第8章 三相異步電動(dòng)機(jī)

第8章三相異步電動(dòng)機(jī)8.1電機(jī)概述8.2三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)8.3三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理8.4三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)8.5三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速習(xí)題88.1電機(jī)概述電機(jī)(Electricalmachine)作為一種機(jī)電能量變換的電磁裝置，其發(fā)展過程同國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程有著密切的聯(lián)系。8.1.1我國電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展新中國成立以來，我國的電機(jī)制造工業(yè)發(fā)生了巨大的變化。1950年，我國建立了獨(dú)立自主的完整體系，特別是在1965年研制成功世界上第一臺(tái)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)，顯示出我國電機(jī)工程技術(shù)人員對(duì)電機(jī)的新原理、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料、新品種、新運(yùn)行方式和調(diào)試等方面的探索和研究，取得了顯著成就。8.1.2電機(jī)的應(yīng)用電能作為一種能量形式其自身具有許多優(yōu)點(diǎn)，如生產(chǎn)和變換比較經(jīng)濟(jì)，傳輸和分配比較容易，使用與控制比較方便等等。目前，電能已成為國民經(jīng)濟(jì)各部門中動(dòng)力的主要來源，而電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用以及控制等都必須利用一種能夠進(jìn)行能量變換或訊號(hào)變換的電磁裝置——電機(jī)。因此，了解與掌握電機(jī)的應(yīng)用對(duì)我們學(xué)好電機(jī)這種電磁裝置具有很大的幫助。電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，介紹如下：1.在電力工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用在電力工業(yè)領(lǐng)域，電機(jī)是發(fā)電廠和變電所的主要設(shè)備。在發(fā)電廠中，發(fā)電機(jī)由汽輪機(jī)、水輪機(jī)或柴油機(jī)帶動(dòng)，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。為了經(jīng)濟(jì)地傳輸和分配電能，采用變壓器將電壓升高，把電能送到用電地區(qū)，然后再經(jīng)過變壓器降壓，向用戶提供電能。2.在工業(yè)企業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用在工業(yè)企業(yè)(如機(jī)械、冶金、石油、煤炭和化學(xué)工業(yè)等)領(lǐng)域，電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。3.在交通運(yùn)輸業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用在交通運(yùn)輸業(yè)領(lǐng)域，隨著城市交通運(yùn)輸和電氣鐵道的發(fā)展，需要大量具有優(yōu)良啟動(dòng)性能和調(diào)速性能的牽引電動(dòng)機(jī)；在航運(yùn)和航空事業(yè)中，需要很多具有特殊要求的船用電機(jī)和航空電機(jī)。4.在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，電機(jī)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也日趨廣泛，如電力排灌、脫粒、輾米、榨油、粉碎等農(nóng)業(yè)機(jī)械，都是用電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)的。5.在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用在高科技領(lǐng)域，隨著高科技的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度不斷提高，使得自動(dòng)化系統(tǒng)中的元件同樣離不開各種各樣的控制電機(jī)，甚至在人造衛(wèi)星的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電機(jī)也是必不可少的。8.1.3電機(jī)的主要類型電機(jī)的種類繁多，從不同的角度可分為不同的類型。1.按電機(jī)的功能來分如果按電機(jī)的功能進(jìn)行分類，則電機(jī)可分為如下幾類：(1)發(fā)電機(jī)：把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。(2)電動(dòng)機(jī)：把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。(3)變壓器、變流機(jī)、變頻機(jī)、移相器：分別用于改變電壓、電流、頻率及相位。

(4)控制電機(jī)：作為控制系統(tǒng)中的元件。2.按電機(jī)的電源性質(zhì)來分如果按電機(jī)的電源性質(zhì)來分，則電機(jī)可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。其中，直流電機(jī)又分為直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)，而交流電機(jī)則分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。1)直流電機(jī)直流電機(jī)是指通以直流電流而轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)或發(fā)出直流電流的發(fā)電機(jī)。2)交流電機(jī)交流電機(jī)可分成同步電機(jī)和異步電機(jī)兩大種類。國生產(chǎn)的異步電動(dòng)機(jī)種類眾多，從不同的角度可分為不同的類型。(1)按尺寸大小可分為大型、中型、小型和微型四種類型。①大型：電動(dòng)機(jī)的中心高H大于630mm或定子鐵心外徑D1大于1000mm。②中型：電動(dòng)機(jī)的中心高H為355～630mm或定子鐵心外徑D1為500～1000mm。

