三相异步电动机-电工学习题库.pdf

1.1 三相异步电动机的构造 1 第 1 章 三相异步电动机 异步电机是交流电机的一种。异步电动机是工业、农业、国防，乃至日常 生活和医疗器械中应用最广泛的一种电动机，它的主要作用是驱动生产机械和 生活用具。其单机容量可从几十瓦到几千千瓦。随着电气化和自动化程度的不 断提高，异步电动机将占有越来越重要的地位。据统计，在供电系统的动力负 载中，约有70％是异步电动机，可见它在工农业生产乃至我们日常生活中的重 要性。异步电机是一种交流电机，其电机的转子转速总落后于电机的同步转速， 故称异步电动机。异步电动机有许多突出的优点，和其它各种电动机相比，它 的结构简单，制造、使用和维护方便，效率较高，价格低廉。因此，从应用的 角度来讲，了解异步电机的工作原理，掌握它的运行性能，是十分必要的。本 章将着重讨论三相异步电动机， 并对单相异步电动机的工作原理作简要的介绍。 1.1 三相异步电动机的基本构造 一个三相异步电动机主要由两部分组成， 固定不动的部分称为电动机定子； 旋转并拖动机械负载的部分称为电动机转子。转子和定子之间有一个非常小的 空气气隙将转子和定子隔离开来，根据电动机的容量的大小不同，气隙一般在 0.4mm～4mm 的范围内。电动机转子和定子之间没有任何电气上的联系，能量 的传递全靠电磁感应作用，所以这样的电动机也称感应式电动机。一个三相异 步电动机的基本构造如图 11 所示。 电动机定子由支撑空心定子铁心的钢制机座、定子铁心和定子绕组线圈组 成。定子铁心由0.5mm 厚的硅钢片叠至而成。定子铁心上的插槽是用来嵌放对 称三相定子绕组线圈的。一个三相异步电动机的定子构造见图 12。 电动机转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心由表面冲槽的硅 钢片叠至成一圆柱形。转子铁心装在转轴上，转轴拖动机械负载。转子、气隙 和定子铁心构成了一个电动机的完整磁路。 异步电动机的转子有两种形式鼠笼式转子和绕线式转子。 第 1章 三相异步电动机 2 后保护罩 支架 冷却风扇 底座 转子 定子铁心 定子绕组 前轴承 图 11 三相异步电动机的基本构造 机座 定子铁心 定子绕组 接线盒 图 12 三相异步电动机的定子构造 鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端 环上，以构成闭合回路。抽去转子铁心，剩下的铜条及其两边的端环，其形状 像个鼠笼，故称之为鼠笼式电动机。为了节省铜材，现在中小容量的鼠笼式电 1.1 三相异步电动机的构造 3 动机是在转子铁心的槽中浇注铝液铸成笼形导体，以代替铜制笼体。 绕线式转子同电动机的定子一样，都是在铁心的槽中嵌入三相绕组，三相 绕组的一端连成 Y形，三相绕组的另一端分别连接在三个铜制的集电环上，集 电环固定在转轴上，三个环之间及环与转轴之间相互绝缘，在集电环上用弹簧 压着炭刷与外电路连接，以便改善电动机的启动和调速特性。 一般我们把鼠笼式转子的异步电动机称为鼠笼式异步电动机；把绕线式转 子的异步电动机称为绕线式异步电动机，虽然鼠笼式异步电动机同绕线式异步 电动机在转子构造上有所不同，但它们的工作原理是一样的。 应当指出的是，鼠笼式异步电动机由于转子结构简单，价格低廉，工作可 靠，如果对电机的启动和调速没有特殊的要求，一般在实际应用中，鼠笼式异 步电动机应用得最为广泛。所以在本教材中以介绍鼠笼式异步电动机为主。鼠 笼式电动机的转子见图 13。 a 转子 b 鼠笼 图 13 鼠笼式电动机的转子 1.2 三相异步电动机的转动原理 1.2.1 异步电动机转动的一般原理 三相异步电动机转动的一般原理是基于法拉第电磁感应定律和载流导体在 磁场中会受到电磁力的作用这两个基本因素。 图 14 中 N 和 S 是一对永久磁铁的磁极，这对磁极以 n0的转速按顺时针 方向进行旋转，从而形成了一个转速为 n0的旋转磁场。 