《电工电子技术》-第十二章

12.1交流异步电动机的概述

交流异步电动机在电力拖动系统的动力装置中占有绝对主导地位。在各种工业生产、农业机械化、交通运输、国防工业等电力拖动装置中，有90%左右采用交流异步电动机，在电网总负荷中，异步电动机占60%左右。这是因为交流异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠等一系列优点;还具有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足各行各业大多数生产机械的传动要求。异步电动机还便于派生成各种专用、特殊要求的形式，以适应不同生产条件的需要。下一页返回12.1交流异步电动机的概述但是异步电动机运行时，必须从电网吸取感性无功功率以建立旋转磁场，使电网的功率因数降低，而且运行时受电网波动影响较大;另外，异步电动机的启动性能与调速性能都要逊色于直流电动机。不过随着电力电子技术及交流调速系统的发展，调速性能等已可与直流电动机媲美。12.1.1异步电动机的分类异步电动机按转子结构不同分为笼型和绕线转子异步电动机，其中笼型异步电动机又可分为单笼型、双笼型和深槽型，但其运行性能较绕线转子异步电动机差，所以在要求较高的场合，需要使用绕线转子异步电动机。上一页下一页返回12.1交流异步电动机的概述异步电动机按额定工作方式可分为连续、短时和断续周期工作的电动机;按防护类型可分为开启式、防护式、封闭式、密闭式和防爆式电动机;按尺寸范围可分为大型、中型、小型和微型电动机。12.1.2异步电动机的铭牌每台异步电动机的外壳上都有一块铭牌，上面标示着这台电动机的主要技术数据，使使用者正确选用和维护电机。图12-1为某一台异步电动机的铭牌数据。上一页下一页返回12.1交流异步电动机的概述1.型号型号表示电动机的结构形式、机座号和极数。例如Y100L1-4中，Y表示鼠笼式异步电动机(YR表示绕线式异步电动机);100表示机座中心高为100mm;L表示长机座(S表示短机座，M表示中机座);1为铁心长度代号;4表示4极电动机。

2.额定电压UN

额定电压是电动机定子绕组应加线电压的额定值，有些异步电动机铭牌上标有220/380V，相应的接法为△/Y。它说明当电源线电压为220V时，电动机定子绕组应接成△型;当电源线电压为380V时，应接成Y型。上一页下一页返回12.1交流异步电动机的概述3.额定电流IN额定电流是指电动机在额定运行时，定子绕组的线电流。4.额定转速nN额定转速是指电动机额定运行时的转速。5.额定频率fN额定频率是指电动机在额定运行时的交流电源的频率，我国交流电源的频率为50Hz。

6.工作方式工作方式是指电动机的运行状态。根据发热条件可分为三种:S1表示连续工作方式，允许电机在额定负载下连续长期运行;S2表示短时工作方式，在额定负载下只能在规定时间短时运行;S3表示断续工作方式，可在额定负载下按规定周期性重复短时运行。上一页下一页返回12.1交流异步电动机的概述

7.绝缘等级绝缘等级是由电动机所用的绝缘材料决定的。按耐热程度不同，将电动机的绝缘等级分为A,E,B,F,H,C等几个等级，它们允许的最高温度如表12-1所示。

8.温升温升是指在规定的环境温度下，电动机各部分允许超出的最高温度。通常规定的环境温度是40℃，如果电机铭牌上的温升为70℃，则允许电机的最高温度可以是40+70=110(℃)。显然，电动机的温升取决于电机的绝缘材料的等级。电机在工作时，所有的损耗都会使电机发热，温度上升。上一页下一页返回12.1交流异步电动机的概述在正常的额定负载范围内，电动机的温度是不会超出允许温升的，绝缘材料可保证电机在一定期限内可靠工作。如果超载，尤其是故障运行，则电机的温升超过允许值，电机的寿命将受到很大的影响。在选用电机时，除了要看电机上的铭牌数据外，还要了解电机的其他技术数据，通常可在产品资料中查到。上一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理

三相异步电动机属于交流电动机，之所以称为异步电动机是因为转子的转速低于旋转磁场的同步速度。又因为三相异步电动机是基于电磁感应原理而工作的，又称之为感应电动机。12.2.1三相异步电动机的结构三相异步电动机由两个基本部分组成:一是固定不动的部分，称为定子;一是旋转部分，称为转子。图12-2所示为三相异步电动机的外形和结构图，图12-3所示为三相异步电动机的主要部件拆分图。下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理1.定子定子由机座、定子铁心、定子绕组和前端盖组成。机座通常用铸铁制成，机座内装有由0.5mm厚的硅钢片叠制而成的定子铁心，铁心内圆周上分布着定子槽，槽内嵌放三相定子绕组，定子绕组和铁心间有良好的绝缘。定子绕组是定子的电路部分，定子绕组共分三相，分布在定子铁心槽内，构成对称的三相绕组。三相绕组共有六个出线端，将其引出线接在置于电动机外壳上的接线盒中，三个绕组的首端分别用U1,V1和W1表示，其对应的尾端分别用U2,V2,W2表示。通过接线盒上六个接线端的不同连接，可将三相定子绕组接成Y形和△形，如图12-4所示。对于大、中型异步电动机，通常采用△接法;对于中、小容量异步电动机，则可按不同的要求接成Y形或△形。上一页下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理2.转子转子由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成。转子铁心为圆柱形，通常是利用定子铁心冲片冲下的内圆柱硅钢片，将其外圆周冲成均匀分布的槽后叠成，并压装在转轴上。转子铁心与定子铁心之间有很小的空气隙，它们共同组成电动机的磁路。转子铁心外圆周上均匀分布的槽是用来安装转子绕组的。转子绕组有笼型和绕线型两种结构。笼型转子绕组是由嵌在转子铁心槽内的铜条或铝条组成，两端分别与两个短接的端环相连。如果去掉铁心，转子绕组外形像一个鼠笼，故也称鼠笼型转子。目前中小型异步电动机大都在转子铁心槽中采用浇注铝液，铸成笼型绕组，并在端环上注出许多叶片，作为冷却用的风扇。上一页下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理绕线型转子绕组与定子绕组相似，在转子铁心槽中嵌放对称的三相绕组，作Y形连接。将三个绕组的尾端连接在一起，三个首端分别接到装在转轴上的三个铜制圆环上，通过电刷与外电路的可变电阻相连接，供启动和调速用。绕线型转子电动机结构复杂，价格较高，一般用于对启动和调速要求较高的场合。12.2.2三相异步电动机的工作原理三相异步电动机通入三相交流电流之后，在定子绕组中将产生旋转磁场，此旋转磁场将在闭合的转子绕组中感应出电流，从而使转子转动起来。上一页下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理1.旋转磁场

