实用电工学 李源生 第六章106

实用电工学李源生主编第六章

变压器与电动机

第六章变压器与电动机

在电力系统中，对电能的传输、分配和使用上，变压器都是关键的电气设备，同时变压器在通信、广播、电气测量、自控系统、电子设备等各种电子线路中都得到了极为广泛的应用。

电动机是将电能转换为机械能的电气设备。随着电力资源的不断开发利用，电动机更加广泛、普及，各行各业中生产机械的运动部件大多是由电动机来带动的，其重要意义及应用在此不再详述。

本章首先分析了变压器的基本结构、工作原理，然后主要介绍了三相异步电动机的基本结构、工作原理及其运行特性，对其起动、制动和调速控制进行了分析。同时介绍了直流电动机和步进电动机的基本结构和工作原理。第一节变压器

变压器是一种静止的、进行电能转换的电气设备。它是利用电磁感应的原理，将某一等级的交流电压和电流转变成同频率另一等级电压和电流的设备。其对电能的输送、分配和使用具有重要意义，在电气测量、电气控制中都具有广泛的应用。

本节对一般用途的变压器基本结构、工作原理、运行情况作一介绍，以便掌握变压器变电压、变电流、变阻抗的三大作用，了解变压器的额定值。第一节变压器普通双绕组变压器的结构型式有心式和壳式两种。图6-1a是心式单相变压器的结构示意图，其线圈环绕着铁心柱，是应用最多的一种结构型式。图6-1b是壳式单相变压器的结构示意图，其线圈被铁心包围，仅用于小功率的单相变压器和特殊用途的变压器。

铁心是变压器磁路的主体部分，是变压器线圈的支撑骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成，铁心柱上装线圈，而铁轭则是连接两个铁心柱的部分，同时使磁路闭合。为了减小铁心内交变磁通引起的磁滞和涡流损耗，铁心通常由表面涂有漆膜、厚度为0.35mm或0.5mm的硅钢片冲压成一定形状后叠装而成，完成变压器一、二次侧的电磁耦合任务。第一节变压器线圈是变压器电路的主体部分，担负着输入和输出电能的任务。我们把变压器与电源相接的一侧称为“一次侧”，相应线圈称为一次绕组，其匝数用N1表示，电磁量用下标数字“1”表示；而与负载相接的一侧称为“二次侧”，相应线圈称为二次绕组，其匝数用N2表示，电磁量用下标数字“2”表示。第一节变压器图6-1单相变压器结构示意图图6-2三相变压器结构示意图

a)心式b)壳式1-高压线圈2-低压线圈第一节变压器通常一、二侧绕组的匝数不相等，匝数多的电压较高，称为高压绕组；匝数少的电压较低，称为低压绕组。为了有利于处理线圈和铁心之间的绝缘，通常总是将低压绕组安放在靠近铁心的内层，而高压绕组则套在低压绕组外面，如图6-2所示。

变压器的最主要部分是铁心和线圈，两者装配在一起构成变压器的器身。器身不置于油箱中的称为干式变压器。如果器身置于油箱中，称为油浸式变压器，大中型变压器的器身都浸入盛满变压器油的封闭油箱中。变压器油既是冷却介质，又是绝缘介质，它使铁心和线圈不被潮湿侵蚀，并通过油的对流，对铁心与线圈进行散热。

变压器运行时，为了使输出电压控制在允许的变化范围，通过油箱顶上的分接开关改变一次线圈匝数，从而达到调节输出电压的目的。

各线圈对外线路的连接由绝缘套管引出。同时，为了使变压器安全、可靠地运行，还设有油箱、储油柜、安全气道、分接开关、气体继电器等附件。第一节变压器二、变压器的工作原理

1.变压器的空载运行

变压器的一次绕组施加额定电压，二次绕组开路(不接负载)的情况，称为空载运行。图6-3是普通双绕组单相变压器空载运行的示意图，为了分析方便，把一、二侧线圈分别画在两个铁心柱上。

当一次绕组接电源电压1，一次绕组中通过的电流称为空载电流，用符号表示。建立变压器铁心中的磁场，故又称为励磁电流。由于变压器铁心由硅钢片叠成，而且是闭合的，即气隙很小，因此建立工作磁通(主磁通)Φ所需的励磁电流并不大，其有效值约为一次绕组额定电流(长期连续工作允许通过的最大电流)的2.5％～10％。由物理学知识可知，主磁通在一次绕组中产生的感应电动势为

