第1章 交流異步電動機

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1.1 三相異步電動機的結構和工作原理

學習目標

1.了解三相異步電動機的結構及旋轉磁場的形成。

2.了解三相異步電動機的運轉原理。

3.掌握三相異步電動機的同步轉速、電動機轉速、轉差率的概念及相互關系。

4.掌握三相異步電動機的主要銘牌數據的物理意義及相關計算。

內容提要

電機是一種能將電能和機械能相互轉換的設備，其運行原理基于電磁感應原理。按照電機的功能，可分為發電機和電動機兩類。發電機是將機械能轉換為電能，電動機是將電能轉換為機械能。電機按照不同的分類方式可分為直流電機與交流電機、同步電機與異步電機、三相電機與單相電機、籠型電機與繞線電機等。

三相交流異步電動機由三相交流電源供電，結構簡單、價格低廉、使用維修方便，在工、農業及其他各個領域中都得到了廣泛的使用。

一、三相交流異步電動機的結構

三相交流異步電動機雖然種類繁多，但是基本結構都是由兩部分組成的，其中固定不動的部分稱為定子，轉動的部分稱為轉子，定子和轉子之間有氣隙。轉子分為鼠籠式（籠型）和繞線式兩種。如圖1-1-1所示為三相鼠籠式異步電動機結構圖。

1.定子

電動機的定子部分主要包括定子繞組和定子鐵芯，另外還有機座、端蓋等。

電動機定子繞組完全對稱，根據定子繞組的額定電壓和電源電壓，可將定子繞組接成星形（Y）或者三角形（△）。電動機三相繞組的6個接線端分別為U1、U2、V1、V2、W1、W2，接線端一般都在機座外面的接線盒內，接線方法如圖1-1-2所示。

2.轉子

電動機轉子部分主要包括轉子繞組和轉子鐵芯，另外還有轉軸、風扇等。

（1）鼠籠式（籠型）轉子

鼠籠式轉子也有兩種：一種是銅條轉子；另一種是鑄鋁轉子，如圖1-1-3所示。銅條轉子制造復雜、價格較高，一般用于大功率電動機；鑄鋁轉子制造相對簡單、價格便宜，一般用于中、小型電動機。鼠籠式轉子兩端有短路銅環，使轉子自成回路，無須外接電路。

（2）繞線式轉子

繞線式轉子的結構和定子繞組相似，也采用對稱的三相繞組嵌入轉子鐵芯中，并固定做星形連接，三個引出端通過轉軸上的集電環和外電路電阻相連接，如圖1-1-4所示。外電路電阻通常是變阻器或者電抗器，也是星形連接，調節電阻器的阻值可以達到電動機調速及改善啟動性能的目的。繞線式三相異步電動機通常用在對啟動性能或調速有特殊要求的場合中（如起重設備、卷揚機等）。

3.氣隙

電動機的定子和轉子之間有一定的氣隙，以保證轉子可以自由轉動，氣隙也是磁路的一部分。氣隙的大小對電動機的性能有比較大的影響。若氣隙過小，則在電動機裝配時會十分困難，特別是在運行時可能發生轉子與定子的摩擦，導致電動機損壞；若氣隙過大，則磁路磁阻增大，使電動機的勵磁電流增大，電動機功率因數降低，甚至燒壞電動機。

二、三相交流異步電動機的工作原理

1.旋轉磁場的產生

三相異步電動機的定子繞組完全對稱，且在空間位置也是對稱的，因此，三相定子繞組通以三相對稱交流電源時，各相定子繞組中電流也必然對稱。圖1-1-5所示為定子繞組空間互差120°，且為Y形接法時各相產生的磁場。

