第五章三相异步电动机

第五章异步电动机

学习目标掌握异步电动机转动的原理,了解异步电动机的电磁转矩及机械特性;掌握异步电动机的启动、制动、调速及反转的方法;了解异步电动机的结构、铭牌及技术数据,了解异步电动机选择的基本内容;了解单相异步电动机的工作原理及启动方法。

电动机是将电能转换成机械能的装置。广泛应用于现代各种机械中作为驱动。由电动机驱动的优点：减轻繁重的体力劳动；提高生产率；可实现自动控制和远距离操纵。电动机的分类：电动机直流电动机交流电动机他励电动机并励电动机串励电动机复励电动机同步电动机异步电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机两相电动机交流电动机异步电动机三相电动机电动机工业生产中广泛应用着交流电动机，特别是三相异步电动机。它具有结构简单、易于控制、效率高和功率大等许多优点。本章讨论的问题：(1)三相异步电动机的结构；(2)三相异步电动机的工作原理；(3)三相异步电动机的转速与转差率；(4)转矩和机械特性及其与转差率的关系；(5)电动机的起动、反转、调速及制动的基本原理和方法；第一节三相异步电动机的结构及工作原理一、三相异步电动机的结构

三相异步电动机按照转子的不同分为:笼型和绕线型两种。笼型异步电动机的组成1、三相异步电动机定子的结构三相异步电动机的定子包括：机座、定子铁心和定子绕组。机座一般由铸钢制成，如图所示。定子铁心由0.5mm厚，内圆冲有槽孔的环形硅钢片叠成，装于机座中。异步电动机的机座和定子铁心

定子三相对称绕组的每一相都有两个出线头，它们的始末端分别标以U1、U2，V1、V2，W1、W2，如下图所示。这些出线头分别和机座外侧的接线盒内端子板上的同标记的六个端子相连接。2、三相异步电动机转子的结构

三相异步电动机的转子包括：转轴、转子铁心和转子绕组。

转子铁心由0.5mm厚、外圆冲有槽孔的硅钢片叠成，压装在转轴上。转子铁心外圆均匀分布着轴向线槽，转子绕组就装在这些槽中。

三相异步电动机可根据转子绕组的形式分为：笼型电动机、绕线型电动机。绕线型异步电动机转子电路接线图绕线型异步电动机的转子结构图二、三相异步电动机工作原理为了说明三相异步电机的转动原理，我们先做一个演示实验如图所示。SN图旋转磁场带动鼠笼转子旋转磁极间放一个由铜条构成的鼠笼式转子，当我们摇动磁极时转子跟着转动。异步电机转子转动原理与图相似可用下图所示加以说明NS-+FFnNS图转子转动原理图中，转子由两根铜条表示，当磁极旋转时，磁力线切割铜条，感应出电动势，应用右手定则可确定电动势的方向。在电动势的作用下，闭合的铜条中就有电流，感生电流与旋转磁场相互作用，而使转子铜条受到电磁力F，电磁力产生电磁转矩，电磁力的方向由左手定则确定，转子的方向将与磁极旋转方向一致。

一）、旋转磁场1.旋转磁场是如何产生的把两极电动机定子的三相对称绕组用下图所示的三个单匝线圈表示。每个线圈嵌在定子铁心槽中的两个圈边，空间位置相隔180°。三个始端（或末端）所连圈边在空间位置上互差120

°。三个线圈的始末端分别标记为U1、U2、V1、V2、W1、W2电流相序为：VWU设三相绕组接成星形，电流参考方向从始端U1、V1、W1进去，从末端U2、V2、W2流出。n0=60fr/min

(转每分)三相电流周期性地连续变化，产生的合成磁场的磁极将按顺时针方向连续旋转，形成一个具有一对磁极（磁极对数p=1）的旋转磁场。2.旋转磁场的转速按一分钟相当于60f个周期计算，两极旋转磁场的转速n0为：n0=60f／2(r/min)若定子三相对称绕组包含六组线圈，如图所示。当绕组按星形联结并从电源流入三相电流时，将产生四极旋转磁场。分析可得：按一定规律改变定子绕组的分布和连接,可得到极对数不同的旋转磁场，它的转速同极对数p的关系为：

n0=60f／p(r/min)表明3.旋转磁场的转向旋转磁场的转向取决于定子绕组中电流的相序：从电流相序在前的绕组，转向电流相序在后的绕组。二）、转子转动原理T——电磁转矩n——转子的转速n0——旋转磁场的转速，异步电动机的同步转速。n总是低于n0，n和n0始终相异，故称为异步电动机。转子的转动方向与旋转磁场的转动方向相同。转差率或滑差率：起动瞬间，n=0，一般电动机正常运行中的s约在0.02~0.08之间