(1)旋转磁场的产生

图12-5所示为一个最简单的两极三相异步电动机定子绕组布置图。每相绕组由一个线圈组成，这三个相同的绕组U1U2,V1V2,W1W2在定子铁心的槽内按空间相隔120o安放，并将其尾端U2、

V2、W2连成一点，作Y形连接。当定子绕组的三个首端U1、V1、W1分别与三相交流电源L1、L2

、L3接通时，在定子绕组中便有对称的三相交流电流iu、iv、iw流过。若电源电压的相序为L1->L2->L3，电流参考方向或规定方向如图12-5所示，即从U1、V1、W1流入，从尾端U2、

V2、W2流出，则三相电流iu、iv、iw波形如图12-6所示，它们在相位上互差120“电角度。上一页下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理

下面分析三相交流电流在铁心内部空间产生的合成磁场。在。时刻，iU为零，U1U2绕组无电流;iV为负，电流的真实方向与参考方向相反，即从尾端V2流入，从首端V1流出;iW为正，电流真实方向与参考方向一致，即从首端W1流入，从尾端W2流出，如图12-6(a)所示。将每一相电流产生的磁力线相加，便得出三相电流共同产生的合成磁场，这个合成磁场此刻的方向是自上而下，相当于一个N极在上、S极在下的两极磁场。用同样的方法可画出时各相电流的方向及合成磁场的磁力线方向，如图12-5(b)、图12-5(c)、图12-5(d)所示，而时的电流流向与。时完全一样。若进一步分析其他瞬时的合成磁场可以发现，各瞬间的合成磁场的磁通大小和分布情况均相同，仅方向不同而已，但都向一个方向旋转。当正弦交流电变化一周时，合成磁场在空间正好旋转了一周。上一页下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理

由以上分析可知，在定子铁心中间互差120o的三个线圈中分别通入相位互差120o的三相交流电时，所产生的合成磁场是一个旋转磁场。而旋转磁场的速度，由定子绕组在定子铁心中的布置方式决定。

(2)旋转磁场的速度如上所述，有一对磁极的旋转磁场，当电流变化一周时，旋转磁场在空间正好转过一周。对50Hz的工频交流电来说，旋转磁场每秒种将在空间旋转50周，其转速n1=6f1=60x50r/min=3000r/min。若旋转磁场有2对磁极，则电流变化一周，旋转磁场只转过0.5周，比极对数为1的情况下的转速慢了一半，即n1=60f1/2=1500r/min。同理，在3对磁极的情况下，电流变化一周，旋转磁场仅旋转了1/3周，旋转磁场的转速n1=6f1/3=1000r/min。上一页下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理以此类推，当旋转磁场具有P对磁极时，旋转磁场转速为n1=60f1/p(12.1)

其中:n1为旋转磁场转速(r/min);f1为交流电源频率(Hz);P为电动机定子极对数。旋转磁场的转速n1又称为同步转速。由式(12.1)可知，它决定于电源频率f1和旋转磁场的极对数P。当电源频率关=50Hz时，三相异步电动机同步转速n1与磁极对数P的关系如表12-2所示。上一页下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理(3)旋转磁场的旋转方向旋转磁场在空间的旋转方向是由电流相序决定的。如图12-4所示的电流相序为iU->iV->iW，按顺时针排列，并且互差120o电角度，故旋转磁场是按顺时针方向旋转。若把定子绕组与三相电源连接的三根导线中任意两根对调位置，如把绕组V1接电源L3，把绕组W1接电源L2，即流过绕组U1-U2的电流仍为iU，而流过V1-V2的电流变为编，流入W1-W2的电流变为iV，再按上述分析可得出旋转磁场将按逆时钟方向旋转。

