第四章交流电动机冯晓-刘仲怒-

目录§4.1三相异步电动机的结构和工作原理§4.2三相异步电动机的等效电路§4.3三相异步电动机的功率和电磁转矩§4.4三相异步电动机的工作特性§4.5三相异步电动机的机械特性§4.6三相异步机的使用§4.7单相异步电动机交流电动机直流电动机鼠笼式绕线式异步机同步机他励、并励、串励、复励电动机的分类电动机：电能转换成机械能发电机：其他形式的能量转换成电能电动机的作用优点使用电动机驱动生产机械可：（1）简化生产机械的结构（2）提高生产效率和产品质量（3）能实现自动控制（4）实现远距离操纵（1）基本结构（2）工作原理（3）机械特性（4）起动、制动、反转、调速的基本原理（5）应用场合和正确使用主要内容一、

三相异步电动机的构造鼠笼式绕线式转子定子（固定部分）转子（旋转部分）分为两个基本部分：

构成：由机座、铁心和定子绕组组成

定子机座是用铸铁或铸刚制成，铁心由互相绝缘的硅钢片叠成，内圆周表面冲有槽，用以放置对称三相绕组；对称三相绕组有的联接成星形、有的联接成三角形

作用：产生旋转磁场

机座定子绕组铭牌数据出线端子定子铁心定子绕组鼠笼式电动机构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便转子

构成：由铁心和绕组两部分构成

铁心也用硅钢片叠成，表面冲有槽，装在转轴上，轴上加机械负载；因绕组不同，可分为鼠笼式和绕线式两种。作用：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。鼠笼式转子转轴轴承转子绕线式转子

铁心绕组转轴二、

三相异步电动机的工作原理演示实验（右手定则）（左手定则）B:磁感应强度v:切割速度l:导线长磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势闭合导线产生电流通电导线在磁场中受力

1.线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致异步

2.

线圈比磁场转得慢结论一）

旋转磁场1.旋转磁场的产生

在三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组，在该三相对称绕组中通入三相对称交流电流，就可产生一“旋转磁场”代替演示实验中的磁铁AXYCBZAXBYCZ合成磁场方向：向下参考方向：绕组始端到末端的方向AXYCBZAXYCBZ同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向

可见，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。2.旋转磁场的转向

当通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-C时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。旋转方向取决于三相电流的相序。改变电机旋转方向的方法：换接其中两相3.旋转磁场的极数AXBYCZ

此种接法下，绕组的始端之间相差120度空间角，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。AXYCBZ旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关即：P=1C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'

将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内，绕组的始端之间相差60度空间角，形成的磁场则是两对磁极。即：P=24.旋转磁场的转速AXYCBZAXYCBZAXYCBZ

旋转磁场的转速决定于磁场的极数，在一对极的情况下，当电流交变一次时，磁场恰好在空间旋转了一周。N0=60f（转/分）

旋转磁场具有两对极时，当电流从ωt=0°到ωt=60°经历了60°时，磁场在空间仅旋转了30°。比P=1时转速慢了一半，即：N0=60f/2（转/分）

所以，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极对数P，可推出：极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速5.电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速:电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

异步电动机无转距转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流提示：如果二）

电动机的转动原理

在电动机定子绕组中通入三相对称交流电流后，产生旋转磁场。

旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。

在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电磁力作用。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。异步电机运行中:电动机起动瞬间:（转差率最大）三）

转差率例1：三相异步电动机p=3，电源f1=50Hz，电机额定转速n=960r/min。求：转差率s，转子电动势的频率f2同步转速：转差率：1.型号

Y132M－4转差率三、

铭牌数据2.转速:电机轴上的转速（n)。如：n=1440转/分磁极数(极对数

p=2)同步转速1500转/分Y：三相异步电动机132：机座中心高（132mm）M：机座长度代号，M-中机座；S-短机座，L-长机座。返回3.接法：Y/

接法

Y接法：W2U2V2U1V1W1V1W1U1U2V2W2指定子三相绕组的接法接线盒

接法：U2U1W2V1V2U1W2U2V1V2W1W1W2U2V2V1W1U1返回4.电压：

一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5％。例：380/220Y/

是指：线电压为380V时采用Y接法；当线电压为220V时采用

接法。指电动机在额定运行状态时定子绕组上的线电压值.当电压高于额定值时，磁通将增大。即：返回电压波动对电动机的影响当电压低于额定值时，引起转速下降，电流增加。返回5.额定电流：如：

表示三角接形法下，电机的线电流为11.2A，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为6.48A。6.功率与效率：

指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率值（

），不等于从电源吸收的功率（）。两者的关系为：

其中

=72－93％指电动机在额定运行状态时定子绕组的线电流。为电动机的效率返回

额定负载时一般为0.7-0.9，空载时功率因数很低约为0.2-0.3。额定负载时，功率因数最大。

使用中应选择合适容量的电动机，防止“大马”拉“小车”的现象。7.功率因数(cos

1)：P2PNcos

1返回8.