＝－j4.44N1fΦm

式中，f是电源频率；Φm是主磁通的最大值。第一节变压器图6-3变压器的空载运行第一节变压器第一节变压器第一节变压器图6-4变压器的负载运行第一节变压器第一节变压器第一节变压器

3.变压器的阻抗变换作用

在电子线路中，常利用变压器的阻抗变换功能来达到阻抗匹配的目的。

在图6-5a中，负载阻抗接在变压器二次侧，而图a中虚线框起的部分可以用一个等效的阻抗来代替，如图6-5b所示。所谓等效，就是在电源相同情况下，电源输入图a和图b电路的电压、电流和功率保持不变。

第一节变压器图6-5变压器的阻抗变换作用第一节变压器第一节变压器

第一节变压器

第一节变压器

第一节变压器

第一节变压器第一节变压器

第二节三相异步电动机

交流电机主要分为同步电机和异步电机两大类，同步电机主要用作发电机，而异步电机则主要用作电动机。大部分机械用异步电动机作为原动机。据统计，异步电动机的用电量约为总用电量的2/3，且具有运行可靠、结构简单、价格低廉等一系列优点，所以异步电动机的应用是极为广泛的。

一、三相异步电动机的结构

三相异步电动机的结构包括两大部分：固定不动的定子和可以旋转的转子。图6-6所示为三相异步电动机的外形结构图。定子和转子之间有很小的空气隙，气隙一般为0.2～1.5mm，气隙的大小对电动机性能影响很大。

第二节三相异步电动机图6-6三相异步电动机外形结构图1-定子绕组2-轴承盖3-轴4-轴承5-定子铁心6-定子外壳7-转子铁心8-转子导体9-端环10-冷却风扇11-机座第二节三相异步电动机1.定子：由机座（外壳）、定子铁心和定子绕组组成。机座起固定与支撑定子铁心的作用，一般用铸铁铸造而成；定子铁心一般由厚0.5mm的硅钢片叠压而成，铁心内圆有均匀分布的槽，用来嵌放定子绕组；定子绕组是一个三相对称绕组，由三相完全相同的绕组所组成，每个绕组为一相，三个绕组相差1200电角度。三相绕组的三个首端和三个末端都引出接于机座上的接线盒内，可根据需要接成星形或三角形。

2.转子：由转子铁心、转子绕组和转轴构成。转子铁心其作用与定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部，另一方面用来安放转子绕组。转子铁心也是用硅钢片叠压而成，套在转轴上；转子绕组分为绕线转子型与笼型两种。电动机根据转子绕组的不同，可分为绕线转子异步电动机与笼型异步电动机。

3.其他部分：包括端盖、风扇、轴承等。端盖除了起保护作用外，在端盖上还装有轴承，用来支撑转子轴。风扇则是用于通风散热。

二、三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机是利用分布在定子圆周上的三相绕组中通入三相交流电产生旋转磁场与转子绕组中的感应电流相互作用而转动的。第二节三相异步电动机图6-7定子绕组示意图a)绕组接线原理图b)定子三相绕组示意图第二节三相异步电动机1.旋转磁场的产生

如图6-7所示的三相异步电动机的定子铁心中放置有三相对称绕组U1U2、V1V2与W1W2，各相在定子内腔中的位置互差1200电角度(因为磁极对数p=1，所以在图中空间角度与电角度是等同的)，三相绕组如图连成星形，即各相的末端U2、V2、W2连在一起，各相的首端U1、V1、W1分别接在三相电源上。则三相对称电流可表示为

iU=Imsinωt

iV=Imsin(ωt-1200)

iW=Imsin（ωt-2400）

其波形如图6-8所示。第二节三相异步电动机图6-8三相对称电流第二节三相异步电动机设电流正值时是从绕组的首端流进，末端流出；电流负值时则反向流动。

三相绕组通入三相电流后，每个绕组均产生各自的交变磁场，在空间形成合成磁场。在这里对高次谐波产生的磁场，不作分析，仅取一次基波分析，则有如图6-9所示的四个瞬时合成磁场。

