三相异步电动机 课件

单元三 三相异步电动机交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电

机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电

机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做

成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率

的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。学习情景一 三相异步电动机的基本知识一、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机分成两个基本部分：定子(固定部分)和转子（旋转部分）。在定子与转子之间有一定的气隙。1.定子部分——主要用来产生旋转磁场,它由定子铁心、 定子绕组、机壳等组成。1）定子铁心是电机磁路的一部分；用0.35~0.5 mm硅钢片叠成，以减少铁心损耗；叠片内圆冲有槽，以嵌放定子(电枢)绕组；定子铁心压装在机座内。2）定子绕组定子绕组是电机的电路部分。定子绕组为按一定规律连接而成的三相对称绕组，嵌放在定子铁心槽内。定子绕组的作用是通过电流，建立磁场，感应电动势，

以实现机电能量转换。定子绕组在槽内的布置可以是单层的、双层的。是定子部分的电路。容量较大的异步电机多用双层绕组，而小容量的电机常用单层绕组。三相单层绕组单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。（1）单层链式绕组单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。链式绕组的每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于

q=2的4、6、8极小型三相异步电动机。（2）单层交叉式绕组单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互相交叉。交叉式绕组由

两大一小线圈交叉

布置。线圈端部连

线较短，有利于节

省材料，并且省铜。广泛用于q>1的且为奇数的小型三相异

步电动机。（3）单层同心式绕组同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。同心式绕组端部连线较长，适用于q=4、6、8等偶数的2极小型三相异步电动机。优点不适宜于大中型电机元件少，结构简单，嵌线方便，槽内无

层间绝缘广泛应用于10kW以下的异步电动机定子绕组单层绕组为整距绕组缺点电动势和磁动势波形较差铁损和噪声较大起动性能较差三相单层绕组的优缺点三相双层绕组双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为

y的另一槽的下层。双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）。双层绕组的特点：线圈数等于槽数；线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数；每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。优点可以选择最有利的节距，使电动势和磁动势波形更接近正弦波所有线圈的形状和尺寸相同，便于实现机械化端部排列整齐机械强度高可组成较多的并联支路缺点嵌线困难用铜量大三相异步电动机定子绕组的三个首端U1、V1、W1和三个末端U2、V2、W2，都从机座上的接线盒中引出。图（a）为定子绕组的星形接法；图（b）为定子绕组的三角形接法。3）机座机座的作用是固定与支撑定子铁心及端盖。要求它有足够的机械强度和刚度。中、小型电机一般采用铸铁机座，大容量电机采用钢板焊接机座。封闭式中、小型感应电机的机座表面有散热筋片，以增加散热面积。大型感应电动机机座内壁与定子铁心之间隔开一定距离，作为冷却空气的通道。端盖的作用是安装轴承来支撑转子，使定转子之间保证一定的同心度；还起保护定、转子绕组的作用及作为通风的风路。在大容量电机中，采用座式轴承直接固定在电机的底座上来支撑转子的重量。2、转子部分转子主要用来产生旋转力矩，拖动生产机械旋转。转子由转子铁心、转子绕组、转轴构成。1.

转子铁心是电机磁路的一部分；用0.5 mm硅钢片叠成，以减少铁心损耗；叠片外圆冲有槽，以嵌放转子绕组。转子铁心固定在转轴上。2.

转子绕组转子绕组的作用是感应电动势、流过电流并产生电磁转矩。鼠笼型转子——鼠笼型异步电动机有两种结构型式绕线型转子——绕线型异步电动机（1）笼型转子转子每个槽中有一根导条，在铁心两端用短路环短接，形成一个多相对称短路绕组（一个槽为一相）。如去掉转子铁心，整个绕组犹如一个“松鼠笼子”，由此得名。大型电动机多用铜导条和铜端环组成；中、小型电动机采用铸铝导条，连同端环、冷却用的风叶一次浇铸成型

。（2）绕线式转子绕组绕线式转子绕组与定子绕组一样，也是一个对称的三相绕组。它接成Y形后，三根引出线分别接到轴上的三个滑环（即集电环），再经电刷引出与外部电路接通，如图所示。每个滑环上都用弹簧压着一个固定不动的电刷，转子转动时，滑环与电刷之间保持滑动接触。转子绕组的三个首端通过电刷引到接线盒中，以便在转子电路中串入附加电阻。鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式：结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。上一页

下一页返

回上一节下一节3、气隙异步电动机的定子与转子之间的空气间隙简称为气隙，异步电动机的气隙比同容量的直流电机的气隙小得多，气隙大小一般为

0.2～1.5mm左右。定子和转子之间气隙大小，对电动机性能影响很大。变压器主磁路全部是铁心，磁阻很小，产生主磁通所需励磁电流很小（2~10%）。异步电机主磁路由定、转子铁心和两段气隙构成，气隙虽然很小但磁阻却很大，因此产生一定的主磁通所需要的励磁

电流较大，一般为额定电流的20~50%。励磁电流是无功电流，励磁电流较大是异步电动机功率因数较低的主要原因。为提

高功率因数，必须减小励磁电流，最有效的方法就是减小气

隙长度。异步机演示模型现象：线圈跟着磁铁转,且旋转方向一致；但线圈与磁铁的转

速不一样，

。NS异步电动机转动原理：依据载流导体在磁场中受力。磁铁闭合线圈e方向用右手定则确定f方向用左手定则确定磁场旋转异步电动机转动原理磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势导线长磁感应强度切割速度（左手定则）闭合导线产生电流

i通电导线在磁场中受力（右手定则）异步电动机转动原理结论：1. 线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致2.

