第四章 交流电动机原理

第四章

交流电动机及电气控制

（交流电动机工作原理）

概述

三相异步电动机 异步电机单相交流电机异步发电机 同步发电机同步电机同步电动机同步调相机同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。现代电力工业几乎都是采用同步发电机。异步电机主要用作电动机，可分为三相异步电动机和单相异步电动机两类。三相异步电动机广泛应用于工、农业生产、交通运输业、国防工业中，有90％左右的电动机采用三相异步电动机。在电网总负荷中，异步电动机占60％左右。

单相异步电动机常用于使用单相交流电源的家用电器和医疗仪器中。

三相异步电动机的特点优点：结构简单、运行可靠、坚固耐用、维护方便、价格便宜、效率较高

。缺点：1.调速、起动性能较差。随着晶闸管元器件及交流调速系统的发展，调速性能已大大改善。2.功率因数低。运行时从电网中吸收感性无功功率，以建立旋转磁场，使电网功率因素下降；受电网电压波动影响较大。继电-接触器式控制是应用最早的控制系统，它是由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等组成的控制电路。用来实现对电力拖动系统的起动、制动、反转和调速的控制；实现对电力拖动系统的保护和生产过程的自动化。尽管电力拖动系统已向无触点、连续控制、弱电化、微机控制方向发展，但由于继电-接触器控制系统具有结构简单、维护方便、价格低廉等优点，能够满足各种生产机械的不同的工艺过程，目前仍然广泛应用。

第一节三相异步电动机的基本工作

原理和结构

一、旋转磁场的产生三相异步电动机的定子绕组是一个三相对称绕组，若通以三相对称交流电流，将产生旋转磁场。以两极三相异步电动机为例，如图4-1所示。三相对称绕组是指每相绕组的匝数、连接规律等相同，在空间布置上各相轴线相差120°空间电角度的绕组，线圈的首端分别为U1、V1、W1，尾端分别为U2、V2、W2。图4-1两极旋转磁场示意图

三相对称电流在时间上相差120°，其表达式为

规定：电流为正时，电流从线圈的首端(U1、V1、W1)流入，从线圈的尾端（U2、V2、W2）流出；电流为负值时则方向相反，从线圈的首端流出，而从线圈的尾端流入。用符号“”表示电流流入，“”表示电流流出。*根据右手螺旋定则来判断三相绕组中电流产生的合成磁场的方向。三相基波合成磁场的特点：第一，三相基波合成磁场在空间是正弦分布，其轴线在空间是旋转的——旋转磁场。其幅值恒定不变，是圆形旋转磁场。第二，当某相电流达到最大值时，合成磁场的轴线也正好转到该相的相轴上。因此，在三相绕组空间排序不变的条件下，旋转磁场的转向由电流的相序决定。******若要改变旋转磁场的转向，只需将三相电源进线中的任意两相对调即可。

第三，旋转磁场的转速n1（同步转速）两极电机的旋转磁场转速为n1=60ƒ(r／min)p=1四极电机的旋转磁场转速为(r／min)p=2因为，电角度=p×机械角度p—磁极对数

所以，三相异步电动机的旋转磁场转速的一般表达式为(r／min)(4-1)图4-2四极旋转磁场示意图

定子绕组通入三相交流电流旋转磁场切割转子绕组转子绕组产生感应电势转子中产生感应电流转子电流与磁场作用产生电磁转矩运转二、三相异步电动机的基本工作原理

图4-3三相异步电动机旋转原理显然，三相异步电动机的转子转速最终不会加速到等于旋转磁场的转速。如果同步，转子绕组与旋转磁场之间没有相对运动，就不会感应电动势并产生电流，也不会产生电磁转矩使转子继续转动。所以转子的转速n总要略低于旋转磁场的转速n1，这就是异步电动机的“异步”由来。