③小型：電動(dòng)機(jī)的中心高H為80～315mm或定子鐵心外徑D1為120～500mm。④微型：電動(dòng)機(jī)的中心高H為45～71mm。(2)按外殼的防護(hù)型式可分為開啟式、防護(hù)式和封閉式。(3)按轉(zhuǎn)子繞組型式可分為鼠籠式和繞線轉(zhuǎn)子式。(4)按安裝結(jié)構(gòu)型式可分為臥式和立式。(5)按有無換向器可分為有換向器式和無換向器式。3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及交—直流電機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移（或線位移）的控制電機(jī)，故也稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。8.2三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)8.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的主要部件在三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)中，定子和轉(zhuǎn)子是其主要的構(gòu)成部件；定子與轉(zhuǎn)子之間有一個(gè)很小的空氣隙，我們稱之為氣隙；此外，在三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)中還有端蓋、軸承、風(fēng)扇等零部件，圖8.1就是一臺(tái)繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)的剖面圖。下面介紹各主要部件的結(jié)構(gòu)及其作用。圖8.1繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)剖面圖1.三相異步電動(dòng)機(jī)的定子三相異步電動(dòng)機(jī)的定子是由機(jī)座、定子鐵心和定子繞組三個(gè)部分組成的。1)機(jī)座機(jī)座的作用是用來支撐定子鐵心和固定端蓋的。2)定子鐵心定子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的組成部分之一，整體結(jié)構(gòu)如圖8.2(a)所示。通常情況下，旋轉(zhuǎn)磁場對(duì)定子鐵心以同步速度旋轉(zhuǎn)，所以對(duì)鐵心內(nèi)某一點(diǎn)來說，磁通是交變的。為了減小鐵心損耗，定子鐵心采用0.5mm厚的被沖成槽形的硅鋼片疊壓而成，這些硅鋼片被稱為定子沖片。對(duì)于小容量電動(dòng)機(jī)，由于片間的渦流電壓較小，因此利用硅鋼片本身的氧化層電阻即可減小渦流損耗；對(duì)于容量較大的電動(dòng)機(jī)，片間渦流電壓較大，必須在硅鋼片兩面涂以絕緣漆，以減小渦流損耗。硅鋼片一般寬度為1m，當(dāng)鐵心沖片外徑小于1m時(shí)，沖片可沖成整圓形，如圖8.2（b）所示；當(dāng)沖片外徑大于1m時(shí)，可沖成扇形，如圖8.2(c）所示。定子鐵心疊成后，其內(nèi)圓形成一個(gè)槽形，可以安放定子繞組，定子槽形有半閉口槽、半開口槽和開口槽三種，如圖8.3所示。半閉口槽適用于低壓圓銅線繞成的散嵌繞組，其優(yōu)點(diǎn)是槽口較小，齒部對(duì)主磁通的磁阻小，可以減小勵(lì)磁電流；半開口槽適用于中型電動(dòng)機(jī)，其槽口稍大于槽寬的一半，便于嵌入扁線繞成的分成雙排的成型線圈；開口槽適用于大、中容量的高壓異步電動(dòng)機(jī)，槽口等于槽寬，便于高壓成型線圈的嵌線。圖8.2定子鐵心沖片圖8.3定子鐵心槽型及槽內(nèi)繞組定置(a)定子鐵心；(b)圓形沖片；(c)扇形沖片(a)半閉口槽；(b)半開口槽；(c)開口槽3)定子繞組三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組有散嵌軟繞組和成型硬繞組兩種。散嵌軟繞組多用于小容量電動(dòng)機(jī)，它是由高強(qiáng)度漆包圓銅線(或鋁線)繞制而成的，繞線時(shí)將一相線圈一次繞成，嵌線時(shí)將三相線圈按一定的規(guī)律依次嵌入定子槽中，即形成三相定子繞組。中、大容量電動(dòng)機(jī)由于電流大、電壓高、導(dǎo)線截面大、絕緣要求高，因此采用扁線繞制的成型線圈更為合適。散嵌軟繞組可分為單層、雙層及單雙層混合繞組三種。2.三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可分成兩大類，一類是繞線轉(zhuǎn)子，如圖8.4(a)所示；另一類是鋁鑄鼠籠式轉(zhuǎn)子，如圖8.4(b)所示。繞線轉(zhuǎn)子除鐵心、繞組及轉(zhuǎn)軸外，還有滑環(huán)等部件；鼠籠式轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)子繞組等組成。圖8.4異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(a)繞線轉(zhuǎn)子；(b)鋁鑄鼠籠式轉(zhuǎn)子1)轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，一般用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。硅鋼片上沖有槽孔，用來安放轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵心固定在轉(zhuǎn)軸上，或固定在轉(zhuǎn)子支架上，轉(zhuǎn)子支架再套裝固定在轉(zhuǎn)軸上。2)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸是支撐轉(zhuǎn)子鐵心和輸出轉(zhuǎn)矩的零件。轉(zhuǎn)軸必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證電動(dòng)機(jī)在負(fù)載情況下氣隙均勻及轉(zhuǎn)軸本身不致斷裂。轉(zhuǎn)軸一般用中碳鋼棒料車削加工而成，軸伸端銑有鍵槽，用來固定皮帶輪或聯(lián)軸器。3)轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組和繞線轉(zhuǎn)子繞組兩種。(1)鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組。按照轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)形式，鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組可分為單籠和雙籠兩種類型；按照制造繞組使用的材料又可分為銅料焊接轉(zhuǎn)子繞組和鋁料鑄造轉(zhuǎn)子繞組兩種。圖8.5（a）和(b)分別為銅條焊接鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組及鋁料鑄造鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8.5鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)示意圖(a)銅條焊接鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組；(b)鋁料鑄造鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組(2)繞線轉(zhuǎn)子繞組。與定子繞組一樣，繞線轉(zhuǎn)子繞組也是一個(gè)用絕緣導(dǎo)線繞成的三相對(duì)稱繞組。繞線轉(zhuǎn)子繞組不僅其極數(shù)與該臺(tái)電動(dòng)機(jī)定子繞組一樣，也是一個(gè)用絕緣導(dǎo)線繞成的三相對(duì)稱繞組，而且其極數(shù)必須與該臺(tái)電動(dòng)機(jī)的定子繞組的極數(shù)相同。圖8.6繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)示意圖（a）接線圖;（b）提刷裝置3.三相異步電動(dòng)機(jī)的氣隙從磁路來考慮，定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心之間的氣隙是很重要的一部分。氣隙大，則磁阻大，勵(lì)磁電流也大，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)降低。從這一角度來考慮，氣隙應(yīng)取較小的數(shù)值。8.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)在每臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座上都有一塊銘牌，上面標(biāo)注著這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)及額定值。1.異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)步電動(dòng)機(jī)型號(hào)的表示方法，一般采用大寫印刷體的漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成，其中漢語拼音字母是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的全名稱選擇有代表意義的漢字，再用該漢字的第一個(gè)拼音字母組成產(chǎn)品的型號(hào)，如Ｙ系列三相異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為Y112S-6和YB160M-4WF，其含義如下：２．異步電動(dòng)機(jī)的額定值在三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌上還標(biāo)注有電動(dòng)機(jī)的額定值，它是我們選用、安裝和維修電動(dòng)機(jī)時(shí)的依據(jù)。也就是這個(gè)額定值，規(guī)定了這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)和條件。電動(dòng)機(jī)額定值包括：(1)額定功率PN:指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，軸上輸出的機(jī)械功率(kW)。(2)額定電壓UN：指額定運(yùn)行時(shí)，加在定子繞組上的線電壓(V)。(3)額定電流IN:指電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定頻率下，輸出額定功率時(shí)，定子繞組中的線電流(A)。