线圈比磁场转得慢异步异步电动机转动原理圈与磁铁的转速不一样，。异步如果线圈与磁铁的转速一样，导线就没有切割磁力线运动了！没有感应电动势e与感应电流i

没有力f

的产生！什么时候（感应）电流最大呢？n=0的时候，线圈切割磁力线的速度最大！异步电动机在起动时（感应）电流最大。NSe

f

if异步电动机转动原理现象：线圈跟着磁铁转,

且旋转方向一致；但线实际电动机的旋转磁场（rotating

or

revolvingmagnetic field）是如何产生的呢？NSe

fifNSe

fif异步电动机转动原理磁铁反转时,线圈跟着磁铁反转。旋转磁场的转向决定电动机的转向。二、三相异步电动机的基本工作原理对称三相定子绕组接入对称三相电压旋转磁场

(磁场能量)磁力线切割转子绕组转子绕组中产生

e

和

i转子绕组在磁场中受到电磁力的作用转子旋转起来机械负载旋转起来三相交流电流输出机械能量1、定子产生旋转磁场极对数p123456同步转速n1（r/min）300015001000750600500旋转磁场是指极性与大小不变，且沿着一定方向以一定速度旋转的磁场。定子三相对称绕组通入三相对称电流会产生一个旋转的磁场。定子磁场的转速称为同步转速，大小为：f1

—电网频率；

P—磁极对数同步转速与极对数之间对应关系(f1=50HZ)定子磁场的转向由三相电流相序决定：由超前相往滞后相旋转，即沿着U1→Ｖ1→Ｗ1

方向旋转。图示瞬间，磁场向下。U

mi

=I

sinω

ti

=I

sin(ω

t-120°

)V

miW=Imsin(ω

t+120°

)iUiV

iW对称三相电流流入对称三相绕组。ω

ti0设：电流的流入端用电流的流出端用表示

相序U-V-W-U表示iUiViWU1V1W1U2V2W2U1W2V1U2W1V2旋转磁场的产生U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2三相电流合成磁

场

的分布情况合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600ω

to综上分析可以得出：空间相差120º角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场,当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为360º)。（2）旋转磁场的转速旋转磁场转速n1

—

同步转速（r/min)▲极对数（p）的概念：以Y

型接法为例，当每相绕组只有一个线圈时，按右下图放入定子槽内，合成的旋转磁场只有一对磁极，则极对数为1。即

p

=

1U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W1W2iWiUiV以Y

型接法为例，将每相绕组都改用两个线圈串联组成。按下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。即

p=

2U1U3V1U2V4V2V3W4W1W2W3U4iVW2V4U1V1W1U2U3U4V3V2W4W3iUiW三相绕组四极旋转磁场电流变化一周电流每秒钟变化50周→

旋转磁场转一圈→旋转磁场转50圈p

=1

时：电流变化一周电流每秒钟变化50周→

旋转磁场转半圈→旋转磁场转25圈电流每分钟变化(50×60)周→旋转磁场转1500圈电流每分钟变化(50×60)周→旋转磁场转3000圈p

=2

时：三相异步电动机的同步转速1p60

f1n

min）r(

/f1

=50Hz

时，不同极对数时的同步转速如下:p为任意值时：极对数p123456同步转速n1（r/min）3000150010007506005002．转子导体产生感应电流定子磁场顺时针旋转时，转子导体逆时针切割定子磁场，转子导体中将感应电动势，并在闭合的转子绕组内产生感应电流，

在图示瞬间，转子上半周导体中的电流流出纸面，下半周流入纸面。3．转子导体受到电磁转矩作用而使转子旋转载有电流的转子导体在定子磁场中将受到电磁力作用，并形成电磁转矩，电磁转矩的方向与定子旋转磁场方向一致，在电磁转矩作用下转子将顺着定子磁场方向旋转起来。基本工作原理可归纳以下三个关键点：(1)定子三相对称绕组通入三相对称电流将产生旋转磁场；

(2)转子导体切割定子旋转磁场感应电动势，并感应电流；

(3)载流转子导体在定子磁场中受到电磁力及电磁转矩，

使转子旋转。U1U2V2V1定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针切割转子导体右手定则感应电动势

E20旋转磁场感应电流

I2旋转磁场左手定则电磁力FW1

F电磁转矩TnW2F由基本工作原理分析,可得出以下两个知识点：相序 定子磁场转向转子转向决定 决定(1)

改变电源相序，可改变电动机的转向因此任意对调三相异步电动机的两根电源线，便可使电动机反转。(2)

异步电动机的转速恒小于同步转速n

<

n1时，转子与定子磁场间有相对运动，转子才会受到电磁转矩作用。n

=

n1时，转子与定子磁场间无相对运动，转子不感应电流不产生转矩。由于电动机转速n与旋转磁场转速n1不同步，故称为异步电动机。因为电动机转子电流是通过电磁感应作用产生的，所以又称为感应电动机。3、转差率由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速

n

不可能达到与旋转磁场的转速相等，即异步电动机如果:转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转子电动势和转子电流无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。转差率s额定运行:空载运行：n≈n1，s≈0即空载运行时，可以近似认为转子转速等于同步转速。故转差率的大小直接反映转速的快慢或电动机负载的大小。异步电动机运行中:转子转速亦可由转差率求得转差率s是异步电机的一个基本物理量，它能反映异步电机的各种运行状况。起动瞬间：n=0，s=1异步电动机n略低于n1