当磁场转动时，放置在磁场当中的铜制线框上下两根导条与旋转磁场就有 了相对运动并切割旋转磁场的磁力线，于是在这两根导条上就产生了感应电动 势，其方向符合发电机右手定则 BlvE （11） 第 1章 三相异步电动机 4 这里 E感应电动势 [V] B磁感应强度 [T] l导条长度 [m] v导条切割磁力线的相对速度 [m/s] 由于铜制线框形成一个闭合回路，因此在感应电动势的作用下，线框的上 下两根导体中就出现了如图 14 所示方向的感应电流。 N S 0 n 0 n F F I I 图 14 在旋转磁场作用下产生感应电流和转矩 在磁场中的载流导体将受到电磁力的作用，根据电动机左手定则，上下两 根导条所受电磁力的方向如图 14 所示。在图中可以看出，N 极下的导条受力 方向是朝向右，而 S 极下的导条受力方向是朝向左。这一对力形成一顺时针方 向的转矩。 如果我们把异步电动机的鼠笼式转子放置在旋转磁场中 （如图 15） 代替线框，不难想象，当磁场旋转时，在磁极经过下的每对导条都会产生这样 的电磁转矩，在这些电磁转矩的作用下，转子就按顺时针的方向旋转起来了。 当然，如果磁场按逆时针方向旋转，转子也将按逆时针方向旋转。由此可 见，转子的旋转方向同旋转磁场的旋转方向是相同的。 虽然转子同旋转磁场彼此隔离，但从上面的叙述可知，由于有了一个旋转 的磁场，在转子的导条中产生了感应电流，而流过电流的导条又在磁场中受到 电磁力的作用，产生电磁转矩，从而使转子转动起来。这就是感应式电动机转 动的一般原理。 需要指出的是，转子的旋转速度 n（即电动机的旋转速度）比旋转磁场的 旋转速度 n0（一般称同步转速）要低一些。这是因为如果这两种转速相等，转 1.1 三相异步电动机的构造 5 子和旋转磁场就没有了相对运动，转子导条将不切割磁力线便不能产生感应电 动势，也就不能产生感应电流，这样就没有电磁转矩，转子将不会继续旋转。 因此，若要转子旋转，旋转磁场和转子之间就一定存在转速差，即转子的旋转 速度总要落后于旋转磁场的旋转速度。由于转子的旋转速度不同于，且低于旋 转磁场的转速，所以我们称这种电动机为异步电动机。 N S 0 n 0 n n 鼠笼转子导条 短路端环 图 15 鼠笼式异步电动机转动原理 1.2.2 旋转磁场的产生 若要异步电动机能够转动，首先应当有一个旋转磁场，在实际应用的异步 电动机中，是不可能使用一个旋转的永久磁铁来产生旋转磁场的。 通常我们在三相异步电动机的定子铁心中放置三相对称绕组 AX，BY和 CZ，将三相绕组作星形连接，并接在三相正弦交流电源上，通入三相对称电流， 这样，就能在电动机的定子空间里产生一个以固定速度旋转的磁场。 为了简化起见，设每相绕组只有一个线匝，三个绕组分别嵌放在定子铁心 圆周上在空间位置上互差 120对称分布的 6 个凹槽之中。 A相绕组的始端用大 写英文字母 A来表示，A相绕组的末端用大写英文字母 X 来表示。另两相绕组 的始末端分别为 BY和 CZ（见图 15）。 现在将三相绕组的末端连接在一起，每个绕组的始端分别接在三相对称的 交流电源上，如图 16 所示。 在图 17 中给出了流入定子绕组的三相电流的波形。 现在我们根据各个不 同瞬时每相绕组电流及其方向来分析定子铁心磁场分布的情况。 第 1章 三相异步电动机 6 A X B Y C Z A X 相绕组简化的A 定子铁心及三相绕组 A i A i φ 图 15 用以产生旋转磁场的定子铁心和绕组分布示意图 A X B Y C Z A B C A i B i C i 图 16 接成星形的三相定子绕组 为了分析方便，在这里作一规定，电流为正值时（在坐标横轴上方），从 绕组的始端流入，从绕组的末端流出（见图15）。下面将分析在不同时间（角 度）由三相电流所产生的磁场将如何变化。 当ωt 0时，A相电流 iA 0。C相电流 iC为正值，即从 C端流入，在 Z 端流出。B相电流 iB为负值，即从 Y端流入，在 B端流出。根据电流的流向， 应用右手螺旋定则，由 iC和 iB产生的合成磁场如图 17（a）所示。 当ωt 60时，C相电流 iC 0。A相电流 iA为正值，即从A端流入，在 X 端流出。B相电流 iB为负值，即从 Y端流入，在 B端流出。由 iA和 iB产生的合 成磁场如图 17（b）所示。可以看出，此时合成磁场同ωt 0时相比，按 顺时针方向旋转了 60。 