第8章 三相异步电动机

第8章三相异步电动机8.1电机概述8.2三相异步电动机的结构8.3三相异步电动机的工作原理8.4三相异步电动机的启动8.5三相异步电动机的调速习题88.1电机概述电机(Electricalmachine)作为一种机电能量变换的电磁装置，其发展过程同国民经济和科学技术的发展过程有着密切的联系。8.1.1我国电机制造业的发展新中国成立以来，我国的电机制造工业发生了巨大的变化。1950年，我国建立了独立自主的完整体系，特别是在1965年研制成功世界上第一台双水内冷汽轮发电机，显示出我国电机工程技术人员对电机的新原理、新结构、新工艺、新材料、新品种、新运行方式和调试等方面的探索和研究，取得了显著成就。8.1.2电机的应用电能作为一种能量形式其自身具有许多优点，如生产和变换比较经济，传输和分配比较容易，使用与控制比较方便等等。目前，电能已成为国民经济各部门中动力的主要来源，而电能的生产、变换、传输、分配、使用以及控制等都必须利用一种能够进行能量变换或讯号变换的电磁装置——电机。因此，了解与掌握电机的应用对我们学好电机这种电磁装置具有很大的帮助。电机的应用领域相当广泛，介绍如下：1.在电力工业领域的应用在电力工业领域，电机是发电厂和变电所的主要设备。在发电厂中，发电机由汽轮机、水轮机或柴油机带动，再由发电机转换成电能。为了经济地传输和分配电能，采用变压器将电压升高，把电能送到用电地区，然后再经过变压器降压，向用户提供电能。2.在工业企业领域的应用在工业企业(如机械、冶金、石油、煤炭和化学工业等)领域，电机的应用十分广泛。3.在交通运输业领域的应用在交通运输业领域，随着城市交通运输和电气铁道的发展，需要大量具有优良启动性能和调速性能的牵引电动机；在航运和航空事业中，需要很多具有特殊要求的船用电机和航空电机。4.在农业领域的应用在农业领域，随着农业机械化的发展，电机在农业上的应用也日趋广泛，如电力排灌、脱粒、辗米、榨油、粉碎等农业机械，都是用电动机来拖动的。5.在高科技领域的应用在高科技领域，随着高科技的飞速发展，工业生产的自动化程度不断提高，使得自动化系统中的元件同样离不开各种各样的控制电机，甚至在人造卫星的自动控制系统中，电机也是必不可少的。8.1.3电机的主要类型电机的种类繁多，从不同的角度可分为不同的类型。1.按电机的功能来分如果按电机的功能进行分类，则电机可分为如下几类：(1)发电机：把机械能转换成电能。(2)电动机：把电能转换成机械能。(3)变压器、变流机、变频机、移相器：分别用于改变电压、电流、频率及相位。

(4)控制电机：作为控制系统中的元件。2.按电机的电源性质来分如果按电机的电源性质来分，则电机可分为直流电机和交流电机。其中，直流电机又分为直流发电机和直流电动机，而交流电机则分为同步电机和异步电机。1)直流电机直流电机是指通以直流电流而转动的电动机或发出直流电流的发电机。2)交流电机交流电机可分成同步电机和异步电机两大种类。国生产的异步电动机种类众多，从不同的角度可分为不同的类型。(1)按尺寸大小可分为大型、中型、小型和微型四种类型。①大型：电动机的中心高H大于630mm或定子铁心外径D1大于1000mm。②中型：电动机的中心高H为355～630mm或定子铁心外径D1为500～1000mm。

