第五章三相異步電動機(jī)

第五章異步電動機(jī)

學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握異步電動機(jī)轉(zhuǎn)動的原理,了解異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性;掌握異步電動機(jī)的啟動、制動、調(diào)速及反轉(zhuǎn)的方法;了解異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)、銘牌及技術(shù)數(shù)據(jù),了解異步電動機(jī)選擇的基本內(nèi)容;了解單相異步電動機(jī)的工作原理及啟動方法。

電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代各種機(jī)械中作為驅(qū)動。由電動機(jī)驅(qū)動的優(yōu)點：減輕繁重的體力勞動；提高生產(chǎn)率；可實現(xiàn)自動控制和遠(yuǎn)距離操縱。電動機(jī)的分類：電動機(jī)直流電動機(jī)交流電動機(jī)他勵電動機(jī)并勵電動機(jī)串勵電動機(jī)復(fù)勵電動機(jī)同步電動機(jī)異步電動機(jī)三相電動機(jī)單相電動機(jī)同步電動機(jī)異步電動機(jī)兩相電動機(jī)交流電動機(jī)異步電動機(jī)三相電動機(jī)電動機(jī)工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用著交流電動機(jī)，特別是三相異步電動機(jī)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、效率高和功率大等許多優(yōu)點。本章討論的問題：(1)三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)；(2)三相異步電動機(jī)的工作原理；(3)三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率；(4)轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性及其與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系；(5)電動機(jī)的起動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速及制動的基本原理和方法；第一節(jié)三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理一、三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

三相異步電動機(jī)按照轉(zhuǎn)子的不同分為:籠型和繞線型兩種?；\型異步電動機(jī)的組成1、三相異步電動機(jī)定子的結(jié)構(gòu)三相異步電動機(jī)的定子包括：機(jī)座、定子鐵心和定子繞組。機(jī)座一般由鑄鋼制成，如圖所示。定子鐵心由0.5mm厚，內(nèi)圓沖有槽孔的環(huán)形硅鋼片疊成，裝于機(jī)座中。異步電動機(jī)的機(jī)座和定子鐵心

定子三相對稱繞組的每一相都有兩個出線頭，它們的始末端分別標(biāo)以U1、U2，V1、V2，W1、W2，如下圖所示。這些出線頭分別和機(jī)座外側(cè)的接線盒內(nèi)端子板上的同標(biāo)記的六個端子相連接。2、三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)

三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子包括：轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組。

轉(zhuǎn)子鐵心由0.5mm厚、外圓沖有槽孔的硅鋼片疊成，壓裝在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子鐵心外圓均勻分布著軸向線槽，轉(zhuǎn)子繞組就裝在這些槽中。

三相異步電動機(jī)可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的形式分為：籠型電動機(jī)、繞線型電動機(jī)。繞線型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路接線圖繞線型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖二、三相異步電動機(jī)工作原理為了說明三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理，我們先做一個演示實驗如圖所示。SN圖旋轉(zhuǎn)磁場帶動鼠籠轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁極間放一個由銅條構(gòu)成的鼠籠式轉(zhuǎn)子，當(dāng)我們搖動磁極時轉(zhuǎn)子跟著轉(zhuǎn)動。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理與圖相似可用下圖所示加以說明NS-+FFnNS圖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖中，轉(zhuǎn)子由兩根銅條表示，當(dāng)磁極旋轉(zhuǎn)時，磁力線切割銅條，感應(yīng)出電動勢，應(yīng)用右手定則可確定電動勢的方向。在電動勢的作用下，閉合的銅條中就有電流，感生電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，而使轉(zhuǎn)子銅條受到電磁力F，電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁力的方向由左手定則確定，轉(zhuǎn)子的方向?qū)⑴c磁極旋轉(zhuǎn)方向一致。

