《電工電子學》課件第6章

第6章交流電動機

6.1三相異步電動機的結構

6.2三相異步電動機的工作原理

6.3三相異步電動機的電路分析

6.4三相異步電動機的轉矩與機械特性

6.5三相異步電動機的起動、制動與調速

6.6三相異步電動機的銘牌數據

6.7三相異步電動機的選擇

6.1三相異步電動機的結構

實際三相異步電動機的結構主要包括兩個部分。靜止不動的定子和可以旋轉的轉子，如圖6-1所示。定子和轉子之間隔著一層很小的空氣隙，中、小型異步電動機的空氣隙厚度約為0.2~1.5mm。圖6-1三相籠型異步電動機的結構6.1.1定子

三相異步電動機的定子主要由機座、定子鐵心和定子繞組三部分組成。定子鐵心是電動機磁路的一部分，為了減小渦流和磁滯損耗，由互相絕緣的硅鋼片疊成，其內圓周表面有槽，用來放置定子繞組，如圖6-2所示。圖6-2定子和轉子的鐵心片6.1.2氣隙

異步電動機的氣隙比同容量的直流電動機的氣隙小得多，在中、小型異步電動機中，氣隙一般為0.2~1.5mm。6.1.3轉子

轉子是電動機的轉動部分，主要由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸三部分組成。轉子鐵心是圓柱形的，由硅鋼片疊成。在轉子鐵心的外圓周上有槽，槽內放置轉子繞組，轉子固定在轉軸上，如圖6-1所示。按照轉子繞組結構的不同，異步電動機可分為鼠籠式和繞線式兩種。圖6-3所示是鼠籠式轉子的結構。圖6-3銅條構成的鼠籠式轉子繞線型異步電動機的內部結構如圖6-4所示，它的轉子繞組同定子繞組一樣，是嵌放在轉子鐵心槽內的三相對稱繞組。繞組的三根引出線分別連接到裝在轉子一端軸上的三

個銅制的滑環(huán)上，滑環(huán)固定在轉軸上，可與轉子一道旋轉。環(huán)與環(huán)、環(huán)與轉軸都互相絕緣。在環(huán)上用彈簧壓著碳質電刷，分別用三組電刷將電流引出來，如圖6-5所示。其優(yōu)點是可以通過滑環(huán)和電刷給轉子回路串入附加阻抗，以改善

電動機的起動或調速性能。缺點是結構復雜，價格貴，維護麻煩。圖6-4繞線型異步電動機的構造圖6-5繞線型轉子

6.2三相異步電動機的工作原理

三相異步電動機的定子繞組中通入三相電流，便產生旋轉磁場并切割轉子導體，在轉子電路中產生感應電流，載流轉子在磁場中受力產生電磁轉矩，從而使轉子旋轉。所以，旋轉磁場的產生是轉子轉動的先決條件。6.2.1旋轉磁場

1.旋轉磁場的產生

三相異步電動機的定子鐵心中放有三相對稱繞組AX、BY和CZ，設將三相繞組接成星形，并接上三相對稱電源，繞組中便通入三相對稱電流:其波形如圖6-6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；在負半周時，其值為負，其實際方向和參考方向相反。圖6-6三相對稱電流在ωt=0的瞬時，定子繞組中的電流方向如圖6-7(a)所示。這時iA=0；iB是負的，其方向與參考方向相反，從Y端

流到B端；iC是正的，其方向與參考方向相同，即電流從C

端流到Z端。將每相電流所產生的磁場相加，便得出三相電流的合成磁場。在圖6-7(a)中，合成磁場軸線的方向是自上而下。圖6-7三相電流產生的旋轉磁場(p=1)圖6-7(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，這時的合成磁場已經在空間轉過了60°。

同理可得在ωt=120°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過了60°，如圖6-7(c)

所示。

2.旋轉磁場的方向

只要將同三相電源連接的三根導線中的任意兩根的一端對調位置，例如將電動機三相定子繞組的B端改為與電源L3相連，C端與L2相連，則旋轉磁場就反轉了。其電源接線和旋轉磁場的方向如圖6-8所示。圖6-8旋轉磁場的反轉

