《电工电子学》课件第6章

第6章交流电动机

6.1三相异步电动机的结构

6.2三相异步电动机的工作原理

6.3三相异步电动机的电路分析

6.4三相异步电动机的转矩与机械特性

6.5三相异步电动机的起动、制动与调速

6.6三相异步电动机的铭牌数据

6.7三相异步电动机的选择

6.1三相异步电动机的结构

实际三相异步电动机的结构主要包括两个部分。静止不动的定子和可以旋转的转子，如图6-1所示。定子和转子之间隔着一层很小的空气隙，中、小型异步电动机的空气隙厚度约为0.2~1.5mm。图6-1三相笼型异步电动机的结构6.1.1定子

三相异步电动机的定子主要由机座、定子铁心和定子绕组三部分组成。定子铁心是电动机磁路的一部分，为了减小涡流和磁滞损耗，由互相绝缘的硅钢片叠成，其内圆周表面有槽，用来放置定子绕组，如图6-2所示。图6-2定子和转子的铁心片6.1.2气隙

异步电动机的气隙比同容量的直流电动机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.2~1.5mm。6.1.3转子

转子是电动机的转动部分，主要由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。转子铁心是圆柱形的，由硅钢片叠成。在转子铁心的外圆周上有槽，槽内放置转子绕组，转子固定在转轴上，如图6-1所示。按照转子绕组结构的不同，异步电动机可分为鼠笼式和绕线式两种。图6-3所示是鼠笼式转子的结构。图6-3铜条构成的鼠笼式转子绕线型异步电动机的内部结构如图6-4所示，它的转子绕组同定子绕组一样，是嵌放在转子铁心槽内的三相对称绕组。绕组的三根引出线分别连接到装在转子一端轴上的三

个铜制的滑环上，滑环固定在转轴上，可与转子一道旋转。环与环、环与转轴都互相绝缘。在环上用弹簧压着碳质电刷，分别用三组电刷将电流引出来，如图6-5所示。其优点是可以通过滑环和电刷给转子回路串入附加阻抗，以改善

电动机的起动或调速性能。缺点是结构复杂，价格贵，维护麻烦。图6-4绕线型异步电动机的构造图6-5绕线型转子

6.2三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机的定子绕组中通入三相电流，便产生旋转磁场并切割转子导体，在转子电路中产生感应电流，载流转子在磁场中受力产生电磁转矩，从而使转子旋转。所以，旋转磁场的产生是转子转动的先决条件。6.2.1旋转磁场

1.旋转磁场的产生

三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组AX、BY和CZ，设将三相绕组接成星形，并接上三相对称电源，绕组中便通入三相对称电流:其波形如图6-6所示。取绕组始端到末端的方向作为电流的参考方向。在电流的正半周时，其值为正，其实际方向与参考方向一致；在负半周时，其值为负，其实际方向和参考方向相反。图6-6三相对称电流在ωt=0的瞬时，定子绕组中的电流方向如图6-7(a)所示。这时iA=0；iB是负的，其方向与参考方向相反，从Y端

流到B端；iC是正的，其方向与参考方向相同，即电流从C

端流到Z端。将每相电流所产生的磁场相加，便得出三相电流的合成磁场。在图6-7(a)中，合成磁场轴线的方向是自上而下。图6-7三相电流产生的旋转磁场(p=1)图6-7(b)所示的是ωt=60°时定子绕组中电流的方向和三相电流的合成磁场的方向，这时的合成磁场已经在空间转过了60°。

同理可得在ωt=120°时的三相电流的合成磁场，它比ωt=60°时的合成磁场在空间又转过了60°，如图6-7(c)

所示。

2.旋转磁场的方向

只要将同三相电源连接的三根导线中的任意两根的一端对调位置，例如将电动机三相定子绕组的B端改为与电源L3相连，C端与L2相连，则旋转磁场就反转了。其电源接线和旋转磁场的方向如图6-8所示。图6-8旋转磁场的反转

3.旋转磁场的磁极数

三相异步电动机的磁极数就是旋转磁场的磁极数。旋转磁场的磁极数和三相绕组的安排有关。在图6-7的情况下，每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120°空间角，则产生的旋转磁场具有一对极，即p=1(p是磁极对数)。如将定子绕组安排得如图6-9那样，即每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端之间相差60°空间角，即产生的旋转磁

场具有两对极(p=2)，如图6-10所示。图6-9产生四极旋转磁场的定子绕组图6-10三相电流产生的旋转磁场(p=2)

