課題三交流電機的應用284任務4三相異步電動機的啟動、反轉和制動任務2三相異步電動機的運行任務1認識三相異步電動機任務3三相異步電動機的調速任務8電動機的選用任務6單相異步電動機的應用任務5三相異步電動機的使用、維護和檢修任務7三相同步電機的應用任務1認識三相異步電動機287學習目標1.了解三相異步電動機的特點、用途和分類。2.認識三相異步電動機的外形和內部結構，熟悉各部件的作用。3.了解三相異步電動機銘牌中型號和額定值的含義，掌握額定值的簡單計算。4.熟悉三相異步電動機的工作原理。5.學會三相異步電動機的檢測、接線和簡單操作使用。288任務引入現代各種生產機械都廣泛使用電動機來拖動。由于現代電網普遍采用三相交流電，而三相異步電動機又比直流電動機有更好的性價比，因此，三相異步電動機比直流電動機使用得更廣泛。三相異步電動機的外形如圖所示。在工礦企業的電力拖動生產設備中，三相異步電動機是所有電動機中應用最廣泛的一種。據有關資料統計，現在電網中的電能2/3以上是由三相異步電動機消耗的，而且工業越發達，現代化程度越高，其比例也越大。本任務主要介紹常用三相異步電動機的性能特點、基本結構、銘牌數據、工作原理以及額定值的計算方法，并學習三相異步電動機的接線方法和簡單操作技能。289290三相異步電動機的外形a）Y系列三相異步電動機b）YZR系列三相異步電動機相關知識一、三相異步電動機的特點和用途三相異步電動機具有結構簡單、工作可靠、價格低廉、維護方便、效率較高、體積小、質量輕等一系列優點。與同容量的直流電動機相比，三相異步電動機的質量和價格約為直流電動機的1/3。三相異步電動機的缺點是功率因數較低，啟動和調速性能不如直流電動機。因此，三相異步電動機廣泛應用于對調速性能要求不高的場合，特別是在中小企業中，例如普通機床、起重機、生產線、鼓風機、水泵以及各種農副產品的加工機械等，如圖所示。291292三相異步電動機的應用a）普通車床b）搖臂鉆床c）生產線d）萬能銑床二、三相異步電動機的基本結構三相異步電動機的結構由兩個基本部分組成：一是固定不動的部分，稱為定子；二是旋轉部分，稱為轉子。在定子和轉子之間有一個很小的氣隙。圖所示為三相異步電動機的基本結構，圖所示為三相異步電動機的各個部件。293三相異步電動機的基本結構三相異步電動機的各個部件1.定子定子由機座、定子鐵心、定子繞組和端蓋等組成。機座的主要作用是固定和支撐定子鐵心。中小型三相異步電動機的機座通常采用鑄鐵制成，如圖所示，大中型異步電動機一般采用鋼板焊接機座。根據不同的冷卻方式和安裝方式而采用不同的機座形式。294三相異步電動機的機座定子鐵心是三相異步電動機磁路的一部分。為了減小渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵心由0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，片與片之間涂有絕緣漆，如圖所示。鐵心內圓周上有許多均勻分布的槽，用以放置三組對稱定子繞組，中小型異步電動機的定子槽形一般采用半閉口槽。定子鐵心固定于機座內。295三相異步電動機的定子鐵心定子繞組是由許多線圈按一定的規律連接而成的，是定子中的電路部分。中小型異步電動機的定子繞組一般采用漆包線繞制，共分三組，分布在定子鐵心槽內。它們在定子內圓周空間的排列彼此相隔120°，構成對稱的三相繞組，如圖所示。296三相定子繞組三相繞組共有六個出線端，通常接在置于電動機外殼上的接線盒中，三個繞組的首端接頭分別用U1、V1、W1表示，其對應的末端接頭分別用U2、V2、W2表示。三相定子繞組可以連接成星形或三角形，如圖所示。297三相定子繞組的接法a）出線端的排列b）星形連接c）三角形連接2.轉子三相異步電動機的轉子由轉子鐵心、轉子繞組、轉軸、風扇等組成，如圖所示。轉子鐵心為圓柱形，通常由定子鐵心沖片剩下的內圓硅鋼片疊成，壓裝在轉軸上。轉子鐵心與定子鐵心之間有微小的空氣隙，它們共同組成電動機的磁路。轉子鐵心外圓周上有許多均勻分布的槽，槽內放置轉子繞組。298異步電動機的轉子繞組有籠型和繞線式兩種結構?；\型轉子繞組是由嵌在轉子鐵心槽內的若干銅條組成的，兩端分別焊接在兩個短接的端環上。由于三相異步電動機工作時，轉子導體中的電動勢很小，因此無須將銅條與轉子鐵心絕緣，這種繞組的制作工藝簡單。如果去掉鐵心，轉子繞組的形狀就像一個鼠籠，故稱籠型轉子，如圖a所示。為了進一步簡化制造工藝，降低成本，目前，中小型三相異步電動機大都在轉子鐵心槽中直接澆鑄鋁液，鑄成籠形繞組，并在端環上鑄出許多葉片，作為冷卻的風扇，如圖b所示。299300籠型轉子繞組a）銅條轉子繞組b）鑄鋁轉子繞組繞線式轉子的繞組與定子繞組相似，在轉子鐵心槽內嵌有對稱的三相繞組，采用星形連接。三相繞組的三個尾端連接在一起，三個首端分別接到裝在轉軸上的三個銅制集電環上，通過電刷與外電路的可變電阻器相連接，用于啟動或調速，如圖所示。繞線轉子三相異步電動機由于其結構復雜，價格較高，一般只用于對啟動和調速有較高要求的場合，如立式車床、起重機等。301302三相異步電動機的繞線轉子和電路圖三、三相異步電動機的銘牌三相異步電動機的機座上都有一塊銘牌，上面標有電動機的型號、規格和有關技術數據，如圖所示。要正確使用電動機，就必須看懂銘牌。現以Y180M-4型三相異步電動機為例來說明銘牌上各個數據的含義。303三相異步電動機的銘牌1.型號型號是電動機類型、規格的代號。國產三相異步電動機的型號由漢語拼音字母以及國際通用符號和阿拉伯數字組成。下面以Y180M-4為例，介紹符號與數字的含義。Y———一般用途三相籠型轉子異步電動機。180———機座中心高180mm。M———機座長度代號（S———短機座，M———中機座，L———長機座）。4———磁極數（磁極對數p=2）。3042.接法接法是指電動機在額定電壓下，三相定子繞組的連接方式，有星形（Y）和三角形（△）。一般功率在3kW及以下的電動機為Y接法，4kW及以上的電動機為△接法。3.額定頻率fN（Hz）額定頻率是指電動機定子繞組所加交流電源的頻率。我國工業用交流電源的標準頻率為50Hz。4.額定電壓UN（V）額定電壓是指電動機在正常運行時加到定子繞組上的線電壓值。3055.額定電流IN（A）額定電流是指電動機在額定電壓下正常運行時定子繞組線電流的有效值。6.額定功率PN（kW）和額定效率ηN額定功率也稱額定容量，是指在額定電壓、額定頻率、額定負載運行時，電動機軸上輸出的機械功率。額定效率是指額定運行時輸出機械功率與輸入電功率的比值。額定功率與額定電壓、額定電流之間存在以下關系：3067.額定轉速nN（r/min）額定轉速是指在額定頻率、額定電壓和額定輸出功率時，電動機每分鐘的轉數。8.絕緣等級絕緣等級是指電動機定子繞組所用絕緣材料允許的最高溫度等級，有A、E、B、F、H、C六級。目前一般電動機采用較多的是E級和B級。9.功率因數cosφ三相異步電動機的功率因數較低，在額定運行時為0.7~0.9，空載時只有0.2~0.3，因此，必須正確選擇電動機的容量，防止“大馬拉小車”，并力求縮短空載運行時間。30710.工作方式異步電動機常用的工作方式有三種：（1）連續工作方式可按銘牌上規定的額定功率長期連續使用，而溫升不會超過允許值，用代號S1表示。（2）短時工作方式每次只允許在規定時間內按額定功率運行，如果運行時間超過規定時間，則會使電動機過熱損壞，用代號S2表示。（3）斷續工作方式電動機以間歇方式運行。如起重機械的驅動，多為此種方式，用代號S3表示。308四、三相異步電動機的系列和分類我國生產的三相異步電動機種類很多，根據不同的場合和用途可以進行針對性的選擇。部分常用的Y系列三相異步電動機及性能特點，見表。309三相異步電動機Y系列的部分品種310三相異步電動機Y系列的部分品種311三相異步電動機Y系列的部分品種五、三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作原理，是基于定子繞組內三相電流所產生的旋轉磁場與轉子導體內電流的相互作用。圖a所示是三相異步電動機的接線圖，當三相對稱定子繞組接到三相電源上時，繞組內將通過三相對稱電流，在空間產生旋轉磁場，該磁場沿定子內圓周方向旋轉。圖b所示為具有一對磁極的旋轉磁場，設想磁極位于定子鐵心內畫有陰影線的部分。312313三相異步電動機原理a）定子繞組的接線b）工作原理當磁場旋轉時，轉子繞組的導體切割磁通將產生感應電動勢e2，假設磁場沿順時針方向旋轉，則相當于轉子導體沿逆時針方向切割磁通，根據右手定則，在N極下轉子導體中感應電動勢的方向由圖面指向讀者，而在S極下轉子導體中感應電動勢的方向則由讀者指向圖面。由于電動勢