绝缘等级

绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。

极限温度，是指电动机绝缘结构中最热点的最高容许温度。

绝缘等级绝缘等级极限温度AEBFH返回§4.2三相异步电动机的等效电路一、折算异步电动机定、转子之间没有电路上的联系，只有磁路上的联系，不便于实际工作的计算，所以必须像变压器那样进行等效电路的分析。为了能将转子电路与定子电路作直接的电的连接，等效要在不改变定子绕组的物理量（定子的电动势、电流、及功率因数等）而且转子对定子的影响不变的原则下进行，即将转子电路折算到定子侧时要保持折算前后F2不变以保证磁动势平衡不变和折算前后各功率不变。为了找到异步电动机的等效电路，除了进行转子绕组的折合外，还需要进行转子频率的折算。1．频率折算将频率为f2的旋转转子电路折算为与定子频率f1相同的等效静止转子电路，称为频率折算，转子静止不动时s＝1，f2＝f1。因此，只要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。为此将下式实际运行的转子电流的分子分母同除以转差率s得

以上两式的电流数值仍是相等的，但是两式的物理意义不同。第一式中实际转子电流的频率为f2，第二式中为等效静止的转子所具有的电流，其频率为f1。前者为转子转动时的实际情况，后者为转子静止不动时的等效情况。由于频率折算前后转子电流的数值未变，所以磁动势的大小不变。同时磁动势的转速是同步转速与转子转速无关，所以频率折算保证了电磁效应的不变。由式中可看出频率折算前后转子的电磁效应不变，即转子电流的大小、相位不变，除了改变与频率有关的参数以外，只要用等效转子的电阻R2/s代替实际转子中的电阻R2即可。R2/s可分解为R2与(1-s)R2/s之和。式中(1-s)R2/s为异步电动机的等效负载电阻，等效负载电阻上消耗的电功率为I22R2

(1-s)/s，这部分损耗在实际电路中并不存在，它实质上是表征了异步电动机输出的机械功率，频率折算后的定、转子电路如图4.14所示。图4.14转子绕组频率折算后的异步电动机的定、转子电路2．绕组折算进行频率折算以后，虽然已将旋转的异步电动机转子电路转化为等效的静止电路，但还不能把定、转子电路连接起来，因为两个电路的电动势还不相等。和变压器的绕组折算一样，异步电动机绕组折算也就是人为地用一个相数、每相串联匝数以及绕组系数和定子绕组一样的绕组代替相数为m2，每相串联匝数为N2以及绕组系数为而经过频率折算的转子绕组。但仍然要保证折算前后转子对定子的电磁效应不变，即转子的磁动势、转子总的视在功率、铜耗及转子漏磁场储能均保持不变。转子折算值上均加“'”表示。（1）电流的折算由保持转子磁通势不变的原则，即折算后的转子电流有效值为

式中称为电流比。（2）电动势的折算由于定、转子磁动势在绕组折算前后都不变，故气隙中的主磁通也不变，绕组折算前后的转子电动势分别为（3）阻抗的折算由折算前后转子铜耗不变的原则有同理由绕组折算前后转子电路的无功功率不变可导出二、等效电路根据折算前后各物理量的关系，可以作出折算后的T型等效电路，如图4.15所示。图4.15三相异步电动机的T型等效电路由T型等效电路可得异步电动机负载时的基本方程式为（1）当空载运行时,，由图可见相当于转子开路。（2）转子堵转时,，相当于变压器二次侧短路情况。因此在异步电动机启动初始接上电源时，就相当于短路状态，会使电动机电流很大，这在电机实验及使用电动机时应多加注意。例2：三相异步电动机，p=2，n=1440r/min，转子R2=0.02，X20=0.08，E20=20V，f1=50Hz。启动时I2（st）额定转速下的I2（N）s=1§4.3三相异步电动机的功率和电磁转矩一、功率平衡方程式异步电动机的功率关系可用T型等效电路图来分析。异步电动机通电运行时，T型等效电路中每个电阻上均产生一定损耗，如：定子电阻R1产生定子铜损耗励磁电阻Rm产生定子铁损耗（忽略）转子电阻产生转子铜损耗从而可得三相异步电动机运行时的功率关系如下。电源输入电功率除去定子铜损耗和铁损耗便是定子传递给转子回路的电磁功率，即电磁功率又等于等效电路转子回路全部电阻上的损耗，即电磁功率除去转子绕组上的损耗，就是等效负载电阻上的损耗，这部分等效损耗实际上是传输给电动机转轴上的机械功率，用PMEC表示。它是转子绕组中电流与气隙旋转磁场共同作用产生的电磁转矩，带动转子以转速n旋转所对应的功率