，s=0.01～0.06负载越大，转速就越慢，其转差率就越大；负载越小，转速就越快，其转差率就越小。起动时：n=

0,

△n

=

n0

→

转子电磁感应最强→转子电路电流的频率：

f2

=

f1→n↑→

△n

↓→转子电路电流的频率

f2

↓（＜

f1）稳定运行时：

△n

=

n0－n

很小▲转子电路电流频率的变化：f2

=ｓf1

很小（与转子的转速有关）例：一台三相异步电动机，其额定转速n=975

r/min，电源频率

f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可p=3知：n0=1000

r/min,即额定转差率为例：某三相异步电动机，定子电压的频率f1＝50

Hz,极对数p＝1，转差率s＝0.015。求同步转速n0

，转子转速n

和转子电流频率f2。解：三、三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌上标有电动机的型号、额定值和有关技术数据，这是正确使用电机的依据。1、型号2、电动机的额定值额定值是制造厂对电动机在额定（满载）工作条件下所规定的量值。额定功率PN（W、kW）：额定运行时，转轴输出的机械功率。额定电压UN

（V、kV）：额定运行时，加在定子绕组上的线电压。额定电流IN

（A、kA）：额定运行时，定子绕组中的线电流。额定转速nN

（r/min）：额定运行时电动机的转速。额定频率fN=50Hz额定值关系：电动机的额定功率因数电动机的额定效率三相异步电动机型号Y132S－6功率3kW频率50Hz电压380V电流7.2A联结Y转速960r/min功率因数0.76绝缘等级B1.型号

Y132S－62p=

6

→n0

=

1

000r/minY系列异机步座机中心高机度座长度代磁号极数额定功率PNPN

=3kW

→轴上输出机械功率的额定值额定电压UNUN

=380V→定子三相绕组应施加的线电压三相异步电动机型号Y132S－6功率3kW频率50Hz电压380V电流7.2A联结Y转速960r/min功率因数0.76绝缘等级B4.额定电流ININ

=7.2A

→定子三相绕组的额定线电流联结方式通常三相异步电动机3kW以下者，联结成星形，4kW以上者，联结成三角形。额定转速nN电机在额定电压、额定负载下运行时的转子转速。三相异步电动机型号Y132S－6功率3kW频率50Hz电压380V电流7.2A联结Y转速960r/min功率因数0.76绝缘等级B8.

绝缘等级指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105ºC)，H级最高(180ºC)。7.

额定功率因数λN

=cosφNP1N

=

√3

UNIN

cosφNPN

=ηNP1N

=

√3

UNIN

cosφNηN三相异步电动机主要系列简介

Y系列：一般用途小型笼型转子三相异步电动机。额定电压为380

V，功率为5.5~132

kW，3

kW及以下为Y接，4

kW及以上为△接。目前发展成Y2、Y3系列。

YR系列：一般用途小型绕线转子三相异步电动机。定子为△接，转子为Y接。

YD系列：变极多速三相异步电动机。四、三相异步电动机的特点与分类

1、三相异步电动机的特点三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。2、三相异步电动机的分类1）按三相异步电动机的转子结构形式可分为鼠笼式电动机和绕线式电动机。

2）按三相异步电动机的防护型式可分为开启式（IP11）三相异步电动机、防护式三相异

步电动机（IP22及IP23）、封闭式三相异步电动机（IP44）、防爆式三相异步电动机。3）按三相异步电动机的通风冷却方式可分为自冷式三相异步电动机、自扇冷式三相异步电动

机、他扇冷式三相异步电动机、管道通风式三相异步电动机。

4）按三相异步电动机的安装结构形式可分为卧式三相异步电动机、立式三相异步电动机、带底脚三相异步电动机、带凸缘三相异步电动机。

5）按三相异步电动机的绝缘等级可分为E级、B级、F级、H级三相异步电动机。

6）按工作定额可分为连续三相异步电动机、断续三相异步电动机、间歇三相异步电动机。学习情景二 三相异步电动机的电磁关系三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。变压器：Φ

变化

e1

1U

E

=

4.44

f

N

Φ1E2=

4.44

f

N2ΦE1

、E2

频率相同，都等于电源频率。异步电动机每相电路i1u1σ

1σ

2i2+—+e+e－—e1+—+e2—f1

f21、定子电路1）旋转磁场的磁通Φ异步电动机：旋转磁场切割导体

e

，U1

E1=

4.44

f1N1Φ每极磁通2）定子感应电势的频率

f1感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关旋转磁场与定子导体间的相对速度为

n0

，所以f

1= 电源频率

f2、转子电路1）转子感应电势频率

f2定子感应电势频率

f

1

转子感应电势频率

f2转子感应电势频率

f2旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同2）

转子感应电动势E2E2=

4.44

f

2N2Φ

=

4.44s

f

1N2Φ当转速

n

=

0(s=1)时，

f

2最高，且

E2

最大，有E20=

4.44

f1N2Φ转子静止时的感应电势即E2=

s

E20转子转动时的感应电势3）转子绕组的漏阻抗电抗与频率正比于,转子旋转时转子漏电抗:转子不转时转子漏电抗:二者关系:转子绕组的漏阻抗:

4）转子绕组的电流转子绕组为闭合绕组,转子电流为当转速降低时,转差率增大,转子电流也增大.5）转子绕组的功率因数转子功率因数与转差率有关,当转差率增大时,转子功率因数则减小。6）转子旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势.1)幅值2)转向转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同,转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致.转子旋转磁动势相对定子的速度为可见,无论转子转速怎样变化,定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。学习情景三 三相异步电动机的等效电路与相量图一、三相异步电动机的等效折算1、频率折算频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。转子回路电流转子不动，转子电阻为 的异步电动机的转子电流，和转子以转差率s旋转的，转子电阻为R2的异步电动机转子电流相等。推论：频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻 ，即在转子回路中串联一个阻值大小为