③小型：电动机的中心高H为80～315mm或定子铁心外径D1为120～500mm。④微型：电动机的中心高H为45～71mm。(2)按外壳的防护型式可分为开启式、防护式和封闭式。(3)按转子绕组型式可分为鼠笼式和绕线转子式。(4)按安装结构型式可分为卧式和立式。(5)按有无换向器可分为有换向器式和无换向器式。3)步进电动机及交—直流电机步进电动机是一种把电脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移）的控制电机，故也称为脉冲电动机。8.2三相异步电动机的结构8.2.1三相异步电动机结构的主要部件在三相异步电动机的结构中，定子和转子是其主要的构成部件；定子与转子之间有一个很小的空气隙，我们称之为气隙；此外，在三相异步电动机的结构中还有端盖、轴承、风扇等零部件，图8.1就是一台绕线转子三相异步电动机的剖面图。下面介绍各主要部件的结构及其作用。图8.1绕线转子三相异步电动机剖面图1.三相异步电动机的定子三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。1)机座机座的作用是用来支撑定子铁心和固定端盖的。2)定子铁心定子铁心是电动机磁路的组成部分之一，整体结构如图8.2(a)所示。通常情况下，旋转磁场对定子铁心以同步速度旋转，所以对铁心内某一点来说，磁通是交变的。为了减小铁心损耗，定子铁心采用0.5mm厚的被冲成槽形的硅钢片叠压而成，这些硅钢片被称为定子冲片。对于小容量电动机，由于片间的涡流电压较小，因此利用硅钢片本身的氧化层电阻即可减小涡流损耗；对于容量较大的电动机，片间涡流电压较大，必须在硅钢片两面涂以绝缘漆，以减小涡流损耗。硅钢片一般宽度为1m，当铁心冲片外径小于1m时，冲片可冲成整圆形，如图8.2（b）所示；当冲片外径大于1m时，可冲成扇形，如图8.2(c）所示。定子铁心叠成后，其内圆形成一个槽形，可以安放定子绕组，定子槽形有半闭口槽、半开口槽和开口槽三种，如图8.3所示。半闭口槽适用于低压圆铜线绕成的散嵌绕组，其优点是槽口较小，齿部对主磁通的磁阻小，可以减小励磁电流；半开口槽适用于中型电动机，其槽口稍大于槽宽的一半，便于嵌入扁线绕成的分成双排的成型线圈；开口槽适用于大、中容量的高压异步电动机，槽口等于槽宽，便于高压成型线圈的嵌线。图8.2定子铁心冲片图8.3定子铁心槽型及槽内绕组定置(a)定子铁心；(b)圆形冲片；(c)扇形冲片(a)半闭口槽；(b)半开口槽；(c)开口槽3)定子绕组三相异步电动机的定子绕组有散嵌软绕组和成型硬绕组两种。散嵌软绕组多用于小容量电动机，它是由高强度漆包圆铜线(或铝线)绕制而成的，绕线时将一相线圈一次绕成，嵌线时将三相线圈按一定的规律依次嵌入定子槽中，即形成三相定子绕组。中、大容量电动机由于电流大、电压高、导线截面大、绝缘要求高，因此采用扁线绕制的成型线圈更为合适。散嵌软绕组可分为单层、双层及单双层混合绕组三种。2.三相异步电动机的转子三相异步电动机的转子可分成两大类，一类是绕线转子，如图8.4(a)所示；另一类是铝铸鼠笼式转子，如图8.4(b)所示。绕线转子除铁心、绕组及转轴外，还有滑环等部件；鼠笼式转子由转子铁心、转轴及转子绕组等组成。图8.4异步电动机转子结构(a)绕线转子；(b)铝铸鼠笼式转子1)转子铁心转子铁心是电动机磁路的一部分，一般用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。硅钢片上冲有槽孔，用来安放转子绕组。转子铁心固定在转轴上，或固定在转子支架上，转子支架再套装固定在转轴上。2)转轴转轴是支撑转子铁心和输出转矩的零件。转轴必须具有足够的刚度和强度，以保证电动机在负载情况下气隙均匀及转轴本身不致断裂。转轴一般用中碳钢棒料车削加工而成，轴伸端铣有键槽，用来固定皮带轮或联轴器。3)转子绕组转子绕组有鼠笼式转子绕组和绕线转子绕组两种。(1)鼠笼式转子绕组。按照转子绕组的结构形式，鼠笼式转子绕组可分为单笼和双笼两种类型；按照制造绕组使用的材料又可分为铜料焊接转子绕组和铝料铸造转子绕组两种。图8.5（a）和(b)分别为铜条焊接鼠笼式转子绕组及铝料铸造鼠笼式转子绕组的结构示意图。图8.5鼠笼式转子绕组结构示意图(a)铜条焊接鼠笼式转子绕组；(b)铝料铸造鼠笼式转子绕组(2)绕线转子绕组。与定子绕组一样，绕线转子绕组也是一个用绝缘导线绕成的三相对称绕组。绕线转子绕组不仅其极数与该台电动机定子绕组一样，也是一个用绝缘导线绕成的三相对称绕组，而且其极数必须与该台电动机的定子绕组的极数相同。图8.6绕线转子异步电动机示意图（a）接线图;（b）提刷装置3.三相异步电动机的气隙从磁路来考虑，定子铁心与转子铁心之间的气隙是很重要的一部分。气隙大，则磁阻大，励磁电流也大，电动机的功率因数降低。从这一角度来考虑，气隙应取较小的数值。8.2.2三相异步电动机的铭牌数据在每台异步电动机的机座上都有一块铭牌，上面标注着这台电动机的型号及额定值。1.异步电动机的型号步电动机型号的表示方法，一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，其中汉语拼音字母是根据电动机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成产品的型号，如Ｙ系列三相异步电动机的型号为Y112S-6和YB160M-4WF，其含义如下：２．异步电动机的额定值在三相异步电动机的铭牌上还标注有电动机的额定值，它是我们选用、安装和维修电动机时的依据。也就是这个额定值，规定了这台电动机的正常运行状态和条件。电动机额定值包括：(1)额定功率PN:指电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率(kW)。(2)额定电压UN：指额定运行时，加在定子绕组上的线电压(V)。(3)额定电流IN:指电动机在额定电压和额定频率下，输出额定功率时，定子绕组中的线电流(A)。

