电路基础技术 3

三、教学设计页（理论和实训结合课程，按4学时/单元设计）

一、授课信息第6单元交流电动机6.1三相异步电动机的构造6.2三相异步电动机的工作原理6.3三相异步电动机的电路分析6.4三相异步电动机的转矩和机械特性6.5三相异步电动机的使用授课学时4学时授课对象26电子1班授课形式PPT、硬件测试授课地点工程楼302授课时间第X周周X下午二、教学分析教学内容教学内容理论内容三相异步电动机的构造。三相异步电动机的工作原理。三相异步电动机的电路分析。三相异步电动机的转矩和机械特性。三相异步电动机的使用。其他类型电动机简介。实践内容项目实训：三相异步电动机的启动和调速课外制作：三相交流电动机正反转控制电路的制作岗位分析知识要求掌握三相异步电动机的结构、工作原理（旋转磁场、转差率）、电路分析（定子/转子物理量）、机械特性（转矩、过载能力）及启动、制动、调速方法；了解单相、同步、直线电动机基本概念。技能要求能进行电动机直接启动、Y-△降压启动、自耦降压启动及变极调速操作；能安装正反转控制电路并完成调试；会测量转速、电流并计算启动电流倍数。素质要求具备安全操作意识，遵守电工规程，能根据负载合理选用启动与调速方式，确保设备稳定运行。学情分析知识基础已掌握交流电路分析（相量法、RLC）和磁路基本概念，具备学习电动机原理的前置知识。能力基础相量计算能力参差，对转差率、机械特性等电机特有概念理解困难，缺乏电机拆装与启动调速实操经验。学习特点经过前面的积累，学生对电工技术已形成一定系统认知，逻辑推理能力有所提升，但仍偏好直观演示与实际操作；本单元涉及大量公式与特性曲线，需借助仿真波形、实物拆装及控制电路制作来降低抽象难度，激发学习兴趣。教学目标知识目标能准确说出三相异步电动机的结构与工作原理（旋转磁场、转差率），写出机械特性及启动、调速、制动方法。能力目标能正确进行电动机直接启动、Y-△降压启动及正反转控制操作，能测量转速、电流并计算启动电流倍数。素质目标养成规范使用电工仪表、记录数据的习惯，增强团队协作与安全用电意识。思政目标通过电动机在工程中的应用认识电工技术对国民经济的重要性，增强专业使命感。教学重点旋转磁场原理、转差率、机械特性、Y-△降压启动及正反转控制。教学难点旋转磁场形成过程理解、转差率物理意义、机械特性曲线分析、启动电流计算及控制电路接线排故。三、教学策略教学理念线上线下、理论和实训相结合教学方法PPT讲述、视频教学、课堂提问、硬件测试、课外实训、小组讨论教学资源微课视频、PPT课件、测试题、作业题、配套教材的仿真案例四、教学过程课前导学三相异步电动机的三大核心部件是什么？旋转磁场是如何产生的？“转差率”是什么意思？为什么转子转速永远跟不上旋转磁场的转速？电动机直接启动时有什么特点？Y-△降压启动是如何“减压”的？课中实施【课堂导入】展示一台工业风扇（或电机模型）并通电运转，提问“通电后内部的磁场是怎么转起来的？转速能控制吗？”，以此衔接前序交流电路与磁路知识，引出三相异步电动机概念。PPT、视频，5分钟。【理论知识讲解】6.1三相异步电动机的结构与旋转磁场原理，PPT、视频，15分钟。6.2转差率物理意义与机械特性曲线分析，PPT、视频，15分钟。6.3三相异步电动机的转矩与机械特性，PPT、视频，15分钟。6.4三相异步电动机的使用，包括技术数据（铭牌）、启动方法（直接/降压/Y‑△/自耦/绕线串电阻）、调速方法（变极/变频/变转差率）、制动方法（能耗/反接）及控制电路，PPT、视频，25分钟【总结与讨论】旋转磁场形成条件、转差率理解、启动方式辨析、机械特性与过载能力，小组讨论，10分钟。【虚拟仿真测试项目】虚拟仿真实训：观察三相旋转磁场的形成与转向变化，仿真实训，20分钟。虚拟仿真实训：三相异步电动机Y-△降压启动与控制电路仿真，仿真实训，20分钟。【实际硬件测试实训】硬件测试实训：三相异步电动机直接启动与正反转控制接线及测量，20分钟。【习题训练】电动机启动电流计算与机械特性例题讲解、习题训练，15分钟。【穿插课程思政】结合电动机在智能制造与国民经济中的应用，认识电工技术的重要性，增强专业使命感。课后延拓和作业实践测量任务保证安全的情况下，使用万用表测量三相异步电动机启动和正常运行时的电流，记录读数并说明启动电流与普通运行电流的大小关系。拓展探究项目查找资料，了解三相异步电动机Y-△降压启动的原理及适用场景，思考其在工程应用中如何达到节能降耗的效果。理论作业教材思考与练习题6.3.4，6.4.6，6.5.9。五、教学评价本单元教学评价分包括：平台签到分，学委发布签到，系统自动计分，占10%课堂回答分，当时给分，占20%仿真实训作业分，课后批改给分，占70%六、教学反思本次课已经结束，反思如下：（每次课后补充）学生仿真实训完成率95%，但部分波形数据分析不够到位，下次需增设2分钟的数据检查环节。通过抢答给分可以提高学生积极性。课堂抢答虽调动了气氛，但思考时间不足，后续将采用“先写后抢答”。

