課題四三相異步電動機

課題四

三相異步電動機學習情境1

了解三相異步電動機的結構和工作原理

一、三相異步電動機的結構

由于異步電動機具有結構簡單、制造方便、價格便宜和工作運行可靠等優(yōu)點，被工農業(yè)各部門廣泛應用。但異步電動機啟動特性和調速特性較差，尤其在調速方面，異步電動機不如直流電動機。

另外，異步電動機和變壓器一樣是從電網取得滯后的勵磁電流，它的功率因數也相對較低。隨著功率因數補償技術和交流變頻調速技術日益完善，使異步電動機的不足能夠得到較大的改善。

三相異步電動機具有如下結構，如圖4-1所示，其主要部件為定子和轉子。

（一）定子

三相異步電動機的固定不動部分稱為定子。定子由機座、裝在機座內的圓筒形鐵芯以及嵌在鐵芯內的三相定子繞組組成。1.機座機座是電動機的外殼，起支撐作用，用鑄鐵或鑄鋼制成。中小型電機機座一般采用鑄鐵鑄造,端蓋多用鑄鐵鑄成，用螺栓固定在機座兩端。圖4-1

三相異步電動機結構示意圖

2.定子鐵芯

定子鐵芯是電動機主磁路的一部分，因此要有良好的導磁性。為了減少渦流和磁滯損耗，通常用由0.35～0.5mm厚且兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。在定子鐵芯內圓上沖有均勻分布的槽，槽口用以嵌放定子繞組，如圖4-2所示是電動機鐵芯部分。圖4-2

未裝繞組的定子硅鋼片

3.定子繞組

定子繞組是電動機的定子電路部分，將通過三相交流電流建立旋轉磁場。小型異步電動機的定子繞組一般采用高強度圓銅線繞成線圈，它可經槽口分散地嵌入線格內。

每個線圈有兩個有效邊，分別放在兩個槽內，線圈之間按一定規(guī)律連接成一個在空間依次相差120°電角度的三相對稱的定子繞組，稱為三相定子繞組。三相異步電動機定子繞組的三個首端A，B，C和三個末端X，Y，Z，都從機座上的接線盒中引出。

圖4-3（a）為定子繞組的星形接法；圖4-3（b）為定子繞組的三角形接法。三相繞組具體應該采用何種接法，應視電力網的線電壓和各相繞組的工作電壓而定。

目前我國生產的三相異步電動機，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。當三相繞組通入對稱的三相電流時，便可在定子鐵芯內膛空間產生旋轉的磁場。

圖4-3

三相定子繞組的接法（a）星形接法；（b）三角形接法

（二）轉子

轉子主要用來產生旋轉力矩，拖動生產機械旋轉。轉子由轉軸、轉子鐵芯、轉子繞組構成。

1.轉軸

轉軸用來固定轉子鐵芯和傳遞功率，一般用中碳鋼制成。

2.轉子鐵芯

轉子鐵芯屬于磁路的一部分，用0.5mm的硅鋼片疊壓而成，如圖4-4所示。轉子鐵芯固定在轉軸上，其外圓均勻分布的槽是用來放置轉子繞組的。圖4-4

轉子鐵芯示意圖

3.轉子繞組

轉子繞組按結構不同分為鼠籠式和繞線式兩種，鼠籠式繞組是由嵌放在轉子鐵芯槽內的導電條(銅條或鑄鋁)和兩端的導電端環(huán)組成。若去掉鐵芯，轉子繞組外形就像一個鼠籠，故稱鼠籠式轉子，如圖4-5（a）所示。

目前中小型鼠籠式電動機一般采用鑄鋁繞組，這種轉子是將熔化的鋁液直接澆鑄在轉子槽內，并將兩端的短路環(huán)和風扇澆鑄在一起，如圖4-5（b）所示。圖4-5

鼠籠式轉子(a)銅的鼠籠式轉子;（b）鑄鋁的鼠籠式轉子

繞線式電動機的轉子繞組和定子繞組一樣，是采用絕緣導體繞制而成，在轉子鐵芯槽內嵌放對稱的三相繞組，三相轉子均連接成星形，在轉軸上裝有三個滑環(huán)，滑環(huán)與滑環(huán)之間、滑環(huán)與轉軸之間都互相絕緣，三相繞組分別接到三個滑環(huán)上，靠滑環(huán)與電刷的滑動接觸，再與外電路的三相可變電阻器相接，以便改善電動機的啟動和調速性能，如圖4-6所示。圖4-6

