第 4 章交流电动机
4.1三相异步电动机的构造
4.2三相异步电动机的基本原理
4.3异步电动机的电磁转矩与机械特性
4.4三相异步电动机的起动,调速和制动
4.5三相异步电动机的铭牌和选择
4.6其它用途的电动机返回主目录第 4 章交 流 电 动根据电磁感应原理进行机械能与电能互换的旋转机械称为电机 。 其中将机械能转换为电能的电机称为发电机,将电能转换为机械能的电机称为电动机 。 由于生产过程的机械化,电动机作为拖动生产机械的原动机,在现代生产中有着广泛的应用电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类 。 交流电动机又可分为异步电动机 （ 或称感应电动机 ） 和同步电动机 。 异步电动机有单相和三相两种 。 单相电动机一般为 1kW以下的小容量电机,在实验室和日常生活中应用较多 。 三相异步电动机因为具有构造简单,价格低廉,工作可靠,易于控制及使用维护方便等突出优点,在工农业生产中应用很广 。 如工业生产中的轧钢机,起重机,机床,鼓风机等,均用三相异步电动机来拖动 。
4.1三相异步电动机的构造异步电动机由定子和转子两个基本部分组成 。 定子是固定部分,转子是转动部分 。 为了使转子能够在定子中自由转动,定子,转子之间有 0.2~2mm的空气隙 。 图 4 - 1是鼠笼式异步电动机拆开后各个部件的形状 。
一,定子定子主要用来产生旋转磁场,它由定子铁心,定子绕组,
机壳等组成 。
图 4 - 1鼠笼式电动机的各部件
1.
定子铁心是磁路的一部分,为了降低铁心损耗,采用
0.5mm厚的硅钢片 （ 图 4 - 2） 叠压而成,硅钢片间彼此绝缘 。 铁心内圆周上分布有若干均匀的平行槽,用来嵌放定子绕组,如图 4 - 3所示 。
2.
机壳包括端盖和机座,其作用是支承定子铁心和固定整个电机 。 中小型电机机座一般采用铸铁铸造,大型电机机座用钢板焊接而成 。 端盖多用铸铁铸成,用螺栓固定在机座两端 。
图 4- 2定子的硅钢片 图 4 - 3装有三相绕组的定子
A
3,定子绕组定子绕组是电机定子的电路部分,应用绝缘铜线或铝线绕制而成 。 三相绕组对称地嵌放在定子槽内 （ 见图 4 - 3） 。
三相异步电动机定子绕组的三个首端 U1,V1,W1
U2,V2,W2,都从机座上的接线盒中引出,如图 4 - 4 所示 。
图 （ a） 为定子绕组的星形接法； 图 （ b） 为定子绕组的三角形接法 。 三相绕组具体应该采用何种接法,应视电力网的线电压和各相绕组的工作电压而定 。 目前我国生产的三相异步电动机,功率在 4 kW以下者一般采用星形接法；在 4kW以上者采用三角形接法 。
图 4 - 4三相定子绕组的接法
W
1
V
1
U
1
W
2
U
2
V
2
A B C
W
1
V
1
U
1
W
2
U
2
V
2
A B C
( a ) ( b )
Y Y
二,转子转子主要用来产生旋转力矩,拖动生产机械旋转 。 转子由转轴,转子铁心,转子绕组构成 。
1.
转轴用来固定转子铁心和传递功率,一般用中碳钢制成 。
2,转子铁心转子铁心也属于磁路的一部分,也用 0.5mm的硅钢片叠压而成 （ 图 4 - 5） 。 转子铁心固定在转轴上,其外圆均匀分布的槽是用来放置转子绕组的 。
图 4- 5转子的硅钢片
3,转子绕组三相异步电动机的转子绕组分为鼠笼式和绕线式两种 。
1）
鼠笼式转子是由安放在转子铁心槽内的裸导体和两端的短路环连接而成的 。 转子绕组就像一个鼠笼形状 （ 图 4 - 6）
故称其为鼠笼式转子 。
目前,100kW以下的鼠笼式电动机,一般采用铸铝绕组 。
这种转子是将融化了的铝液直接浇注在转子槽内,并连同两端的短路环和风扇浇注在一起,该鼠笼式转子也称为铸铝转子,如图 4 - 7 所示 。
图 4- 6鼠笼绕组 图 4 - 7铸铝转子
2） 绕线式转子绕线式转子绕组与定子绕组相似,也为三相对称绕组,
嵌放在转子槽内 。 三相转子绕组通常连接成星形,即三个末端连在一起,三个首端分别与转轴上的三个滑环 （ 滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘 ） 相连,通过滑环和电刷接到外部的变阻器上 （ 如图 4 - 8）,以便改善电机的起动和调速性能 。
具有绕线式转子的电动机称为绕线式电动机 。 绕线式电动机起动时,为改善起动性能,使转子绕组与外部变阻器相连；
而在正常运转时,将外部变阻器调到零位或直接使三首端短接 。 绕线式电动机由于结构复杂,价格较贵,仅适用于要求有较大起动转矩及有调速要求的场合 。
而鼠笼式电动机由于结构简单,价格低廉,性能可靠及使用维护方便,在生产实际中应用很广泛 。
图 4 - 8绕线式转子绕组与外接变阻器的连接绕组滑环轴电刷变阻器
4.2 三相异步电动机的基本原理三相异步电动机是根据磁场与载流导体相互作用产生电磁力的原理而制成的 。 要了解其作用原理,必须首先理解旋转磁场的产生及其性质 。
一,
1.
图 4 - 9 为最简单的三相异步电动机的定子,三相定子绕组对称放置在定子槽中,即三相绕组首端 U1,V1,W1（ 或末端 U2,V2,W2） 的空间位置互差 120° 。
若三相绕组连接成星形,末端 U2,V2,W2相连,首端 U1、
V1,W1接到三相对称电源上,则在定子绕组中通过三相对称的电流 iU,iV,iW（ 习惯规定电流参考方向由首端指向末端 ）,
其波形如图 4 - 10 所示 。
wtIi mu s in?
)120s in ( wtIi mv
)120s in ( wtIi mw
图 4- 9三相定子绕组作星形连接
C A B
U
1
U
2
W
1
W
2
V
2
V
1
图 4 - 10三相电流的波形
6
T
3
T
2
T
i
U
i
V
i
W
i
t
O
当三相电流流入定子绕组时,各相电流的磁场为交变,
脉动的磁场,而三相电流的合成磁场则是一旋转磁场 。 为了说明问题,在图 4 - 10 中选择几个不同瞬间,来分析旋转磁场的形成 。
(1) t=0 瞬间 （ iU=0； iV为负值； iW为正值 ）,此时,U相绕组 （ U1U2绕组 ） 内没有电流； V相绕组 （ V1V2绕组 ） 电流为负值,说明电流由 V2流进,由 V1流出；而 W相绕组 （ W1W2
绕组 ） 电流为正,说明电流由 W1流进,由 W2流出 。 运用右手螺旋定则,可以确定这一瞬间的合成磁场如图 4 - 11(a)所示,为一对极 (两极 )磁场 。
图 4-11两极旋转磁场
U
1
W
1
V
1
i
W
i
V
U
1
W
1
V
1
i
V
U
1
W
1
V
1
i
W
U
1
W
1
V
1
i
W
i
V
i
U
i
U
U
2
V
2
V
1
W
1
W
2
U
1
S
N
U
2
V
2
V
1
W
1
W
2
U
1
N
S
U
2
V
1
W
2
W
1
U
1
V
2
N
S N
S
V
2
V
1
U
2
U
1
W
2
W
1
( a ) ( b ) ( c ) ( d )
(2) t=T/6瞬间 （ iU为正值； iV为负值； iW=0）,U相绕组电流为正,电流由 U1流进,由 U2流出； V相绕组电流未变； W
相绕组内没有电流 。 合成磁场如图 4 - 11（ b） 所示,同 t=0瞬间相比,合成磁场沿顺时针方向旋转了 60° 。
(3) t=T/3瞬间 （ iU为正值； iV=0； iW为负值 ）,合成磁场沿顺时针方向又旋转了 60°,如图 4 - 11（ c） 所示 。
(4) t=T/2瞬间 （ iU=0； iV为正值； iW为负值 ）,与 t=0瞬间相比,合成磁场共旋转了 180° 。
由此可见,随着定子绕组中三相对称电流的不断变化,
所产生的合成磁场也在空间不断地旋转 。 由上述两极旋转磁场可以看出,电流变化一周,合成磁场在空间旋转 360°
（ 一转 ）,且旋转方向与线圈中电流的相序一致 。
以上分析的是每相绕组只有一个线圈的情况,产生的旋转磁场具有一对磁极 。 旋转磁场的极数与定子绕组的排列有关 。 如果每相定子绕组分别由两个线圈串联而成,如图 4 - 12
所示,其中,U相绕组由线圈 U1U2和 U′1U′2串联组成,V相绕组由 V1V2和 V′1V′2串联组成,W相绕组由 W1W2和 W′1 W′2
串联组成,当三相对称电流通过这些线圈时,便能产生两对极旋转磁场 （ 四极 ） 。
图 4- 12四极定子绕组
U
1
U
2
U
1
′
U
2
′ V
2
′
V
1
′
V
1
V
2
W
2
′
W
1
′
W
1
W
2
U
1
U
2
V
1
V
2
W
1
W
2
U
1
′
U
2
′
V
2
′
V
1
′
W
2
′
W
1
′
A
B
C
当 t=0 时,iU=0； iV为负值； iW为正值 。 即 U相绕组内没有电流； V相绕组电流由 V′2流进,由 V′1流出,再由 V2流进,
由 V1流出； W相绕组电流由 W1流进,由 W2流出,再由 W′1流进,由 W′2流出 。 此时,三相电流的合成磁场如图 4 - 13(a)所示 。 图 4 - 13(b),(c),(d)分别表示当 t=T/6,t=T/3,t=T/2
时的合成磁场 。
从图 4 - 13 不难看出,四极旋转磁场在电流变化一周时,
旋转磁场在空间旋转 180° 。
图 4 -13四极旋转磁场
U
1
U
2
V
1
V
2
W
1
W
2
U
1
′
U
2
′
V
2
′
V
1
′
W
2
′
W
1
′
N
S
N
S
W
1
W
1
′
W
2
W
2
′
U
1
′
V
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S
S
N
N
U
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V
1
U
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V
2
′
U
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′
V
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′
V
1
V
1
′
V
2
V
2
′
S
S
N
N
U
1
′
W
1
U
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W
2
W
2
′
U
1
W
1
′
U
2
′
N N
S
S
U
2
′U
2
U
1
′
U
1
W
1
V
1
W
2
′ V
2
′
W
1
′
V
1
′
W
2V
2
( a ) ( b ) ( c ) ( d )
2.