转差(n1-n)是异步电动机运行的必要条件，将转差(n1-n)与同步转速n1的比值称为转差率，用符号s表示，即(4-2)

转差率是异步电动机的一个基本参数，它对电机的运行有着很大的影响。

n=n1(1-s)异步电机工作在电动状态时，其转速与同步速同方向，但略低于同步速，所以电动状态的转差率s的范围是：0～1。其中s=0，是理想空载状态；s=1，是起动瞬间。对普通的三相异步电动机，为了使额定运行时的效率较高，额定转差率sN一般为0.02～0.06。因此当标准工业频率（即电流频率）为50Hz时，对应不同极对数的同步速分别为：p=1，n1=3000r／min；p=2，n1=1500r／min；p=3，n1=1000r／min；p=4，n1=750r／min；

p=5，n1=600r／min

……。三、三相异步电动机的基本结构

机壳定子绕组转子绕组1.定子定子铁心2.转子转子铁心接线盒转轴端盖轴承

三相异步电动机的分类：若按转子绕组结构分类有：笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两类。笼型转子结构简单、制造、维护方便、成本低、运行可靠；绕线转子可通过外串电阻来改善起动性能并进行调速。若按机壳的防护形式分类有：防护式、封闭式和开启式。还可按电动机容量的大小、冷却方式等分类。

图4-4封闭式三相笼型异步电动机的结构图

1．定子主要由定子铁心、定子绕组和机座等构成。

(1)定子铁心

定子铁心是电动机主磁路的一部分，并放置定子绕组。为了提高导磁性能和减少交变磁场在铁心中的铁心损耗，故采用片间绝缘的0.5mm厚的硅钢片迭压而成。定子铁心及冲片的示意图如图4-5a、b所示。为了放置定子绕组，在铁心内圆开有槽，槽的形状有：半闭口槽、半开口槽和开口槽等。图4-5定子铁心及冲片的示意图a)定子铁心b)定子冲片图4-6定子铁心槽形和绕组分布示意图a)半闭口槽b)半开口槽c)开口槽

(2)定子绕组

定子绕组是电动机的定子电路部分，它将通过电流建立磁场，并感应电动势以实现机电能量转换。三相定子绕组的每相由许多线圈按一定的规律嵌放在铁心槽内，单层：如图4-6a所示；双层：如图4-6b、c所示。三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别为U1、V1、W1，尾端分别为U2、V2、W2。为了接线方便，这六个出线端在接线板上的排列如图4-7所示，根据需要可联成星形或三角形。图4-7定子绕组的联结a)星形联接b)三角形联接(3)机座

机座是电动机机械结构的组成部分，主要作用是固定和支撑定子铁心还要固定端盖。在中小型电动机中，端盖兼有轴承座的作用，则机座还要支撑电动机的转子部分，故机座要有足够的机械强度和刚度。中小型电动机一般采用铸铁机座，而大容量的异步电动机采用钢板焊接机座。2．转子由转轴、转子铁心和转子绕组等所构成。

(1)转子铁心

转子铁心也是电动机主磁路的一部分，并放置转子绕组。也用0.5mm厚的冲有转子槽形的硅钢片叠压而成。

(2)转轴

转轴是支撑转子铁心和输出转矩的部件，必须具有足够的刚度和强度。转轴一般用中碳钢车削加工而成，轴端铣有键槽，用来固定带轮或联轴器。(3)转子绕组

作用是感应电动势、流过电流并产生电磁转矩。按其结构形式可分为笼型转子和绕线转子。①笼型转子:在转子铁心的每个槽内插入一根导体，在铁心的两端分别用两个导电端环把所有的导条联结起来，形成一个自行闭合的短路绕组。如图4-8所示，称为笼型转子。对于中小型三相异步电动机，笼型转子绕组一般采用铸铝，将导条、端环和风叶一次性浇铸，如图4-8b所示。大型三相异步电动机则采用铜条笼型转子，如图4-8a所示。图4-8笼型转子绕组结构示意图a)铜条笼型绕组b)铸铝笼型绕组1-风叶2-端环3-铝导条