一）、旋轉(zhuǎn)磁場1.旋轉(zhuǎn)磁場是如何產(chǎn)生的把兩極電動機(jī)定子的三相對稱繞組用下圖所示的三個單匝線圈表示。每個線圈嵌在定子鐵心槽中的兩個圈邊，空間位置相隔180°。三個始端（或末端）所連圈邊在空間位置上互差120

°。三個線圈的始末端分別標(biāo)記為U1、U2、V1、V2、W1、W2電流相序為：VWU設(shè)三相繞組接成星形，電流參考方向從始端U1、V1、W1進(jìn)去，從末端U2、V2、W2流出。n0=60fr/min

(轉(zhuǎn)每分)三相電流周期性地連續(xù)變化，產(chǎn)生的合成磁場的磁極將按順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，形成一個具有一對磁極（磁極對數(shù)p=1）的旋轉(zhuǎn)磁場。2.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速按一分鐘相當(dāng)于60f個周期計算，兩極旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0為：n0=60f／2(r/min)若定子三相對稱繞組包含六組線圈，如圖所示。當(dāng)繞組按星形聯(lián)結(jié)并從電源流入三相電流時，將產(chǎn)生四極旋轉(zhuǎn)磁場。分析可得：按一定規(guī)律改變定子繞組的分布和連接,可得到極對數(shù)不同的旋轉(zhuǎn)磁場，它的轉(zhuǎn)速同極對數(shù)p的關(guān)系為：

n0=60f／p(r/min)表明3.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于定子繞組中電流的相序：從電流相序在前的繞組，轉(zhuǎn)向電流相序在后的繞組。二）、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理T——電磁轉(zhuǎn)矩n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n0——旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。n總是低于n0，n和n0始終相異，故稱為異步電動機(jī)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動方向相同。轉(zhuǎn)差率或滑差率：起動瞬間，n=0，一般電動機(jī)正常運(yùn)行中的s約在0.02~0.08之間

第二節(jié)三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性

電磁轉(zhuǎn)矩T是三相異步電動機(jī)最重要的物理量之一，機(jī)械特性是電動機(jī)的主要特性。對電動機(jī)進(jìn)行分析往往離不開這兩方面內(nèi)容。一、轉(zhuǎn)矩公式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由旋轉(zhuǎn)磁場每磁極的磁通與轉(zhuǎn)子電流I2相互作用產(chǎn)生的。它應(yīng)與電磁功率成正比，因而與轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)有關(guān)。于是及且則轉(zhuǎn)矩公式可表示為轉(zhuǎn)矩T也與s有關(guān)。由上式可見，轉(zhuǎn)矩還與定子的相電壓U1的平方成正比。所以，電源電壓的變動對轉(zhuǎn)矩的影響很大。轉(zhuǎn)矩特性T=T(s)曲線如圖所示，當(dāng)s很小時，T與s成正比；當(dāng)s很大時，T與s成反比(以雙曲線為漸近線)，并且有最大轉(zhuǎn)矩Tmax存在。TssmTmax00nn01二、機(jī)械特性曲線在電源電壓U1和轉(zhuǎn)子電阻R2一定的情況下，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線T=f(s)或轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線n=f(T)，稱為電動機(jī)的機(jī)械特性曲線。轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線T=f(s)如右側(cè)上圖所示，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線

n=f(T)如右側(cè)下圖所示。TssmTmax00nn01TbTmax0nn0TNTstnNa實際上，下圖是通過上圖右旋90°得到的。研究機(jī)械特性是分析為了分析電動機(jī)的運(yùn)行性能。在機(jī)械特性曲線上，要討論三個轉(zhuǎn)矩。1.額定轉(zhuǎn)矩TNTbTmax0nn0TNTstnNa在電動機(jī)勻速轉(zhuǎn)動時，其轉(zhuǎn)矩T必須與阻力轉(zhuǎn)矩TC平衡，而阻力轉(zhuǎn)矩包括負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2和空載損耗轉(zhuǎn)矩T0。一般T0很小，?？珊雎裕訮2是電動機(jī)的輸出功率(單位W)，T的單位是(N?m)。n