由以上分析可以看出,旋转磁场的转速与磁极对数,定子电流的频率之间存在着一定的关系 。 一对极的旋转磁场,
电流变化一周时,磁场在空间转过 360° （ 一转 ） ；两对极的旋转磁场,电流变化一周时,磁场在空间转过 180° （ 1/2
转 ） ；由此类推,当旋转磁场具有 p对磁极时,电流变化一周,其旋转磁场就在空间转过 1/p转 。
常转速是以每分钟的转数来表示的,所以旋转磁场转速的计算公式为
p
fn 1
1
60?
式中,n1——旋转磁场的转速,又称同步转速,单位为 r/min ；
f1——定子电流的频率,单位为 Hz ；
p——旋转磁场的极对数 。
国产的异步电动机,定子绕组的电流频率为 50Hz,所以不同极对数的异步电动机所对应的旋转磁场的转速也就不同
（ 如表 4 - 1） 。
表 4- 1
p 1 2 3 4
n1/r(min)-1 3000 1500 1000 750
旋转磁场的转向与电流的相序一致,例如图 4 - 11 和图
4 - 13 中电流的相序为 U-V-W,则磁场旋转的方向为顺时针 。
必须指出,电动机三相绕组的任一相都可以是 U相 （ 或 V相,
W相 ）,而电源的相序总是固定的 （ 正 ） 。 因此,如果我们将三根电源线中的任意两根 （ 如 U和 V） 对调,也就是说,电源的 U相接到 V相绕组上,电源的 V相接到 U相绕组上,在 V相绕组中,流过的电流是 U相电流 iU,而在 U相绕组中,流过的是 V相电流 iV,这时,三相对称的定子绕组中电流的相序为 U-
W-V（ 逆时针 ）,所以旋转磁场的转向也变为逆时针了 。
二,三相异步电动机的工作原理当电动机的定子绕组通以三相交流电时,便在气隙中产生旋转磁场 。 设旋转磁场以 n1的速度顺时针旋转,则静止的转子绕组同旋转磁场就有了相对运动,从而在转子导体中产生了感应电动势,其方向可根据右手定则判断 （ 假定磁场不动,导体以相反的方向切割磁力线 ） 。 如图 4 - 14所示,
可以确定出上半部导体的感应电动势垂直纸面向外,下半部导体的感应电动势垂直于纸面向里 。 由于转子电路为闭合电路,在感应电动势的作用下,产生了感应电流 。
图 4 - 14异步电动机的工作原理
n
2
N
n
1
S
F
F
由于载流导体在磁场中要受到力的作用,因此,可以用左手定则确定转子导体所受电磁力的方向如图 4 - 14 所示 。
这些电磁力对转轴形成一电磁转矩,其作用方向同旋转磁场的旋转方向一致 。 这样,转子便以一定的速度沿旋转磁场的旋转方向转动起来 。
从上面的分析可以知道,异步电动机电磁转矩的产生必须具备下列条件,① 气隙中有旋转磁场； ② 转子导体中有感应电流 。 不难知道,在三相对称的定子绕组中通以三相对称的电流就能产生旋转磁场,而闭合的转子绕组在感应电动势的作用下能够形成感应电流,从而产生相应的电磁力矩 。
如果旋转磁场反转,。
电动机不带机械负载的状态称为空载 。 这时负载转矩是由轴与轴承之间的摩擦力及风阻力等造成的,称为空载转矩,
其值很小 。 这时电动机的电磁转矩也很小,但其转速 n0（ 称空载转速 ） 很高,接近于同步转速 。
异步电动机的工作原理与变压器有许多相似之处,如二者都是依靠工作磁通为媒介来传递能量；异步电动机每相定子绕组的感应电动势 E1也近似与外加电源电压 U1平衡,
U1≈E1=4.44f1N1Φk1 (4 - 3)
式 (4 - 3)中,k1为定子绕组系数,与电动机的结构有关；
Φ为旋转磁场的每极平均磁通 。
同样,异步电动机定子电路与转子电路的电流也满足磁通势平衡关系,
i1N1+i2N2=i0N1 (4 - 4)
由式 (4 - 4)可知：当异步电动机的负载增大时,转子电流增大,在外加电压不变时,定子绕组电流也增大,从而抵消转子磁通势对旋转磁通的影响 。 可见,同变压器类似,定子绕组电流是由转子电流来决定的 。
当然,异步电动机与变压器也有许多不同之处 。 如变压器是静止的,而异步电动机是旋转的；异步电动机的负载是机械负载,输出为机械功率,而变压器的负载为电负载,输出的是电功率；此外,异步电动机的定子与转子之间有空气隙,所以它的空载电流较大 （ 约为额定电流的 20%～ 40%） ；
异步电动机的定子电流频率与转子电流频率一般是不同的 。
三,
异步电动机的转子转速 n低于同步转速 n1,两者的差值
(n1-n)称为转差 。 转差就是转子与旋转磁场之间的相对转速 。
转差率就是相对转速 （ 即转差 ） 与同步转速之比,用 s
表示,
s= (4 - 5)
转差率是分析异步电动机运转特性的一个重要参数 。
在电动机起动瞬间,n=0,s=1；当电动机转速达到同步转速 （ 为理想空载转速,电动机实际运行中不可能达到 ） 时,
n=n1,s=0。 由此可见,异步电动机在运行状态下,转差率的范围为 0＜ s＜ 1；在额定状态下运行时,s=0.02～ 0.06。
由式 （ 4 - 2） 和式 （ 4 - 5） 可得
1
1 1
n
n?
p
fsnsn 1
1
60)1()1(
例 4.1 一台三相四极 50Hz异步电动机,已知额定转速为
1440 r/min。 求额定转差率 sN 。
解 该电动机的同步转速为
n1=
因而电动机的额定转差率为
m i n/1 5 0 02 506060 11 rp fn
04.0
1 5 0 0
1 4 4 01 5 0 0
1
1
n
nns
N
4.3异步电动机的电磁转矩与机械特性如上所述,异步电动机之所以能够转动,是因为转子绕组中产生感应电动势,从而产生转子电流,此电流同旋转磁场的磁通作用产生电磁转矩之故 。 因此,在讨论电动机的转矩之前,必须弄清楚转子电路的各物理量及其它们之间的关系 。
一,转子电路各量的分析
1,转子电动势与转子电流频率与变压器类似,转子绕组中感应电动势 E2的有效值为
E2=4.44 f2N2Φk2 (4 - 7)
式中,f2——转子电流频率；
k2——转子绕组系数 。
因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n1-n,所以
1
1
1
11
2 6060
)( sfpn
n
nnnnpf
从式 (4 - 8)可知,转子电流频率与转差率有关,也就是与转速 n有关 。 在电动机起动瞬间,即 n=0,则 s=1,f2=f1；在额定负载下,s=0.02～ 0.06,当 f1=50Hz时,则转子电流频率约为
1~3Hz。
将式 （ 4 - 8） 代入式 (4 - 7)可得
E2=4.44sf1N2Φk2=sE20 (4 - 9)
式中,E20=4.44f1N2Φk2,为转子静止时 （ 起动瞬间 ） 的感应电动势 。 式 （ 4 - 9） 表明,转子电动势与转差率也有关 。
2,转子电抗转子电抗是由转子漏磁通 Φσ2引起的,其值为
Xσ2=2πf2Lσ2=2πsf1Lσ2=sX20 (4 - 10)
式中,Lσ2——转子绕组的漏电感；
X20——转子静止时的电抗,X20=2πf1Lσ2。
由式（ 4 - 10）可知,转子旋转得越快,则转子电抗越小
3,转子电流转子绕组的电阻为 R2,电抗为 Xσ2,故其阻抗为 |Zσ2|=
.)( 202022 sXR?
因此,
I2=
式 (4 - 11)表明,转子电流随转差率的增大而增大 。 其变化规律如图 4 - 15 所示 。
4,转子功率因数转子电路为感性电路,其转子电流总是滞后于转子电势 φ2 角度,所以转子电路功率因数为
2
20
2
2
20
2
2
)( sXR
sE
Z
E
2
20
2
2
2
2
2
)(
c o s
sXR
R
Z
R
图 4-15 I2和 cosφ2与转差率 s的关系式 (4 - 12)说明,转子电路的功率因数随转差率的增大而下降 。 其变化规律如图 4 - 15 所示 。
I
2
I
2
c o s
2
c o s
2
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 s
二,三相异步电动机的电磁转矩
1,电磁转矩电磁转矩是三相电动机最重要的物理量之一 。 可以证明,
T=cTΦI2 cosφ2 (4 - 13)
式中,cT ——异步电动机的转矩常数,与电动机自身的结构有关；
Φ——磁极平均磁通,在电源电压和频率一定时,其值为常量 。
电磁转矩与转差率之间的关系 T=f(s)称为电动机的转矩特性,将式 （ 4 - 11）,(4 - 12)代入式 （ 4 - 13）,可得由于因此式（ 4 - 14）也可写成
2
20
2
2
2
2
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)()( sXR
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sXR
sR
UcT T
式 (4 -15)中,c′T为常量,而电磁转矩与电源电压的平方成正比,所以,电源电压的波动对异步电动机的转矩影响很大 。
2.
由式 （ 4 - 14） 和式 （ 4 - 15） 可知,在电源电压和频率一定时,则 Φ,E20及 X20均为常数 。 因而,电磁转矩仅与转差率有关 。
(1) 在 s很小时 （ 如 s=0~0.2）,(sX20)2,则 T∝ s。
(2) 当 s较大时 （ 如 s=0.2~1）,(sX20)2,则 T∝ 。
所以,当 s从 0到 1变化过程中,在 s很小时,转矩随着 s
增大而增大； 而当 s较大时,转矩随着 s增大而减小 。 由此,
可以绘出转矩特性曲线如图 4 - 16 所示 。
22R
22R S1
图 4 -16异步电动机的转矩曲线
s
T
T
N
T
m
A
T
st
O s
m
从图 4 - 16 可以看出,电磁转矩的最大值为 Tm,最大转矩时的转差率为 sm。 sm称临界转差率 。 利用数学分析,取
=0,即可求出
ds
dT
20
2
X
RS
m?