的电阻，即可以把原来旋转的转子看成静止的转子，同时可以保持转子磁动势F2不变。实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻 。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功率等效机械损耗和机械功率之和——总的机械功率。从等效电路角度，可以把 看成是异步电动机的”电阻负载”，其上的压降可以看成是转子回路的端电压:频率折算后的定、转子电路2、绕组折算）代替的用绕组（m1、N1、kw1）等效替代绕组（ m2、N2、kw2原则是：磁势平衡不变功率平衡不变电流折算：根据磁势不变：电势、阻抗折算电势折算：磁通应不变。阻抗折算：功率不变。电抗和漏阻抗可同样折算。绕组归算后的定、转子电路1、经过频率折算和绕组折算后的基本方程二、等效电路折算后转子电路方程式：2、T型等效电路和简化等效电路由基本方程可以作出等效电路:T型等效电路简化等效电路从等效电路分析可知:三相异步电动机的功率因数永远滞后；附加电阻不能用电感或电容来代替。在等效电路中负载的变化是用转差率s来体现的3、相量图按照基本方程和等效电路可以作出异步电动机的相量图。学习情景四三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡和工作特性一、功率平衡功率变换和传递是电动机的主要功用,结合等效电路分析异步电动机功率流向。异步电动机从电源获取电功率，即输入功率：此一功率首先通过定子绕组，产生定子铜耗：电磁功率首先提供转子铜耗:剩余的电磁功率全部转化为机械功率:机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗:其余功率为输出的机械功率:异步电动机的功率平衡方程式：三相异步电动机的功率流程图P1PemP2pcu1pFepcu2pmPmec在等效电路上表示功率和损耗：可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。几个重要的关系二、转矩平衡在式的两边同时除以机械角速度得即或电磁转矩电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械角速度。三、三相异步电动机的工作特性工作特性的曲线如图所示：异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量（转速、定子电流、电磁转矩、功率因数及效率等）随输出功率变化的关系曲线。1、转速特性2、电磁转矩特性

T＝f（P2）异步电动机的输出转矩异步电动机的负载在额定范围

之内时，转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降。转矩曲线为一条过原点且斜率为

1/ω的直线。3、定子电流特性空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。4、定子功率因数特性空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。5、效率特性其中铜耗随着负载的变化而

变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变；可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。异步电动机额定效率载74-94%之间；最大效率发生在(0.7-1.0)倍额定效率处学习情景五三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=ƒ(T)或s=ƒ(T)。机械特性可用函数表示，也可用曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式。一、异步电动机机械特性三种表达式

1、物理表达式电磁转矩为：2、参数表达式异步电动机的电磁转矩T与定子每相电压U1平方成正比，若电源电压波动大，会对转矩造成很大影响。①最大转矩Tm最大转矩Tm是T=ƒ（s）的极值点，最大转矩为：最大转矩对应的临界转差率为：两式中“+”为电动状态（特性在第Ⅰ象限）；“-”为制动状态（特性在第Ⅱ象限）。机械特性曲线在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的关系可用曲线表示如图所示。异步电动机机械特性最大转矩近似表达式通常情况下，可忽略r1，则有：最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数，其值大小反映电动机过载能力，用λm表示，即：一般异步电动机过载倍数λm=1.5～2.2。②起动转矩Tst起动瞬间n=0或s=1时，电动机相当于堵转，这一时刻的电磁转矩称为起动转矩或堵转转矩，用Tst表示，则有：起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数或堵转转矩倍数，用kst表示，则有：一般普通异步电动机起动转矩倍数为0.8～1.2。（3）实用表达式实用表达式：，，认为 ，一般异步电动机的在任何s值时都有： ，而可以忽略，简化得：临界转差率：当拖动额定负载时，TL=TN临界转差率为：额定转矩为：从产品目录查出该异步电动机的数据PN、nN、λm应用实用公式就可方便得出机械特性表达式。O二、三相异步电动机的固有机械特性异步电动机的固有机械特性是指U1=U1N，

ƒ1=ƒ1N，定子三相绕组按规定方式连接，定子和转子电路中不外接任何元件时测得的机械特性n

=ƒ（T）或T=ƒ（s）曲线。TsOT1三相异步电动机的固有机械特性1）起始点A；额定工作点B；同步转速点H；最大转矩点P和P′P

：电动状态最大转矩

P′：回馈制动状态最大转矩曲线acd曲线a

c段是电动机稳定运行区。当负载转矩T负的转速n时，电动机电动机T电动机T与当负载转矩T负负相等时电动机在新的稳定状态下运行电动机的转速n较前低。工作点bnb'曲线工作点bacd曲线a