4.旋转磁场的转速

由前面的分析可以看出，异步电动机定子绕组中的三相电流所产生的合成磁场是随着电流的变化在空间不断旋转，形成一个具有一对磁极(磁极对数p=1)的旋转磁场。三相电

流变化一个周期T(即变化360°)，合成磁场在空间旋转一周。三相电流的频率为f1，表明三相电流每秒钟交变的周期数为f1，故旋转磁场每分钟的转速为

n0=60f1(r/min)(6-1)如果设法使定子磁场为四极(磁极对数p=2)，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间旋转180°，其转速为

由此可以推广到p对磁极的异步电动机的旋转磁场的转速为

(6-2)6.2.2异步电动机的转子转动原理

图6-11是三相电动机转子转动的原理图，图中N、S表示旋转磁场的两极，转子中只示出两根导条(铜或铝)。图6-11转子转动的原理图通常，我们把同步转速n0与转子转速n的差值称为转差，转差与n0的比值称为异步电动机的转差率，用s表示，即

(6-3)

【例6-1】有一台三相异步电动机，其额定转速n=1425r/min。试求电动机的磁极数和额定负载时的转差率。电源频率f1=50Hz。

解由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的磁极对数有一系列固定的数值。与n=1425r/min最相近的同步转速n0=1500r/min，与此相应的磁极对数p=2。因此，额定负载时的转差率为

6.3三相异步电动机的电路分析

图6-12是三相异步电动机的每相电路图。和变压器相比，定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组(一般是短接的)相当于变压器的二次绕组。三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似。当定子绕组接上三相电源(相电压为

u1)时，则有三相电流(相电流为i1)通过，并产生旋转磁场。旋转磁场的磁通通过定子铁心和转子铁心构成闭合磁路

(定子铁心和转子铁心之间存在着很小的气隙)。图6-12三相异步电动机的每相电路图6.3.1定子电路

定子每相电路的电压方程和变压器一次绕组电路的一样，即

(6-4)

如果用相量表示，式(6-4)则表示为

(6-5)

式(6-5)中，R1和X1分别为定子每相绕组的电阻和感抗(漏磁感抗)。和变压器一样，也可得出即

(6-6)

式(6-6)中，Φ是通过每相绕组的磁通最大值，在数值上它等于旋转磁场的每极磁通；f1是e1的变化频率。因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0，所以

(6-7)

即等于电源或定子电流的频率。6.3.2转子电路

转子每相电路的电压方程为

(6-8)

如果用相量表示，则式(6-8)为

(6-9)

1.转子频率f2

因为旋转磁场和转子间的相对转速为(n0－n)，所以转子频率为

(6-10)

可见，转子频率f2与转差率s有关，即与转速n有关。

2.转子电动势E2和转子感抗X2

转子电动势e2的有效值表达式为

E2=4.44f2N2Φ=4.44sf1N2Φ

(6-11)

转子感抗X2的表述式为

X2=2πf2Lσ2=2πsf1Lσ2

(6-12)

在n=0即s=1(电动机起动初始瞬间)时，f2=f1，则转子电动势和转子感抗分别为

E20=4.44f1N2Φ，X20=2πf1Lσ2

均达到最大。

3.转子电流I2和转子电路的功率因数cosj2

转子每相电路的电流可由前面的公式推导得出，即

(6-13)因为转子电路为感性电路，相应的感抗为X2，其转子电流I2总是滞后转子电动势E2，因而转子电路的功率因数为

(6-14)

可见，转子电流I2和cosj2都与转差率s有关。当s增大，即转速n降低时，转子与旋转磁场间的相对转速(n0－n)增加，转子导体切割磁通的速度提高，于是E2增加，I2也增加。I2和cosj2随s变化的关系可用图6-13的曲线表示。图6-13

I2和cosj2与转差率s的关系

6.4三相异步电动机的转矩与机械特性

6.4.1电动机的电磁转矩公式

异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I2相互作用而产生的。但因转子电路是电感性的，转子电流I2比转子电动势E2滞后j2角；又因电磁转矩与电磁功率Pj成正比，于是可以得出异步电动机的电磁转矩表达式为

(6-15)再根据式(6-6)、式(6-13)、式(6-14)，可知将上列三式代入式(6-15)，则得出转矩的另一个表示式:

(6-16)

式中，K是一常数。6.4.2机械特性曲线

在一定的电源电压U1和转子电阻R2之下，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，如图6-14所示。图6-15的n=f(T)曲线可从图6-14得出。只需将T=f(s)曲线顺时针转过90°，再将表示T的横轴移下即可。图6-14三相异步电动机的T=f(s)曲线图6-15三相异步电动机的n=f(T)曲线