(4)連接：指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下，定子三相繞組應(yīng)采用的連接方法，一般有三角形(△)和星形(Ｙ)兩種連接。有些老式電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)有220V／380V兩種額定電壓，連接標(biāo)明為△／Ｙ。這種標(biāo)法表示在三相線電壓為220V時(shí),為三角形（△）連接；線電壓為380V時(shí)，為星形（Ｙ）連接。(5)額定頻率fN：表示電動(dòng)機(jī)所接的交流電源的頻率，我國電力網(wǎng)的頻率規(guī)定為50Hz。(6)額定轉(zhuǎn)速nN：指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率和額定輸出功率的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(r／min)。(7)絕緣等級(jí)：指電動(dòng)機(jī)繞組所用的絕緣材料的絕緣等級(jí)，它決定了電動(dòng)機(jī)繞組的允許溫升。電動(dòng)機(jī)的允許溫升與絕緣等級(jí)的關(guān)系見表8-1。表8-1電動(dòng)機(jī)允許溫升與絕緣耐熱等級(jí)的關(guān)系(8)定額：按電動(dòng)機(jī)在定額運(yùn)行時(shí)的持續(xù)時(shí)間，定額分為“連續(xù)”、“短時(shí)”、“斷續(xù)”三種。①“連續(xù)”表示電動(dòng)機(jī)可以按銘牌規(guī)定的各項(xiàng)額定值不受時(shí)間的限制連續(xù)運(yùn)行；②“短時(shí)”表示只能按照銘牌規(guī)定的工作時(shí)間短時(shí)間使用，標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間限值為10min、30min、60min或90min四種；③“斷續(xù)”表示該電動(dòng)機(jī)可長期運(yùn)行于一系列完全相同的周期，此周期包括一個(gè)額定負(fù)載時(shí)間和一個(gè)停止時(shí)間，額定負(fù)載時(shí)間與整個(gè)周期之比稱為負(fù)載持續(xù)率(或稱為暫載率)，標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載持續(xù)率為15％、25％、40％或60％，每個(gè)周期為10min。8.3三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理8.3.1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生從三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)中我們可以得知，三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組是一個(gè)對(duì)稱的三相繞組，如果將定子繞組接到三相交流電源上，則發(fā)電廠輸出的三相對(duì)稱交流電壓在定子繞組中就會(huì)產(chǎn)生對(duì)稱的三相交流電流，該電流在定子繞組中產(chǎn)生的磁場就是一種旋轉(zhuǎn)磁場。三相異步電動(dòng)機(jī)的三相對(duì)稱繞組是指每相繞組的匝數(shù)、連接規(guī)律等相同且在空間布置上各相軸線互隔120°空間電角度的繞組。為了簡化分析，可以用軸線互隔120°電角度的三個(gè)線圈來代表，線圈的首端分別為U1、V1、W1，尾端分別為U2、V2、W2，并且規(guī)定，繞組軸線的正方向符合右手螺旋定則，即四指從每相的首端進(jìn)，尾端出(不論電流方向如何)，大拇指所指的方向代表繞組軸線(也稱相軸)的正方向，如圖8.7所示。圖8.7兩極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖1圖8.7兩極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖2圖8.7兩極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖3圖8.7兩極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖4三相電流在時(shí)間上互差120°，其波形變化如圖8.8所示。解析式分別為