c段较平坦时称硬机械特性。曲线a

c段斜率较大时称软机械特性。如：车床车削时，吃刀量增大

不希望电机的转速有较大变化。如：电车在平路上速度较快，爬坡时希望速度自动减慢。n1TnTmTst机械特性曲线TLcb启动： Tst>TL

(负载转矩)，电机启动转速n

，转矩T

c点：转矩达最大Tm

，转速n继续

，T

，沿cb走b点：T=TL，转速n不再上升，稳定运行若TL

，暂时T<

TL,

n

s

I2

T

n

电动机的自适应负载能力电动机的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。常用特性段s=0s=1三、三相异步电动机的人为机械特性异步电动机的人为机械特性是指人为改变电动机的电气参数而得到的机械特性。由参数表达式可知，改变定子电压U1、定子频率f1、极对数p、定子回路电阻r1和电抗x1、转子回路电阻r2ˊ和电抗x2ˊ，都可得到不同的人为机械特性。1、降低电源电压转矩与电压的平方成正比。临界转差率与电源电压无关。机械特性如图所示。三相异步电动机降低定子相电压时的人为机械特性降低电网电压对电动机运行的影响：降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏。由降低电网电压前后的机械特性，相同负载时，降压后的转差率s将增大，则由下式可知电动机的电流将增大。三相异步电动机降低定子相电压时的人为机械特性转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性2、转子电路内串联对称电阻的人为机械特性转子电路串联对称电阻适用于绕线转子异步电动机的起动，也可用于调速。转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性学习情景六 三相异步电动机的启动三相异步电动机直接起动是指电动机直接加额定电压，定子回路不串任何电器元件时的起动。三相异步电动机的起动要求有足够大的起动转矩Tst，使电动机起动时间短。起动电流Ist尽尽可能的小，避免起动时的大电流引起电网的压降，影响接在电网上的其他电器设备和电动机的正常运行。起动所需的控制设备尽量简单，价格低廉，操作和维护方便。起动过程中的能量损耗应尽量小。一、三相笼型异步电动机的启动三相笼型异步电动机的启动方法主要有：直接起动降压起动：定子串电阻器起动，自耦变压器降压起动，星-三角换接起动，延边三角形起动等。1、直接启动由三相异步电动机机械特性的物理表达式知道，在额定电压下直接起动三相异步电动机。即转差率S＝1，主磁通≈额定磁通的1/2，功率因数cosΨ2很小，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。例如，对于普通鼠笼式异步电动机，起动电流＝（4～7）IN

（为起动电流倍数）起动转矩＝TN（0.9～1.3）对于绕线式三相异步电动机的起动转矩T

S＜TN

。起动电流过大，对电网冲击大。使电网电压降低，对电机前端供电变压器影响大。使得变压器输入电压幅度下降，超过了额定值的允许偏差△＝±10%或更严重。这样，一方面影响了异步电机本身，由于Tst与电压U的平方成正比，导致

Tst下降更多，当重载时电机将不能起动；另一方面，影响由同一台供电变压器供电的其它负载，如电灯会变暗，用电设备失常，重载的异步电机可能停转等。下面两种情况不能直接启动：变压器与电机容量之比不足够大、启动转矩不能满足要求。综上所述，三相异步电机直接起动的情况只适应于供电变压器容量较大，电动机容量小于7.5kW的小容量鼠笼式异步电机。对于大容量鼠笼式异步电机和绕线式异步电动机可采用如下方法：（1）降低定子电压；（2）加大定子端电阻或电抗；（3）对于绕线式异步电机还可以采用加大转子端电阻或电抗的方法。对于鼠笼式异步电机，可以结构上采取措施，如增大转子导条的电阻，改进转子槽形。2、降压起动1）定子串接电抗器或电阻起动三相鼠笼式异步电机在定子回路中串接电抗器（可改接电阻器，但能耗较大，适用于较小容量电机）降压起动的接线原理图如图所示。三相异步电机定子串电抗起动。即开关S1接通，使起动时电抗器接入定子回路；起动后，切除电抗器，即开关S2接通。M3~3~RSS1FU起运动行M3~S2

XSS1FUS23~定子串联电阻或电抗减压起动定子串电阻或电抗降压起动起动电流减小，但起动转矩按电压平方关系下降，下降更多，起动特性不是很好，生产中很少使用。2) Y-

降压起动起动时降低电动机的电源电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。方法：起动时定子绕组接成Y形，运行时定子绕组则接成△形，其接线图如图示。适用于正常运行为△联结的电动机。对于运行时定子绕组为Y形的笼型异步电动机则不能用Y—△起动方法。3~

UNS1FUS2U1U2

V1V2W1W2星形－三角形减压起动（Y－

Δ

起动）3~

UNS1FUS2U1U2

V1V2W1W2Y起动星形－三角形减压起动（Y－

Δ

起动）Δ

运行S23~

UNS1FUU1U2

V1V2W1W2U1P△3UNU1PY

=

UN=

13定子相电流比I1PYI1P△U1PYU1P△==13起动电流比IstYIst△I1PY3

I1P△=

=13星形－三角形减压起动（Y－

Δ

起动）Y 型起动的起动电流IstY

=

1

Ist3起动转矩比3TstY

=

(U1PY)2

=

1Tst△

U1P△Y型起动的起动转矩TstY

=

1

Tst3结论：星－三角起动时，起动电流减小为全压起动的1/3，起

动转矩也减小为全压起动的1/3。3）自耦变压器(起动补偿器)起动方法：自耦变压

器也称起动补偿器。

起动时电源接自耦变

压器原边，副边接电

动机。起动结束后电

源直接加到电动机上。三相笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动的接线如图所示。

TA3~

UNS1FUS2M3~3~

UNS1FUS2

TAM3~起动自耦变压器减压起动S2下合：

接入自耦变压器，降压

起动。

TA3~

UNS1FUS2M3~运行自耦变压器减压起动S2上合：

切除自耦变压器，全压工作。自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成

Y形不能采用Y－

起动的鼠笼式异步电动机。三相鼠笼式异步电动机降压起动方法的比较主要性能指标起动方法起动电压比值起动电流比值起动转矩比值起动设备应用场合直接起动111最简单电机容量小于7.5kwW定子串电抗起动uuu2一般任意容量，轻载起动ㄚ－△起动1/31/3简单正常运行为△形，电机可频繁起动自耦变压器uu2u2较复杂较大容量电机，较大负载不频繁起动二、绕线式三相异步电动机的起动绕线式三相异步电动机，转子回路中可以外串三相对称电阻，以增大电动机的启动转矩，启动结束后可以切除外串电阻，电动机的效率不受影响。它可用在重载和频繁启动的生产机械上。1、转子串电阻分级起动为使整个启动过程中尽量保持较大起动转矩，绕线式异步电动机看采用逐级切除转子起动电阻的分级启动。起动接线图和特性曲线如图所示。L1L2L3FU13KHQSM3～KM3RS3KM2RS2KM1RS1(1) 接触器触点KM1、KM2、KM3全断开，电动机定子接额定电压，转子每相串入全部电阻RS1+RS2+RS3