1.额定转矩TN

电动机在等速转动时，电动机的转矩T必须与阻转矩TC相平衡，即T=TC。

阻转矩主要是机械负载转矩T2，此外，还包括空载损耗转矩(主要是机械损耗转矩)T0。由于T0很小，常可忽略，所以

(6-17)

式中，P2是电动机轴上输出的机械功率，单位是瓦(W)。转矩的单位是牛·米(N·m)；转速的单位是转每分(r/min)。功率如用千瓦为单位，则

(6-18)额定转矩是电动机在额定负载时的转矩，它可依据电动机铭牌上的额定功率(输出机械功率)和额定转速由下式得到

(6-19)

2.最大转矩Tmax

从机械特性曲线上看，转矩有一个最大值，称为最大转矩或临界转矩。对应于最大转矩的转差率为sm，它由

求得，即

(6-20)再将式(6-20)代入式(6-16)，得到的最大转矩公式为

(6-21)

由以上两式可见，Tmax与U21成正比，而与转子电阻R2无关；sm与R2成正比，R2愈大，sm也愈大。另外一个方面，也说明电动机的最大过载可以接近最大转矩。如果过载时间较短，电动机不至于立即过热，是容许的。因此，最大转矩也表示电动机的短时容许过载能力。电

动机的额定转矩TN比Tmax要小，两者之比称为过载系数λ，即

(6-22)

3.起动转矩Tst

电动机刚起动(n=0即s=1)时的电磁转矩称为起动转矩。将s=1代入式(6-16)即可得到起动转矩Tst:

(6-23)

6.5三相异步电动机的起动、制动与调速

6.5.1三相异步电动机的起动

电动机的起动就是把它开动起来。在起动初始瞬间，n=0，s=1。下面从起动时的电流和转矩来分析电动机的起

动性能。

1.起动电流Ist

电动机在刚起动时，由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速，磁通切割转子导条的速度很快，因此，起动时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都很大。转子电流的增大将使定子电流也相应增大。一般中小型笼型电动机的定子起动电流(指线电流)大约是额定电流的5～7倍。

2.起动转矩Tst

电动机在刚起动时，虽然转子电流很大，但因为电动机起动时，转子电流频率最高(为定子电流频率)，转子感抗很大，所以转子的功率因数是很低的。因此，起动转矩实际

上是不大的，它与额定转矩之比值约为1.0～2.2。

3.起动方法

1)直接起动

直接起动就是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到具有额定电压的电源上进行起动。这种方法虽然接线简单、设备少、投资小、起动时间短，但由于起动电流大，将使线

路电压下降较多，影响周边负载的正常工作。

2)降压起动

(1)星形-三角形(Y-△)降压起动。

星形-三角形方法只适用于在正常工作时其定子绕组是三角形连接的电动机。为了减小起动电流，起动时可把定子绕组接成星形，使加在每相绕组上的电压降低到额定电压的

等到转速接近额定值时再换接成三角形。这种起动方法称为笼型电动机的星形-三角形(Y-△)转换起动。其接线图如图6-16所示。图6-16

Y-△转换起动接线图图6-17是定子绕组的两种连接法，Z为起动时每相绕组的等效阻抗。图6-17笼型电动机的星形-三角形(Y-△)转换起动由三相电路的分析可知，当定子绕组连接成星形时，线电流IlY等于相电流IpY；当定子绕组连接成三角形时，线电流IlΔ为相电流IpΔ的倍。故有

(2)自耦变压器降压起动。

自耦变压器降压起动是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，其接线图如图6-18所示。图6-18自耦变压器降压起动接线图对于不仅要求起动电流小，而且要求有相当大的起动转矩的场合，就往往不得不采用起动性能较好而价格较贵的绕线型电动机了。绕线型异步电动机的起动性能好，只要在转子电路中接入大小适当的起动电阻Rst，即可达到减小起动电流的目的；同时又提高了电动机的起动转矩Tst。绕线型异步电动机的起动接线图如图6-19所示。图6-19绕线型异步电动机的起动接线图

【例6-2】有一Y225M-4型三相异步电动机，其额定数据如下表所示。试求：(1)额定电流；(2)额定转差率sN；

(3)额定转矩TN、最大转矩Tmax、起动转矩Tst。

解

(1)4～100kW的电动机通常都是380V、三角形连接的。

(2)由n=1480r/min可知，电动机是四级的，即p=2，n0=1500r/min，所以

(3)6.5.2三相异步电动机的调速

首先来研究异步电动机的转速公式:

(6-24)

1.变频调速

近年来，变频调速技术发展很快。目前主要采用如图

6-20所示的变频调速装置，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，供给三相笼型电动机，由此可实现电动机的无级调速。图6-20变频调速装置

2.变极调速

改变磁极对数调速，通常用改变定子绕组接线的方法来实现。可有级地改变电动机的转速。增加磁极对数，可以降低电动机的转速，但磁极对数只能成整数倍地变化，因此，改变磁极对数调速方法无法做到平滑调速，只适用于笼型异步电动机。图6-21所示为异步电动机定子绕组的两种接法，每相

绕组有两个线圈。图(a)中两个线圈串联，极对数p=2；图

6-21(b)中两个线圈反并联(头尾相联)，极对数p=1。在换极时，一个线圈中的电流方向不变，而另一个线圈中的电流必须改变方向。图6-21异步电动机变极调速示意图

3.变转差率调速

在绕线型电动机的转子电路中，接入一个调速变阻器(接法与起动电阻一样)，改变转子回路电阻，即可实现变转差率调速。接入电阻的大小与转差率的关系可由下式确定：

(6-25)

【例6-3】有一台绕线式三相异步电动机，转子每相电阻R2=0.022Ω，额定转速nN=1450r/min。现要将其调速到1200r/min，请问：应在转子绕组的电路中串接多大的调速电阻？

解先求额定转差率sN：再求转速为1200r/min时的转差率s：

最后求调速电阻，由式(6-25)得6.5.3三相异步电动机的制动

1.能耗制动

能耗制动的原理如图6-22所示。图6-22能耗制动

2.反接制动

在电动机停车时，将接到电源的三根导线中的任意两

根对调位置，旋转磁场将反向旋转，产生与转子惯性转动方向相反的转矩，实现制动，这种制动方法称为电源反接制动。当电动机的转速接近零时，应利用某种控制电器将电

源自动切断，否则电动机将会反转。反接制动的原理如图

6-23所示。图6-23反接制动

3.发电反馈制动

发电反馈制动的原理如图6-24所示。图6-24发电反馈制动

6.6三相异步电动机的铭牌数据

要正确使用电动机，必须要看懂铭牌。现以Y132M-4型电动机为例(如图6-25所示)，来说明铭牌上各个数据的意义。除了铭牌上的数据外，有关的技术数据还有：功率因数0.85，效率87(%)。图6-25

Y132M-4型电动机

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。型号各项的意义如下：

2.接法

接法是指定子三相绕组的接法。一般笼型电动机的接线盒中有六根引出线，标有U1、V1、W1、U2、V2、W2。其中，U1、U2是第一相绕组的两端；V1、V2是第二相绕组的两端；W1、W2是第三相绕组的两端。

如果U1、V1、W1分别为三相绕组的始端(头)，则U2、V2、W2是相应的末端(尾)。这六个引出线端在接电源之前，相互间必须正确连接。连接方法有星形(Y)连接和三角形(△)连接两种，如图6-26所示。图6-26定子绕组的星形连接和三角形连接

3.电压

铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值，单位为伏特(V)。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5％。

4.电流

铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。

当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之间相对转速很小，转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子

电流和定子电流都随着相应增大。

5.功率与效率

铭牌上所标的功率值是指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率值。输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗等。所谓

效率η就是输出功率与输入功率的比值。以Y132M-4型电动机为例：

输入功率为

输出功率为

P2=7.5kW

效率为

一般笼型电动机在额定运行时的效率约为72％～93％。

6.功率因数

功率因数是指电动机在额定负载时定子绕组的功率因数。因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个j角，cosj就是电动机的功率因数。

7.转速

由于生产机械对转速的要求不同，需要生产不同磁极数的异步电动机，因此有不同的转速等级。最常用的是四个极的(n0=1500r/min)。

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。所谓极限温度，是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度。其技术数据见表6-1。

9.工作方式

电动机的工作方式分为八类，用字母S1~S8分别表示。

例如：连续工作方式(S1)；短时工作方式(S2)，分10min、

30min、60min、90min四种。断续周期性工作方式(S3)，

其周期由一个额定负载时间和一个停止时间组成，额定负

载时间与整个周期之比称为负载持续率。标准持续率有15%、25%、40%、60%几种，每个周期为10min。

6.7三相异步电动机的选择

1.功率的选择

要为某一生产机械选配一台电动机，首先要考虑电