20
2
2
1
X
UCT
Tm
由式 (4 - 16)可知,因鼠笼式电动机的转子电阻 R2很小,所以 sm也很小 。 对于绕线式电动机,由于可以外接电阻,因而可以改变转子回路电阻从而改变 sm,如图 4 - 17 所示 。 利用这一原理可以调节绕线式电动机的转速 。
图 4 - 17不同转子电阻时的转矩曲线
s
T
0 s
m
s
m
s
m
1′ ″
′R
2
″R
2
R
2
R
2
＞ R
2
＞ R
2
′″
式 (4 - 17)表明,在电机结构一定时,最大转矩 Tm只与电源电压有关 。
三,
电力拖动系统中,为了便于分析,通常将 T=f(s)曲线改画成 n=f(T)曲线,后者称为电动机的机械特性曲线,所以,电动机的机械特性就是指电动机的转速和电动机的电磁转矩之间的关系 。
参照图 4 - 16,将曲线 T=f(s)中的 s坐标换成转子的转速 n，
并按顺时针方向转过 90°,再将表示 T的横轴下移,即可得异步电动机的机械特性曲线 。 如图 4 - 18 所示 。
图 4 – 18 三相异步电动机的机械特性曲线
T
A
B
n
2
T
N
T
m
T
st
C
O
研究机械特性的目的是为了分析电动机的运行性能 。 图
4 - 18 中,BC为不稳定运行阶段,AB为稳定运行区 。 在稳定区,若电动机拖动的负载发生变化,电动机能适应负载的变化而自动调节达到稳定运行 。
下面介绍异步电动机机械特性曲线上的三个特征转矩 。
1,额定转矩 TN
电动机在额定状态下运行的转矩 TN,可由铭牌上的 PN和
nN
TN=9550
N
N
n
P
式 (4 -18)中,PN的单位为 kW,nN的单位为 r/min,TN的单位为 N·m 。
2,最大转矩 Tm
由式 （ 4 - 17） 可以确定最大转矩 。 应当注意,当电动机的负载转矩大于最大转矩时,电动机就要停转,所以最大转矩也称为停转转矩 。 此时,电动机的电流可达额定电流的 3~5倍,
电机会因严重过热而烧坏绕组 。
最大转矩对电动机的稳定运行有重要意义 。 当电动机负载增大而过载时,电磁转矩接近于最大转矩,此时应当保证电动机稳定运行,不因短时过载而停转 （ 但长时间过载也会造成电机过热损坏 ） 。 因此,要求电动机要有一定的过载能力 。 电动机的过载能力可用下式表示：
N
m
T T
T
λT即为电动机的过载能力 。 一般三相异步电动机的过载能力在 1.8～ 2.2范围内 。
3,起动转矩 Tst
起动转矩为电动机起动瞬间 (n=0,s=1)的转矩 。 只有在起动转矩大于负载转矩时,异动电动机才能起动 。 起动转矩大,
起动迅速 。 因此,应用起动转矩倍数 Kst来反映异步电动机起动能力 。
Kst= TstTN (4 - 20)
一般三相异步电动机的 Kst=1.0~2.2。
综上所述,三相交流异步电动机有如下主要特点,异步电动机有较硬的机械特性,即随着负载的变化而转速变化较小； 异步电动机有较大的过载能力和起动能力；电源电压的波动对异步电动机的工作影响较大 。
4.4三相异步电动机的起动、
一般,对异步电动机的工作特性有很多要求,如要求起动转矩足够大,起动电流不能太大,同时要有一定的调速范围等 。
一,三相异步电动机的起动从异步电动机接入电源,转子开始转动到稳定运转的过程,称为起动 。 在起动开始的瞬间 （ n=0,s=1）,转子和定子绕组中都有很大的起动电流 。
一般中,小型鼠笼式电动机的定子起动电流 （ 线电流 ）
大约是额定电流的 4~7 倍 。 过大的起动电流会造成输电线路的电压降增大,容易对处在同一电网中的其它电器设备的工作造成危害,例如,使照明灯的亮度减弱,使邻近异步电动机的转矩减小等 。 另外,虽然转子电流较大,但由于转子电路的功率因数 cosφ2很低,起动转矩并不是很大 。
为了改善电动机的起动过程,要求电动机在起动时既要把起动电流限制在一定数值内,同时要有足够大的起动转矩,
以便缩短起动过程,提高生产率 。
下面分别介绍鼠笼式电动机和绕线式电动机的起动方法。
1,鼠笼式电动机的起动鼠笼式电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种 。
1) 直接起动直接起动就是利用闸刀开关将电动机直接接入电网使其在额定电压下起动,如图 4 - 19 电路所示 。 这种方法最简单,设备少,投资小,起动时间短,但起动电流大,起动转矩小,一般只适用于小容量电动机 （ 7.5 kW以下 ） 的起动 。
较大容量的电动机,在电源容量也较大的情况下,可参考以下经验公式确定能否直接起动：
)(4
)
4
3
KW
KV A
I
I
N
st
电动机容量供电变压器容量（
式 (4- 21)的左边为电动机的起动电流倍数,右边为电源允许的起动电流倍数 。 只有满足该条件,方可采用直接起动 。
2) 降压起动降压起动的主要目的是为了限制起动电流,但同时也限制了起动转矩,因此,这种方法只适用于轻载或空载情况下起动 。 常用的降压起动方法有下列几种：
(1) 定子电路中串电抗器起动 。
这种起动方法是在电动机定子绕组的电路中串入一个三相电抗器,其接线如图 4 - 20 所示 。
图 4 - 19直接起动线路 图 4 - 20串电抗器起动
U V W
Q S
1
FU
M
3 ~
U V W
Q S
1
FU
Q S
2
M
3 ~
(2)Y-△ 起动 。
这种方法只适用于正常运转时定子绕组作三角形连接的电动机 。 起动时,先将定子绕组改接成星形,使加在每相绕组上的电压降低到额定电压的 1/3,从而降低了起动电；
待电动机转速升高后,再将绕组接成三角形,使其在额定电压下运行 。 Y-△ 起动线路如图 4 - 21 所示 。
可以证明,星形起动时的起动电流 （ 线电流 ） 仅为三角形直接起动时电流 （ 线电流 ） 的 1/3,即 IYst=(1/3)I△ st； 其起动转矩也为后者的 1/3,即
TYst=(1/3)T△ st。
图 4 - 21 Y- 起动线路图
U V W
Q S
1
FU
U
1
W
1
W
2
U
2
V
1
V
2
Q S
2
△ ( 运行 )
Y( 起动 )
Y-△ 起动的优点是起动设备简单,成本低,能量损失小 。 目前,4~100 kW的电动机均设计成 380 V三角形连接,
所以,这种方法有很广泛的应用意义 。
(3) 自耦变压器起动 。
对容量较大或正常运行时作星形连接的电动机，可应用自耦变压器降压起动。
自耦变压器上备有抽头,以便根据所要求的起动转矩来选择不同的电压 。 如 QJ3型的抽头比 (U2/U1)为 40%,60%,80%。
同样可以证明,自耦变压器降压起动电流为直接起动电流的 1/K2；其起动转矩也为后者的 1/K2。 这里,K为变压器的变压比 （ K=U1/U2） 。
自耦变压器降压起动的优点是不受电动机绕组接线方法的限制,可按照允许的起动电流和所需的起动转矩选择不同的抽头,常用于起动容量较大的电动机 。 其缺点是设备费用高,不宜频繁起动 。
例 4.2 一台三角形连接的三相鼠笼式异步电动机,已知
PN=10kW,UN=380V,IN=20 A,nN=1450r/min,由手册查得 Ist/IN=7,Tst/T=1.4,拟半载起动,电源容量为 200kVA,
试选择适当的起动方法,并求此时的起动电流和起动转矩 。
解 ① 直接起动,
根据式（ 4 - 21)
)(
)(
4
3
KW
KVA
I
I
N
st
电动机容量供电变压器容量
可得
75.5104 2 0 0437
N
st
I
I
所以不能采用直接起动 。
② Y-△ 起动：
TYst=
NNst TTT 47.04.13
1
3
1
Y-△ 起动 。
③ 自耦变压器起动,
由题意知 Tst=1.4TN,T′st=0.5TN 。
按 T′st=Tst/K2可得 K=1.67,即 1/K=0.6,故将变压器抽头置于 60% 位置,可用该方法起动 。 此时
mNnPT
N
N
N,86.651 4 5 0
109 5 5 09 5 5 0
AIkI stst 4.502076.01 2
mNTkT stst 2.3386.654.16.01 2
2.
，
如图 4 - 23 所示 。 起动时,先将起动变阻器调到最大值,
使转子电路电阻最大,从而降低起动电流和提高起动转矩 。
随着转子转速的升高,逐步减小变阻器电阻 。 起动完毕时,
切除起动电阻 。
绕线式电动机常用于要求起动转矩较大的生产机械上,
如卷扬机,锻压机,起重机及转炉等 。
绕线式电动机还有另一种起动方法,是在转子回路中串联一个频敏变阻器,具体电路原理可参阅有关资料 。
4-23绕线式电动机的启动线路
A B C
二,三相异步电动机的反转根据电动机的转动原理,如果旋转磁场反转,则转子的转向也随之改变 。 改变三相电源的相序 (即把任意两相线对调 ),就可改变旋转磁场的方向 。
三,
由式 （ 4 - 6） 知,改变电动机的转速可有三种方式,即改变电源频率 f1,极对数 p和转差率 s。
1,变频调速近年来,交流变频调速在国内外发展非常迅速 。 由于晶闸管变流技术的日趋成熟和可靠,变频调速在生产实际中应用非常普遍,它打破了直流拖动在调速领域中的统治地位 。
交流变频调速需要有一套专门的变频设备,所以价格较高 。
但由于其调速范围大,平滑性好,适应面广,能做到无级调速,因此它的应用将日益广泛 。
2,变极调速改变磁极对数,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,该调速方法无法做到平滑调速 。
因为变极调速经济,简便,因而在金属切削机床中经常应用 。
3,变转差率调速在绕线式电动机的转子电路中,接入调速变阻器,改变转子回路电阻,即可实现调速 。 这种调速方法也能平滑地调节电动机的转速,但能耗较大,效率低,目前,主要应用在起重设备中 。
四,三相异步电动机的制动由于电动机转动部分有惯性,所以电动机脱离电源后,
还会继续转动一段时间才能停止 。 为了提高生产率,保障安全,某些生产机械要求电动机能迅速停转,这就需要对电动机进行制动 。 制动的方法较多,如机械制动,电气制动等 。
以下仅对常见的电气制动作一简要的介绍 。
1.
这种制动方法是在电动机脱离三相电源的同时,将定子绕组接入直流电源,从而在电动机中产生一个不旋转的直流磁场,如图 4 - 25 所示 。
图 4 -25能耗制动
A B C
QS
＋
－
R
n
2
N
S
T
B
F
B
F
B
M
3 ~
此时,由于转子的惯性而继续旋转,根据右手定则和左手定则不难确定,转子感应电流和直流磁场相互作用所产生的电磁转矩与转子转动方向相反,称为制动转矩,电动机在制动转矩的作用下就很快停止 。 由于该制动方法是把电动机的旋转动能转变为电能消耗在转子电阻上,故称能耗制动 。
能耗制动能量消耗小,制动平稳,无冲击,但需要直流电源,主要应用于要求平稳准确停车的场合 。
2.