繞線式轉子及其他電路（a）繞線式轉子;（b）轉子電路1，3—滑環(huán)；2—轉子繞組；4—電刷；5—三相可變電阻二、三相異步電動機的工作原理

（一）旋轉磁場的產生

三相異步電動機是利用定子繞組中三相電流所產生的旋轉磁場與轉子導體內的感應電流相互作用產生電磁力的原理而工作的。要想了解三相異步電動機的轉動原理，必須首先討論旋轉磁場的產生及其性質。

1.三相定子繞組的連接

設定子鐵芯有六個槽，三相定子繞組對稱分布在這六個槽內。即三相繞組的首端A，B，C和末端X，Y，Z在空間彼此相隔120°，三相繞組可以接成星形也可接成三角形，假設三相繞組接成星形，如圖4-7所示。

2.三相對稱電流

若把三相定子繞組接成星形接到對稱三相電源上，定子繞組中便有對稱三相電流流過，即圖4-7

三相定子繞組模型和接線示意圖圖4-8

三相電流的波形

其波形如圖4-8所示。由于交流電流在定子繞組中流動的方向經常變化，為了確定某一瞬時電流在繞組中的流向，以便確定產生的磁場方向，我們規(guī)定當電流為正時，從首端流進去，從末端流出來；當電流為負時，則從末端流進去，從首端流出來，凡電流流進去的那一端標以“

”，電流流出來的那一端標以“⊙”。

3.旋轉磁場

電流流過線圈則產生磁場，三相交流電流過三相異步電動機的定子繞組會產生什么樣的磁場呢？

（1）ωt=0°時：電流iA=0，A相繞組無電流通過；iB是負值，電流的實際方向與參考方向相反，從Y端進、從B端出；iC是正值，電流的實際方向與參考方向相同，即從C端進、從Z端出。

根據右手螺旋定則，可判斷出該時刻三相電流所形成的合成磁場如圖4-9（a）所示，磁力線穿過空氣隙和轉子鐵芯，而后經定子鐵芯閉合。此時的磁場相當于一對上邊是N極下邊是S極的磁極所產生的磁場。

（2）ωt=120°時：iA是正值，其實際方向與參考方向相同，即A端進，X端出；iB=0，B相繞組無電流通過；iC是負的，其實際方向與參考方向相反，即Z端進、C端出。這時，三相電流所形成的合成磁場如圖4-9（b）所示。

與圖4-9（a）相比，合成磁場在空間已轉過120°，相當于磁極N經120°旋轉到達B相繞組的首端位置，而S極轉到了相對應的Y位置。

（3）ωt=240°，ωt=360°時：同理可知，這時三相電流所形成的合成磁場在空間已轉過240°，360°，如圖4-9（c）（d）所示。圖4-9

一對磁極的旋轉磁場（a）ωt=0°；（b）ωt=120°；（c）ωt=240°；（d）ωt=360°

4.磁場的旋轉方向與旋轉速度

（1）旋轉磁場的轉向。當通以上述三相交流電時，經過以上分析，我們會發(fā)現磁場的旋轉方向為順時針方向。如果改變三相交流電的相序，將與三相電源連接的三根導線中的任意兩根的一端對調。

（2）旋轉磁場的轉速。通過以上分析，可發(fā)現三相交流電產生了兩磁極磁場（或稱一對極磁磁場），當電流經過一個周期時，磁場也轉過一周，也就是說磁場的旋轉速度與電流的轉速相同。設電流的頻率為f，則磁場的轉速為

n0=60fr/min

5.兩對磁極的旋轉磁場

按上述條件所產生的旋轉磁場只有兩個磁極，即一對磁極（磁極對數P=1）。實際上常用多對磁極的異步電動機，如定子有12個槽，將每相繞組用兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端之間相差60°空間角，并把相差180°的兩個繞組首尾相串，組成一相繞組，則產生的旋轉磁場具有兩對磁極，如圖4-10所示，即磁極對數P=2。

