哈工大电工专题报告-浅述三相异步电动机及其应用

浅述三相异步电动机及其应用

摘要：近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的的应用。特别是在乡镇企业及家用电器中，更需要有大量的中、小功率电动机。由于这种电动机的发展及广泛的应用，它的使用、保养和维护工作也越来越重要。电机是现代工农业生产和交通运输的重要设备，与电机配套的控制设备的性能已经成为用户关注的焦点。电机的控制包括电机的起动、调速和制动。异步电动机由于具有结构简单、体积小、价格低廉、运行可靠、维修方便、运行效率较高、工作特性较好等优点，因而在电力拖动平台上得到了广泛应用。本文主要从三相异步电动机的结构、原理、起动与制动以及应用发展等方面进行了大致的阐述。

关键词：三相异步电动机；原理；应用

一、三相异步电动机结构与工作原理

1、基本结构

相异步电动机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙。定子由铁心、绕组与机座三部分组成。转子由铁心与绕组组成，转子绕组有鼠笼式和线绕式。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而组成；线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。鼠笼式与线绕式两种电动机虽然结构不一样，但工作原理是一样的。

图1三相电动机的结构示意图

2、三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。

图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3)。

00sin(120)sin(120)U m V m W m i I t i I t ωω?=-??=+?

图 2 三相异步电动机定子接线 当ωt=00时，0A i =，AX 绕组中无电流；B i 为负，BY 绕组中的电流从Y 流入B1流出；C i 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3（a ）所示。 当ωt=1200时，0B i =，BY 绕组中无电流；A i 为正，AX 绕组中的电流从A 流入X 流出；C i 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3（b ）所示。 当ωt=2400时，

0C i =，CZ 绕组中无电流；A i 为负，AX 绕组中的电流从X 流入A 流出；B i 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3（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。

图3 旋转磁场的形成

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。

二、三相异步电动机的起动与制动

1、三相异步电动机的起动

三相异步电动机接通电源，使电机的转子从静止状态到转子以一定速度稳定运行的过程称为电动机的起动过程。起动方法有直接起动和降压起动两种。

（1）直接起动 直接起动又称为全压起动，起动时，将电机的额定电压通过刀开关或接触器直接接到电动机的定子绕组上进行起动。直接起动最简单，不需附加的起动设备，起动时间短。只要电网容量允许，应尽量采用直接起动。但这种起动方法起动电流大，一般只允许小功率的三相异步电动机进行直接起动；对大功率的三相异步电动机，应采取降压起动，以限制起动电流。

（2）降压起动 通过起动设备将电机的额定电压降低后加到电动机的定子绕组上，以限制电机的

(a) ωt = 0° (b) ωt = 120° (c) ωt = 240°

起动电流，待电机的转速上升到稳定值时，再使定子绕组承受全压，从而使电机在额定电压下稳定运行，这种起动方法称为降压起动。

起动转矩与电源电压的平方成正比，所以当定子端电压下降时，起动转矩大大减小。这说明降压起动适用于起动转矩要求不高的场合，如果电机必须采用降压起动，则应轻载或空载起动。常用的降压起动方法有下面三种。

(1) Y-△降压起动这种起动方法适用于电动机正常运行时接法为三角形的三相异步电动机。电机起动时，定子绕组接成星形，起动完毕后，电动机切换为三角形。

图4 Y-△降压起动控制线路

图4是一个Y-△降压起动控制线路，起动时，电源开关QS闭合，控制电路先使得KM2闭合，电机星形起动，定子绕组由于采用了星形结构，其每相绕阻上承受的电压比正常接法时下降了。当电机转速上升到稳定值时，控制电路再控制KM1闭合，于是定子绕组换成三角形接法，电机开始稳定运行。定子绕组每相阻抗为|Z|，电源电压为U1，则采用△连接直接起动时的线电流为

采用Y连接降压起动时，每相绕组的线电流为

则（1）

由式（1）可以看出，采用Y-△降压起动时，起动电流比直接起动时下降了1/3。电磁转矩与电源电压的平方成正比，由于电源电压下降了，所以起动转矩也减小了1/3。

以上分析表明，这种起动方法确实使电动机的起动电流减小了，但起动转矩也下降了，因此，这种起动方法是以牺牲起动转矩来减小起动电流的，只适用于允许轻载或空载起动的场合。