2.转子的转动

(1)转子转动的原理

图12-7所示为三相异步电动机转子转动原理示意图。为简单起见，图中用一对磁极来进行分析。上一页下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理三相定子绕组中通入交流电后，便在空间产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子将作切割磁力线的运动而在其两端产生感应电动势，感应电动势的方向可根据右手螺旋法则来判断。由于转子本身为一闭合电路，所以在转子绕组中将产生感应电流，称为转子电流，电流方向与电动势的方向一致，即上面流出，下面流进。转子电流在旋转磁场中受到电磁力的作用，其方向可由左手定则来判断，上面的转子导条受到向右的力的作用，下面的转子导条受到向左的力的作用。电磁力对转子的作用称为电磁转矩。在电磁转矩的作用下，转子就沿着旋转磁场旋转方向转动起来。上一页下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理(2)转子的转速n、转差率，与转动方向虽然转子的转动方向与旋转磁场的转动方向一致，但转子的转速n永远达不到旋转磁场的转速n1，即n<n1。这是因为，若转子的转速等于旋转磁场的转速的话，则转子与磁场间不存在相对运动，即转子绕组不切割磁力线，转子电流、电磁转矩都将为零，转子根本转动不起来，因此转子的转速总是低于同步转速。正是由于转子转速与同步转速间存在一定的差值，故将这种电动机称为异步电动机。为了更清楚地分析异步电动机的工作过程，需要引入转差率、这个参数: s=(n1-n)/n1 (12.2)上一页下一页返回12.2三相异步电动机的结构与工作原理转差率是用来表示转子转速与同步转速之差的相对程度的一个物理量，其中n1-n为转速差。当定子绕组接通电源的瞬间，转子转速n=0，此时s=1，转差率最大;稳定运行以后，电机的转速)Z比较接近同步转速n=1，此时、很小，额定转差率为0.01~0.08;空载时，转子转速可以很接近同步转速，即s=0，但s=0的情况在实际运行时是不存在的。由转子转动原理分析可知，异步电动机的转动方向总是与旋转磁场的转向一致。因此要改变三相异步电动机的旋转方向，只需要把定子绕组与三相电源连接的三根导线中任意两根对调，改变旋转磁场的转向，也便实现电动机转向的改变了。上一页返回12.3三相异步电动机的运行特性12.3.1电动势与电磁转矩

1.定转子的电动势三相异步电动机中电磁关系的分析方法和原理及有关电动势关系式与变压器类似，两者都实现电能和磁场能量的转换及传递，可把电动机的定、转子绕组对应于变压器的一、二次绕组。两者不同方面主要表现为两方面:一方面，变压器是静止的电气设备，而异步电动机是旋转电气设备;另一方面，变压器的一、二次电压和电流及电动势的频率都一样，而异步电动机的定、转子电路电压、电流和电动势的频率不同。由变压器的电动势关系式，可得到异步电动机定、转子电路的电动势有效值E1，E2的关系式为下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性 (12.3) (12.4)式(12.3)中:K1一定子绕组的绕组系数，与定子绕组的结构有关，一般K1略小于1;N1一定子绕组匝数;

一电动机每极磁通量，由于，当定子绕组工作电压一定时，每极磁通量

—既是感应电动势的频率也是工作电源的频率，因旋转磁场切割定子绕组的相对速度与n1相同，所以E1的频率与定子的电流频率一样。上一页下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性式(12.4)中:K2—转子绕组的绕组系数，与转子绕组的结构有关，一般K2略小于1;N2—转子绕组匝数;f2—转子感应电动势的频率，因旋转磁场切割转子绕组的相对速度Δn=n1-n=sn1,所以E2的频率与转差率成正比，且f2=sf1;当电动机刚启动时s=1,f2=f1，其有效值。

2.电磁转矩异步电动机的电磁转矩与直流电动机的电磁转矩产生原理和分析基本类似，因此异步电动机的电磁转矩关系式为

(12.5)上一页下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性式中:CT—电磁转矩系数，由电动机的结构所决定;小—电动机每极磁通量;—转子电流I2的有功分量，是因为异步电动机中存在感抗的作用。利用转子电路，可求得转子电流和功率因数分别为

(12.6)

(12.7)把式(12.6)和式(12.7)代入式(12.5)中，可得上一页下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性

(12.8)

其中，为近似与定子相电压U1的二次方成正比，同时，上式还表明电磁转矩T与转子电路的参数R2和X2以及转差率s有关。12.3.2机械特性机械特性是电力拖动系统运行规律外在的直观体现，是分析各种运行状态的重要基础。三相异步电动机的机械特性是在电源电压U1和转子电阻R2一定的情况下，三相异步电动机的转速n与电磁转矩T的关系曲线n=f(T)，称之为机械特性，机械特性曲线如图12-8所示。

图12-8中的Tst为电动机的起动转矩，TN为额定转矩，nN为额定转速。上一页下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性1.稳定区和不稳定区由图12-8可知，以临界转差率sm对应的临界转速nm为界，曲线分为两个不同特征的区域。上边为稳定区，下边为不稳定区。

在稳定区(nm<n<n1)，电磁转矩与电机轴上的负载转矩保持平衡，因此电动机匀速运行。若负载转矩发生变化，则电磁转矩自动调整，最后达到新的平衡状态使电动机稳定运行。在不稳定区(0<n<nm)，恒转矩负载的电机在任意点上均无法稳定运行，因为如果负载有所增加，电磁转矩会立即小于负载转矩，引起转速急剧下降，又进一步使电磁转矩变小，即转速进一步下降，造成电机停转(堵转);而假如负载减少，电机会因电磁转矩大于负载转矩而升速，升速继续造成电磁转矩增大，进一步升速的结果是使电机进人稳定工作区。上一页下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性

2.三个重要的转矩

(1)额定转矩TN

额定转矩是指电动机在额定负载的情况下，其轴上输出的转矩。由于电机稳定运行时，其电磁转矩等于负载转矩，所以可以用额定电磁转矩来表示额定输出转矩。电动机的额定转矩可以通过电机铭牌上的额定功率和额定转速求得。由P2=T得

(12.9)由式(12.9)可得电动机在额定运行时对应的额定电磁转矩为

TN=9500PN/nN (12.10)上一页下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性式(12.9)揭示了电磁转矩与转速的关系，式(12.10)则揭示了电磁转矩TN和额定转速nN两者的关系，上述两式T的单位为N·m,P2的单位为kW,n的单位为r/min。

(2)最大转矩Tm

最大转矩是指电动机所能提供的极限转矩，它是对应于临界转差率的临界转矩，可用数学方法求得。对式(12-8)求、的导数s令其等于零，则得到 sm=R2/X2把上式代入式(12.5)，可得