取ωt=0°，ωt=120°，ωt=240°，ωt=360°這幾個時刻，電流變化時，電動機磁場也發(fā)生旋轉。

當ωt經過120°時，磁場只在空間按順時針方向轉過60°，電流變化一周（即ωt經過360°），磁場只在空間旋轉了半周，即兩對磁極旋轉磁場的轉速為

它只是一對磁極旋轉磁場轉速的一半。只要適當安排三相繞組，則可產生三對磁極（即P=3的旋轉磁場），四對或P對磁極的旋轉磁場。圖4-10

兩對磁極的磁場

6.總結

（1）在對稱的三相定子繞組中通入三相交流電，其合成磁場為旋轉磁場。

（2）磁場旋轉方向與電流相序有關。電流相序為A—B—C時磁場順時針方向旋轉；電流相序為A—C—B時磁場逆時針方向旋轉。

（3）對于一對磁極（P=1）的電動機，交流電變化一周，旋轉磁場恰好在空間轉過360°（即一轉），若交流電每秒鐘變化f周期，則旋轉磁場每秒鐘轉f轉，每分鐘轉60f轉，即旋轉磁場轉速

n0=60fr/min

對于兩對磁極（P=2）的電動機，交流電變化一周，通過同樣分析方法可得旋轉磁場在空間轉過180°，交流電變化兩周，旋轉磁場在空間才轉過360°，也就是說旋轉磁場的轉速將減少一半，即

由此推斷，對于P對磁極電動機，旋轉磁場的轉速

（4-1）

式中，n0是旋轉磁場轉速（r/min），f是電源頻率（Hz），P是磁極對數。上式說明，旋轉磁場的轉速與交流電的頻率成正比，與磁極對數成反比。

（二）三相異步電動機的轉動原理

異步電動機的轉子電流是由電磁感應而產生的，因此這種電動機又稱為“感應電動機”。

1.磁場旋轉

當定子繞組通以三相對稱電流后，產生的合成磁場是兩極旋轉磁場，并以n0速度按順時針方向旋轉。

2.轉子繞組產生感生電流

靜止的轉子導體因相對運動而切割磁感線并產生感應電動勢。當旋轉磁場是順時針旋轉時，相當于轉子導體以逆時針切割磁感線，在轉子導體中產生感應電動勢，用右手定則確定轉子上半部導體中感應電動勢方向是從里向外，用“⊙”表示；

轉子下半部導體中感應電動勢方向是從外向里，用“”表示。因為轉子是一個閉合回路，在感應電動勢的作用下，轉子內有同電動勢的方向一致的電流。

3.產生電磁轉矩轉子轉動

轉子電流在旋轉磁場中受到磁場力F的作用，F的方向用左手定則判定。電磁力在轉軸上形成電磁轉矩，電磁轉矩的方向與旋轉磁場的方向一致。在電磁力矩的作用下，電動機順著旋轉磁場方向轉起來。

電動機在正常運轉時，其轉速n總是稍低于同步轉速n0，因為，如果兩者相等，則轉子與旋轉磁場之間就沒有相對運動，所以轉子導體就不切割磁力線，轉子電動勢、轉子電流以及電磁力矩也就都不存在。