1.1 三相异步电动机的构造 7 A X C Y B Z 0 n 0tω a A C Y B Z 0 n a A X C Y B Z 0 n 60tω b A X C Y B Z 0 n 120tω c A i B i C i i O tω 60120 图 17 由三相对称电流产生的旋转磁场 当ωt 120时，B相电流 iB 0。A相电流 iA为正值，即从 A端流入，在 X 端流出。C相电流 iC为负值，即从 Z端流入，在 C端流出。由 iA和 iC产生的 合成磁场如图 17（c）所示。可以看出，此时合成磁场同ωt 60时相比， 又按顺时针方向旋转了 60。同ωt 0时相比，按顺时针方向旋转了 120。 不难理解当ωt 180时，此时的合成磁场同ωt 0时相比，按顺时针 方向旋转了 180。根据这样的规律，当ωt 360时，合成磁场正好转了一 周。 通过上面的分析可知，当定子绕组中的对称三相电流随时间不断周而复始 地变化时，由它们在电动机定子空间所产生的合成磁场随电流的变化而在不断 旋转着。这就是使异步电动机转子能够转动所需的旋转磁场。这个旋转磁场同 我们前面讲述三相异步电动机转动的一般原理中所使用旋转着的永久磁铁产生 的旋转磁场所起的作用是一样的。 第 1章 三相异步电动机 8 接下来讨论一下旋转磁场的转向问题。电动机定子三相绕组 A－X、B－Y、 CZ是按三相电流 A、B、C的相序接到三相电源上的，这时定子三相绕组中 的电流是按顺时针方向排列的（见图 17 的三相电流波形图），从前面的分析 知道，此时旋转磁场也是按顺时针方向转动的。 如果将电源接到定子绕组上的三根引线中的任意两根对调一下，譬如将电 源 B相接到原来的 C相绕组上，电源 C相接至原来的 B相绕组上，如图 18 所示。 A X B Y C Z A B C A i B i C i 图 18 将 B相和 C相的电源线对调 这时定子三相绕组中的电流相序就按逆时针方向排列，在这种情况下产生 的旋转磁场将按逆时针方向旋转。 异步电动机的反转就是利用这一原理实现的。 读者不妨自己画图分析来加以证明。 由此可见，磁场的转向与通入绕组的三相电流相序有关。任意对调两根三 相电源接到定子绕组上的导线，就可以改变异步电动机的旋转方向。 1.2.3 旋转磁场的转速 从前面的分析可知，对于图 17，三相电流从ωt 0变到ωt 60， 旋转磁场也转动了 60空间角。当电流变化一周时，磁场恰好在空间旋转了一 圈。设电流的频率为 f1，则每分钟变化 60 f1次，旋转磁场的转速为 n0 60 f1 n0的单位为 r/min。若 f1为 50Hz 的工频交流电，则此时的旋转磁场的转速 为 3000r/min。 上面所讨论的旋转磁场的转速是对应于一对磁极的情况（即 p1）。也就 1.1 三相异步电动机的构造 9 是分别只有一个 N 极和 S 极。若是多对磁极呢 如果电动机绕组由原来的三个绕组增至为六个绕组（为了理解方便，仍使 用单匝绕组），每个绕组的始端（或末端）之间在定子铁心的内圆周上按互差 60角的规律进行排列。并按相序编出绕组顺序编号如图 19（a）所示。六 个绕组的电气连线如图 19（b）所示。 X1 A1 X2 B2 Y2 C2 Z2 A2 Y1 C1 Z1 B1 a b A1 X1 A2 X2 B1 Y1 B2 Y2 C1 Z1 C2 Z2 A i C i B i 图 19 产生两对磁极旋转磁场的定子绕组分布及其电气连线 参考图 17，分析图110 的定子绕组上磁场分布情况，不难发现，在定 子铁心内圆周上具有两对磁极（即p2），如图110 所示。当电流也从ωt 0 到ωt 60经历了 60时，而磁场在空间仅旋转了 30。就是说，当电流 经历了一个周期（360），磁场在空间仅仅能旋转半个周期（180），由此 可知，两对磁极的磁场旋转速度比一对磁极的磁场转速慢了一半，即 2 60 1 0 f n 。 第 1章 三相异步电动机 10 A1 X2 B2 Y2 C2 Z2 A2 Y1 C1 Z1 B1 A1 X2 B2 Y2 C2 Z2 A2 Y1 C1 Z1 B1 30 0tω 60tω X1 X1 图 110 两对磁极旋转磁场 同理，在三对极的情况下（p3），电流变化一个周期，磁场在空间仅旋 转了 1/3 转，只是 p1 情况下的转速的三分之一，即 3 60 1 0 f n 。 