《电路》-第7章 交流电动机

目录7.1三相异步电动机的构造7.2三相异步电动机的工作原理7.3三相异步电动机的电磁转矩7.4三相异步电动机的机械特性和工作特性7.5三相异步电动机的启动、制动与调速7.1三相异步电动机的构造

三相异步电动机按转子结构的不同可分为笼型和绕线转子异步电动机两大类。 异步电动机的两个基本部分组成：定子（固定部分）和转子（旋转部分）。如图所示。

7.1.1定子（静止部分）

异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座等部分组成。三相绕组的六个出线(U1U2、V1V2、W1W2)端引至机座的接线盒中，与接线盒中的六个接线柱相联，根据需要，三相绕组可接成星形或三角形，如图7.1.2所示。

图7.1.2定子绕组的联结方式（a）接线端位置（b）星形联结（c）三角形联结7.1.2转子（旋转部分）

异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴等部件组成。异步电动机转子绕组一般采用鼠笼式绕组，它是由安放在转子铁心槽内的裸导体和两端的环形瑞环连接而成。如果去掉转子铁心，绕组的形状像一个捕老鼠的笼子，故称为鼠笼式转子。

图7.1.3鼠笼式转子的绕组（a）铜条绕组（b）铸铝绕组（c）斜槽削弱齿谐波磁场的作用7.1.2转子（旋转部分）

绕线式转子绕组与定子绕组相似．也是用彼此绝缘的导体按一定的规律连接成三相绕组，其极数与定子绕组的极数相同。转子绕组一般接成星形，每相绕组的一端各连接在一个铜质的滑环上，在滑环的上面有电刷与它作滑动接触，如图7.1.4所示。图7.1.4绕线式转子1-绕组；2-滑环；3-轴；4-电刷；5-变阻器7.1.3气隙

和其它电机一样，异步电动机的定子和转子之间必须有一气隙。异步电动机的特点在于它的气隙很小，中小型异步电动机的气隙一般为0.2～1.5mm。气隙虽小，磁阻甚大，故为磁路系统中的重要部分，对电机的运行性能有很大影响。为了降低电动机的空载电流和提高电动机的功率因数，气隙应尽可能地小。但气隙过小，将使装配困难和运行不可靠，因此，采用的最小气隙是受加工可能及机械安全考虑能达到的最小值所限制。7.1.4三相异步电动机的铭牌数据

电动机在出厂前，要在外壳上的显著位置装一个标有这台电动机的型导、额定数据以及使用条件的铭牌。下面抄录的是Y315M2—6电动机的铭牌．现说明铭牌上各数据的意义，如表7.1.1所示。7.1.4三相异步电动机的铭牌数据1．异步电动机的型号

为满足不同用途和不同工作环境的需要，电机制造厂把电动机制成各种系列，每个系列的电动机用不同的型号表示。如：7.1.4三相异步电动机的铭牌数据2．异步电动机的额定值

1)额定功率是指电动机额定运行时，电机轴上所输出的机械功率，单位为千瓦(KW)。

电动机按制造厂规定的安全工作状态运行，称为电动机的额定工作状态。通常用额定值来表示电动机的这种工作状态，现将铭牌上的主要额定值说明如下：2)额定电压是指电动机额定运行时，外加于定于绕组上的线电压，单位为伏(V)。3)额定电流是指电动机在额定电压和额定频率的电源下，输出额定功率时，定子绕组允许长期通过的线电流，单位为安(A)。4)额定频率是指通入电动机交流电的频率，我国电力网的频率为50Hz。7.1.4三相异步电动机的铭牌数据2．异步电动机的额定值

5)额定转速是指电动机在额定电压、额定频率和额定功率情况下运行时，转子每分钟所转的转数，单位为转／分6)额定温升是指电动机长时间运行所能容许的最高温度与周围环境温度之差。

另外，在铭牌上没有标明的技术数据，一般在产品使用说明书上给出。如启动电流倍数过载能力额定功率因数额定效率

式中：即是电动机输出的额定机械功率，；为电动机定子的额定输入功率：=7.2.1三相旋转磁场的产生和特点1.旋转磁场的产生

图7.2.1简化的三相定子绕组7.2.1三相旋转磁场的产生和特点1.旋转磁场的产生

在不同时刻三相对称电流所产生的磁场就如图7.2.2所示。图7.2.2三相合成旋转磁场及合成磁势相量图(a)ωt＝90°；(b)ωt＝90°+120°；(c)ωt＝210°+120°；(d)ωt＝330°+120°7.2.1三相旋转磁场的产生和特点2．旋转磁场的主要特点1)三相合成磁势在任何瞬时保持着恒定的振幅，它是单相脉动磁势振幅的倍。2)当某相电流达到最大值时，合成磁势的幅值就与该相绕组的轴线重合。3)合成磁势的旋转方向，决定于三相电流的相序。4)合成磁势的旋转速度，仅决定于定子电流的频率和电机的极对数。7.2.2三相异步电动机的工作原理1．转子如何转动电动机的转动方向，可根据磁场和电流方向由左手定则确定。图7.2.5电动机转子的转动结论：三相异步电动机转子是顺着定子绕组接入三相电流的相序旋转的。如果把接到定于绕组的三根电源线任意对调两根，则电动机将反向旋转。7.2.2三相异步电动机的工作原理2．异步的概念