(4)连接：指电动机在额定电压下，定子三相绕组应采用的连接方法，一般有三角形(△)和星形(Ｙ)两种连接。有些老式电动机铭牌上标有220V／380V两种额定电压，连接标明为△／Ｙ。这种标法表示在三相线电压为220V时,为三角形（△）连接；线电压为380V时，为星形（Ｙ）连接。(5)额定频率fN：表示电动机所接的交流电源的频率，我国电力网的频率规定为50Hz。(6)额定转速nN：指电动机在额定电压、额定频率和额定输出功率的情况下，电动机的转速(r／min)。(7)绝缘等级：指电动机绕组所用的绝缘材料的绝缘等级，它决定了电动机绕组的允许温升。电动机的允许温升与绝缘等级的关系见表8-1。表8-1电动机允许温升与绝缘耐热等级的关系(8)定额：按电动机在定额运行时的持续时间，定额分为“连续”、“短时”、“断续”三种。①“连续”表示电动机可以按铭牌规定的各项额定值不受时间的限制连续运行；②“短时”表示只能按照铭牌规定的工作时间短时间使用，标准的时间限值为10min、30min、60min或90min四种；③“断续”表示该电动机可长期运行于一系列完全相同的周期，此周期包括一个额定负载时间和一个停止时间，额定负载时间与整个周期之比称为负载持续率(或称为暂载率)，标准的负载持续率为15％、25％、40％或60％，每个周期为10min。8.3三相异步电动机的工作原理8.3.1旋转磁场的产生从三相异步电动机的结构中我们可以得知，三相异步电动机的定子绕组是一个对称的三相绕组，如果将定子绕组接到三相交流电源上，则发电厂输出的三相对称交流电压在定子绕组中就会产生对称的三相交流电流，该电流在定子绕组中产生的磁场就是一种旋转磁场。三相异步电动机的三相对称绕组是指每相绕组的匝数、连接规律等相同且在空间布置上各相轴线互隔120°空间电角度的绕组。为了简化分析，可以用轴线互隔120°电角度的三个线圈来代表，线圈的首端分别为U1、V1、W1，尾端分别为U2、V2、W2，并且规定，绕组轴线的正方向符合右手螺旋定则，即四指从每相的首端进，尾端出(不论电流方向如何)，大拇指所指的方向代表绕组轴线(也称相轴)的正方向，如图8.7所示。图8.7两极旋转磁场的示意图1图8.7两极旋转磁场的示意图2图8.7两极旋转磁场的示意图3图8.7两极旋转磁场的示意图4三相电流在时间上互差120°，其波形变化如图8.8所示。解析式分别为

iU=Imsin(ωt+90°)

iV=

Imsin(ωt-30°)

iW=

Imsin(ωt-150°)图8.8三相电流的变化曲线对于旋转磁场的转速，当将三相定子绕组安排成两极时,每当ωt

变化120°,磁场就在空间转过120°；当ωt

变化360°，磁场就转回到起始位置。也就是说，在两极电动机中，电流时间上变化一个周期，磁场在空间也正好旋转一周(即360°)；电流每秒钟变化f

周，磁场在空间也旋转f

周。我国交流电的频率f

为每秒变化50周，故两极异步电动机的定子旋转磁场的转速n1为

n1=f=50r/s

或n1=60f=3000r/min如果将三相定子绕组安排成四极，如图8.9所示。取ωt=0°、ωt=120°、ωt=240°、ωt=360°这几个时刻，电流变化时，电动机磁场也发生变化。当ωt经过120°时，磁场只在空间按逆时针方向转过60°，电流变化一个周期(即ωt