所以对于一般情况，当旋转磁场具有 p 对极时，磁场的旋转速度为 p f n 1 0 60 （12） n0旋转磁场旋转速度（又称同步转速） f1三相交流电流频率 p磁极对数 由式（12）可知，旋转磁场的转速 n0的大小与电流频率 f1成正比，与磁 极对数 p 成反比。其中 f1是由异步电动机的供电电源频率决定，而 p 由三相绕 组的各相线圈串连多少决定。通常对于一台具体的异步电动机，f1和 p 都是确 定的，所以磁场转速 n0为常数。 在我国，工频 f1＝50Hz，于是由式（12）可得出对应于不同极对数 p 的 旋转磁场转速 n0（转/每分），见表 11。 表 11 旋转磁场的转速n0与磁极对数 p 的关系 P0 1 2 3 4 5 6 n0 r/min 3 000 1 500 1 000 750 600 500 1.2.4 三相异步电动机的转差率 从三相异步电动机的工作原理可知，虽然电动机的转动方向同旋转磁场的 1.1 三相异步电动机的构造 11 转动方向相同，但旋转磁场的转速 n0同电机转速 n 是不同的。电机的转速 n 低 于旋转磁场的转速 n0。 旋转磁场的转速 n0（又称同步转速）与电机转速 n 之差（n0－n），用符号 n∆表示，称为转速差（简称转差）。转差与同步转速的比值叫做转差率 ．．． ，用 s 表示 00 0 n n n nn s ∆ − （13） 转差率 s表示电动机转子转速 n 与旋转磁场转速 n0相差的程度。转差率是 异步电动机的一个重要的物理量，转子转速越接近磁场转速，则转差率越小。 一般情况下，运行中的三相异步电动机的额定转速与同步转速相近，所以转差 率很小。通常不同容量的异步电动机在额定负载时的转差率约为 1～9。 当电动机起动初始瞬间，电动机转子转速 n 0，此时三相电流已经流入， 旋转磁场已经产生，这时的转差率最大，s 1，为最大值。 式（13）也可写成 0 1nsn − （14） 有一台三相异步电动机的极对数 p 2，转差率s 4，试求这台电动机的 转速。 【解】由表 1.2.1，p 2时，n0 1500 r/min。根据式（1.2.4），可求出电 动机的转速为 0 1nsn − 1－4 1500 r/min 1440 r/min 有一台三相异步电动机接在频率 f1 50Hz 的三相电源上，额定负载时的转 速为 n 1462.5 r/min。试求该电机的极对数和转差率。 【解】由于异步电动机额定转速接近而略小于同步转速，由表 1.2.1可知， 与 1462.5 r/min 最接近的同步转速为 n0 1500 r/min，相对应的磁极对数 p 2。 因此，额定负载时的转差率为 5 . 2100 5001 5 .14625001 100 0 0 − − n nn s 练习与思考 1.2.1 图 16 中的定子三相绕组是星形连接， 试画出若该绕组三角形连接， 例题 11 例题 12 第 1章 三相异步电动机 12 对应于图 17 中给出的三相电流（设该电流为线电流）在ωt 0和ωt 60 时定子旋转磁场的分布情况。 1.2.2 你认为异步电动机在旋转时转子导条的感应电流大， 还是电动机刚起 动瞬间转子还处于静止时转子导条的感应电流大解释原因。 1.2.3 为什么异步电动机的转速比它的旋转磁场的转速低 1.3 三相异步电动机的特性 1.3.1 三相异步电动机的电路特性 异步电动机通过电磁感应把定子边（原边）的电功率转换成转子边（副边） 的机械功率。从电磁关系上来看，异步电动机同变压器的运行相似，即定子可 看成原端绕组，转子则相当副端绕组。所不同的是在电动机定子绕组和转子绕 组中的感应电动势都是由旋转磁场作用产生的，实际上，在电动机运行时，旋 转磁场是由定子绕组和转子绕组产生的合成磁场。但它和变压器比较，工作原 理和分析方法有很多相似之处。 三相异步电机的每相等效电路见图 111。 