(12.11)上一页下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性

前面说过，最大转矩是稳定区与不稳定区的分界点，故电机稳定运行时的工作点不能下滑超过此点，否则电机将停转(堵转)。电机堵转时的电流很大，一般可达额定电流的4~7倍，将造成电机的温度升高超过允许值，若不立即采取措施，就会烧毁电机。因此，电机在运行中应避免出现堵转，一旦出现，立即切断电源并卸掉过多负载。通常用最大转矩与额定转矩之比来描述电机的过载情况，这个比值称为过载系数，用入表示，即

(12.12)

过载系数是衡量电机短时过载能力和稳定运行的一个重要参数，通常在1.8~2.2。上一页下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性(3)启动转矩Tst

起动转矩是指电动机刚接通电源以后，电机尚未转动起来，即转速为0时的电磁转矩。电机的起动转矩对应图12-7中的n=0时的转矩Tst

，即

(12.13)

从图12-7可以看出，起动转矩大于额定转矩，它决定了该电机的起动能力。只要电动机的起动转矩大于负载转矩，电机就可加速，沿机械特性曲线上升，越过最大转矩到达稳定运行区。显然，起动转矩越大，电机的起动能力就越强，起动所需的时间也就越短。反之，若起动转矩小于负载转矩，则电机不能起动。上一页下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性异步电动机的起动能力用起动转矩与额定转矩的比值来表示，定义为启动转矩倍数Ks，即

(12.14)

一般鼠笼式异步电动机的起动能力较差，在0.8~2.2，所以有时采用轻载起动。绕线式异步电动机的转子可以通过滑环外接的电阻器来调节起动能力。起动能力也是选用电机的一个重要参数。最大转矩和启动转矩是异步电动机两个非常重要的指标，在应用时，要特别注意电源电压U1和转子电阻R2对两者带来的影响。上一页下一页返回12.3三相异步电动机的运行特性通过对异步电动机的机械特性的分析，可以得出以下结论:(1)在稳定运行区，负载变化时，转速变化很小，属于硬机械特性。

(2)异步电动机有较大的过载能力。

(3)外加电源电压变化时，转矩有较大的变化，转速也随之变化。

(4)增大转子电路电阻R2，可以使启动转矩Tst增大。上一页返回下一页12.3三相异步电动机的运行特性12.3.3工作特性三相异步电动机的工作特性是指U1=UN和f1=fN及定、转子绕组不串任何阻抗的情况下，电动机的转速n、定子电流I1、电磁转矩T、功率因数、效率与输出功率P2的关系。图12-9所示为异步电动机的工作特性曲线。

1.转速特性曲线n=f(P2)

三相异步电动机空载时，P2=0，转子的转速n接近于同步转速n、随着负载的增大，即输出功率增大，转速略为降低。因为只有转速降低，才能使转子电动势E2增大，从而使转子电流也增大，以产生更大的电磁转矩与负载转矩平衡。上一页返回下一页12.3三相异步电动机的运行特性2.定子电流特性曲线I1=f(P2)

三相异步电动机空载时，电动机的定子电流I1很小，随着负载增大，转子电流入增大，输出功率P2增大，输入功率P1也相应增大，定子电流I1也随之增大。

3.功率因数特性曲线异步电动机从电网吸取滞后的无功功率进行励磁，其功率因数总是小于1。空载时，定子电流基本上是个励磁电流，功率因数很低，仅为0.1~0.2;随着负载的增加，定子电流的有功分量增加，功率因数逐渐上升，在额定负载附近，功率因数达到最大值;超过额定负载后，由于转速降低，转差率增大，转子功率因数下降很多，使定子电流中与之平衡的无功分量也增大，功率因数反而有所下降。小型异步电动机的额定功率因数在0.76~0.90，在实际应用中，注意选择合适容量的电动机。上一页返回下一页12.3三相异步电动机的运行特性

4.电磁转矩特性曲线T=f(P2)

空载时，电磁转矩T仅与电动机很小的空载转矩T0相平衡;随着P2的增加，T2在n不变的情况下，是一条过原点的直线。考虑到P2增加时，n稍有降低，故T2=f(P2)为随着P2的增加略向上偏离直线。而T=T0+Tz,T0值很小，且为与P2无关的常数，所以T=f(P2)将比T2=f(P2)平行上移T0值。

5.效率特性曲线空载时，P2=0，则效率；随着负载增大时，效率也随之增大，并在接近额定负载时达到最大值。另外，电动机有一个显著的特点，就是各种类型的电动机，其效率特性形状是完全相似的。上一页返回12.4三相异步电动机的启动

三相异步电动机接通电源，使电机的转子从静止状态到转子以一定速度稳定运行的过程称为电动机的启动过程。电动机在实际使用时，因为要经常启动和停车，所以电动机的启动问题是一个非常重要的问题。对电动机启动的要求，一般从以下几个方面来考虑。

(1)启动电流应尽可能小，Ist<=(4~)IN。

(2)启动转矩应尽可能大，Tst>=(1.1~1.2)TL。

(3)启动的时间应尽可能短。

(4)转速的提升应尽可能平稳。

(5)启动方法应方便、可靠，启动设备应简单、经济，易维护修理。下一页返回12.4三相异步电动机的启动

前三项较为重要。异步电动机刚接通电源瞬间，转速为零，旋转磁场和转子的转差很大，因此转子电流非常大，相应定子电流也很大，我们把这时的定子电流称为启动电流。由于启动过程非常短，一般为几秒到几十秒，且随着转速的上升，启动电流不断减小，所以如果不是频繁启动，启动电流造成的电机发热问题并不大，对电机的正常运行没有影响。但大的启动电流会引起电源电压的下降，影响接在同一电源上的其他设备的正常工作，比如使日光灯变暗、电机堵转甚至停转等。为了改善电动机的启动过程，要求电动机在启动时既要把启动电流限制在一定数值内，同时要有足够大的启动转矩，以便缩短启动过程，提高生产率。上一页下一页返回12.4三相异步电动机的启动下面分别介绍笼型异步电动机和绕线型异步电动机的启动方法。12.4.1笼型异步电动机的启动笼型异步电动机的启动方法有直接启动和降压启动两种。