的單位是(r/min)。若功率單位用千瓦，則額定轉(zhuǎn)矩是電動機(jī)在額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)矩?？蓮碾妱訖C(jī)銘牌上額定功率和額定轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)求得。如某臺電動機(jī)，P2N=7.5kW，額定轉(zhuǎn)速nN=1440r/min，則額定轉(zhuǎn)矩為正常情況下，電動機(jī)都工作在特性曲線的ab段，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速要降低，但對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩卻要增加，因為ab段比較平坦，所以電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不大。這種特征稱為硬的機(jī)械特性。TbTmax0nn0TstaTNnN2.最大轉(zhuǎn)矩Tmax在機(jī)械特性曲線的最大值，稱為最大轉(zhuǎn)矩或臨界轉(zhuǎn)矩。Tb0nn0TstaTNnNTmax此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為sm(可由dT/ds=0求得)，即令可得進(jìn)而可得可見，TmaxU12,且與轉(zhuǎn)子電阻R2無關(guān)，而R2越大sm也越大。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降，電動機(jī)將停止轉(zhuǎn)動——產(chǎn)生悶車現(xiàn)象。電動機(jī)一旦悶車，電流立即上升6~7倍，電動機(jī)嚴(yán)重過熱！以至燒壞。從另一方面考慮，若在很短時間內(nèi)過載，在電動機(jī)尚未過熱就恢復(fù)達(dá)到正常狀態(tài)，未損壞電動機(jī)是允許的。因此，最大轉(zhuǎn)矩也表示電動機(jī)具有短時間的過載能力。定義最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值為過載系數(shù)λ，即一般電動機(jī)的過載系數(shù)為1.8~2.2。3.起動轉(zhuǎn)矩Tst電動機(jī)剛起動(n=0)時的轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩可見，起動轉(zhuǎn)矩與U12及R2有關(guān)，當(dāng)電源電壓降低時起動轉(zhuǎn)矩會減??；當(dāng)適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子繞組的電阻會使起動轉(zhuǎn)矩有所增加?？捎猩鲜阶C明當(dāng)R2=X20時，Tst=Tmax，及sm=1。T0nU1U1U1<

U1U1對轉(zhuǎn)矩的影響T0nTmaxR2R2R2

<

R2R2對轉(zhuǎn)矩的影響第三節(jié)異步電動機(jī)的起動、

反轉(zhuǎn)和調(diào)速一、籠型異步電動機(jī)的起動

一般情況下，一二十千瓦以下的小型異步電動機(jī)，在其容量小于動力供電變壓器容量的20%時，可允許直接起動。否則，就要在起動時采取降壓措施，減小起動電流。Q2

先置于中間位置，接通電源開關(guān)Q1

，再把Q2合向“起動”位置，等電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高后，把Q2切換到“運(yùn)轉(zhuǎn)”位置進(jìn)入正常運(yùn)行。操作順序是：相電壓降低為線電流和起動轉(zhuǎn)矩降低為1.星形﹣三角形換接起動同接成三角形進(jìn)行直接起動相比：起動補(bǔ)償器由三相自耦變壓器和切換開關(guān)組成。2.用起動補(bǔ)償器起動籠型電動機(jī)用起動補(bǔ)償起動的接線原理圖先合上Q1

，在合上Q3的同時把Q2合向“起動”位置。等電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高后切斷Q3

,同時將Q2合向“運(yùn)轉(zhuǎn)”位置，使自耦變壓器同供電線路脫離，電動機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行。操作順序是：起動時起動前將Q2

