电路的功率因数很大；随着S的增大，增大很快，减小；当时，由于，此时很小，三相异步电动机启动时转子电路的功率因数很小。4.转子电流和功率因数三相异步电动机在运行时的输入功率为从电源得到的电功率，输出功率为机械功率，这意味着三相异步电动机实现了电能向机械能的转化，而在这个能量转化的过程中必然存在着损耗，因此总是小于。三相异步电动机从电网得到的电功率大小为三相异步电动机在运行时的功率损耗与三相变压器大致相同，具体如下。（1）转子部分存在铜损和铁损。由于转子电流的频率很低，因此转子部分的铁损可以忽略不计。（2）定子部分存在铜损和铁损。由于可以忽略不计，因此可视为三相异步电动机总的铁损；从输入功率中减去和这两项便是传到转子中的电磁功率，即。（3）通风、轴承摩擦等机械损耗。从传到转子的电磁功率中减去转子铜损和机械损耗，就是三相异步电动机的输出功率。综上所述，三相异步电动机的功率平衡方程为式中：——三相异步电动机的功率损耗，单位为W。2.2.2三相异步电动机的功率转换1.三相异步电动机的功率三相异步电动机的效率为输出功率与输入功率之比，通常用百分数表示，即2.2.2三相异步电动机的功率转换2.三相异步电动机的效率3.三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩是指转子电流在受旋转磁场作用时所产生的旋转力矩，用表示。根据力学相关知识可知：旋转体的机械功率P等于作用在旋转体上的转矩T与旋转体转动的角速度的乘积，即，可得三相异步电动机的转矩平衡方程，为即式中：——三相异步电动机的电磁转矩，，单位为N·m；——三相异步电动机的输出转矩，，单位为N·m；——三相异步电动机的空载转矩，，单位为N·m三相异步电动机的机械特性方程为

式中：——定子绕组的电阻，单位为Ω；——转子绕组的电阻折算值，单位为Ω；——定子绕组的电抗，单位为Ω； ——转子绕组的电抗折算值，单位为Ω。2.2.3三相异步电动机的机械特性1.机械特性方程当、不变，三相异步电动机的、、、为常量时，s是的参数，因此三相异步电动机的机械特性方程又称三相异步电动机电磁转矩的参数表达式。将机械特性方程中的对s求导，并令导数为零，可求得最大电磁转矩和临界转差率，分别为

（1）当电源的频率及三相异步电动机的参数不变时，最大电磁转矩与定子绕组电压的平方成正比。（2）最大电磁转矩和临界转差率都与定子绕组的电阻、电抗，以及转子绕组的电抗有关。（3）最大电磁转矩与转子电路的电阻无关，而临界转差率则与转子绕组的电阻折算值成正比，调节转子电路的电阻，可在相应的转差率下得到最大电磁转矩。2.2.3三相异步电动机的机械特性1.机械特性方程三相异步电动机的固有机械特性是指在额定电压和额定频率下，按规定方式接线，当定子、转子外接电阻为零时，与s的关系，其曲线即曲线。当、时，三相异步电动机的曲线如图所示。2.2.3三相异步电动机的机械特性2.固有特性1）理想空载点D在理想空载情况下，三相异步电动机的转速，对应图中的点D，此时，。2）启动点A三相异步电动机刚接入电网尚未开始转动的瞬间，作用在转轴上的输出转矩称为三相异步电动机的启动转矩（又称堵转转矩），对应图中的点A，此时，，。只有当大于负载转矩时，三相异步电动机才能启动。启动转矩与额定转矩的比值称为三相异步电动机的启动转矩倍数，用表示，即。表示启动转矩的相对大小，是三相异步电动机的一个重要指标，对于一般的笼式三相异步电动机，约为0.8～1.8。2.2.3三相异步电动机的机械特性2.固有特性3）临界运行点B在临界运行点B处，一般三相异步电动机的为0.1～0.2，此时三相异步电动机产生最大电磁转矩。在实际运行中，免不了发生波动。如果大于波动时的峰值，则三相异步电动机能够带动负载；否则不能带动负载。与之比称为过载能力，它也是三相异步电动机的一个重要指标，一般。4）额定运行点C当三相异步电动机工作在额定运行点C时，，，，。为了使三相异步电动机能够承受短时间过载而不停转，三相异步电动机必须具有一定的过载能力，因此额定运行点C不宜靠近临界运行点B，一般取。2.2.3三相异步电动机的机械特性2.固有特性5）稳定运行区三相异步电动机的固有机械特性曲线被分成性质不同的两个区域，即AB段和BD段。（1）在AB段，s较大，且，因此，固有机械特性曲线近似为双曲线，且随着s的减小而增大。（2）在BD段，s很小，因此，固有机械特性曲线近似为直线，且随着s的减小而减小。当三相异步电动机启动时，沿曲线AB段变化。随着转速的增大，AB段中的一直增大，因此转子一直加速，使三相异步电动机很快越过AB段而进入BD段。在BD段，电磁转矩随着转速的增大而减小。当转速增大到某一定值时，，此时转速不再增大，三相异步电动机就稳定运行在BD段。因此，AB段称为非稳定运行区，BD段称为稳定运行区，即三相异步电动机的稳定运行区域为。在BD段，当负载转矩变化时，三相异步电动机的转速变化不大，这种机械特性称为硬机械特性。三相异步电动机的这种硬机械特性十分适合普通金属切削机床。2.2.3三相异步电动机的机械特性2.固有特性三相异步电动机的人为机械特性是指人为地改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。1）降低定子绕组电压时的人为机械特性当定子绕组电压减小时，电磁转矩与成比例减小，理想空载点不变，不变，与都随的减小而减小，如图所示。2）转子电路串联电阻时的人为机械特性转子电路串联电阻的方法适用于绕线式三相异步电动机。当转子电路串入三相对称电阻时，理想空载点不变，与转子电路的电阻成正比变化，与转子电路的电阻无关（不变化）。2