e2的存在，轉子繞組中將產生轉子電流i2

。根據左手定則，轉子電流與旋轉磁場相互作用將產生電磁力F（假設

i2與

e2同相位），該力在轉子的軸上形成電磁轉矩，且轉矩的方向與旋轉磁場的方向相同，轉子受此轉矩作用，便按旋轉磁場的方向旋轉起來。314但是，轉子的轉速n比旋轉磁場的轉速n1（稱為同步轉速）要小，如果兩者相等，轉子與旋轉磁場之間就沒有相對運動，轉子導體不切割磁通，便不能感應電動勢e2和產生電流i2，也就沒有電磁轉矩，轉子將不會繼續旋轉。因此，轉子與旋轉磁場之間的轉速差是保證轉子旋轉的必要條件。由于轉子轉速不等于同步轉速，所以把這種電動機稱為異步電動機，而把轉速差（n1-n）與同步轉速n1

的比值稱為異步電動機的轉差率，用s表示，即：轉差率s是分析異步電動機工作情況的重要參數。它反映了轉子導體切割磁力線的速度占旋轉磁場轉速的比例關系。轉差率越大，轉子中的電動勢和電流越大，電動機從電源輸入的電流和功率也越大。315電動機旋轉時，如果軸上帶有機械負載，則從轉子輸出機械能。從物理本質上來分析，異步電動機的運行工作情況與變壓器相似，即電能從電源輸入定子繞組（一次繞組），通過電磁感應的形式，以旋轉磁場作為媒介，傳送到轉子繞組（二次繞組），而轉子中的電能通過電磁力的作用變換成機械能輸出。由于在這種電動機中，轉子電流的產生和電能的傳遞是基于電磁感應原理，所以異步電動機又稱為感應電動機。通常異步電動機在額定負載時，轉子的轉速nN接近于n1

，轉差率s很小，為0.015~0.060。316六、三相異步電動機的旋轉磁場1.旋轉磁場的產生當電動機定子繞組通入三相交流電時，各相繞組中的電流都將產生自己的磁場。由于電流隨時間變化，它們產生的磁場也將隨時間變化，而三相電流產生的總磁場（合成磁場）是在空間旋轉的，故稱旋轉磁場。為了簡便起見，假設每相繞組只有一個線圈，分別嵌在定子內圓周的六個凹槽之中，如圖所示，圖中U1、V1、W1和U2、V2、W2分別代表各相繞組的首端和末端。317318定子三相繞組a）嵌放情況b）星形接法接線圖把定子繞組中電流的正方向規定為自各相繞組的首端到它的末端，并取流過U相繞組的電流iU作為參考正弦量，即

iU的初相位為零，則各相電流的瞬時值可表示為（相序為U—V—W）：319三相電流的波形如圖所示。320三相電流的波形圖下面分析不同時刻的合成磁場。（1）在t=0時，iU=0；iV為負，電流實際方向與正方向相反，即電流從V2端流到V1端；iW為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從W1端流到W2端。（2）在t=T/6時，ωt=60°，

iU為正（電流從U1端流到U2端）；iV為負（電流從V2端流到V1端）；iW=0。（3）在t=T/3時，ωt=120°，

iU為正；iV=0；iW為負。（4）在t=T/2時，ωt=180°，

iU=0；iV為正；iW為負。321322兩極旋轉磁場2.旋轉磁場的轉向由圖可知，U相繞組內的電流，超前于V相繞組內的電流120°，而V相繞組內的電流又超前于W相繞組內的電流120°，同時上圖所示旋轉磁場的轉向也是U—V—W，即沿順時針方向旋轉。所以，旋轉磁場的轉向與三相電流的相序一致。323定子三相繞組a）嵌放情況b）星形接法接線圖三相電流的波形圖如果將定子繞組接至電源的三根導線中的任意兩根線對調，例如，將V、W兩根線對調，如圖所示，使V相與W相繞組中電流的相位對調，此時U相繞組內的電流超前于W相繞組內的電流120°，因此，旋轉磁場的轉向也將變為U—W—V，沿逆時針方向旋轉，即與對調前的轉向相反。324V、W兩根電源線對調改變繞組中心的電流相序3.旋轉磁場的極數與轉速以上討論的旋轉磁場，只有一對磁極，即p=1（磁極對數用p表示）。從上述分析可以看出，電流變化一個周期（360°電角度），旋轉磁場在空間也旋轉了一圈（360°機械角度），若電源的頻率為f1，旋轉磁場每分鐘將旋轉60f1圈，以n1表示，即：n1=60f1如果把定子鐵心的槽數增加一倍（變為12個槽），制成如圖所示的三相繞組，其中，每相繞組由兩個部分串聯組成，再將三相繞組接到三相對稱電源，使其通過三相對稱電流，便可產生具有兩對磁極的旋轉磁場。325326產生四極旋轉磁場的定子繞組a）嵌放情況b）接線圖327四極旋轉磁場a）t=0b）t=T/6c）t=T/3d）t=T/2七、三相異步電動機的定子繞組定子繞組是三相異步電動機進行能量轉換的關鍵部件，它是電動機結構中的核心。三相異步電動機在長期的運行過程中，絕緣的老化、受潮、化學氣體的腐蝕、長期過載、低壓運行、單相運行以及機械力和電磁力的沖擊等，易引起繞組故障。實際上電動機修理工作中遇到的問題，大多是繞組故障，所以電動機修理的大部分工作是對繞組的修理。因此，了解三相定子繞組的種類、結構和排列規律是很有必要的。3281.三相交流繞組概述（1）繞組展開圖三相異步電動機修理時，主要的技術工作在于繞組端部的連接。繞組展開圖最能反映某種繞組的連接規律，所以對于交流電動機的繞組展開圖要有一個清晰的認識，能夠讀懂和繪制繞組展開圖。（2）三相對稱繞組的特點三相繞組在空間位置上分別相差120°電角度；每相繞組的線圈數、支路數相等，導線規格一樣；每相繞組在空間的分布規律一樣。根據三相對稱繞組的特點，只要了解其中的一相即可。（3）電角度與機械角度由于導體經過一對磁極，電動勢變化一個周期，所以將一對磁極所占的空間位置定義為360°電角度；而一個圓周對應的機械角度為360°，這是不變的。329（4）極距τ與節距y定子鐵心表面每個磁極所占的范圍稱為極距τ，一般用槽數表示。（5）槽距角α相鄰兩槽之間的電角度稱為槽距角α，它表示相鄰兩槽導體中電動勢的相位差：（6）每極每相槽數q若用m1表示定子的相數，則每相繞組在每個磁極下所占有的槽數為：（7）相帶每一個磁極下每相繞組所占的范圍稱為相帶，用電角度表示。一般三相異步電動機都采用60°相帶。3302.三相單層繞組三相單層繞組的線圈數只有槽數的一半，制造方便，故常用于10kW以下的小型三相異步電動機中。單層繞組可分為同心式、鏈式和交叉式三種。單層繞組的優點是線圈數少、嵌線方便、不需要層間絕緣、槽利用率高，故小型三相異步電動機的定子繞組多采用這種繞組形式。缺點是磁場和電動勢波形中高次諧波影響大，電動機性能較差。因此，大中型三相異步電動機的定子繞組多采用雙層繞組。3313.三相雙層繞組三相雙層繞組可分為疊繞組和波繞組兩大類。一般10kW以上三相異步電動機的定子繞組采用雙層疊繞組，繞線式三相異步電動機的轉子繞組采用波繞組。雙層繞組的優點是：線圈節距、形狀相同，便于制造；可以靈活地選擇短距線圈來改善電動勢和磁動勢波形，節約端部用銅，電動機性能好；可以根據需要組成較多的并聯支路數。缺點是線圈多，需層間絕緣，嵌線較困難，線圈組間連線較多，耗銅量較大。332333三相四極24槽雙層繞組U相展開圖任務2三相異步電動機的運行334學習目標1.了解三相異步電動機運行時的電磁關系。2.了解三相異步電動機的基本方程和等值電路。3.熟悉三相異步電動機的功率關系。4.了解三相異步電動機的工作特性。5.學習測試三相異步電動機工作特性的方法。335任務引入三相異步電動機空載運行時，轉子的轉速接近旋轉磁場的轉速，轉子中的電流接近零。轉軸上的負載增大后，電動機的轉速下降，轉差率增大，轉子導體與旋轉磁場間的相對運動速度加大，轉子繞組中的電流增大，從電源輸入的電功率也隨之增大。電動機帶不同負載時，電流、轉矩、功率因數、效率等參數均不同，為了高效、經濟地利用電動機，需要掌握分析三相異步電動機性能的方法，等值電路就是分析三相異步電動機性能的簡單有效工具。三相異步電動機的工作特性是用好電動機的依據。因此，熟悉三相異步電動機的運行性能，掌握常用的測試方法是很有必要的。336相關知識一、三相異步電動機的空載運行三相異步電動機的定子、轉子之間沒有直接的電氣聯系，它們之間的聯系是通過電磁感應關系實現的，這一點和變壓器相似。三相異步電動機的定子繞組相當于變壓器的一次繞組，轉子繞組相當于變壓器的二次繞組，因此，對三相異步電動機的運行進行分析，可以仿照分析變壓器的方式進行。3371.空載時的電磁關系當三相異步電動機的定子繞組接三相對稱電源時，定子繞組會通過三相對稱交流電流，這個三相對稱交流電流將在氣隙中形成按正弦規律分布，并以同步轉速n1旋轉的氣隙主磁場（旋轉磁場）。這個旋轉磁場切割定子、轉子繞組，分別在定子、轉子繞組內感應出電動勢。若轉子繞組閉合，則轉子電路中就有電流流過，于是在氣隙磁場與轉子電流的相互作用下，產生了電磁轉矩，使轉子順著旋轉磁場方向轉動?？蛰d時，軸上沒有任何機械負載，異步電動機所產生的電磁轉矩僅克服摩擦、通風的阻力轉矩，數值是很小的。3382.空載時的電壓方程設空載時，定子每相繞組所加的端電壓為

