電機(jī)與機(jī)床電氣控制項目2-交流電動機(jī)的特性及電氣控制原理課件

項目2交流電動機(jī)的特性及電氣控制原理

項目2交流電動機(jī)的特性及電氣控制原理

任務(wù)2.1交流電動機(jī)的概述

活動情境

介紹交流電機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域，以及它們工作時的優(yōu)劣點，重點介紹異步電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點。

任務(wù)要求

通過概述初步了解交流電動機(jī)的相關(guān)知識。

基本活動

交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)可分成同步電機(jī)和異步電機(jī)兩大類，如果電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1相等，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間同步地旋轉(zhuǎn)，這種電機(jī)則稱為同步電機(jī)。如果電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)時不同步，這種電機(jī)則稱為異步電機(jī)。

異步電機(jī)主要用來作為電動機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格便宜、

任務(wù)2.1交流電動機(jī)的概述

活動情境

介紹交流電機(jī)運行可靠、維護(hù)方便、效率較高等優(yōu)點，因此，得到廣泛的應(yīng)用。

電動機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，現(xiàn)代各種生產(chǎn)機(jī)械都廣泛應(yīng)用電動機(jī)來驅(qū)動。

生產(chǎn)機(jī)械由電動機(jī)驅(qū)動，具有很多優(yōu)點：簡化生產(chǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)；提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；能實現(xiàn)自動控制和遠(yuǎn)距離操縱；減輕繁重的體力勞動。

電動機(jī)可分為交流電動機(jī)和直流電動機(jī)兩大類。在生產(chǎn)上主要用的是交流電動機(jī)，特別是三相異步電動機(jī)。

異步電動機(jī)的缺點是功率因素低，運行時必須從電網(wǎng)吸收無功電流來建立磁場，故其功率因素小于1，大量的異步電動機(jī)在電網(wǎng)中運行，使電網(wǎng)的功率因素降低，必須用其他的辦法進(jìn)行補償。

異步電機(jī)也可以作為發(fā)電機(jī)使用，在電網(wǎng)尚未達(dá)到的山區(qū)農(nóng)村，要建立小型水電站時，可以用異步電動機(jī)來發(fā)電，不過異步電動機(jī)的性能較差，只能用于要求不高的地方。運行可靠、維護(hù)方便、效率較高等優(yōu)點，因此，得到廣泛的應(yīng)用。

異步電動機(jī)型號的表示方法，一般采用大寫印刷體的漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成，其中漢語拼音字母是根據(jù)電動機(jī)的全名稱選擇有代表意義的漢字，再用該漢字的第一個拼音字母表示（見表2.1）。

異步電動機(jī)型號的表示方法，一般采用大寫印刷體的漢語拼音字母

每一臺異步電動機(jī)，在其機(jī)座上都有一塊銘牌，銘牌上標(biāo)注著該電動機(jī)的額定參數(shù)值，它是選用、安裝和維修電動機(jī)時的依據(jù)。異步電動機(jī)的銘牌包含下列額定參數(shù)值：

①額定功率Pe。指電動機(jī)在額定運行時，軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW。

②額定電壓Ue。指電動機(jī)在額定運行時，定子繞組上的線電壓，單位為V。

③額定電流Ie。指電動機(jī)在額定電壓和額定頻率下，輸出額定功率時，定子繞組中的線電流，單位為A。

④接法。是指電動機(jī)在額定電壓下，定子三相繞組應(yīng)采用的連接方式，一般有三角形和星形兩種連接方式。

⑤額定頻率fe。表示電動機(jī)所接的交流電源的頻率，我國電力網(wǎng)的頻率規(guī)定為50Hz。

每一臺異步電動機(jī)，在其機(jī)座上都有一塊銘牌，銘牌上標(biāo)注著該電電機(jī)與機(jī)床電氣控制項目2--交流電動機(jī)的特性及電氣控制原理課件

⑥額定轉(zhuǎn)速n。指電動機(jī)在額定電壓、額定電流和額定輸出功率情況下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位r/min。

⑦絕緣等級。指電動機(jī)繞組所用的絕緣材料的絕緣等級，它決定了電動機(jī)繞組的允許溫升，絕緣等級與電動機(jī)的允許溫升見表2.2。

⑥額定轉(zhuǎn)速n。指電動機(jī)在額定電壓、額定電流和額定輸出功率情

對于各種電動機(jī)應(yīng)該了解下列幾個方面的問題：①基本構(gòu)造；②工作原理；③表示轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的機(jī)械特性；④啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速及制動的基本原理和基本方法；⑤應(yīng)用場合和如何正確接用。

任務(wù)2.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

活動情境

三相異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同分為鼠籠型和繞線型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)兩類。鼠籠型和繞線型的定子部分基本相同，所不同的只是轉(zhuǎn)子部分。

任務(wù)要求

1.了解并掌握定子的組成及結(jié)構(gòu)特點。

2.了解并掌握轉(zhuǎn)子的組成及結(jié)構(gòu)特點。

對于各種電動機(jī)應(yīng)該了解下列幾個方面的問題：①基本構(gòu)造；②工

基本活動

三相異步電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部件構(gòu)成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一個很小的空氣隙。此外，還有端蓋、軸承、風(fēng)扇等零部件。

圖2.1鼠籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

基本活動

三相異步電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部件構(gòu)成，定子

2.2.1定子

異步電動機(jī)的定子是由基座、定子鐵芯和定子繞組3個部分組成。

圖2.2小型封閉式異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2.1定子

異步電動機(jī)的定子是由基座、定子鐵芯和定（1）定子鐵芯

定子鐵芯是電動機(jī)磁路的組成部分，旋轉(zhuǎn)磁場對定子鐵芯以同步速度旋轉(zhuǎn)，故對鐵芯內(nèi)某一點來講，磁通是交變的。

圖2.3定子鐵芯及沖片（1）定子鐵芯

定子鐵芯是電動機(jī)磁路的組成部分，旋轉(zhuǎn)磁場對定定子鐵芯疊成后，其內(nèi)圓形成可以安放定子繞組的槽型，定子槽型有半閉口槽、半開口槽和開口槽散裝。

圖2.4定子鐵芯槽型及槽內(nèi)繞組布置

定子鐵芯疊成后，其內(nèi)圓形成可以安放定子繞組的槽型，定子槽型有（2）定子繞組

定子繞組有成型硬繞組和散嵌軟繞組兩種。

（3）機(jī)座

機(jī)座的作用是支撐定子鐵芯和固定端蓋。在中、小型電機(jī)中，端蓋兼有軸承座的作用，則機(jī)座還要支撐電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，故機(jī)座必須有足夠的剛度和強(qiáng)度。

2.2.2氣隙

定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯之間的氣隙：從磁路來考慮，氣隙大，則磁阻大，勵磁電流大，電機(jī)的功率因素降低，從這一角度來考慮，氣隙應(yīng)取較小的數(shù)值，但氣隙太小，電機(jī)帶負(fù)載運行時，就可能發(fā)生定、轉(zhuǎn)子相擦（甚至

“悶車”）；另外，從減少高次諧波磁動勢產(chǎn)生的磁通、減少附加損耗及改善啟動性能來考慮，則氣隙應(yīng)大一些，所以氣隙的大小應(yīng)綜合考慮。（2）定子繞組

定子繞組有成型硬繞組和散嵌軟繞組兩種。

（3

2.2.3轉(zhuǎn)子

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子可分成兩大類：一類是籠型轉(zhuǎn)子；另一類是繞線轉(zhuǎn)子。

圖2.5異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

2.2.3轉(zhuǎn)子

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子可分成兩大類：一類是籠（1）轉(zhuǎn)子鐵芯

轉(zhuǎn)子鐵芯也是電機(jī)磁路的一部分，一般是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。

（2）轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸是支持轉(zhuǎn)子鐵芯和輸出轉(zhuǎn)矩的零件，它必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證負(fù)載時氣隙均勻及轉(zhuǎn)軸本身不致斷裂。

（3）轉(zhuǎn)子繞組

轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠型和繞線轉(zhuǎn)子兩種。

1）鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組

鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組按結(jié)構(gòu)型式可分為單籠和雙籠兩種，按制造繞組時使用的材料可以分成銅料焊接和鋁料鑄造兩種。（1）轉(zhuǎn)子鐵芯

轉(zhuǎn)子鐵芯也是電機(jī)磁路的一部分，一般是用0.5

圖2.6鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)示意圖2）繞線轉(zhuǎn)子繞組

繞線轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組一樣，也是一個用絕緣導(dǎo)線繞成的三相對稱繞組，而且其極數(shù)應(yīng)與該臺電機(jī)的定子繞組的極數(shù)相同，三相繞組通常接成星形，

圖2.6鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)示意圖2）繞線轉(zhuǎn)子繞組

繞線

繞組的三條引出線分別接到3個集電環(huán)上，再經(jīng)由一套電刷裝置引出，使轉(zhuǎn)子繞組與外電路接通，當(dāng)啟動或調(diào)速時可以串接附加電阻。

圖2.7繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)示意圖

繞組的三條引出線分別接到3個集電環(huán)上，再經(jīng)由一套電刷裝置引任務(wù)2.3三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

活動情境

三相異步電動機(jī)能旋轉(zhuǎn)的原因是由定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，然后該旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電動勢和電流，再利用電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生力矩，帶動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。