第二节三相异步电动机的电磁转矩与机械特性

电磁转矩T是三相异步电动机最重要的物理量之一，机械特性是电动机的主要特性。对电动机进行分析往往离不开这两方面内容。一、转矩公式异步电动机的转矩是由旋转磁场每磁极的磁通与转子电流I2相互作用产生的。它应与电磁功率成正比，因而与转子的功率因数有关。于是及且则转矩公式可表示为转矩T也与s有关。由上式可见，转矩还与定子的相电压U1的平方成正比。所以，电源电压的变动对转矩的影响很大。转矩特性T=T(s)曲线如图所示，当s很小时，T与s成正比；当s很大时，T与s成反比(以双曲线为渐近线)，并且有最大转矩Tmax存在。TssmTmax00nn01二、机械特性曲线在电源电压U1和转子电阻R2一定的情况下，转矩与转差率的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线。转矩与转差率的关系曲线T=f(s)如右侧上图所示，转速与转矩的关系曲线

n=f(T)如右侧下图所示。TssmTmax00nn01TbTmax0nn0TNTstnNa实际上，下图是通过上图右旋90°得到的。研究机械特性是分析为了分析电动机的运行性能。在机械特性曲线上，要讨论三个转矩。1.额定转矩TNTbTmax0nn0TNTstnNa在电动机匀速转动时，其转矩T必须与阻力转矩TC平衡，而阻力转矩包括负载转矩T2和空载损耗转矩T0。一般T0很小，常可忽略，所以P2是电动机的输出功率(单位W)，T的单位是(N•m)。n

的单位是(r/min)。若功率单位用千瓦，则额定转矩是电动机在额定负载时的转矩。可从电动机铭牌上额定功率和额定转速等数据求得。如某台电动机，P2N=7.5kW，额定转速nN=1440r/min，则额定转矩为正常情况下，电动机都工作在特性曲线的ab段，当负载转矩增加时，电动机转速要降低，但对应的电磁转矩却要增加，因为ab段比较平坦，所以电动机的转速变化不大。这种特征称为硬的机械特性。TbTmax0nn0TstaTNnN2.最大转矩Tmax在机械特性曲线的最大值，称为最大转矩或临界转矩。Tb0nn0TstaTNnNTmax此时对应的转差率为sm(可由dT/ds=0求得)，即令可得进而可得可见，TmaxU12,且与转子电阻R2无关，而R2越大sm也越大。当负载转矩超过最大转矩时，电动机转速急剧下降，电动机将停止转动——产生闷车现象。电动机一旦闷车，电流立即上升6~7倍，电动机严重过热！以至烧坏。从另一方面考虑，若在很短时间内过载，在电动机尚未过热就恢复达到正常状态，未损坏电动机是允许的。因此，最大转矩也表示电动机具有短时间的过载能力。定义最大转矩与额定转矩的比值为过载系数λ，即一般电动机的过载系数为1.8~2.2。3.起动转矩Tst电动机刚起动(n=0)时的转矩称为起动转矩可见，起动转矩与U12及R2有关，当电源电压降低时起动转矩会减小；当适当增加转子绕组的电阻会使起动转矩有所增加。可有上式证明当R2=X20时，Tst=Tmax，及sm=1。T0nU1U1U1<

U1U1对转矩的影响T0nTmaxR2R2R2

<

R2R2对转矩的影响第三节异步电动机的起动、

反转和调速一、笼型异步电动机的起动

一般情况下，一二十千瓦以下的小型异步电动机，在其容量小于动力供电变压器容量的20%时，可允许直接起动。否则，就要在起动时采取降压措施，减小起动电流。Q2

先置于中间位置，接通电源开关Q1

，再把Q2合向“起动”位置，等电动机转速升高后，把Q2切换到“运转”位置进入正常运行。操作顺序是：相电压降低为线电流和起动转矩降低为1.星形﹣三角形换接起动同接成三角形进行直接起动相比：起动补偿器由三相自耦变压器和切换开关组成。2.用起动补偿器起动笼型电动机用起动补偿起动的接线原理图先合上Q1

，在合上Q3的同时把Q2合向“起动”位置。等电动机转速升高后切断Q3

,同时将Q2合向“运转”位置，使自耦变压器同供电线路脱离，电动机进入正常运行。操作顺序是：起动时起动前将Q2

、Q3断开。将电动机与电源相连的三根导线中的任意两根对调就可以使旋转磁场反转，从而使转子反转。二、笼型三相异步电动机的反转三、笼型异步电动机的调速异步电动机的转速笼型异步电动机的调速方法：调速根据所带工作机械的需要，通过改变电动机的外部电源条件或内部绕组连接以得到不同的人工机械特性，从而改变电动机和工作机械的转速。1.改变磁极对数调速2.变频调速

改变笼型异步电动机定子绕组的接线方式可以改变旋转磁场的极对数，因为极对数是成倍的变化，所只能是有级调速。1.改变磁极对数调速下图为极数比为2:4双速电动机的U相绕组改变接线方式的情况。2.变频调速