在电动机停车时,可将三相电源中的任意两相电源接线对调,此时旋转磁场便反向旋转,转子绕组中的感应电流及电磁转矩方向改变,与转子转动方向相反,因而成为制动转矩 。
在制动转矩的作用下，电动机的转速很快下降到零。应当注意，当电动机的转速接近于零时，应及时切断电源，以防电动机反转。反接制动的电路原理如图 4 -26 所示。
反接制动线路简单,制动力大,制动效果好,但由于制动过程中冲击大,制动电流大,不宜在频繁制动的场合下使用 。
图 4 -26反接制动
A B C
n
2
N
S
T
B
F
B
F
Bn
1
M
3 ~
4.5三相异步电动机的铭牌和选择一,三相异步电动机的铭牌如某三相异步电动机铭牌如下,现对铭牌的各项数据作些简要介绍 。
型号 Y160M-6 功率 7.5kW 频率 50Hz
电压 380V 电流 17A 接法 △
转速 970r/min 绝缘等级 B 工作方式连续年 月 编号 ×× 电机厂
(1) 型号 。 型号用来表示电动机的种类和形式,由汉语拼音字母,国际通用符号和阿拉伯数字组成 。
如 Y160M - 6 中：
Y——产品代号,三相异步电动机；
160——机座中心高 160 mm；
M——机座长度代号 （ M表示中机座,S表示短机座,L
表示长机座 ）
6——磁极数 。
各类常见电动机的产品名称代号及其意义如下：
YR——绕线型三相异步电动机；
YB——防爆型异步电动机；
YZ—— 起重,冶金用异步电动机；
YQ——高起动转矩异步电动机；
YD——多速三相异步电动机 。
(2) 额定功率 。 额定功率为电动机在额定状态下运行时,
转子轴上输出的机械功率,单位为 kW。
(3) 额定电压和接法 。 额定电压指定子绕组按铭牌上规定的接法连接时应加的线电压值 。
Y系列电动机功率在 4 kW以上均采用三角形连接,以便采用 Y-△ 接法。
(4) 额定电流 。 额定电流指电动机在额定运行情况下,
定子绕组取用的线电流值 。
(5) 额定转速 。 额定转速为电动机在额定运行状态时的转速,单位为 r/min。
(6) 额定频率 。 额定频率指额定电压的频率,国产电动机均为 50 Hz。
(7) 温升及绝缘等级 。 绝缘等级是电动机定子绕组所用的绝缘材料的等级 。 温升是电动机运行时绕组温度允许高出周围环境温度的数值 。 绝缘等级及极限工作温度列于表 4 - 2。 表中极限工作温度是指电动机运行时绝缘材料的最高允许温度 。
表 4-2绝缘等级及极限工作温度绝缘等级 A E B F H C
极限工作温度（ 。 C)
105 120 130 155 180 >180
(8) 工作方式 。 工作方式即电动机的运行方式 。 按负载持续时间的不同,国家标准把电动机分成三种工作方式：
连续工作制,短时工作制和断续周期工作制 。
除了铭牌数据外,还可以根据有关产品目录或电工手册查出电动机的其它一些技术数据 。
二,三相异步电动机的选择
1,功率选择功率选择的原则是根据拖动的负载,最经济,合理地确定电动机的功率 。 要防止选择的功率过大,避免出现,大马拉小车,现象,既浪费能源,又增加了投资；同时也应当防止选择的功率过小,电动机可能在过载状态下工作,很容易烧坏定子绕组 。 电动机的功率选择,一般按电动机的工作方式通过计算确定 。 详细的计算方法可参阅有关电机手册 。
实践证明,电动机在接近额定状态下工作时,定子电路的功率因数最高 。
2,类型的选择电动机的类型选择,应根据生产机械的要求,从技术和经济方面全面考虑,进行选择 。 生产机械不带负载起动的,通常采用鼠笼式异步电动机,如一般机床,水泵等；
若要带一定大小的负载起动,可采用高起动转矩电动机；
若起动,制动频繁,且要求起动转矩大,可选用绕线型异步电动机,如起重机,轧钢机等 。
3.
为使电动机在不同的环境中安全可靠地工作,防止电动机可能对环境造成灾害,必须根据不同的环境要求选用适当的防护型式 。 常见的防护型式有：开启式,防护式,
封闭式和防爆式四种 。
4,转速选择电动机的额定转速应根据生产机械的要求选定 。 转速高的电动机,体积小,价格便宜；而转速低的电动机,体积大,
价格贵 。 应当本着经济的目的,结合生产机械传动机构的成本选择合适转速的电动机 。
5.
电压选择主要依据电动机运行场所供电网的电压等级,
同时还应兼顾电动机的类型和功率 。 小容量的电动机额定电压均为 380 V,大容量的电动机有时采用 3 kV和 6 kV的高压电动机 。
例 4.3 一台三相异步电动机的额定功率为 8kW,额定电压为 380V,额定效率为 83%,额定功率因数为 0.89。 试比较
PN和 IN。
解 由于
PN=3UNINηcosφ
故 A
U
PI
N
N
N 1689.083.03803
108
c o s3
3
4.6其它用途的电动机一,单相异步电动机由单相电源供电的异步电动机称为单相异步电动机 。
其基本原理是建立在三相异步电动机的基础上,但在结构,
特性等方面与三相异步电动机有很大的差别 。
1,单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的定子绕组为单相交流绕组,转子绕组为鼠笼式绕组 。 图 4 - 27 为最简单的单相异步电动机的结构与磁场 。
图 4- 27单相电动机的结构和磁场
0
( a )
t
T
4
T
2
T
4
3 T
( b )
当定子绕组中通入单相正弦交流电流时,则在电机中产生一个随时间按正弦规律变化的脉动磁场,磁感应强度可表
B=Bm sinωt (4 - 22)
这个脉动磁场可分解为两个旋转磁场,这两个旋转磁场转速相等,方向相反,且每个旋转磁场的磁感应强度的最大值为脉动磁场磁感应强度最大值的一半,
B1m=B2m=
mB2
1 (4 -23)
在任何瞬间,这两个旋转磁场的合成磁感应强度,始终等于脉动磁场的瞬时值 。 转子不动时,上述两个旋转磁场将分别在转子中产生大小相等,方向相反的电磁转矩,转子上的合成转矩为零,电动机无起动转矩,不能起动 。
但是,如果用某种方法使电动机的转子向某方向转动一下,那么电动机就会沿着某方向持续转动下去 。 这就说明此时两个反向旋转磁场产生的合成转矩不为零 。 其原因如下：
若外力作用使转子顺正向旋转磁场方向 （ 假定为顺时针 ） 转动,此时转子和正向旋转磁场的相对速度变小,其转差率 s+
变小 (＜ 1)；而和反向旋转磁场 （ 假定为逆时针 ） 的相对速度变大,转差率 s-大于 1,即
1
1
1
n
nns
1
1
1
1
n
nn
n
nns
12)1(
1
11
s
n
snn
(4 - 24)
(4 - 25)
同三相异步电动机一样,正向旋转磁场产生正向转矩,
反向旋转磁场产生反向转矩,其转矩特性曲线如图 4 - 28 所示 。 图中 M=f(s)是合成转矩的特性曲线 。 同理,若推动转子逆时针转动,电动机就沿着逆时针方向持续旋转 。
图 4 - 28单相异步电动机的转矩特性曲线
1
1
2
3
2
0 2
0
M
M
＋
M
－
s
＋
M
2,单相异步电动机的起动方法从上述可知,单相异步电动机的转动原理和三相异步电动机类似,但单相异步电动机无起动转矩,所以首先必须解决它的起动问题 。 单相异步电动机的起动方法通常有分相起动和罩极起动两种 。 这里主要介绍电容分相式电动机 。
1)
在单相异步电动机的定子槽中,除嵌有一套主绕组外,
还增加了一套起动绕组 。 图 4 - 29 表示一台最简单的带有起动绕组的单相异步电动机结构 。 在起动绕组中串联的电容器称分相电容 。
图 4 - 29电容分相式单相异步电动机
~
i
1
i
2
U
2
U
1
Z
1
Z
2
C
( a ) ( b )
C
U
1
U
2
Z
2
Z
1
2)
由于起动绕组中串接了电容器,所以在同一单相交流电源中,起动绕组中通过的电流与主绕组通过的电流是不同相位的 。 起动绕组的电流超前于主绕组电流某一角度 。 若电容器的容量合适,则起动绕组的电流超前于主绕组电流约 90°
相位角,如图 4 - 30所示 。 因为这种电动机将单相电流分为两相电流,故称为分相式电动机 。 因此,在两相电流作用下,
这种电动机便可产生两相旋转磁场,如图 4 - 31 所示,原理分析同三相异步电动机 。
图 4-30两相电流波形
0
t
i
i
2
i
1
T
8
T
4
图 4 -31单相电动机的旋转磁场
S
N
U
1
U
2
Z
2
Z
1
( b )
U
2
U
1
S
N
Z
1
Z
2
( a )
N S
Z
2
Z
1
U
1
U
2
( c )
应当指出,单相电动机在起动以后,若将起动绕组断开,
电动机仍能维持旋转 。 与此类似的是三相电动机在运行过程中,如一相断开,电动机成为单相运行,电机虽仍能旋转,
但很容易造成损坏 。
单相异步电动机的效率,功率因数,过载能力都较低,
但因为它能在单相电路中运行,所以也有一定的应用场合,
如家用电器,医疗器械及许多电动工具中,常采用单相异步电动机 。
二,同步电动机同步电动机是一种交流电动机,它的主要特点是转子转速等于同步转速,即
n=n1= (4 - 26)
同步发电机在电力工业中有着很广泛的应用 。 火力发电,水力发电,原子能发电等,几乎全部应用三相同步发电机同步电动机虽然不像异步电动机那样应用广泛,但由于它的功率因数可以调节,并且大多调节在容性状态下运行,这样可以补偿采用异步电动机所需的感性电流,从而提高电力网的功率因数 。 同步电动机常用在中等功率
(50kW)以上,不需调速且转速要求恒定的生产机械中,如大型的空压机,水压机等 。
p
f160
1,同步电动机的基本结构同步电动机按其结构可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种 。 旋转磁极式电动机由于特点突出,在生产实际中有着广泛的应用 。
旋转磁极式同步电动机的定子与三相异步电动机的定子相似,而其转子为磁极,在磁极的铁心上绕有激磁绕组,
该绕组通过电刷,滑环与直流电源相连 。 转子有两种结构型式,分别为凸极式和隐极式,如图 4 - 32 所示 。
图 4 -32
( a ) 凸极式； ( b ) 隐极式
1
2
＋
－
S S
N
N
4
n
1
( a )
＋
－
S
N
n
1 4
3
1
( b )
~
~
2,同步电动机的基本原理当定子绕组中通入三相电流后,便产生了旋转磁场,其转速为 n1。 旋转磁场的磁极对转子的异性磁极产生较强的吸力,吸住转子,使其按旋转磁场的转向并以同步转速而旋转 。
在规定的负载范围内,同步电动机的转速为恒定值 。
同步电动机还有一个突出的特点,即功率因数可调 。 如在一定的负载下,调节直流激磁电流时,可以引起定子电流的相位和大小发生变化,所以,同步电动机的功率因数可以用调节激磁电流大小的方法来调节 。 有时,同步电动机不带负载,专门用来改善电网的功率因数,这样运行的同步电动机称为同步补偿机 。
同步电动机的缺点是它没有起动转矩,所以在其转子上要增加一套起动绕组 。 由于同步电动机结构复杂,价格较贵,所以,在能采用异步电动机的场合,一般不采用同步电动机 。
4.1三相异步电动机的构造
4.2三相异步电动机的基本原理
4.3异步电动机的电磁转矩与机械特性
4.4三相异步电动机的起动,调速和制动
4.5三相异步电动机的铭牌和选择
4.6其它用途的电动机返回主目录第 4 章交 流 电 动根据电磁感应原理进行机械能与电能互换的旋转机械称为电机 。 其中将机械能转换为电能的电机称为发电机,将电能转换为机械能的电机称为电动机 。 由于生产过程的机械化,电动机作为拖动生产机械的原动机,在现代生产中有着广泛的应用电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类 。 交流电动机又可分为异步电动机 （ 或称感应电动机 ） 和同步电动机 。 异步电动机有单相和三相两种 。 单相电动机一般为 1kW以下的小容量电机,在实验室和日常生活中应用较多 。 三相异步电动机因为具有构造简单,价格低廉,工作可靠,易于控制及使用维护方便等突出优点,在工农业生产中应用很广 。 如工业生产中的轧钢机,起重机,机床,鼓风机等,均用三相异步电动机来拖动 。
4.1三相异步电动机的构造异步电动机由定子和转子两个基本部分组成 。 定子是固定部分,转子是转动部分 。 为了使转子能够在定子中自由转动,定子,转子之间有 0.2~2mm的空气隙 。 图 4 - 1是鼠笼式异步电动机拆开后各个部件的形状 。
一,定子定子主要用来产生旋转磁场,它由定子铁心,定子绕组,
机壳等组成 。
图 4 - 1鼠笼式电动机的各部件
1.