，电动机开始启动。启动点为机械特性曲线3上的a点，启动转矩T<Tm。(2) 由于Ts1>TL

(负载转矩)电动机加速到b点时，T=T2>TL，为了加速起动过程，接触器K3闭合，切除起动电阻Rs3，特性变为曲线1，因机械惯性，转速瞬时不变，工作点水平过渡到c点，使该点T=T1。(3) 因Ts1>TL，转速沿曲线1继续上升，到d点时K2闭合，Rs2被切除，电动机运行点从d转变到特性曲线1上的e点……。依次类推，直到切除全部电阻，电动机便沿着固有特性曲线3加速，经h点，最后稳定运行于j点(T=TL)。（2）起动电阻的计算起动电阻的计算可采用解析法。下面对解析法进行分析。为简化计算，机械特性采用实用表达式简化后的近似表达式为根据转子回路串电阻后的机械特性和近似表达式，在线性段有下列两个结论：在同一条机械特性上，若

和 为常数时，则转子回路串电阻后，对不同电阻值的机械特性，若Tm

为常数，当s为常数时，有下面根据以上两个比例关系推导启动电阻的计算方法。在不同串电阻机械特性上，根据s=常数，，则有,

,令，为启动转矩比，则启动时各级电阻则为当T=T1时，如图所示，可以得到，，，把上两一式，得到在固有机械特性上，根据则有 ，或式代入故有起动电阻的计算步骤有两种情况：（1）已知起动级数m时，计算步骤如下：先按T1≤0.85Tm,选取T1,在由式 计算α值；校核是否T2=T1/a>=(1.1-1.2)TL,不合适则需选取较大的

T1，甚至增加启动级数m，并重新计算a，再校核T2，直至T2大小合适为止；先计算 ，在计算各级电阻。（2）若起动级数未知时，则按下方法计算值。1)根据T1≤0.85

Tm和T2

≥（1.1～1.2）TL，计算a=T1/T2和并对α取相邻的最大整数；然后再根据取值的m,修正α，再校核T2(或T1)，直至合适为止；按式上面式子计算各级电阻。解：额定转差率转子每相电阻最大启动转矩启动转矩比校核切换转矩T2,有，，

，求转子串电例：一台三相鼠龙异步电机，

启动时负载转矩阻三级启动的启动电阻。各级启动时转子回路总电阻各级启动时外串启动电阻对于单纯限制启动电流、增大启动转矩的绕线式异步电机，可采用转子串频敏变阻器启动。频敏变阻器是由三相铁芯线圈组成，每一相的等效电路与变压器空载运行的等效电路一致。接触器触点KM2断开时，电机转子串入频敏变阻器启动。启动过程结束后，接触器触点

KM2再闭合，切除频敏变阻器，电机进入正常运行。2、 转子电路串联频敏变阻器起动

L1L2L3FU1QSKM1KM2RFM3～3KH与一般变压器励磁阻抗不完全相同，励磁阻抗由励磁电阻与励磁电抗串联组成，用 表示。主要表现

在以下两点：1）频率为50Hz的电流通过时，阻抗比一般变压器励磁阻抗小得多。这样串在转子回路中，即限制了启动电流，又不至于使启动电流过小而减少启动转矩。2）频率为50Hz的电流通过时， 。因频敏变阻器中磁密取得较高，铁芯处于饱和状态，励磁电流较大，因此励磁电抗较小，启动转矩高。这样，转子回路功率因数提高了。频敏变阻器在启动过程中始终保持较大电磁转矩。启动结束后，转子回路电流频率很低，很小，近似为零，频敏变阻器自动不起作用。这时，可闭合接触器触点K来切除频敏变阻器。转子串频敏变阻器的机械特性1-固有机械特性 2-人为特性频敏变阻器频率高：损耗大，电阻大。频率低：损耗小，电阻小。转子电路起动时f2

高，电阻大，Tst'

大，

Ist'

小。转子电路正常运行时f2

低，电阻小，自动切除变阻器。频敏变阻器总结：学习情景七 三相异步电动机的制动许多机床，如万能铣床、卧式镗床、组合机床等，都要求能迅速停车和准确定位。三相异步电动机从切断电源到安全停止旋转，由于惯性的关系总要经过一段时间，这样就使得非生产时间拖长，影响了劳动生产率，不能适应某些生产机械的工艺要求。在实际生产中，为了保证工作设备的可靠性和人身安全，为了实现快速，准确停车，缩短辅助时间，提高生产机械效率，对要求停转的电动机采取措施，强迫其迅速停车，这就叫“制动”。三相异步电动机的制动方法有下列两类：机械制动和电气制动。机械制动是利用机械装置使电动机从电源切断后能迅速停转。它的结构有好几种形式，应用较普遍的是电磁抱闸，它主要用于起重机械上吊重物时，使重物迅速而又准确地停留在某一位置上。电气制动是使异步电动机所产生的电磁转矩和电动机的旋转方向相反。电气制动通常可分为能耗制动、反接制动和回馈制动(再生制动)等3类。一、三相异步电动机能耗制动能耗制动时，储存在转子中的动能转变为转子铜耗，以