任務(wù)要求

1.掌握旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生機(jī)理及注意事項。

2.會利用電磁感應(yīng)定律來分析轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原理。

基本活動

三相異步電動機(jī)接上電源，就會轉(zhuǎn)動。這是什么道理呢？為了說明這個轉(zhuǎn)動原理，下面來做個實驗。

如圖2.8所示是一個裝有手柄的蹄形磁鐵，磁極間放有可以自由轉(zhuǎn)動的、由銅條組成的轉(zhuǎn)子。銅條兩端分別用銅環(huán)連接起來，形似鼠籠，作為鼠籠式任務(wù)2.3三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

活動情境

三相異步電轉(zhuǎn)子。磁極和轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械聯(lián)系。當(dāng)搖動磁極時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子跟著磁極一起轉(zhuǎn)動。

從這一實驗得出兩點啟示：第一，有一個旋轉(zhuǎn)的磁場；第二，轉(zhuǎn)子跟著磁場轉(zhuǎn)動。異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原理是與上述實驗相似的。

圖2.8異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動實驗

轉(zhuǎn)子。磁極和轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械聯(lián)系。當(dāng)搖動磁極時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子跟著2.3.1旋轉(zhuǎn)磁場

（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

三相異步電動機(jī)的定子鐵芯中放有三相對稱繞組AX，BY和CZ。設(shè)將三相繞組連接成星形，接在三相電源上，繞組中通入三相對稱電流：

對稱電流如圖2.9所示。取繞組始端到末端的方向作為電流的參考方向。在電流的正半周時，其值為正，其實際方向與參考方向一致；在負(fù)半周時，其值為負(fù)，其實際方向與參考方向相反。

在ωt=0的瞬間，定子繞組中的電流方向如圖2.10（a）所示。

如圖2.10（b）所示的是ωt=60°時定子繞組中電流的方向和三相電流的合成磁場的方向。這時的合成磁場已在空間轉(zhuǎn)過了60°。2.3.1旋轉(zhuǎn)磁場

（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

三相異步電動機(jī)圖2.9三相對稱電流圖2.9三相對稱電流

同理可得，在ωt=90°時的三相電流的合成磁場，它比ωt=60°時的合成磁場在空間又轉(zhuǎn)過了30°，如圖2.10（c）所示。

由上可知，當(dāng)定子繞組中通入三相電流后，它們共同產(chǎn)生的合成磁場是隨電流的交變而在空間不斷地旋轉(zhuǎn)著，這就是旋轉(zhuǎn)磁場。

圖2.10三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（n=1）

同理可得，在ωt=90°時的三相電流的合成磁場，它比ωt=

（2）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向

如圖2.10（c）所示的情況是A相電流iA=+Im，這時旋轉(zhuǎn)磁場軸線的方向恰好與A相繞組的軸線一致。在三相電流中，電流出現(xiàn)正幅值的順序為ABC，因此，磁場的旋轉(zhuǎn)方向是與這個順序一致的，即磁場的轉(zhuǎn)向與通入繞組的三相電流的相序有關(guān)，總是從超前電流的相轉(zhuǎn)向滯后電流的相。

如果將同三相電源連接的3根導(dǎo)線的任意兩根的一端對調(diào)位置（例如，對調(diào)了B與C兩相），則電動機(jī)三相繞組的B相與C相對調(diào)（注意：電源三相端子的相序未變），旋轉(zhuǎn)磁場因此反轉(zhuǎn)。

（3）旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)

三相異步電動機(jī)的極數(shù)就是旋轉(zhuǎn)的極數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)和三相繞組的安排有關(guān)。在上述圖2.11的情況下，每相繞組只有一個線圈，繞組的始端之間相差120°空間角，旋轉(zhuǎn)磁場具有一對極，即p=1（p是磁極對數(shù)）。

（2）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向

如圖2.10（c）所示的情況是A相電圖2.11旋轉(zhuǎn)磁場的反轉(zhuǎn)圖2.11旋轉(zhuǎn)磁場的反轉(zhuǎn)如將定子繞組安排的如圖2.12所示那樣，即每相繞組有兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端之間差60°空間角，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有兩對極，即p=2，如圖2.13所示。

圖2.12產(chǎn)生四級旋轉(zhuǎn)磁場的定子繞組如將定子繞組安排的如圖2.12所示那樣，即每相繞組有兩個線圈圖2.13三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（p=2）圖2.13三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（p=2）

（4）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

至于三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，它與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速決定于磁場的極數(shù)。設(shè)電流的頻率為f1，電流每秒鐘交變f1次或每分鐘交變60f1次，則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n1=60f1。轉(zhuǎn)速單位轉(zhuǎn)每分（r/min）。

推知，當(dāng)轉(zhuǎn)速磁場具有p對極時，磁場的轉(zhuǎn)速為

因此，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n。決定于電流頻率f1和磁場的極對數(shù)p。

在我國，工頻f1=50Hz，于是由式（2.1）可得出對應(yīng)于不同極對數(shù)p的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1（r/min）。

（4）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

至于三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，它與旋轉(zhuǎn)磁2.3.2電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

圖中N，S表示兩極旋轉(zhuǎn)磁場（定子產(chǎn)生的），轉(zhuǎn)子中只顯示出兩根導(dǎo)條（銅或鋁）。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場向順時針方向時，其磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動勢。電動勢的方向由右手定

則確定。在這里應(yīng)用右手定則時，可假設(shè)磁極

不動，而轉(zhuǎn)子導(dǎo)條向逆時針方向旋轉(zhuǎn)切割磁力

線，這與實際上磁極順時針方向旋轉(zhuǎn)時磁力線

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條是相當(dāng)?shù)摹Ｔ陔妱觿莸淖饔孟拢?/p>

閉合的導(dǎo)條中就有電流。電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互

作用，而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力F。電磁力的方

向可用左手定則來確定。由電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)

矩，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動起來。圖2.14轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原理圖

2.3.2電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

圖中N，S表示兩極旋轉(zhuǎn)磁場（

2.3.3轉(zhuǎn)差率

由圖2.14可知，電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n不可能達(dá)到與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1相等，即n<n1。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速之間必須要有差別。這就是異步電動機(jī)名稱的由來，而旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1常稱為同步轉(zhuǎn)速。

用轉(zhuǎn)差率s來表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁場轉(zhuǎn)速n1相差的程度，即

轉(zhuǎn)差率是異步電動機(jī)的一個重要的物理量。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速愈接近磁場轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)差率愈小。

式（2.2）也可寫為

2.3.3轉(zhuǎn)差率

由圖2.14可知，電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方

任務(wù)2.4三相異步電動機(jī)的電路分析

活動情境

采用等效電路的方法分析異步電動機(jī)運行狀態(tài)中的電動勢、電流是有效的方法，而且可以具體分析定子回路、轉(zhuǎn)子回路中的相關(guān)電量數(shù)據(jù)以及它們彼此之間的關(guān)聯(lián)和影響效果。因為異步電動機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的動態(tài)化，所以各個相關(guān)量也是動態(tài)的。

任務(wù)要求

1.會利用等效電路分析具體的定子電路和轉(zhuǎn)子電路。

2.能分析轉(zhuǎn)子回路各種相關(guān)量的關(guān)系及影響。

基本活動

分析異步電動機(jī)運行狀態(tài)中的電動勢、電流，必須采用等效電路的方法。圖2.15是三相異步電動機(jī)的每相電路圖。三相異步電動機(jī)中的電磁關(guān)系同

任務(wù)2.4三相異步電動機(jī)的電路分析

活動情境

采用等效變壓器類似。當(dāng)定子繞組接上三相電源（相電壓為u1）時，則有三相電流（相電流為i1）通過。定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其磁通通過定子和轉(zhuǎn)子鐵芯而閉合。磁場不僅在轉(zhuǎn)子每相繞組中要感應(yīng)出電動勢e2（由此產(chǎn)生電流i2），而且在定子每相繞組中也要感應(yīng)出電動勢e1。此外，還有漏磁通，在定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生漏磁電動勢eσ1和eσ2。

2.4.1定子電路

由圖2.15可得定子每相電路的電壓方程，即

其中，Ф是通過每相繞組的磁通最大量，在數(shù)值上它等于旋轉(zhuǎn)磁場的每

變壓器類似。當(dāng)定子繞組接上三相電源（相電壓為u1）時，則有三圖2.15三相異步電動機(jī)的每相電路圖圖2.16定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組等效電路

圖2.15三相異步電動機(jī)的每相電路圖

極磁通；f1是e1的頻率。因為旋轉(zhuǎn)磁場和定子間的相對轉(zhuǎn)速為n1，所以

2.4.2轉(zhuǎn)子電路

（1）轉(zhuǎn)子頻率

因為旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子間的相對轉(zhuǎn)速為（n1-n），所以轉(zhuǎn)子頻率為

（2）轉(zhuǎn)子電動勢E2

轉(zhuǎn)子電動勢E2的有效值為

在n=0，即s=1時，轉(zhuǎn)子電動勢為

極磁通；f1是e1的頻率。因為旋轉(zhuǎn)磁場和定子間的相對轉(zhuǎn)速為

這時f2=f1，轉(zhuǎn)子電動勢最大。

由上式可得出

（3）轉(zhuǎn)子感抗X2

轉(zhuǎn)子感抗X2與轉(zhuǎn)子頻率f2有關(guān)，即

在n=0，即s=1時，轉(zhuǎn)子感抗為

這時f2=f1，轉(zhuǎn)子感抗最大。此時

（4）轉(zhuǎn)子電流I2

轉(zhuǎn)子每相電路的電流可由式（2.12）得出，即

這時f2=f1，轉(zhuǎn)子電動勢最大。

由上式可得出

（3）

可見轉(zhuǎn)子電流I2也與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)。I2隨s變化的關(guān)系可用圖2.17的曲線表示。