②绕线转子：绕线转子绕组与定子绕组一样，是对称三相绕组。联结成Y后，其三根引出线分别接到轴上的三个集电环，再经电刷引出而与外部电路接通，如图4-9a所示。可以在转子回路中串入外接的附加电阻或其它控制装置，以改善三相异步电动机的起动性能及调速性能。绕线转子异步电动机还装有提刷短路装置，如图4-9b所示。当电动机起动完毕而又不需调速时，可操作手柄将电刷提起切除全部电阻同时使三只集电环短路起来，其目的是减少电动机在运行中电刷磨损和摩擦损耗。图4-9绕线转子异步电动机示意图a)接线图b)提刷装置1-定子2-转子3-电刷4-集电环

3．气隙三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，比同容量直流电动机的气隙要小得多，一般仅为0.2～1.5mm。气隙的大小对三相异步电动机的性能影响很大。气隙大，则磁阻大，由电网提供的励磁电流(滞后的无功电流)大，使电动机运行时的功率因数降低。但是气隙过小时，将使装配困难，运行不可靠；高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使起动性能变差。四、三相异步电动机的铭牌

表4-l三相异步电动机的铭牌三相异步电动机型号Y112M-2编号××××4KW8.2A380V2890r/minLW79Db(A)接法△防护等级IP4450Hz××㎏ZBK2007-88工作制S1B级绝缘××年××月××电机厂

1．型号

Y

112M-2——规格代号，表示中心高112mm，中机座，两极————产品代号，表示异步电动机

YR

160S2-4

WF—特殊环境代号，W表示户外用，F表示化工防腐用————规格代号，表示中心高160mm，短机座2号(长)铁心，四极——————产品代号，Y表示异步电动机，R表示绕线转子

2．额定值额定值规定了电动机正常运行状态和条件，是选用、安装和维修电动机时的依据。异步电动机的铭牌上标注的主要额定值有：(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，加在定子绕组出线端的线电压(V)。(3)额定电流IN指电动机在额定电压额定频率下，轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流(A)。对三相异步电动机的额定功率与其它额定数据之间有如下关系式(4-3)式中cosN—额定功率因数；N—额定效率。(4)额定频率ƒN表示电动机所接的交流电源的频率，我国电网的频率(即工频)规定为50Hz。(5)额定转速nN指电动机在额定电压、额定频率下，轴上输出额定功率时的转子转速(r／min)。(6)绝缘等级指电动机内部所用绝缘材料允许的最高温升等级，它决定了电动机的允许温升。(7)接法用Y或Δ表示。表示在额定运行时，定子绕组应采用的连接方法。(8)工作制指电动机按定额运行时的持续时间。分为三种工作制：长期工作制S1、短时工作制S2、断续工作制S3。五、三相异步电动机的主要系列简介新系列电机符合国际电工协会(IEC)标准，具有国际通用性，技术、经济指标更高。我国生产的异步电动机主要产品系列有:Y系列：是一般用途的小型笼型全封闭自冷式三相异步电动机，取代了原先的JO2系列。额定电压为380V，额定频率为50Hz，功率范围为0.55～315kW，同步转速为600～3000r／min，外壳防护型式有IP44和IP23两种。

该系列主要用于金属切削机床、通用机械、矿山机械和农业机械等。也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。

YR系列：为三相绕线转子异步电动机。用在电源容量小，不能用同容量笼型异步电动机起动的生产机械上。第二节三相异步电动机的等效电路

三相异步电动机的定子和转子之间只有磁的耦合，没有电的直接联系，它是靠电磁感应作用，将能量从定子传递到转子的。这一点和变压器完全相似。三相异步电动机的定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组则相当于变压器的二次绕组。因此，可以用分析变压器的基本方法来分析异步电动机内部的电磁关系。图4-10异步电动机的定子和转子电路