达到迅速停车的目的，所以这种方式称为能耗制动。制动方法：异步电动机运行时，把定子从交流电源断开，同时通入直流电流，产生电磁转矩起制动作用，迫使转子停能耗制动接线图n转子FT下来。常用于需要电动机迅速停车时。Φn0=0能耗制动接线图n转子FT当定子绕组通入直流电源时，在电动机中将产生一个恒定磁场。转子因机械惯性继续旋转时，转子导体切割恒定磁场，在转子绕组中产生感应电动势和电流，转子电流和恒定磁场作用产生电磁转矩，根据左手定则可以判电磁转矩的方向与转子转动的方向相反，为制动转矩。在制动转矩作用下，转子转速迅速下降，当n=0时，T=0，制动过程结束。这种方法是将转子的动能转变为电能，消耗在转子回路的电阻上，所以称能耗制动。Φn0=0电动机正向运行时工作在固有机械特性曲线1的A点上。定子绕组改接直流电源后，因电磁转矩与转速反向，因而能耗制动时机械特性位于第二象限，如曲线2。电动机运行点也移至B点，并从B点顺曲线2减速到O点。三相异步电动机拖动反抗性恒转矩负载运行时，采用能耗制动停车，电动机的运行点如图所示，从A-B-O，最后准确停在n=0处。若拖动位能性恒转矩负载，则需要在制动到n=0时及时切断直流电源，才能保证准确停车。能耗制动停车过程，电动机运行于第二象限的机械特性上。对于位能性恒转矩负载，电动机减速到n=0后，接着便反转，最后稳定运行于第四象限。此时，电磁转矩>0，而转速<0nTATLB120能耗制动机械特性图1-固有机械特性

2-能耗制动机械特性对于采用能耗制动的异步电动机，既要求有较大的制动转矩，又要求定、转子回路中电流不能太大使绕组过热。根据经验，能耗制动时对于笼型异步电动机取直流励磁电流为

(4～5)I0，对于绕线转子异步电动机取(2～3)I0，制动所串电阻r=(0.2～0.4)能耗制动的优点是制动力强，制动较平稳。缺点是需要一套专门的直流电源供制动用。二、反接制动反接制动分为电源反接制动和倒拉反接制动两种。1、电源反接制动方法：改变电动机定子绕组与电源的联接相序，如图所示，断开Q1，接通Q2即可。绕线转子异步电动机电源反接制动接线图如图所示，制动前，电动机工作在曲线1的A点，电源反接制动时，T＜0，n＞0，相应的转差率s

=＞1，且电磁转矩T＜0，机械特性如曲线2所示。因机械惯性，转速瞬时不变，工作点由A点移至B点，并逐渐减速，到达C点时n=0，此时切断电源并停车，如果是位能性负载需使用抱闸，否则电动机会反向起动旋转。一般为了限制制动电流

和增大制动转矩，绕线

转子异步电动机可在转

子回路串入制动电阻，

特性如曲其线3所示，制动过程同上。nTATLB120B’3n1-n1C电源反接制动的机械特性三相绕线式异步电动机反接制动的机械特性固有机械特性负序电源、转子回路串电阻的人为机械特性与他励直流电动机制动停车一样，三相异步电机反接制

动停车比能耗制动停车速度快，但能量损失较大。一些频繁

正、反转的生产机械，经常采用反接制动停车接着反向启动，就是为了迅速改变转向，提高效率。电源反接制动优点：制动迅速，设备简单。缺点：制动电流很大，需采取限流措施，且制动时能耗大，振动和冲击力也较大。2、倒拉反接制动方法：当绕线式异步电动机拖动位能性负载时，在其转子回路中串入很大的电阻。原理：在转子回路串入很大的电阻，机械特性变为斜率很大的曲线，因机械惯性，工作点向下移。此时电磁转矩小于负载转矩，转速下降。当电机减速至n

= 0，电磁转矩仍小于负载转矩，在位能负载的作用下，电动机反转，工作点继续下移。此时因

n<0，电机进入制动状态，直至电磁转矩等于负载转矩，电机才稳定运行。倒拉反接制动机械特性nTemA10TLDn1B2C当异步电动机提升重物时，其工作点为曲线1上的A点。如果在转子回路串入很大的电阻，机械特性变为斜率很大的曲线2，因机械惯性，工作点由A点移到B点，因此时电磁转矩小于负载转矩，转速下降。当电动机减速至n=0时，电磁转矩仍小于负载转矩，在位能负载的作用下，使电动机反转，直至电磁转矩等于负载转矩，电动机才稳定运行于D点。因这是由于重物倒拉引起的，所以称为倒拉反接制动(或称倒拉反接运行)，其转差率与电源反接制动一样，s都大于

1绕线转子异步电动机倒拉反接制动状态，常用于起重机低速下放重物。三、三相异步电动机回馈制动方法：使电动机在外力(如起重机下放重物)作用下，其电动机的转速超过旋转磁场的同步转速。起重机下放重物，在下放开始时，n＜n1电机处于电动状态。在位能转矩作用下，电机的转速大于同步转速时，转子中感应电势、电流和转矩的方向都发生了变化，转矩方向与转子转向相反，成为制动转矩。此时电机将机械能转化为电能馈送电网，所以称回馈制动。Pm<0，表示机械功率输给电机，减去转子铜耗变为电磁功率PM。PM<0表示电机发出功率，减去定子损耗后，回馈给电网。NSn1n