圖2.17I2和cosφ2與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系

可見轉(zhuǎn)子電流I2也與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)。I2隨s變化的關(guān)系可（5）轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)cosφ2

由于轉(zhuǎn)子有漏磁通，相應(yīng)的感抗為X2，因此，I2比E2滯后Ψ2角。因而轉(zhuǎn)子電路的功率因素為

它也與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，當(dāng)s增大時，X2也增大，于是Ψ2增大，即cosφ2減小。

由上述可知，轉(zhuǎn)子電路的各個物理量，如電動勢、電流、頻率、感抗及功率因素等都與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，亦即與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

任務(wù)2.5三相異步電動機(jī)的功率及轉(zhuǎn)矩

活動情境

異步電動機(jī)是通過電磁感應(yīng)作用把電能送到轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)化為軸上輸出的機(jī)械能的，在能量轉(zhuǎn)換的過程中電磁轉(zhuǎn)矩起關(guān)鍵作用。（5）轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)cosφ2

由于轉(zhuǎn)子有漏磁通，相應(yīng)的

任務(wù)要求

1.理解并掌握異步電動機(jī)能量轉(zhuǎn)換及功率傳遞的過程。

2.通過機(jī)械特性的分析，掌握額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、啟動轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用特點。

基本活動

2.5.1功率及功率轉(zhuǎn)換過程

當(dāng)三相異步電動機(jī)穩(wěn)定地負(fù)載運行時，從電源輸入的功率為P1

從等效電路可以看出，在定子電阻R1上要消耗一小部分輸入功率，通常稱為定子銅耗Pcu1。在定子鐵芯中有一小部分輸入功率轉(zhuǎn)變?yōu)闇u流及磁滯損耗，稱為定子鐵耗PFe1。由于轉(zhuǎn)子鐵芯中的頻率在正常運行時僅為1～3Hz，所以轉(zhuǎn)子鐵耗可以忽略不計。輸入功率P1扣掉Pcu1和PFe1后，余下的大部分輸入功率通過旋轉(zhuǎn)磁場的電磁作用經(jīng)過氣隙送到轉(zhuǎn)子，稱為電磁功率PM。

任務(wù)要求

1.理解并掌握異步電動機(jī)能量轉(zhuǎn)換及功率傳遞的過程

圖2.18異步電動機(jī)功率流程圖

圖2.18異步電動機(jī)功率流程圖

由定子和轉(zhuǎn)子繞組等效電路圖2.18可知，傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率有一小部分消耗在轉(zhuǎn)子電阻R2上，成為轉(zhuǎn)子銅耗pcu2。其余的大部分電磁功率則作為電功率輸出。因此Pm在數(shù)值上為

總的機(jī)械功率不能全部輸出，因為異步電動機(jī)運行時還有軸承摩擦及風(fēng)阻的損耗pm以及高次諧波、轉(zhuǎn)子中的橫向電流等引起的附加損耗pad，故軸上輸出的功率P2為

綜上所述，可得

式中稱為電機(jī)的總損耗。

由定子和轉(zhuǎn)子繞組等效電路圖2.18可知，傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功

2.5.2轉(zhuǎn)矩平衡方程式

從運動學(xué)的概念可知，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械功率等于機(jī)械轉(zhuǎn)矩與機(jī)械角速度的乘積，將功率平衡方程式除以轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度Ω，即得轉(zhuǎn)矩平衡方程式

即

式中T——電動機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩；

T2——電動機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；

Tm——機(jī)械損耗轉(zhuǎn)矩；

Tad——附加損耗轉(zhuǎn)矩；

T0——空載轉(zhuǎn)矩，為Tm和Tad之和。

2.5.2轉(zhuǎn)矩平衡方程式

從運動學(xué)的概念可知，旋轉(zhuǎn)機(jī)械

2.5.3轉(zhuǎn)矩公式

對于已制造好的異步電動機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與旋轉(zhuǎn)磁場磁通的大小及轉(zhuǎn)子電流大小密切相關(guān)。可用公式表示為

式中CT——電機(jī)常數(shù)；

cosφ2——轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)。

2.5.4機(jī)械特性曲線

異步電動機(jī)輸出的機(jī)械功率主要表現(xiàn)在輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速上，因此，轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率是異步電動機(jī)的基本變量之一。電磁轉(zhuǎn)矩T變化規(guī)律曲線T=f（s）稱為機(jī)械特性。

2.5.3轉(zhuǎn)矩公式

對于已制造好的異步電動機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩

式中p——極對數(shù);

U1——電動機(jī)外加定子電壓；

f1——定子頻率；

r1,x1σ——定子繞組的電阻和電抗；

r′2,x′2σ——轉(zhuǎn)子繞組的折算電阻和電抗。

當(dāng)異步電機(jī)的定子電壓、頻率及各參數(shù)都為定值時，改變轉(zhuǎn)差率s的大小，根據(jù)用參數(shù)表示的電磁轉(zhuǎn)矩計算公式可算出相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩T，可作出機(jī)械特性T=f（s）曲線。

式中p——極對數(shù);

U1——電動機(jī)外加

圖2.19三相異步電動機(jī)的T=f（s）曲線

圖2.20三相異步電動機(jī)的n=f（T）曲線

圖2.19三相異步電動機(jī)的T=f（s）曲線

圖2.2通過機(jī)械特性曲線，可以得出三相異步電動機(jī)具有如下特點。

①在啟動的瞬間，即s=1時的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩Tst。啟動時，電動機(jī)的啟動電流較大，但轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很小，故啟動轉(zhuǎn)矩Tst并不是很大。

②如轉(zhuǎn)子達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，即s=0，則轉(zhuǎn)子電流I2=0，此時的電磁轉(zhuǎn)矩T=0。

③當(dāng)轉(zhuǎn)差率s達(dá)到某一值時，電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，故稱為最大轉(zhuǎn)矩Tm,對應(yīng)于此時的轉(zhuǎn)差率稱為臨界轉(zhuǎn)差率sm，臨界轉(zhuǎn)差率sm和最大轉(zhuǎn)矩Tm的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

可見，三相異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)電壓的平方成正比，最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)；臨界轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子電阻成正比。通過機(jī)械特性曲線，可以得出三相異步電動機(jī)具有如下特點。

①在

④轉(zhuǎn)子電阻對T=f（s）曲線的影響。當(dāng)sm<1時，隨著轉(zhuǎn)子電阻的增加，啟動轉(zhuǎn)矩變大；要使啟動轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩Tst=Tm，則sm=1，即

此時，在轉(zhuǎn)子回路中應(yīng)串入電阻的折算值為

若轉(zhuǎn)子回路串入的電阻超過該值，sm>1，則說明電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩變小。

⑤對應(yīng)額定負(fù)載時轉(zhuǎn)矩稱為額定轉(zhuǎn)矩TN，相應(yīng)轉(zhuǎn)差率稱為額定轉(zhuǎn)差率sN。

⑥最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為電動機(jī)的過載能力Km，它是衡量電動機(jī)過載能力的一個重要指標(biāo)。

④轉(zhuǎn)子電阻對T=f（s）曲線的影響。當(dāng)sm<1時，隨著轉(zhuǎn)子⑦啟動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst

啟動轉(zhuǎn)矩具有如下特點：

①Tst與電壓U1的平方成正比；

②電抗X20愈大，Tst愈?。?/p>

③轉(zhuǎn)子電阻R2適當(dāng)增大時，Tst會增大。

任務(wù)2.6三相異步電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動

活動情境

因為各種生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常要進(jìn)行啟動、調(diào)速和停車，所以作為原動機(jī)的異步電動機(jī)，其啟動、調(diào)速和制動等性能的好壞，對生產(chǎn)機(jī)械的運行有很大影響，所以要針對不同的運行工況采取相對應(yīng)的運行方法。⑦啟動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst

任務(wù)要求

1.理解并掌握異步電動機(jī)啟動方法及應(yīng)用。

2.理解并掌握異步電動機(jī)調(diào)速方法及應(yīng)用。

3.理解并掌握異步電動機(jī)制動、反轉(zhuǎn)方法及應(yīng)用。

基本活動

2.6.1三相異步電動機(jī)的啟動

三相異步電動機(jī)的啟動是指從電動機(jī)接入電網(wǎng)開始轉(zhuǎn)動，到達(dá)正常運轉(zhuǎn)時的這一過程。

一般衡量三相異步電動機(jī)啟動性能的好壞，主要有以下4點：

①啟動電流盡可能?。?/p>

②啟動轉(zhuǎn)矩要足夠大；

③啟動所需用的設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)、操作方便；

任務(wù)要求

1.理解并掌握異步電動機(jī)啟動方法及應(yīng)用。

2.理

④啟動過程中的功率損耗要盡量小。

具體來講，異步電動機(jī)的啟動主要有以下4種方法：

（1）小容量電動機(jī)空載或輕載啟動——直接啟動

小容量電動機(jī)空載或帶輕載時，可以直接啟動。為了保證電動機(jī)啟動時不引起太大的電網(wǎng)壓降，電動機(jī)應(yīng)滿足下列經(jīng)驗公式的要求：

