课题四三相异步电动机

课题四

三相异步电动机学习情境1

了解三相异步电动机的结构和工作原理

一、三相异步电动机的结构

由于异步电动机具有结构简单、制造方便、价格便宜和工作运行可靠等优点，被工农业各部门广泛应用。但异步电动机启动特性和调速特性较差，尤其在调速方面，异步电动机不如直流电动机。

另外，异步电动机和变压器一样是从电网取得滞后的励磁电流，它的功率因数也相对较低。随着功率因数补偿技术和交流变频调速技术日益完善，使异步电动机的不足能够得到较大的改善。

三相异步电动机具有如下结构，如图4-1所示，其主要部件为定子和转子。

（一）定子

三相异步电动机的固定不动部分称为定子。定子由机座、装在机座内的圆筒形铁芯以及嵌在铁芯内的三相定子绕组组成。1.机座机座是电动机的外壳，起支撑作用，用铸铁或铸钢制成。中小型电机机座一般采用铸铁铸造,端盖多用铸铁铸成，用螺栓固定在机座两端。图4-1

三相异步电动机结构示意图

2.定子铁芯

定子铁芯是电动机主磁路的一部分，因此要有良好的导磁性。为了减少涡流和磁滞损耗，通常用由0.35～0.5mm厚且两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。在定子铁芯内圆上冲有均匀分布的槽，槽口用以嵌放定子绕组，如图4-2所示是电动机铁芯部分。图4-2

未装绕组的定子硅钢片

3.定子绕组

定子绕组是电动机的定子电路部分，将通过三相交流电流建立旋转磁场。小型异步电动机的定子绕组一般采用高强度圆铜线绕成线圈，它可经槽口分散地嵌入线格内。

每个线圈有两个有效边，分别放在两个槽内，线圈之间按一定规律连接成一个在空间依次相差120°电角度的三相对称的定子绕组，称为三相定子绕组。三相异步电动机定子绕组的三个首端A，B，C和三个末端X，Y，Z，都从机座上的接线盒中引出。

图4-3（a）为定子绕组的星形接法；图4-3（b）为定子绕组的三角形接法。三相绕组具体应该采用何种接法，应视电力网的线电压和各相绕组的工作电压而定。

目前我国生产的三相异步电动机，功率在4kW以下者一般采用星形接法；在4kW以上者采用三角形接法。当三相绕组通入对称的三相电流时，便可在定子铁芯内膛空间产生旋转的磁场。

图4-3

三相定子绕组的接法（a）星形接法；（b）三角形接法

（二）转子

转子主要用来产生旋转力矩，拖动生产机械旋转。转子由转轴、转子铁芯、转子绕组构成。

1.转轴

转轴用来固定转子铁芯和传递功率，一般用中碳钢制成。

2.转子铁芯

转子铁芯属于磁路的一部分，用0.5mm的硅钢片叠压而成，如图4-4所示。转子铁芯固定在转轴上，其外圆均匀分布的槽是用来放置转子绕组的。图4-4

转子铁芯示意图

3.转子绕组

转子绕组按结构不同分为鼠笼式和绕线式两种，鼠笼式绕组是由嵌放在转子铁芯槽内的导电条(铜条或铸铝)和两端的导电端环组成。若去掉铁芯，转子绕组外形就像一个鼠笼，故称鼠笼式转子，如图4-5（a）所示。

目前中小型鼠笼式电动机一般采用铸铝绕组，这种转子是将熔化的铝液直接浇铸在转子槽内，并将两端的短路环和风扇浇铸在一起，如图4-5（b）所示。图4-5

鼠笼式转子(a)铜的鼠笼式转子;（b）铸铝的鼠笼式转子

绕线式电动机的转子绕组和定子绕组一样，是采用绝缘导体绕制而成，在转子铁芯槽内嵌放对称的三相绕组，三相转子均连接成星形，在转轴上装有三个滑环，滑环与滑环之间、滑环与转轴之间都互相绝缘，三相绕组分别接到三个滑环上，靠滑环与电刷的滑动接触，再与外电路的三相可变电阻器相接，以便改善电动机的启动和调速性能，如图4-6所示。图4-6

绕线式转子及其他电路（a）绕线式转子;（b）转子电路1，3—滑环；2—转子绕组；4—电刷；5—三相可变电阻二、三相异步电动机的工作原理

（一）旋转磁场的产生

三相异步电动机是利用定子绕组中三相电流所产生的旋转磁场与转子导体内的感应电流相互作用产生电磁力的原理而工作的。要想了解三相异步电动机的转动原理，必须首先讨论旋转磁场的产生及其性质。