经过360°)，磁场只在空间旋转了半周，即四极电极旋转磁场的转速为或图8.9四极旋转磁场的示意图(a)ωt=0°;(b)ωt=120°;(c)ωt=240°;(d)ωt=360°图8.9四极旋转磁场的示意图(a)ωt=0°;(b)ωt=120°;(c)ωt=240°;(d)ωt=360°用上述的作图方法，同样可以求得它们的转速。六极时，n1=60f/3=1500r/min；八极时，n1=60f/4=750r/min；当电动机为2p个磁极时，旋转磁场的转速为

(8-1)式中，p为磁极对数。8.3.2三相异步电动机的工作原理弄清了如何产生一种旋转磁场的道理之后，我们就来说明三相异步电动机的工作原理。当三相异步电动机接到三相电源上时，定子绕组就能够产生一个旋转磁场，该磁场相对切割转子绕组，在转子绕组中产生感应电动势。旋转磁场的转速n1与转子的转速n的差称为转差或转差速度，用Δn表示，即Δn＝n1-n。转差与n1之比称为转差率(slip)，我们用s表示，则(8-2)综上所述，三相异步电动机能旋转的前提是空间有一个旋转磁通势或旋转磁场，而旋转磁场的产生是由定子三相对称绕组通以三相对称电流而建立的。通过作图可知，旋转磁场有四个特点：(1)其幅值恒定不变，其顶点轨迹为一圆，故有圆形磁场之称。(2)旋转方向与电流相序一致。(3)某相电流达最大值时，磁场正好转到该相绕组轴线处。(4)同步转速n1与电流频率成正比，即n1＝60f／p。例8.1一台三相异步电动机，定子绕组接到50Hz的三相对称电源上，已知电动机正常运行时转速

n＝960r／min，求该电动机极对数p及转差率s各为多少?8.4三相异步电动机的启动8.4.1三相异步电动机的直接启动直接启动就是用刀闸开关或接触器把电动机的定子绕组直接接到额定电压的电网上。这种启动方式的优点是操作简单，缺点是启动电流太大。为了利用直接启动的优点，现代设计的鼠笼式三相异步电动机都是按直接启动时的电磁力和发热来考虑它的机械强度和热稳定性的，因此，从鼠笼式电动机本身来说都是允许直接启动的。这样，对直接启动方法应用的限制便主要来自电网的容量。一般来说，7.5kW以下的三相异步电动机可以允许直接启动；如果功率大于7.5kW，则看其是否能符合以下经验公式，即电源总量kVA电动机功率kVA)（8-3）其中，Ist为直接启动时的启动电流。

例8.2

一台22kW的三相异步电动机，启动电流与额定电流之比Ist／IN=7，电源变压器容量为560kVA，问电动机是否允许直接启动。

解

按照式（8-3）计算，得8.4.2三相异步电动机的降压启动如果由于电源容量的限制，而不能采用直接启动时，就需要采用降压启动来减小启动电流。不过，由于TM∝U21，降压启动的同时会使电动机的启动转矩也减小，因此降压启动只适用于对启动转矩要求不高的场合。通常降压启动有以下几种方法：·电阻降压或电抗降压启动；·自耦变压器降压启动；·星—三角（Y-△）连接降压启动。1.电阻降压或电抗降压启动在定子电路中串接电阻，如图8.10(a)所示，或在定子电路中串接电抗，如图8.10(b)所示。图8.10电阻、电抗降压启动图8.11自耦补偿器2．自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动的原理如图8.11所示，图中QJ为自耦变压器。常用的启动自耦变压器又称为启动补偿器。设自耦变压器的电压变化比为kA＝U1／U2，经自耦变压器降压后，加在电动机端的相电压为U1／kA。此时电动机的启动电流Ist2便与电压成比例地减小，为全压启动时的启动电流Ist的1／kA，即由于电动机接在自耦变压器的二次侧，因此从变压器原理可知，二次电流与一次电流之比为kA，即故电动机从电网吸取的电流为3．星—三角(Y-△)连接降压启动