教学内容6.1三相异步电动机的构造电动机是根据电磁原理把电能转变为机械能的一种旋转机械。电动机可以分为直流电动机和交流电动机，交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。图6.1实际的三相异步电动机图6.1实际的三相异步电动机机机三相异步电动机（如图6.1所示为其实物图片）的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图6.2所示。图6.2三相笼型异步电动机结构1．定子部分定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，如图6.3所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120°电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1，V1，W1，末端分别标为U2，V2，W2。这六个出线端在接线盒里的排列如图6.4所示，可以接成星形或三角形。图6.4图6.4定子绕组的联结（a）星形连接（b）三角形连接转子由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等部分组成。转子铁心是用外圆周上冲有均匀线槽的0.5mm厚的硅钢片叠压而成，固定在转轴上，作为电动机磁路的一部分。转子铁心的线槽中放置转子绕组。转子绕组分为绕线型与笼型两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼型异步电动机。铜条短路铜环（a铜条短路铜环（a）笼型导体（b）铸铝的笼型转子图6.5笼型转子绕线型转子的铁心和笼型转子的铁心相同。转子绕组和定子绕组相似，是由绝缘导线绕制而成，按一定规律嵌放在转子槽中，组成三相对称绕组。通常其三个绕组的末端连在一起，拼成星形。三个绕组的首端分别与固定在转轴上的三个互相绝缘的铜质滑环（集电环）相接。转子绕组通过集电环及其上面的电刷与外加的三相变阻器连接，供电动机启动及小范围内的调速使用。在一般工作情况下，转子绕组被短接。绕线型异步电动机转子的结构及接线如图6.6所示。（（a）笼型导体（b）铸铝的笼型转子图6.6绕线式转子的结构和接线滑环滑环转子绕组三相可变电阻器6.2三相异步电动机的工作原理三相异步电动机接上电源，就会转动。这是什么道理呢？为了说明这个转动原理，下面先做一个简单的实验。图6.7异步电动机转子转动原理实验如图6.7所示，一个装有手柄的马蹄形磁铁，在N、S两个磁极的中间放置一个可以自由转动的，由铜条构成的转子，铜条两端均用铜环短接。磁极与转子之间没有机械联系。当我们摇动手柄使磁极转动时，发现转子也跟着磁极一起转动。摇得快，转子也转得快，摇得慢，转子也转得慢。改变摇动方向，转子也跟着反转。由此可见，闭合的导体在旋转磁场内因受力而转动。转子旋转的原因可用电磁感应原理来说明，当导体与磁场之间有相对运动时，导体中就会产生感应电动势，其方向由右手定则可知。由于转子的导体被两端铜环短接，故闭合的转子电路中出现电流，转子铜条成为载流导体。载流导体在磁场中将受到电磁力的作用，其方向由左手定则可知，故转子在此电磁力的作用下就转动起来，其旋转方向与磁铁的旋转方向相同。实际的异步电动机的转子之所以会转动，也是依靠其定子绕组内产生的旋转磁场。下面分析三相异步电动机的旋转磁场是如何产生的。定子绕组接上电源，产生旋转磁场，使电动机转子转动。6.2.1旋转磁场1.旋转磁场的产生把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电流流过。(a)(b)图6.8对称三相定子绕组及电流波形为便于分析，异步电动机的三相绕组用三个线圈U1-U2、V1-V2、W1-W2表示，他们在空间互差120°电角度，并接成Y形联结，如图6.8所示，图(a)为Y形联结。把三相绕组接到三相交流电源上，三相绕组便有三相对称电流通过。假定电流的正方向由线圈的始端流向末端，流过三相线圈的电流分别为其波形如图6.8(b)所示。由于电流随时间而变，所以电流流过线圈产生的磁场分布情况也随时间而变，现研究几个瞬间，如图6.9所示。图6.9三相两极旋转磁场（1）当=0瞬间，由图6.8(b)看出，iU=0，U相没有电流通过，iV为负，表示电流由末端流入首端（即V2端为，V1端为eq\o\ac(○,·)）；iW为正，表示电流由首端流入（即W1端为eq\o\ac(○,×)，W2端为eq\o\ac(○,·)），这时三相电流所产生的合成磁场方向由“右手螺旋定则”判得为水平向右，如图6.9(a)所示。（2）当=120°瞬间，由图6.8(b)得，iU为正，iV=0，iW为负，用同样的方式可判得三相合成磁场顺相序方向转了120°，如图6.9(b)所示。（3）当=240°瞬间，iU为负，iV为正，iW=0，用同样的方式可判得三相合成磁场顺相序方向转了120°，见图6.9(c)所示。（4）当=360°(即为0°)瞬间，又转回到1的情况，见图6.9(a)所示。由此可见，三相绕组通入三相交流电流时，将产生旋转磁场。若满足两个对称(即绕组对称、电流对称)，则旋转磁场的大小不变，转速恒定。2.旋转磁场的转向由图6.9可看出，旋转磁场的旋转方向与通入的对称三相电流的相序一致，如果改变相序，则旋转磁场旋转方向也就随之改变。例如，只要将同三相电源连接的三根导线中的任意两根的一端对调位置，例如将电动机三相定子绕组的V1端改与电源W相连，W1与V相连，如图6.10所示，则旋转磁场就反转了。分析方法与前同。图6.10旋转磁场的反转3.旋转磁场的极数三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。在上述图6.9的情况下，每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120°空间角时，则产生的旋转磁场具有一对极，即p=1（p是磁极对数）。如将定子绕组安排得如图6.11那样，即每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差60°空间角，则产生的旋转磁场具有两对极，即p=2。图6.11产生四极旋转磁场的定子绕组同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差40°空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角θ的关系为θ=(6.1)4.