1σ X 1 R 2σ X 2 R 1 E 1 I2 I 1 U 2 E n 1 f 2 f 1 N 2 N 图 111 三相异步电动机的每相等效电路 图中的 E1和 E2分别为旋转磁场在定子绕组和转子绕组上产生的感应电动 势；R1和 R2分别为定子绕组和转子绕组上的电阻； 1σ X和 2σ X分别为定子磁 路和转子磁路漏磁通产生的感抗；N1和 N2分别为定子和转子绕组的匝数。 一、 定子电路 异步电动机的定子绕组是静止的，所以旋转磁场产生的感应电动势的频率 等于电源频率 f1，根据三相异步电动机的每相等效电路，其电压方程见式（1 5）。 j 111111 EIXIRU − σ （15） 仿照变压器的分析方法可得 FNfEU 1111 44. 4≈ （16） 1.1 三相异步电动机的构造 13 F气隙主磁通量 二、转子电路 当电动机旋转时，旋转磁场切割转子绕组导体，并它的上面产生感应电动 势。由于旋转磁场是旋转的，对于转子上的每相绕组的导体来讲，旋转磁场的 N 极和 S 极都能扫过它们，所以在绕组上产成的感应电动势应当是一交流电动 势。感应电动势的频率取决于旋转磁场同转子的相对速度和磁极对数。旋转磁 场切割转子绕组导体的速度为nn − 0 ，则转子感应电动势的频率同转差的关系 见式（17） 1 0 0 00 2 6060 sf pn n nnnnp f⋅ − − （17） 通常，Hz50Hz5 . 45 . 0 12 ff～。 在电动机起动瞬间，n 0，s 1 ,f2 f1，此时转子绕组中的感应电动势最 大，为 FNfE 2120 44 . 4 （18） 当电动机旋转时，在转子绕组上的感应电动势 2021222 44 . 4 44 . 4 sEFNsfFNfE （19） 由此可见，转子感应电动势与转差率 s有关。 在电动机起动瞬间，n 0，s 1 , f2 f1，此时转子感抗最大，为 s21s20 2LfXπ （110） 这里的 s2 L是转子漏磁电感。当电动机旋转时，转子感抗 2021222 22 σσσσ ππsXLsfLfX （111） 可见 s2 X也同转差有关。 根据图 111 的等效电路，可写出转子绕组中的电流有效值 2 s20 2 2 20 2 s2 2 2 2 2 sXR sE XR E I （112） 由于转子漏电感的存在， 2 I要滞后 2 E 一定角度，这个角度用 2 来表示， 因此转子电路的功率因数为 2 s20 2 2 2 2 s2 2 2 2 2 cos sXR R XR R （113） 转子电流和转子功率因数同转差的关系曲线见图 112。 第 1章 三相异步电动机 14 O 2 I 2 cos 22 cos,I s 1 图 112 转子电流和转子功率因数同转差的关系曲线 由上述分析可见，由于转子电路是旋转的，转子转速不同时，转子绕组和 旋转磁场之间的相对速度不同，所以转子电路中的各个量，如频率、电动势、 感抗、电流和功率因数等都与转差率有关，实际上也就是同电动机的转速有关， 这是我们学习和分析三相异步电动机时应当注意的一个重要特点。 1.3.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性 异步电动机的作用是把电能转换为机械能，它输送给生产机械的是转矩和 转速。因此电动机的转矩同那些因素有关它的大小受那些因素的影响转矩 同转速之间的关系怎样这都是这节我们将讨论的问题。 一、异步电动机的电磁转矩 三相异步电动机的电流与旋转磁场相互作用产成电磁力，电磁力对电机的 转子产生了电磁转矩，由此可见电磁转矩是由转子电流和旋转磁场共同作用所 产生的结果，因此电磁转矩的大小与转子电流以及旋转磁场每极磁通成正比。 从前面对转子电路的分析知道，转子电路不但有电阻，还有漏感阻抗存在，所 以转子电流 2 I与转子感应电动势 2 E 之间有一个相位差，用 2 来表示，于是转 子电流可以分为有功分量和无功分量两部分。只有转子电流的有功分量部分 22cosψ I才能与旋转磁场相互作用而产生电磁转矩，这样，写出电磁转矩同磁 场和转子电流的关系如下 22T cosψFIKT （114） T电磁转矩 [N.m] KT电动机结构常数 1.1 三相异步电动机的构造 15 将式（16）、（18）、（112）、（113）带入式（114），可得 到转矩的另一种表达方式 2 s12 2 2 2 2 1 sXR RsU KT （115） 这里 K是整理式（114）时得到的一个新的常数。 