电动机运行时，还存在由于轴承等摩擦产生的机械损耗pmec及附加损耗pad。大型电机中pad约为0.5%PN，小型电机的pad=（1～3）%PN。

转子的机械功率PMEC减去机械损耗pmec和附加损耗pad才是转轴上实际输出的功率，用P2表示。

可见异步电动机运行时，从电源输入电功率P1到转轴上输出机械功率的全过程为功率关系可用图4.16来表示。从以上功率关系定量分析看出，异步电动机运行时电磁功率Pem、转子损耗pCu2和机械功率PMEC三者之间的定量关系是Pem：PCu2：PMEC=1：s：(1-s)

也可写成下列关系式

上式表明，当电磁功率一定，转差率s越小，转子铜损耗越小，机械功率越大，效率越高。电动机运行时，若s增大，转子铜耗也增大，电机易发热，效率降低。图4.16异步电动机功率流程图二、转矩平衡方程式机械功率PMEC除以轴的角速度

就是电磁转矩，即电磁转矩与电磁功率关系为

式中

1为同步角速度（用机械角速度表示）由输出功率的计算式两边同时除以角速度可得出

式中T0——空载转矩，T2——输出转矩在电力拖动系统中，常可忽略T0，则有式中TL——负载转矩。三、电磁转矩

转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转距之总和。常数每极磁通转子电流转子电路的功率因数即其中：代入可得§4.4三相异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性是指定子的电压及频率为额定时，电动机的转速n、定子电流I1、功率因数cosφ1、电磁转矩Tem、效率

等与输出功率P2的关系曲线。上述关系曲线可以通过直接给异步电动机带负载测得，也可以利用等效电路参数计算得出。图4.17为三相异步电动机的工作特性曲线。图4.17异步电动机的工作特性一、转速特性n=f(P2)三相异步电动机空载时，转子的转速n接近于同步转速n0。随着负载的增加，转速n要略微降低，这时转子电动势增大，从而使转子电流I2s增大，以产生较大的电磁转矩来平衡负载转矩。因此，随着P2的增加，转子转速n下降，转差率s增大，转速特性呈“硬”特性。二、转矩特性Tem=f(P2)空载时P2=0，电磁转矩Tem等于空载制动转矩T0。已知T2=9.55P2/n，随着P2的增加，如n基本不变，则T2为过原点的直线。考虑到P2增加时，n稍有降低，故T2=f(P2)随着P2增加略向上偏离直线。在Tem=T0+T2式中。T0之值很小，而且认为它是与P2无关的常数。所以Tem=f(P2)

将平行上移T0数值，如图4.17所示。三、定子电流特性I1=f(P2)当电动机空载时，转子电流近似为零，定子电流等于励磁电流I0。随着负载的增加，转速下降（s增大），转子电流增大，定子电流也增大。当P2>PN时，由于此时降低，I1增长更快些。四、功率因数特性cos

1=f(P2)三相异步电动机运行时，必须从电网中吸取无功功率，其功率因数总是小于1。电动机空载时，定子电流基本上只有励磁电流，功率因数很低，一般不超过0.2。当负载增加时，定子电流中的有功电流增加，使功率因数提高。接近额定负载时，功率因数也达到最大。超过额定负载时，由于转速降低较多，转差率增大，使转子电流与电动势之间的相位角

2增大，转子的功率因数下降较多，引起定子电流中的无功电流分量也增大，因而电动机的功率因数趋于下降五、效率特性

=fP(2)根据可知，电动机空载时P2=0，η=0，随着输出功率的增加，效率

也增加。在正常运行范围内，因主磁通变化很小，所以铁损耗变化不大，机械损耗变化也很小，合起来称不变损耗。定、转子铜损耗与电流平方成正比，随负载变化，称可变损耗。当不变损耗等于可变损耗时，电动机的效率达最大。对于中、小型异步电动机，大约时，效率最高。如果负载继续增大，效率反而降低。由此可见，效率曲线和功率因数曲线都是在额定负载附近达到最高，因此选用电动机容量时，应注意使其与负载相匹配。如果选得过小，电动机长期过载运行影响寿命；如果选得过大，则功率因数和效率都很低，浪费能源。一、