旋转磁场的转速三相异步电动机的转速，它与旋转磁场的转速有关。而旋转磁场的转速n0决定于磁场的极数p。在一对极的情况下，由图6.8可见，当电流从=0到=120°经历了120°时，磁场在空间也旋转了120°。当电流交变了一次（一个周期）时，磁场恰好在空间旋转了一转。设电流的频率为f1，即电流每秒钟交变f1次或每分钟交变60f1次，则旋转磁场的转速为0=。转速的单位为转每分（r/min）。在旋转磁场具有两对极的情况下，当电流也从=0到=120°经历了120°时，而磁场在空间仅旋转了60°。就是说，当电流交变了一次时，磁场仅旋转了半转。比p=1情况下的转速慢了一半，即0=。同理，在三对极的情况下，电流交变一次，磁场在空间仅旋转了转，只是p=1情况下的转速的三分之一，即0=。由此推知，当旋转磁场具有p对极时，磁场的转速为0=单位为r/min(6.2)式中：f1为电流频率（电网频率），p为磁极对数。因此，旋转磁场的转速0决定于电流频率f1和磁极对数p，而后者又决定于三相绕组的安排情况。对某一异步电动机来讲，f1和p通常是一定的，所以磁场转速0是个常数。在我国，工频f1=50Hz，对已制成的电机，p=C（常数），则0∝f1，即决定旋转磁场转速的唯一因素是频率，于是由式6.2可得出对应于不同极对数p的旋转磁场转速0（转每分），故有时亦称0为电网频率所对应的同步转速。于是由式6.2可得出对应于不同极对数p的旋转磁场转速0（转每分），见表6.1。表6.1不同极对数p的旋转磁场转速n0p1234560/(r·min-1)300015001000750600500可见，同步转速0是有级的。6.2.2三相异步电动机的转动原理图6.12是三相异步电动机的转子转动原理图。图中N，S表示两极旋转磁场，转子中只示出两根导条（铜或铝）。当旋转磁场向顺时针方向旋转时，其磁通切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则确定。在这里应用右手定则时，可假设磁极不动，而转子导条向逆时针方向旋转切割磁通，这与实际上磁极顺时针方向旋转时磁通切割转子导条是相当的。在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流。这电流与旋转磁场相互作用。而使转子导条受到电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。由图6.12可见，转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。这就是图6.7的实验中转子跟着磁场转动。当旋转磁场反转时，电动机也跟着反转。图6.12异步电机转动原理异步电动机转子的转速不可能达到与定子旋转磁场转速0相等，即<0。因为只有这样，转子绕组与定子旋转磁场之间才有相对运动，磁通才能切割转子导条，转子绕组才能感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，转子才能继续以0的转速转动。因此，转子转速与磁场转速之间必须要有差别（转速差）。这就是异步电动机名称的由来。而旋转磁场的转速0常称为同步转速。图6.12异步电机转动原理异步电动机的转速差(0-)与旋转磁场转速0的比率，称为转差率，用s表示，s=（6.3）转差率是异步电动机运行的一个重要参数。它与负载情况有关。转子转速愈接近磁场转速，则转差率愈小。当转子尚未转动(如启动初始瞬间)时，=0，s=1，这时转差率最大；当转子速度接近于磁场转速(空载运行)时，≈1，s≈0。因此对异步电动机来说，s是在1~0范围内变化。异步电动机负载越大，转速越慢，转差率就越大。负载越小，转速越快，转差率就越小。由上式推得=(1s)0(6.4)在正常运行范围内，异步电动机的转差率很小，仅在1%~6%之间，可见异步电动机的转速很接近旋转磁场转速。例6.1一台额定转速=1450r/min的三相异步电动机，试求电动机的极数和额定负载运行时的转差率sN。电源频率f1=50Hz。解由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值（见表6.1）。显然，与1450r/min最相近的同步转速0=1500r/min，与此相应的磁极对数p=2。因此，额定负载时的转差率为sN=×100%=×100%=3.3%6.3三相异步电动机的电路分析图6.13每相绕组的电路图定子电路转子电路图6.13每相绕组的电路图定子电路转子电路1.定子电路定子每相电路的电压方程和变压器一次绕组电路的一样。定子电流不仅产生主磁通φ，还将产生漏磁通Φσ。主磁通要通过转子绕组，而漏磁通将不通过转子绕组。这样在原绕组的电压约束方程为(6.5)如用相量表示，则可认为(6.6)式中，R1和X1=2f1L1分别为定子每相绕组的电阻和感抗（漏磁感抗）。它们都很小，对于主磁通产生的感应电动势可忽略，因而和变压器一样，也可得出(6.7)和(6.8)式中，Φ是通过每相绕组的磁通最大值，在数值上它等于旋转磁场每极磁通；f1是e1的频率。因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0，所以(6.9)即等于电源或定子电流的频率[见式6.2]。2.转子电路转子每相电路的电压方程为(6.10)如用相量表示，则为(6.11)式中，R2和X2=2f2L2分别为转子每相绕组的电阻和感抗（漏磁感抗）。上式中转子电路的各个物理量对电动机的性能都有影响，今分述如下。（1）转子频率f2因为旋转磁场和转子之间的相对转速为(n0–n)，所以转子频率(6.12)可见，转子电流频率与转差率s有关，也就是与转速n有关。在n=0，即s=1时(电动机启动初始瞬间)，转子与旋转磁场间的相对转速最大，转子导条被旋转磁通切割得最快。