定子铁心是磁路的一部分,为了降低铁心损耗,采用
0.5mm厚的硅钢片 （ 图 4 - 2） 叠压而成,硅钢片间彼此绝缘 。 铁心内圆周上分布有若干均匀的平行槽,用来嵌放定子绕组,如图 4 - 3所示 。
2.
机壳包括端盖和机座,其作用是支承定子铁心和固定整个电机 。 中小型电机机座一般采用铸铁铸造,大型电机机座用钢板焊接而成 。 端盖多用铸铁铸成,用螺栓固定在机座两端 。
图 4- 2定子的硅钢片 图 4 - 3装有三相绕组的定子
A
3,定子绕组定子绕组是电机定子的电路部分,应用绝缘铜线或铝线绕制而成 。 三相绕组对称地嵌放在定子槽内 （ 见图 4 - 3） 。
三相异步电动机定子绕组的三个首端 U1,V1,W1
U2,V2,W2,都从机座上的接线盒中引出,如图 4 - 4 所示 。
图 （ a） 为定子绕组的星形接法； 图 （ b） 为定子绕组的三角形接法 。 三相绕组具体应该采用何种接法,应视电力网的线电压和各相绕组的工作电压而定 。 目前我国生产的三相异步电动机,功率在 4 kW以下者一般采用星形接法；在 4kW以上者采用三角形接法 。
图 4 - 4三相定子绕组的接法
W
1
V
1
U
1
W
2
U
2
V
2
A B C
W
1
V
1
U
1
W
2
U
2
V
2
A B C
( a ) ( b )
Y Y
二,转子转子主要用来产生旋转力矩,拖动生产机械旋转 。 转子由转轴,转子铁心,转子绕组构成 。
1.
转轴用来固定转子铁心和传递功率,一般用中碳钢制成 。
2,转子铁心转子铁心也属于磁路的一部分,也用 0.5mm的硅钢片叠压而成 （ 图 4 - 5） 。 转子铁心固定在转轴上,其外圆均匀分布的槽是用来放置转子绕组的 。
图 4- 5转子的硅钢片
3,转子绕组三相异步电动机的转子绕组分为鼠笼式和绕线式两种 。
1）
鼠笼式转子是由安放在转子铁心槽内的裸导体和两端的短路环连接而成的 。 转子绕组就像一个鼠笼形状 （ 图 4 - 6）
故称其为鼠笼式转子 。
目前,100kW以下的鼠笼式电动机,一般采用铸铝绕组 。
这种转子是将融化了的铝液直接浇注在转子槽内,并连同两端的短路环和风扇浇注在一起,该鼠笼式转子也称为铸铝转子,如图 4 - 7 所示 。
图 4- 6鼠笼绕组 图 4 - 7铸铝转子
2） 绕线式转子绕线式转子绕组与定子绕组相似,也为三相对称绕组,
嵌放在转子槽内 。 三相转子绕组通常连接成星形,即三个末端连在一起,三个首端分别与转轴上的三个滑环 （ 滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘 ） 相连,通过滑环和电刷接到外部的变阻器上 （ 如图 4 - 8）,以便改善电机的起动和调速性能 。
具有绕线式转子的电动机称为绕线式电动机 。 绕线式电动机起动时,为改善起动性能,使转子绕组与外部变阻器相连；
而在正常运转时,将外部变阻器调到零位或直接使三首端短接 。 绕线式电动机由于结构复杂,价格较贵,仅适用于要求有较大起动转矩及有调速要求的场合 。
而鼠笼式电动机由于结构简单,价格低廉,性能可靠及使用维护方便,在生产实际中应用很广泛 。
图 4 - 8绕线式转子绕组与外接变阻器的连接绕组滑环轴电刷变阻器
4.2 三相异步电动机的基本原理三相异步电动机是根据磁场与载流导体相互作用产生电磁力的原理而制成的 。 要了解其作用原理,必须首先理解旋转磁场的产生及其性质 。
一,
1.
图 4 - 9 为最简单的三相异步电动机的定子,三相定子绕组对称放置在定子槽中,即三相绕组首端 U1,V1,W1（ 或末端 U2,V2,W2） 的空间位置互差 120° 。
若三相绕组连接成星形,末端 U2,V2,W2相连,首端 U1、
V1,W1接到三相对称电源上,则在定子绕组中通过三相对称的电流 iU,iV,iW（ 习惯规定电流参考方向由首端指向末端 ）,
其波形如图 4 - 10 所示 。
wtIi mu s in?
)120s in ( wtIi mv
)120s in ( wtIi mw
图 4- 9三相定子绕组作星形连接
C A B
U
1
U
2
W
1
W
2
V
2
V
1
图 4 - 10三相电流的波形
6
T
3
T
2
T
i
U
i
V
i
W
i
t
O
当三相电流流入定子绕组时,各相电流的磁场为交变,
脉动的磁场,而三相电流的合成磁场则是一旋转磁场 。 为了说明问题,在图 4 - 10 中选择几个不同瞬间,来分析旋转磁场的形成 。
(1) t=0 瞬间 （ iU=0； iV为负值； iW为正值 ）,此时,U相绕组 （ U1U2绕组 ） 内没有电流； V相绕组 （ V1V2绕组 ） 电流为负值,说明电流由 V2流进,由 V1流出；而 W相绕组 （ W1W2
绕组 ） 电流为正,说明电流由 W1流进,由 W2流出 。 运用右手螺旋定则,可以确定这一瞬间的合成磁场如图 4 - 11(a)所示,为一对极 (两极 )磁场 。
图 4-11两极旋转磁场
U
1
W
1
V
1
i
W
i
V
U
1
W
1
V
1
i
V
U
1
W
1
V
1
i
W
U
1
W
1
V
1
i
W
i
V
i
U
i
U
U
2
V
2
V
1
W
1
W
2
U
1
S
N
U
2
V
2
V
1
W
1
W
2
U
1
N
S
U
2
V
1
W
2
W
1
U
1
V
2
N
S N
S
V
2
V
1
U
2
U
1
W
2
W
1
( a ) ( b ) ( c ) ( d )
(2) t=T/6瞬间 （ iU为正值； iV为负值； iW=0）,U相绕组电流为正,电流由 U1流进,由 U2流出； V相绕组电流未变； W
相绕组内没有电流 。 合成磁场如图 4 - 11（ b） 所示,同 t=0瞬间相比,合成磁场沿顺时针方向旋转了 60° 。
(3) t=T/3瞬间 （ iU为正值； iV=0； iW为负值 ）,合成磁场沿顺时针方向又旋转了 60°,如图 4 - 11（ c） 所示 。
(4) t=T/2瞬间 （ iU=0； iV为正值； iW为负值 ）,与 t=0瞬间相比,合成磁场共旋转了 180° 。
由此可见,随着定子绕组中三相对称电流的不断变化,
所产生的合成磁场也在空间不断地旋转 。 由上述两极旋转磁场可以看出,电流变化一周,合成磁场在空间旋转 360°
（ 一转 ）,且旋转方向与线圈中电流的相序一致 。
以上分析的是每相绕组只有一个线圈的情况,产生的旋转磁场具有一对磁极 。 旋转磁场的极数与定子绕组的排列有关 。 如果每相定子绕组分别由两个线圈串联而成,如图 4 - 12
所示,其中,U相绕组由线圈 U1U2和 U′1U′2串联组成,V相绕组由 V1V2和 V′1V′2串联组成,W相绕组由 W1W2和 W′1 W′2
串联组成,当三相对称电流通过这些线圈时,便能产生两对极旋转磁场 （ 四极 ） 。
图 4- 12四极定子绕组
U
1
U
2
U
1
′
U
2
′ V
2
′
V
1
′
V
1
V
2
W
2
′
W
1
′
W
1
W
2
U
1
U
2
V
1
V
2
W
1
W
2
U
1
′
U
2
′
V
2
′
V
1
′
W
2
′
W
1
′
A
B
C
当 t=0 时,iU=0； iV为负值； iW为正值 。 即 U相绕组内没有电流； V相绕组电流由 V′2流进,由 V′1流出,再由 V2流进,
由 V1流出； W相绕组电流由 W1流进,由 W2流出,再由 W′1流进,由 W′2流出 。 此时,三相电流的合成磁场如图 4 - 13(a)所示 。 图 4 - 13(b),(c),(d)分别表示当 t=T/6,t=T/3,t=T/2
时的合成磁场 。
从图 4 - 13 不难看出,四极旋转磁场在电流变化一周时,
旋转磁场在空间旋转 180° 。
图 4 -13四极旋转磁场
U
1
U
2
V
1
V
2
W
1
W
2
U
1
′
U
2
′
V
2
′
V
1
′
W
2
′
W
1
′
N
S
N
S
W
1
W
1
′
W
2
W
2
′
U
1
′
V
2
S
S
N
N
U
2
V
1
U
1
V
2
′
U
2
′
V
1
′
V
1
V
1
′
V
2
V
2
′
S
S
N
N
U
1
′
W
1
U
2
W
2
W
2
′
U
1
W
1
′
U
2
′
N N
S
S
U
2
′U
2
U
1
′
U
1
W
1
V
1
W
2
′ V
2
′
W
1
′
V
1
′
W
2V
2
( a ) ( b ) ( c ) ( d )
2.
由以上分析可以看出,旋转磁场的转速与磁极对数,定子电流的频率之间存在着一定的关系 。 一对极的旋转磁场,
电流变化一周时,磁场在空间转过 360° （ 一转 ） ；两对极的旋转磁场,电流变化一周时,磁场在空间转过 180° （ 1/2
转 ） ；由此类推,当旋转磁场具有 p对磁极时,电流变化一周,其旋转磁场就在空间转过 1/p转 。
常转速是以每分钟的转数来表示的,所以旋转磁场转速的计算公式为
p
fn 1
1
60?