TNSn1nT回馈制动原理图a)n<n1

电动状态 b）

n>n1回馈制动三相绕线式异步电动机的各种运行状态能耗制动反接制动回馈制动电源反接倒拉反转方法断开交流电源的同时在定子两相中通入直流电流突然改变定子电源相序使定子旋转磁场方向改变定子按提升方向接通电源，转子串入较大电阻，电机被重物拖拉反转在某一转矩作用下，使电机转速超过同

步转速能量关系吸收系统储存的动能并转换成电能，消耗在转子电路电阻上吸收系统储存的动能，作为轴上输入的机械功率并转换成电能后，连同定子传递给转子的电磁功率一起全部消耗在转子回路电阻上轴上输入机械功率并转换成电功率，由定子回馈到电网优点制动平稳，便于实现准确停车制动强烈，停车迅速能使位能负载在

n<n1下稳定下放能向电网回馈电能，比较经济缺点制动较慢，需要一套直流电源能量损耗大，控制较复杂，不易实现准确停车能量损耗大在n<n1时不能实现回馈制动应用场合要求平稳准确停车的场合，限制位能负载的下降速度要求迅速停车和需要反转的场合限制位能负载的下放速度，并在n<n1的情况下采用限制位能负载的下放速度，并在n>n1的情况下采用三相异步电机各种制动方法的比较学习情景八 三相异步电动机的调速异步电动机起动投入运行后，为适应生产过程的需要，

有时要在电动机负载不变化的情况下，人为的改变电动机的转速，这个操作称为调速。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。如何实现调速？公式表明：异步电动机的转速和f1、S、p这三个因素有关，可以通过改变这三个参数达到改变n的目的。所以异步电动机的调速方法有：

改变极对数p——有级调速；改变转差率S —— 无级调速；

改变电源频率

(变频调速)f1

——

无级调速。一、三相异步电动机的变极调速 (有级调速)变极调速 —— 一般用在鼠笼式异步电动机中。如前所述，当异步电动机的外加电压频率恒定，改变极对数p时可改变定子旋转磁场的同步转速而达到调节转子转速n的目的。改变定子极对数p的基本方法为：在定子槽内安装两套或多套绕组，各套绕组设计成不同的极对数，它们彼此独立，没有电的联系。定子槽内只有一套绕组，用改变绕组的连接法的到不同的极对数。具有这种绕组的异步电动机称为单绕组多速异步电动机。1、变极原理τ

τ

τ

τNNSSx1

a2x2a1XA(a)

2P=4NSx1

a2x2a1XA(b)

2P=2ττNSx1

a2x2a1XA(c)

2P=2通过改变

电动机定子绕

组的联结方式，即可改变旋转

磁场的极对数。τ

τ上图a、b、c分别为三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图。其中，代表A相的半相绕组，代表A相的另一半相绕组。结论: 只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。为了确保定子、转子绕组极对数的同时改变以产生有效的电磁转矩，变极调速一般仅适用于鼠笼式异步电动机。结论:对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。这主要是极对数的改变会引起相序发生改变所致。因为极对数为p时，如果A

、 B、C之间的相位关系为00，1200，2400，如图（a）所示；则在极对数为2p时，

A 、B、C之间的相位关系变为00，2400，4800

（相当1200），如图（b）所示。显然，在极对数为p和2p下，

A

、 B、C之间的相序相反， B、C两端应对调，以保证变速前后电动机的转向相同。ABC(a)P对极(b)2P对极ABC低速倍极数Y接法，高速少极数YY接法2pp三相绕组的换接方法注意：换接后相序发生了变化。为保持高速与低速时电机的转向不变，应将B、C两相的出线端交换。三相绕组的换接方法.低速倍极数D接法，高速少极数YY接法

。2pp(1)三相异步电动机Y/YY 接变极调速的接线变极接线方法AA

BBCCC

A

Bp2p

p(2)三相异步电动机△

/YY 接变极调速的接线AA

BBCC

A

B

C2ppp2、变极调速时容许输出容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。从充分利用电动机的角度出发，电动机在各种转速下的电流均为额定电流（每个支路的电路）。设电源电压UN不变，变极前后电动机的效率和功率因数不变。（1）Y/YY接变极调速电动机输出功率为了确保电动机得到充分利用，每半相绕组中的电流应均为额定值，于是变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：结论：Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式，适用于恒转矩负载。从2p→p，因电动机的转差率很小，认为

nYY=2nY=2nS（2）△/YY接变极调速AAA

BBBCCC2ppp结论：△/YY接变极调速属于近似恒功率调速方式，适用于恒功率负载。3、调速性能⑴

调速范围对于双速电机，其调速范围为2；对于多速电机，其调速范围为3～4。⑵

平滑性较差，有级调速。变级与变压结合应用可改善。⑶

容许输出对于不同的变极方法，调速特性也不同，这样可以适应不同的负载。⑷

经济性设备简单，运行效率和功率因数高。二、三相异步电动机的变频调速由异步电动机转速表达式n

=(1-s)[(60f1)/p]可知，当转差率变化不大时，n基本正比于f1，改变频率即可调节电动机转速。目前主要采用下图所示的变频装置。f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~整流器先将50Hz的交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率可调、电压有效值也可调的三相交流电，供给鼠笼式异步电动机。由此可得到电动机的无级调速，并具有硬的机械特性。把异步电动机额定频率称为基频，变频调速时，可以从基

频向下调节，也可以从基频向上调节。二、三相异步电动机的变频调速由异步电动机转速表达式n

=(1-s)[(60f1)/p]可知，当转差率变化不大时，n基本正比于f1，改变频率即可调节电动