上式表明，三相异步电动机的转矩与每相电压的有效值平方成正比，也就 是说，当电源电压变动时，对转矩产生较大的影响。此外，转矩与转子电阻也 有关。当电压和转子电阻一定时，电磁转矩还同转差率有关，sfT 关系就 称为异步电动机的机械特性了。 二、异步电动机的机械特性 在一定的电源电压 U1和转子电阻 R2之下，转矩与转差的关系曲线 sfT 或转速与转矩的关系曲线Tfn ，称为电动机的机械特性曲线。 根据式（115），以 T 为函数，以 s为变量可做出如图 113 所示的sfT 曲线；若将sfT 曲线按顺时针方向旋转 90，再将横过来 T 轴下移，又 得到Tfn 的关系曲线，见图 114。 O O n nT T st T st T N T N T max T 0 n N n N n m ss1 a b c d max T 图 113 sfT 特性曲线图 图 114 Tfn 特性曲线 为了理解三相异步电动机机械特性的特点，下面着重讨论几个反映电动机 工作的特殊运行点。 （1）额定转矩 N T 额定转矩对应于图 114 所示机械特性上的 b 点。额定转矩是电动机在额 第 1章 三相异步电动机 16 定负载时的转矩。额定负载转矩可从电动机铭牌数据给出的额定功率 2N P（注 意电动机铭牌数据给出的功率是输出到转轴上的机械功率，而不是电动机消 耗的电功率）和额定转速 N n求得 N 2NN 2NN 9550 60 2 / n Pn PT π （116） 式中，功率的单位是 kW，转速的单位是 r/min，转矩的单位是 N.m。 当电动机运行过程中，负载通常会变化，如电动机机械负载增加时，打破 了电磁转矩和负载转矩间的平衡，此时负载转矩大于电磁转矩，电动机的速度 将下降，此时旋转磁场对于转子的相对速度加大，旋转磁场切割转子导条的速 度加快，这将导致转子电流 2 I增大，从而电磁转矩增大，直到同负载转矩相等， 这样电动机在一个略低于原来转速的速度下平稳运转。所以电动机有载运行一 般工作在图 1.3.4机械特性较为平坦的 a c段。 （2）最大转矩 max T 最大转矩 max T对应于图 114 所示机械特性上的 c点，在这点上对应的转 差率为 m s（见图 113）。把式（115）对 s进行求导，并令其导数等于零， 解出 s20 2 m X R ss （117） 再将 m s带回式（1.3.11）得到最大转矩 max T的表达式 s20 2 1 max 2X U KT （118） 由式 （117） 、 （118） 可见， max T与电源电压 1 U的平方成正比，与 s20 X 成反比，而与 2 R无关；而 m s与 2 R成正比，与 s20 X成反比。 max T与 1 U及 2 R的 关系曲线分别如图 115 和图 116 所示。 1.1 三相异步电动机的构造 17 O n T 1 U′ 1 U 11 U U ＜ ′ O n T 2 R 2 R′ 22 RR′＜ st T st T′ st T′ st T max T max T max T′ 图 115 2 R不变， 1 U变化 图 116 1 U不变， 2 R变化 时的Tfn 特性曲线 时的Tfn 特性曲线 当异步电动机的负载转矩超过最大转矩 max T时，，电动机将发生“堵转” 的现象，此时电动机的电流是额定电流的数倍，若时间过长，电动机剧烈发热 热，以致烧坏。电动机负载转矩超过 max T称为过载，常用过载系数λm来标定 异步电动机的过载能力，即 N max m T T λ （119） 一般三相异步电动机的过载系数λm＝1.6～2.5。 （3）起动转矩 st T 起动转矩 st T对应于图 114 所示机械特性上的 d 点，起动转矩 st T是电动 机运行性能的重要指标。因为起动转矩的大小将直接影响到电机拖动系统的加 速度的大小和加速时间的长短，如果起动转矩小，电机的起动变得十分困难， 有时甚至难以起动。 