2.1　三相交流電動(dòng)機(jī)基本知識

電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電氣設(shè)備。在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)按使用的電源分類，有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩種。在交流電動(dòng)機(jī)中，又有同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別。同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，而異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速則略低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。交流電動(dòng)機(jī)按使用的電源相數(shù)分為單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)。三相交流電動(dòng)機(jī)又可分為籠形電動(dòng)機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子型電動(dòng)機(jī)兩類。按給電動(dòng)機(jī)提供的電源頻率區(qū)分，有50Hz的定頻電動(dòng)機(jī)和配套變頻器的變頻電動(dòng)機(jī)。本節(jié)介紹三相交流電動(dòng)機(jī)的基本知識。

2.1.1　三相交流籠型異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

圖2-1是三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，它由兩個(gè)基本部分組成：一個(gè)是固定不動(dòng)的部分，稱為定子；另一個(gè)是旋轉(zhuǎn)部分，稱為轉(zhuǎn)子。

（1）定子部分

定子部分（參見圖2-1）由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座等組成。機(jī)座通常由鑄鐵制成，機(jī)座內(nèi)裝有用0.5mm厚的硅鋼片疊制而成的定子鐵芯。為了減小渦流損耗，疊片間需要進(jìn)行絕緣處理。一般小容量的電動(dòng)機(jī)由硅鋼片表面的氧化膜絕緣，大容量電動(dòng)機(jī)的硅鋼片間則涂有絕緣漆。定子鐵芯的內(nèi)圓周上具有均勻分布的定子槽，槽內(nèi)嵌放三相定子繞組。定子繞組與鐵芯之間墊有足夠絕緣強(qiáng)度的絕緣材料。中小功率的電動(dòng)機(jī)定子繞組一般采用漆包圓銅線或鋁線繞制，大型異步電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)線截面積較大，采用矩形截面的表面絕緣的銅線繞制，定子繞組分為三組，作為三相繞組嵌放在定子鐵芯槽內(nèi)，三相繞組在定子鐵芯內(nèi)整個(gè)圓周空間彼此相隔120°放置，構(gòu)成對稱的三相繞組，是電動(dòng)機(jī)的電路部分。三相繞組的6個(gè)出線端引出后接在置于電動(dòng)機(jī)外殼上的接線盒（見圖2-1中的“4”）內(nèi)。三相繞組的首端分別叫做U1、V1和W1，其對應(yīng)的末端分別叫做U2、V2和W2。將接線盒中的6個(gè)接線端子進(jìn)行適當(dāng)連接，可以得到三相繞組的星形接法或三角形接法。如圖2-2所示。

（2）轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子部分（參見圖2-1）由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等部分組成。

轉(zhuǎn)軸一般由中碳鋼材料制造，它起到支撐、固定轉(zhuǎn)子鐵芯和傳遞功率的作用。轉(zhuǎn)子鐵芯由0.5mm厚的圓形硅鋼片疊制而成，是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分。疊壓成整體的圓柱形轉(zhuǎn)子鐵芯套裝在轉(zhuǎn)軸上。

轉(zhuǎn)子鐵芯外圓的槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。籠型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組如圖2-3所示，圖（a）是忽略了鐵芯時(shí)的繞組樣式，它用銅條或鋁條作轉(zhuǎn)子導(dǎo)體（導(dǎo)條），在導(dǎo)條的兩端用短路環(huán)（也稱端環(huán)）短接，整個(gè)繞組的外形就像一個(gè)鼠籠，所以具有這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子繞組的電動(dòng)機(jī)稱作籠型電動(dòng)機(jī)。

小型異步電動(dòng)機(jī)的籠型繞組用鋁材鑄造而成。制造時(shí)，疊好的轉(zhuǎn)子鐵芯外圓周刻有溝槽，將轉(zhuǎn)子鐵芯放在鑄鋁的模具內(nèi)，通過鑄造工藝一次鑄造成籠型繞組和端部的內(nèi)風(fēng)扇。鑄造好的籠型轉(zhuǎn)子外形如圖2-3（b）所示。

除了上述結(jié)構(gòu)部件外，異步電動(dòng)機(jī)還有前端蓋、后端蓋、軸承、風(fēng)扇、風(fēng)罩、吊環(huán)等，如圖2-1所示。