因而，这时转子电流频率f2最高，即f2=f1。异步电动机在额定负载时，s=1~9%，则f2=0.5~4.5Hz（f1=50Hz）。（2）转子电动势E2转子感应电动势的有效值为(6.13)在n=0，即s=1时，转子感应电动势为(6.14)这时f2=f1，转子电动势最大。由上两式可得出(6.15)可见转子电动势E2与转差率s有关。（3）转子感抗X2转子感抗X2与转子频率f2有关，即(6.16)在n=0，即s=1时，转子感抗为(6.17)这时f2=f1，转子感抗最大。由上两式可得出(6.18)可见转子感抗X2与转差率s有关。（4）转子电流I2转子每相电路的电流可由式6.11得出，即(6.19)可见转子电流I2也与转差率s有关。当s增大，即转速n降低时，转子与旋转磁场间的相对旋速（n0—n）增加，转子导体切割磁通的速度提高，于是E2增加，I2也增加。I2随s变化的关系可用图6.14的曲线表示。当s=0，即n0—n=0时，I2=0；当s很小时，R2≥sX20，I2≈，即与s近似地成正比；当s接近1时，sX20>>R2，I2≈=常数。（5）转子电路的功率因数cosφ2由于转子漏磁通的存在，呈电感性，相应的感抗为X2，因此比滞后φ2角。因而转子电路的功率因数为图6.14转子电流I图6.14转子电流I2、转子绕组功率数与转差率关系曲线图(6.20)它也与转差率s有关。当s增大时，X2也增大，于是φ2增大，即cosφ2减小。cosφ2随s的变化关系也示在图6.14中。当s很小时，R2≥sX20，cosφ2≈1；当s接近1时，cosφ2≈，即两者之间近似地有双曲线的关系。由上述可知，转子电路的各个物理量，如电动势、电流、频率、感抗及功率因数等都与转差率有关，即与转速有关。6.4三相异步电动机的转矩和机械特性电磁转矩T（以下简称转矩)是三相异步电动机的最重要的物理量之一，机械特性是它的主要特性，对电动机进行分析往往离不开它们。6.4.1三相异步电动机的转矩由工作原理可知，异步电动机的转矩是由转子电流I2和定子旋转磁场的每极磁通Φ相互作用产生的。但因转子电路是电感性的，转子电流比转子电动势滞后φ2角；又因可见，电磁转矩与转磁功率成正比，和讨论有功功率一样，也要引入转子回路的功率因数cos2，于是有T=KTΦI2cos2(6.21)式中KT为一常数，与电动机的结构有关。由式6.21可见，转矩除与Φ成正比外，还与I2cos2成正比。再根据式6.8，式6.14，式6.19及式6.20可知如果将上列三式代入式6.21，则得出转矩的另一个表达式T=KT(6.22)式中，KT为电动机的一常数，R2为转子每相绕组的电阻，X20为转子感抗。由上式可知，T∝U。可见电磁场电压特别敏感，当电源电压波动时，电磁转矩按U关系发生变化。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。6.4.2三相异步电动机的机械特性在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，转矩与转差率的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线。它可根据式6.21并参照图6.14得出，如图6.15所示。图6.16的n=f(T)曲线可从图6.15得出。只需将T=f(s)顺时针方向旋转90°，再将表示T横轴移走即可。机械特性是三相异步电动机的主要特性，研究机械特性是为了分析电动机的运行性能。在机械特性曲线上，要讨论三个转矩。图6.15三相异步电动机的T-s曲线图6.16三相异步电动机的n-T曲线1.额定转矩TN电动机等速运行时，电动机的电磁转矩T应与阻转矩TC相平衡，即T=TC阻转矩主要是轴上机械负载的转矩T2。此外，还包括空载损耗转矩（主要是机械损耗转矩，如轴承摩擦等）T0。由于T0一般很小，可以忽略不计，所以T=T2+T0≈T2(6.23)并由此得T≈T2=(6.24)式中P2是电动机轴上输出的机械功率，单位是瓦（W）；n是电动机的转速，单位是转/分（r/min）；转矩T的单位是牛·米（N·m）。功率如果用千瓦（kW）为单位，则可得出T=9550(6.25)额定转矩是电动机在额定负载时的转矩，它可由电动机铭牌上的额定功率（输出机械功率）PN和额定转速nN应用式6.25求得。例6.2有两台功率相同的三相异步电动机，一台PN=7.5KW，UN=380V,N=962r/min，另一台PN=7.5kW，UN=380V，N=1450r/min，试求它们的额定转矩。解第一台TN=9550=9550×N·m=74.45N·m第二台TN=9550=9550×N·m=49.4N·m通常三相异步电动机都工作在图6.16所示特性曲线的ab段。当负载转矩增大（譬如车床切削时的吃刀量加大，起重机的起重量加大）时，在最初瞬间电动机的转矩T＜TC，所以它的转速n开始下降。随着转速n的下降，由图6.16可见，电动机的转矩增加了，因为这时I2增加的影响超过cos2减小的影响。[参见图6.14和式6.21]当转矩增加到T=TC时，电动机在新的稳定状态下运行，这时转速较前为低。但是ab段比较平坦，当负载在空载与额定值之间变化时，电动机的转速变化不大。这种特性称为硬的机械特性。三相异步电动机的这种硬特性非常适用于一般金属切削机床。2.最大转矩Tmax由图6.15、图6.16机械特性曲线知，转矩有一个最大值，称为电动机的最大转矩或临界转矩，记为Tmax。令=0，解得对应于最大转矩的临界转差率sm。sm=(6.26)代入式(6.22)得Tmax≈K(6.27)由上两式可知：①Tmax与成正比，而与转子电阻R2无关。②sm与R2有关，R2越大，sm也越大。而由此可以得到改变电源电压U1和R2的机械特性曲线，如图6.17所示。