在电动机起动时，0n，1s，将1s带入式（115）可得 2 s20 2 2 2 12 st XR UR KT （120） 由上式可以看出，异步电动机的起动转矩同电源电压 1 U的平方成正比， 再参看图 115，当 1 U降低时，起动转矩 st T明显降低。结合刚才讨论过的最 大转矩可以看出，异步电动机对电源电压的波动十分敏感，运行时，如果电源 电压降得太多，会大大降低异步电动机的过载和起动能力，这个问题在使用异 第 1章 三相异步电动机 18 步电动机时要充分重视。 由式（120），结合图116，当转子电阻 2 R适当加 ．． 大时，最大转矩 max T 没有变化（最大转矩同 2 R无关），但起动转矩 st T会加大，这是因为转子电路 电阻增加后，提高了转子回路的功率因数，转子电流的有功分量增大（此时E20 一定），因而起动转矩增大。通常将机械特性上的起动转矩与额定转矩之比称 为起动系数 N st st T T λ （121） 起动系数是衡量电动机起动能力的重要数据，一般2 . 11 st ～λ。 练习与思考 1.3.1 转子静止与转子转动时，转子边的电量和参数有何变化 1.3.2 试解释为什么当转子的转速升高时， 转子绕组的感应电动势和它的频 率都下降 1.3.3 在三相异步电动机起动瞬间，即 s 1时，为什么转子电流 I2大，而 转子电路的功率因数 2 cos小此时定子电路的电流和功率因数如何 1.3.4 有一台 p 3 的三相异步电动机接在频率为 50Hz 的三相交流电源上， 电机以额定速度运转时，转子绕组感应电动势的频率为 2.5Hz，求该电动机的 （1）转差率；（2）转子的转速。 1.3.5 异步电动机所带机械负载增大时， 电动机输出的电磁转矩就会跟着增 大，试说明其原因和物理过程。 1.3.6当电源电压与转子电阻改变时，异步电动机的机械特性曲线形状有什 么变化对最大转矩和起动转矩有什么影响 1.3.7异步电动机带额定负载时，如果电源电压下降过多会产生什么后果 1.3.8异步电动机在接入电源时，如果转子卡住不能转动，试问这对电动机 产生什么影响，会有什么现象发生 1.3.9 某异步电动机的额定转速r/min1460 N n，当负载转矩只为额定转 矩的二分之一时，电动机的转速大概为多少 1.4 三相异步电动机的起动、调速和制动 1.4.1 三相异步电动机的起动 异步电动机由静止状态过渡到稳定运行状态的过程称为异步电动机的起 动。起动是异步电动机应用中重要的物理过程之一。异步电动机在使用过程中， 总是需要起动和停机，虽然三相异步电动机具有可以产生一定的起动转矩，拖 动负载直接起动的优点，但它的起动电流过大则是必须解决的问题。 1.1 三相异步电动机的构造 19 当异步电动机起动时，由于电动机转子处于静止状态，旋转磁场以最快速 度扫过转子绕组，此时转子绕组感应电动势是最高的，因而产生的感应电流也 是最大的，通过气隙磁场的作用，电动机定子绕组也出现非常大的电流。一般 起动电流 st I是额定电流 N I的 5～7 倍。 对于这样大的起动电流，如果频繁起动，将引起电动机过热。对于大容量 的电动机，在在起动这段时间内，甚至引起供电系统过负荷，电源线的线电压 因此而产生波动，这可能严重影响其他用电设备的正常工作。 一、 鼠笼式异步电动机的起动 鼠笼式异步电动机起动方法有两种直接起动和降压起动。 （1）直接起动 直接起动就是用闸刀开关和交流接触器将电机直接接到具有额定电压的电 源上。此时 st I是额定电流 N I的 5～7 倍，而21/ Nstst ～TTλ。 直接起动法的优点是操作简单，无需很多的附属设备；主要缺点是起动电 流较大。鼠笼式异步电动机能否直接起动，要视三相电源的容量而定。通常在 一般情况下，10 千瓦以上的异步电动机，就不允许直接起动了，必须采用能够 减小起动电流的其他的启动方法。 （2）降压起动 这种方法是用降低异步电动机端电压的方法来减小起动电流。由于异步电 动机的起动转矩与端电压的平方成正比，所以采用此方法时，起动转矩同时减 小，所以该方法只适用于对起动转矩要求不高的场合，即空载或轻载的场合。 星三角起动法 星三角起动法适用于正常运行时绕组为三角形联接的的 电动机，电动机的三相绕组的六个出线端都要引出，并接到转换开关上。