1.直接启动直接启动就是利用闸刀开关将电动机直接接入电网使其在额定电压下启动，如图12-10所示电路。这种方法最简单，设备少，投资小，启动时间短，但启动电流大，启动转矩小，一般只适用于小容量电动机(7.5kW以下)的启动。较大容量的电动机，在电源容量也较大的情况下，可参考.以下经验公式确定能否直接启动:上一页下一页返回12.4三相异步电动机的启动

(12.15)

式(12.15)的左边为电动机的启动电流倍数，右边为电源允许的启动电流倍数。只有满足该条件，方可采用直接启动。

2.降压启动降压启动的主要目的是为了限制启动电流，但同时也限制了启动转矩，因此，这种方法只适用于轻载或空载情况下启动。常用的降压启动方法有下列几种。

(1)定子电路中串电抗器启动这种起动方法是在电动机定子绕组的电路中串入一个三相电抗器，其接线如图12-11所示。上一页下一页返回12.4三相异步电动机的启动

(2)Y-△启动这种方法只适用于正常运转时定子绕组作三角形连接的电动机。启动时，先将定子绕组改接成星形，使加在每相绕组上的电压降低到额定电压的1/3，从而降低了启动电流;待电动机转速升高后，再将绕组接成三角形，使其在额定电压下运行。Y-△启动线路如图12-12所示。

可以证明，星形启动时的启动电流(线电流)仅为三角形直接启动时电流(线电流)的1/3.即IYst=(1/3)IΔst其起动转矩椒为后者的1/3.即

IYst=(1/3)IΔst (12.16)

Y-△启动的优点是启动设备简单，成本低，能量损失小。目前，4~100kW的电动机均设计成380V三角形连接，所以，这种方法有很广泛的应用意义。上一页下一页返回12.4三相异步电动机的启动(3)自耦变压器启动对容量较大或正常运行时作星形连接的电动机，可应用自耦变压器降压启动，如图12-13所示。自耦变压器上备有抽头，以便根据所要求的起动转矩来选择不同的电压。如QJ3型的抽头比(U2/U1)为40%、60%和80%。

同样可以证明，自耦变压器降压启动电流为直接启动电流的1/K2;其启动转矩也为后者的1/K2。这里，K为变压器的变压比(K=U1/U2)。自耦变压器降压启动的优点是不受电动机绕组接线方法的限制，可按照允许的启动电流和所需的启动转矩选择不同的抽头，常用于启动容量较大的电动机。其缺点是设备费用高，不宜频繁启动。上一页下一页返回12.4三相异步电动机的启动12.4.2绕线型异步电动机的启动绕线型异步电动机的启动是在转子电路中接入电阻来启动的，如图12-14所示。启动时，先将启动变阻器调到最大值，使转子电路电阻最大，从而降低启动电流和提高启动转矩。随着转子转速的升高，逐步减小变阻器电阻。启动完毕时，切除启动电阻。绕线型异步电动机常用于要求启动转矩较大的生产机械上，如卷扬机、锻压机、起重机及转炉等。上一页下一页返回12.4三相异步电动机的启动绕线式电机还可以采用转子串频敏变阻器进行启动，如图12-15所示。这种起动方式不需切除频敏变阻器，因为频敏变阻器本身具有阻值随转子频率变化的特性。起动时，因转子感应电的频率最高，所以频敏变阻器的电阻最大;随转速上升，转子频率下降，频敏变阻器的阻值也下降;电机正常运行时，转子频率非常低，故频敏变阻器的阻值非常小，不会影响电机的正常运行。上一页返回12.5三相异步电动机的调速调速是指在同一负载下人为改变电动机的转速。由前面所学可知，电动机的转速为n=(1-s)n1=(1-s)60f1/p因此，要改变电动机的转速，有三种方式:变频调速、变极调速和变转差率调速。12.5.1变频调速变频调速是指通过改变电源的频率从而改变电机转速。它采用一套专用的变频器来改变电源的频率以实现变频调速。变频器本身价格较贵，但它可以在较大范围内实现较平滑的无极调速，且具有硬的机械特性，是一种较理想的调速方法。近年来，随着电力电子技术的发展，交流电机采用这种方式进行调速越来越普遍。下一页返回12.5三相异步电动机的调速12.5.2变级调速变极调速是指通过改变异步电动机定子绕组的接线以改变电动机的极对数从而实现调速的方法。通过改变电动机的磁极对数，可以改变电动机的转速。但由电动机的工作原理可知，电动机的磁极对数总是成倍增长的，所以电机的转速也就阶段性上升，无法实现无极调速。鼠笼式异步电动机转子的极数能自动与定子绕组的极数相适应，所以一般鼠笼式异步电动机采用这种方法调速。上一页下一页返回12.5三相异步电动机的调速异步电动机可以通过改变电动机的定子绕组接法来实现变极调速，也可以通过在定子上安装不同的定子绕组来实现调速，这种能改变定子磁极对数的电动机又称为多速电动机。如图12-16所示为一个4/2极双速电机的定子绕组接法及对应的单相磁场分布示意图。电动机每相有两个线圈，如果把两两线圈并联起来，接成双Y形，则合成磁场为一对磁极。如果将两两线圈串联起来，接成△形，则合成磁场为两对磁极。这两种接法下电动机同步转速差一倍。