电动机的转子速度n总是略低于旋转磁场的转速，即转子不能与旋转磁场同步，故这种电动机称为异步电动机。又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的．故又称为感应电动机。7.2.3转差率异步电动机的转差率S，即：

异步电动机正常运行时，转速n与同步转速ns一般很接近，转差率S很小。在额定工作状态下约为0.02～0.06。7.2.3转差率【例7.2.1】已知三相异步电动机的额定数值为：额定功率55KW，额定电压U1N＝380V，额定电流I1N＝120A，额定转速nN＝570r／min，额定功率因数cosφ＝0.79，求该电动机的同步转速、极对数、额定负载时效率和转差率(f1＝50Hz)。

现己知额定转速nN＝＝570r／min，因额定转速略小于同步转速，该电动机的同步转速为600r／min，因此可得：【解】额定负载时的效率：额定负载时的转差率：7.3三相异步电动机的电磁转矩

从异步电动机的工作原理可知，电磁转矩是转子电流与旋转磁场的主磁通相互作用而产生的。为了进一步说明电磁转矩的物理本质，本节着重分析电磁转矩与磁通、转子电流、电机参数和转差率之间的关系．从而得到电磁转矩三种表达式。7.3.1转矩的物理表达式转矩的物理表达式：(7.3.1)又因为将之值代入式（7.3.1）经整理得：(7.3.2)7.3.2转矩的参数表达式电磁转矩与转速关系的表达式，即参数表达式。(7.3.3)从异步电动机的简化等值电路得：代入式（7.3.3）后，即得异步电动机电磁转矩参数表达式：(7.3.4)7.3.2转矩的参数表达式

式(7.3.4)表明了电磁转矩与电压、频率、参数和转差率的关系。当电网电压认和频率为常数．并且电机参数(电阻和漏电抗)可认为不变时，则电磁转矩仅与转差率S有关。为了进一步揭示电磁转矩与转差率之间的变化规律，使它们的关系更为直观形象．常将它画成曲线，称为T—S曲线，又称为异步电动机的机械特性，如图7.3.1所示。图7.3.1异步电动机的机械特性7.3.2转矩的参数表达式转差率(7.3.5)最大转差率为：上两式中正号对应于电动状态，负号则对应于发电状态，故只取正号，不取负号。通常，故上两式可近似变为：(7.3.6)(7.3.7)7.3.2转矩的参数表达式电动机必须具有一定的过载能力β，它用最大转矩与额定转矩的比值表示：启动转矩(7.3.8)启动转矩倍数7.3.3转矩的使用表达式电磁转矩实用表达式（7.3.9）临界转差率（7.3.10）7.3.3转矩的使用表达式【例7.3.1】一台三相6极鼠笼式异步电动机，＝3KW，＝380V，Y接法，＝957r／min，,求该电机的额定电磁转矩、最大转矩、过载能力、启动转矩及其倍数。NU1NP【解】按Y接法，得额定相电压为：故7.3.3转矩的使用表达式额定负载转矩为：过载能力为：启动转矩为：启动转矩倍数为：7.4三相异步电动机的机械特性和工作特性

由前述的转矩参数表达式可知，当外加电压及频率不变时，异步电动机的电磁转矩只随转差率S而变。电磁转矩与转差率的关系，实际上也是电磁转矩与转速的关系。所以T＝f(S)关系曲线，也称为异步电动机的机械特性。

在U1=U1N，f＝fN条件下，转子没有接入电阻时的机械特性称为固有机械特；而电压、频率、转子电阻、电抗改变时的机械特性称为人为机械特性。

异步电动机的机械特性是由电机本身的结构与参数所决定，它与负载大小无关。但是，电动机在拖动负载运行时，必定在机械特性对应的点上工作(如图中的B点)。所以，电动机的机械特性是生产设备选择拖动电动机的重要依据，生产设备本身的机械特性，必须与电动机的机械特性相配合，才能实现合理的拖动。7.4.1固有机械特性分析一是稳定运行段(HP段)：一般情况下，电动机只能在此段稳定运行。二是启动过渡运行段(PA段)：在这一段内、电动机的转速n较低，转差率S较大，随着n的减小，电动机产生的电磁转矩也随着下降。