電動機(jī)能否采用直接啟動方法，這不僅取決于電動機(jī)本身的容量大小，而且還與供電電網(wǎng)容量、供電線路長短、啟動次數(shù)及其他用戶的要求有關(guān)。

（2）中、大容量電動機(jī)空載或輕載啟動——降壓啟動

凡電動機(jī)容量超過前面所述時，就不能直接啟動。要降低啟動電流，最有效的措施就是降壓啟動。

④啟動過程中的功率損耗要盡量小。

具體來講，異步電動機(jī)的啟

降壓啟動是指電動機(jī)在啟動時降低加在定子繞組上的電壓，啟動結(jié)束后再升至額定電壓運行。降壓啟動可以有效地降低電動機(jī)的啟動電流，但由于感應(yīng)電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩和電壓的關(guān)系為

降壓啟動時，電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低，所以，降壓啟動只適用于電動機(jī)空載或輕載啟動。常用的降壓啟動方法有星三角降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動、定子繞組串電阻或電抗降壓啟動、延邊三角形降壓啟動。

1）星三角（Y／△）降壓啟動

星三角降壓啟動是指在額定電壓下正常運行時為三角形接法的電動機(jī)，在啟動時采用星形接法從而使三相定子繞組所承受的每相相電壓降低為額定電壓（電源線電壓）的

倍。

降壓啟動是指電動機(jī)在啟動時降低加在定子繞組上的電壓，啟動結(jié)圖2.21星三角降壓啟動原理線路圖

圖2.21星三角降壓啟動原理線路圖

當(dāng)定子繞組接成星形啟動時，每相繞組所加電壓為U13，設(shè)電動機(jī)啟動時每相阻抗為Zst，則啟動時的線電流為

如用三角形直接啟動時，每相繞組所加電壓為U1，此時線電流為

兩種接線方法啟動電流的比值是

由此可見，用星三角降壓啟動，啟動電流為采用三角形接法直接啟動時的1／3，對降低啟動電流很有效，但由于啟動轉(zhuǎn)矩Tst正比于U21，因此，啟動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低為采用三角形接法直接啟動時的1／3，即啟動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低，故此種方法只能用于空載或輕載啟動的設(shè)備上。

當(dāng)定子繞組接成星形啟動時，每相繞組所加電壓為U13，設(shè)電動

2）自耦變壓器降壓啟動

自耦變壓器降壓啟動也稱啟動補償器啟動，這種啟動方法是利用自耦變壓器來降低啟動時加在定子三相繞組上的電壓，它由三相自耦變壓器和控制開關(guān)等組成。

此時電源供給電動機(jī)的啟動電流為直接啟動時的

倍，因此，用自耦變壓器降壓啟動對限制啟動電流很有效。但采用此種方法降低啟動電流的同時，啟動轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)降低到直接啟動的

倍。

這種啟動方法的優(yōu)點是：可以按容許的啟動電流和所需的啟動轉(zhuǎn)矩選擇自耦變壓器的變比從而實現(xiàn)降壓啟動，而且不論電動機(jī)定子繞組采用星形接法或三角形接法都可使用；缺點是：投資較大，設(shè)備體積大。

2）自耦變壓器降壓啟動

自耦變壓器降壓啟動也稱啟動補償器啟圖2.22自耦變壓器降壓啟動原理線路圖

圖2.22自耦變壓器降壓啟動原理線路圖

（3）小容量電動機(jī)重載啟動——鼠籠電機(jī)的特殊型式

小容量電動機(jī)重載啟動時，啟動的主要問題是啟動轉(zhuǎn)矩不足。針對這種情況，解決的辦法有兩個：其一，是按啟動要求，選擇容量更大的電動機(jī)；其二，是選用啟動轉(zhuǎn)矩較高的特殊型式的電動機(jī)。

（4）中、大容量電動機(jī)重載啟動——繞線電動機(jī)啟動

繞線電機(jī)常用轉(zhuǎn)子串接電阻或轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器的方法改善啟動性能。繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串接電阻時，如果阻值選擇合適，可以既增大啟動轉(zhuǎn)矩，又減小啟動電流，從而使兩對矛盾都得到解決，當(dāng)然投入設(shè)備要多一些，成本較高。

2.6.2三相異步電動機(jī)的調(diào)速

調(diào)速就是在同一負(fù)載下能得到不同的轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)過程的要求。如果采用電氣調(diào)速，就可以大大簡化機(jī)械變速機(jī)構(gòu)。三相異步電動機(jī)的調(diào)速，（3）小容量電動機(jī)重載啟動——鼠籠電機(jī)的特殊型式

小容量電動圖2.23繞線式電動機(jī)啟動時的接線圖

圖2.23繞線式電動機(jī)啟動時的接線圖

就是人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)機(jī)械的需要。電動機(jī)調(diào)速的方法很多，從轉(zhuǎn)速的表達(dá)式

可以看出，改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有3種可能，即改變電源頻率f1、極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s。

（1）變極調(diào)速

變極調(diào)速就是改變電動機(jī)定子繞組的極對數(shù)p來調(diào)速。如果電源頻率f1固定不變，只需改變電機(jī)繞組的極對數(shù)p，則同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n也會隨著改變。而且，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1與極對數(shù)p成反比變化。

變極調(diào)速的異步電動機(jī)一般采用鼠籠式轉(zhuǎn)子。若為繞線式轉(zhuǎn)子，則定子極對數(shù)改變時，轉(zhuǎn)子繞組必須相應(yīng)地改變接法以得到與定子相同的極對數(shù)，很不方便。

變極調(diào)速常用的方法是在定子上只裝一套繞組，而利用改變繞組接法來獲得兩種或多種極對數(shù)，稱為單繞組變極。還有變極雙速異步電動機(jī)采用YY／△接法，目前被廣泛采用。就是人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)機(jī)械的需要。電動機(jī)調(diào)速變極調(diào)速方法的優(yōu)點是：設(shè)備簡單、運行可靠。缺點是：不平滑調(diào)速，而是一級一級的分段式調(diào)速。

（2）變頻調(diào)速

變頻調(diào)速就是改變供電電源的頻率f1來調(diào)速的。當(dāng)改變電源頻率f1時，旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速與電源頻率f1成正比變化，于是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也相應(yīng)改變，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

在調(diào)節(jié)交流電源頻率f1時，必須同時調(diào)節(jié)電源電壓U1，并保持U1f1為常數(shù)。

變頻調(diào)速根據(jù)電動機(jī)輸出性能的不同可分為：

①保持電動機(jī)過載能力不變的變頻調(diào)速；

②保持電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速；

③保持電動機(jī)輸出功率不變的恒功率變頻調(diào)速。變極調(diào)速方法的優(yōu)點是：設(shè)備簡單、運行可靠。缺點是：不平滑調(diào)速

從調(diào)速范圍、平滑性以及調(diào)速過程中電動機(jī)的性能等方面來看，頻變頻調(diào)速很優(yōu)越，可以和直流電動機(jī)相媲美。但要使頻率f1和端電壓U1同時可調(diào)，需要一套專門的變頻裝置，使投入的設(shè)備增多，成本增大。

（3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

變轉(zhuǎn)差率調(diào)速就是改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s來調(diào)速。當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速時，從電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系可知，改變轉(zhuǎn)差率s有下列幾種方法：

①在轉(zhuǎn)子回路串入電阻、電感或電容，以改變轉(zhuǎn)子電阻r′2或轉(zhuǎn)子電抗x′2σ；

②改變定子繞組的端電壓U1；

③在定子回路串入外加電阻或電抗，以改變r1或x1。

改變變轉(zhuǎn)差率調(diào)速常用的方法是在轉(zhuǎn)子回路中串電阻，這種方法只適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)。

從調(diào)速范圍、平滑性以及調(diào)速過程中電動機(jī)的性能等方面來看，頻

此種方法的缺點是：轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻后，將使轉(zhuǎn)子銅耗增加，降低了電動機(jī)效率。但由于此方法比較簡單，在中、小容量的電動機(jī)中還是用的比較多。

2.6.3三相異步電動機(jī)的反轉(zhuǎn)和制動

（1）反轉(zhuǎn)

三相異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，且兩者的方向相同。只需改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，就能使三相異步電動機(jī)反轉(zhuǎn)。因此，將三相接線端中的任意兩相接線端對調(diào)，改變?nèi)嘞嘈?，就能改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，從而使三相異步電動機(jī)反轉(zhuǎn)。

（2）制動

三相異步電動機(jī)的制動是指加上一個與電動機(jī)轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩來使電動機(jī)迅速停轉(zhuǎn)或限制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

此種方法的缺點是：轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻后，將使轉(zhuǎn)子銅耗增

三相異步電動機(jī)的制動方法有兩類：機(jī)械制動和電氣制動。機(jī)械制動是利用機(jī)械裝置（來使電動機(jī)迅速停止轉(zhuǎn)動。電氣制動是使異步電動機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向和電動機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，電氣制動通常可分為反接制動、回饋制動和能耗制動。

1）反接制動

反接制動就是在分析異步電機(jī)工作原理時指出的制動狀態(tài),此時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相反，實現(xiàn)反接制動可用下述兩種方法。