2.1.2　三相繞線轉(zhuǎn)子型異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

繞線轉(zhuǎn)子型異步電動(dòng)機(jī)與籠型異步電動(dòng)機(jī)的差別在于轉(zhuǎn)子繞組，繞線式轉(zhuǎn)子的鐵芯槽內(nèi)放置著與定子繞組相類似的三相對稱繞組，這三相繞組的末端在內(nèi)部接成星形，三相繞組的首端由轉(zhuǎn)子軸中心引出接到集電環(huán)（也稱滑環(huán)），經(jīng)過集電環(huán)和電刷在外部串入電阻（啟動(dòng)、調(diào)速時(shí)）或經(jīng)過開關(guān)器件短接（正常運(yùn)行時(shí)），如圖2-4所示。

有的繞線轉(zhuǎn)子型異步電動(dòng)機(jī)還有提刷裝置，在串入外接電阻啟動(dòng)完畢后，把電刷提起，將三相集電環(huán)直接短路，從而減小運(yùn)行中集電環(huán)與電刷的磨損。

2.1.3　變頻電動(dòng)機(jī)簡介

由于近些年來變頻器產(chǎn)品和變頻調(diào)速技術(shù)的日益普及，國內(nèi)的電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家研制出了許多型號的變頻電動(dòng)機(jī)，這些更適合于與變頻器配套使用的變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種傳動(dòng)機(jī)械，例如機(jī)床、冶金、石油、化工、醫(yī)藥、紡織、橡膠、壓鑄、注塑、印刷、包裝、食品等行業(yè)。

變頻電動(dòng)機(jī)可以采用基“頻”制（基于不同額定頻率的電動(dòng)機(jī)）代替基“極”制（基于不同極數(shù)、不同額定轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)），基準(zhǔn)頻率可選定25Hz、33.3Hz、50Hz、87Hz，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的8極、6極、4極、2極50Hz定頻電動(dòng)機(jī)。

變頻電動(dòng)機(jī)采用軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，保證電動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下具有良好的散熱，可實(shí)現(xiàn)高速或低速運(yùn)行狀態(tài)下的長期安全運(yùn)行。

2.1.4　三相交流同步電動(dòng)機(jī)簡介

（1）同步電動(dòng)機(jī)基本工作原理

同步電動(dòng)機(jī)是由直流供電的勵(lì)磁磁場與電樞的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的交流電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，其轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速n與磁極對數(shù)p、電源頻率f之間滿足如下關(guān)系，即n=60f/p。電源頻率f與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n成一定的比例關(guān)系，故電源頻率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，且與負(fù)載無關(guān)。同步電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點(diǎn)，常用于恒速大功率拖動(dòng)的場合，例如用來驅(qū)動(dòng)大型空氣壓縮機(jī)、球磨機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水泵和軋鋼機(jī)等。

同步電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在過勵(lì)狀態(tài)下。其過載能力比相應(yīng)的異步電動(dòng)機(jī)大。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定子電源電壓平方成正比，而同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩決定于定子電源電壓和電機(jī)勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的內(nèi)電動(dòng)勢的乘積，即僅與定子電源電壓的一次方成比例。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然下降到額定值的80%左右時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩往往下降為額定轉(zhuǎn)矩的64%左右，并可能因帶不動(dòng)負(fù)載而停止運(yùn)轉(zhuǎn)；而同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩卻下降不多，還可以通過自動(dòng)強(qiáng)勵(lì)來保證電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

同步電動(dòng)機(jī)定子繞組與異步電動(dòng)機(jī)相同，但是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同于異步電動(dòng)機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上除了裝有啟動(dòng)繞組外，還在磁極上繞有線圈，各個(gè)磁極的線圈串聯(lián)起來構(gòu)成勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組的兩端接線通過轉(zhuǎn)子軸上的滑環(huán)與電刷跟直流勵(lì)磁電源連接。也有無刷同步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)與此略有差異。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動(dòng)機(jī)。

當(dāng)在定子繞組通上三相交流電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子上的啟動(dòng)繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度達(dá)到定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場速度的95%左右時(shí)，給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈通入直流勵(lì)磁電流，這時(shí)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生極性恒定的靜止磁場，轉(zhuǎn)子磁場受定子磁場作用而隨定子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。

定子旋轉(zhuǎn)磁場或轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向決定于通入定子繞組的三相電流相序，改變其相序即可改變同步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

（2）同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)相功能

同步電機(jī)無論用作發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)或調(diào)相機(jī)，其基本原理及結(jié)構(gòu)是相同的，只是運(yùn)行方式不同而已。

同步電動(dòng)機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)荷空載運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流可使電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出容性或感性的無功功率，用以維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定和改善電力系統(tǒng)功率因數(shù)。運(yùn)行在上述狀態(tài)的同步電動(dòng)機(jī)稱為同步調(diào)相機(jī)，而維持電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)和補(bǔ)償各種損耗的功率則須由電力系統(tǒng)提供。調(diào)相機(jī)一般安裝在負(fù)載中心的變電所中。