3.旋轉磁場的磁極數

三相異步電動機的磁極數就是旋轉磁場的磁極數。旋轉磁場的磁極數和三相繞組的安排有關。在圖6-7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，則產生的旋轉磁場具有一對極，即p=1(p是磁極對數)。如將定子繞組安排得如圖6-9那樣，即每相繞組有兩個線圈串聯，繞組的始端之間相差60°空間角，即產生的旋轉磁

場具有兩對極(p=2)，如圖6-10所示。圖6-9產生四極旋轉磁場的定子繞組圖6-10三相電流產生的旋轉磁場(p=2)

4.旋轉磁場的轉速

由前面的分析可以看出，異步電動機定子繞組中的三相電流所產生的合成磁場是隨著電流的變化在空間不斷旋轉，形成一個具有一對磁極(磁極對數p=1)的旋轉磁場。三相電

流變化一個周期T(即變化360°)，合成磁場在空間旋轉一周。三相電流的頻率為f1，表明三相電流每秒鐘交變的周期數為f1，故旋轉磁場每分鐘的轉速為

n0=60f1(r/min)(6-1)如果設法使定子磁場為四極(磁極對數p=2)，可以證明，電流變化一個周期，合成磁場在空間旋轉180°，其轉速為

由此可以推廣到p對磁極的異步電動機的旋轉磁場的轉速為

(6-2)6.2.2異步電動機的轉子轉動原理

圖6-11是三相電動機轉子轉動的原理圖，圖中N、S表示旋轉磁場的兩極，轉子中只示出兩根導條(銅或鋁)。圖6-11轉子轉動的原理圖通常，我們把同步轉速n0與轉子轉速n的差值稱為轉差，轉差與n0的比值稱為異步電動機的轉差率，用s表示，即

(6-3)

【例6-1】有一臺三相異步電動機，其額定轉速n=1425r/min。試求電動機的磁極數和額定負載時的轉差率。電源頻率f1=50Hz。

解由于電動機的額定轉速接近而略小于同步轉速，而同步轉速對應于不同的磁極對數有一系列固定的數值。與n=1425r/min最相近的同步轉速n0=1500r/min，與此相應的磁極對數p=2。因此，額定負載時的轉差率為

6.3三相異步電動機的電路分析

圖6-12是三相異步電動機的每相電路圖。和變壓器相比，定子繞組相當于變壓器的一次繞組，轉子繞組(一般是短接的)相當于變壓器的二次繞組。三相異步電動機中的電磁關系同變壓器類似。當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，并產生旋轉磁場。旋轉磁場的磁通通過定子鐵心和轉子鐵心構成閉合磁路

(定子鐵心和轉子鐵心之間存在著很小的氣隙)。圖6-12三相異步電動機的每相電路圖6.3.1定子電路

定子每相電路的電壓方程和變壓器一次繞組電路的一樣，即

(6-4)

如果用相量表示，式(6-4)則表示為

(6-5)

式(6-5)中，R1和X1分別為定子每相繞組的電阻和感抗(漏磁感抗)。和變壓器一樣，也可得出即

(6-6)

式(6-6)中，Φ是通過每相繞組的磁通最大值，在數值上它等于旋轉磁場的每極磁通；f1是e1的變化頻率。因為旋轉磁場和定子間的相對轉速為n0，所以

(6-7)

即等于電源或定子電流的頻率。6.3.2轉子電路

轉子每相電路的電壓方程為

(6-8)

如果用相量表示，則式(6-8)為

(6-9)

1.轉子頻率f2

因為旋轉磁場和轉子間的相對轉速為(n0－n)，所以轉子頻率為

(6-10)

可見，轉子頻率f2與轉差率s有關，即與轉速n有關。

2.轉子電動勢E2和轉子感抗X2

轉子電動勢e2的有效值表達式為

E2=4.44f2N2Φ=4.44sf1N2Φ

(6-11)

轉子感抗X2的表述式為

X2=2πf2Lσ2=2πsf1Lσ2

(6-12)

