5.2

三相異步電動機的

工作原理《第五章三相異步電動機》學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場如何產(chǎn)生2.理解如何改變旋轉(zhuǎn)磁場的大小和方向3.理解三相異步電動機的功率轉(zhuǎn)換過程4.熟悉三相異步電動機銘牌的具體含義三相異步電動機的工作原理三相異步電動機原理模型該模型中有一個可手動旋轉(zhuǎn)的U形磁鐵，轉(zhuǎn)動手柄時，在U形磁鐵的內(nèi)部空間中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。模型中還有一個閉合導(dǎo)體回路，該導(dǎo)體回路的旋轉(zhuǎn)軸與U形磁鐵轉(zhuǎn)軸同心。當(dāng)手動旋轉(zhuǎn)磁鐵時，中間的導(dǎo)體跟著同方向旋轉(zhuǎn)。三相異步電動機的工作原理這是因為轉(zhuǎn)動的磁場與導(dǎo)體的兩條邊產(chǎn)生了相對運動，即導(dǎo)體切割磁力線，也可描述為導(dǎo)體回路中的磁通量發(fā)生了變化。當(dāng)導(dǎo)體所在平面與磁場平行時，磁通量為0垂直時，磁通量最大根據(jù)電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于導(dǎo)體是閉合回路，繼而形成感應(yīng)電流。三相異步電動機的工作原理導(dǎo)體上的感應(yīng)電流也處于U形磁鐵產(chǎn)生的磁場之中，由于磁場的作用，在導(dǎo)體上會產(chǎn)生電磁力，從而生成與磁場旋轉(zhuǎn)方向一致的電磁轉(zhuǎn)矩，使導(dǎo)體加速旋轉(zhuǎn)起來。隨著導(dǎo)體轉(zhuǎn)速的升高，導(dǎo)體與磁場間的相對速度則會減小，這導(dǎo)致其感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流減小，因此電磁轉(zhuǎn)矩減小，當(dāng)最終電磁轉(zhuǎn)矩與摩擦阻轉(zhuǎn)矩相平衡時，導(dǎo)體便勻速轉(zhuǎn)動。三相異步電動機的工作原理旋轉(zhuǎn)磁場是三相異步電動機能夠轉(zhuǎn)動的重要條件真正三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場依靠定子繞組中的交流電流產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于模型中的多個閉合導(dǎo)體回路的組合。5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生定子繞組位置排布假設(shè)三相異步電動機定子鐵芯有6個槽，嵌放了3個線圈，即對應(yīng)U、V、W三相繞組。每相繞組所在的2個槽在空間上相距180°，兩相繞組在空間上相隔120°，稱之為三相對稱繞組。5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生定子繞組接線將6個端頭連接成星形接法后再接入三相交流電源5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生定子繞組中的三相交流電流三相繞組中的電流iU、iV、iW滿足有效值相等、相位相差120°的特性5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（a）

定子電流所產(chǎn)生的磁場零時刻時，iU為零，iV為負(fù)，iW為正，可畫出定子鐵芯6個槽中的電流實際方向?！驯硎倦娏髁魅毹挶硎倦娏髁鞒鲈偻ㄟ^右手螺旋定則，可得到定子電流產(chǎn)生的合成磁場的方向，該磁場相當(dāng)于N極在上，S極在下的兩極磁場。5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（b）（c）（d）

定子電流所產(chǎn)生的磁場同理，繼續(xù)分析電流在T/4、T/2、3T/4時產(chǎn)生的磁場方向5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生由此可見，當(dāng)三相對稱繞組通入三相對稱電流后可產(chǎn)生順時針旋轉(zhuǎn)的磁場。電流經(jīng)過一個周期，磁場旋轉(zhuǎn)一圈，若電源頻率為f，則磁場轉(zhuǎn)速為60f/min。5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速某三相異步電機定子鐵芯具有12個槽，共6個線圈，每兩個線圈串聯(lián)成一個繞組。例如U1U2、U?1U?2為U相繞組的兩個線圈。定子繞組位置排布5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速將三相繞組連接成星形接法，通入三相對稱電流。定子繞組接線5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速在零時刻時，得到一個4極磁場，分析電流為T/4、T/2、3T/4時的磁場位置，可得出磁場轉(zhuǎn)速為兩極電機的一半。以此類推，若旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)為p，則電流經(jīng)過一個周期，磁場旋轉(zhuǎn)1/p圈。5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速故旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為

式中n1為旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，又稱同步轉(zhuǎn)速（r/min）f1為交流電源頻率（Hz）p為旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù)5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)磁場的方向本質(zhì)上是由繞組中電流的相位順序決定，即從超前的電流轉(zhuǎn)向滯后的電流。由于電流iU超前iV，iV超前iW，磁場的旋轉(zhuǎn)方向為（a）順時針旋轉(zhuǎn)方向U相繞組V相繞組W相繞組5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的方向若要改變磁場的旋轉(zhuǎn)方向，可通過變化三相繞組中電流的相序來實現(xiàn)，也就是將定子繞組接入三相電源的3根導(dǎo)線中的任意兩根對調(diào)位置。（b）逆時針旋轉(zhuǎn)方向5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的方向圖（b）中將電源L3接至W1，L2接至V1，由于電源本身的相序未做改動，當(dāng)前W相繞組實際流過的是圖（a）中的iV，