(2)自耦变压器降压起动这种起动方法是指起动时，定子绕组接三相自耦变压器的低压输出端，起动完毕后，切掉自耦变压器并将定子绕组直接接上三相交流电源，使电动机在额定电压下稳定运行。

2、三相异步电动机的制动

三相异步电动机脱离电源之后，由于惯性，电动机要经过一定的时间后才会慢慢停下来, 但有些生产机械要求能迅速而准确地停车，那么就要求对电动机进行制动控制。电动机的制动方法可以分为两大类：机械制动和电气制动。机械制动一般利用电磁抱闸的方法来实现；电气制动一般有能

耗制动、反接制动和回馈发电制动三种方法。

（1）能耗制动正常运行时，将QS闭合，电动机接三相交流电源起动运行。制动时，将QS断开，切断交流电源的连接，并将直流电源引入电机的V、W两相，在电机内部形成固定的磁场。电动机由于惯性仍然顺时针旋转，则转子绕阻作切割磁力线的运动，依据右手螺旋法则，转子绕组中将产生感应电流。又根据左手定则可以判断，电动机的转子将受到一个与其运动方向相反的电磁力的作用，由于该力矩与运动方向相反，称为制动力矩，该力矩使得电动机很快停转。制动过程中，电动机的动能全部转化成电能消耗在转子回路中，会引起电机发热，所以一般需要在制动回路串联一个大电阻，以减小制动电流。这种制动方法的特点是制动平稳，冲击小，耗能小，但需要直流电源，且制动时间较长，一般多用于起重提升设备及机床等生产机械中。

（2）反接制动反接制动是指制动时，改变定子绕组任意两相的相序，使得电动机的旋转磁场换向，反向磁场与原来惯性旋转的转子之间相互作用，产生一个与转子转向相反的电磁转矩，迫使电动机的转速迅速下降，当转速接近零时，切断电机的电源，如图1-6所示。显然反接制动比能耗制动所用的时间要短。

(a) 接线图；(b) 原理图

图5反接制动示意图

正常运行时，接通KM1，电动机加顺序电源U—V—W起动运行。需要制动时，接通KM2，从图可以看出，电动机的定子绕组接逆序电源V—U—W，该电源产生一个反向的旋转磁场，由于惯性，电动机仍然顺时针旋转，这时转子感应电流的方向按右手螺旋法则可以判断，再根据左手定则判断转子的受力F。显然，转子会受到一个与其运动方向相反，而与新旋转磁场方向相同的制动力矩，使得电机的转速迅速降低。当转速接近零时，应切断反接电源，否则，电动机会反方向起动。反接制动的优点是制动时间短，操作简单，但反接制动时，由于形成了反向磁场，所以使得转子的相对转速远大于同步转速，转差率大大增大，转子绕组中的感应电流很大，能耗也较大。为限制电流，一般在制动回路中串入大电阻。另外，反接制动时，制动转矩较大，会对生产机械造成一定的机械冲击，影响加工精度，通常用于一些频繁正反转且功率小于10 kW的小型生产机械中。

（3）回馈发电制动回馈发电制动是指电动机转向不变的情况下，由于某种原因，使得电动机的转速大于同步转速，比如在起重机械下放重物、电动机车下坡时，都会出现这种情况，这时重物拖动转子，转速大于同步转速，转子相对于旋转磁场改变运动方向，转子感应电动势及转子电流也反向，于是转子受到制动力矩，使得重物匀速下降。此过程中电动机将势能转换为电能回馈给电网，所以称为回馈发电制动。

三、三相异步电动机的应用及发展现状

电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。它是随着生产力的发展而发展的，反过来，电动机

的发展也促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点，已成为电动机学科的一个独立分支。

电动机的功能是将电能转换成机械能，它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械。

在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单﹑调节性能好﹑耗损小﹑经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。

按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。

纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。

虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点，但是由于它具有电刷与换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也受到了限制（如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用），其电压等级，额定转速，单机容量的发展也受到了限制。所以，在20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速，各种类型的变频调速，无换向器电动机调速等，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽，稳态精度高，动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。除此之外，由于交流电力拖动具有调速性能优良，维修费用低等优点，将广泛应用于各个工业电气自动化领域中，并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流。

经历了100多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力。

未来电动机将会沿着单位功率体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。一批"巨无霸’电机、一批"光怪陆奇"电机将同时展现在世人眼前。

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