，相電流為

，旋轉磁場主磁通Φm在定子每相繞組中感應的電動勢為

，定子每相繞組的電阻為r1，漏電抗為x1，類似于變壓器空載時的一次側，參照變壓器的正方向，則可以列出三相異步電動機的定子每相電壓方程：與變壓器的分析方法相似，可寫出：3393.空載時的等值電路根據式

，即可畫出三相異步電動機空載時某一相的等值電路，如圖所示。由上述分析結果表明，異步電動機空載時的物理現象和電壓方程與變壓器十分相似。但是，在變壓器中不存在機械損耗，主磁通所經過的磁路沒有明顯的氣隙，因此，變壓器的空載電流很小，僅為額定電流的2%~10%；而異步電動機的空載電流則較大，中小型異步電動機的空載電流為額定電流的20%~50%。340341異步電動機空載時的等值電路二、三相異步電動機的負載運行1.定子、轉子磁場的關系電動機負載運行時，其轉速n低于同步轉速n1，轉向則仍與旋轉磁場的轉向相同。因此，轉子與旋轉磁場的相對轉速為Δn=n1-n=sn1，Δn也就是轉子繞組切割氣隙旋轉磁場的速度。于是在轉子繞組中感應出電動勢，產生電流，其頻率為：342在異步電動機中，無論是籠型轉子還是繞線轉子，其轉子繞組都是一個對稱的多相系統，轉子繞組中感應電流產生的磁極對數p2，與定子的磁極對數p始終相等，所以轉子合成磁場相對于轉子的旋轉速度為：若定子旋轉磁場的轉向為順時針方向，由于n<n1，所以轉子繞組感應電動勢或電流的相序也必然按順時針方向排列。由于旋轉磁場的轉向取決于繞組中電流的相序，所以轉子合成旋轉磁場的轉向與定子旋轉磁場的轉向相同，也為順時針方向，于是轉子旋轉磁場在空間的旋轉速度（相對于定子的速度）為：3432.電壓方程異步電動機帶上負載后，定子電流從

增大到

，可列出三相異步電動機負載時定子每相繞組的電壓方程：與定子繞組的電動勢相類似，負載時轉子每相繞組感應電動勢的大小為：式中N2———轉子每相繞組的串聯匝數；

kw2———轉子的繞組系數。3443.異步電動機的等值電路異步電動機的定子、轉子之間沒有電路上的聯系，只有磁路上的聯系，不便于實際工作的分析計算，所以必須像變壓器那樣進行等值電路的折算。折算前后要保持定子繞組各電磁量不變，轉子的磁動勢不變，為了找到異步電動機的等值電路，除了進行轉子繞組的折算外，還需要進行轉子頻率的折算。（1）轉子頻率的折算轉子不動時，定子、轉子繞組的頻率是一樣的。因此，可以用一個不動的等效轉子去代替實際旋轉的轉子。（2）轉子繞組的折算對異步電動機進行頻率折算之后，定子、轉子頻率不同的問題是解決了，但還不能把定子、轉子電路連接起來，因為兩個電路的電動勢還不相等。345（3）異步電動機的等值電路經頻率和繞組折算后，異步電動機轉子繞組的頻率、相數、電動勢都與定子繞組一樣。346三相異步電動機的T形等值電路三、三相異步電動機的功率和轉矩關系在三相異步電動機的T形等值電路中，每一個電阻都反映了一種功率或損耗。按照從左到右的順序，電動機中存在以下幾種功率或損耗。從電源輸入的電功率定子繞組的銅損耗定子鐵損耗電源輸入的電功率去除定子銅損耗和鐵損耗后，便是定子傳遞給轉子回路的電磁功率：347從轉子電路看，轉子繞組的銅損耗電磁功率去除轉子繞組上的銅損耗，就是等效負載電阻上的功率，這部分功率實際上是電動機轉軸上產生的機械功率，用Pm表示。348電動機運行時，還存在通風和摩擦等機械損耗P′m以及附加損耗Ps。在中小型電動機中

Ps

=（1%~3%）PN。轉子的機械功率Pm減去機械損耗P′m和附加損耗

Ps

，才是轉軸上真正輸出的功率，用P2表示?？梢姡惒诫妱訖C運行時，從電源輸入電功率P1到轉軸上輸出機械功率的全過程為：用功率流程圖表示，如圖所示。349異步電動機功率流程圖電動機產生的機械功率Pm除以軸上的角速度ω就是電磁轉矩T，也等于電磁功率PM除以同步角速度ω1：式中，ω和ω1分別表示電動機轉子的角速度和旋轉磁場的同步角速度。電動機產生的電磁轉矩T扣除空載阻力轉矩T0后，就是軸上輸出的轉矩T2。電動機正常運行時，T0

很小可忽略，輸出轉矩T2與負載轉矩TL相平衡，則有：350四、三相異步電動機的工作特性為了正確、合理地使用電動機，提高運行效率，節約能源，應利用電動機的工作特性了解不同負載情況下電動機的運行情況。351異步電動機的工作特性1.轉速特性n=f（P2）三相異步電動機空載時，轉子的轉速n接近于同步轉速n1。2.定子電流特性I1=f（P2）異步電動機定子電流I1隨輸出負載的增大而增大，其原理與變壓器一次側電流隨負載增大而增大相似。3.定子功率因數特性cosφ1

=f（P2）異步電動機空載電流I0是產生工作磁通的勵磁電流，是感性的，所以空載時的功率因數很低，一般在0.2左右，電動機軸上帶機械負載后，隨著輸出功率的增大，功率因數逐漸提高，到額定負載時一般為0.7~0.9。3524.電磁轉矩特性T=f（P2