三相异步电动机的实际电路如图4-10所示。与变压器的区别在于：三相异步电动机的定子电路的频率ƒ1和转子电路的频率ƒ2不相等。一、定子电路的分析

三相异步电动机定子绕组接在对称的三相电源上，转子轴上不带机械负载时的运行，称为空载运行。此时的定子电流称为空载电流，用表示。

1．主、漏磁通的分布

当三相异步电动机定子绕组通入三相对称交流电时，将产生旋转磁通势，该磁通势产生的磁通绝大部分穿过气隙，并同时交链定子、转子绕组，这部分磁通称为主磁通，用Ф1表示。其路径为：定子铁心气隙转子铁心气隙定子铁心，构成闭合磁路，如图4-11所示。

图4-11主磁通与漏磁通

由于主磁通同时交链定、转子绕组而在其中分别产生感应电动势和，起到转换能量的媒介作用。除主磁通外的磁通称作漏磁通，用Ф1σ表示。漏磁通只交链于定子绕组，而不交链于转子绕组。由于漏磁通沿磁阻很大的空气形成闭合回路，因此它比主磁通小很多。它仅在定子绕组上产生漏电动势，因此不能起能量转换的媒介作用，只起电抗压降的作用。

2．主、漏磁通感应的电动势

主磁通在定子绕组中感应的电动势为(4-4)式中N1———定子每相串联匝数。kW1——定子绕组的基波绕组因素,它反映了交流绕组采用短距和分布绕组后对基波电动势大小的影响。定子漏磁通在定子绕组中感应的漏电势可用漏抗压降的形式表示，即(4-5)式中x1称为定子每相漏电抗，x1=2ƒ1L1,它是对应于定子漏磁通的电抗。3．定子电压平衡方程式根据基尔霍夫第二定律，得每相的定子电压平衡方程式。(4-6)式中，Z1为定子绕组的漏阻抗，Z1＝r1+jx1。(4-7)式中，rm+jxm=Zm为励磁阻抗，其中rm为励磁电阻，是反映铁心损耗的等效电阻；xm为励磁电抗，反映主磁通的效应。由于r1、x1较小，其电压降与电动势比较，可忽略，于是或U1≈E1

二、转子电路的分析

1．转子电动势的频率感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度，故转子电动势的频率为

ƒ2=sƒ1(4-8)式中，ƒ1为电网频率，转子电势的频率ƒ2与转差率s成正比。当转子不转(如起动瞬间)时，n=0，s=l，则ƒ2=ƒ1，即转子静止时转子感应电势频率与定子感应电势频率相等；当转子接近同步速(如空载运行)时，n≈n1，s≈0，则ƒ2≈0。异步电动机在额定情况运行时，转差率很小，通常在0.02～0.06之间；若电网频率为50Hz，则转子感应电动势频率仅在1～3Hz之间，很低。2.转子绕组的感应电动势转子旋转时的转子绕组感应电动势为

E2s=4.44ƒ2N2kW2Ф1(4-9)若转子不转，其感应电动势频率ƒ2=ƒ1，故此时感应电动势E2为

E2=4.44ƒ1N2kW2Ф1(4-10)得

E2s=sE2(4-11)上式表明：转子绕组感应电动势也与转差率s成正比。当转子不转时，s=1，主磁通切割转子的相对速度最快，此时转子电动势最大。当转子转速增加时，转差率将随之减小。因正常运行时，s很小，故转子电动势也就很小。3．转子绕组的漏阻抗由于电抗与频率成正比，故转子旋转时的转子绕组漏电抗x2s为

x2s=2ƒ2

L2=2ƒ1sL2=sx2(4-12)式中，x2为转子不转时的漏电抗，

L2为转子绕组的每相漏电感。上式表明：转子旋转时的转子绕组漏电抗也正比于s。同样，在转子不转(如起动瞬间)时，s=l，转子绕组漏电抗最大。当转子转动时，它随转子转速的升高而减小。4．转子绕组的电流