星—三角(Y-△)连接降压启动方法只适用于定子绕组在正常工作时是三角形连接的三相异步电动机。这种启动的原理线路如图8.12所示。图8.12Y-△连接启动的原理线路设电动机每相短路阻抗为zK，用三角形（△）连接直接启动时，每相绕组中的启动电流为U1／zK，线电流为（8-4）（8-5）比较式（8-4）和式（8-5）可得（8-6）表8-2列出了各种降压启动方法的特征及优缺点。从表上的综合对比可以看出，不论采用哪种降压启动的方法，启动转矩都按电压的平方减小。表8-2各种降压启动方法的特征8.5三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速，是一个极其复杂而又很重要的课题，它涉及到很多理论方面的知识，要想用几个课时来掌握它，是不太现实的。在此，我们仅对三相异步电动机的调速作一简单介绍,让大家对三相电动机的调速有一个大致的了解。所谓调速，就是人为地改变电动机的转速，以满足生产机械的需要。异步电动机的转速表达式为(8-7)从式(8-7)不难看出，异步电动机调速的方法可以分成三类：(1)通过改变定子绕组的磁极对数p从而改变定子旋转磁场的转速n1，即所谓的变极调速；(2)通过改变电源频率f1以改变n1，即所谓的变频调速；(3)改变电动机的转差率s，即所谓的改变转差率调速。8.5.1变极调速变极调速就是利用定子单绕组中的半相电流方向改变而极对数成倍变化的原理来实现的。变极调速方法的优点是设备简单，运行可靠，既可获得恒转矩调速，又可获得恒功率调速，所以这种调速能适应不同的生产机械的需要。变极调速的缺点是调速的挡数少，在机床上应用必须与齿轮箱配合，才能得到更多挡的速度。从转速的表达式(8-7)中我们可以得出，当极数p增加1倍时，转速n就能降低一半，即变极可以调速。因为当改变定子绕组的极对数时，其转子绕组的极对数能自动地与定子极对数相对应。鼠笼式异步电动机正好符合这一特点，而绕线转子则必须拆开电动机将转子绕组改接才行，这在生产现场上是不宜采用的。所以变极调速方法一般应用于鼠笼式异步电动机。图8.13定子绕组改接以改变定子极对数(a)2p=4;(b)2p=2;(c)2p=2当一相绕组中的一半反接时，反接的线圈中电流的方向改变，绕组磁场就从四极变成两极，如图8.13所示。这种由一套绕组通过改变连接方法而得到两种或两种以上转速的电动机称为单绕组多速电动机。变极调速有星形改成双星形（Y-YY）连接的恒转矩变极调速和三角形改成双星形（△-YY）连接的恒功率变极调速两种调速方式。图8.14(a)为三相绕组由星形改接成双星形（Y-YY）方法的示意图；图8.14(b)为三相绕组由三角形改接成双星形（△-YY）方法的示意图。现在我们就看看它们在变极调速前后输出转矩及功率的变化关系是怎样的。图8.14常用的两种三相绕组的改接方法1.星形改成双星形（Y-YY）连接的变极调速当绕组连接成星形（Y）时是四极，而连接成双星形（YY）时是两极，如图8.14(a)所示。设电源线电压U1不变，通过每个线圈中的电流IN不变(即保持导体的电流密度不变)，则电动机的输出功率P2变化为星形（Y）连接时(8-8)其中，η为效率；cosφ为功率因数。双星形（YY）连接时(8-9)假定变极前后的η和cosφ保持不变，比较式(8-8)和式(8-9)得即由星形（Y）连接四极变成双星形（YY）连接两极后，功率增大了1倍；但由于转速也增大1倍，由可得出电动机的转矩基本上保持不变，所以这种调速属于恒转矩调速。这种调速方法较适于带动起重机、运输带等恒转矩的负载。式中，T2为电动机输出的机械转矩，Ω为转子的机械角速度，P2为输出电动机轴上输出的功率。2．三角形改成双星形（△-YY）连接的变极调速当绕组连接成三角形（△）时是四极，改接成双星形（YY）时是两极，如图8.14(b)所示。变极前后的输出功率分别为三角形（△）连接时

P2(△)=3U1INη(△)cosφ(△)(8-10)

双星形（YY）连接时

(8-11)同样假定变极前后的效率和功率因数保持不变，比较式(8-10)和式(8-11)，得8.5.2变频调速所谓变频调速，就是改变供电电源的频率以使旋转磁场的转速跟着发生改变，电动机的转速也随之变化。变频调速有两种调速方式，即恒转矩调速和恒功率调速。变频调速方法的机械特性可以用图8.15来描述。图8.15变频调速时的机械特性1.恒转矩调速变频调速时是以电源频率fN=50Hz为基本频率的。在基本频率50Hz以下变频调速时，由于U1≈E1＝4.44f1N1kN1Φ1，因此如果降低频率而保持电压不变，则随f1的下降将会使磁通Φ1增大，电动机磁路就会越来越饱和，励磁电流也会大大增加，电动机将无法正常运行，故在降低频率的同时，必须降低电源电压，保持=常数2.恒功率调速从基本频率50Hz往上变频调速时，如果也按比例升高电压，则电压会超过电动机的额定电压，这是不允许的，因此只好保持电压不变，频率越往上调，磁通Φ1就越小，是一种弱磁调速的方法，属于恒功率的调速方法。8.5.3改