說明：

（1）三相定子繞組分別是U、V、W，1表示首端，2表示末端；定子繞組的空間對稱，是指首端與首端或者末端與末端之間的對稱，不能看首端和末端之間的空間位置。

（2）規定：電流為正值表示由定子繞組首端流入，末端流出；電流為負值表示從末端流入，首端流出，并用?表示電流流入，⊙表示電流流出。

·當ωt=0時，iU=0；iV為負值，即iV由末端V2流入，首端V1流出；iW為正值，即由首端W1流入，末端W2流出；合成磁場方向由上指向下。

·當ωt=90°時，iU為正值，iV和iW為負值，合成磁場的方向順時針方向旋轉90°。

·當ωt=180°時，合成磁場的方向順時針方向旋轉180°。

同樣可得，當ωt=270°、ωt=360°時兩個瞬間的合成磁場如圖1-1-5（d）、（e）所示。

由此可見，當空間彼此相差120°的三個相同線圈通入對稱三相交流電時，就能產生與電流有相同角速度隨時間旋轉的旋轉磁場（即交流電變化一周，旋轉磁場在空間也旋轉一周）。

另外，如果改變電源的相序重新分析，則會發現旋轉磁場的方向也發生改變。因此，旋轉磁場的方向由三相交流電源的相序決定，改變相序，可以改變旋轉磁場的方向，后面電動機正反轉正是根據這一原理工作的（改變相序只要任意對調兩相繞組即可）。

2.三相異步電動機的轉動原理

圖1-1-6所示為電動機定子和轉子的剖面圖。當三相異步電動機的三相定子繞組通入對稱的三相交流電流時，就形成了旋轉磁場，該磁場和靜止的轉子繞組間就產生了相對運動，從而使轉子繞組上產生感應電流。當轉子中有電流后，旋轉磁場又對感應電流產生電磁力矩，從而使轉子轉動起來，這就是三相異步電動機的工作原理。由楞次定律和左手定則可以判定，轉子繞組的轉動方向和旋轉磁場的方向相同，且轉子的轉速略低于旋轉磁場的轉速，這也是三相異步電動機中“異步”的含義。

3.同步轉速、電動機轉速和轉差率

三相異步電動機的旋轉磁場的轉速稱為同步轉速，它除了和電源的頻率有關以外，還與定子繞組的結構有關。圖1-1-5分析的是定子繞組空間互差120°的三相定子繞組形成的具有1對磁極的旋轉磁場，交流電變化一周，旋轉磁場也轉過一周，若電源頻率為50Hz，則旋轉磁場每秒轉過50周，轉速為n0=60f1=60×50=3000r/min。若三相異步電動機每相定子繞組由兩個繞組串聯組成，則定子繞組一共由6個繞組組成，每相繞組在空間相差60°，從而形成2對磁極（磁極數為4），即交流電變化一周時，磁場只轉過半周，說明旋轉磁場的同步轉速和磁極對數成反比。同步轉速計算公式如下：

式中，f1———電源頻率，單位為赫茲（Hz）；

p———磁極對數，量綱為1；

n0———同步轉速，單位為轉/分（r/min）。

說明：因磁極總是成對出現的，故對于工頻電動機來說，同步轉速是一系列固定的值，即3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min等。

由電動機的轉動原理可知，電動機轉速略低于同步轉速，兩者間的差距是通過轉差率來反映的。轉差率是電動機的一個重要參數，定義為同步轉速與電動機轉速之差和同步轉速的比值，即

式中，n———電動機轉速，單位為轉/分（r/min）；

s———轉差率，量綱為1。

電動機在不同的狀態下，轉差率也不同。空載時，電動機轉速最高，接近同步轉速，轉差率在0.004～0.007，常認為s≈0；電動機啟動瞬間，轉子轉速（電動機轉速）為0，轉差率s=1；電動機正常運轉時，0＜s＜1；電動機額定運行時，額定轉差率sN在0.01～0.06之間。

三、三相交流異步電動機的銘牌

任何一臺電動機在出廠前，在機座上都裝有一塊鋁制或銅制的金屬標牌，稱為電動機的銘牌。銘牌上標明了該電動機的類型、性能指標、使用條件等，為正確、合理、規范的使用這臺電動機提供了重要依據。現以Y112M—4型三相交流異步電動機為例，來說明各參數的含義。

