1.1 三相交流异步电动机基础知识

电动机是电力拖动系统的动力源，电动机目前分类如图1-1所示。

由图1-1可见交流电动机分为单相交流异步电动机和三相交流电动机两类，三相交流电动机又分为同步和异步电动机两种类型。在电力拖动系统中交流电动机应用最广泛，所以重点介绍交流电动机基本知识。

1.1.1 三相交流异步电动机结构

三相交流异步电动机按结构分为两种，第一种是鼠笼式三相异步电动机，第二种是绕线式三相异步电动机。三相鼠笼式异步电动机有单速电动机、双速电动机和多速电动机等。

三相交流异步电动机按着额定电压等级分类，可分为低压和高压电动机两种类型。常用的中小型的电动机，其额定电压为AC 380 V；而高压大功率电动机（100 kW以上），其额定电压为AC 3000 V戓6000 V。小功率Y系列笼型电动机额定电压为AC 380 V等级。

鼠笼式和绕线式三相异步电动机的定子结构完全相同，均由定子铁芯和对称三相定子绕组组成，所不同的是转子结构不同，鼠笼式三相异步电动机转子由转子铁芯和鼠笼组成，而绕线式三相异步电动机转子由转子铁芯和对称三相转子绕组组成。

（1） 对称三相定子绕组特点

对称三相绕组特点是三相绕组匝数相同、绕组分布相同，三相绕组首和首、尾和尾均相差120°电角度，每相绕组首、尾相差180°电角度（60°电角度嵌线）。如图1-2所示给岀三相电动机定子绕组示意图。

（2） 三相异步电动机转子绕组

三相异步电动机转子绕组有鼠笼型和绕线型两种类型。笼型转子有单鼠笼、双鼠笼、深鼠笼三种型式，笼型转子的导条有铜条焊接端环式和铸铝式。绕线型转子经绕组与其定子绕组嵌线相同，分为三相绕组，而且三相绕组为星型（Y）接法，有三个端头与三个转动滑环相连接，三个转动滑环通过电刷与外设三相启动设备相连接，以便提高电动机的启动力矩和调速。有关三相异步电动机转子绕组如图1-3所示。

1.1.2 三相异步电动机定子绕组接法和定子旋转磁场

1. 三相异步电动机的定子绕组接法

单速三相异步电动机三相定子绕组的首端和尾端都用引线接于电动机接线盒的接线柱上，再通过接线柱与三相电源相连接。普通常用的三相异步电动机的定子绕组有星形（Y）接法和三角形（ ）接法两种，如图1-4所示。

2. 三相异步电动机定子旋转磁场

三相异步电动机对称三相定子绕组接对称三相电压（对称三相电压是指三相电压大小相等，相位相差120°角），在三相定子绕组产生三相对称电流（对称三相电流是指三相电流大小相等，相位相差120°角），进而在定子腔内产生旋转磁场，定子旋转磁场的转速被称为同步速，又称为电动机同步速，用n ₀ 表示。定子旋转磁场的转速与电源电压频率 成正比与磁极对数 P 成反比如图1-5所示。

电动机同步速可用下式求岀：

式中： n ₀ —电动机同步速（定子磁场转速），单位为r/min（转/分）

₁ —定子绕组电压频率，单位为Hz

p —磁极对数（一个N极和一个S极称为一对磁极）

表1-1给出不同电源频率和不同磁极对数对应的电动机同步度。

通过表1-1可见电动机的同步速与磁极对数成反比，而与电源频率成正比。当电动机磁极对数确定后，同步转速n ₀ 可以通过改变电源频率 ₁ 达到改变转速的目的；如果电源频率 ₁ 可以从0～50 Hz连续调整，则可实现n ₀ 从0～3000转/分连续调速。这就是变频调速原理。

三相异步电动机定子旋转磁场旋转方向是从电流跃前相绕组至电流滞后相绕组；若要改变定子磁场旋转方向，可以对调定子三相绕组中任意两相绕组与电源的接线即可。

1.1.3 三相异步电动机转动原理

三相异步电动机定子旋转磁场在穿过转子时，因转子绕组相对定子磁场有相对运动，所以在转子绕组产生感应电势，就会产生感应电流；转子绕组的感应电流与定子磁场相互作用，使之产生电磁力矩（M）；转子会跟随定子磁场转动；转子转速为n，转子转动状态如图1-6所示。

三相异步电动机同步速 n ₀ 与转子转速 n 之差（ n = n ₀ – n ）称为转差；转差与同步速百分比称为转差率，用s表示，电动机额定状态下 s _N =（2～6）%。