正轉(zhuǎn)反接：

正接反轉(zhuǎn)：

2）回饋制動

當(dāng)異步電機(jī)作電動機(jī)運行時，因外來因素，使轉(zhuǎn)子加速到超過同步轉(zhuǎn)速，則異步電動機(jī)進(jìn)入回饋制動（發(fā)電機(jī)運行）狀態(tài)。

三相異步電動機(jī)的制動方法有兩類：機(jī)械制動和電氣制動。機(jī)械制圖2.24正接反轉(zhuǎn)的反接制動接線圖

圖2.25回饋制動原理圖

圖2.24正接反轉(zhuǎn)的反接制動接線圖

圖2.25回回饋制動的優(yōu)點是：經(jīng)濟(jì)性能好，可將負(fù)載的機(jī)械能變?yōu)殡娔芊祷仉娋W(wǎng)；缺點是：應(yīng)用范圍窄，只有在電動機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時才能實現(xiàn)。

3）能耗制動

將正在運行中的異步電動的定子繞組從電網(wǎng)斷開，再將其中一相繞組接到一個直流電源上，由直流電流勵磁而在氣隙中建立一個靜止的磁場。這種制動方法是利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的慣性，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割靜止磁場的磁通而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，把轉(zhuǎn)子的動能消耗于轉(zhuǎn)子回路的電阻上成為銅耗，故稱能耗制動。

能耗制動的優(yōu)點是：制動力強(qiáng)、制動平穩(wěn)、對電網(wǎng)影響小；缺點是：需要一套直流電源裝置，而且制動轉(zhuǎn)矩隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的減小而減小，不易制停。回饋制動的優(yōu)點是：經(jīng)濟(jì)性能好，可將負(fù)載的機(jī)械能變?yōu)殡娔芊祷仉妶D2.26能耗制動接線圖

圖2.26能耗制動接線圖

項目小結(jié)

三相異步電動機(jī)是通過定子加對稱交流電源，形成氣隙旋轉(zhuǎn)磁場，依靠電磁感應(yīng)作用，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動勢、產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速存在差異，這是異步電機(jī)運行的基本條件，也是它區(qū)別于同步電機(jī)的重要標(biāo)志。

從電磁感應(yīng)本質(zhì)看，異步電動機(jī)與變壓器極為相似。因此，可以采用研究變壓器的方法來分析異步電動機(jī)。

異步電動機(jī)與直流電動機(jī)也有很大差別。異步電動機(jī)是一種“單邊勵磁”電機(jī)，即只有一邊接電源，另一邊靠感應(yīng)產(chǎn)生電動勢和電流。因此，從空載到負(fù)載，其氣隙磁場基本不變。而直流電動機(jī)則是“雙邊勵磁”電機(jī)，磁極和電樞兩邊都接電源，其氣隙磁場是隨負(fù)載變化的。

項目小結(jié)

三相異步電動機(jī)是通過定子加對稱交流電源，形成氣隙

在異步電動機(jī)中，不論轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向如何，定、轉(zhuǎn)子基波磁動勢總是相對靜止的，這是它區(qū)別于同步電動機(jī)又一重要標(biāo)志。

三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性n=f（T），可用物理表達(dá)式、參數(shù)表達(dá)式及實用表達(dá)式去描述。

三相籠型異步電動機(jī)的啟動采取直接啟動，因啟動電流大，經(jīng)常啟動會使電機(jī)發(fā)熱，所產(chǎn)生的大電動力會影響壽命。

為了克服籠型異步電動機(jī)啟動電流過大的缺點，可采取降壓啟動，包括定子電路串接電阻或電抗的降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動和星三角啟動等。由于降壓啟動不但減小了啟動電流，同時也減小了啟動轉(zhuǎn)矩，故只宜用于空載或輕載啟動的生產(chǎn)機(jī)械。

三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)采取在轉(zhuǎn)子回路中串接適當(dāng)大小的電阻啟動或采用以轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動代替變電阻啟動。

在異步電動機(jī)中，不論轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向如何，定、轉(zhuǎn)子基波磁動

三相異步電動機(jī)的調(diào)速有變極、變頻及改變轉(zhuǎn)差率3種方法。改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速又包括：轉(zhuǎn)子回路串電阻、改變定子電壓及電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速等方法。

三相異步電動機(jī)的制動一般采用回饋制動、反接制動（轉(zhuǎn)速反向反接制動與兩相反接制動）、能耗制動這3種方法。

三相異步電動機(jī)的調(diào)速有變極、變頻及改變轉(zhuǎn)差率3種方法。改變項目2交流電動機(jī)的特性及電氣控制原理

項目2交流電動機(jī)的特性及電氣控制原理

任務(wù)2.1交流電動機(jī)的概述

活動情境

介紹交流電機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域，以及它們工作時的優(yōu)劣點，重點介紹異步電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點。

任務(wù)要求

通過概述初步了解交流電動機(jī)的相關(guān)知識。

基本活動

交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)可分成同步電機(jī)和異步電機(jī)兩大類，如果電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1相等，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間同步地旋轉(zhuǎn)，這種電機(jī)則稱為同步電機(jī)。如果電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)時不同步，這種電機(jī)則稱為異步電機(jī)。

異步電機(jī)主要用來作為電動機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格便宜、

任務(wù)2.1交流電動機(jī)的概述

活動情境

介紹交流電機(jī)運行可靠、維護(hù)方便、效率較高等優(yōu)點，因此，得到廣泛的應(yīng)用。

電動機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，現(xiàn)代各種生產(chǎn)機(jī)械都廣泛應(yīng)用電動機(jī)來驅(qū)動。

生產(chǎn)機(jī)械由電動機(jī)驅(qū)動，具有很多優(yōu)點：簡化生產(chǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)；提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；能實現(xiàn)自動控制和遠(yuǎn)距離操縱；減輕繁重的體力勞動。

電動機(jī)可分為交流電動機(jī)和直流電動機(jī)兩大類。在生產(chǎn)上主要用的是交流電動機(jī)，特別是三相異步電動機(jī)。

異步電動機(jī)的缺點是功率因素低，運行時必須從電網(wǎng)吸收無功電流來建立磁場，故其功率因素小于1，大量的異步電動機(jī)在電網(wǎng)中運行，使電網(wǎng)的功率因素降低，必須用其他的辦法進(jìn)行補償。

異步電機(jī)也可以作為發(fā)電機(jī)使用，在電網(wǎng)尚未達(dá)到的山區(qū)農(nóng)村，要建立小型水電站時，可以用異步電動機(jī)來發(fā)電，不過異步電動機(jī)的性能較差，只能用于要求不高的地方。運行可靠、維護(hù)方便、效率較高等優(yōu)點，因此，得到廣泛的應(yīng)用。

異步電動機(jī)型號的表示方法，一般采用大寫印刷體的漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成，其中漢語拼音字母是根據(jù)電動機(jī)的全名稱選擇有代表意義的漢字，再用該漢字的第一個拼音字母表示（見表2.1）。

異步電動機(jī)型號的表示方法，一般采用大寫印刷體的漢語拼音字母

每一臺異步電動機(jī)，在其機(jī)座上都有一塊銘牌，銘牌上標(biāo)注著該電動機(jī)的額定參數(shù)值，它是選用、安裝和維修電動機(jī)時的依據(jù)。異步電動機(jī)的銘牌包含下列額定參數(shù)值：

①額定功率Pe。指電動機(jī)在額定運行時，軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW。

②額定電壓Ue。指電動機(jī)在額定運行時，定子繞組上的線電壓，單位為V。

③額定電流Ie。指電動機(jī)在額定電壓和額定頻率下，輸出額定功率時，定子繞組中的線電流，單位為A。

④接法。是指電動機(jī)在額定電壓下，定子三相繞組應(yīng)采用的連接方式，一般有三角形和星形兩種連接方式。

⑤額定頻率fe。表示電動機(jī)所接的交流電源的頻率，我國電力網(wǎng)的頻率規(guī)定為50Hz。

每一臺異步電動機(jī)，在其機(jī)座上都有一塊銘牌，銘牌上標(biāo)注著該電電機(jī)與機(jī)床電氣控制項目2--交流電動機(jī)的特性及電氣控制原理課件

⑥額定轉(zhuǎn)速n。指電動機(jī)在額定電壓、額定電流和額定輸出功率情況下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位r/min。

⑦絕緣等級。指電動機(jī)繞組所用的絕緣材料的絕緣等級，它決定了電動機(jī)繞組的允許溫升，絕緣等級與電動機(jī)的允許溫升見表2.2。

⑥額定轉(zhuǎn)速n。指電動機(jī)在額定電壓、額定電流和額定輸出功率情

對于各種電動機(jī)應(yīng)該了解下列幾個方面的問題：①基本構(gòu)造；②工作原理；③表示轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的機(jī)械特性；④啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速及制動的基本原理和基本方法；⑤應(yīng)用場合和如何正確接用。

任務(wù)2.2三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

活動情境

三相異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同分為鼠籠型和繞線型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)兩類。鼠籠型和繞線型的定子部分基本相同，所不同的只是轉(zhuǎn)子部分。

任務(wù)要求

1.了解并掌握定子的組成及結(jié)構(gòu)特點。

2.了解并掌握轉(zhuǎn)子的組成及結(jié)構(gòu)特點。

對于各種電動機(jī)應(yīng)該了解下列幾個方面的問題：①基本構(gòu)造；②工

基本活動

三相異步電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部件構(gòu)成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一個很小的空氣隙。此外，還有端蓋、軸承、風(fēng)扇等零部件。