這樣，轉子就不可能繼續(xù)以n的轉速轉動。因此，轉子轉速與磁場轉速之間必須要有差別，這就是異步電動機名稱的由來，如圖4-11所示。圖4-11

異步電動機工作原理

異步電動機同步轉速和轉子轉速的差值與同步轉速之比稱為轉差率，用s表示，即

（4-2）學習情境2

熟悉三相異步電動機的運行

一、三相異步電動機的啟動

（一）直接啟動

直接啟動是利用閘刀開關或接觸器將電動機直接接到額定電壓上的啟動方式，又叫“全壓啟動”。直接啟動是中小型鼠籠式異步電動機首選的常用啟動方法。

（二）降壓啟動

在不允許直接啟動的場合，為限制啟動電流，啟動時用降低電壓的方法來減小啟動電流，當啟動過程結束后，再加上全電壓運行，這種啟動方法稱為降壓啟動。

顯然，由于異步電動機的電磁轉矩與電源電壓的平方成正比，降壓啟動必然使啟動轉矩顯著降低。因此，這種啟動方法只能用于電動機空載或輕載下啟動，常用的降壓啟動方法有兩種。

1.Y-△換接啟動

如圖4-12所示的Y-△換接啟動是在啟動時將定子繞組連接成星形，通電后電動機運轉，當轉速升高到接近額定轉速時再換接成三角形，其優(yōu)點是啟動電流為全壓啟動時的1／3；缺點是啟動轉矩均為全壓啟動時的1／3。

常適用于正常運行時定子繞組是三角形連接，且每相繞組都有兩個引出端子的電動機的范圍內。圖4-12

Y-△換接啟動

2.自耦降壓啟動

自耦降壓啟動，如圖4-13所示，對正常運行時為Y形接線及要求啟動容量較大的電動機，不能采用Y-△啟動法的電動機，常采用自耦變壓器啟動方法，利用三相自耦變壓器將電動機在啟動過程中的端電壓降低，以達到減小啟動電流的目的。

自耦變壓器備有40％，60％，80％等多種抽頭，使用時要根據電動機啟動轉矩的要求具體選擇。自耦變壓器降壓啟動的優(yōu)點是不受電動機繞組接線方法的限制，可按照允許的啟動電流和所需的啟動轉矩選擇不同的抽頭，這種方法常用于啟動容量較大的電動機，如圖4-14所示。圖4-13

自耦降壓啟動圖4-14

繞線式異步電動機轉子繞組串入附加電阻啟動

3.繞線式異步電動機轉子繞組串入附加電阻后啟動

繞線式異步電動機轉子繞組串入附加電阻后啟動，既可以降低啟動電流，又可以增大啟動轉矩。所以它常用于要求啟動電流不大而啟動轉矩較大的生產機械上，如卷揚機、起重機等，啟動過程結束后，將啟動電阻逐段切除。二、三相異步電動機的制動

因為電動機的轉動部分有慣性，所以把電源切斷后，電動機會繼續(xù)轉動一定時間后停止。為了縮短輔助工時，提高生產機械的生產率和安全起見，往往要求電動機能夠迅速停止和反轉，這就需要對電動機制動。對電動機制動，也就是要求它的轉矩與轉子的轉動方向相反，這時的轉矩稱為制動轉矩。

（一）能耗制動

電動機定子繞組切斷三相電源后迅速接通直流電源。感應電流與直流電產生的固定磁場相互作用，產生的電磁轉矩方向與電動機轉子轉動方向相反，起到制動作用，如圖4-15所示。其特點是制動準確、平穩(wěn)，但需要額外的直流電源。圖4-15

能耗制動示意圖

（二）反接制動

電動機停止時將三相電源中的任意兩相對調，使電動機產生的旋轉磁場改變方向，電磁轉矩方向也隨之改變，稱為制動轉矩，如圖4-16所示。圖4-16

反接制動示意圖

（三）發(fā)電反饋制動

電動機轉速超過旋轉磁場的轉速時，電磁轉矩的方向與轉子的運動方向相反，從而限制轉子的轉速，起到了制動作用，如圖4-17所示。因為當轉子轉速大于旋轉磁場的轉速時，有電能從電動機的定子返回給電源，實際上這時電動機已經轉入發(fā)電機運行，所以，這種制動稱為發(fā)電反饋制動。圖4-17