机械特性曲线

由转矩公式得特性曲线：10n0Tn一定的电源电压和转子电阻之下，转矩与转差率的关系曲线或转速与转矩的关系曲线§4.5三相异步电动机的机械特性1、额定转矩：电动机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率时，电动机转轴上输出的转矩。（牛顿•米）n0TnnN

电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。常用特性段n0nT

自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。）电动机的自适应负载能力直至新的平衡。此过程中，时，电源提供的功率自动增加。硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。

硬特性（R2小）软特性（R2大）

不同场合应选用不同的电动机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电动机。机械特性的软硬

如果电机将会因带不动负载而停转。2、最大转矩Tmax

：电机带动最大负载的能力。n0Tn求解过载系数：三相异步机（1）三相异步机的和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。

工作时，一定令负载转矩，否则电机将停转。致使（2）注意电机严重过热原因3、起动转矩Tst

电动机起动时的转矩。n0Tn其中体现了电动机带载起动的能力。若电机能起动，否则将起动不了。则例3：三相异步电动机，额定功率PN=10kW，额定转速nN=1450r/min，启动能力Tst/TN=1.2，过载系数=1.8。（1）额定转矩TN（2）启动转矩Tst（3）最大转矩Tmax结论：和电压的关系R2的

改变

：鼠笼式电动机转子导条的金属材料不同绕线式电动机外接电阻不同

令：得：和转子电阻关系4.6

三相异步机的使用（1）起动电流

：中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5-7倍。原因：起动时，转子导条切割磁力线速度很大。定子电流转子感应电势转子电流一、三相异步电动机的起动1.起动性能返回B

大电流使电网电压降低

A

频繁起动时造成热量积累影响：（2）起动转矩

起动时，虽然转子电流较大，但因转子的功率因数很低，因此起动转矩并不是很大的，与额定转矩之比为1.0-2.2。

如果起动转矩过小，就不能满载起动，应设法提高；如果起动转矩过大，会使传动机构受到冲击而损坏，应设法减小。电机过热影响其他负载工作返回2.三相异步机的起动方法：（1）直接起动

20-30千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动。（2）降压起动

在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流，鼠笼式电动机常用的降压起动方法有Y－

换接起动和自耦降压起动。

方法简单，但起动电流较大，影响电网上其他负载正常工作。返回Y－

起动

正常运行AZBYXC

起动ABCXYZ设：电机每相阻抗为返回（2）Y－

起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电动机。Y－

起动时，起动电流减小的同时，起动转矩也减小了。所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合返回RRR绕线式转子（3）转子串电阻起动（绕线式电动机）。起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。返回转子串电阻起动的特点：适于转子为绕线式的电动机起动。（1）

（2）R2选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。常用于要求起动转矩较大的生产机械上，如卷扬机、锻压机、起重机等。返回方法：和电源相接的任意两相互换，就可实现反转。

二、三相异步电动机的正、反转正转反转ABCM3~电源ABCM3~电源返回

1.反接制动

停车时，将电动机接到电源的三根线中的任意两根的一端对调位置，使旋转磁场反向旋转，电动机的转矩方向与电动机原来的旋转方向相反，起制动的作用。三、三相异步电动机的制动

反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。即切割磁力线的速度很大，造成转子电流增大，引起定子电流增大。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻注意措施简单、效果好但能量消耗大返回2.

能耗制动：

停车时，断开交流电源，接至直流电源上，产生制动转矩。制动转矩的大小与直流电流的大小有关直流电流的大小一般为电动机额定电流的0.5-1倍制动能量消耗小制动平稳，但需要直流电源M3~+-运行制动n

F转子返回

3.发电反馈制动：

当电动机转子的转速超过旋转磁场的同步转速时，这时的转矩也是制动转矩。n

Fno当起重机快速下放重物时当多速电动机从高速调到低速的过程中电动机已转入发电机运行，将重物的位能转换为电能而反馈到电网里去，所以称为发电反馈制动返回四、三相异步电动机的调速1.改变极对数有级调速。2.

改变转差率

无级调速调速方法：适用于绕线式电动机方法：在绕线式电动机的转子电路中接入调速电阻