圖2.1鼠籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

基本活動

三相異步電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部件構(gòu)成，定子

2.2.1定子

異步電動機(jī)的定子是由基座、定子鐵芯和定子繞組3個部分組成。

圖2.2小型封閉式異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2.1定子

異步電動機(jī)的定子是由基座、定子鐵芯和定（1）定子鐵芯

定子鐵芯是電動機(jī)磁路的組成部分，旋轉(zhuǎn)磁場對定子鐵芯以同步速度旋轉(zhuǎn)，故對鐵芯內(nèi)某一點來講，磁通是交變的。

圖2.3定子鐵芯及沖片（1）定子鐵芯

定子鐵芯是電動機(jī)磁路的組成部分，旋轉(zhuǎn)磁場對定定子鐵芯疊成后，其內(nèi)圓形成可以安放定子繞組的槽型，定子槽型有半閉口槽、半開口槽和開口槽散裝。

圖2.4定子鐵芯槽型及槽內(nèi)繞組布置

定子鐵芯疊成后，其內(nèi)圓形成可以安放定子繞組的槽型，定子槽型有（2）定子繞組

定子繞組有成型硬繞組和散嵌軟繞組兩種。

（3）機(jī)座

機(jī)座的作用是支撐定子鐵芯和固定端蓋。在中、小型電機(jī)中，端蓋兼有軸承座的作用，則機(jī)座還要支撐電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，故機(jī)座必須有足夠的剛度和強(qiáng)度。

2.2.2氣隙

定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯之間的氣隙：從磁路來考慮，氣隙大，則磁阻大，勵磁電流大，電機(jī)的功率因素降低，從這一角度來考慮，氣隙應(yīng)取較小的數(shù)值，但氣隙太小，電機(jī)帶負(fù)載運行時，就可能發(fā)生定、轉(zhuǎn)子相擦（甚至

“悶車”）；另外，從減少高次諧波磁動勢產(chǎn)生的磁通、減少附加損耗及改善啟動性能來考慮，則氣隙應(yīng)大一些，所以氣隙的大小應(yīng)綜合考慮。（2）定子繞組

定子繞組有成型硬繞組和散嵌軟繞組兩種。

（3

2.2.3轉(zhuǎn)子

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子可分成兩大類：一類是籠型轉(zhuǎn)子；另一類是繞線轉(zhuǎn)子。

圖2.5異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

2.2.3轉(zhuǎn)子

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子可分成兩大類：一類是籠（1）轉(zhuǎn)子鐵芯

轉(zhuǎn)子鐵芯也是電機(jī)磁路的一部分，一般是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。

（2）轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸是支持轉(zhuǎn)子鐵芯和輸出轉(zhuǎn)矩的零件，它必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證負(fù)載時氣隙均勻及轉(zhuǎn)軸本身不致斷裂。

（3）轉(zhuǎn)子繞組

轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠型和繞線轉(zhuǎn)子兩種。

1）鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組

鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組按結(jié)構(gòu)型式可分為單籠和雙籠兩種，按制造繞組時使用的材料可以分成銅料焊接和鋁料鑄造兩種。（1）轉(zhuǎn)子鐵芯

轉(zhuǎn)子鐵芯也是電機(jī)磁路的一部分，一般是用0.5

圖2.6鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)示意圖2）繞線轉(zhuǎn)子繞組

繞線轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組一樣，也是一個用絕緣導(dǎo)線繞成的三相對稱繞組，而且其極數(shù)應(yīng)與該臺電機(jī)的定子繞組的極數(shù)相同，三相繞組通常接成星形，

圖2.6鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)示意圖2）繞線轉(zhuǎn)子繞組

繞線

繞組的三條引出線分別接到3個集電環(huán)上，再經(jīng)由一套電刷裝置引出，使轉(zhuǎn)子繞組與外電路接通，當(dāng)啟動或調(diào)速時可以串接附加電阻。

圖2.7繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)示意圖

繞組的三條引出線分別接到3個集電環(huán)上，再經(jīng)由一套電刷裝置引任務(wù)2.3三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

活動情境

三相異步電動機(jī)能旋轉(zhuǎn)的原因是由定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，然后該旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電動勢和電流，再利用電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生力矩，帶動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。

任務(wù)要求

1.掌握旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生機(jī)理及注意事項。

2.會利用電磁感應(yīng)定律來分析轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原理。

基本活動

三相異步電動機(jī)接上電源，就會轉(zhuǎn)動。這是什么道理呢？為了說明這個轉(zhuǎn)動原理，下面來做個實驗。

如圖2.8所示是一個裝有手柄的蹄形磁鐵，磁極間放有可以自由轉(zhuǎn)動的、由銅條組成的轉(zhuǎn)子。銅條兩端分別用銅環(huán)連接起來，形似鼠籠，作為鼠籠式任務(wù)2.3三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

活動情境

三相異步電轉(zhuǎn)子。磁極和轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械聯(lián)系。當(dāng)搖動磁極時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子跟著磁極一起轉(zhuǎn)動。

從這一實驗得出兩點啟示：第一，有一個旋轉(zhuǎn)的磁場；第二，轉(zhuǎn)子跟著磁場轉(zhuǎn)動。異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原理是與上述實驗相似的。

圖2.8異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動實驗

轉(zhuǎn)子。磁極和轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械聯(lián)系。當(dāng)搖動磁極時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子跟著2.3.1旋轉(zhuǎn)磁場

（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

三相異步電動機(jī)的定子鐵芯中放有三相對稱繞組AX，BY和CZ。設(shè)將三相繞組連接成星形，接在三相電源上，繞組中通入三相對稱電流：

對稱電流如圖2.9所示。取繞組始端到末端的方向作為電流的參考方向。在電流的正半周時，其值為正，其實際方向與參考方向一致；在負(fù)半周時，其值為負(fù)，其實際方向與參考方向相反。

在ωt=0的瞬間，定子繞組中的電流方向如圖2.10（a）所示。

如圖2.10（b）所示的是ωt=60°時定子繞組中電流的方向和三相電流的合成磁場的方向。這時的合成磁場已在空間轉(zhuǎn)過了60°。2.3.1旋轉(zhuǎn)磁場

（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

三相異步電動機(jī)圖2.9三相對稱電流圖2.9三相對稱電流

同理可得，在ωt=90°時的三相電流的合成磁場，它比ωt=60°時的合成磁場在空間又轉(zhuǎn)過了30°，如圖2.10（c）所示。

由上可知，當(dāng)定子繞組中通入三相電流后，它們共同產(chǎn)生的合成磁場是隨電流的交變而在空間不斷地旋轉(zhuǎn)著，這就是旋轉(zhuǎn)磁場。

圖2.10三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（n=1）

同理可得，在ωt=90°時的三相電流的合成磁場，它比ωt=

（2）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向

如圖2.10（c）所示的情況是A相電流iA=+Im，這時旋轉(zhuǎn)磁場軸線的方向恰好與A相繞組的軸線一致。在三相電流中，電流出現(xiàn)正幅值的順序為ABC，因此，磁場的旋轉(zhuǎn)方向是與這個順序一致的，即磁場的轉(zhuǎn)向與通入繞組的三相電流的相序有關(guān)，總是從超前電流的相轉(zhuǎn)向滯后電流的相。

如果將同三相電源連接的3根導(dǎo)線的任意兩根的一端對調(diào)位置（例如，對調(diào)了B與C兩相），則電動機(jī)三相繞組的B相與C相對調(diào)（注意：電源三相端子的相序未變），旋轉(zhuǎn)磁場因此反轉(zhuǎn)。

（3）旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)

三相異步電動機(jī)的極數(shù)就是旋轉(zhuǎn)的極數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)和三相繞組的安排有關(guān)。在上述圖2.11的情況下，每相繞組只有一個線圈，繞組的始端之間相差120°空間角，旋轉(zhuǎn)磁場具有一對極，即p=1（p是磁極對數(shù)）。

（2）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向

如圖2.10（c）所示的情況是A相電圖2.11旋轉(zhuǎn)磁場的反轉(zhuǎn)圖2.11旋轉(zhuǎn)磁場的反轉(zhuǎn)如將定子繞組安排的如圖2.12所示那樣，即每相繞組有兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端之間差60°空間角，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有兩對極，即p=2，如圖2.13所示。

圖2.12產(chǎn)生四級旋轉(zhuǎn)磁場的定子繞組如將定子繞組安排的如圖2.12所示那樣，即每相繞組有兩個線圈圖2.13三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（p=2）圖2.13三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（p=2）

（4）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

至于三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，它與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速決定于磁場的極數(shù)。設(shè)電流的頻率為f1，電流每秒鐘交變f1次或每分鐘交變60f1次，則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n1=60f1。轉(zhuǎn)速單位轉(zhuǎn)每分（r/min）。

推知，當(dāng)轉(zhuǎn)速磁場具有p對極時，磁場的轉(zhuǎn)速為

因此，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n。決定于電流頻率f1和磁場的極對數(shù)p。

在我國，工頻f1=50Hz，于是由式（2.1）可得出對應(yīng)于不同極對數(shù)p的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1（r/min）。

（4）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

至于三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，它與旋轉(zhuǎn)磁2.3.2電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