由以上分析可知转子转速 n 与同步转速 n ₀ 相差很小，电动机工作在电动状态 n ≤ n ₀ ，电动机工作在发电制动状态 n ＞ n ₀ 。

由式（1-3）可知，改变转子转速n可以通过改变电源电压频率 ₁ ，或者改变定子磁极对数 p 实现。

请注意当s=0时，则电动机以同步速运行；也就是说同步电动机转速为60 ₁ / p 。

1.1.4 三相异步电动机机械特性

电动机转矩与转速之间的关系称为机械特性，描绘转矩和转速的关系曲线称为机械特性曲线。

1. 三相笼型异步电动机机械特性

同一台笼型异步电动机定子绕组加不同电压可得到不同的机械特性曲线，见图1-7所示。

由图1-7可见 U ₁ > U ₂ > U ₃ ，则启动力矩 T _st1 > T _st2 > T _st3 。由图1-7还可以看出，在电动机负载力矩不变的状态下，改变定子绕组所加的电压可得到不同的电动机转速；也就是三相异步电动机可以通过调压调速，但其转速调整范围小。目前很少采用调压调速。

2. 三相绕线式异步电动机机械特性

三相绕线式异步电动机具有调速性能较好、启动力矩较大、启动快等优点；它主要用于各种起重机。三相绕线式异步电动机在转子绕组中串不同的电阻器，可以得到不同的机械特性曲线，如图1-8所示。

绕线式三相异步电动机转子串不同电阻器时，其机械特性曲线就不同，在图1-8所示图中 R ₃ =0 ， R ₁ > R ₂ > R ₃ ； R ₁ 、R ₂ 、R ₃ 所对应的临界转速 n _m1 < n _m2 < n _m3 。由图1-8可见转子绕组串入适当电阻器可以得到比较合适的启动力矩，另外可以通过转子绕组串入不同电阻值的电阻器，得到不同的转速；绕线式三相异步电动机可以采用政改变定绕组电压和改变转子绕组串不同电阻器相接合的调速方法，使电动机调速性更好。

3. 电磁转矩T

电动机转子绕组中的感应电流 i ₂ 与定子磁场互相作用产生电磁力 F ，因而产生电磁力矩 T 。电磁力矩 T 是主力矩，当 T > T _c 时电动机加速运行，当 T = T _c 时电动机稳动运行，当 T < T _c 时电动机减速运行。

电磁力矩 T 用下式求得：

式中 T — 电磁力矩，单位 N · m

k _T —电动机结构系数

I ₂ —转子电流有效值，单位A

Ф—主磁通，单位Wb

c ° s φ ₂ —转子电路功率因数

4. 额定转矩T _N

电动机在额定电压下，带额定负载长期连续工作在额定功率 P _N 状态下，其轴上输出转矩为额定转矩，用 T _N 表示。

三相异步电动机额定转矩 T _N 用下式求取：

P _N —异步电动机额定功率，单位kw；

n _N —异步电动机额定转速，单位Rr/min；

T _N —异步电动机额定力矩，单位（N·m）

5. 最大转矩T _m 和过载系数

三相异步电动机最大转矩 T _m 是指电动机在临界转速 n _m 所对应的转矩。电动机的过载系数为最大转矩与额定转矩之比，用λ表示。

一般三相异步电动机过载系数为1.8～2.2。

6. 启动转矩T _st 和启动系数

启动转矩 T _st 是指电动机刚刚接通电源启动瞬间所对应转矩。启动转矩T _st 必须大于异步电动机的静态阻力矩才能使之正常启动。衡量电动机启动能力强弱的系数称为启动系数，它用 T _st / T _N 求取；三相异步电动机启动系数 T _st / T _N 为1.8～2.2。

要特别注意，如果 T _st < T _L （电动机静态阻力矩）时，电动机无法启动，会造成堵转现象，电动机定子绕组电流很大，可能造成定子绕组热击穿，俗称烧电动机。

1.1.5 三相异步电动机的铭牌和代号及汉字含义

要想正确的为三相异步电动机的选配变频器，就需要对三相异步电动机的铭牌和代号及汉字意义等了解清楚。表1-2给岀Y132M-4型三相异步电动机铭牌数据。

电动机型号Y132M-4意义：

Y—系列三相鼠笼型异步电动机；

132—机座中心距132 mm；

M—机座长度代号（S为短机座，M为中机座，L为长机座）；

4—定子磁极数（4极）。

表1-3是常用三相异步电动机产品名称代号及汉字意义

表中Y-L系列定子绕组为铝线（用的较少）

1. 电动机额定电压（U _N ）

电动机铭牌上的额定电压是指定子绕组外接工频（50 Hz）三相交流电源的线电压有效值。中小型三相异步电动机额定电压为AC380 V，100 kW以上大型三相异步电动机额定电压有AC3000 V和AC6000 V两种电压。Y系列三相异步电动机额定电压为AC380 V。

2. 电动机额定电流（I _N ）

电动机铭牌上的额定电流（I _N ）是指定子绕组外接工频（50 Hz）三相交流电源时，绕组的线电流有效值。

3. 电动机额定功率（P _N ）

电动机铭牌上的额定功率（P _N ）是指电动机工作在额定行状态下，其轴上输出功率。电动机的额定功率P _N 等于电动机效率η与电动机输入功率P _1N 之积。 yL/aOdxNp+GhGEk5yiR4i6ZW7DvRUrzlM7c7RU5eN0kNhPy4lVd604p5Xh+bQOJL