、Q3斷開。將電動機(jī)與電源相連的三根導(dǎo)線中的任意兩根對調(diào)就可以使旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。二、籠型三相異步電動機(jī)的反轉(zhuǎn)三、籠型異步電動機(jī)的調(diào)速異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速籠型異步電動機(jī)的調(diào)速方法：調(diào)速根據(jù)所帶工作機(jī)械的需要，通過改變電動機(jī)的外部電源條件或內(nèi)部繞組連接以得到不同的人工機(jī)械特性，從而改變電動機(jī)和工作機(jī)械的轉(zhuǎn)速。1.改變磁極對數(shù)調(diào)速2.變頻調(diào)速

改變籠型異步電動機(jī)定子繞組的接線方式可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)，因為極對數(shù)是成倍的變化，所只能是有級調(diào)速。1.改變磁極對數(shù)調(diào)速下圖為極數(shù)比為2:4雙速電動機(jī)的U相繞組改變接線方式的情況。2.變頻調(diào)速

實現(xiàn)無級變頻調(diào)速需要有頻率連續(xù)可調(diào)的變頻設(shè)備，如圖所示。整流器——

將50Hz交流電整流成直流電。逆變器——將直流電變成頻率（f）和電壓（U1）可調(diào)的三相交流電，向電動機(jī)供電。此外還有

將50Hz交流電直接變成頻率（f）可調(diào)但低于工頻的三相交流電的交－交型變頻器，如圖（c）所示。由上式可知，在逆變器供電頻率（f）從電動機(jī)額定頻率fN向下改變時，必須相應(yīng)降低供電電壓有效值U1

，以保持電動機(jī)磁通量Φ基本不變。否則電動機(jī)鐵心過于飽和，勵磁電流和鐵損耗大增，而這是不允許的。

如圖所示，通過控制電路保持常數(shù)，從而保持Φ不變條件下，f下降后，n0下降，但最大轉(zhuǎn)矩Tm

不變。

對應(yīng)不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速下降值相同，即變頻后的人工機(jī)械特性和自然機(jī)械特性平行的。因此低速下仍可輸出額定轉(zhuǎn)矩TN

，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)10:1以上。

變頻器供電頻率f也可從fN向上改變，但供電電壓U1只能保持在U1N，不允許隨著升高。因此，f上升時，Φ和Tm

要降低，額定電流I1N

下的T將小于TN，但輸出機(jī)械功率因輸入電功率允許達(dá)到P1N也可以達(dá)到P2=PN，實現(xiàn)恒功率調(diào)速。四、三相電動機(jī)的制動因為電動機(jī)的轉(zhuǎn)動部分有慣性，所以把電源切斷后，電動機(jī)還會繼續(xù)轉(zhuǎn)動一定時間后停止。為了縮短輔助工時，提高生產(chǎn)機(jī)械的生產(chǎn)率，并為了安全起見，往往要求電動機(jī)能夠迅速停車和反轉(zhuǎn)。這就需要對電動機(jī)制動。對電動機(jī)制動，也就是要求它的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反。這時的轉(zhuǎn)矩稱為制動轉(zhuǎn)矩。異步電動機(jī)的制動常用下列幾種方法：1.能耗制動M3~R+-Φn0=0Fn2.反接制動FΦn0nM3~3.發(fā)電反饋制動Φn0nn＞n0F一、銘牌第四節(jié)三相異步電動機(jī)的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電機(jī)產(chǎn)品型號用漢語拼音大寫字母及國際通用符號和阿拉伯?dāng)?shù)字組成。按順序包括產(chǎn)品名稱代號、規(guī)格代號等。1.型號為了適應(yīng)不同用途和不同工作環(huán)境的需要，電動機(jī)制成不同的系列，每種系列用各種型號表示。型號說明：Y132M-4三相異步電動機(jī)磁極數(shù)機(jī)座中心高機(jī)座長度代號（S-短機(jī)座；M-中機(jī)座；L-長機(jī)座）產(chǎn)品名稱新代號新代號的漢字意義老代號異步電動機(jī)Y異J、JS、JO繞線型異步電動機(jī)YR異繞JR、JRO隔爆型異步電動機(jī)YB異爆JB、JBS起重冶金用異步電動機(jī)YZ異重JZ起重冶金用繞線型異步電動機(jī)YZR異重繞JZR高起動轉(zhuǎn)矩異步電動機(jī)YQ異起JQ、JGQ