图6.17对应不同电源电压图6.17对应不同电源电压U1和不同转子电阻R2的机械特性曲线当电动机负载转矩大于最大转矩，即TL>Tmax时，电动机就带不动负载了（即停转，发生所谓的闷车现象，故最大转矩也称停转转矩）。停转后，电动机的电流马上升高至额定电流IN的5~7倍，致使电动机严重过热而烧毁。另一方面，也说明电动机的最大过载可以接近最大转矩。如果电动机负载突然增加，过载时间较短，短时接近于最大转矩，电动机仍稳定运行。由于时间短，也不至于立即过热，是允许的。为保证电动机稳定运行，不因短时过载而停转，要求电动机有一定的过载能力。电动机的最大转矩Tmax比额定转矩TN要大，两者之比称为过载系数λ，表示电动机的短时过载能力，即λ=(6.28)一般三相异步电动机的过载系数在1.8~2.2范围。在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就要重选电动机。3.启动转矩Tst电动机刚启动瞬间，即n=0，s=1时的转矩叫启动转矩。将s=1代入式(6.22)，得Tst=KT(6.29)可见，启动转矩Tst也与电源电压、转子电阻R2有关。当电源电压U1降低时，则启动转矩Tst减少。当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大（图6.17）。由式(6.26)，式（6.27）及式（6.29）可推出：当转子电阻R2=X20时，Tst=Tmax，sm=1。当R2继续再增大时，启动转矩Tst又开始减少，这时sm＞1。只有当启动转矩大于负载转矩时，电动机才能启动。启动转矩越大，启动就越迅速。由此引出电动机的另一条重要性指标——启动转矩倍数KstKst=(6.30)它反映电动机启动负载的能力。一般三相异步电动机的Kst=1.0~2.2。关于启动的其它问题，将在下节中讨论。6.5三相异步电动机的使用6.5.1三相异步电动机的技术数据和选用一、技术数据异步电动机机座的铭牌上标有该台电动机的主要技术数据。要正确选择、使用和维护电动机，必须要看懂这些铭牌数据的含义。现以Y160M—6型电动机的铭牌为例，逐项说明各个数据的意义。三相异步电动机型号Y160M—6功率7.5W频率50Hz三相异步电动机型号Y160M—6功率7.5W频率50Hz电压380V电流17A接法Δ转速970r/min绝缘等级B工作方式连续年月日编号××电机厂1.型号电动机的型号是表示电动机的类型、用途和技术特征的代号，用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，各有一定的含义。例如三相异步电动机机座中心高度（三相异步电动机机座中心高度（mm）磁极数机座长度代号Y—6M160S——短机座M——中机座L——长机座接法是指电动机定子三相绕组在额定运行时所应采取的连接方式。一般笼型电动机的接线盒中有六根引出线，标有U1，V1，W1，U2，V2，W2，其中：U1，U2是第一相绕组的两端（旧标号是D1，D4）；V1，V2是第二相绕组的两端（旧标号是D2，D5）；W1，W2是第三相绕组的两端（旧标号是D3，D6）；如果U1，V1，W1分别为三相绕组的始端（头），则U2，V2，W2是相应的末端（尾）。这六个引出线端在接电源之前，相互间必须正确连接。连接方法有星形（Y）联结和三角形（Δ）联结两种。通常Y系列三相异步电动机容量自3kW以下者，连结成星形；自4kW以上者，均采用三角形联结，以便采用Y—Δ变换启动。3.电压铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值，又称额定电压UN，单位是V。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%。当电压高于额定值时，磁通将增大（因U1≈4.44f1N0Φ）。若所加电压较额定电压高出较多，这将使励磁电流大大增加，电流大于额定电流，使绕组过热。同时，由于磁通的增大，铁损（与磁通平方成正比）也就增大，使定子铁心过热。但常见的是电压低于额定值。这时会引起转速下降，电流增加。如果在满载或接近满载的情况下，电流的增加将超过额定值，使绕组过热。还必须注意，在低于额定电压下运行时，和电压平方成正比的最大转矩Tmax会显著地降低，这对电动机的运行也是不利的。一般异步三相电动机的额定电压有380V、3000V、6000V等多种。有时铭牌上标有分子和分母两个电压值，例如220V/380V，这表示当电源的线电压为220V时，电动机定子绕组接成三角形。如电源线电压为380V，则接成星形。4.电流铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流值，又称额定电流IN，单位是A。当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之间相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流都随着相应增大。有时铭牌上有分子和分母两个电流值，则分子和分母分别对应于定子绕组采用星形和三角形联结时的线电流值。5.功率与效率铭牌上所标的功率值是电动机在额定运行情况下，其轴上输出的机械功率值，即额定功率，单位是千瓦（kW），通常用P2N（或PN）表示。输出功率P2N不等于输入功率P1N，其差值（P1N-P2N）就是电动机本身的各种损耗功率，如铜损、铁损及机械损耗等。其比值（P2N/P1N）为电动机的效率η，一般笼型异步电动机在额定运行时的效率为72%~93%。6.频率频率是指加到定子绕组上的电源频率，我国工业用电的标准频率为50Hz。7.