iU=Imsin(ωt+90°)

iV=

Imsin(ωt-30°)

iW=

Imsin(ωt-150°)圖8.8三相電流的變化曲線對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，當(dāng)將三相定子繞組安排成兩極時(shí),每當(dāng)ωt

變化120°,磁場就在空間轉(zhuǎn)過120°；當(dāng)ωt

變化360°，磁場就轉(zhuǎn)回到起始位置。也就是說，在兩極電動(dòng)機(jī)中，電流時(shí)間上變化一個(gè)周期，磁場在空間也正好旋轉(zhuǎn)一周(即360°)；電流每秒鐘變化f

周，磁場在空間也旋轉(zhuǎn)f

周。我國交流電的頻率f

為每秒變化50周，故兩極異步電動(dòng)機(jī)的定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1為

n1=f=50r/s

或n1=60f=3000r/min如果將三相定子繞組安排成四極，如圖8.9所示。取ωt=0°、ωt=120°、ωt=240°、ωt=360°這幾個(gè)時(shí)刻，電流變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)磁場也發(fā)生變化。當(dāng)ωt經(jīng)過120°時(shí)，磁場只在空間按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過60°，電流變化一個(gè)周期(即ωt

經(jīng)過360°)，磁場只在空間旋轉(zhuǎn)了半周，即四極電極旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為或圖8.9四極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖(a)ωt=0°;(b)ωt=120°;(c)ωt=240°;(d)ωt=360°圖8.9四極旋轉(zhuǎn)磁場的示意圖(a)ωt=0°;(b)ωt=120°;(c)ωt=240°;(d)ωt=360°用上述的作圖方法，同樣可以求得它們的轉(zhuǎn)速。六極時(shí)，n1=60f/3=1500r/min；八極時(shí)，n1=60f/4=750r/min；當(dāng)電動(dòng)機(jī)為2p個(gè)磁極時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為