V相繞組實際流過的是iW，iV依舊超前iW。當(dāng)前磁場的旋轉(zhuǎn)方向變?yōu)槟鏁r針方向。U相繞組W相繞組V相繞組5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生轉(zhuǎn)差率在三相異步電動機中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1方向相一致，但不相等。三相異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終保持低于同步轉(zhuǎn)速，即n＜n1，這就是“異步”電動機名稱的含義。

5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度即同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)速差△n?！鱪與n1之比稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示。轉(zhuǎn)差率的值通常很小，一般在1%~5%之間。5.2.2三相異步電動機銘牌三相異步電動機的銘牌上詳細(xì)標(biāo)注了其型號、額定值以及在額定運行條件下的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。電動機在銘牌規(guī)定的額定值和工作條件下運行時，稱作額定運行。某三相異步電動機的銘牌5.2.2三相異步電動機銘牌以Y112M-6型三相異步電動機為例，電動機型號的具體含義電動機型號的具體含義三相異步電動機型號5.2.2三相異步電動機銘牌三相異步電動機額定值額定功率PN指電動機在額定運行狀態(tài)時傳遞給負(fù)載的輸出功率，單位為kW額定電壓UN指電動機在額定運行狀態(tài)時，供電電源應(yīng)提供給定子繞組的線電壓，單位為V。5.2.2三相異步電動機銘牌三相異步電動機額定值額定電流IN指電動機在額定運行狀態(tài)時，定子繞組中的線電流，單位為A額定頻率fN指在額定工況下，電動機所接電源的頻率，單位為Hz5.2.2三相異步電動機銘牌三相異步電動機額定值額定轉(zhuǎn)速nN指在額定工況下，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min額定效率ηN指在額定工況下，電動機的效率5.2.2三相異步電動機銘牌三相異步電動機額定值額定功率因數(shù)cos

φN指在額定工況下，電動機的功率因數(shù)絕緣等級指電動機內(nèi)絕緣材料的最高耐熱溫度5.2.2三相異步電動機銘牌三相異步電動機額定值電機絕緣等級A級E級B級F級H級最高允許溫度(℃)105120130155180繞組溫升限值(K)607580100125性能參考溫度(℃)80951001201455.2.2三相異步電動機銘牌三相異步電動機額定值防護(hù)等級第一個數(shù)字代表的是固體防護(hù)等級，它表示能夠防止多大尺寸的固體物體侵入，IP44可以防止直徑大于1.0mm的固體物體侵入；第二個數(shù)字代表的是液體防護(hù)等級，它表示能夠防止多大的水壓侵入，IP44可以防止任何方向的濺水對其造成有害影響。5.2.2三相異步電動機銘牌【例1】Y112M-2型50Hz三相異步電動機，額定轉(zhuǎn)速為2880r/min，求其額定轉(zhuǎn)差率，及轉(zhuǎn)差率為0.05時的轉(zhuǎn)速。

5.2.3三相異步電動機的功率三相異步電動機由定子繞組輸入電功率，再轉(zhuǎn)換成電磁功率，然后經(jīng)由氣隙傳遞給轉(zhuǎn)子，最終在轉(zhuǎn)軸上輸出機械功率，在這個功率傳遞的過程中也會出現(xiàn)各種損耗。輸入功率為式中U1為定子繞組線電壓I1為定子繞組線電流cosφ1為定子繞組功率因數(shù)5.2.3三相異步電動機的功率輸入功率扣除定子上的損耗后，即為通過氣隙傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率Pem式中ΔPFe為電動機總鐵耗。三相異步電機的定子鐵耗遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子鐵耗，因此可以認(rèn)為電動機總鐵耗只有定子鐵耗。ΔPCus為定子銅耗，由于定子繞組電流發(fā)熱而產(chǎn)生。ΔPCur=sPemPm=Pem-ΔPCur5.2.3三相異步電動機的功率電磁功率減去轉(zhuǎn)子繞組上的銅損耗ΔPCur，就是傳遞給電動機軸上的機械功率Pm在電動機的等效電路分析中有5.2.3三相異步電動機的功率因此機械功率Pm可寫成Pm=(1-s)Pem式中表明，電動機轉(zhuǎn)速越低，則轉(zhuǎn)差率s越大，銅耗也就越大，電機效率就會下降，并且溫升就會越高，因此通常不會使電動機工作在轉(zhuǎn)差率較高的狀態(tài)。5.2.3三相異步電動機的功率機械損耗ΔPm在三相異步電動機運行時，由于軸承以及風(fēng)阻等摩擦阻轉(zhuǎn)矩的存在，也要產(chǎn)生一部分損耗功率，稱之為機械損耗ΔPm附加損耗ΔPadd除以上各部分損耗外，由于定子、轉(zhuǎn)子磁動勢中含有諧波成分，還要產(chǎn)生一部分附加損耗ΔPadd在大容量電動機中約為0.5%倍的額定功率