在n=0即s=1(電動機起動初始瞬間)時，f2=f1，則轉子電動勢和轉子感抗分別為

E20=4.44f1N2Φ，X20=2πf1Lσ2

均達到最大。

3.轉子電流I2和轉子電路的功率因數cosj2

轉子每相電路的電流可由前面的公式推導得出，即

(6-13)因為轉子電路為感性電路，相應的感抗為X2，其轉子電流I2總是滯后轉子電動勢E2，因而轉子電路的功率因數為

(6-14)

可見，轉子電流I2和cosj2都與轉差率s有關。當s增大，即轉速n降低時，轉子與旋轉磁場間的相對轉速(n0－n)增加，轉子導體切割磁通的速度提高，于是E2增加，I2也增加。I2和cosj2隨s變化的關系可用圖6-13的曲線表示。圖6-13

I2和cosj2與轉差率s的關系

6.4三相異步電動機的轉矩與機械特性

6.4.1電動機的電磁轉矩公式

異步電動機的轉矩是由旋轉磁場的每極磁通Φ與轉子電流I2相互作用而產生的。但因轉子電路是電感性的，轉子電流I2比轉子電動勢E2滯后j2角；又因電磁轉矩與電磁功率Pj成正比，于是可以得出異步電動機的電磁轉矩表達式為

(6-15)再根據式(6-6)、式(6-13)、式(6-14)，可知將上列三式代入式(6-15)，則得出轉矩的另一個表示式:

(6-16)

式中，K是一常數。6.4.2機械特性曲線

在一定的電源電壓U1和轉子電阻R2之下，轉矩與轉差率的關系曲線T=f(s)或轉速與轉矩的關系曲線n=f(T)，稱為電動機的機械特性曲線，如圖6-14所示。圖6-15的n=f(T)曲線可從圖6-14得出。只需將T=f(s)曲線順時針轉過90°，再將表示T的橫軸移下即可。圖6-14三相異步電動機的T=f(s)曲線圖6-15三相異步電動機的n=f(T)曲線

1.額定轉矩TN

電動機在等速轉動時，電動機的轉矩T必須與阻轉矩TC相平衡，即T=TC。

阻轉矩主要是機械負載轉矩T2，此外，還包括空載損耗轉矩(主要是機械損耗轉矩)T0。由于T0很小，常可忽略，所以

(6-17)

式中，P2是電動機軸上輸出的機械功率，單位是瓦(W)。轉矩的單位是?！っ?N·m)；轉速的單位是轉每分(r/min)。功率如用千瓦為單位，則

(6-18)額定轉矩是電動機在額定負載時的轉矩，它可依據電動機銘牌上的額定功率(輸出機械功率)和額定轉速由下式得到

(6-19)

2.最大轉矩Tmax

從機械特性曲線上看，轉矩有一個最大值，稱為最大轉矩或臨界轉矩。對應于最大轉矩的轉差率為sm，它由

求得，即

(6-20)再將式(6-20)代入式(6-16)，得到的最大轉矩公式為

(6-21)

由以上兩式可見，Tmax與U21成正比，而與轉子電阻R2無關；sm與R2成正比，R2愈大，sm也愈大。另外一個方面，也說明電動機的最大過載可以接近最大轉矩。如果過載時間較短，電動機不至于立即過熱，是容許的。因此，最大轉矩也表示電動機的短時容許過載能力。電

動機的額定轉矩TN比Tmax要小，兩者之比稱為過載系數λ，即

(6-22)

3.起動轉矩Tst

電動機剛起動(n=0即s=1)時的電磁轉矩稱為起動轉矩。將s=1代入式(6-16)即可得到起動轉矩Tst:

(6-23)

6.5三相異步電動機的起動、制動與調速

6.5.1三相異步電動機的起動

電動機的起動就是把它開動起來。在起動初始瞬間，n=0，s=1。下面從起動時的電流和轉矩來分析電動機的起

動性能。

1.起動電流Ist

電動機在剛起動時，由于旋轉磁場對靜止的轉子有著很大的相對轉速，磁通切割轉子導條的速度很快，因此，起動時轉子繞組中感應出的電動勢和產生的轉子電流都很大。轉子電流的增大將使定子電流也相應增大。一般中小型籠型電動機的定子起動電流(指線電流)大約是額定電流的5～7倍。