由于转子绕组感应电动势和转子绕组漏电抗都随s的变化而变化，故转子绕组电流I2s也与转差率s有关，即(4-13)上式说明:转子电流随s的增大而增大。当电动机起动瞬间，s=1为最大，转子电流也为最大；当转子旋转时，s减小，转子电流也随之减小。5．转子绕组功率因数(4-14)

上式说明:转子回路功率因数也与转差率s有关。当s=0时，cos2=1；当s增加时，cos2则减小。图4-12转子各电磁量与转差率s的关系

三、三相异步电动机的等效电路

因定、转子电路的频率不同，必须进行两次折算：一是频率折算；二是绕组折算。

1．频率折算

将频率为ƒ2的旋转转子电路折算为与定子频率ƒ1相同的等效静止转子电路，称为频率折算。因为转子静止不动时，s=l，ƒ2=ƒ1。所以，只要利用一个静止的等效转子电路来代替实际上旋转的转子电路；或者说，将实际上转动的转子电路折算为静止不动的等效转子电路，便可达到频率折算的目的。将下式实际运行的转子电流(4-15)分子和分母同除以转差率s，则得静止的转子电流(4-16)以上两式的电流的数值是相等的，转子功率因数角2=arctanx2s／r2=arctan(sx2／r2)的大小也相等，由于频率折算前后，转子电流的数值未变、相位未变，所以F2的大小、相位未变；同时F2的转速是同步速，与转子转速无关。

将等效转子电路中的等效电阻r2/s分解为两项，即：r2和r2(1-s)/s。第一项的r2为转子绕组的实际电阻；第二项的r2(1-s)/s称为模拟电阻，它与转差率s有关，故又称为等效负载电阻。等效负载电阻r2(1-s)/s上消耗的电功率为，实际上就相当于电动机轴上产生的总机械功率PMEC。2．绕组折算

(1)电流的折算由保持转子磁通势F2′=F2不变的原则，可得折算后的转子电流为(4-17)式中ki=——电流比。(2)电动势的折算根据折算前后传递到转子侧的视在功率不变原则，可得折算后的转子电动势为

E2′=ke

E2(4-18)式中ke=——电压比。(3)阻抗的折算由折算前后转子铜耗不变的原则，可得

r’2=kike

r2同理，由折算前后转子电路的无功功率不变，可得

x’2=kikex2(4-19)综上分析可知，转子电路向定子电路进行绕组折算的规律是：（1）转子电动势、电压乘以电压比ke；（2）转子电流除以电流变比ki；（3）转子电阻、电抗乘以电压比与电流比之积（阻抗比）kike。

3．T型等效电路

图4-13异步电动机折算后的等效电路

从这个等效电路中，得到异步电动机的基本方程式为:

(4-20)由等效电路分析可知：(1)当转子电路堵转时，n=0，s=1，则附加电阻r2′(1-s)/s=0，总机械功率PMEC=0，此时异步电动机处于短路运行状态，定、转子电流均很大。(2)当转子转速趋于同步转速时，nn1，s0，则r2′(1-s)/s，等效电路近似开路，转子电流很小，相当于异步电动机空载运行。4．简化的等效电路图4-14异步电动机的简化等效电路

为了减少误差，需引入一个修正系数C1，经推导，修正系数，对40KW及以上容量的异步电动机，可取C1=1。简化为：（4-21）第三节三相异步电动机的功率

和电磁转矩一、功率平衡和转矩平衡1．功率平衡图4-15异步电动机的功率平衡关系图

由电网供给电动机的功率称为输入功率，

P1=3U1I1cos1

(4-22)式中U1、I1——定子绕组中的相电压、相电流。定子电流流过定子绕组时，电流I1在定子绕组电阻r1上的功率损耗称为定子铜损耗，(4-23)旋转磁场在定子铁心中还将产生铁心损耗(因转子频率很低，1～3Hz，故转子铁心损耗很小，可忽略不计)，其值可看作励磁电流Io在励磁电阻上所消耗的功率(4-24)