1.三相定子绕组的连接

设定子铁芯有六个槽，三相定子绕组对称分布在这六个槽内。即三相绕组的首端A，B，C和末端X，Y，Z在空间彼此相隔120°，三相绕组可以接成星形也可接成三角形，假设三相绕组接成星形，如图4-7所示。

2.三相对称电流

若把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源上，定子绕组中便有对称三相电流流过，即图4-7

三相定子绕组模型和接线示意图图4-8

三相电流的波形

其波形如图4-8所示。由于交流电流在定子绕组中流动的方向经常变化，为了确定某一瞬时电流在绕组中的流向，以便确定产生的磁场方向，我们规定当电流为正时，从首端流进去，从末端流出来；当电流为负时，则从末端流进去，从首端流出来，凡电流流进去的那一端标以“

”，电流流出来的那一端标以“⊙”。

3.旋转磁场

电流流过线圈则产生磁场，三相交流电流过三相异步电动机的定子绕组会产生什么样的磁场呢？

（1）ωt=0°时：电流iA=0，A相绕组无电流通过；iB是负值，电流的实际方向与参考方向相反，从Y端进、从B端出；iC是正值，电流的实际方向与参考方向相同，即从C端进、从Z端出。

根据右手螺旋定则，可判断出该时刻三相电流所形成的合成磁场如图4-9（a）所示，磁力线穿过空气隙和转子铁芯，而后经定子铁芯闭合。此时的磁场相当于一对上边是N极下边是S极的磁极所产生的磁场。

（2）ωt=120°时：iA是正值，其实际方向与参考方向相同，即A端进，X端出；iB=0，B相绕组无电流通过；iC是负的，其实际方向与参考方向相反，即Z端进、C端出。这时，三相电流所形成的合成磁场如图4-9（b）所示。

与图4-9（a）相比，合成磁场在空间已转过120°，相当于磁极N经120°旋转到达B相绕组的首端位置，而S极转到了相对应的Y位置。

（3）ωt=240°，ωt=360°时：同理可知，这时三相电流所形成的合成磁场在空间已转过240°，360°，如图4-9（c）（d）所示。图4-9

一对磁极的旋转磁场（a）ωt=0°；（b）ωt=120°；（c）ωt=240°；（d）ωt=360°

4.磁场的旋转方向与旋转速度

（1）旋转磁场的转向。当通以上述三相交流电时，经过以上分析，我们会发现磁场的旋转方向为顺时针方向。如果改变三相交流电的相序，将与三相电源连接的三根导线中的任意两根的一端对调。

（2）旋转磁场的转速。通过以上分析，可发现三相交流电产生了两磁极磁场（或称一对极磁磁场），当电流经过一个周期时，磁场也转过一周，也就是说磁场的旋转速度与电流的转速相同。设电流的频率为f，则磁场的转速为

n0=60fr/min

5.两对磁极的旋转磁场

按上述条件所产生的旋转磁场只有两个磁极，即一对磁极（磁极对数P=1）。实际上常用多对磁极的异步电动机，如定子有12个槽，将每相绕组用两个线圈串联，绕组的始端之间相差60°空间角，并把相差180°的两个绕组首尾相串，组成一相绕组，则产生的旋转磁场具有两对磁极，如图4-10所示，即磁极对数P=2。

取ωt=0°，ωt=120°，ωt=240°，ωt=360°这几个时刻，电流变化时，电动机磁场也发生旋转。

当ωt经过120°时，磁场只在空间按顺时针方向转过60°，电流变化一周（即ωt经过360°），磁场只在空间旋转了半周，即两对磁极旋转磁场的转速为

它只是一对磁极旋转磁场转速的一半。只要适当安排三相绕组，则可产生三对磁极（即P=3的旋转磁场），四对或P对磁极的旋转磁场。图4-10

两对磁极的磁场

6.总结

（1）在对称的三相定子绕组中通入三相交流电，其合成磁场为旋转磁场。

（2）磁场旋转方向与电流相序有关。电流相序为A—B—C时磁场顺时针方向旋转；电流相序为A—C—B时磁场逆时针方向旋转。

（3）对于一对磁极（P=1）的电动机，交流电变化一周，旋转磁场恰好在空间转过360°（即一转），若交流电每秒钟变化f周期，则旋转磁场每秒钟转f转，每分钟转60f转，即旋转磁场转速

n0=60fr/min

对于两对磁极（P=2）的电动机，交流电变化一周，通过同样分析方法可得旋转磁场在空间转过180°，交流电变化两周，旋转磁场在空间才转过360°，也就是说旋转磁场的转速将减少一半，即