Y112M—4型三相交流異步電動機的銘牌

1.型號

電動機的型號是表明電動機品種形式的代號，由品種代號、規格代號及特殊代號組成，具體含義如下。

2.額定電壓UN

額定電壓是指電動機在額定狀態下運行時，定子繞組所接三相交流電源的線電壓。

3.額定電流IN

額定電流是指電動機在額定狀態下運行時輸電線路的線電流。

4.額定功率PN

額定功率是指電動機在額定狀態下運行時，其軸上輸出的機械功率。

電動機的額定功率不是電動機的輸入電功率，即電源提供的功率。電動機工作時，輸入的電功率在電動機內部有銅損（繞組的直流電阻的損耗）和鐵損（渦流和磁滯損耗）及轉軸在轉動時的機械損耗等，因此，輸出的功率均小于輸入功率，所以電動機的效率也是電動機的一個重要參數。應注意，電動機的輸入功率大小不是由輸入的電源電壓來確定的，而是取決于轉軸上的負載轉矩，即輸出功率的大小。

例如，Y112M—4型電動機輸入功率為

輸出功率為P2=PN=4kW

效率為

一般來說，鼠籠式異步電動機額定運行時的效率在72%～93%之間。

5.額定頻率

額定頻率表明了電動機正常工作時的工作頻率，我國的電動機一般只能在50Hz的交流電源上使用。

6.額定轉速nN

額定轉速是指電動機額定運行時的轉速。

7.接法

電動機正常工作時，其定子繞組均要獲得額定電壓。電動機實際使用時，可以根據電動機的銘牌數據知道電動機定子繞組的額定電壓，從而再根據實際電源電壓來確定電動機的Y形或△形接法，以保證電動機能正常工作。例如，由Y112M—4型電動機的銘牌數據可知其額定電壓為380V，電動機為△形接法，因此可以知道電動機定子繞組的額定電壓為380V，所以當電源線電壓為380V時應接成△形，否則電動機不能正常工作。若電動機的額定電壓為380V，接法為Y形，則可知電動機定子繞組的額定電壓為220V，所以當電源線電壓為380V時，將電動機接成Y形，而電源線電壓為220V時則應接成△形，這兩種接法電動機均能正常工作。

8.工作方式

電動機的工作方式是指電動機在銘牌數據的額定值下工作而不致于損壞（如溫度過高）的工作形式。電動機的工作方式有連續、短時和斷續三種。

9.絕緣等級

絕緣等級是指電動機所用的絕緣材料按它的允許耐熱程度而規定的等級，分別為A級， 105℃；E級，120℃；B級，130℃；F級，155℃；H級，180℃等。

10.功率因數

功率因數是指電動機從電網吸收的有功功率與視在功率的比值。視在功率一定時，功率因數越高，有功功率越大，電動機對電能的利用率越高。

三相異步電動機的功率因數一般較低，額定負載時約為0.7～0.9，而輕載或空載時則更低。因此，在選擇電動機容量時，應根據負載的需求選擇合適的容量。若電動機容量過大，則會出現“大馬拉小車”現象，電動機功率因數低，電源利用率不高。

11.溫升

電動機運行時將電能轉變為機械能，但是不可避免的有一部分電能會轉變為熱能而消耗掉，同時使電動機溫度升高。電動機產生的熱能和其散發的熱能相平衡時，電動機溫度達到穩定。在穩定狀態下，電動機溫度與環境溫度之差稱為電動機的溫升。環境溫度通常規定為40℃。

例題解析

【例1-1-1】某工頻三相異步電動機額定轉速為1470r/min，則該電動機為幾極電動機？額定轉差率為多少？若電動機空載轉差率為0.006，則電動機空載轉速為多少？

【要點解析】對于工頻電動機，其同步轉速為一系列固定的值，且電動機轉速略低于同步轉速；電動機在不同狀態轉速和轉差率下均不同。

【解】因為nN=1470r/min

所以n0=1500r/min（不會是3000r/min）

所以

故該電動機為4極異步電動機。

所以額定轉差率為

空載轉速為

n=（1-s）n0=（1-0.006）×1500=1491r/min

【例1-1-2】已知Y120M—6型三相異步電動機的部分參數：PN=10kW，UN=380/220V，接法Y/△，f=50Hz，sN=0.03，cosφ=0.8，η=0.75。求：（1）電動機的同步轉速與額定轉速；（2）電動機額定電流；（3）電動機的損耗功率。