当ωt＝0时，iU＝00时，iV<O，即电流从末端V2流进，而从首端V1流出；iW>0，即电流从W1流进，由W2流出，如图6-9a所示。用右手螺旋定则确定三个线圈中电流产生的合成磁场方向。这是一对磁极的的磁场，其合成磁场N、S两极的位置如图所示，即按图所示的绕组分布方式，产生了极对数P=1的两极磁场。第二节三相异步电动机图6-9三相电流产生的旋转磁场（p=1）ωt=00瞬间的磁场b）ωt=1200瞬间的磁场c）ωt=2400瞬间的磁场d）ωt=3600瞬间的磁场第二节三相异步电动机第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机

4.转子转动原理

图6-10是两极三相异步电动机转动原理示意图。设磁场以同步转速逆时针方向旋转，转子与磁场之间有相对运动。即相当于磁场不动、转子导体以顺时针方向切割磁力线，于是在导体中产生感应电动势，其方向由右手定则确定，如图6-10所示。由于转子导体的两端由端环连通，形成闭合的转子电路，在转子电路中便产生了感应电流。载流的转子导体在磁场中受电磁力F的作用(电磁力的方向用左手定则确定)形成一电磁转矩T，在此转矩的作用下，转子便沿旋转磁场的方向转动起来，其转速用表示。第二节三相异步电动机图6-10转子转动原理图第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机第二节三相异步电动机

图6-11三相异步电动机的每相电路第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机

式（6-25）反映了三相异步电动机电磁转矩T与定子相电压、频率、电动机参数及转差率s之间的关系。

2.三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转速与电磁转矩之间的函数关系，即n=f(T)曲线，或者转矩与转差率的关系T＝f(s)，它们相互间的关系在坐标上形成的曲线即为机械特性曲线。式（6-25）实际上就是一个机械特性曲线的方程，进行描点绘制即可得到图6-12所示三相异步电动机的固有机械特性曲线。研究机械特性的目的是为了分析电动机的运行性能。第二节三相异步电动机图6-12三相异步电动机的固有机械特性曲线第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机

图6-13异步电动机降低电压时的人为机械特性第二节三相异步电动机由图可知，当电动机在某一负载下运行时，若降低定子电压，将使电动机转速降低。转差率增大，转子电流因此增大，从而引起定子电流的增大。若电动机电流超过额定值，则电动机最终温升将超过允许值，导致使用寿命减小，甚至使电动机烧毁。若降压过多，则可能导致最大转矩小于总的负载转矩，造成堵转事故。

2）转子电路中串接对称电阻时的人为机械特性

对于三相绕线转子异步电动机，其他条件都与固有特性时一样，在三相转子电路中分别串联上大小相等的电阻，此时电动机的同步转速不变，最大转矩不变，而临界转差率则随着串入电阻的增大而增大，故人为机械特性为一组通过同步点的曲线族，如图6-14所示。

第二节三相异步电动机图6-14转子回路串入电阻时的人为机械特性第二节三相异步电动机

第二节三相异步电动机第三节直流电动机

与交流电动机相比，直流电动机结构复杂、成本高、运行维护较困难。但直流电动机具有调速性能好、起动转矩大、过载能力强等优点，在起动和调速要求较高的场合，如大型机床、轧钢机、起重机及船舶、纺织等行业的机械中，仍得到广泛应用。下面简单介绍一下直流电动机的结构和工作原理。

一、直流电动机的基本结构

直流电动机由定子和转子两个基本部分组成，其结构示意图如图6-15所示。第三节直流电动机图6-15直流电机的剖面示意图1-电枢铁心2-主磁极3-励磁绕组4-电枢齿5-换向极绕组6-换向极铁心7-电枢槽8-底座9-电枢绕组10-极靴11-机座第三节直流电动机1.定子部分

定子是直流电动机的静止部分，其主要由主磁极、换向磁极、机座、电刷装置等组成。

（1）主磁极主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成，磁极铁心由1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。磁极极靴沿气隙表面成弧形，使极下气隙磁通密度分布更接近正弦波。当在励磁线圈中通入直流电流后，便产生主磁场。主磁极可以有一对、两对或更多对，它是用螺杆固定在机座上。