转速额定转速表示三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，用N表示。由于生产机械对转速的要求不同，需要生产不同磁极数的异步电动机，因此有不同的转速等级。最常用的是四极（0=1500r/min），而转速一般略小于对应的同步转速0。，则N=1440r/min。8.绝缘等级绝缘等级是指三相电动机绕组所采用的绝缘材料按使用时的最高允许温度而划分的不同等级。常用绝缘材料的等级及其最高允许温度如下所示：绝缘等级AEBFH最高允许温度/℃105120130155180上述最高允许温度是环境温度（40℃）和允许温升之和。9.工作方式工作方式又称定额，是指三相电动机的在铭牌规定的技术条件下运行持续时间的限制，以保证电动机的温度不超过允许值。电动机的工作方式可分为以下三种：（1）连续工作：在额定情况下可长期连续工作，电动机的温升可以达到稳态温升的工作方式。如水泵、通风机、机床等设备所用的异步电动机。（2）短时工作：在额定情况下持续运行的时间很短，不允许超过规定的时限（分钟），有15、30、60、90等四种。停机时间很长，使电动机的温升可以降到零的工作方式。（3）断续工作：带额定负载运行时，运行时间很短，使电动机的温升达不到稳态温升；停止时间也很短，使电动机的温升降不到零，工作周期小于10min的工作方式。二、选用三相异步电动机应用广泛，是一种主要的动力源。它所拖动的生产机械多种多样，要求也各不相同。选用异步电动机应从技术和经济两个方面进行考虑，正确地选择它的功率、种类、结构型式、电压和转速等，以确保安全可靠地运行。功率的选择要为某一生产机械选配一台电动机，首先要考虑电动机的功率需要多大。根据负载的情况合理选择电动机的功率具有重大的经济意义。如果电动机的功率选大了，虽然能保证正常运行，但是不经济。因为这不仅使设备投资增加和电动机未被充分利用，而且由于电动机经常不是在满载下运行，电动机的效率和功率因数都不高。如果电动机的功率选小了，就不能保证电动机和生产机械的正常运行，不能充分发挥生产机械的效能，并使电动机由于过载而过早地损坏。所以所选电动机的功率是由生产机械所需的功率来决定的。连续运行电动机功率的选择对连续运行的电动机，先算出生产机械的功率，所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械的功率即可。例如，车床的切削功率为P1=(kW)(6.31)式中，F为切削力（N），它与切削速度、走刀量、吃刀量、工件及刀具的材料有关，可从切削用量手册中查取或经计算得出；v为切削速度(m/min)。电动机的功率则为P1=(kW)(6.32)式中η1为传动机构的效率。而后根据上式计算出的功率P，在产品目录上选择一台合适的电动机，其额定功率应为PN≥P又如拖动水泵的电动机的功率为P=(kW)(6.33)式中，Q——流量（m3/s）；H——扬程，即液体被压送的高度（m）；ρ——液体的密度（kg/m3）；η1——传动机构的效率；η2——泵的效率。例6.3有一离心式水泵，其数据如下：Q=0.04m3/s，H=15m，n=1460r/min，η2=0.58。今用一笼型电动机拖动作长期运行，电动机与水泵直接连接（η1≈1）。试选择电动机的功率。解P==kW=10.1kW选用Y160—4型电动机，其额定功率PN=11kW（PN>P），额定转速N=1460r/min。在很多场合下，电动机所带的负载是经常随时间而变化的，要计算它的等效功率是比较复杂和困难的，此时可采用统计分析法。就是将各国同类型先进的生产机械所选用的电动机功率进行类比和统计分析，寻找出电动机功率与生产机械主要参数间的关系。例如，以机床为例：车床P=36.5D1.54（kW），D为工件的最大直径（m）；摇臂钻床P=0.0646D1.19（kW），D为最大钻孔直径（mm）；卧式镗床P=0.004D1.7（kW），D为镗杆直径（mm）。例如我国生产的C660车床，其加工工件的最大直径为1250mm，按统计分析法计算，主轴电动机的功率应为P=36.5D1.54=36.5×1.251.54kW=52kW因而实际选用55kW的电动机。短时运行电动机功率的选择闸门电动机、机床中的夹紧电动机、尾座和横梁移动电动机以及刀架快速移动电动机等都是短时运行电动机的例子。如果没有合适的专为短时运行设计的电动机，可选用连续运行的电动机。由于发热惯性，在短时运行时可以容许过载。工作时间愈短，则过载可以愈大。但电动机的过载是受到限制的。通常是根据过载系数λ来选择短时运行电动机的功率。电动机的额定功率可以是生产机械所要求的功率的1/λ。譬如，刀架快速移动对电动机所要求的功率为P1=(kW)(6.34)式中，G——被移动元件的重量（kg）；v——移动速度（m/min）；μ——摩擦系数，通常约为0.1~0.2；η1——传动机构的效率，通常约为0.1~0.2。实际上所选电动机的功率可以是上述功率的1/λ，即P=(kW)(6.35)例6.4已知刀架重量G=500kg，移动速度v=15m/min，导轨摩擦系数μ=0.1，传动机构的效率η1=0.2，要求电动机的转速约为1400r/min。求刀架快速移动电动机的功率。解Y系列四极笼型电动机的过载系数λ=2.2，于是P==kW=0.28kW选用Y80—1—4型电动机，PN=0.55kW，N=1390r/min。种类的选择选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、调速与启动性能、维护及价格等方面来考虑的。因为通常生产场所用的都是三相交流电源，如果没有特殊要求，一般都应采用交流电动机。在交流电动机中，三相笼型异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便，但调速困难，功率因数较低，启动性能较差。