圖中N，S表示兩極旋轉(zhuǎn)磁場（定子產(chǎn)生的），轉(zhuǎn)子中只顯示出兩根導(dǎo)條（銅或鋁）。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場向順時針方向時，其磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動勢。電動勢的方向由右手定

則確定。在這里應(yīng)用右手定則時，可假設(shè)磁極

不動，而轉(zhuǎn)子導(dǎo)條向逆時針方向旋轉(zhuǎn)切割磁力

線，這與實際上磁極順時針方向旋轉(zhuǎn)時磁力線

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條是相當(dāng)?shù)摹Ｔ陔妱觿莸淖饔孟拢?/p>

閉合的導(dǎo)條中就有電流。電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互

作用，而使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力F。電磁力的方

向可用左手定則來確定。由電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)

矩，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動起來。圖2.14轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原理圖

2.3.2電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

圖中N，S表示兩極旋轉(zhuǎn)磁場（

2.3.3轉(zhuǎn)差率

由圖2.14可知，電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n不可能達(dá)到與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1相等，即n<n1。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速之間必須要有差別。這就是異步電動機(jī)名稱的由來，而旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1常稱為同步轉(zhuǎn)速。

用轉(zhuǎn)差率s來表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁場轉(zhuǎn)速n1相差的程度，即

轉(zhuǎn)差率是異步電動機(jī)的一個重要的物理量。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速愈接近磁場轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)差率愈小。

式（2.2）也可寫為

2.3.3轉(zhuǎn)差率

由圖2.14可知，電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方

任務(wù)2.4三相異步電動機(jī)的電路分析

活動情境

采用等效電路的方法分析異步電動機(jī)運行狀態(tài)中的電動勢、電流是有效的方法，而且可以具體分析定子回路、轉(zhuǎn)子回路中的相關(guān)電量數(shù)據(jù)以及它們彼此之間的關(guān)聯(lián)和影響效果。因為異步電動機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場的動態(tài)化，所以各個相關(guān)量也是動態(tài)的。

任務(wù)要求

1.會利用等效電路分析具體的定子電路和轉(zhuǎn)子電路。

2.能分析轉(zhuǎn)子回路各種相關(guān)量的關(guān)系及影響。

基本活動

分析異步電動機(jī)運行狀態(tài)中的電動勢、電流，必須采用等效電路的方法。圖2.15是三相異步電動機(jī)的每相電路圖。三相異步電動機(jī)中的電磁關(guān)系同

任務(wù)2.4三相異步電動機(jī)的電路分析

活動情境

采用等效變壓器類似。當(dāng)定子繞組接上三相電源（相電壓為u1）時，則有三相電流（相電流為i1）通過。定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其磁通通過定子和轉(zhuǎn)子鐵芯而閉合。磁場不僅在轉(zhuǎn)子每相繞組中要感應(yīng)出電動勢e2（由此產(chǎn)生電流i2），而且在定子每相繞組中也要感應(yīng)出電動勢e1。此外，還有漏磁通，在定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生漏磁電動勢eσ1和eσ2。

2.4.1定子電路

由圖2.15可得定子每相電路的電壓方程，即

其中，Ф是通過每相繞組的磁通最大量，在數(shù)值上它等于旋轉(zhuǎn)磁場的每

變壓器類似。當(dāng)定子繞組接上三相電源（相電壓為u1）時，則有三圖2.15三相異步電動機(jī)的每相電路圖圖2.16定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組等效電路

圖2.15三相異步電動機(jī)的每相電路圖

極磁通；f1是e1的頻率。因為旋轉(zhuǎn)磁場和定子間的相對轉(zhuǎn)速為n1，所以

2.4.2轉(zhuǎn)子電路

（1）轉(zhuǎn)子頻率

因為旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子間的相對轉(zhuǎn)速為（n1-n），所以轉(zhuǎn)子頻率為

（2）轉(zhuǎn)子電動勢E2

轉(zhuǎn)子電動勢E2的有效值為

在n=0，即s=1時，轉(zhuǎn)子電動勢為

極磁通；f1是e1的頻率。因為旋轉(zhuǎn)磁場和定子間的相對轉(zhuǎn)速為

這時f2=f1，轉(zhuǎn)子電動勢最大。

由上式可得出

（3）轉(zhuǎn)子感抗X2

轉(zhuǎn)子感抗X2與轉(zhuǎn)子頻率f2有關(guān)，即

在n=0，即s=1時，轉(zhuǎn)子感抗為

這時f2=f1，轉(zhuǎn)子感抗最大。此時

（4）轉(zhuǎn)子電流I2

轉(zhuǎn)子每相電路的電流可由式（2.12）得出，即

這時f2=f1，轉(zhuǎn)子電動勢最大。

由上式可得出

（3）

可見轉(zhuǎn)子電流I2也與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)。I2隨s變化的關(guān)系可用圖2.17的曲線表示。

圖2.17I2和cosφ2與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系

可見轉(zhuǎn)子電流I2也與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)。I2隨s變化的關(guān)系可（5）轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)cosφ2

由于轉(zhuǎn)子有漏磁通，相應(yīng)的感抗為X2，因此，I2比E2滯后Ψ2角。因而轉(zhuǎn)子電路的功率因素為

它也與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，當(dāng)s增大時，X2也增大，于是Ψ2增大，即cosφ2減小。

由上述可知，轉(zhuǎn)子電路的各個物理量，如電動勢、電流、頻率、感抗及功率因素等都與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，亦即與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

任務(wù)2.5三相異步電動機(jī)的功率及轉(zhuǎn)矩

活動情境

異步電動機(jī)是通過電磁感應(yīng)作用把電能送到轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)化為軸上輸出的機(jī)械能的，在能量轉(zhuǎn)換的過程中電磁轉(zhuǎn)矩起關(guān)鍵作用。（5）轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)cosφ2

由于轉(zhuǎn)子有漏磁通，相應(yīng)的

任務(wù)要求

1.理解并掌握異步電動機(jī)能量轉(zhuǎn)換及功率傳遞的過程。

2.通過機(jī)械特性的分析，掌握額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、啟動轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用特點。

基本活動

2.5.1功率及功率轉(zhuǎn)換過程

當(dāng)三相異步電動機(jī)穩(wěn)定地負(fù)載運行時，從電源輸入的功率為P1

從等效電路可以看出，在定子電阻R1上要消耗一小部分輸入功率，通常稱為定子銅耗Pcu1。在定子鐵芯中有一小部分輸入功率轉(zhuǎn)變?yōu)闇u流及磁滯損耗，稱為定子鐵耗PFe1。由于轉(zhuǎn)子鐵芯中的頻率在正常運行時僅為1～3Hz，所以轉(zhuǎn)子鐵耗可以忽略不計。輸入功率P1扣掉Pcu1和PFe1后，余下的大部分輸入功率通過旋轉(zhuǎn)磁場的電磁作用經(jīng)過氣隙送到轉(zhuǎn)子，稱為電磁功率PM。

任務(wù)要求

1.理解并掌握異步電動機(jī)能量轉(zhuǎn)換及功率傳遞的過程

圖2.18異步電動機(jī)功率流程圖

圖2.18異步電動機(jī)功率流程圖

由定子和轉(zhuǎn)子繞組等效電路圖2.18可知，傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率有一小部分消耗在轉(zhuǎn)子電阻R2上，成為轉(zhuǎn)子銅耗pcu2。其余的大部分電磁功率則作為電功率輸出。因此Pm在數(shù)值上為

總的機(jī)械功率不能全部輸出，因為異步電動機(jī)運行時還有軸承摩擦及風(fēng)阻的損耗pm以及高次諧波、轉(zhuǎn)子中的橫向電流等引起的附加損耗pad，故軸上輸出的功率P2為

綜上所述，可得

式中稱為電機(jī)的總損耗。

由定子和轉(zhuǎn)子繞組等效電路圖2.18可知，傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功

2.5.2轉(zhuǎn)矩平衡方程式

從運動學(xué)的概念可知，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械功率等于機(jī)械轉(zhuǎn)矩與機(jī)械角速度的乘積，將功率平衡方程式除以轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度Ω，即得轉(zhuǎn)矩平衡方程式

即

式中T——電動機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩；

T2——電動機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；

Tm——機(jī)械損耗轉(zhuǎn)矩；

Tad——附加損耗轉(zhuǎn)矩；

T0——空載轉(zhuǎn)矩，為Tm和Tad之和。

2.5.2轉(zhuǎn)矩平衡方程式

從運動學(xué)的概念可知，旋轉(zhuǎn)機(jī)械

2.5.3轉(zhuǎn)矩公式

對于已制造好的異步電動機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與旋轉(zhuǎn)磁場磁通的大小及轉(zhuǎn)子電流大小密切相關(guān)?？捎霉奖硎緸?/p>

式中CT——電機(jī)常數(shù)；

cosφ2——轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)。

2.5.4機(jī)械特性曲線

異步電動機(jī)輸出的機(jī)械功率主要表現(xiàn)在輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速上，因此，轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率是異步電動機(jī)的基本變量之一。電磁轉(zhuǎn)矩T變化規(guī)律曲線T=f（s）稱為機(jī)械特性。

2.5.3轉(zhuǎn)矩公式

對于已制造好的異步電動機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩

式中p——極對數(shù);