電力系統(tǒng)中的同步調(diào)相機(jī)，只從電網(wǎng)吸收少量的有功功率以維持電機(jī)空載的有功損耗。如果不計(jì)損耗的話，同步調(diào)相機(jī)是在零電磁功率和零功率因數(shù)的情況下運(yùn)行的。其電樞電流是無功性質(zhì)的。

同步調(diào)相機(jī)過勵(lì)運(yùn)行時(shí)可以看作是電力系統(tǒng)的一個(gè)容性無功負(fù)荷。換句話說，若欲使同步調(diào)相機(jī)向電力系統(tǒng)提供容性無功，則須使其過勵(lì)磁。

同步調(diào)相機(jī)欠勵(lì)運(yùn)行時(shí)可以看作是電力系統(tǒng)的一個(gè)感性無功負(fù)荷。換句話說，若欲使同步調(diào)相機(jī)向電力系統(tǒng)提供感性無功時(shí)，則須使其欠勵(lì)磁。

作為無功負(fù)荷的同步調(diào)相機(jī)，其發(fā)出無功容量的大小及性質(zhì)（感性或容性），可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來實(shí)現(xiàn)。

同步電機(jī)作調(diào)相運(yùn)行時(shí)，稱其為電力系統(tǒng)的無功負(fù)荷，或者說向電力系統(tǒng)提供無功容量，其實(shí)質(zhì)含義是一致的。

（3）同步電動(dòng)機(jī)的常用啟動(dòng)方式

同步電動(dòng)機(jī)僅在同步轉(zhuǎn)速下才能產(chǎn)生平均的轉(zhuǎn)矩。如在啟動(dòng)時(shí)將定子繞組接入電網(wǎng)且轉(zhuǎn)子繞組同時(shí)加入直流勵(lì)磁，則定子旋轉(zhuǎn)磁場立即以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁場因轉(zhuǎn)子有慣性而暫時(shí)靜止不動(dòng)，此時(shí)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩將正負(fù)交變而其平均值為零，故同步電動(dòng)機(jī)不能帶勵(lì)啟動(dòng)。同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)通常采用輔助電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)法、異步啟動(dòng)法或變頻啟動(dòng)法等。

①輔助電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)法　 通常選用與同步電動(dòng)機(jī)同極數(shù)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（容量約為主機(jī)的10%～15%）作為輔助電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)主機(jī)到接近同步轉(zhuǎn)速，再將電源切換到主機(jī)定子，并使勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組，將主機(jī)牽入同步轉(zhuǎn)速。

②異步啟動(dòng)法　 在電動(dòng)機(jī)主磁極極靴上裝設(shè)籠型啟動(dòng)繞組。啟動(dòng)時(shí)，先使勵(lì)磁繞組通過電阻短接，而后將定子繞組接入電網(wǎng)。依靠啟動(dòng)繞組的異步電磁轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)升速到接近同步轉(zhuǎn)速，再將勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組，建立主極磁場，即可依靠同步電磁轉(zhuǎn)矩，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子牽入同步轉(zhuǎn)速。

③變頻啟動(dòng)法　變頻啟動(dòng)近些年也得到廣泛的應(yīng)用，啟動(dòng)時(shí)，先在轉(zhuǎn)子繞組中通入直流勵(lì)磁電流，利用變頻器逐步升高加在定子上的電源頻率f，使轉(zhuǎn)子磁極在開始啟動(dòng)時(shí)就與旋轉(zhuǎn)磁場建立起穩(wěn)定的磁場吸引力而同步旋轉(zhuǎn)，在啟動(dòng)過程中頻率與轉(zhuǎn)速同步增加，定子頻率達(dá)到額定值后，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度也達(dá)到額定的轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)完成。

2.1.5　電動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級

這里介紹的是國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4942.1—2006《旋轉(zhuǎn)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級（IP代碼）分級》的內(nèi)容摘錄，供電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和維護(hù)人員參考。

由于國家標(biāo)準(zhǔn)本身的語言文字是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模虼艘韵轮饕菢?biāo)準(zhǔn)本身的內(nèi)容，僅在必要時(shí)給以解釋和說明。