因此在要求机械特性较硬而无特殊调速要求的一般生产机械的拖动应尽可能采用笼型电动机。在功率不大的水泵和通风机、运输机、传送带上，在机床的辅助运动机构（如刀架快速移动、横梁升降和夹紧等）上，差不多都采用笼型电动机。一些小型机床上也采用它作为主轴电动机。绕线型电动机的基本性能与笼型相同。其特点是启动性能较好，并可在不大的范围内平滑调速。但是它的价格较笼型电动机贵，维护也较不便。因此，对某些起重机、卷扬机、锻压机及重型机床的横梁移动等不能采用笼型异步电动机的场合，才采用绕线型电动机。结构型式的选择生产机械的种类繁多，它们的工作环境也不尽相同。如果电动机在潮湿或者含有酸性气体的环境中工作，则绕组的绝缘很快受到侵蚀。如果在灰尘很多的环境中工作，则电动机很容易脏污，致使散热条件恶化。因此，有必要生产各种不同结构型式的电动机，以保证在不同的工作环境中能安全可靠地运行。按照上述要求，电动机常制成以下几种结构型式：开启式在构造上无特殊防护装置，用于干燥无灰尘的场所。通风非常良好。防护式在机壳或端盖下面有通风罩，以防止铁屑等杂物掉入。也有将外壳做成挡板状，以防止在一定角度内有雨水滴溅入其中。封闭式封闭式电动机的外壳严密封闭。电动机靠自身风扇或外部风扇冷却，并在外壳带有散热片。在灰尘多、潮湿或含有酸性气体的场所，可采用这种电动机。防爆式整个电机严密封闭，用于有爆炸性气体的场所。例如在矿井中。此外，也要根据安装要求，采用不同的安装结构型式：机座带底脚，端盖无凸缘（B3）②机座不带底脚，端盖有凸缘（B5）③机座带底脚，端盖有凸缘（B35）电压的选择电动机电压等级的选择，要根据电动机类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。Y系列笼式型电动机的额定电压只有380V一个等级。只有大功率异步电动机才采用3000V和6000V。转速的选择电动机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的。但通常转速不低于500r/min。因为当功率一定时，电动机的转速愈低，则其尺寸愈大，价格愈贵，且效率也较低。因此就不如购买一台高速电动机，再另配减速器来得合算。异步电动机通常采用4个极的，即同步转速0=1500r/min。6.5.2三相异步电动机的启动电动机接通电源后开始转动，转速逐渐加快，直至达到稳定转速为止，这个过程称为启动过程。在电动机接通电源后的瞬间，转子尚未转动，即n=0，s=1，旋转磁场以同步转速0切割转子导体，在转子导体中产生很大的感应电动势E2和很大的转子电流I2。和变压器的原理一样，转子电流增大，定子电流必然相应地增大，一般是电动机额定电流IN的5~7倍，这就是电动机的启动电流。启动电流虽然很大，但启动时间短（一般为1~3秒），从发热角度考虑没问题；并且一经启动后，转速很快升高，而且随着电动机转速上升，启动电流会迅速减小。故对于容量不大且启动不频繁的电动机，启动电流对其影响不大。如果连续频繁启动，则由于热量的积累，可能使电动机过热。因此，在实际操作时，应尽可能不让电动机频繁启动。例如，在切削加工时，一般只是用摩擦离合器或电磁离合器将主轴与电机轴脱开，而不将电动机停下来。但是，电动机的启动电流对线路是有影响的。过大的启动电流在短时间内会在供配电线路上产生较大的电压降，影响接在同一线路上的电设备的正常工作，例如电灯瞬时变暗，邻近运行中的异步电动机转速减低，甚至停转等。根据异步电动机的机械特性，电动机的启动转矩Tst不大，启动系数只有0.8~2。启动转矩不大的原因是由于启动时（s=1），虽然转子电流大，但转子的功率因数cosφ2很低，由（式6.21）可知，启动转矩较小。它与额定转矩之比值约为1.0~2.2。如果启动转矩过小，就会使电动机不能在满载情况下启动，或者启动时间过长，就该设法提高。但启动转矩如果过大，会使传动机构（如齿轮）受到冲击而损坏，所以有时又应设法减小。一般的主电动机都是空载启动（启动后再切削），对启动转矩没有什么要求。但对移动床鞍，横梁以及起重用的电动机应采用启动转矩较大一点的。由上述可见，异步电动机的主要缺点是启动电流较大。为了减小启动电流（有时也为了提高或减小启动转矩），必须采用适当的启动方法。笼型异步电动机的启动方法有直接启动和降压启动两种：直接启动直接启动是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到具有额定电压的电源上的启动方式，又叫全压启动。直接启动的主要优点是简单、方便、经济、启动过程快，但如上所述，启动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正常工作。一台笼型异步电动机能否直接启动，各地电业部门都有一定的规定，例如：（1）容量在20kW及以下的三相异步电动机。（2）用电单位有独立的变压器，频繁启动的电动机，容量应小于变压器容量的20%；不频繁启动的电动机，它的容量应小于变压器容量的30%。启动电流在供电线路上引起的电压降不超过正常电压的15%。（3）如果没有独立的变压器（与照明共用），电动机直接启动电流在供电线路上引起的电压降不超过正常电压的5%。降压启动如果电动机直接启动时所引起的线路电压降较大，必须采用降压启动，就是在启动时降低加在电动机定子绕组上的电压，以减小启动电流。常用的笼型电动机的降压启动方法有以下两种：（1）星形—三角形（Ｙ—△）换接启动这种方法只适用于正常运行时定子绕组为三角形联结的笼型电动机。图6.20所示为笼型电动机Ｙ—△换接启动的原理电路，在启动时，开关S2向下闭合，使电动的定子绕组为星形联结，这时每相绕组上的启动电压只有它的额定电压的1/。当电动机到达一定转速后，迅速把S2向上合，定子绕组转换成三角形联结，使电动机在额定电压下运行。