(8-1)式中，p為磁極對(duì)數(shù)。8.3.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理弄清了如何產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場的道理之后，我們就來說明三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理。當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)接到三相電源上時(shí)，定子繞組就能夠產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場相對(duì)切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n的差稱為轉(zhuǎn)差或轉(zhuǎn)差速度，用Δn表示，即Δn＝n1-n。轉(zhuǎn)差與n1之比稱為轉(zhuǎn)差率(slip)，我們用s表示，則(8-2)綜上所述，三相異步電動(dòng)機(jī)能旋轉(zhuǎn)的前提是空間有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁通勢或旋轉(zhuǎn)磁場，而旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生是由定子三相對(duì)稱繞組通以三相對(duì)稱電流而建立的。通過作圖可知，旋轉(zhuǎn)磁場有四個(gè)特點(diǎn)：(1)其幅值恒定不變，其頂點(diǎn)軌跡為一圓，故有圓形磁場之稱。(2)旋轉(zhuǎn)方向與電流相序一致。(3)某相電流達(dá)最大值時(shí)，磁場正好轉(zhuǎn)到該相繞組軸線處。(4)同步轉(zhuǎn)速n1與電流頻率成正比，即n1＝60f／p。例8.1一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，定子繞組接到50Hz的三相對(duì)稱電源上，已知電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速

n＝960r／min，求該電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s各為多少?8.4三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)8.4.1三相異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)直接啟動(dòng)就是用刀閘開關(guān)或接觸器把電動(dòng)機(jī)的定子繞組直接接到額定電壓的電網(wǎng)上。這種啟動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，缺點(diǎn)是啟動(dòng)電流太大。為了利用直接啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)的鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)都是按直接啟動(dòng)時(shí)的電磁力和發(fā)熱來考慮它的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的，因此，從鼠籠式電動(dòng)機(jī)本身來說都是允許直接啟動(dòng)的。這樣，對(duì)直接啟動(dòng)方法應(yīng)用的限制便主要來自電網(wǎng)的容量。一般來說，7.5kW以下的三相異步電動(dòng)機(jī)可以允許直接啟動(dòng)；如果功率大于7.5kW，則看其是否能符合以下經(jīng)驗(yàn)公式，即電源總量kVA電動(dòng)機(jī)功率kVA)（8-3）其中，Ist為直接啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流。

例8.2

一臺(tái)22kW的三相異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)電流與額定電流之比Ist／IN=7，電源變壓器容量為560kVA，問電動(dòng)機(jī)是否允許直接啟動(dòng)。

解

按照式（8-3）計(jì)算，得8.4.2三相異步電動(dòng)機(jī)的降壓啟動(dòng)如果由于電源容量的限制，而不能采用直接啟動(dòng)時(shí)，就需要采用降壓啟動(dòng)來減小啟動(dòng)電流。不過，由于TM∝U21，降壓啟動(dòng)的同時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小，因此降壓啟動(dòng)只適用于對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高的場合。通常降壓啟動(dòng)有以下幾種方法：·電阻降壓或電抗降壓啟動(dòng)；·自耦變壓器降壓啟動(dòng)；·星—三角（Y-△）連接降壓啟動(dòng)。1.電阻降壓或電抗降壓啟動(dòng)在定子電路中串接電阻，如圖8.10(a)所示，或在定子電路中串接電抗，如圖8.10(b)所示。圖8.10電阻、電抗降壓啟動(dòng)圖8.11自耦補(bǔ)償器2．自耦變壓器降壓啟動(dòng)自耦變壓器降壓啟動(dòng)的原理如圖8.11所示，圖中QJ為自耦變壓器。常用的啟動(dòng)自耦變壓器又稱為啟動(dòng)補(bǔ)償器。設(shè)自耦變壓器的電壓變化比為kA＝U1／U2，經(jīng)自耦變壓器降壓后，加在電動(dòng)機(jī)端的相電壓為U1／kA。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流Ist2便與電壓成比例地減小，為全壓啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流Ist的1／kA，即由于電動(dòng)機(jī)接在自耦變壓器的二次側(cè)，因此從變壓器原理可知，二次電流與一次電流之比為kA，即故電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸取的電流為3．星—三角(Y-△)連接降壓啟動(dòng)