U1——電動機(jī)外加定子電壓；

f1——定子頻率；

r1,x1σ——定子繞組的電阻和電抗；

r′2,x′2σ——轉(zhuǎn)子繞組的折算電阻和電抗。

當(dāng)異步電機(jī)的定子電壓、頻率及各參數(shù)都為定值時，改變轉(zhuǎn)差率s的大小，根據(jù)用參數(shù)表示的電磁轉(zhuǎn)矩計算公式可算出相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩T，可作出機(jī)械特性T=f（s）曲線。

式中p——極對數(shù);

U1——電動機(jī)外加

圖2.19三相異步電動機(jī)的T=f（s）曲線

圖2.20三相異步電動機(jī)的n=f（T）曲線

圖2.19三相異步電動機(jī)的T=f（s）曲線

圖2.2通過機(jī)械特性曲線，可以得出三相異步電動機(jī)具有如下特點。

①在啟動的瞬間，即s=1時的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩Tst。啟動時，電動機(jī)的啟動電流較大，但轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很小，故啟動轉(zhuǎn)矩Tst并不是很大。

②如轉(zhuǎn)子達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，即s=0，則轉(zhuǎn)子電流I2=0，此時的電磁轉(zhuǎn)矩T=0。

③當(dāng)轉(zhuǎn)差率s達(dá)到某一值時，電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，故稱為最大轉(zhuǎn)矩Tm,對應(yīng)于此時的轉(zhuǎn)差率稱為臨界轉(zhuǎn)差率sm，臨界轉(zhuǎn)差率sm和最大轉(zhuǎn)矩Tm的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

可見，三相異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)電壓的平方成正比，最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)；臨界轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子電阻成正比。通過機(jī)械特性曲線，可以得出三相異步電動機(jī)具有如下特點。

①在

④轉(zhuǎn)子電阻對T=f（s）曲線的影響。當(dāng)sm<1時，隨著轉(zhuǎn)子電阻的增加，啟動轉(zhuǎn)矩變大；要使啟動轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩Tst=Tm，則sm=1，即

此時，在轉(zhuǎn)子回路中應(yīng)串入電阻的折算值為

若轉(zhuǎn)子回路串入的電阻超過該值，sm>1，則說明電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩變小。

⑤對應(yīng)額定負(fù)載時轉(zhuǎn)矩稱為額定轉(zhuǎn)矩TN，相應(yīng)轉(zhuǎn)差率稱為額定轉(zhuǎn)差率sN。

⑥最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為電動機(jī)的過載能力Km，它是衡量電動機(jī)過載能力的一個重要指標(biāo)。

④轉(zhuǎn)子電阻對T=f（s）曲線的影響。當(dāng)sm<1時，隨著轉(zhuǎn)子⑦啟動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst

啟動轉(zhuǎn)矩具有如下特點：

①Tst與電壓U1的平方成正比；

②電抗X20愈大，Tst愈?。?/p>

③轉(zhuǎn)子電阻R2適當(dāng)增大時，Tst會增大。

任務(wù)2.6三相異步電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動

活動情境

因為各種生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常要進(jìn)行啟動、調(diào)速和停車，所以作為原動機(jī)的異步電動機(jī)，其啟動、調(diào)速和制動等性能的好壞，對生產(chǎn)機(jī)械的運行有很大影響，所以要針對不同的運行工況采取相對應(yīng)的運行方法。⑦啟動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst

任務(wù)要求

1.理解并掌握異步電動機(jī)啟動方法及應(yīng)用。

2.理解并掌握異步電動機(jī)調(diào)速方法及應(yīng)用。

3.理解并掌握異步電動機(jī)制動、反轉(zhuǎn)方法及應(yīng)用。

基本活動

2.6.1三相異步電動機(jī)的啟動

三相異步電動機(jī)的啟動是指從電動機(jī)接入電網(wǎng)開始轉(zhuǎn)動，到達(dá)正常運轉(zhuǎn)時的這一過程。

一般衡量三相異步電動機(jī)啟動性能的好壞，主要有以下4點：

①啟動電流盡可能?。?/p>

②啟動轉(zhuǎn)矩要足夠大；

③啟動所需用的設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)、操作方便；

任務(wù)要求

1.理解并掌握異步電動機(jī)啟動方法及應(yīng)用。

2.理

④啟動過程中的功率損耗要盡量小。

具體來講，異步電動機(jī)的啟動主要有以下4種方法：

（1）小容量電動機(jī)空載或輕載啟動——直接啟動

小容量電動機(jī)空載或帶輕載時，可以直接啟動。為了保證電動機(jī)啟動時不引起太大的電網(wǎng)壓降，電動機(jī)應(yīng)滿足下列經(jīng)驗公式的要求：

電動機(jī)能否采用直接啟動方法，這不僅取決于電動機(jī)本身的容量大小，而且還與供電電網(wǎng)容量、供電線路長短、啟動次數(shù)及其他用戶的要求有關(guān)。

（2）中、大容量電動機(jī)空載或輕載啟動——降壓啟動

凡電動機(jī)容量超過前面所述時，就不能直接啟動。要降低啟動電流，最有效的措施就是降壓啟動。

④啟動過程中的功率損耗要盡量小。

具體來講，異步電動機(jī)的啟

降壓啟動是指電動機(jī)在啟動時降低加在定子繞組上的電壓，啟動結(jié)束后再升至額定電壓運行。降壓啟動可以有效地降低電動機(jī)的啟動電流，但由于感應(yīng)電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩和電壓的關(guān)系為

降壓啟動時，電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低，所以，降壓啟動只適用于電動機(jī)空載或輕載啟動。常用的降壓啟動方法有星三角降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動、定子繞組串電阻或電抗降壓啟動、延邊三角形降壓啟動。

1）星三角（Y／△）降壓啟動

星三角降壓啟動是指在額定電壓下正常運行時為三角形接法的電動機(jī)，在啟動時采用星形接法從而使三相定子繞組所承受的每相相電壓降低為額定電壓（電源線電壓）的

倍。

降壓啟動是指電動機(jī)在啟動時降低加在定子繞組上的電壓，啟動結(jié)圖2.21星三角降壓啟動原理線路圖

圖2.21星三角降壓啟動原理線路圖

當(dāng)定子繞組接成星形啟動時，每相繞組所加電壓為U13，設(shè)電動機(jī)啟動時每相阻抗為Zst，則啟動時的線電流為

如用三角形直接啟動時，每相繞組所加電壓為U1，此時線電流為

兩種接線方法啟動電流的比值是

由此可見，用星三角降壓啟動，啟動電流為采用三角形接法直接啟動時的1／3，對降低啟動電流很有效，但由于啟動轉(zhuǎn)矩Tst正比于U21，因此，啟動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低為采用三角形接法直接啟動時的1／3，即啟動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低，故此種方法只能用于空載或輕載啟動的設(shè)備上。

當(dāng)定子繞組接成星形啟動時，每相繞組所加電壓為U13，設(shè)電動

2）自耦變壓器降壓啟動

自耦變壓器降壓啟動也稱啟動補償器啟動，這種啟動方法是利用自耦變壓器來降低啟動時加在定子三相繞組上的電壓，它由三相自耦變壓器和控制開關(guān)等組成。

此時電源供給電動機(jī)的啟動電流為直接啟動時的

倍，因此，用自耦變壓器降壓啟動對限制啟動電流很有效。但采用此種方法降低啟動電流的同時，啟動轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)降低到直接啟動的

倍。

這種啟動方法的優(yōu)點是：可以按容許的啟動電流和所需的啟動轉(zhuǎn)矩選擇自耦變壓器的變比從而實現(xiàn)降壓啟動，而且不論電動機(jī)定子繞組采用星形接法或三角形接法都可使用；缺點是：投資較大，設(shè)備體積大。

2）自耦變壓器降壓啟動

自耦變壓器降壓啟動也稱啟動補償器啟圖2.22自耦變壓器降壓啟動原理線路圖

圖2.22自耦變壓器降壓啟動原理線路圖

（3）小容量電動機(jī)重載啟動——鼠籠電機(jī)的特殊型式

小容量電動機(jī)重載啟動時，啟動的主要問題是啟動轉(zhuǎn)矩不足。針對這種情況，解決的辦法有兩個：其一，是按啟動要求，選擇容量更大的電動機(jī)；其二，是選用啟動轉(zhuǎn)矩較高的特殊型式的電動機(jī)。

（4）中、大容量電動機(jī)重載啟動——繞線電動機(jī)啟動

繞線電機(jī)常用轉(zhuǎn)子串接電阻或轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器的方法改善啟動性能。繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串接電阻時，如果阻值選擇合適，可以既增大啟動轉(zhuǎn)矩，又減小啟動電流，從而使兩對矛盾都得到解決，當(dāng)然投入設(shè)備要多一些，成本較高。

2.6.2三相異步電動機(jī)的調(diào)速

調(diào)速就是在同一負(fù)載下能得到不同的轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)過程的要求。如果采用電氣調(diào)速，就可以大大簡化機(jī)械變速機(jī)構(gòu)。三相異步電動機(jī)的調(diào)速，（3）小容量電動機(jī)重載啟動——鼠籠電機(jī)的特殊型式

小容量電動圖2.23繞線式電動機(jī)啟動時的接線圖

圖2.23繞線式電動機(jī)啟動時的接線圖

就是人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)機(jī)械的需要。電動機(jī)調(diào)速的方法很多，從轉(zhuǎn)速的表達(dá)式

可以看出，改變電動機(jī)