（2）换向磁极换向磁极也是由铁心和换向磁极绕组组成，位于两主磁极之间，是比较小的磁极。其作用是产生附加磁场，以改善电机的换向条件，使电刷与换向片之间的火花减小。换向磁极绕组总是与电枢绕组串联。换向极铁心通常都用厚钢板叠制而成，在小功率的直流电机中也有不装换向磁极的。

（3）电刷装置电刷将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电流引入或将直流感应电动势引出。它与换向器之间既要有紧密的接触，又要有良好的相对滑动。电刷装置由电刷及弹簧、刷握、刷杆座等组成，利用弹簧把电刷压在转子的换向器上。

（4）机座机座由铸钢或厚钢板制成，用来安装主磁极和换向磁极等部件和保护电动机，它既是电机的外壳，又是电机磁路的一部分。在机座的两边各有一个端盖，端盖的中心处装有轴承，用以支持转子的转轴。第三节直流电动机2.转子部分

直流电机的转子又称为电枢，其主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。

（1）电枢铁心电枢铁心通常用0.55mm厚且表面涂有绝缘的硅钢片叠压而成，其表面均匀开槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心也是直流电机主磁路的一部分。

（2）电枢绕组电枢绕组由许多相同的线圈组成，按一定规律嵌放在电枢铁心的槽内，并与换向器联接。其作用是产生感应电动势和电磁转矩。

（3）换向器换向器又称整流子，是直流电机的特有装置。它由许多梯形铜片组成，片间用云母或者其他垫片绝缘。外表呈圆柱形，装在转轴上。每一换向铜片按一定规律与电枢绕组的线圈连接。在换向器的表面压着电刷，使旋转的电枢绕组与静止的外电路相通，其作用是将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，进而产生恒定方向的电磁转矩。

3.气隙

气隙是电机磁路的重要部分。转子要旋转，定子与转子之间必须要有气隙，故称工作气隙。一般小型电机的气隙为0.7～5mm，大型电机为5～10mm。由于气隙磁阻远大于铁心磁阻，对电机性能有很大的影响，所以在拆装直流电动机时应予以重视。第三节直流电动机二、直流电动机的工作原理

图6-16为直流电动机的工作原理示意图，如图所示，电刷A、B两端外接直流电源U，电流从电源的正极经电刷A与换向片1流入电动机线圈，然后再经换向片2与电刷B流回电源的负极，线圈中电流的方向为a→b→c→d。根据电磁力定律（），线圈边ab与cd在磁场中分别受到电磁力的作用，其方向可用左手定则确定，如图6-16所示。第三节直流电动机图6-16直流电动机工作原理第三节直流电动机

此电磁力形成的电磁转矩，使电动机逆时针方向旋转。当电枢从图6-16所示的位置转过900时，这时线圈磁感应强度为0，因而电枢旋转的转矩消失，但由于机械惯性，电枢仍能继续旋转，使电刷A、B分别与换向片2、1接触，于是线圈中又有电流通过。此时电流从电源正极流出，经过电刷A、换向片2、线圈到换向片1，经电刷B流回电源负极，线圈中电流的方向为d→c→b→a。此时导体ab中的电流改变了方向，同时导体ab已由N极下转到S极下，用左手定则判断电磁力和电磁转矩的方向未变，电枢仍按逆时针方向旋转。这就是直流电动机的基本原理。

换向器可以使电刷A始终与经过N极面下的导体相连，电刷B始终与经过S极面下的导体相连。通过换向器和电刷的作用，把直流电动机电刷间的直流电流转变成线圈内的交变电流，以确保电动机沿恒定方向旋转。所以换向器是直流电机中改变电流方向的关键部件。

电动机拖动的生产设备常常需要作正转和反转的运动，例如电力机车的前行和倒退等，这就要求电动机能正转和反转。图6-16所示的直流电动机逆时针旋转需要获得一个逆时针方向的转矩，由电磁力定律（）和左手定则可知电磁力的方向取决于磁场极性和导体中电流的方向，所以直流电动机获得反转的方法有两个：一是改变磁场极性；二是改变电源电压的极性使流过导体的电流方向改变。应该注意：两者只能改变其一，否则直流电动机的转向不发生变化。