式中,n1——旋转磁场的转速,又称同步转速,单位为 r/min ；
f1——定子电流的频率,单位为 Hz ；
p——旋转磁场的极对数 。
国产的异步电动机,定子绕组的电流频率为 50Hz,所以不同极对数的异步电动机所对应的旋转磁场的转速也就不同
（ 如表 4 - 1） 。
表 4- 1
p 1 2 3 4
n1/r(min)-1 3000 1500 1000 750
旋转磁场的转向与电流的相序一致,例如图 4 - 11 和图
4 - 13 中电流的相序为 U-V-W,则磁场旋转的方向为顺时针 。
必须指出,电动机三相绕组的任一相都可以是 U相 （ 或 V相,
W相 ）,而电源的相序总是固定的 （ 正 ） 。 因此,如果我们将三根电源线中的任意两根 （ 如 U和 V） 对调,也就是说,电源的 U相接到 V相绕组上,电源的 V相接到 U相绕组上,在 V相绕组中,流过的电流是 U相电流 iU,而在 U相绕组中,流过的是 V相电流 iV,这时,三相对称的定子绕组中电流的相序为 U-
W-V（ 逆时针 ）,所以旋转磁场的转向也变为逆时针了 。
二,三相异步电动机的工作原理当电动机的定子绕组通以三相交流电时,便在气隙中产生旋转磁场 。 设旋转磁场以 n1的速度顺时针旋转,则静止的转子绕组同旋转磁场就有了相对运动,从而在转子导体中产生了感应电动势,其方向可根据右手定则判断 （ 假定磁场不动,导体以相反的方向切割磁力线 ） 。 如图 4 - 14所示,
可以确定出上半部导体的感应电动势垂直纸面向外,下半部导体的感应电动势垂直于纸面向里 。 由于转子电路为闭合电路,在感应电动势的作用下,产生了感应电流 。
图 4 - 14异步电动机的工作原理
n
2
N
n
1
S
F
F
由于载流导体在磁场中要受到力的作用,因此,可以用左手定则确定转子导体所受电磁力的方向如图 4 - 14 所示 。
这些电磁力对转轴形成一电磁转矩,其作用方向同旋转磁场的旋转方向一致 。 这样,转子便以一定的速度沿旋转磁场的旋转方向转动起来 。
从上面的分析可以知道,异步电动机电磁转矩的产生必须具备下列条件,① 气隙中有旋转磁场； ② 转子导体中有感应电流 。 不难知道,在三相对称的定子绕组中通以三相对称的电流就能产生旋转磁场,而闭合的转子绕组在感应电动势的作用下能够形成感应电流,从而产生相应的电磁力矩 。
如果旋转磁场反转,。
电动机不带机械负载的状态称为空载 。 这时负载转矩是由轴与轴承之间的摩擦力及风阻力等造成的,称为空载转矩,
其值很小 。 这时电动机的电磁转矩也很小,但其转速 n0（ 称空载转速 ） 很高,接近于同步转速 。
异步电动机的工作原理与变压器有许多相似之处,如二者都是依靠工作磁通为媒介来传递能量；异步电动机每相定子绕组的感应电动势 E1也近似与外加电源电压 U1平衡,
U1≈E1=4.44f1N1Φk1 (4 - 3)
式 (4 - 3)中,k1为定子绕组系数,与电动机的结构有关；
Φ为旋转磁场的每极平均磁通 。
同样,异步电动机定子电路与转子电路的电流也满足磁通势平衡关系,
i1N1+i2N2=i0N1 (4 - 4)
由式 (4 - 4)可知：当异步电动机的负载增大时,转子电流增大,在外加电压不变时,定子绕组电流也增大,从而抵消转子磁通势对旋转磁通的影响 。 可见,同变压器类似,定子绕组电流是由转子电流来决定的 。
当然,异步电动机与变压器也有许多不同之处 。 如变压器是静止的,而异步电动机是旋转的；异步电动机的负载是机械负载,输出为机械功率,而变压器的负载为电负载,输出的是电功率；此外,异步电动机的定子与转子之间有空气隙,所以它的空载电流较大 （ 约为额定电流的 20%～ 40%） ；
异步电动机的定子电流频率与转子电流频率一般是不同的 。
三,
异步电动机的转子转速 n低于同步转速 n1,两者的差值
(n1-n)称为转差 。 转差就是转子与旋转磁场之间的相对转速 。
转差率就是相对转速 （ 即转差 ） 与同步转速之比,用 s
表示,
s= (4 - 5)
转差率是分析异步电动机运转特性的一个重要参数 。
在电动机起动瞬间,n=0,s=1；当电动机转速达到同步转速 （ 为理想空载转速,电动机实际运行中不可能达到 ） 时,
n=n1,s=0。 由此可见,异步电动机在运行状态下,转差率的范围为 0＜ s＜ 1；在额定状态下运行时,s=0.02～ 0.06。
由式 （ 4 - 2） 和式 （ 4 - 5） 可得
1
1 1
n
n?
p
fsnsn 1
1
60)1()1(
例 4.1 一台三相四极 50Hz异步电动机,已知额定转速为
1440 r/min。 求额定转差率 sN 。
解 该电动机的同步转速为
n1=
因而电动机的额定转差率为
m i n/1 5 0 02 506060 11 rp fn
04.0
1 5 0 0
1 4 4 01 5 0 0
1
1
n
nns
N
4.3异步电动机的电磁转矩与机械特性如上所述,异步电动机之所以能够转动,是因为转子绕组中产生感应电动势,从而产生转子电流,此电流同旋转磁场的磁通作用产生电磁转矩之故 。 因此,在讨论电动机的转矩之前,必须弄清楚转子电路的各物理量及其它们之间的关系 。
一,转子电路各量的分析
1,转子电动势与转子电流频率与变压器类似,转子绕组中感应电动势 E2的有效值为
E2=4.44 f2N2Φk2 (4 - 7)
式中,f2——转子电流频率；
k2——转子绕组系数 。
因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n1-n,所以
1
1
1
11
2 6060
)( sfpn
n
nnnnpf
从式 (4 - 8)可知,转子电流频率与转差率有关,也就是与转速 n有关 。 在电动机起动瞬间,即 n=0,则 s=1,f2=f1；在额定负载下,s=0.02～ 0.06,当 f1=50Hz时,则转子电流频率约为
1~3Hz。
将式 （ 4 - 8） 代入式 (4 - 7)可得
E2=4.44sf1N2Φk2=sE20 (4 - 9)
式中,E20=4.44f1N2Φk2,为转子静止时 （ 起动瞬间 ） 的感应电动势 。 式 （ 4 - 9） 表明,转子电动势与转差率也有关 。
2,转子电抗转子电抗是由转子漏磁通 Φσ2引起的,其值为
Xσ2=2πf2Lσ2=2πsf1Lσ2=sX20 (4 - 10)
式中,Lσ2——转子绕组的漏电感；
X20——转子静止时的电抗,X20=2πf1Lσ2。
由式（ 4 - 10）可知,转子旋转得越快,则转子电抗越小
3,转子电流转子绕组的电阻为 R2,电抗为 Xσ2,故其阻抗为 |Zσ2|=
.)( 202022 sXR?
因此,
I2=
式 (4 - 11)表明,转子电流随转差率的增大而增大 。 其变化规律如图 4 - 15 所示 。
4,转子功率因数转子电路为感性电路,其转子电流总是滞后于转子电势 φ2 角度,所以转子电路功率因数为
2
20
2
2
20
2
2
)( sXR
sE
Z
E
2
20
2
2
2
2
2
)(
c o s
sXR
R
Z
R
图 4-15 I2和 cosφ2与转差率 s的关系式 (4 - 12)说明,转子电路的功率因数随转差率的增大而下降 。 其变化规律如图 4 - 15 所示 。
I
2
I
2
c o s
2
c o s
2
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 s
二,三相异步电动机的电磁转矩
1,电磁转矩电磁转矩是三相电动机最重要的物理量之一 。 可以证明,
T=cTΦI2 cosφ2 (4 - 13)
式中,cT ——异步电动机的转矩常数,与电动机自身的结构有关；
Φ——磁极平均磁通,在电源电压和频率一定时,其值为常量 。
电磁转矩与转差率之间的关系 T=f(s)称为电动机的转矩特性,将式 （ 4 - 11）,(4 - 12)代入式 （ 4 - 13）,可得由于因此式（ 4 - 14）也可写成
2
20
2
2
2
2
20
2
2
20
)()( sXR
R
sXR
sE
CT T
2
20
2
2
2
20 )( sXR
sEEC
T
121
1
2
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11
1 44.4,
44.4 UkUN
NkNfEU
Nf
U
21 )(
20
2
2
2
sXR
sR
UcT T
式 (4 -15)中,c′T为常量,而电磁转矩与电源电压的平方成正比,所以,电源电压的波动对异步电动机的转矩影响很大 。
2.
由式 （ 4 - 14） 和式 （ 4 - 15） 可知,在电源电压和频率一定时,则 Φ,E20及 X20均为常数 。 因而,电磁转矩仅与转差率有关 。
(1) 在 s很小时 （ 如 s=0~0.2）,(sX20)2,则 T∝ s。
(2) 当 s较大时 （ 如 s=0.2~1）,(sX20)2,则 T∝ 。
所以,当 s从 0到 1变化过程中,在 s很小时,转矩随着 s
增大而增大； 而当 s较大时,转矩随着 s增大而减小 。 由此,
可以绘出转矩特性曲线如图 4 - 16 所示 。
22R
22R S1
图 4 -16异步电动机的转矩曲线
s
T
T
N
T
m
A
T
st
O s
m
从图 4 - 16 可以看出,电磁转矩的最大值为 Tm,最大转矩时的转差率为 sm。 sm称临界转差率 。 利用数学分析,取
=0,即可求出
ds
dT
20
2
X
RS
m?