2.起動轉矩Tst

電動機在剛起動時，雖然轉子電流很大，但因為電動機起動時，轉子電流頻率最高(為定子電流頻率)，轉子感抗很大，所以轉子的功率因數是很低的。因此，起動轉矩實際

上是不大的，它與額定轉矩之比值約為1.0～2.2。

3.起動方法

1)直接起動

直接起動就是利用閘刀開關或接觸器將電動機直接接到具有額定電壓的電源上進行起動。這種方法雖然接線簡單、設備少、投資小、起動時間短，但由于起動電流大，將使線

路電壓下降較多，影響周邊負載的正常工作。

2)降壓起動

(1)星形-三角形(Y-△)降壓起動。

星形-三角形方法只適用于在正常工作時其定子繞組是三角形連接的電動機。為了減小起動電流，起動時可把定子繞組接成星形，使加在每相繞組上的電壓降低到額定電壓的

等到轉速接近額定值時再換接成三角形。這種起動方法稱為籠型電動機的星形-三角形(Y-△)轉換起動。其接線圖如圖6-16所示。圖6-16

Y-△轉換起動接線圖圖6-17是定子繞組的兩種連接法，Z為起動時每相繞組的等效阻抗。圖6-17籠型電動機的星形-三角形(Y-△)轉換起動由三相電路的分析可知，當定子繞組連接成星形時，線電流IlY等于相電流IpY；當定子繞組連接成三角形時，線電流IlΔ為相電流IpΔ的倍。故有

(2)自耦變壓器降壓起動。

自耦變壓器降壓起動是利用三相自耦變壓器將電動機在起動過程中的端電壓降低，其接線圖如圖6-18所示。圖6-18自耦變壓器降壓起動接線圖對于不僅要求起動電流小，而且要求有相當大的起動轉矩的場合，就往往不得不采用起動性能較好而價格較貴的繞線型電動機了。繞線型異步電動機的起動性能好，只要在轉子電路中接入大小適當的起動電阻Rst，即可達到減小起動電流的目的；同時又提高了電動機的起動轉矩Tst。繞線型異步電動機的起動接線圖如圖6-19所示。圖6-19繞線型異步電動機的起動接線圖

【例6-2】有一Y225M-4型三相異步電動機，其額定數據如下表所示。試求：(1)額定電流；(2)額定轉差率sN；

(3)額定轉矩TN、最大轉矩Tmax、起動轉矩Tst。

解

(1)4～100kW的電動機通常都是380V、三角形連接的。

(2)由n=1480r/min可知，電動機是四級的，即p=2，n0=1500r/min，所以

(3)6.5.2三相異步電動機的調速

首先來研究異步電動機的轉速公式:

(6-24)

1.變頻調速

近年來，變頻調速技術發(fā)展很快。目前主要采用如圖

6-20所示的變頻調速裝置，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，供給三相籠型電動機，由此可實現電動機的無級調速。圖6-20變頻調速裝置

2.變極調速

改變磁極對數調速，通常用改變定子繞組接線的方法來實現?？捎屑壍馗淖冸妱訖C的轉速。增加磁極對數，可以降低電動機的轉速，但磁極對數只能成整數倍地變化，因此，改變磁極對數調速方法無法做到平滑調速，只適用于籠型異步電動機。圖6-21所示為異步電動機定子繞組的兩種接法，每相

繞組有兩個線圈。圖(a)中兩個線圈串聯，極對數p=2；圖

6-21(b)中兩個線圈反并聯(頭尾相聯)，極對數p=1。在換極時，一個線圈中的電流方向不變，而另一個線圈中的電流必須改變方向。圖6-21異步電動機變極調速示意圖

3.變轉差率調速

在繞線型電動機的轉子電路中，接入一個調速變阻器(接法與起動電阻一樣)，改變轉子回路電阻，即可實現變轉差率調速。接入電阻的大小與轉差率的關系可由下式確定：

(6-25)

【例6-3】有一臺繞線式三相異步電動機，轉子每相電阻R2=0.022Ω，額定轉速nN=1450r/min?，F要將其調速到1200r/min，請問：應在轉子繞組的電路中串接多大的調速電阻？