变极调速方式转速的平滑性差，但它经济、简单，且机械特性硬，稳定性好，所以许多工厂的生产机械一般采用这种方法和机械调速协调进行调速。上一页下一页返回12.5三相异步电动机的调速12.5.3变转差率调速在绕线式异步电动机中，可以通过改变转子电阻来改变转差率，从而改变电机的速度。如图12-17所示，设负载转矩TL不变，转子电阻R2增大，电动机的转差率、增大，转速下降，工作点下移，机械特性变软。当平滑调节转子电阻时，可以实现无极调速，但调速范围较小，且要消耗电能，一般用于起重设备上。上一页返回12.6三相异步电动机的制动

三相异步电动机脱离电源之后，由于惯性，电动机要经过一定的时间后才会慢慢停下来，但有些生产机械要求能迅速而准确地停车，那么就要求对电动机进行制动控制。电动机的制动方法可以分为两大类:机械制动和电气制动。机械制动一般利用电磁抱闸的方法来实现;电气制动一般有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方法。12.6.1能耗制动这种制动方法是在电动机脱离三相电源的同时，将定子绕组接入直流电源，从而在电动机中产生一个不旋转的直流磁场，如图12-18所示。下一页返回12.6三相异步电动机的制动正常运行时，将QS闭合，电动机接三相交流电源起动运行。制动时，将QS断开，切断交流电源的连接，并将直流电源引入电机的V和W两相，在电机内部形成固定的磁场。电动机由于惯性仍然顺时针旋转，则转子绕阻作切割磁力线的运动，依据右手螺旋法则，转子绕组中将产生感应电流。又根据左手定则可以判断，电动机的转子将受到一个与其运动方向相反的电磁力的作用，由于该力矩与运动方向相反，称为制动力矩，该力矩使得电动机很快停转。

制动过程中，电动机的动能全部转化成电能消耗在转子回路中，会引起电机发热，所以一般需要在制动回路串联一个大电阻，以减小制动电流。上一页下一页返回12.6三相异步电动机的制动这种制动方法的特点是制动平稳，冲击小，耗能小，但需要直流电源，且制动时间较长，一般多用于起重提升设备及机床等生产机械中。12.6.2反接制动反接制动是指制动时，改变定子绕组任意两相的相序，使得电动机的旋转磁场换向，反向磁场与原来惯性旋转的转子之间相互作用，产生一个与转子转向相反的电磁转矩，迫使电动机的转速迅速下降，当转速接近零时，切断电机的电源，如图12-19所示。显然反接制动比能耗制动所用的时间要短。上一页下一页返回12.6三相异步电动机的制动正常运行时，接通KM1，电动机加顺序电源U-V-W起动运行。需要制动时，接通KM2，从图可以看出，电动机的定子绕组接逆序电源V-U-W，该电源产生一个反向的旋转磁场，由于惯性，电动机仍然顺时针旋转，这时转子感应电流的方向按右手螺旋法则可以判断，再根据左手定则判断转子的受力F。显然，转子会受到一个与其运动方向相反，而与新旋转磁场方向相同的制动力矩，使得电机的转速迅速降低。当转速接近零时，应切断反接电源，否则，电动机会反方向起动。上一页下一页返回12.6三相异步电动机的制动反接制动的优点是制动时间短，操作简单，但反接制动时，由于形成了反向磁场，所以使得转子的相对转速远大于同步转速，转差率大大增大，转子绕组中的感应电流很大，能耗也较大。为限制电流，一般在制动回路中串入大电阻。另外，反接制动时，制动转矩较大，会对生产机械造成一定的机械冲击，影响加工精度，通常用于一些频繁正反转且功率小于10kW的小型生产机械中。上一页下一页返回12.6三相异步电动机的制动12.6.3回馈制动回馈制动是指电动机转向不变的情况下，由于某种原因，使得电动机的转速大于同步转速，比如在起重机械下放重物、电动机车下坡时，都会出现这种情况，这时重物拖动转子，转速大于同步转速，转子相对于旋转磁场改变运动方向，转子感应电动势及转子电流也反向，于是转子受到制动力矩，使得重物匀速下降。此过程中电动机将势能转换为电能回馈给电网，所以称为回馈制动，如图12-20所示。

异步电动机由轴上输入(即吸收)机械功率。为了避免因转速高而损坏电机，在回馈制动时，转子回路中不串电阻。常用于高速且要求匀速下放重物的场合中。上一页返回12.7常用电动机控制电路

由继电接触器组成的常用电动机控制电路，包括点动控制、自锁控制、互锁控制、正反转控制与联锁控制等。12.7.1点动控制机械设备手动控制间断工作，即按下起动按钮，电动机转动，松开按钮，电动机停转，这种控制方式称为点动。电动机的点动控制线路是最简单的控制线路，如图12-21所示为电动机的点动控制线路。下一页返回12.7常用电动机控制电路图中SB为起动按钮，主电路刀开关Qs起隔离作用，熔断器FU起短路保护作用，接触器KM的主触点控制电动机起动、运行和停车。合上电源开关QS，当按下起动按钮SB时，接触器KM线圈通电吸合，接触器KM主触点闭合，电动机M起动运转。松开按钮SB时，接触器KM线圈断电释放，接触器KM主触点断开，电动机M停止运转。12.7.2自锁控制为使机械设备长时间运转，即保持持续工作，需采用电动机的自锁控制方式。如图12-22所示为电动机的自锁控制线路，也是最简单的电动机起、停控制线路。图中热继电器FR用作过载保护。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路合上电源开关QS，当按下起动按钮SB2时，接触器KM线圈通电吸合，接触器KM主触点闭合，电动机M起动运转。松开按钮SB2时，SB2自动复位，接触器KM仍可通过其动合辅助触点继续供电，从而保证电动机的连续运行。这种依靠接触器自身辅助触点而使其线圈保持通电的现象，称为自锁或自保持，也叫做电动机的长动控制。这个起自锁作用的辅助触点，称为自锁触点。