由图7.4.1可知，异步电动机的机械特性曲线包含以下两个不同的部分：图7.4.1异步电动机的机械特性曲线7.4.2机械特性曲线的几个特殊运行点1．启动点A：其特点是n＝0(S＝1)，T=Ts，启动电流。2．临界点P：其特点是S＝Sm，n＝(1—Sm)n1，T＝Tm。3．同步转速点H：其特点是n＝n1(S＝0)，T＝0，4．额定工作点B：其特点是n＝nN(S=SN),T＝TN,I1=IN。

在额定点工作时，电动机的输出功率与输入功率均达额定值，其功率与电磁转矩的关系如下：额定输出功率：额定输出转矩：额定输入功率：7.4.3异步电动机稳定运行分析

异步电动机拖动负载转动时，必须符合动力学的规律，只有电磁转矩与负载转矩和空载转矩相平衡时，电动机才能稳定运行。

异步电动机是依靠转子转速的变化，来调节电动机的电磁量，从而使电动机的电磁转矩得到相应的改变，使之适应负载的需要来实现新的平衡。图7.4.2T—n曲线

启动到最大转矩部分曲线为不稳定运行区域，从最大转矩到同步转速的那部分曲线是稳定运行区域。所以最大转矩是电动机从稳定过渡到不稳定的临界点。为了使电动机有一定的过载能力，除了增大最大转矩以外，电动机稳定运行点不宜靠近临界点。7.4.4异步电动机的工作特性图7.4.3异步电动机的工作特性

异步电动机的工作特性指标在国家标准中都有具体规定。设计和制造都必须满足这些性能指标。工作特性曲线可用等值电路计算求得，也可以通过实验测定。图7.4.3就是异步电动机的工作特性曲线7.4.4异步电动机的工作特性

1.转速特性将代入上式得：(7.4.1)结论：转速特性是一条稍微下斜的直线，如图7.4.3所示。它与直流他励电动机的转速特性很相似，也是硬特性。7.4.4异步电动机的工作特性

2．定子电流特性

异步电动机在额定电压和额定频率下,输出功率变化时，定子电流的变化曲线称为定子电流特性。由等值电路得异步电动机的定子电流方程式(即磁势平衡方程式)为：结论：定子电流几乎随负载成正比增加．其特性曲线如图7.4.3所示。7.4.4异步电动机的工作特性3．功率因数特性4.转矩特性

5．效率特性

异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时，定于功率因数称为功率因数特性。

异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时，电磁转矩的变化曲线称为转矩特性。

异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时，效率的变化曲线称为效率特性。异步电动机的效率为：(7.4.2)7.5三相异步电动机的启动、制动与调速7.5.1异步电动机的启动性能

三相异步电动机的启动性能主要是指启动电流和启动转矩，它是电动机性能好坏的一个重要标志。1．启动电流

(7.5.1)2．启动转矩

由于启动电流很大，定子漏阻抗压降增大，使感应电势减小，主磁通也减小，因此，从电磁转矩可知小。结论：从以上分析可知，异步电动机启动时的主要问题是启动电流大，启动转矩小。这一现象是电动机本身固有特性，与电动机的负载大小无关。但是电动机一经启动，上述问题将不复存在。为了限制启动电流，并得到适当的启动转矩，对不同功率的异步电动机采用不同的启动方法。7.5.2直接启动（即全压启动）直接启动就是利用闸刀开关或接触器把电动机直接接到电网上启动。图7.5.1直接启动接线原理图1．操作步骤

首先合上电源开关(图中未画)；其次将接触器1KM闭合，2KM断开，电动机定子串电阻n启动。此时由于串联电阻上降落了部分电压，那么加在定子绕组上的端电压也就降低了，因此减小了启动电流。另外，调节启动电阻大小就可以达到所需要限制的启动电流。最后待电动机转速上升后使接触器2KM闭合，电动机加上全电压运行。7.5.2直接启动（即全压启动）2.特点

启动电流(7.5.2)降低了的电压(7.5.3)启动转矩(7.5.4)图7.5.2串联电抗启动的接线原理可见采用串电阻限制启动电流时，启动转矩减少的程度要比启动电流来得严重。因此,这种方法只能用于轻载或空载启动的场所。由于在电阻上要消耗电能，且电动机功率越大，启动电阻上的损耗也愈大，很不经济。因此，对于大功率和中等功率的鼠笼式异步电动机常采用定子串电抗器降压启动，以减少启动时的能量损耗。串联电抗启动的接线原理图如图7.5.2所示，启动时的操作步骤与串联电阻启动相同。7.5.3降压启动1．自耦变压器(启动补偿器)降压启动1）接线图自耦变压器降压启动原理如图7.5.3所示。2）操作步骤