第三节直流电动机第四节步进电动机

步进电动机是一种特殊运行方式的控制电动机，它通过专用电源把电脉冲按一定顺序供给定子各相控制绕组，在气隙中产生类似于旋转磁场的脉冲磁场。每输入一个脉冲信号，电动机就移动一步。因此，步进电动机又称为脉冲电动机，在数字控制系统中作执行元件。

步进电动机种类很多，按相数可分为单相、两相、三相和多相等形式，按其运动方式分有旋转型和直线型，通常使用的旋转型步进电动机又可分为反应式、永磁式、感应式。下面以应用较多的三相反应式步进电动机为例，介绍其结构和工作原理。

一、步进电动机的结构

图6-17为三相反应式步进电动机的结构示意图。其定子、转子铁心均由硅钢片叠压而成。定子上均匀分布6个磁极，每两个相对的磁绕有同一相绕组，三相控制绕组U、V、W接成星形，绕组接线如图6-17所示。转子是四个均匀分布的齿，齿宽等于定子极靴的宽度，转子上没有绕组。第四节步进电动机图6-17三相反应式步进电动机结构示意图第四节步进电动机二、工作原理

1.单三拍控制三相反应式步进电动机工作原理

图6-18是单三拍控制方式的三相反应式步进电动机的工作原理图。单三拍控制中的“单”是指每次只有一相控制绕组通电。从一相通电切换到另一相通电称为一拍，“三拍”是指一个循环中共有三次切换。“三相”指定子为三相控制绕组。其工作原理为：

工作时，各相绕组按一定顺序先后通电，当U相绕组通电时，V和W相绕组都不通电，由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，所以转子齿1和3与定子极U、U’对齐(负载转矩为零时)，如图6-18a所示；当U相脉冲结束，接着V相接入脉冲时，由于相同原因，转子齿2和4的轴线与定子极V和V’轴线对齐，则转子将逆时针转过300机械角度，如图6-18b所示。当V相脉冲结束，随后W相绕组通入脉冲时，转子齿3和1的轴线与w和w’极轴线对齐，转子再逆时针转过300，如图6-18c所示。如此循环往复按U→V→W→U的顺序通电，气隙中产生脉冲式的旋转磁场，转子就会一步一步的按逆时针方向转动，每步转过300，该角度称为步距角，用表示。单三拍运行方式容易造成失步，且由于单一控制绕组吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差，较少使用。

电动机的转速决定于电源电脉冲的频率，频率越高，转速越快。电动机的转向则取决于定子绕组轮流通电的顺序。若电动机通电顺序改为U—W—V—U，则电动机为顺时针方向旋转。定子绕组的通电顺序及频率大小，一般由数字逻辑电路或计算机软件来控制。第四节步进电动机图6-18单三拍控制三相反应式步进电动机工作原理图a)U相通电b)V相通电c)W相通电第四节步进电动机第四节步进电动机

2.双三拍控制步进电动机工作原理

三相双三拍运行的通电按UV→VW→WU→UV进行，反向时按UW→WV→VU→UW顺序通电。每次有两相控制绕组同时通电，如图6-19所示。步距角不变，仍为＝300。

图6-19双三拍运行工作原理图a)U、V两相通电b)V、W两相通电第四节步进电动机

图6-20三相六拍运行工作原理图A)U相通电b)U、V两相通电c)V相通电

第四节步进电动机第四节步进电动机

第五节三相异步电动机的控制

本节主要分析三相异步电动机的起动、制动和调速控制。

一、电动机的起动控制

电动机从接通电源开始，转速由零上升到额定值的过程称为起动过程。在生产过程中，电动机要经常起动与停车，因此电动机起动性能将对生产与使用有直接的影响。

电动机在起动瞬间，转子电流相当大，从而使定子电流也增大。起动电流往往达到额定电流的4～7倍。若电动机不是频繁起动，则起动电流对电动机本身的热影响尚不大，但是大的起动电流对电网供电将造成冲击，使线路上产生很大的电压降，这会使在一同线路上的其他负载不能正常工作。为了避免起动电流的不良影响，对不同情况应采用不同的起动方法，以尽可能减小起动电流。