当机械设备要求既能正常持续工作，又能点动控制时，电路必须同时具有自锁和点动的控制功能。具有自锁与点动控制功能的线路如图12-23所示。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路图12-23(a)是用复合按钮SB:实现点动控制，SBZ实现自锁控制。图12-23(b)是用选择开关SA选择点动控制或者自锁控制。图12-23(c)是用中间继电器KA实现的自锁控制。12.7.3互锁控制在同一时间里两个接触器只允许一个工作的控制作用称为互锁控制。如图12-24所示为具有互锁控制功能的线路。

在KM1和KM2两个接触器线圈回路中互串一个对方的动断触点，这对动断触点称为互锁触点。当按下SB2时，KM1线圈通电，由于KM1的动断辅助触点断开而切断了KM2的线圈电路。此时，即使按SB3，也不会使KM2线圈通电工作。同理，在KM2线圈通电工作后，也保证了KM1的线圈不能得电。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路互锁是保证设备正常运行的重要控制环节，对于一台设备，常用于制动不能同时出现的两种电路接通状态;也用于两台设备不能同时接通的控制电路中。12.7.4正反转控制

1.按钮控制的电动机正反转控制线路图12-24即为按钮控制的正反转控制线路，正反转的控制靠手动操作按钮实现。主电路中接触器KM1和KM2构成正反转相序接线，图12-24控制线路中，按下正向起动按钮SB2，正向控制接触器KM1线圈得电工作，其主触点闭合，电动机正向转动，按下停止按钮SB2

，电动机停转。按下反向起动按钮SB3，反向接触器KM2线圈得电工作，其主触点闭合，主电路定子绕组变正转相序为反转相序，电动机反转。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路在主电路中，若KM1与KM2的主触点同时闭合，将会造成电源短路，因此任何时候，只能允许一个接触器通电工作，在控制电路中采用了互锁控制。图12-24控制线路中，当变换电动机转向时，必须先按下停止按钮，停止正转，再按下反向起动按钮，方可反向起动，操作不便。若主电路不变，采用图12-25所示的控制电路，利用复合按钮SB2和SB1可直接实现由正转变为反转的控制(反之亦然)。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路复合按钮具有互锁功能，但工作不可靠，因为在实际使用中，由于短路或大电流的长期作用，接触器主触点会被强烈的电弧“烧焊”在一起，或者当接触器的机构失灵，使主触点不能断开，这时若另一接触器动作，将会造成电源短路事故。如果采用接触器的动断触点进行互锁，不论什么原因，当一个接触器处于吸合状态，它的互锁动断触点必将另一接触器的线圈电路切断，从而避免事故的发生。

2.行程开关控制的电动机正反转控制线路行程开关控制的电动机正反转是机动控制，是由机床的运动部件在工作过程中压动行程开关，实现电动机正反转的自动切换。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路如图12-26所示是机床工作台往返循环的控制线路。电动机的正反转可通过SB1、SB2和SB3手动控制，也可用行程开关实现机动控制。图12-26中SQ3和SQ4为限位开关，安装在工作台运动的极限位置，起限位保护作用，当由于某种故障，工作台到达SQ1和SQ2给定的位置时，未能切断KM1(或KM2)线圈电路，继续运行达到SQ3(或SQ4)所处的极限位置时，将会压下限位保护开关，切断接触器线圈电路，使电动机停止转动，避免工作台发生超越允许位置的事故。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路用行程开关按机床运动部件的位置或部件的位置变化来进行的控制，称作按行程原则的自动控制，也称行程控制。行程控制是机械设备应用较广泛的控制方式之一。12.7.5多地控制在大型设备上，为了操作方便，常要求多个地点进行控制操作;在某些机械设备上，为保证操作安全，需要多个条件满足，设备才能开始工作，这样的控制要求可通过在电路中串联或并联电器的动断触点和动合触点来实现。图12-27(a)为多地点操作控制线路。SB2、SB3和SB4的动合触点任一个闭合，可接通KM线圈;SB1、SB5和SB6的动断触点任一个打开，即可切断电路。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路图12-27(b)为多条件操作控制线路。SB4、SB5和SB6的动合触点全部闭合，才能接通KM线圈;SB1、SB2和SB3的动断触点全部打开，才可切断电路。12.7.6联锁控制

1.顺序联锁控制实际生产中，有些设备常要求电动机按一定的顺序起动或停止，如铣床工作台的进给电动机必须在主轴电动机已起动工作的条件下才能起动工作，自动加工设备必须在前一工步已完成或转换控制条件已具备，方可进入新的工步。控制设备完成这样顺序起停控制电动机的电路，称为顺序联锁控制，顺序联锁控制也叫条件控制。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路图12-28所示为两台电动机顺序起动的控制线路。KM1是液压泵电动机M1的起动控制接触器，KM2控制主轴电动机M2。工作时，KM1线圈得电，其主触点闭合，液压泵电动机起动以后，满足KM2线圈通电工作的条件，KM2可控制主轴电动机起动工作。在图12-28(a)中，KM2线圈电路由KM1线圈电路起停控制环节之后接出。当起动按钮SB2压下，KM,线圈得电，其辅助动合触点闭合自锁，使KM:线圈通电工作条件满足，此时通过主轴电动机的起、停控制按钮SBQ与SB3控制KM2线圈电路的通断电，从而控制主轴电动机起动和停车。在图12-28(b)中，KM1线圈电路与KM2线圈电路单独构成，KM1的辅助动合触点作为控制条件串接在KM2线圈电路中，只有KM1线圈得电，该辅助动合触点闭合，液压泵M1电动机已起动工作的条件满足后，KM2线圈方可起动。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路