）當電動機空載時，電磁轉矩T=T0，隨著負載增加，P2增大，由于機械角速度ω變化不大，因此，電磁轉矩T隨P2

的變化近似為一條直線。5.效率特性η=f（P2

）電動機的效率η是指其輸出機械功率P2

與輸入電功率P1

的比值，即：空載時P2

=0，而P1

>0，故η=0；隨著負載的增大，η開始時上升很快，后因銅損耗迅速增大（鐵損和機械損耗基本不變），η反而有所減小，η的最大值一般出現在額定負載的80%附近，中小型三相異步電動機的最高效率為80%~90%。353由圖上可見，三相異步電動機在其額定負載的70%~100%運行時，其功率因數和效率都比較高，因此，應該合理選用電動機的額定功率，使它運行在滿載或接近滿載的狀態，盡量避免或減少輕載和空載運行的時間。354任務3三相異步電動機的調速355學習目標1.了解三相異步電動機的機械特性。2.熟悉三相異步電動機的調速方法。3.學會進行三相異步電動機的調速。356任務分析三相異步電動機的機械特性是其性能的重要反映，只有熟悉三相異步電動機固有機械特性和人為機械特性的特點，才能用好電動機。雖然三相異步電動機的調速性能不如直流電動機，但是它的調速方法還是很多的，分別適用于某些特定的場合。隨著變頻調速技術的發展，三相異步電動機的調速性能得到了極大的改善。熟悉三相異步電動機的各種調速方法，并能正確使用，在電氣技術人員的實際工作中具有非常重要的意義。357相關知識一、三相異步電動機的機械特性1.電磁轉矩的物理表達式異步電動機的電磁轉矩T是由轉子電流的有功分量I2cosφ2與旋轉磁場的主磁通Φ相互作用產生的。根據理論分析，電磁轉矩T可用下式確定：358式中T———電動機的電磁轉矩，N·m；

CT———與電動機結構有關的轉矩常數；

Φ———旋轉磁場的每極磁通[量]，Wb；

I2———轉子電流的有效值，A；

cosφ2———轉子電路的功率因數（感性）。3592.三相異步電動機的轉矩特性從異步電動機的T形等值電路和轉子每相電流的計算公式可知，轉子電流I2和cosφ2都與轉差率s有關。360上式描述了轉子電流I2和功率因數cosφ2隨轉差率s變化的關系，可用圖所示的曲線表示。361I2和cosφ2變化曲線T與s的關系曲線，如圖所示。s較小時，T與s成正比；s較大時，T與s成反比。T=f（s）的關系曲線，通常稱為異步電動機的轉矩特性。362三相異步電動機的轉矩特性由于磁通Φ與電源電壓U1成正比，而轉子電流I2又是切割磁通Φ產生的，所以電磁轉矩T與U12成正比。電源電壓的變化對電動機工作情況影響很大，電壓過高或過低都會使電動機性能變差，甚至燒壞電動機。由轉矩特性可以看出，當s=0，即n=n1時，T=0，這是理想空載運行；隨著s的增大，轉速降低，轉子導體切割旋轉磁場加快，轉子電流I2增大，功率因數cosφ2保持較大值，T開始增大。但到達最大值Tm以后，隨著s的增大，雖然I2略有增大，但是功率因數cosφ2快速降低，因此T反而減小。最大轉矩Tm也稱臨界轉矩，對應于

Tm

的sm稱為臨界轉差率。3633.三相異步電動機的機械特性在實際應用中，需要了解異步電動機在電源電壓和頻率一定時，轉速n與電磁轉矩T的關系。364三相異步電動機的機械特性在機械特性曲線上值得注意的是兩個區和三個轉矩值。以最大轉矩Tm為界，分為兩個區，上部為穩定區，下部為不穩定區。當電動機驅動恒轉矩負載，工作在穩定區內某一點時，電磁轉矩與負載轉矩相平衡而保持勻速轉動。如負載轉矩變化，電磁轉矩將自動適應，隨之變化達到新的平衡而穩定運行。當電動機工作在不穩定區時，電磁轉矩將不能自動適應負載轉矩的變化，因而不能穩定運行。365三個轉矩是額定轉矩TN、最大轉矩Tm和啟動轉矩Tst。（1）額定轉矩TN

電動機在額定電壓下，驅動額定負載，以額定轉速運行，輸出額定功率時的電磁轉矩稱為額定轉矩。忽略空載轉矩時，就等于額定輸出轉矩，用TN表示。式中PN———電動機的額定功率，kW；

nN———電動機的額定轉速，r/min；

TN———電動機的額定轉矩，N·m。366（2）最大轉矩Tm在機械特性曲線上，電磁轉矩的最大值稱為最大轉矩，它是穩定區與不穩定區的分界點。電動機正常運行時，最大負載轉矩不可超過最大轉矩，否則電動機將帶不動，轉速越來越低，發生所謂的“悶車”現象，此時電動機電流會升高到額定電流的5~7倍，使電動機過熱，甚至燒壞。為此要將額定轉矩TN選得比最大轉矩Tm小，使電動機能有較大的短時過載運行能力。通常用最大轉矩Tm與額定轉矩TN的比值λm

來表示過載能力，即λm=Tm/TN。一般三相異步電動機的過載能力λm

=1.8~2.2。367（3）啟動轉矩Tst電動機在接通電源啟動的最初瞬間，n=0，s=1時的轉矩稱為啟動轉矩，用Tst表示。啟動時，要求啟動轉矩Tst大于負載轉矩TL，此時電動機的工作點會沿著n=f（T）曲線上升，電磁轉矩增大，轉速n越來越高，很快越過最大轉矩Tm，然后隨著n的增高，T又逐漸減小，直到T=TL時，電動機以某一轉速穩定運行?？梢?，只要Tst>TL，電動機一經啟動，便迅速進入穩定區運行。當Tst<TL時，則電動機無法啟動，出現堵轉現象，電動機的電流達到最大，造成電動機過熱。此時應立即切斷電源，減輕負載或排除故障后再重新啟動。3684.固有機械特性與人為機械特性上圖所示的特性曲線是在額定電壓、額定頻率、轉子繞組短接情況下的機械特性，稱為固有機械特性。如果降低電壓、改變頻率或轉子電路中串入附加電阻，就會使機械特性曲線的形狀發生變化。這種改變了電動機參數后的機械特性稱為人為機械特性。不同的人為機械特性提供了多種啟動方法和調速方法，為靈活使用電動機提供了方便。人為機械特性的具體性質在分析調速時再作介紹。369二、三相異步電動機的調速調速是指在電動機負載不變的情況下，人為地改變電動機的轉速。異步電動機的轉速公式如下：

從上式可以看出，異步電動機的調速方法可以分為以下三大類：（1）改變定子繞組的磁極對數p———變極調速。（2）改變供電電源的頻率f1———變頻調速。（3）改變電動機的轉差率s———變轉差率調速。其方法有改變電壓調速、繞線式異步電動機轉子串電阻調速和串級調速。3701.變極調速在電源頻率不變的條件下，改變異步電動機定子繞組的接線，可以改變磁極對數，從而得到不同的轉速。由于磁極對數p只能成倍地變化，所以這種調速方法不能實現無級調速。三相異步電動機定子繞組改變磁極對數的原理，如圖所示。以單繞組雙速電動機為例，對變極調速的原理進行分析。為簡便起見，圖中將一個線圈組集中起來用一個線圈代表。單繞組雙速電動機的定子每相繞組由兩個相等圈數的“半繞組”組成。371372變極調速的原理a）串聯2p=4b）并聯2p=2若在定子上裝兩套獨立繞組，各自具有所需的磁極對數，兩套獨立繞組中每套又可以有不同的連接。這樣就可以分別得到雙速、三速或四速等電動機，通稱為多速電動機。多速電動機中典型的變極方法有兩種。一種是Y/YY，如圖a所示，即每相繞組由串聯改成并聯，則磁極對數減少了一半，故n