1.笼型异步电动机的起动方法

笼型异步电动机不能在转子回路中串接电阻，起动方法只有直接起动与减压起动两种。

第五节三相异步电动机的控制第五节三相异步电动机的控制

图6-21笼型异步电动机定子串电阻减压起动第五节三相异步电动机的控制

第五节三相异步电动机的控制

第五节三相异步电动机的控制第五节三相异步电动机的控制

图6-22三相绕线转子异步电动机转子串电阻起动a)电路图b)机械特性第五节三相异步电动机的控制2）为了加速起动过程，当转速上升到b点时，接触器KM1触点闭合，切除起动电阻Rst1，由于机械惯性，转速在切除电阻的瞬间不变，工作点从b点过渡到曲线3的最大转矩c点，并沿特性曲线3上升。

3）按上述过程，当电动机运行到d点时，KM2触点闭合，切除Rst2，从d点过渡到e点、……、f点、g点，直到切除全部电阻，电动机运行在固有机械特性曲线1上，经h点直到i点，T=TL，系统平衡，最后稳定运行在i点。此时应用提刷装置把电刷提起，将三个集电环短接。

在起动过程中电阻分三次切除，故称为三级起动。在整个起动过程中，起动转矩始终保持较大，最适合重载起动的设备，例如起重机、卷扬机、吊车等。缺点是需要的起动设备以及控制环节较多，同时起动电阻要消耗一部分能量。第五节三相异步电动机的控制

第五节三相异步电动机的控制图6-23三相绕线转子异步电动机转子串频敏变阻器起动第五节三相异步电动机的控制

第五节三相异步电动机的控制

第五节三相异步电动机的控制图6-24能耗制动的机械特性a)电路图b)机械特性能耗制动的机械特性曲线如图6-24b所示，电动机运行时工作在曲线1的a点，当定子绕组改接直流电源时，由于惯性，电动机转速不变，电磁转矩与转速反向，电动机工作在第二象限曲线2的b点，并从b点沿曲线2减速至坐标原点O。第五节三相异步电动机的控制对于绕线式转子三相异步电动机，转子回路还应串入制动电阻，限制转子电流。此时的机械特性如图6-24b中曲线3所示，电动机制动时从b’点减速至n＝0。

对于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。根据经验，一般取定子励磁电流为电动机额定电流的1～2倍，通过调节直流电路串入的变阻器获得。

第五节三相异步电动机的控制第五节三相异步电动机的控制

图6-25倒拉反接制动机械特性第五节三相异步电动机的控制

第五节三相异步电动机的控制图6-26两相反接制动的机械特性对于绕线转子异步电动机，定子两相反接制动时在转子电路中串入电阻，则工作点由a点移到人为机械特性d点，转速沿图中线3迅速下降。显然，这时可以获得比较大的制动转矩，所以改变制动电阻的数值可以调节制动转矩的大小。第五节三相异步电动机的控制

定子两相反接制动控制线路将在下章中介绍。

电源反接制动和倒拉反接制动迅速，效果好。但将电网的输入电能和负载输入的机械能全部消耗在转子回路的电阻上，能量损耗大。电源反接制动适用于经常正、反转的机械。倒拉反接制动适用于起重设备，它能获得任意低的速度来下放重物，安全性好。

第五节三相异步电动机的控制第五节三相异步电动机的控制

图6-27变极原理示意图a)顺向串联2=4b)反向串联2=2c)反接并联2=4通常利用改变定子绕组的接法来改变极数，这种电动机也称多速电动机。多速电动机均采用笼型转子，这是因为笼型转子的极数能自动地与定子极数相适应。第五节三相异步电动机的控制定子绕组通过改变接法达到变极的原理是：三相绕组中的一相绕组如图6-27所示，每相绕组都可以看成是由1和2两个半绕组所组成的。图6-27a表示两个半绕组头尾顺向串联，观察电流流向可知，可形成4极磁场。在图2-27b中，两个半相绕组头与头或尾与尾反向串联，则形成2极磁场。图2-27c中两个半相绕组头尾并联，也形成2极磁场。所以，只要将两个半相绕组中的任一个半相绕组电流反向，极数就可以成倍增加或减少。