起动 时，将正常运行时三角形接法的定子绕组改接为星形联接，起动结束后再换为 三角形连接。这种方法只适用于中小型鼠笼式异步电动机。图 117 所示的是 这种方法的原理接线图。 第 1章 三相异步电动机 20 l U 1 Q 2 Q a b c x y z Y∆ 起动运行 图 117 Y/△起动电路图 起动时，电机定子绕组星形连接，电机每相定子绕组上的电压是电源线电 压 l U的 1/3，此时电路的线电流等于相电流，即流过每个绕组的电流（这里 的 Z 是每相绕组的等效阻抗）。 Z U I L l 3 Y 当电机接近额定速度时，电机定子绕组改为三角形连接，这时电机每相绕 组的电压为电源线电压 l U。此时电路的线电流为 Z U I l l 3 Δ 比较以上的两个电流 3 1 3/ 3 Y Z U Z U I I l L l l Δ 即定子绕组星形连接时，由电源提供的起动电流仅为定子绕组三角形连接 时的 1/3。 由于起动转矩与每相绕组电压的平方成正比，星形接法时的绕组电压降低 1.1 三相异步电动机的构造 21 了 1/3倍，所以起动转矩将降到三角形接法的 1/3，即 ststY 3 1 TT 自耦变压器起动法 利用自耦变压器降压起鼠笼动异步电动机的原理如图 118。设自耦变压器的变比为 a k，经过自耦变压器降压后，加在电动机上的 电压为 a k Ul 。此时电动机的起动电流 st I′ 便与电压成相同比例地减小，是原来在 额定电压下直接起动电流 stN I的 a 1 k 倍，即 stN a st 1 I k I′。又由于电动机接在自 耦变压器的副边，自耦变压器的原边接在三相电源侧，故电源所供给的起动电 流为 stN 2 a st a st 11 I k I k I′ 3 M l U a k Ul st I st I′ 图 118 自耦变压器起动电路原理图 由此可见，利用自耦变压器降压起动鼠笼异步电动机，电网电流比直接起 动减少了 2 a 1 k 。由于加到电动机上的电压减小了 a 1 k ，因此，同直接起动相比， 起动转矩也同样减少了 2 a 1 k 。 二、绕线式异步电动机的起动 到现在为止，我们一直把分析的重点放在鼠笼式异步电动机上。这是因为 第 1章 三相异步电动机 22 这种类型的电动机的使用极为广泛。然而，绕线式异步电动机也具有一些鼠笼 电动机所不具备的特殊的性能。 鼠笼式异步电动机为了限制起动电流而采用降压起动的方法，虽然起动电 流变小了，但起动转矩也随之变小。电动机理想的起动特性应当是起动电流小， 起动转矩要大。而降压起动法只满足了其中的一个方面。因此对于不仅要求起 动电流小，而且要求要有相当大的起动转矩的场合，往往不得不采用起动性能 较好而价格昂贵、构造复杂的绕线式异步电动机了。 绕线式异步电动机的特点是可以在转子绕组电路中串入附加电阻，换句话 说，就是可以人为的改变转子电阻 2 R的阻值。从图 116 可以看出，当 2 R的 阻值增大时，电动机的起动转矩变大，从而改变了电动机的起动性能。因此在 异步电动机转子回路接入适当的电阻，不仅可以使起动电流减小，而且可以使 起动转矩增大，使电动机具有良好的起动性能。 我们从图 116 也可以看出，虽然在转子回路串入电阻后获得了比较大的 起动转矩，但电动机的机械特性也变“软”了，所以当电机起动到接近额定转 速后，就把串在转子绕组中的电阻短路掉，使电动机恢复到原来的机械特性上。 应当指出的是，随着电力电子技术和控制技术的发展，各种针对鼠笼式异 步电动机发展起来的电子型降压起动器、变频调速器等装置的推广和使用，使 得结构复杂，价格昂贵、维护困难的绕线式异步电动机的活动舞台变得越来越 窄。 有一三相异步电动机，其额定技术参数为kW45 N P， r/min1480 N n，V380 1 U，3 .92η，88. 0cosϕ，7/ Nst II， 9 . 1/ Nst TT，2 . 2/ Nmax TT。该电动机采用自耦变压器降压起动，调整自 耦变压器的抽头，使起动时电动机的端电压降到电源电压的 73。试求线路的 起动电流和电动机的起动转矩。 【解】电动机直接时的起动电流为 589AA 923. 088. 03803 1045 7 cos3 10 77 3 1 3 N