YY=2n

Y。另一種是△/YY，如圖b所示，將定子繞組由△改接成YY時，磁極對數也減少了一半，即n

YY=2n△。國產YD系列雙速電動機所采用的變極方法是△/YY接法，允許輸出的功率近似不變，屬恒功率調速方式。373374單繞組雙速電動機的極對數變換a）Y/YYb）△/YY另外，由于磁極對數的改變，不僅使轉速發生了改變，而且三相定子繞組排列的相序也改變了。假設高速時三相繞組空間位置為0°→120°→240°，那么低速時磁極對數增加一倍，三相繞組空間位置變成了0°→240°→480°（120°）。為了使變極前后維持原來的轉向不變，就必須在變極的同時，改變三相繞組接線的相序，如上圖所示，將V和W互換一下，這是設計變極調速電動機控制線路時應注意的一個問題。多速電動機啟動時宜先接成低速，然后再換接為高速，這樣可獲得較大的啟動轉矩。3752.變頻調速由于三相異步電動機的同步轉速n1與電源頻率f1成正比，因此，改變三相異步電動機的電源頻率，可以實現平滑的調速。額定頻率稱為基頻，變頻調速時，可以從基頻向上調，也可以從基頻向下調。（1）從基頻向下變頻調速在進行變頻調速時，為了保證電動機的電磁轉矩不變，就要保證電動機內旋轉磁場的磁通量不變。376變壓變頻調速時的機械特性，如圖所示，其運行段是一組基本平行的曲線。377變壓變頻調速的機械特性（2）從基頻向上變頻調速從額定頻率往上升時，由于絕緣等級和目前變頻技術上存在的問題，無法升高電壓，因此，電源電壓只能保持額定值不變。升高頻率向上調速時，頻率越高，磁通Φm越小，是一種降低磁通升速的方法，類似直流電動機弱磁調速的情況。把這種變頻調速方法稱作恒壓變頻（CVVF）調速。恒壓變頻升高電源頻率的機械特性，如圖所示。其運行段也是一組基本平行的曲線。保持U1為常數的恒壓升頻調速近似為恒功率調速方式。378379恒壓變頻調速的機械特性綜上所述，三相異步電動機變頻調速有以下特點：在額定頻率以下，電壓與頻率成正比減小，Φm基本不變，屬恒轉矩調速方式；在額定頻率以上，頻率升高電壓不變，Φm減小，屬恒功率調速方式；調速范圍大，平滑性好，機械特性硬，效率高，可以實現無級調速。三相異步電動機進行變頻調速時，需要一套專用的變頻設備，例如采用圖所示的變頻調速裝置，它由整流器和逆變器組成。380變頻調速裝置3.變轉差率調速變轉差率調速是在不改變同步轉速n1的條件下進行調速。（1）繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速繞線轉子異步電動機工作時，如果在轉子回路中串入電阻，改變電阻的大小，即可調速。轉子串電阻調速的機械特性，如圖所示。381轉子串電阻的機械特性轉子串電阻調速的優點是設備簡單，成本低，缺點是低速時機械特性軟，轉速不穩定，電能浪費多，電動機的效率低，輕載時調速效果差。主要用于恒轉矩負載中，如起重運輸設備。轉子串電阻調速存在的問題，可以通過使用晶閘管串級調速系統得到解決。原來在轉子電阻中消耗的電能，先整流為直流電，再逆變為交流電送回電源。一方面能夠節能，另一方面能提高機械特性的硬度。382（2）繞線轉子異步電動機轉子串電動勢調速———串級調速轉子串電阻調速在低速時，機械特性軟，電能浪費多。如果將轉子所串電阻的電壓降用同頻率的附加電動勢來代替，就能達到回收電能、提高效率的目的，這就是串級調速。串級調速可以將異步電動機轉子回路調速時無法利用的功率回饋電網，因此效率高。因為附加電動勢連續可調，所以它能實現無級平滑調速，低速時機械特性也比較硬。特別是晶閘管低同步串級調速系統，技術難度小，性能比較完善。它具有控制電壓低、控制功率小、結構簡單、節能效率高的特點，在高壓大中型電動機節能調速方面具有突出的優越性。383傳統的串級調速系統是在電動機轉子回路中串入等效電動勢，通過改變裝置中逆變器的逆變角來改變等效電動勢的大小實現調速，同時將轉子的轉差功率反饋回電網而達到高效節能的目的，如圖所示。384傳統的串級調速系統現代串級調速技術則是以固定逆變器的逆變角，通過高頻PWM調制控制大功率電子開關的開通與關斷時間，改變串入轉子回路的等效電動勢大小實現調速，并將轉差功率經逆變變壓器反饋回電網達到高效節能的目的。特點是控制電路簡單，功率因數高，如圖所示。385外反饋式高頻斬波串級調速在定子繞組槽內嵌入一個反饋繞組代替逆變變壓器，將轉差功率經該繞組反饋回電網，構成內反饋式高頻斬波串級調速系統，使系統結構更趨簡單高效，如圖所示。386內反饋式高頻斬波串級調速在調速節能產品的低壓小容量電動機系統中，變頻調速裝置得到了較為廣泛的應用和認可，而在高壓大容量調速系統中，變頻調速器的成本很高，體積較大，高頻斬波串級調速系統具有優良的性價比，適合于大中型風機、水泵調速節能運行，其節能效果顯著。因此，廣泛應用于水廠、電廠、鋼鐵廠、化工廠、水泥廠、造紙廠、石油輸送、礦井通風等場合。387（3）降低電源電壓調速三相異步電動機的同步轉速n1與電壓無關，而最大轉矩與電源電壓的平方成正比，因此，降壓時的人為機械特性，如圖所示。388降壓的機械特性從機械特性曲線可以看出，負載轉矩一定時，電壓越低，轉速越低。所以降低電壓也能調節轉速。降壓調速的優點是電壓調節方便，對于通風機型負載，調速范圍較大。因此，目前大多數的電風扇都采用串電抗器或雙向晶閘管降壓調速。其缺點是對于常見的恒轉矩負載，調速范圍很小，實用價值不大。389任務4三相異步電動機的啟動、反轉和制動390學習目標1.了解三相異步電動機啟動時存在的問題。2.熟悉三相異步電動機常用的啟動方法。3.了解三相異步電動機的反轉方法。4.了解三相異步電動機的制動方法。5.學會三相異步電動機常用啟動、反轉和制動方法的操作使用。391任務分析三相異步電動機啟動時與直流電動機一樣，啟動電流大，對電源有較大的沖擊，因此，容量較大的電動機不允許直接啟動。需要在三相異步電動機的各種啟動方法中選擇一種對電源、對負載最合適的方法。三相異步電動機驅動的生產機械，經常要改變運動方向，如電梯的上下、刨床的來回運動，這就需要電動機能快速地正反轉。某些生產機械除了需要電動機提供驅動力矩外，還要三相異步電動機在必要時提供制動力矩，以便迅速反轉、停車或限制轉速；例如起重機下放重物時，機床反向運動開始時，都需要電動機進行制動。因此，掌握三相異步電動機啟動、反轉和制動的知識及技能，對電氣技術人員是很重要的。392相關知識一、三相異步電動機的啟動三相異步電動機的啟動就是把三相定子繞組與電源接通，使電動機的轉子由靜止加速到一定轉速進行穩定運行的過程。異步電動機在啟動瞬間，其轉速n=0，轉差率s=1，轉子電流達到最大值，這時定子電流也達到最大值，為額定電流的5~7倍。由電磁轉矩公式T=CT