【要點解析】電動機型號中最后的數字表示磁極數，不是磁極對數；電動機的額定功率不是輸入電功率而是輸出的機械功率，電動機工作時有銅損、鐵損和機械損耗等；電動機的額定電流是指線電流，且不同連接時有不同的額定值。

【解】（1）由電動機的型號可知磁極對數p=3

同步轉速為

額定轉速為

nN=（1-sN）n0=（1-0.03）×1000=970r/min

（2）電動機的輸入電功率為

不同連接時額定電流為

（3）電動機損耗功率為

△P=P1-PN=13.33kW-10kW=3.3kW

鞏固練習

一、單項選擇題

1.三相籠型異步電動機從結構上看，具有的特點是（ ）。

A.它們的定子繞組必須是鑄鋁構成

B.它們的定子內裝有三相對稱繞組

C.它們的定子繞組不閉合，由銅環和電刷將其閉合

D.它們的轉子繞組不閉合，由銅環和電刷將其閉合

2.三相異步電動機旋轉磁場的旋轉方向決定于交流電的（ ）。

A.大小 B.頻率 C.相位 D.相序

3.對于異步電動機的同步轉速，下列說法正確的是（ ）。

A.與電網電壓頻率成之比 B.與轉子轉速相同

C.與轉子電流頻率相同 D.與轉差率有關

4.轉差率是異步電動機的一個參數，在電動機正常工作時，其值為（ ）。

A.s=1 B.s＞1 C.s＜0 D.0＜s＜1

5.三相電動機定子鐵芯的材料類型應選用（ ）。

A.矩磁性材料 B.銅或鋁等導電材料

C.軟磁性材料 D.鋼板

6.三相異步電動機正常運行時，電動機轉速（ ）。

A.大于同步轉速 B.小于同步轉速

C.等于同步轉速 D.均有可能

7.三相異步電動機銘牌上標注的額定功率正確含義是（ ）。

A.電動機額定狀態時，輸出的機械功率

B.電動機從電網吸收的功率

C.電動機的視在功率

D.電動機輸入功率的平均值

8.旋轉磁場的轉速與磁極對數有關，以4極電動機為例，交流電變化一個周期時，其磁場在空間旋轉了（ ）周。

A.2 B.4 C.1/2 D.1/4

二、判斷題

9.三相異步電動機的定子鐵芯采用硅鋼片疊制而成主要是為了減輕電動機的重量。（ ）

10.旋轉磁場的轉速與交流電的頻率成正比。（ ）

11.電動機的三相對稱繞組是指結構相同、空間位置也完全相同的三相繞組。（ ）

12.三相異步電動機的定子與轉子繞組之間不僅處于同一磁路，而且兩繞組間有電的聯系。（ ）

13.無論電源電壓如何，異步電動機定子繞組一旦接成Y形或△形，就無法改變了。（ ）

14.異步電動機的“異步”是指電動機的轉速比旋轉磁場的轉速略低。（ ）

三、填空題

15.三相異步電動機是根據_______原理工作的，是將_______轉變為_______的設備。

16.三相異步電動機從結構上講主要由_______和_______兩部分組成。

17.三相異步電動機型號Y114M—6中，Y表示_______，6表示_______，M表示_______。

18.電動機處于額定工作狀態時的功率因數比空載或輕載時要_______，效率比空載或輕載時要_______。

19.一臺50Hz的三相異步電動機額定轉速為720r/min，空載轉差率為0.28%，則該電動機的極數為_______，空載轉速為_______，額定轉差率為_______。

四、簡答題

20.簡述三相異步電動機工作原理，并說明異步的含義。

五、計算題

21.一臺三相異步電動機，額定轉速為1470r/min，當空載轉差率為0.005時，它的同步轉速為多少？它有幾個磁極？其空載轉速是多少？額定轉差率為多少？

22.一臺三相異步電動機額定電壓為220/380V，額定功率為30kW，額定效率為0.88，額定功率因數為0.85，求電動機額定工作時的損耗功率和電流。