由此推断，对于P对磁极电动机，旋转磁场的转速

（4-1）

式中，n0是旋转磁场转速（r/min），f是电源频率（Hz），P是磁极对数。上式说明，旋转磁场的转速与交流电的频率成正比，与磁极对数成反比。

（二）三相异步电动机的转动原理

异步电动机的转子电流是由电磁感应而产生的，因此这种电动机又称为“感应电动机”。

1.磁场旋转

当定子绕组通以三相对称电流后，产生的合成磁场是两极旋转磁场，并以n0速度按顺时针方向旋转。

2.转子绕组产生感生电流

静止的转子导体因相对运动而切割磁感线并产生感应电动势。当旋转磁场是顺时针旋转时，相当于转子导体以逆时针切割磁感线，在转子导体中产生感应电动势，用右手定则确定转子上半部导体中感应电动势方向是从里向外，用“⊙”表示；

转子下半部导体中感应电动势方向是从外向里，用“”表示。因为转子是一个闭合回路，在感应电动势的作用下，转子内有同电动势的方向一致的电流。

3.产生电磁转矩转子转动

转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩，电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。在电磁力矩的作用下，电动机顺着旋转磁场方向转起来。

电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n0，因为，如果两者相等，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，所以转子导体就不切割磁力线，转子电动势、转子电流以及电磁力矩也就都不存在。

这样，转子就不可能继续以n的转速转动。因此，转子转速与磁场转速之间必须要有差别，这就是异步电动机名称的由来，如图4-11所示。图4-11

异步电动机工作原理

异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即

（4-2）学习情境2

熟悉三相异步电动机的运行

一、三相异步电动机的启动

（一）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额定电压上的启动方式，又叫“全压启动”。直接启动是中小型鼠笼式异步电动机首选的常用启动方法。

（二）降压启动

在不允许直接启动的场合，为限制启动电流，启动时用降低电压的方法来减小启动电流，当启动过程结束后，再加上全电压运行，这种启动方法称为降压启动。

显然，由于异步电动机的电磁转矩与电源电压的平方成正比，降压启动必然使启动转矩显著降低。因此，这种启动方法只能用于电动机空载或轻载下启动，常用的降压启动方法有两种。

1.Y-△换接启动

如图4-12所示的Y-△换接启动是在启动时将定子绕组连接成星形，通电后电动机运转，当转速升高到接近额定转速时再换接成三角形，其优点是启动电流为全压启动时的1／3；缺点是启动转矩均为全压启动时的1／3。

常适用于正常运行时定子绕组是三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电动机的范围内。图4-12

Y-△换接启动

2.自耦降压启动

自耦降压启动，如图4-13所示，对正常运行时为Y形接线及要求启动容量较大的电动机，不能采用Y-△启动法的电动机，常采用自耦变压器启动方法，利用三相自耦变压器将电动机在启动过程中的端电压降低，以达到减小启动电流的目的。

自耦变压器备有40％，60％，80％等多种抽头，使用时要根据电动机启动转矩的要求具体选择。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，这种方法常用于启动容量较大的电动机，如图4-14所示。图4-13

自耦降压启动图4-14

绕线式异步电动机转子绕组串入附加电阻启动

3.绕线式异步电动机转子绕组串入附加电阻后启动

绕线式异步电动机转子绕组串入附加电阻后启动，既可以降低启动电流，又可以增大启动转矩。所以它常用于要求启动电流不大而启动转矩较大的生产机械上，如卷扬机、起重机等，启动过程结束后，将启动电阻逐段切除。二、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，电动机会继续转动一定时间后停止。为了缩短辅助工时，提高生产机械的生产率和安全起见，往往要求电动机能够迅速停止和反转，这就需要对电动机制动。对电动机制动，也就是要求它的转矩与转子的转动方向相反，这时的转矩称为制动转矩。

（一）能耗制动

电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直流电源。感应电流与直流电产生的固定磁场相互作用，产生的电磁转矩方向与电动机转子转动方向相反，起到制动作用，如图4-15所示。其特点是制动准确、平稳，但需要额外的直流电源。图4-15