ΦI2cosφ2可知，雖然異步電動機的啟動電流很大，但是啟動時轉子電路的功率因數很低，故啟動轉矩并不大，一般籠型轉子異步電動機的啟動能力λst只有1.3~2.2。393三相異步電動機啟動電流很大，在輸電線路上造成的電壓降也大，可能會影響同一電網中其他負載的正常工作，例如，使其他電動機的轉矩減小，轉速降低，甚至造成堵轉，或使日光燈熄滅等。電動機啟動轉矩不大，則啟動時間較長，或不能在滿載情況下啟動。由于三相異步電動機存在啟動電流很大而啟動轉矩不大的問題，所以必須采取一些措施來減小啟動電流，增大啟動轉矩。394三相異步電動機常用的啟動方法有以下幾種：1.全壓啟動用開關將額定電壓直接加到定子繞組上使電動機啟動，就是全壓啟動，又稱直接啟動。圖所示是用電源開關QS全壓啟動的電路。395全壓啟動電路全壓啟動的優點是設備簡單，操作方便，啟動時間短。只要電網的容量允許，應盡量采用全壓啟動。容量在10kW以下的三相異步電動機一般都采用全壓啟動。一臺三相異步電動機是否允許全壓啟動，各地電力部門都有各自的規定，例如表是某地電力部門的規定，可供參考。396三相籠型轉子異步電動機全壓啟動參考數據2.三相籠型轉子異步電動機減壓啟動如果三相籠型轉子異步電動機的額定功率超出了允許全壓啟動的范圍，則應采用減壓啟動。所謂減壓啟動，是借助啟動設備將電源電壓適當降低后再加到定子繞組上進行啟動，待電動機轉速升高后，再使電壓恢復到額定值，轉入正常運行。減壓啟動時，由于電壓降低，電動機每極磁通量減小，故轉子電動勢、電流以及定子電流均減小，避免了對電網沖擊而引起的電壓顯著下降。但由于電磁轉矩與定子相電壓的平方成正比，因此，減壓啟動時的啟動轉矩將大大減小，一般只能在電動機空載或輕載的情況下啟動，啟動完畢后再加上機械負載。397目前常用的減壓啟動方法有三種：（1）定子串接電抗器啟動三相籠型轉子異步電動機啟動時在定子電路中串入電抗器，這樣可以降低定子電壓，限制啟動電流。在轉速接近額定值后，將電抗器切除，使電動機在額定電壓下開始正常運行。定子回路串電阻啟動，也屬于減壓啟動，但由于外接啟動電阻上有較大的功率損耗，所以經濟性較差，一般不用。（2）Y-△啟動如果三相籠型轉子異步電動機正常工作時，其定子繞組是△接法，那么啟動時為了減小啟動電流，可將其改為Y接法，等電動機轉速上升后，再恢復△接法。398（3）自耦變壓器減壓啟動自耦變壓器減壓啟動的電路如圖所示。三相自耦變壓器接成Y形，用一個六刀雙擲轉換開關Q來控制自耦變壓器接入或脫離電路。啟動時把開關Q扳到啟動位置，使三相交流電源接入自耦變壓器的一次側，電動機的定子繞組接到自耦變壓器的二次側，這時電動機定子繞組的電壓低于額定電壓，因而減小了啟動電流。待電動機轉速升高后，把開關Q從啟動位置迅速扳到運行位置，讓定子繞組直接與電源相接，而自耦變壓器則與電路脫開。399400自耦變壓器減壓啟動自耦變壓器減壓啟動時，電動機定子電壓為全壓啟動電壓的1/K（K為自耦變壓器的變比），定子電流（即自耦變壓器二次側電流）也降低為全壓啟動時的1/K，而自耦變壓器一次側的電流降低為全壓啟動時的1/K2；由于電磁轉矩與外加電壓的平方成正比，故啟動轉矩也降低為全壓啟動時的1/K2。啟動用的自耦變壓器專用設備稱為啟動補償器，它通常有兩至三個抽頭，可輸出不同的電壓供用戶選用，例如分別輸出電源電壓的80%、60%和40%。自耦變壓器減壓啟動的優點是啟動電壓可根據需要選擇，使用靈活，可適用于不同的負載，但設備較笨重，成本高。4013.三相籠型轉子異步電動機晶閘管減壓軟啟動上述常用的減壓啟動方法，在啟動過程中，加在電動機定子繞組上的電壓都是有級跳躍變化的。如果利用晶閘管控制交流電每個周期導通時間的長短，使交流電壓從零開始慢慢升高，將整個啟動過程中的電流自動控制在一個合適的數值，例如兩倍的額定電流。這種啟動方法對電源、電動機和負載幾乎沒有沖擊，因此稱為軟啟動?，F在國內已經有專業生產軟啟動器的廠家，與傳統的減壓啟動方法相比有較高的性價比。圖是三相籠型轉子異步電動機雙向晶閘管減壓軟啟動的電路原理圖。402403晶閘管軟啟動電路4.三相籠型轉子異步電動機變頻啟動具有變頻調速裝置的三相籠型轉子異步電動機，常采用減壓變頻啟動方法。啟動時，給三相異步電動機定子繞組加低壓低頻的交流電，隨著轉速的上升，逐漸提高電源的電壓和頻率，直至達到額定值。整個啟動過程可自動控制在最佳的運行狀態，電動機可以按照設定的啟動電流、啟動轉矩、啟動時間以及啟動加速度自動運行，是三相異步電動機最理想的啟動方法，適合于各種場合。但前提條件是必須有一個專門配套的變頻電源。隨著電力電子技術的發展，這種啟動方法會用得越來越多。4045.繞線轉子異步電動機轉子串電阻啟動籠型轉子異步電動機的轉子繞組是短接的，因此無法改變其參數來改善啟動性能。對于既要限制啟動電流，又要重載啟動的場合，不得不采用繞線轉子異步電動機。繞線轉子異步電動機轉子串電阻啟動的電路，如圖所示。啟動時在轉子電路中串入三相對稱電阻，啟動后，隨著轉速的上升，逐漸切除啟動電阻，直到轉子繞組短接。405406轉子串電阻啟動6.繞線轉子異步電動機轉子串頻敏變阻器啟動為了改進轉子串電阻啟動過程中電阻級數有限，電流和轉矩波動大的缺點，可以改用轉子串頻敏變阻器啟動。頻敏變阻器的結構是一個三相鐵心線圈，其鐵心不用硅鋼片疊成，而是用30~50mm厚的鋼板疊成，鐵損耗很大。鐵心中的渦流損耗和磁滯損耗都隨頻率而變化，其等效電阻和線圈的電抗都與頻率有關，因此稱為頻敏變阻器。它與繞線轉子異步電動機的轉子繞組相接，如圖所示。407408轉子串頻敏變阻器啟動7.深槽式和雙籠型異步電動機將轉子串頻敏變阻器啟動的原理應用于三相籠型轉子異步電動機，就形成了啟動性能較好的深槽式和雙籠型異步電動機。這兩種特殊的籠型轉子異步電動機，利用交流電流的集膚效應，使電動機剛開始啟動時，由于轉子頻率f2較高，轉子電流集中在導體表面，等效轉子電阻大，啟動電流小，啟動轉矩大。而正常工作時，轉子頻率