20
2
2
1
X
UCT
Tm
由式 (4 - 16)可知,因鼠笼式电动机的转子电阻 R2很小,所以 sm也很小 。 对于绕线式电动机,由于可以外接电阻,因而可以改变转子回路电阻从而改变 sm,如图 4 - 17 所示 。 利用这一原理可以调节绕线式电动机的转速 。
图 4 - 17不同转子电阻时的转矩曲线
s
T
0 s
m
s
m
s
m
1′ ″
′R
2
″R
2
R
2
R
2
＞ R
2
＞ R
2
′″
式 (4 - 17)表明,在电机结构一定时,最大转矩 Tm只与电源电压有关 。
三,
电力拖动系统中,为了便于分析,通常将 T=f(s)曲线改画成 n=f(T)曲线,后者称为电动机的机械特性曲线,所以,电动机的机械特性就是指电动机的转速和电动机的电磁转矩之间的关系 。
参照图 4 - 16,将曲线 T=f(s)中的 s坐标换成转子的转速 n，
并按顺时针方向转过 90°,再将表示 T的横轴下移,即可得异步电动机的机械特性曲线 。 如图 4 - 18 所示 。
图 4 – 18 三相异步电动机的机械特性曲线
T
A
B
n
2
T
N
T
m
T
st
C
O
研究机械特性的目的是为了分析电动机的运行性能 。 图
4 - 18 中,BC为不稳定运行阶段,AB为稳定运行区 。 在稳定区,若电动机拖动的负载发生变化,电动机能适应负载的变化而自动调节达到稳定运行 。
下面介绍异步电动机机械特性曲线上的三个特征转矩 。
1,额定转矩 TN
电动机在额定状态下运行的转矩 TN,可由铭牌上的 PN和
nN
TN=9550
N
N
n
P
式 (4 -18)中,PN的单位为 kW,nN的单位为 r/min,TN的单位为 N·m 。
2,最大转矩 Tm
由式 （ 4 - 17） 可以确定最大转矩 。 应当注意,当电动机的负载转矩大于最大转矩时,电动机就要停转,所以最大转矩也称为停转转矩 。 此时,电动机的电流可达额定电流的 3~5倍,
电机会因严重过热而烧坏绕组 。
最大转矩对电动机的稳定运行有重要意义 。 当电动机负载增大而过载时,电磁转矩接近于最大转矩,此时应当保证电动机稳定运行,不因短时过载而停转 （ 但长时间过载也会造成电机过热损坏 ） 。 因此,要求电动机要有一定的过载能力 。 电动机的过载能力可用下式表示：
N
m
T T
T
λT即为电动机的过载能力 。 一般三相异步电动机的过载能力在 1.8～ 2.2范围内 。
3,起动转矩 Tst
起动转矩为电动机起动瞬间 (n=0,s=1)的转矩 。 只有在起动转矩大于负载转矩时,异动电动机才能起动 。 起动转矩大,
起动迅速 。 因此,应用起动转矩倍数 Kst来反映异步电动机起动能力 。
Kst= TstTN (4 - 20)
一般三相异步电动机的 Kst=1.0~2.2。
综上所述,三相交流异步电动机有如下主要特点,异步电动机有较硬的机械特性,即随着负载的变化而转速变化较小； 异步电动机有较大的过载能力和起动能力；电源电压的波动对异步电动机的工作影响较大 。
4.4三相异步电动机的起动、
一般,对异步电动机的工作特性有很多要求,如要求起动转矩足够大,起动电流不能太大,同时要有一定的调速范围等 。
一,三相异步电动机的起动从异步电动机接入电源,转子开始转动到稳定运转的过程,称为起动 。 在起动开始的瞬间 （ n=0,s=1）,转子和定子绕组中都有很大的起动电流 。
一般中,小型鼠笼式电动机的定子起动电流 （ 线电流 ）
大约是额定电流的 4~7 倍 。 过大的起动电流会造成输电线路的电压降增大,容易对处在同一电网中的其它电器设备的工作造成危害,例如,使照明灯的亮度减弱,使邻近异步电动机的转矩减小等 。 另外,虽然转子电流较大,但由于转子电路的功率因数 cosφ2很低,起动转矩并不是很大 。
为了改善电动机的起动过程,要求电动机在起动时既要把起动电流限制在一定数值内,同时要有足够大的起动转矩,
以便缩短起动过程,提高生产率 。
下面分别介绍鼠笼式电动机和绕线式电动机的起动方法。
1,鼠笼式电动机的起动鼠笼式电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种 。
1) 直接起动直接起动就是利用闸刀开关将电动机直接接入电网使其在额定电压下起动,如图 4 - 19 电路所示 。 这种方法最简单,设备少,投资小,起动时间短,但起动电流大,起动转矩小,一般只适用于小容量电动机 （ 7.5 kW以下 ） 的起动 。
较大容量的电动机,在电源容量也较大的情况下,可参考以下经验公式确定能否直接起动：
)(4
)
4
3
KW
KV A
I
I
N
st
电动机容量供电变压器容量（
式 (4- 21)的左边为电动机的起动电流倍数,右边为电源允许的起动电流倍数 。 只有满足该条件,方可采用直接起动 。
2) 降压起动降压起动的主要目的是为了限制起动电流,但同时也限制了起动转矩,因此,这种方法只适用于轻载或空载情况下起动 。 常用的降压起动方法有下列几种：
(1) 定子电路中串电抗器起动 。
这种起动方法是在电动机定子绕组的电路中串入一个三相电抗器,其接线如图 4 - 20 所示 。
图 4 - 19直接起动线路 图 4 - 20串电抗器起动
U V W
Q S
1
FU
M
3 ~
U V W
Q S
1
FU
Q S
2
M
3 ~
(2)Y-△ 起动 。
这种方法只适用于正常运转时定子绕组作三角形连接的电动机 。 起动时,先将定子绕组改接成星形,使加在每相绕组上的电压降低到额定电压的 1/3,从而降低了起动电；
待电动机转速升高后,再将绕组接成三角形,使其在额定电压下运行 。 Y-△ 起动线路如图 4 - 21 所示 。
可以证明,星形起动时的起动电流 （ 线电流 ） 仅为三角形直接起动时电流 （ 线电流 ） 的 1/3,即 IYst=(1/3)I△ st； 其起动转矩也为后者的 1/3,即
TYst=(1/3)T△ st。
图 4 - 21 Y- 起动线路图
U V W
Q S
1
FU
U
1
W
1
W
2
U
2
V
1
V
2
Q S
2
△ ( 运行 )
Y( 起动 )
Y-△ 起动的优点是起动设备简单,成本低,能量损失小 。 目前,4~100 kW的电动机均设计成 380 V三角形连接,
所以,这种方法有很广泛的应用意义 。
(3) 自耦变压器起动 。
对容量较大或正常运行时作星形连接的电动机，可应用自耦变压器降压起动。
自耦变压器上备有抽头,以便根据所要求的起动转矩来选择不同的电压 。 如 QJ3型的抽头比 (U2/U1)为 40%,60%,80%。
同样可以证明,自耦变压器降压起动电流为直接起动电流的 1/K2；其起动转矩也为后者的 1/K2。 这里,K为变压器的变压比 （ K=U1/U2） 。
自耦变压器降压起动的优点是不受电动机绕组接线方法的限制,可按照允许的起动电流和所需的起动转矩选择不同的抽头,常用于起动容量较大的电动机 。 其缺点是设备费用高,不宜频繁起动 。
例 4.2 一台三角形连接的三相鼠笼式异步电动机,已知
PN=10kW,UN=380V,IN=20 A,nN=1450r/min,由手册查得 Ist/IN=7,Tst/T=1.4,拟半载起动,电源容量为 200kVA,
试选择适当的起动方法,并求此时的起动电流和起动转矩 。
解 ① 直接起动,
根据式（ 4 - 21)
)(
)(
4
3
KW
KVA
I
I
N
st
电动机容量供电变压器容量
可得
75.5104 2 0 0437
N
st
I
I
所以不能采用直接起动 。
② Y-△ 起动：
TYst=
NNst TTT 47.04.13
1
3
1
Y-△ 起动 。
③ 自耦变压器起动,
由题意知 Tst=1.4TN,T′st=0.5TN 。
按 T′st=Tst/K2可得 K=1.67,即 1/K=0.6,故将变压器抽头置于 60% 位置,可用该方法起动 。 此时
mNnPT
N
N
N,86.651 4 5 0
109 5 5 09 5 5 0
AIkI stst 4.502076.01 2
mNTkT stst 2.3386.654.16.01 2
2.
，
如图 4 - 23 所示 。 起动时,先将起动变阻器调到最大值,
使转子电路电阻最大,从而降低起动电流和提高起动转矩 。
随着转子转速的升高,逐步减小变阻器电阻 。 起动完毕时,
切除起动电阻 。
绕线式电动机常用于要求起动转矩较大的生产机械上,
如卷扬机,锻压机,起重机及转炉等 。
绕线式电动机还有另一种起动方法,是在转子回路中串联一个频敏变阻器,具体电路原理可参阅有关资料 。
4-23绕线式电动机的启动线路
A B C
二,三相异步电动机的反转根据电动机的转动原理,如果旋转磁场反转,则转子的转向也随之改变 。 改变三相电源的相序 (即把任意两相线对调 ),就可改变旋转磁场的方向 。
三,
由式 （ 4 - 6） 知,改变电动机的转速可有三种方式,即改变电源频率 f1,极对数 p和转差率 s。
1,变频调速近年来,交流变频调速在国内外发展非常迅速 。 由于晶闸管变流技术的日趋成熟和可靠,变频调速在生产实际中应用非常普遍,它打破了直流拖动在调速领域中的统治地位 。
交流变频调速需要有一套专门的变频设备,所以价格较高 。
但由于其调速范围大,平滑性好,适应面广,能做到无级调速,因此它的应用将日益广泛 。
2,变极调速改变磁极对数,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,该调速方法无法做到平滑调速 。
因为变极调速经济,简便,因而在金属切削机床中经常应用 。
3,变转差率调速在绕线式电动机的转子电路中,接入调速变阻器,改变转子回路电阻,即可实现调速 。 这种调速方法也能平滑地调节电动机的转速,但能耗较大,效率低,目前,主要应用在起重设备中 。
四,三相异步电动机的制动由于电动机转动部分有惯性,所以电动机脱离电源后,
还会继续转动一段时间才能停止 。 为了提高生产率,保障安全,某些生产机械要求电动机能迅速停转,这就需要对电动机进行制动 。 制动的方法较多,如机械制动,电气制动等 。
以下仅对常见的电气制动作一简要的介绍 。
1.
这种制动方法是在电动机脱离三相电源的同时,将定子绕组接入直流电源,从而在电动机中产生一个不旋转的直流磁场,如图 4 - 25 所示 。
图 4 -25能耗制动
A B C
QS
＋
－
R
n
2
N
S
T
B
F
B
F
B
M
3 ~
此时,由于转子的惯性而继续旋转,根据右手定则和左手定则不难确定,转子感应电流和直流磁场相互作用所产生的电磁转矩与转子转动方向相反,称为制动转矩,电动机在制动转矩的作用下就很快停止 。 由于该制动方法是把电动机的旋转动能转变为电能消耗在转子电阻上,故称能耗制动 。
能耗制动能量消耗小,制动平稳,无冲击,但需要直流电源,主要应用于要求平稳准确停车的场合 。
2.