異步電動機(jī)產(chǎn)品名稱代號2.額定電壓U1N電動機(jī)在額定運(yùn)行時的定子繞組線電壓，它同定子繞組“接法”有對應(yīng)關(guān)系。

Y系列電動機(jī)，UIN均為380V，容量在3.0kW以下的接成星形，4.0kW以上的接成三角形。3.額定電流I1N電動機(jī)在額定電壓下滿載運(yùn)行時的定子繞組線電流。4.額定功率PN電動機(jī)在額定電壓下，電流達(dá)到額定值時，軸上輸出的機(jī)械功率。5.額定頻率fN電動機(jī)額定運(yùn)行時的頻率，應(yīng)同電源頻率一致。我國工頻為50Hz

。6.額定轉(zhuǎn)速nN電動機(jī)額定運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速。7.絕緣等級銘牌上所標(biāo)的絕緣等級是按電動機(jī)繞組所用的絕緣材料在使用時所允許的極限溫度來分級的。8.工作制又稱為定額。按規(guī)定分為：連續(xù)、短時、斷續(xù)等。電動機(jī)型號額定功率/kW額定電壓/V

滿載時速度電流效率功率/(r/min)(A)(﹪)因數(shù)起動電流額定電流起動轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩重量/kgY250M-4553801480102.592.6%0.887.02.02.2450異步電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)舉例二、技術(shù)數(shù)據(jù)“滿載時的效率”指電動機(jī)的額定輸出機(jī)械功率PN對定子額定輸入電功率P1N的比值,用ηN表示。是“滿載時的(定子電路)功率因數(shù)”“額定轉(zhuǎn)矩”是電動機(jī)在額定運(yùn)行時軸上的輸出轉(zhuǎn)矩。軸上機(jī)械功率P等于轉(zhuǎn)矩T和角速度ω的乘積，故：

“額定轉(zhuǎn)矩為”：式中PN以kW為單位。Y160L-41530.3146088.5％0.852.27.02.2Y180L-42242.5147091.5％0.862.07.02.2Y132M-47.515.4144087％0.852.27.02.2Y112M-448.8144084.5％0.822.27.02.2Y100L1-42.25.0142081％0.822.27.02.2Y90S-41.12.7140078％0.782.26.52.2Y801-40.551.5139073％0.762.26.52.2（二）四級：同步轉(zhuǎn)速1500r/min（全部型號）Y160M2-2

1529.4293088.2％0.880.27.02.2

Y112M-248.2289085.5％0.872.27.02.2（一）二級：同步轉(zhuǎn)速3000r/min（部分型號）型號額定滿載時起動轉(zhuǎn)矩起動電流最大轉(zhuǎn)矩功率電流轉(zhuǎn)速效率功率因數(shù)額定轉(zhuǎn)矩額定電流額定轉(zhuǎn)矩

/kW/A/(r/min)

Y系列三相異步電動機(jī)（部分型號）技術(shù)數(shù)據(jù)型號額定滿載時起動轉(zhuǎn)矩起動電流最大轉(zhuǎn)矩功率電流轉(zhuǎn)速效率功率因數(shù)額定轉(zhuǎn)矩額定電流額定轉(zhuǎn)矩/kW/A/(r/min

)Y225S-43769.8148091.8％0.871.97.02.2Y250M-455102.5148092.6％0.882.07.02.2Y280M-490164.3148093.6％0.891.97.02.2（三）六級：同步轉(zhuǎn)速1000r/min（部分型號）Y160M-67.517.097086％0.782.06.52.0Y225M-63059.598090.2％0.851.76.52.0（四）八級：同步轉(zhuǎn)速750r/min（部分型號）Y225M-82247.673090％0.781.86.02.0Y315M2-890180.3