三相异步电动机的工作原理与结构

三相异步电动机的工作原理与结构异步电动机按电源相数分类可分为三相异步电动机与单相异步电动机。三相异步电动机使用三相交流电源，它具有结构简单、使用和维修方便、坚固耐用等优点，在工农业生产中应用极为广泛。一、三相异步电动机的工作原理在图1中，假设磁场的旋转是逆时针的，这相当于金属框相对于永久磁铁，以顺时针方向切割磁力线，金属框中感生电流的方向，如图中小圆圈里所标的方向。此时的金属框已成为通电导体，于是它乂会受到磁场作用的磁场力，力的方向可山左手定则判断，即图中小箭头所指示的方向。金属框的两边受到两个反方向的力f,它们相对转轴产生电磁转矩（磁力矩），使图1闭合金属框中受力示意图金属框发生转动，转动方向与磁场旋转方向一致，但永久磁铁旋转的速度nl要比金属框旋转的速度n大。从上述实验中可以看到，在旋转的磁场里， 闭合导体会因发生电磁感应而成为通电导体，进而乂受到电磁转矩作用而顺着磁场旋转的方向转动；实际的电动机中不可能用手去摇动永久磁铁产生旋转的磁场，而是通过其他方式产生旋转磁场，如在交流电动机的定子绕组（按一定排列规律排列的绕组）通入对称的交流电，便产生旋转磁场；这个磁场虽然看不到，但是人们可以感受到它所产生的效果，与有形体旋转磁场的效果一样。通过这个实验，可以清楚地看到，交流电动机的工作原理主要是产生旋转磁场。UiX120°U2为了更好的说明三相异步电动机的工作原理，用图2进一步进行说明，从中可以很清楚地看到三相交流电产生旋转磁场的现像。图中所示的3个绕组在空间上相互间隔机械角度120。（实际的电动机中一般都是相差电角度120°）,3个绕组的尾端（标有U2、V2、W2）连接在一起（3个绕组的这种连接称为星形（Y）接法。常用接法还有三角形（△）接法，就是将3个绕组首尾相连，在3个接点上分别引出3根引线的接法。将对称的三相交流电iU=Imsint、iV=Imsin（t-120°）.iW=Imsin（t-240°）从3个绕组的首端（标有Ul、VI.W1）通入,放在绕组中心处 的小磁针便迅速转动起来，由此可知旋转磁场的存在。定子

图2三相交流电动机三相交流电是怎样产生旋转磁场的呢？用图3进行分析。当3个绕组跟三相电源接iiuivQAvXL2Ka)t0通后，绕组中便通过三相对称的交流电流iU、iV、iW,其波形如图3图所示。现在选择儿个特殊的运行时刻，看看三相电流所产生的合成磁场是怎样的。这里规定：电流取正值时，是山绕组始端流进（符号），山尾端流岀（符号O）;电流取负值时，绕组中电流方向与此相反。(a) (b) (c)(d)图3三相交流电产生旋转磁场示意图t二tl=O,U相电流iU二0,V相电流取为负值,即电流由V2端流进,由VI端流出；W相电流iW为正，即电流从W1端流进，从腔端流出。在图3的定子绕组图中，根据电生磁右手螺旋定则，可以判定出此时电流产生的合成磁场如图3(a)所示，此时好像有一个有形体的永久磁铁的'极放在导体U1的位置上，S极放在导体U2的位置上。t二t2二2时，电流已变化了1/3周期。此时刻i为正，电流由U1端流入，从U2端流出，iV为零；iW为负，电流从W2端流入，从W1端流出。这一时刻的磁场如图3(b)所示。磁场方向较t二tl时沿顺时针方向在空间转过了120°。用同样的方法，继续分析电流在t二t3、t二t4时的瞬时情况，便可得这两个时刻的磁场，如图3(c)、3(d)所示。在t=t3=4/3时刻，合成磁场方向较t2时刻乂顺时针转过120°o在t=t4=2时刻，磁场较t3时再转过120°,即自tl时刻起至t4时刻，电流变化了一个周期，磁场在空间也旋转了一周。电流继续变化，磁场也不断地旋转。从上述分析可知，三相对称的交变电流通过对称分布的3组绕组产生的合成磁场，是在空间旋转的磁场，而且是一种磁场幅值不变的圆形旋转磁场。三相异步电动机的基本原理把对称的三相交流电通入彼此间隔120°电角度的三相定子绕组，可建立起一个旋转磁场。根据电磁感应定律可知，转子导体中必然会产生感生电流，该电流在磁场的作用下产生与旋转磁场同方向的电磁转矩，并随磁场同方向转动二、交流电动机中旋转速度的问题旋转磁场的旋转速度旋转磁场的速度也称为“同步转速”，用nl表示，其单位是“r/min”。它的大小由交流电源的频率及磁场的磁极对数决定。