解先求額定轉差率sN：再求轉速為1200r/min時的轉差率s：

最后求調速電阻，由式(6-25)得6.5.3三相異步電動機的制動

1.能耗制動

能耗制動的原理如圖6-22所示。圖6-22能耗制動

2.反接制動

在電動機停車時，將接到電源的三根導線中的任意兩

根對調位置，旋轉磁場將反向旋轉，產生與轉子慣性轉動方向相反的轉矩，實現制動，這種制動方法稱為電源反接制動。當電動機的轉速接近零時，應利用某種控制電器將電

源自動切斷，否則電動機將會反轉。反接制動的原理如圖

6-23所示。圖6-23反接制動

3.發(fā)電反饋制動

發(fā)電反饋制動的原理如圖6-24所示。圖6-24發(fā)電反饋制動

6.6三相異步電動機的銘牌數據

要正確使用電動機，必須要看懂銘牌?，F以Y132M-4型電動機為例(如圖6-25所示)，來說明銘牌上各個數據的意義。除了銘牌上的數據外，有關的技術數據還有：功率因數0.85，效率87(%)。圖6-25

Y132M-4型電動機

1.型號

為了適應不同用途和不同工作環(huán)境的需要，電動機制

成不同的系列，每種系列用各種型號表示。型號各項的意義如下：

2.接法

接法是指定子三相繞組的接法。一般籠型電動機的接線盒中有六根引出線，標有U1、V1、W1、U2、V2、W2。其中，U1、U2是第一相繞組的兩端；V1、V2是第二相繞組的兩端；W1、W2是第三相繞組的兩端。

如果U1、V1、W1分別為三相繞組的始端(頭)，則U2、V2、W2是相應的末端(尾)。這六個引出線端在接電源之前，相互間必須正確連接。連接方法有星形(Y)連接和三角形(△)連接兩種，如圖6-26所示。圖6-26定子繞組的星形連接和三角形連接

3.電壓

銘牌上所標的電壓值是指電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值，單位為伏特(V)。一般規(guī)定電動機的電壓不應高于或低于額定值的5％。

4.電流

銘牌上所標的電流值是指電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。

當電動機空載時，轉子轉速接近于旋轉磁場的轉速，兩者之間相對轉速很小，轉子電流近似為零，這時定子電流幾乎全為建立旋轉磁場的勵磁電流。當輸出功率增大時，轉子

電流和定子電流都隨著相應增大。

5.功率與效率

銘牌上所標的功率值是指電動機在額定運行時軸上輸出的機械功率值。輸出功率與輸入功率不等，其差值等于電動機本身的損耗功率，包括銅損、鐵損及機械損耗等。所謂

效率η就是輸出功率與輸入功率的比值。以Y132M-4型電動機為例：

輸入功率為

輸出功率為

P2=7.5kW

效率為

一般籠型電動機在額定運行時的效率約為72％～93％。

6.功率因數

功率因數是指電動機在額定負載時定子繞組的功率因數。因為電動機是電感性負載，定子相電流比相電壓滯后一個j角，cosj就是電動機的功率因數。

7.轉速

由于生產機械對轉速的要求不同，需要生產不同磁極數的異步電動機，因此有不同的轉速等級。最常用的是四個極的(n0=1500r/min)。

8.絕緣等級

絕緣等級是按電動機繞組所用的絕緣材料在使用時容許的極限溫度來分級的。所謂極限溫度，是指電機絕緣結構中最熱點的最高容許溫度。其技術數據見表6-1。

9.工作方式

電動機的工作方式分為八類，用字母S1~S8分別表示。

例如：連續(xù)工作方式(S1)；短時工作方式(S2)，分10min、

30min、60min、90min四種。斷續(xù)周期性工作方式(S3)，

其周期由一個額定負載時間和一個停止時間組成，額定負

載時間與整個周期之比稱為負載持續(xù)率。標準持續(xù)率有15%、25%、40%、60%幾種，每個周期為10min。

6.7三相異步電動機的選擇

1.功率的選擇

要為某一生產機械選配一臺電動機，首先要考慮電