在电动机停车时,可将三相电源中的任意两相电源接线对调,此时旋转磁场便反向旋转,转子绕组中的感应电流及电磁转矩方向改变,与转子转动方向相反,因而成为制动转矩 。
在制动转矩的作用下，电动机的转速很快下降到零。应当注意，当电动机的转速接近于零时，应及时切断电源，以防电动机反转。反接制动的电路原理如图 4 -26 所示。
反接制动线路简单,制动力大,制动效果好,但由于制动过程中冲击大,制动电流大,不宜在频繁制动的场合下使用 。
图 4 -26反接制动
A B C
n
2
N
S
T
B
F
B
F
Bn
1
M
3 ~
4.5三相异步电动机的铭牌和选择一,三相异步电动机的铭牌如某三相异步电动机铭牌如下,现对铭牌的各项数据作些简要介绍 。
型号 Y160M-6 功率 7.5kW 频率 50Hz
电压 380V 电流 17A 接法 △
转速 970r/min 绝缘等级 B 工作方式连续年 月 编号 ×× 电机厂
(1) 型号 。 型号用来表示电动机的种类和形式,由汉语拼音字母,国际通用符号和阿拉伯数字组成 。
如 Y160M - 6 中：
Y——产品代号,三相异步电动机；
160——机座中心高 160 mm；
M——机座长度代号 （ M表示中机座,S表示短机座,L
表示长机座 ）
6——磁极数 。
各类常见电动机的产品名称代号及其意义如下：
YR——绕线型三相异步电动机；
YB——防爆型异步电动机；
YZ—— 起重,冶金用异步电动机；
YQ——高起动转矩异步电动机；
YD——多速三相异步电动机 。
(2) 额定功率 。 额定功率为电动机在额定状态下运行时,
转子轴上输出的机械功率,单位为 kW。
(3) 额定电压和接法 。 额定电压指定子绕组按铭牌上规定的接法连接时应加的线电压值 。
Y系列电动机功率在 4 kW以上均采用三角形连接,以便采用 Y-△ 接法。
(4) 额定电流 。 额定电流指电动机在额定运行情况下,
定子绕组取用的线电流值 。
(5) 额定转速 。 额定转速为电动机在额定运行状态时的转速,单位为 r/min。
(6) 额定频率 。 额定频率指额定电压的频率,国产电动机均为 50 Hz。
(7) 温升及绝缘等级 。 绝缘等级是电动机定子绕组所用的绝缘材料的等级 。 温升是电动机运行时绕组温度允许高出周围环境温度的数值 。 绝缘等级及极限工作温度列于表 4 - 2。 表中极限工作温度是指电动机运行时绝缘材料的最高允许温度 。
表 4-2绝缘等级及极限工作温度绝缘等级 A E B F H C
极限工作温度（ 。 C)
105 120 130 155 180 >180
(8) 工作方式 。 工作方式即电动机的运行方式 。 按负载持续时间的不同,国家标准把电动机分成三种工作方式：
连续工作制,短时工作制和断续周期工作制 。
除了铭牌数据外,还可以根据有关产品目录或电工手册查出电动机的其它一些技术数据 。
二,三相异步电动机的选择
1,功率选择功率选择的原则是根据拖动的负载,最经济,合理地确定电动机的功率 。 要防止选择的功率过大,避免出现,大马拉小车,现象,既浪费能源,又增加了投资；同时也应当防止选择的功率过小,电动机可能在过载状态下工作,很容易烧坏定子绕组 。 电动机的功率选择,一般按电动机的工作方式通过计算确定 。 详细的计算方法可参阅有关电机手册 。
实践证明,电动机在接近额定状态下工作时,定子电路的功率因数最高 。
2,类型的选择电动机的类型选择,应根据生产机械的要求,从技术和经济方面全面考虑,进行选择 。 生产机械不带负载起动的,通常采用鼠笼式异步电动机,如一般机床,水泵等；
若要带一定大小的负载起动,可采用高起动转矩电动机；
若起动,制动频繁,且要求起动转矩大,可选用绕线型异步电动机,如起重机,轧钢机等 。
3.
为使电动机在不同的环境中安全可靠地工作,防止电动机可能对环境造成灾害,必须根据不同的环境要求选用适当的防护型式 。 常见的防护型式有：开启式,防护式,
封闭式和防爆式四种 。
4,转速选择电动机的额定转速应根据生产机械的要求选定 。 转速高的电动机,体积小,价格便宜；而转速低的电动机,体积大,
价格贵 。 应当本着经济的目的,结合生产机械传动机构的成本选择合适转速的电动机 。
5.
电压选择主要依据电动机运行场所供电网的电压等级,
同时还应兼顾电动机的类型和功率 。 小容量的电动机额定电压均为 380 V,大容量的电动机有时采用 3 kV和 6 kV的高压电动机 。
例 4.3 一台三相异步电动机的额定功率为 8kW,额定电压为 380V,额定效率为 83%,额定功率因数为 0.89。 试比较
PN和 IN。
解 由于
PN=3UNINηcosφ
故 A
U
PI
N
N
N 1689.083.03803
108
c o s3
3
4.6其它用途的电动机一,单相异步电动机由单相电源供电的异步电动机称为单相异步电动机 。
其基本原理是建立在三相异步电动机的基础上,但在结构,
特性等方面与三相异步电动机有很大的差别 。
1,单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的定子绕组为单相交流绕组,转子绕组为鼠笼式绕组 。 图 4 - 27 为最简单的单相异步电动机的结构与磁场 。
图 4- 27单相电动机的结构和磁场
0
( a )
t
T
4
T
2
T
4
3 T
( b )
当定子绕组中通入单相正弦交流电流时,则在电机中产生一个随时间按正弦规律变化的脉动磁场,磁感应强度可表
B=Bm sinωt (4 - 22)
这个脉动磁场可分解为两个旋转磁场,这两个旋转磁场转速相等,方向相反,且每个旋转磁场的磁感应强度的最大值为脉动磁场磁感应强度最大值的一半,
B1m=B2m=
mB2
1 (4 -23)
在任何瞬间,这两个旋转磁场的合成磁感应强度,始终等于脉动磁场的瞬时值 。 转子不动时,上述两个旋转磁场将分别在转子中产生大小相等,方向相反的电磁转矩,转子上的合成转矩为零,电动机无起动转矩,不能起动 。
但是,如果用某种方法使电动机的转子向某方向转动一下,那么电动机就会沿着某方向持续转动下去 。 这就说明此时两个反向旋转磁场产生的合成转矩不为零 。 其原因如下：
若外力作用使转子顺正向旋转磁场方向 （ 假定为顺时针 ） 转动,此时转子和正向旋转磁场的相对速度变小,其转差率 s+
变小 (＜ 1)；而和反向旋转磁场 （ 假定为逆时针 ） 的相对速度变大,转差率 s-大于 1,即
1
1
1
n
nns
1
1
1
1
n
nn
n
nns
12)1(
1
11
s
n
snn
(4 - 24)
(4 - 25)
同三相异步电动机一样,正向旋转磁场产生正向转矩,
反向旋转磁场产生反向转矩,其转矩特性曲线如图 4 - 28 所示 。 图中 M=f(s)是合成转矩的特性曲线 。 同理,若推动转子逆时针转动,电动机就沿着逆时针方向持续旋转 。
图 4 - 28单相异步电动机的转矩特性曲线
1
1
2
3
2
0 2
0
M
M
＋
M
－
s
＋
M
2,单相异步电动机的起动方法从上述可知,单相异步电动机的转动原理和三相异步电动机类似,但单相异步电动机无起动转矩,所以首先必须解决它的起动问题 。 单相异步电动机的起动方法通常有分相起动和罩极起动两种 。 这里主要介绍电容分相式电动机 。
1)
在单相异步电动机的定子槽中,除嵌有一套主绕组外,
还增加了一套起动绕组 。 图 4 - 29 表示一台最简单的带有起动绕组的单相异步电动机结构 。 在起动绕组中串联的电容器称分相电容 。
图 4 - 29电容分相式单相异步电动机
~
i
1
i
2
U
2
U
1
Z
1
Z
2
C
( a ) ( b )
C
U
1
U
2
Z
2
Z
1
2)
由于起动绕组中串接了电容器,所以在同一单相交流电源中,起动绕组中通过的电流与主绕组通过的电流是不同相位的 。 起动绕组的电流超前于主绕组电流某一角度 。 若电容器的容量合适,则起动绕组的电流超前于主绕组电流约 90°
相位角,如图 4 - 30所示 。 因为这种电动机将单相电流分为两相电流,故称为分相式电动机 。 因此,在两相电流作用下,
这种电动机便可产生两相旋转磁场,如图 4 - 31 所示,原理分析同三相异步电动机 。
图 4-30两相电流波形
0
t
i
i
2
i
1
T
8
T
4
图 4 -31单相电动机的旋转磁场
S
N
U
1
U
2
Z
2
Z
1
( b )
U
2
U
1
S
N
Z
1
Z
2
( a )
N S
Z
2
Z
1
U
1
U
2
( c )
应当指出,单相电动机在起动以后,若将起动绕组断开,
电动机仍能维持旋转 。 与此类似的是三相电动机在运行过程中,如一相断开,电动机成为单相运行,电机虽仍能旋转,
但很容易造成损坏 。
单相异步电动机的效率,功率因数,过载能力都较低,
但因为它能在单相电路中运行,所以也有一定的应用场合,
如家用电器,医疗器械及许多电动工具中,常采用单相异步电动机 。
二,同步电动机同步电动机是一种交流电动机,它的主要特点是转子转速等于同步转速,即
n=n1= (4 - 26)
同步发电机在电力工业中有着很广泛的应用 。 火力发电,水力发电,原子能发电等,几乎全部应用三相同步发电机同步电动机虽然不像异步电动机那样应用广泛,但由于它的功率因数可以调节,并且大多调节在容性状态下运行,这样可以补偿采用异步电动机所需的感性电流,从而提高电力网的功率因数 。 同步电动机常用在中等功率
(50kW)以上,不需调速且转速要求恒定的生产机械中,如大型的空压机,水压机等 。
p
f160
1,同步电动机的基本结构同步电动机按其结构可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种 。 旋转磁极式电动机由于特点突出,在生产实际中有着广泛的应用 。
旋转磁极式同步电动机的定子与三相异步电动机的定子相似,而其转子为磁极,在磁极的铁心上绕有激磁绕组,
该绕组通过电刷,滑环与直流电源相连 。 转子有两种结构型式,分别为凸极式和隐极式,如图 4 - 32 所示 。
图 4 -32
( a ) 凸极式； ( b ) 隐极式
1
2
＋
－
S S
N
N
4
n
1
( a )
＋
－
S
N
n
1 4
3
1
( b )
~
~
2,同步电动机的基本原理当定子绕组中通入三相电流后,便产生了旋转磁场,其转速为 n1。 旋转磁场的磁极对转子的异性磁极产生较强的吸力,吸住转子,使其按旋转磁场的转向并以同步转速而旋转 。
在规定的负载范围内,同步电动机的转速为恒定值 。
同步电动机还有一个突出的特点,即功率因数可调 。 如在一定的负载下,调节直流激磁电流时,可以引起定子电流的相位和大小发生变化,所以,同步电动机的功率因数可以用调节激磁电流大小的方法来调节 。 有时,同步电动机不带负载,专门用来改善电网的功率因数,这样运行的同步电动机称为同步补偿机 。
同步电动机的缺点是它没有起动转矩,所以在其转子上要增加一套起动绕组 。 由于同步电动机结构复杂,价格较贵,所以,在能采用异步电动机的场合,一般不采用同步电动机 。