電動(dòng)機(jī)有時(shí)會運(yùn)行在露天情況下，有時(shí)會運(yùn)行在雨雪風(fēng)霜甚至水中（例如潛水泵電機(jī)），為了保證電動(dòng)機(jī)在任何運(yùn)行環(huán)境中都能安全無故障，應(yīng)該按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4942.1—2006《旋轉(zhuǎn)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級（IP代碼）分級》的規(guī)定，選擇具有適當(dāng)整體結(jié)構(gòu)防護(hù)等級的電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級在上述標(biāo)準(zhǔn)中稱作IP防護(hù)等級，該標(biāo)準(zhǔn)是由IEC（國際電工委員會）起草的，IEC的標(biāo)準(zhǔn)號和標(biāo)準(zhǔn)名稱為IEC 60034-5：2000《旋轉(zhuǎn)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級（IP代碼）分級》。結(jié)合國內(nèi)國情，我國等同采用了IEC的標(biāo)準(zhǔn)，并于2006年公布了最新修訂版的、標(biāo)準(zhǔn)號為GB/T 4942.1—2006的國家標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)將電動(dòng)機(jī)依其防塵、防止外物侵入、防濕氣的特性加以分級。IP防護(hù)等級的標(biāo)志由表征字母“IP”及附加在其后的兩位表征數(shù)字組成，表征數(shù)字中的第一位數(shù)字表示電動(dòng)機(jī)防止外物侵入的等級，第二位數(shù)字表示電動(dòng)機(jī)防濕氣、防水侵入的密閉程度，數(shù)字越大表示其防護(hù)等級越高。這里所指的外物含工具、人的手指等，外物均不可接觸到電動(dòng)機(jī)內(nèi)的帶電部分，以免觸電。

當(dāng)只需用一位表征數(shù)字表示某一防護(hù)等級時(shí)，被省略的數(shù)字應(yīng)以字母“X”代替，例如IPX5、IP2X。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，表示電機(jī)防護(hù)等級的表征字母和數(shù)字應(yīng)標(biāo)在電機(jī)的銘牌上，若有困難，可標(biāo)在外殼上。

（1）防護(hù)等級中第一位表征數(shù)字的具體含義

第一位表征數(shù)字的具體含義如表2-1所示。表中使用的術(shù)語“防止”表示能阻止人體某一部分、手持的工具或?qū)w進(jìn)入外殼，即使進(jìn)入，也能與帶電或危險(xiǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件（光滑的旋轉(zhuǎn)軸和類似的部件除外）之間保持足夠的間隙。

（2）防護(hù)等級中第二位表征數(shù)字的具體含義

第二位表征數(shù)字的具體含義如表2-2所示。

（3）第一位表征數(shù)字的試驗(yàn)和認(rèn)可條件

第一位表征數(shù)字的試驗(yàn)和認(rèn)可條件按表2-3的規(guī)定執(zhí)行。

（4）第二位表征數(shù)字的試驗(yàn)條件與認(rèn)可條件

①試驗(yàn)條件　第二位表征數(shù)字的試驗(yàn)條件按表2-4的規(guī)定執(zhí)行。

試驗(yàn)應(yīng)用清水進(jìn)行。在試驗(yàn)過程中，殼內(nèi)的潮氣可能部分凝結(jié)，應(yīng)避免將冷凝的露水誤認(rèn)為進(jìn)水。按試驗(yàn)要求，表面積計(jì)算的誤差應(yīng)不大于10%。

如可能，電機(jī)應(yīng)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以機(jī)械方式和通電方式均可。在電機(jī)通電情況下做試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采取充分的安全措施。

②認(rèn)可條件　第二位表征數(shù)字的試驗(yàn)按表2-4的規(guī)定試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)檢查電機(jī)進(jìn)水情況并作下述檢驗(yàn)和試驗(yàn)。

a.電機(jī)的進(jìn)水量應(yīng)不足以影響電機(jī)的正常運(yùn)行；不是預(yù)定在潮濕狀態(tài)下運(yùn)行的繞組和帶電部件應(yīng)不潮濕，且電機(jī)內(nèi)的積水應(yīng)不浸及這些部件。

電機(jī)內(nèi)部的風(fēng)扇葉片允許潮濕；同時(shí)，如有排水措施，允許水沿軸端漏入。

b.如電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下做試驗(yàn)，應(yīng)在額定電壓下空載運(yùn)轉(zhuǎn)15min后再作耐電壓試驗(yàn)，其試驗(yàn)電壓應(yīng)為新電機(jī)試驗(yàn)電壓的50%，但不應(yīng)低于額定電壓的125%。

如電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下做試驗(yàn)，則可直接作上述耐電壓試驗(yàn)。

試驗(yàn)后電機(jī)能符合GB 755—2008的要求而無損壞，則認(rèn)為試驗(yàn)合格。