f2較低，性能與普通籠型轉子異步電動機差不多。具體的結構和參數可以參閱電機學的相關書籍。409對于上面所介紹的三相異步電動機的各種啟動方法，可根據電動機容量的大小和負載的輕重大致分為四種情況，分別選用不同的啟動方法，見表。大容量電動機的主要問題是減小啟動電流，重載時的主要問題是增大啟動轉矩。410三相異步電動機的各種啟動方法二、三相異步電動機的反轉三相異步電動機驅動的生產機械，往往需要改變運動方向，如電梯的上下、刨床的來回運動、起重機的提升和下放重物，都需要電動機能快速地正反轉。三相異步電動機改變轉向的方法很簡單，只需調換任意兩根電源線即可。從三相異步電動機的工作原理可知，電動機的旋轉方向取決于定子旋轉磁場的旋轉方向。因此只要改變旋轉磁場的轉向，就能使三相異步電動機反轉。圖是利用倒順開關來實現電動機正反轉的原理線路圖。411412異步電動機正、反轉原理電路圖三、三相異步電動機的制動制動就是剎車。當電動機斷電后，由于電動機及生產機械存在慣性，要經過一段時間才能停轉。為了提高生產效率及安全性，必須對電動機進行制動。制動的方法有機械制動和電氣制動兩類。機械制動通常利用電磁抱閘制動器來實現。電動機啟動時，電磁抱閘線圈同時通電，電磁鐵吸合，使抱閘松開；電動機斷電時，抱閘線圈同時斷電，電磁鐵釋放，在彈簧作用下，抱閘把電動機轉子緊緊抱住，實現制動。起重機常用這種方法制動。413電氣制動就是在電動機轉子中產生一個與轉動方向相反的電磁轉矩，使電動機迅速停止轉動。常用的電氣制動方法有以下幾種：1.反接制動反接制動分為電源反接制動和倒拉反接制動兩種。（1）電源反接制動運行過程中的電動機脫離電源后，立即把與電源連接的三根導線中的任意兩根對調一下，再接入電動機，使旋轉磁場反轉，而轉子由于慣性仍沿原方向轉動，因而產生的電磁轉矩方向與電動機轉動方向相反，電動機因制動轉矩的作用迅速停轉，如圖所示。414415電源反接制動的電路和原理圖（2）倒拉反接制動繞線轉子異步電動機驅動位勢負載（即重力負載），并在轉子回路串入大電阻的時候，就可能工作在倒拉反接制動狀態，其機械特性如圖所示。416倒拉反接制動的機械特性2.能耗制動能耗制動的方法是將運行著的異步電動機的定子繞組從三相交流電源上斷開，立即接到直流電源上，如圖所示。417能耗制動的電路和原理圖當定子繞組通入直流電時，氣隙中就形成一個固定的磁場，由于轉子在慣性作用下按原方向轉動切割固定磁場，產生一個與轉子旋轉方向相反的電磁轉矩，使電動機迅速停轉。停轉后，轉子與磁場相對靜止，制動轉矩隨之消失。能耗制動的機械特性，如圖所示，電動機正向運行時工作在固有機械特性曲線1上的a點。定子繞組改接直流電源后，因電磁轉矩與轉速反向，因而能耗制動時機械特性位于第二象限，如圖中曲線2所示。電機運行點也轉移至b點，并從b點順著曲線2減速到O點。418419能耗制動的機械特性這種制動方法是把轉子的動能轉換為電能，在轉子電路中以熱能形式迅速消耗掉，故稱為能耗制動。其優點是制動能量消耗小，制動平穩，雖然需要直流電源，但很容易從交流電源整流獲得。這種制動方法一般用于要求迅速平穩停車的場合。3.回饋制動回饋制動又稱再生制動或發電制動，主要用在起重設備中。例如，當起重機下放重物時，因重力的作用，電動機的轉速n超過旋轉磁場的轉速n1，轉子中感應電動勢、電流和電磁轉矩的方向都發生了變化，電動機轉入發電運行狀態，將重物的勢能轉換為電能，再回送到電網，所以稱為回饋制動或發電制動。420任務5三相異步電動機的使用、維護和檢修421學習目標1.了解三相異步電動機啟動前的準備工作和啟動時的注意事項。2.熟悉三相異步電動機運行中的監視項目。3.熟悉三相異步電動機的定期檢修內容。4.了解三相異步電動機的常見故障以及處理方法。422任務引入三相異步電動機是目前工礦企業主要的動力裝置，為了保證設備長期、安全、經濟、可靠地工作，對三相異步電動機進行定期維護及檢修非常必要，這對提高生產效率和預防事故發生有非常重要的意義。電動機平時應注意保持清潔，存放于通風干燥處以防止受潮，定期檢查工作狀態，分析判斷各種故障情況，并及時進行處理。423相關知識一、三相異步電動機啟動前的準備對新安裝或久未運行的電動機，在通電使用之前必須先做下列檢查，以驗證電動機能否通電運行。1.安裝檢查要求電動機裝配靈活、螺栓擰緊、軸承運行無阻礙、聯軸器中心無偏移等。4242.絕緣電阻檢查要求用兆歐表檢查電動機的絕緣電阻，包括三相相間絕緣電阻和三相繞組對地絕緣電阻，測得的冷態絕緣電阻一般不小于10MΩ。3.電源檢查一般當電源電壓波動超出額定值的-5%或10%時，應改善電源條件后投入運行。4.啟動、保護措施檢查要求啟動設備接線正確（全壓啟動的中小型三相異步電動機除外），電動機所配熔絲的規格合適，外殼接地良好。在以上各項檢查無誤后，方可合閘啟動。425二、啟動時的注意事項1.合閘后，若電動機不運轉，應迅速、果斷地拉閘，以免燒壞電動機。2.電動機啟動后，應注意觀察，若有異常情況，應立即停機。待查明故障并排除后，才能重新合閘啟動。3.三相籠型轉子異步電動機采用全壓啟動時，短時間內連續啟動的次數不宜過于頻繁。對功率較大的電動機要隨時注意電動機的溫升。4.三相繞線轉子異步電動機啟動前，應注意檢查啟動電阻是否接入。接通電源后，隨著電動機轉速的上升逐漸切除啟動電阻。5.幾臺電動機由同一臺變壓器供電時，不能同時啟動，應從大到小逐臺啟動。426三、電動機運行中的監視對運行中的電動機應經常檢查外殼有無裂紋，螺釘是否脫落或松動，電動機有無異響或振動等。監視時，要特別注意電動機有無冒煙和異味出現，若聞到焦煳味或看到冒煙，必須立即停機檢查處理。對軸承部位，要注意溫度和聲音。溫度升高，響聲異常，則可能是軸承缺油或磨損。用聯軸器傳動的電動機，如果中心校正不好，會在運行中發出響聲，并伴隨電動機振動和聯軸器螺栓膠墊迅速磨損。這時應重新校正中心線。用帶傳動的電動機，應注意帶不應過松否則會導致打滑，也不能過緊否則會導致電動機軸承過熱。427在發生以下嚴重故障情況時，應立即停機處理：1.人員觸電。2.電動機冒煙。3.電動機劇烈振動。4.電動機軸承發熱嚴重。5.電動機轉速迅速下降，溫度迅速升高。428四、三相異步電動機的定期維修三相異步電動機定期維修是消除故障隱患，防止故障發生的重要措施。電動機維修分月維修和年維修，俗稱小修和大修。前者不拆開電動機，后者需把電動機全部拆開。1.定期小修定期小修是對電動機的一般清理和檢查，應經常進行。小修內容包括：（1）清擦電動機外殼，除掉運行中積累的污垢。429（2）測量電動機絕緣電阻，測量后注意重新接好線，擰緊接線螺釘。（3）檢查電動機端蓋、地腳螺釘是否緊固。（4）檢查電動機接地線是否可靠。（5）檢查電動機與負載機械間的傳動裝置是否良好。（6）拆下軸承蓋，檢查潤滑介質是否變臟、用盡，及時加油或換油。處理完畢后注意上好端蓋及緊固螺釘。（7）檢查電動機的附屬啟動和保護設備是否完好。4302.定期大修三相異步電動機的定期大修應結合負載機械的大修進行。大修時，拆開電動機進行以下項目的檢查修理：（1）檢查電動機各部件有無機械損傷，若有則應做相應修復。（2）對拆開的電動機和啟動設備進行清理，清除所有油泥、污垢。清理中注意觀察繞組絕緣狀況。若絕緣為暗褐色，說明絕緣已經老化，對這種絕緣狀態要特別注意，不要使它脫落。若發現有脫落現象就要進行局部絕緣修復和刷漆。431（3）拆下軸承，浸在汽油或柴油中徹底清洗。把軸承架與鋼珠間殘留的油脂及污垢洗掉后，用干凈的汽（柴）油清洗一遍。清洗后的軸承應轉動靈活，不松動。若軸承表面粗糙，說明潤滑油不合格；若軸承表面變色（發藍），則說明已經退火。根據檢查結果，對潤滑油或軸承進行更換，并消除故障隱患（如清除潤滑油中的砂、鐵屑等雜物，正確安裝電動機等）。軸承重新安裝時，潤滑油應從一側加入，直至潤滑油占軸承內容積的1/3~2/3即可，潤滑油加得太滿會發熱流出。潤滑油可采用鈣基潤滑脂或鈉基潤滑脂。432（4）檢查定子繞組是否存在故障。使用兆歐表測繞組絕緣電阻可判斷繞組絕緣是否受潮或短路，若有故障則應進行相應處理。（5）檢查定子、轉子鐵心有無磨損或變形，若觀察到有磨損處或發亮點，說明可能存在定子、轉子鐵心相擦，應使用銼刀或刮刀把亮點刮低，若有變形應做相應修復。（6）在進行以上各項修理、檢查后，對電動機進行重新裝配、安裝。（7）安裝完畢的電動機，應進行啟動前檢查，符合要求方可帶負載運行。433五、三相異步電動機的常見故障及處理方法電動機的故障，有機械故障和電氣故障兩個方面。三相籠型轉子異步電動機是所有電動機中工作最可靠、最耐用的電動機。它的轉子電路發生故障的機會較低，定子電路發生故障的機會較高，但不外乎斷路和短路兩種情況。下面把三相異步電動機常見的故障和檢查處理方法列于表中，供參考。434435三相異步電動機的常見故障和檢查處理方法436三相異步電動機的常見故障和檢查處理方法任務6單相異步電動機的應用437學習目標1.了解單相異步電動機的特點和用途。2.掌握單相異步電動機的工作原理和機械特性。3.熟悉單相異步電動機的類型、啟動方法和應用場合。4.學會單相異步電動機的接線和操作使用。438任務引入單相異步電動機是指用單相交流電源供電的異步電動機。單相異步電動機具有結構簡單、成本低廉、噪聲小、使用方便、運行可靠等優點，因此廣泛應用于工業、農業、醫療和家用電器制造等領域，最常見的有電風扇、洗衣機、電冰箱、空調等，如圖所示。但是單相異步電動機與同容量的三相異步電動機相比，體積較大，運行性能較差，因此，單相異步電動機一般只制成小容量電動機，功率從幾瓦到幾千瓦。由于單相異步電動機在家用電器中的應用特別廣泛，與人們的生活密切相關，所以電氣自動化技術人員必須了解單相異步電動機的結構、特點和分類，掌握單相異步電動機的工作原理，熟悉單相異步電動機的操作使用技能。439440單相異步電動機的用途a）電風扇b）洗衣機c）電冰箱d）空調相關知識一、單相異步電動機的工作原理和機械特性當單相正弦交流電通入定子單相繞組時，在繞組軸線方向上會產生一個大小和方向交變的磁場，如上圖所示。這種磁場的空間位置不變，其磁感應強度B的幅值在時間上隨交變電流按正弦規律變化，具有脈動特性，因此稱為脈動磁場，如圖a所示。可見，單相異步電動機中的磁場是一個脈動磁場，不同于三相異步電動機中的旋轉磁場。為了便于分析，可以將這個脈動磁場分解為大小相等、方向相反的兩個旋轉磁場，如圖所示。它們分別在轉子中感應出大小相等、方向相反的電動勢和電流。441442單相交變磁場443脈動磁場分解成兩個方向相反的旋轉磁場a）交變脈動磁場b）脈動磁場的分解兩個旋轉磁場作用于籠型轉子的導體中將產生兩個方向相反的電磁轉矩T+和T