首先闭合2KM和3KM。当转速升高到一定数值时断开3KM，电动机按照串联电抗方式继续加速。最后闭合1KM，电动机加上全电压，在固有特性上继续加速直到稳定状态，启动过程结束。然后断开2KM。将自耦变压器从电网上切除。图7.5.3自耦变压器降压启动原理图7.5.3降压启动1．自耦变压器(启动补偿器)降压启动3）特点设自耦变压器的变比为K，即降压的倍数是：(7.5.5)启动电流

（7.5.6）启动转矩（7.5.7）7.5.3降压启动2．星形—三角形(Y—∆)降压启动

1)接线图

星形—三角形降压启动只适用正常运行时定子绕组接成三角形的电动机。在启动时先将定子接成星形，启动完毕再接成三角形，接线原理如图7.5.4所示。2)操作步骤

首先闭合1KM和3KM，将定子绕组接成星形启动；当转速升高到一定数值时，断开3KM，闭合2KM，将定子绕组接成三角形，电动机继续加速到稳定状态，启动过程结束。由星形连接改为三角形连接时，3KM先断开、2KM后闭合的动作顺序是很重要的，如果2KM先闭合，就会造成电源短路。图7.5.4Y—∆降压启动7.5.3降压启动2．星形—三角形(Y—∆)降压启动

3)特点（7.5.8）

（7.5.9）启动转矩（7.5.10）7.5.3降压启动3.延边三角形启动

延边三角形启动方法，它是在星形—三角形启动的基础上发展而成的。应用这种启动方法时．三相定子绕组的每一相除首、尾两端外，中间还要抽出一个端头。运行时，定子绕组也是接成∆形，如图7.5.5(b)所示。启动时，则象图7.5.5(a)那样接线，各相绕组的后半段仍接成∆形，前半段则按Y形连接．合起来像一个三边都延长一段的∆形，所以称为延边三角形。图7.5.5延边三角形启动7.5.3降压启动【例7.5.1】一台三相鼠笼式异步电动机的数据为：，定子∆连接，，启动转矩倍数,过载能力。车间变电所允许最大的冲击电流为700A，生产机械要求启动转矩不得小于800N·m，试选择启动方法。【解】（1）使用直接启动，因：所以不能采用直接启动法。（2）试用定子绕组串电阻启动因： 所以：也不能采用此方法。7.5.3降压启动（3）试用Y—∆启动根据公式（7.5.9）得：又根据公式（7.5.10）得：启动电流虽然远比电源允许值小．但启动转矩不够，此法也不适用(4)试用自耦变压器降压启动当采用抽头为电源电压的73％时，则：根据公式（7.5.6）得：同时根据公式（7.5.7）可得：均符合要求，因此应该选用抽头比为73％的自耦变压器降压启动，即可满足负载启动的要求。7.5.4三相绕线式异步电动机的启动1．转子电路串入对称电阻启动1）启动过程分析通常在转子电路中接入3～4级星形联接的三相启动变阻器，在小功率和中等功率的电动机中，变阻器材料采用高电阻的合金或铸铁电阻片组成；而在大功率的电动机中，则可用水电阻。启动变阻器通过电刷及滑环与转子绕组联接起来，如图7.5.6(ａ)所示。图7.5.6异步电动机接线和机械特性7.5.4三相绕线式异步电动机的启动2．转子电路串入频敏变阻器启动１)频敏变阻器的结构2)工作原理图7.5.10启动特性7.5.4三相绕线式异步电动机的启动3)应用在实际工作中常根据电动机的功率和启动要求，从产品目录中选用相应的频敏变阻器。单台频敏变阻器的体积、自重不要过大，当电动机的功率大到一定程度时，就可由多组频敏变阻器连接使用。连接种类有单组、二组串联、二组并联、二串联二并联等接法，如图7.5.11(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)所示。图7.5.11变阻器连接7.5.5三相异步电动机的调速异步电动机的转速公式：可将异步电动机的凋速方法分为两大类：

1)在定子方面是改变同步转速n′。可以用： ①改变电机的磁极对数； ②改变电源频率来实现。

2)在转子方面是改变转差率。可以用： ①在绕线式转子电路中串接电阻； ②在绕线式转子电路中引入附加电势来实现。7.5.5三相异步电动机的调速1．改变磁极对数调速1）变极原理

改变定子的磁极对数，通常用改变定子绕组的接法来实现。为了说明改变绕组的连接而变更磁极对数的原理，现研究图7.5.12所示的一相绕组改接方法。图7.5.12一相绕组改接方法7.5.5