發(fā)電反饋制動示意圖三、三相異步電動機的調速

三相異步電動機的轉速為

由此式可知，s，f，P都能影響速度n的大小，只要改變其中的某一項的大小，就可改變轉速的大小，也就是說異步電動機調整速度有三種方法調速。

（一）變極調速

通過改變電動機的定子繞組所形成的磁極對數P來調速。因為磁極對數只能是按1，2，3等的規(guī)律變化，所以用這種方法調速，電動機的轉速不能連續(xù)、平滑地進行調節(jié)。

從異步電動機的結構中知道，三相異步電動機定子的磁極對數決定于定子繞組的布置和連接方法，改變磁極數目，可以在定子上裝置兩套獨立繞組，每套繞組有各自的磁極對數，所以可制成具有雙速、三速或四速等不同轉速的多速電動機。

（二）變頻調速

三相異步電動機的同步轉速為

從上式可知，改變三相異步電動機電源頻率f，就可以改變旋轉磁場的同步轉速，以達到調速的目的，如圖4-18所示。變頻調速時可以從基頻向下調，也可以從基頻向上調。變頻調速屬于無級調速，具有機械特性曲線較硬的特點。

變頻調速是通過改變鼠籠式異步電動機定子繞組的供電頻率f來改變同步轉速n0而實現調速的。如能均勻地改變供電頻率f，則電動機的同步轉速n0及電動機的轉速n均可以平滑地改變。

在交流異步電動機的諸多調速方法中，變頻調速的性能最好，其特點是調速范圍大、穩(wěn)定性好、運行效率高。目前已有多種系列的通用變頻器問世，由于使用方便，可靠性高且經濟效益顯著，得到了廣泛的應用。

目前主要采用如圖4-18所示的通用變頻調速裝置。它主要由整流器和逆變器兩大部分組成。整流器先將頻率f為50Hz的三相交流電變換為直流電，再由逆變器變換為頻率f1可調、電壓有效值U1也可調的三相交流電，供給三相鼠籠式電動機。由此可使電動機達到無級調速，并具有較好的機械特性。圖4-18

變頻調速原理

（三）變轉差率調速

通過改變轉子繞組中串接調速電阻的大小來調整轉差率實現平滑調速的，又稱為“變阻調速”。調速電阻的接法與啟動電阻相同，這種方法只適用于繞線式異步電動機，其優(yōu)點是有一定的調速范圍、調速平滑、方法簡便；缺點是串接電阻要有大量的功率損耗，不經濟；在空載或輕載時，調速范圍很小，幾乎不能調速。

因此，這種方法主要用在調速范圍不大，不會在低速下長期運轉的中、小型電動機中，如橋式起重機、卷揚機等。四、三相異步電動機的反轉

因為三相異步電動機的轉動方向是由旋轉磁場的方向決定的，而旋轉磁場的轉向取決于定子繞組中通入三相電流的相序。

所以，要改變三相異步電動機的轉動方向，只要將電動機三相供電電源中的任意兩相對調，這時接到電動機定子繞組的電流相序被改變，旋轉磁場的方向也被改變，電動機就實現了反轉。學習情境3

掌握三相異步電動機的銘牌和選擇

一、三相異步電動機的銘牌數據

制造廠按國標而規(guī)定的電動機在正常工作條件下的運行狀態(tài)稱為異步電動機的額定運行狀態(tài)，表示電動機額定運行情況的各種數據如電壓、電流、功率、轉速等，稱為電動機的額定值，額定值一般標記在電動機的銘牌或產品說明書中。

現以Y132M—4型電動機的銘牌為例進行說明，其銘牌如圖4-19所示。

（1）型號。型號表示電動機的類型和規(guī)格的代號，國家標準規(guī)定，電機型號用漢語拼音大寫字母及國際通用符號和阿拉伯數字組成。圖4-19

三相異步電動機銘牌

（2）功率。電動機在銘牌規(guī)定條件下正常工作時轉軸上輸出的機械功率，稱為額定功率或容量。

（3）電壓。電壓表示電動機在額定運行時定子繞組外加電源線電壓，通常為380V。

（4）電流。電流表示電動機在額定電壓下，輸出額定功率時定子繞組上的額定線電流。

（5）頻率。電動機所接交流電源的