-，合成后得到單相異步電動機的機械特性，如圖所示。444單相異步電動機的機械特性從上圖可知，單相異步電動機一相繞組通電的機械特性有如下特點：1.當n=0時，|T

+|=|T-|，合成轉矩T=0。即單相異步電動機的啟動轉矩為零，不能自行啟動。2.當n>0時，T>0；n<0時，T<0。即電動機的轉向取決于初速度的方向。當外力給轉子一個正向的初速度后，就會繼續正向旋轉；而外力給轉子一個反向的初速度時，電動機就會反轉。3.由于轉子中存在著方向相反的兩個電磁轉矩，因此理想空載轉速n0小于旋轉磁場的轉速n1。與同容量的三相異步電動機相比，單相異步電動機額定轉速略低，過載能力、效率和功率因數也較低。445二、單相異步電動機的啟動單相異步電動機由于啟動轉矩為零，所以不能自行啟動。為了解決單相異步電動機的啟動問題，可在電動機的定子中加裝一個啟動繞組。如果工作繞組與啟動繞組對稱，即匝數相等，空間互差90°電角度，通入相位差90°的兩相交流電，則可在氣隙中產生旋轉磁場，轉子就能自行啟動，如圖所示。轉動后的單相異步電動機，斷開啟動繞組后仍可繼續工作。上述啟動方法稱為單相異步電動機的分相啟動，即把單相交流電裂變為兩相交流電，從而在單相異步電動機內部建立一個旋轉磁場。446447兩相繞組產生的旋轉磁場三、單相異步電動機的分類單相異步電動機的啟動繞組和工作繞組由同一單相交流電源供電，如何把這兩個繞組中電流的相位分開是很重要的。單相異步電動機根據分相的方法不同，可分為單相電阻啟動異步電動機、單相電容啟動異步電動機、單相電容運行異步電動機、單相電容啟動與運行異步電動機以及單相罩極電動機等。4481.單相電阻啟動異步電動機圖是單相電阻啟動異步電動機的原理圖。單相電阻啟動異步電動機的啟動繞組匝數少，導線細；工作繞組匝數多，導線粗。449單相電阻啟動異步電動機2.單相電容啟動異步電動機如果在啟動繞組中串入一個電容器，就構成了單相電容啟動異步電動機，圖是它的原理線路圖。450單相電容啟動異步電動機3.單相電容運行異步電動機將單相電容啟動異步電動機中的啟動開關去掉，并將啟動繞組的導線加粗，由短時工作方式變成長期運行方式，就組成了單相電容運行異步電動機，如圖所示。這時的啟動繞組和電容器不僅在啟動時起作用，運行時也起作用，這樣可以提高電動機的功率因數和效率，所以這種電動機的工作性能最好。單相電容運行異步電動機的電容器容量是根據運行性能確定的，一般容量較小，所以啟動性能不如單相電容啟動異步電動機好。但是由于這種電動機不要啟動開關，結構簡單，價格低，工作可靠，運行性能好，所以廣泛應用于電風扇、洗衣機等單相用電設備中。451452單相電容運行異步電動機4.單相電容啟動與運行異步電動機為了使單相異步電動機獲得好的啟動性能，應該在啟動繞組中串入一個大容量的電容器，但要獲得好的運行性能卻只需要串入一個小容量的電容器。為了兩者兼顧，可在啟動繞組的回路中串入兩個并聯電容器，其中容量較大的電容器串聯一個啟動開關。圖所示是單相電容啟動與運行異步電動機的接線原理圖，啟動時，兩個電容器同時作用，電容量較大，電動機有較好的啟動性能。當轉速上升到一定程度時，開關S自動斷開，只保留一個小電容器參與運行，確保運行時有較好的性能。由此可見，單相電容啟動與運行異步電動機，雖然結構復雜、成本較高，但各種性能是最好的，所以適用于空調、小型空氣壓縮機等功率較大的設備中。453454單相電容啟動與運行異步電動機5.單相罩極式異步電動機單相罩極式異步電動機是結構最簡單的一種單相異步電動機。按磁極形式不同可分為凸極式和隱極式兩種。凸極式按繞組形式又可分為集中繞組和分布繞組兩種，轉子都采用籠型結構，如圖所示。455單相罩極式異步電動機的結構a）凸極式集中繞組罩極電動機b）凸極式分布繞組罩極電動機單相罩極式異步電動機在每個磁極的1/4~1/3處開有小槽，將磁極分成兩部分。在極面較小的那部分磁極上套裝銅制短路環，就好像把這部分磁極罩起來一樣，所以稱為罩極式電動機。當罩極式電動機的定子繞組通入單相交流電后，在氣隙中會形成一個連續移動的磁場，使籠型轉子受力而旋轉。456在交流電上升過程中，磁通量增加，根據楞次定律，短路環中產生感應電動勢和電流，阻止磁通進入短路環，這時的磁通主要集中在磁極的未罩部分，如圖中的電流時刻①和磁通方向①所示。交流電達最大值時，電流和磁通量基本不變，短路環中的電動勢和電流很小，基本上不起作用，磁通在整個磁極中均勻分布，如圖中的電流時刻②和磁通方向②所示。交流電下降過程中，磁通量減少，根據楞次定律，短路環中的電動勢和電流阻止磁通量減少，使每個磁極中的磁通集中在被罩部分，如圖中的電流時刻③和磁通方向③所示。交流電改變方向后，磁通同樣由磁極的未罩部分向被罩部分移動。這樣轉子就跟著磁場移動的方向轉動起來。457458單相罩極式異步電動機的工作原理a）單相交流電流b）罩極電動機的磁場四、單相異步電動機的反轉與調速1.單相異步電動機的反轉要使單相異步電動機反轉必須使旋轉磁場反轉，從圖兩相旋轉磁場的原理圖中可以看出，有兩種方法可以改變單相異步電動機的轉向。（1）將工作繞組或啟動繞組的首末端對調因為單相異步電動機的轉向是由工作繞組與啟動繞組產生磁場的相位差決定的，一般情況下，啟動繞組中的電流超前于工作繞組的電流，從而啟動繞組產生的磁場也超前于工作繞組，所以旋轉磁場是由啟動繞組的軸線轉向工作繞組的軸線。459（2）將電容器從一個繞組改接到另一個繞組在單相電容運行異步電動機中，若兩相繞組做成完全對稱，即匝數相等，空間相位相差90°電角度，則串聯電容器繞組中的電流超前于電壓，而不串聯電容器的那相繞組中的電流落后于電壓。旋轉磁場的轉向由串聯電容器的繞組轉向不串聯電容器的繞組。電容器的位置改接后，旋轉磁場和轉子的轉向自然跟著改變。用這種方法改變轉向，由于電路比較簡單，所以多用于需要頻繁正反轉的場合。洗衣機中常用的正反轉控制電路，如圖所示。460461洗衣機正反轉控制電路2.單相異步電動機的調速單相異步電動機與三相異步電動機一樣，轉速的調節也比較困難。如果采用變頻調