图6.19是定子绕组的两种连接法，Z为启动时每相绕组的等效阻抗。图6.19比较星形联结和三角形联结时的图6.19比较星形联结和三角形联结时的启动电流当定子绕组为星形联结，即降压启动时，IlY=IpY==当定子绕组为三角形联结，即直接启动时，Il△=Ip△=比较上列两式，可得=即降压启动时，启动电流为直接启动时的。由于转矩和电压的平方成正比，所以启动时，启动转矩也降为全电压启动的（1/）2=。因此，在使用时必须注意转矩能否满足要求，一般这种方法只适合于空载或轻载时启动。这种换接启动可采用Ｙ—△启动器来实现。常见的Ｙ—△启动器有QX2系列手动Ｙ—△启动器和QX3、QX10系列自动Ｙ—△启动器。型号中Q代表启动器；X代表Ｙ—△，而后面的数字代表设计序号。选用时，应使启动器额定容量大于电机额定容量。Ｙ—△启动器具有体积小，成本低，寿命长，动作可靠等优点。目前Y系列中小型三相笼型异步电动机（4~100kW）都已设计为380V三角形联结，因此Ｙ—△启动器得到了广泛的应用。图6.20Y-△换接启动图6.21自耦减压启动（2）自耦降压启动自耦降压启动是利用三相自耦变压器将电动机启动时的端电压降低，以减小启动电流。图6.21为自耦减压启动的线路图。启动时，先将开关S2扳到“启动”位置，使电动机定子绕组接通自耦变压器的二次侧而降压启动，待电动机转速升高到接近额定转速时，再将开关S2由“启动”位置迅速扳至“运行”位置，使电动机定子绕组直接接通电源，获得额定电压而运行，同时将自耦变压器与电源断开。由于降压启动，启动电流减小了，启动转矩也同时减小了，但在相同线路启动电流的条件下，自耦降压启动比Ｙ—△启动时的启动转矩大。自耦变压器通常具有几个抽头，使其输出电压分别电源电压的80%、60%、40%或73%、64%、55%，可供用户根据对启动转矩的要求来进行选择。例如选用80%抽头来启动，这时电动机的启动电流（即自耦变压器的一次电流I1）IL=I1==80%I2，只有直接启动电流的（80%）2=64%。启动转矩与电压的平方成正比，这时的启动转矩也只有直接启动时的64%。因而，如自耦降压变压器的降压比为K(K<1)，则启动时的启动电流和启动转矩均减小为直接启动时的1/K2。常用的自耦降压启动器有QJ3、QJ10等系列。Q代表启动器；J代表减压，而后面的数字3、10代表设计序号。自耦变压器降压启动适用于容量较大或正常运行时Y形联结，不能采用Ｙ—△启动的笼型异步电动机。在选用时应使启动器的额定容量大于或等于电动机的额定容量。例6.5有一台Y225M—4型三相异步电动机，其额定数据如下表所示。试求：（1）额定电流；（2）额定转差率sN；(3)额定转矩TN、最大转矩Tmax、启动转矩Tst。功率45kW转速1480r/min电压380V效率92.3%功率因数0.88Ist/IN7.0Tst/TN1.9Tmax/TN2.2解（1）4~100kW的电动机通常都是380V，Δ联结。IN==A=84.2A（2）由已知n=1480r/min可知，电动机是四极的，即p=2，n0=1500 r/min。所以sN===0.013（3）TN=9550=9550×N·m=290.4N·mTmax=()TN=2.2×290.4N·m=638.9N·mTst=()TN=1.9×290.4N·m=551.8N·m例6.6有一台Y250M—4型三相异步电动机，其PN=55kW，UN=380V，nN=1470r/min，接法为△，Tst/TN=1.9。问：（1）若负载转矩T2=TN，采用全压或Ｙ—△启动时，电动机能否启动？（2）当电源线电压UL=380V，T2=300T·m时，能否用Ｙ—△启动？（3）UL=380V，T2=300T·m时能否用自耦变压器80%抽头进行降压启动？解（1）T2=TN，全压启动时的启动转矩Tst=1.9TN＞T2，能启动若用Ｙ—△启动，其启动转矩TstY=Tst=×1.9TN=0.63TN＜T2，不能启动（2）TN=9550=9550×N·m=357.3N·m三角形联结全压启动时TstΔ=1.9TN=1.9×357.3N·m=678.87N·m星形联结时启动转矩TstY=TstΔ=×678.87N·m=226.29N·m＜T2（3）用自耦变压器80%抽头进行降压启动时，启动转矩为Tst=TstΔ=(80%)2TstΔ=64%TstΔ=64%×678.87N·m=434.5N·m＞T2，能启动至于绕线型的电动机的启动，只要在转子电路中串接入大小适当的启动电阻Rst（图6.22），就可达到减小启动电流的目的。这样既可以达到限制启动电流的目的，又可以提高启动转矩。绕线型异步电动机可以重载启动，对于启动频繁、要求启动时间短有较大启动转矩的机械如吊车、卷扬机和冶金机械等都是合适的。但这种机械所需设备多、结构复杂，运行中维护工作量也比较大。图6.22绕线型电动机转子串接电阻启动6.5.3三相异步电动机的制动因为电动机的转动部分有惯性，所以把电源切断后，电动机还会继续转动一定时间而后停止。为了缩短辅助工时，提高生产机械的生产率，并为了安全起见，往往要求电动机能够迅速停车和反转。这就需要对电动机制动。对电动机制动，就是给电动机一个与转动方向相反的转矩使它迅速停转(或限制其转速)。这时的转矩称为制动转矩。三相异步电动机常用的制动方法有能耗制动和反接制动等。1．能耗制动图6.23能耗制动图6.23能耗制动因为这种方法是在定子绕组中通入直流电以消耗转子惯性运转的动能（转换为电能）来进行制动的，所以称为能耗制动。能耗制动的优点是制动准确、平稳，且能量消耗较小。缺点是需附加直流电源装置，设备费用较高，制动力较弱，在低速时制动力矩小。所以，能耗制动一般用于要求制动准确、平稳的场合，比如在有些机床中采用这种制动方法。2．反接制动在电动机停车时，可将接到电源的三根导线中的任意两根的