单绕组双速异步电动机用得较多的接线方法有两种，一种是绕组从单星形(每相只有一条支路)改接成双星形(每相有两条支路)写作Y／YY，如图6-28所示。另一种是从三角形改接成双星形，写作△／YY，如图6-29所示。两图中三相电源变极前从1、2、3端输入，4、5、6端不用，变极后从4、5、6端输入，1、2、3端连接到一起。这两种接法都能使电动机极数减小一半，但不同的接线方式电动机输出是不同的。第五节三相异步电动机的控制图6-28Y／YY接法变极调速图6-29△／YY接法变极调速如变极前后电源电压不变，绕组每相额定电流为不变，变极前后电动机的效率、功率因数不变，接成星形时，相电流等于线电流，所以Y／YY变极前后的输出功率分别为所以由于Y联结时极对数是YY联结时的两倍，同步转速增加一倍，转速也近似增加一倍，而电磁转矩为第五节三相异步电动机的控制

由此可见，定子绕组从Y联结改为YY联结后，极对数减少一半，转速增加一倍，输出功率增大一倍，而输出转矩基本不变。Y/YY联结方法称为恒转矩调速，适用于拖动起重机、电梯等恒转矩负载的调速。

而对于△／YY联结，假设条件不变，则其变极前后的输出功率分别为

则

另外

以上公式说明改接前后，电动机的极对数减半，转速增加一倍，功率近似保持不变，而转矩近似减小一半，因此△／YY变极调速被称为恒功率调速，适用于车床等恒功率负载。

变极调速因为转速几乎是成倍变化，所以调速的平滑性差，但它在每个转速等级上都具有较硬的机械特性，稳定性好。多用于对调速要求不高且不需要平滑调速的场合。

第五节三相异步电动机的控制2.变频调速

变频调速是通过改变电源频率从而使电动机的同步转速发生变化以达到调速的目的。

由定子电压平衡方程式≈可知，若变频时电源电压保持额定值不变，则当下降时，主磁通增加，电动机磁路将进入饱和区域，从而导致空载电流和铁心损耗的急剧增大，电动机温升过高，这是不允许的。为此，变频时为保持主磁通不变，必须同时调节电源电压，使=常数，以期获得良好的调速性能。

变频调速的机械特性如图6-30所示。图中曲线1是电动机的固有机械特性，曲线2为降低频率即时的人为机械特性，曲线3为频率更低时的人为机械特性，其最大转矩变小。原因在于：由于保持=常数，当频率较低时，电源电压也很低，则此时定子电阻的压降已不能再忽略，而使、、、下降更严重，最大转矩变小。第五节三相异步电动机的控制图6-30变频调速机械特性曲线4是从基频向上调节频率，因不能按比例升高电压，只能保持不变，因此增大，减小，转速增大。所以在基频以上调速，最大转矩和起动转矩都变小。第五节三相异步电动机的控制变频调速具有调速范围广、速度可连续可调等优点，适用于高速传动、车辆传动、风机、水泵类负载和各种恒转矩传动，在恶劣环境中使用也有其优越性。

变频调速目前使用的是由普通晶闸管、GTR、GTO、IGBT等电力电子器件组成的变频器。近年来，随着电力电子技术、微电子技术、矢量控制技术以及无速度传感器技术的发展和应用，高性能、高效率的变频调速器已经得到了广泛的应用。

3.改变转差率s调速

改变转差率调速方法很多，定子调压调速、绕线转子异步电动机转子串电阻调速、转子串附加电动势调速(串级调速)等。变转差率调速的特点是电动机同步转速不变。这里仅介绍绕线转子异步电动机转子串电阻调速。第五节三相异步电动机的控制图6-31绕线转子串电阻调速机械特性第五节三相异步电动机的控制由图6-14可知，绕线转子异步电动机转子串电阻后同步转速不变，最大转矩不变，但临界转差率增大，机械特性运行段的斜率变大。图6-31为绕线转子异步电动机转子串电阻调速机械特性图，当电动机拖动恒转矩负载，且时，转子回路不串附加电阻时，电动机稳定运行在a点,转速为。当转子串入时，转子电流减小，电磁转矩T减小，电动机减速，转差率s增大，转子电动势、转子电流和电磁转矩均增大，直到b点，为止，电动机将稳定运行在b点，转速为，显然。当串入转子回路电阻为、时，电动机最后将分别稳定运行于c点与d点，获得和转速。所串附加电阻越