三相异步电动机的原理

(2012-09-14 06:26:22)

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原文地址：三相异步电动机的原理作者：四月初八

三相异步电动机

实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。

三相异步电动机的结构与工作原理

1．三相异步电动机的构造

       三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。

图 5-1 三相电动机的结构示意图

1）．定子

       三相异步电动机的定子由三部分组成：

定子	定子铁心	由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。
	定子绕组	三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。
	机座	机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组

2）．转子

       三相异步电动机的转子由三部分组成：

转子	转子铁心	由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。
	转子绕组	转子绕组有两种形式：     鼠笼式 -- 鼠笼式异步电动机。     绕线式 -- 绕线式异步电动机。
	转轴	转轴上加机械负载

鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。

为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。

       2）．旋转磁场

（1）．产生

       图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差120⁰的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图5-4)。

      

       当wt=0⁰时， ，AX绕组中无电流； 为负，BY绕组中的电流从Y流入B₁流出；为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（a）所示。

当wt=120⁰时， ，BY绕组中无电流； 为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（b）所示。

       当wt=240⁰时， ，CZ绕组中无电流； 为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（c）所示。

可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。

（2）．旋转磁场的方向

旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。

3）．三相异步电动机的极数与转速

（1）．极数（磁极对数p）

三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。

当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120⁰空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；

当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差60⁰空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；

同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差40⁰（=120^0/p）空间角。
极数p与绕组的始端之间的空间角q的关系为：

（2）．转速n 

三相异步电动机旋转磁场的转速n₀与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：       （5-1）

由（5-1）可知，旋转磁场的转速n₀决定于电流频率f₁和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f₁和p通常是一定的，所以磁场转速n₀是个常数。

在我国，工频f₁=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n₀，见表5-1

表5-1

p	1	2	3	4	5	6
n0	3000	1500	1000	750	600	500

（3）．转差率s

电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n₀相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。

旋转磁场的转速n₀常称为同步转速。

转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n₀相差的程度的物理量。即： (5-2)

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。

当旋转磁场以同步转速n₀开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n>0，（n₀-n）差值减小，电动机的转差率S<1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。反之，S减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。

           (5-3)

例  有一台三相异步电动机，其额定转速 n=975r/min，电源频率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率S。

       解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。显然，与975r/min最相近的同步转速n₀=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。因此，额定负载时的转差率为：

             

（4）．三相异步电动机的定子电路与转子电路

三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。

总结：

1、三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。

2、欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组，并且旋转的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义；

3、三相电源流过在空间互差一定角度按一定规律排列的三相绕组时，便会产生旋转磁场；

4、旋转磁场的方向是由三相绕组中电源相序决定的；

5、三相异步电动机旋转磁场的转速n₀与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：

6、转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n₀相差的程度的物理量。即：

转差率是异步电动机的一个重要的物理量，异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。

7、三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。

5.1.2  三相异步电机的转矩特性与机械特性

1．电磁转矩（简称转矩）

       异步电动机的转矩T是由旋转磁场的每极磁通F与转子电流I₂相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。

       经理论证明，它们的关系是：

                                                                 （5-4）

       其中      T为电磁转矩     K_T为与电机结构有关的常数

                     F为旋转磁场每个极的磁通量    I₂为转子绕组电流的有效值

                     j₂为转子电流滞后于转子电势的相位角

       若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为：（5-5）

       其中      为常数       U₁为定子绕组的相电压

                     S为转差率        R₂为转子每相绕组的电阻

                     X₂₀为转子静止时每相绕组的感抗

由上式可知，转矩T还与定子每相电压U₁的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R₂的影响。图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。

2．机械特性曲线

   
图 5-5 三相异步电动机的机械特性曲线

在一定的电源电压U₁和转子电阻R₂下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。

在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：

1）．额定转矩T_N

       额定转矩T_N是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。

                                                           （5-6）

       式中P₂是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，T_N的单位是牛·米。

       当忽略电动机本身机械摩擦转矩T₀时，阻转矩近似为负载转矩T_L，电动机作等速旋转时，电磁转矩T必与阻转矩T_L相等，即T= T_L。额定负载时，则有T_N= T_L。

2）．最大转矩T_m

       T_m又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。

       最大转矩的转差率为S_m，此时的S_m叫做临界转差率，见图5-5（a）

最大转矩Tm与额定转矩T_N之比称为电动机的过载系数l，即

                     l= Tm/ T_N

       一般三相异步的过载系数在1.8~2.2之间。

在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。

3）．起动转矩T_st，

       T_st为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s＝１时的转矩。

为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：T_st>T_N，一般的三相异步电动机有T_st/T_N=1~2.2。

3．电动机的负载能力自适应分析

电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。

直至新的平衡。此过程中， 时，               电源提供的功率自动增加。

总结：

1、电磁转矩T的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。

转矩T还与定子每相电压U₁的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R₂的影响。

2、在一定的电源电压U₁和转子电阻R₂下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线。其特性见图5-5

3、三个转矩：

1）．额定转矩T_N

       额定转矩T_N是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。               

2）．最大转矩T_m

        T_m又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。

3）．起动转矩T_st，

       T_st为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s＝１时的转矩。

4、电动机的负载能力自适应分析

电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。

5.2．三相异步电动机的使用

电动机或其他电气设备电路的接通或断开，目前普遍采用继电器、接触器、按钮及开关等控制电器来组成控制系统。这种控制系统一般称为继电——接触器控制系统。

任何复杂的控制电路，都是由一些基本的单元电路组成的。因此，在本节中我们主要讨论继电——接触器控制的一些基本电路。

要弄清一个控制电路的原理，必须了解其中各个电器元件的结构，动作原理以及它们的控制作用。电器的种类繁多，可分为手动的和自动的两类。手动电器是由工作人员手动操纵的，例如刀开关、点火开关等。而自动电器则是按照指令、信号或某个物理量的变化而自动动作的，例如各种继电器、接触器、电磁阀等。因此本节首先对这些常用控制电器作简单介绍。