由气隙磁场通过电磁感应关系由定子传递到转子侧的电磁功率Pem，即

Pem=P1–(pCu1+pFe

)

(4-25)由等效电路可得(4-26)

转子电流流过转子绕组时，在转子电阻r2上的功率损耗称为转子铜损耗，

(4-27)传递到转子的电磁功率扣除转子铜损耗为总机械功率PMEC，即PMEC=Pem-pCu2(4-28)由等效电路可知，它就是转子电流消耗在附加电阻r’2(1-s)/s上的电功率，即(4-29)电动机运行时，还会产生轴承及风阻等摩擦所引起的机械损耗pmec，另外还有由于定、转子开槽和谐波磁场引起的附加损耗ps。总机械功率PMEC扣去机械损耗pmec和附加损耗ps，是电动机转轴上输出的机械功率，即

P2=PMEC-pmec-ps(4-30)可见异步电动机运行时，从电源输入电功率P1到转轴上输出功率P2的总公式为

P2=P1-pCu1-pFe-pCu2-pmec-ps=P1-∑p

(4-31)式中∑p为电动机的总损耗。

=P2/P1图4-16异步电动机的功率流程图可得分析异步电动机特性的两个重要公式：

pCu2=sPem(4-32)

PMEC=(1-s)Pem（4-33）它说明了转差率s越大，电磁功率消耗在转子铜耗中的比重就越大，电动机的效率就越低，异步电动机一般运行在s=0.02～0.06的范围内，其中绝大部分功率(1-s)Pem转变为总机械功率。同时也说明，只要已知异步电动机的转子铜耗和转速，就可求出电磁功率Pem和总机械功率PMEC。

2．转矩平衡方程式

当电动机稳定运行时，作用在电动机转子上的有三个转矩：(1)使电动机旋转的电磁转矩Tem;(2)由机械损耗和附加损耗所引起的空载制动转矩T0;(3)由电动机所拖动的负载的反作用转矩T2。显然Tem=T2+T0（4-34）其中：电磁转矩Tem=PMEC/Ω（4-35）负载转矩T2=P2/Ω（4-36）空载转矩T0=（pmec+ps）/Ω=p0/Ω（4-37）得*Tem=PMEC/Ω=(1-s)Pem/Ω=Pem/Ω1(4-38)式中Ω1=2n1/60rad/s——旋转磁场的角速度，即同步角速度。注意：这一点是和直流电动机有所区别的。二、电磁转矩

电磁转矩是分析异步电动机运行特性的一个重要参数，它有三种不同的表达式：物理表达式、参数表达式及实用表达式。1．电磁转矩的物理表达式

(4-39)

式中CT为转矩常数。上式说明：感应电动机的电磁转矩在磁通一定时，并不是与转子电流I’2成正比，而是与转子电流的有功分量I’2cos2成正比，这是感应电动机电磁转矩一个很重要的性质。2．电磁转矩参数表达式

实际计算和分析感应电动机的各种运行状态时，需要知道电磁转矩与电动机参数之间的关系——参数表达式。根据感应电动机的简化等效电路，可得转子电流（4-40）可得

（4-41）单位为N·m。上式表明了电磁转矩Tem与转差率s之间的关系，也称为Tem-s曲线方程。

第四节三相异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性是指在额定电压和频率运行时，电动机的转速n、输出转矩T2、定子电流Il、功率因数cos1、效率与输出功率P2之间的关系曲线。

一、转速特性n=ƒ(P2)当电源电压和频率一定时，电动机转速n与输出功率P2之间的关系曲线n=ƒ(P2)称为转速特性曲线。由pCu2=sPem可得