图3所举的例子是只能产生一对磁极的电动机，电流变化一个周期，旋转磁场转一圈；若电源电流的频率为f（Hz）,则一对磁极的旋转速度应为nl二60f（r/min）:我国电网供电电流的频率（即工频）为f二50Hz（即每秒完成50个周期的变化），则一对旋转磁场的转速就是□0r/minX60r/min=3000r/min。若定子绕组釆用的排列方式不同，那么产生的磁极对数也不同，依照前面分析产生一对磁极的方法，仍然选取儿个特殊的时刻，根据图3.3±图各相电流的正、负时刻，画出各个绕组中电流的流向，即可判定出各时刻产生的磁场情况，如图4所示。t=tl=0时，iU二0,U相绕组内没有电流；iV为负值,电流由端流进,由端流出,再由V2端流进,由VI端流出;iW为正值，电流由wi端流进,由W2端流出再swr端流进。由聊端流出。此时三相电流产生的合成磁场如图4所示。前面讲过，每当交流电变化一个周期，两极旋转磁场就在空间转过360。（即1转）机械角度。从图4中可以看出，四极的旋转磁场在电流变化一周中，在空间只转过180。（即1/2转）机械角度。苗此类推，当旋转磁场具有P对磁极时，交流电每变化一周，磁场就在空间转过1/p转。故旋转磁场的转速（同步转速）n为© (d)nl=60f/P(r/min)式中 f——电流的频率;p——定子绕组产生的磁极对数。旋转磁场的旋转方向交流电动机旋转磁场的旋转方向，一般与接入定子绕组的电流相序有关。如前面举的两个例子（图3和图4）,磁场都是按顺时针方向旋转的，这与三相电源通入三相绕组的电流相序IU-IV-IW（正序电流）是一致的。若要使磁场按逆4三相交流异步电动机产生4个磁极旋转磁场三相绕组通入反（负）序电流时的旋转磁场时针方间旋转，只需改变通入三相绕组中的电流相序，也就是说通入三相绕组的电流相序为IU-IV-IW是反（负）序的，即只要把三相绕组的3根引出线头任意调换两根后再接电源就可实现，如图5所示。在图4中，使iV流入W1W2绕组，训流入V1V2绕组，iU仍流入U1U2绕组。三相绕组通入反（负）序电流后，所产生的旋转磁场分析如图5所示。从图中可以明确看到，旋转磁场的旋转方向是逆时针的，与图3所示的旋转磁场的顺时针方向相反。转子的旋转速度转子的旋转速度一般称为电动机的转速，用n表示。根据前面的工作原理可知，转子是被旋转磁场拖动而运行的，在异步电动机处于电动状态时，它的转速恒小于同步转速nl,这是因为转子转动与磁场旋转是同方向的，转子比磁场转得慢，转子绕组才可能切割磁力线，产生感生电流，转子也才能受到磁力矩的作用。假如有n二nl情况，则意味着转子与磁场之间无相对运动，转子不切割磁力线，转子中就不会产生感生电流，它也就受不到磁力矩的作用了。如果真的出现了这样的情况，转子会在阻力矩（来自摩擦或负载）作用下逐渐减速，使得n<nlo当转子受到的电磁力矩和阻力矩（摩擦力矩与负载力矩之和）平衡时，转子保持匀速转动。所以，异步电动机正常运行时，总是n<nl,这也正是此类电动机被称作“异步”电动机的111来。乂因为转子中的电流不是由电源供给的，而是由电磁感应产生的，所以这类电动机也称为感应电动机。转差率旋转磁场的同步转速与转子转速之差与同步转速的比值，称为异步电动机的转差率，即s=（nl-n）/nl式中s为转差率。当异步电动机刚要起动时，n二0,s=1；当n=nl时，s=0。异步电动机正常使用时，电动机转速略小于但接近同步转速，额定转差率一般小于5%o三相异步电动机的转速与运行状态电进制旳电切状态+——友电状态Y-----JKO旷00<科5els=lOCJ<1异步电动机的3种运行状态如果作用在异步电动机转子的外转矩使转子逆着旋转磁场的方向旋转，即n<0,s>l如图6@）中所示，此时转子导条中的电动势与电流方向仍和电动机时一样，电磁转矩方向仍与旋转磁场方向一致，但与外转矩方向相反。即电磁转矩是制动性质，在这种情况下，一方面电动机吸取机械功率，另一方面因转子导条中电流方向并未改变，对定子来说，电磁关系和电动机状态一样，定子绕组中电流方向仍和电动机状态相同，也就是说，电网还对电动机输送电功率，因此异步电动机在这种情况下，同时从转子输入机械功率、从定子输入电功率，两部分功率一起变为电动机内部的损耗。异步电动机的这种运行状态称为“电磁制动”状态，乂称“反接制动”状态。如果用一原动机，或者山其他转矩（如惯性转矩、重力所形成的转矩）去拖动异步电动机，使它的转速超过同步转速，这时在异步电动机中的电磁情况有所改变，因