2.操作手柄和行程开关组合构成的联锁控制在运动复杂的设备上，为防止不同运动之间的干涉，常设置用操作手柄和行程开关组合构成的联锁控制。这里以某机床工作台进给运动控制为例，说明这种联锁关系。机床工作台由一台电动机驱动，通过机械传动链传动，可完成纵向(左右两个方向)和横向(前后两个方向)的进给移动。工作时，工作台只允许沿一个方向进给移动，因此各方向的进给运动之间必须联锁。工作台由纵向手柄和行程开关SQ1和SQ2控制纵向进给，横向手柄和行程开关SQ3和SQ4控制横向进给。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路具体操作时，两个操作手柄各自都只能扳在一种工作位置，或是向左，向前，或是向右，向后，存在左右运动之间或前后运动之间的制约，只要两操作手柄不同时扳在工作位置，即可达到联锁的目的。每个操作手柄有两个工作位和一个中间不工作位，通常正常工作时，只有一个手柄扳在工作位，当由于误动作等意外事故使两个手柄都被扳到工作位时，联锁电路将立即切断进给控制电路，进给电动机停转，工作台进给停止，防止运动干涉损坏机床的事故发生。上一页下一页返回12.7常用电动机控制电路图12-29所示为工作台的联锁控制线路，KM1和KM2为进给电动机正转和反转控制接触器，纵向控制行程开关SQ1和SQ2动断触点串联构成的支路与横向控制行程开关SQ3和SQ4动断触点串联构成的支路并联起来组成联锁控制线路。当纵向操作手柄扳在工作位时，将会压动行程开关SQ1(或SQ2)，切断一条支路，另一支路由横向手柄控制的支路因横向手柄不在工作位而仍然正常通电，此时SQ1(或SQ2)的动合触点闭合，使接触器KM1(或KM2)线圈得电，电动机M转动，工作台在给定的方向进给移动，当工作台纵向移动时，若横向手柄也被扳到工作位，行程开关SQ3(或SQ4)受压，切断联锁电路，使接触器线圈失电，电动机停转，工作台进给运动自动停止，从而实现进给运动的联锁保护。上一页返回12.8单相异步电动机

单相异步电动机是由单相交流电源供电的一种感应式电动机。它具有结构简单、成本低廉、运行可靠及维修方便等一系列优点，特别是因为它可以直接使用市电，所以广泛地应用于各行各业和日常生活中，如家用电器中的电扇、电冰箱、洗衣机等。但与同功率的三相异步电动机相比，单相电动机的体积较大，运行性能较差，因此只能做成几十瓦到几百瓦的小功率电动机。12.8.1单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的定子绕组为单相交流绕组，转子绕组为鼠笼式绕组。图12-30为最简单的单相异步电动机的结构与磁场。下一页返回12.8单相异步电动机

当定子绕组中通入单相正弦交流电流时，则在电机中产生一个随时间按正弦规律变化的脉动磁场，磁感应强度可表示为: (12.17)

这个脉动磁场可分解为两个旋转磁场，这两个旋转磁场转速相等、方向相反，且每个旋转磁场的磁感应强度的最大值为脉动磁场磁感应强度最大值的一半，即

B1m=B2m=0.5Bm (12.18)

在任何瞬间，这两个旋转磁场的合成磁感应强度，始终等于脉动磁场的瞬时值。转子不动时，上述两个旋转磁场将分别在转子中产生大小相等、方向相反的电磁转矩，转子上的合成转矩为零，电动机无起动转矩，不能起动。上一页下一页返回12.8单相异步电动机但是，如果用某种方法使电动机的转子向某方向转动一下，那么电动机就会沿着某方向持续转动下去。这就说明此时两个反向旋转磁场产生的合成转矩不为零。其原因如下:若外力作用使转子顺正向旋转磁场方向(假定为顺时针)转动，此时转子和正向旋转磁场的相对速度变小，其转差率s+变小(<1);而和反向旋转磁场(假定为逆时针)的相对速度变大，转差率s_大于1，即

(12.19) (12.20)上一页下一页返回12.8单相异步电动机

同三相异步电动机一样，正向旋转磁场产生正向转矩，反向旋转磁场产生反向转矩，其转矩特性曲线如图12-31所示。图中M=f(s)是合成转矩的特性曲线。同理，若推动转子逆时针转动，电动机就沿着逆时针方向持续旋转。12.8.2单相异步电动机的启动电动机采用外力实现启动，这在实际中是不可行的，必须采用一定的方法使得电动机具有一定的启动转矩。单相异步电动机按产生旋转磁场的不同方式可以分为分相式和罩极式两大类。分相式电动机又可以分为电容启动、电容运行、电容启动运行和电阻启动式四种;罩极式电动机可以分为凸极式和隐极式罩极交流电动机两种。目前最常用的是凸极式和电容式单相异步电动机。上一页下一页返回12.8单相异步电动机1.凸极式单相异步电动机凸极式单相电动机的定子铁心做成凸极式的磁极，形状类似直流电动机的定子。定子铁心上面绕有集中绕组，称为主绕组。定子铁心上面的极面开有小槽，用以嵌放短路铜环，短路铜环罩住了一部分磁通，所以把该电动机称为罩极电动机，如图12-32所示。通入单相交流电后，产生脉动磁场，铜环把磁通分成两部分:未被罩住的磁通和被罩住的磁通。在短路环内产生感应电流，此感应电流又产生一定的磁通来阻碍原来磁通的变