能耗制动示意图

（二）反接制动

电动机停止时将三相电源中的任意两相对调，使电动机产生的旋转磁场改变方向，电磁转矩方向也随之改变，称为制动转矩，如图4-16所示。图4-16

反接制动示意图

（三）发电反馈制动

电动机转速超过旋转磁场的转速时，电磁转矩的方向与转子的运动方向相反，从而限制转子的转速，起到了制动作用，如图4-17所示。因为当转子转速大于旋转磁场的转速时，有电能从电动机的定子返回给电源，实际上这时电动机已经转入发电机运行，所以，这种制动称为发电反馈制动。图4-17

发电反馈制动示意图三、三相异步电动机的调速

三相异步电动机的转速为

由此式可知，s，f，P都能影响速度n的大小，只要改变其中的某一项的大小，就可改变转速的大小，也就是说异步电动机调整速度有三种方法调速。

（一）变极调速

通过改变电动机的定子绕组所形成的磁极对数P来调速。因为磁极对数只能是按1，2，3等的规律变化，所以用这种方法调速，电动机的转速不能连续、平滑地进行调节。

从异步电动机的结构中知道，三相异步电动机定子的磁极对数决定于定子绕组的布置和连接方法，改变磁极数目，可以在定子上装置两套独立绕组，每套绕组有各自的磁极对数，所以可制成具有双速、三速或四速等不同转速的多速电动机。

（二）变频调速

三相异步电动机的同步转速为

从上式可知，改变三相异步电动机电源频率f，就可以改变旋转磁场的同步转速，以达到调速的目的，如图4-18所示。变频调速时可以从基频向下调，也可以从基频向上调。变频调速属于无级调速，具有机械特性曲线较硬的特点。

变频调速是通过改变鼠笼式异步电动机定子绕组的供电频率f来改变同步转速n0而实现调速的。如能均匀地改变供电频率f，则电动机的同步转速n0及电动机的转速n均可以平滑地改变。

在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，其特点是调速范围大、稳定性好、运行效率高。目前已有多种系列的通用变频器问世，由于使用方便，可靠性高且经济效益显著，得到了广泛的应用。

目前主要采用如图4-18所示的通用变频调速装置。它主要由整流器和逆变器两大部分组成。整流器先将频率f为50Hz的三相交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率f1可调、电压有效值U1也可调的三相交流电，供给三相鼠笼式电动机。由此可使电动机达到无级调速，并具有较好的机械特性。图4-18

变频调速原理

（三）变转差率调速

通过改变转子绕组中串接调速电阻的大小来调整转差率实现平滑调速的，又称为“变阻调速”。调速电阻的接法与启动电阻相同，这种方法只适用于绕线式异步电动机，其优点是有一定的调速范围、调速平滑、方法简便；缺点是串接电阻要有大量的功率损耗，不经济；在空载或轻载时，调速范围很小，几乎不能调速。

因此，这种方法主要用在调速范围不大，不会在低速下长期运转的中、小型电动机中，如桥式起重机、卷扬机等。四、三相异步电动机的反转

因为三相异步电动机的转动方向是由旋转磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取决于定子绕组中通入三相电流的相序。

所以，要改变三相异步电动机的转动方向，只要将电动机三相供电电源中的任意两相对调，这时接到电动机定子绕组的电流相序被改变，旋转磁场的方向也被改变，电动机就实现了反转。学习情境3

掌握三相异步电动机的铭牌和选择

一、三相异步电动机的铭牌数据

制造厂按国标而规定的电动机在正常工作条件下的运行状态称为异步电动机的额定运行状态，表示电动机额定运行情况的各种数据如电压、电流、功率、转速等，称为电动机的额定值，额定值一般标记在电动机的铭牌或产品说明书中。

现以Y132M—4型电动机的铭牌为例进行说明，其铭牌如图4-19所示。

（1）型号。型号表示电动机的类型和规格的代号，国家标准规定，电机型号用汉语拼音大写字母及国际通用符号和阿拉伯数字组成。图4-19

三相异步电动机铭牌

（2）功率。电动机在铭牌规定条件下正常工作时转轴上输出的机械功率，称为额定功率或容量。

（3）电压。电压表示电动机在额定运行时定子绕组外加电源线电压，通常为380V。

（4）电流。电流表示电动机在额定电压下，输出额定功率时定子绕组上的额定线电流。

（5）频率。电动机所接交流电源的