实现无级变频调速需要有频率连续可调的变频设备，如图所示。整流器——

将50Hz交流电整流成直流电。逆变器——将直流电变成频率（f）和电压（U1）可调的三相交流电，向电动机供电。此外还有

将50Hz交流电直接变成频率（f）可调但低于工频的三相交流电的交－交型变频器，如图（c）所示。由上式可知，在逆变器供电频率（f）从电动机额定频率fN向下改变时，必须相应降低供电电压有效值U1

，以保持电动机磁通量Φ基本不变。否则电动机铁心过于饱和，励磁电流和铁损耗大增，而这是不允许的。

如图所示，通过控制电路保持常数，从而保持Φ不变条件下，f下降后，n0下降，但最大转矩Tm

不变。

对应不同负载转矩的转速下降值相同，即变频后的人工机械特性和自然机械特性平行的。因此低速下仍可输出额定转矩TN

，实现恒转矩调速，调速范围可达10:1以上。

变频器供电频率f也可从fN向上改变，但供电电压U1只能保持在U1N，不允许随着升高。因此，f上升时，Φ和Tm

要降低，额定电流I1N

下的T将小于TN，但输出机械功率因输入电功率允许达到P1N也可以达到P2=PN，实现恒功率调速。四、三相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，电动机还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，并为了安全起见，往往要求电动机能够迅速停车和反转。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。异步电动机的制动常用下列几种方法：1.能耗制动M3~R+-Φn0=0Fn2.反接制动FΦn0nM3~3.发电反馈制动Φn0nn＞n0F一、铭牌第四节三相异步电动机的铭牌和技术数据国家标准规定，电机产品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。按顺序包括产品名称代号、规格代号等。1.型号为了适应不同用途和不同工作环境的需要，电动机制成不同的系列，每种系列用各种型号表示。型号说明：Y132M-4三相异步电动机磁极数机座中心高机座长度代号（S-短机座；M-中机座；L-长机座）产品名称新代号新代号的汉字意义老代号异步电动机Y异J、JS、JO绕线型异步电动机YR异绕JR、JRO隔爆型异步电动机YB异爆JB、JBS起重冶金用异步电动机YZ异重JZ起重冶金用绕线型异步电动机YZR异重绕JZR高起动转矩异步电动机YQ异起JQ、JGQ

异步电动机产品名称代号2.额定电压U1N电动机在额定运行时的定子绕组线电压，它同定子绕组“接法”有对应关系。

Y系列电动机，UIN均为380V，容量在3.0kW以下的接成星形，4.0kW以上的接成三角形。3.额定电流I1N电动机在额定电压下满载运行时的定子绕组线电流。4.额定功率PN电动机在额定电压下，电流达到额定值时，轴上输出的机械功率。5.额定频率fN电动机额定运行时的频率，应同电源频率一致。我国工频为50Hz

。6.额定转速nN电动机额定运行时的转速。7.绝缘等级铭牌上所标的绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时所允许的极限温度来分级的。8.工作制又称为定额。按规定分为：连续、短时、断续等。电动机型号额定功率/kW额定电压/V

满载时速度电流效率功率/(r/min)(A)(﹪)因数起动电流额定电流起动转矩额定转矩最大转矩额定转矩重量/kgY250M-4553801480102.592.6%0.887.02.02.2450异步电动机技术数据举例二、技术数据“满载时的效率”指电动机的额定输出机械功率PN对定子额定输入电功率P1N的比值,用ηN表示。是“满载时的(定子电路)功率因数”“额定转矩”是电动机在额定运行时轴上的输出转矩。轴上机械功率P等于转矩T和角速度ω的乘积，故：

“额定转矩为”：式中PN以kW为单位。Y160L-41530.3146088.5％0.852.27.02.2Y180L-42242.5147091.5％0.862.07.02.2Y132M-47.515.4144087％0.852.27.02.2Y112M-448.8144084.5％0.822.27.02.2Y100L1-42.25.0142081％0.822.27.02.2Y90S-41.12.7140078％0.782.26.52.2Y801-40.551.5139073％0.762.26.52.2（二）四级：同步转速1500r/min（全部型号）Y160M2-2

1529.4293088.2％0.880.27.02.2

Y112M-248.2289085.5％0.872.27.02.2（一）二级：同步转速3000r/min（部分型号）型号额定满载时起动转矩起动电流最大转矩功率电流转速效率功率因数额定转矩额定电流额定转矩

/kW/A/(r/min)

Y系列三相异步电动机（部分型号）技术数据型号额定满载时起动转矩起动电流最大转矩功率电流转速效率功率因数额定转矩额定电流额定转矩/kW/A/(r/min

)Y225S-43769.8148091.8％0.871.97.02.2Y250M-455102.5148092.6％0.882.07.02.2Y280M-490164.3148093.6％0.891.97.02.2（三）六级：同步转速1000r/min（部分型号）Y160M-67.517.097086％0.782.06.52.0Y225M-63059.598090.2％0.851.76.52.0（四）八级：同步转速750r/min（部分型号）Y225M-82247.673090％0.781.86.02.0Y315M2-890180.3