星—三角(Y-△)連接降壓啟動(dòng)方法只適用于定子繞組在正常工作時(shí)是三角形連接的三相異步電動(dòng)機(jī)。這種啟動(dòng)的原理線路如圖8.12所示。圖8.12Y-△連接啟動(dòng)的原理線路設(shè)電動(dòng)機(jī)每相短路阻抗為zK，用三角形（△）連接直接啟動(dòng)時(shí)，每相繞組中的啟動(dòng)電流為U1／zK，線電流為（8-4）（8-5）比較式（8-4）和式（8-5）可得（8-6）表8-2列出了各種降壓啟動(dòng)方法的特征及優(yōu)缺點(diǎn)。從表上的綜合對(duì)比可以看出，不論采用哪種降壓啟動(dòng)的方法，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩都按電壓的平方減小。表8-2各種降壓啟動(dòng)方法的特征8.5三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，是一個(gè)極其復(fù)雜而又很重要的課題，它涉及到很多理論方面的知識(shí)，要想用幾個(gè)課時(shí)來掌握它，是不太現(xiàn)實(shí)的。在此，我們僅對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速作一簡單介紹,讓大家對(duì)三相電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有一個(gè)大致的了解。所謂調(diào)速，就是人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)機(jī)械的需要。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為(8-7)從式(8-7)不難看出，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法可以分成三類：(1)通過改變定子繞組的磁極對(duì)數(shù)p從而改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，即所謂的變極調(diào)速；(2)通過改變電源頻率f1以改變n1，即所謂的變頻調(diào)速；(3)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，即所謂的改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。8.5.1變極調(diào)速變極調(diào)速就是利用定子單繞組中的半相電流方向改變而極對(duì)數(shù)成倍變化的原理來實(shí)現(xiàn)的。變極調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，運(yùn)行可靠，既可獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，又可獲得恒功率調(diào)速，所以這種調(diào)速能適應(yīng)不同的生產(chǎn)機(jī)械的需要。變極調(diào)速的缺點(diǎn)是調(diào)速的擋數(shù)少，在機(jī)床上應(yīng)用必須與齒輪箱配合，才能得到更多擋的速度。從轉(zhuǎn)速的表達(dá)式(8-7)中我們可以得出，當(dāng)極數(shù)p增加1倍時(shí)，轉(zhuǎn)速n就能降低一半，即變極可以調(diào)速。因?yàn)楫?dāng)改變定子繞組的極對(duì)數(shù)時(shí)，其轉(zhuǎn)子繞組的極對(duì)數(shù)能自動(dòng)地與定子極對(duì)數(shù)相對(duì)應(yīng)。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)正好符合這一特點(diǎn)，而繞線轉(zhuǎn)子則必須拆開電動(dòng)機(jī)將轉(zhuǎn)子繞組改接才行，這在生產(chǎn)現(xiàn)場上是不宜采用的。所以變極調(diào)速方法一般應(yīng)用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。圖8.13定子繞組改接以改變定子極對(duì)數(shù)(a)2p=4;(b)2p=2;(c)2p=2當(dāng)一相繞組中的一半反接時(shí)，反接的線圈中電流的方向改變，繞組磁場就從四極變成兩極，如圖8.13所示。這種由一套繞組通過改變連接方法而得到兩種或兩種以上轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)稱為單繞組多速電動(dòng)機(jī)。變極調(diào)速有星形改成雙星形（Y-YY）連接的恒轉(zhuǎn)矩變極調(diào)速和三角形改成雙星形（△-YY）連接的恒功率變極調(diào)速兩種調(diào)速方式。圖8.14(a)為三相繞組由星形改接成雙星形（Y-YY）方法的示意圖；圖8.14(b)為三相繞組由三角形改接成雙星形（△-YY）方法的示意圖。現(xiàn)在我們就看看它們在變極調(diào)速前后輸出轉(zhuǎn)矩及功率的變化關(guān)系是怎樣的。圖8.14常用的兩種三相繞組的改接方法1.星形改成雙星形（Y-YY）連接的變極調(diào)速當(dāng)繞組連接成星形（Y）時(shí)是四極，而連接成雙星形（YY）時(shí)是兩極，如圖8.14(a)所示。設(shè)電源線電壓U1不變，通過每個(gè)線圈中的電流IN不變(即保持導(dǎo)體的電流密度不變)，則電動(dòng)機(jī)的輸出功率P2變化為星形（Y）連接時(shí)(8-8)其中，η為效率；cosφ為功率因數(shù)。雙星形（YY）連接時(shí)(8-9)假定變極前后的η和cosφ保持不變，比較式(8-8)和式(8-9)得即由星形（Y）連接四極變成雙星形（YY）連接兩極后，功率增大了1倍；但由于轉(zhuǎn)速也增大1倍，由可得出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本上保持不變，所以這種調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這種調(diào)速方法較適于帶動(dòng)起重機(jī)、運(yùn)輸帶等恒轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。式中，T2為電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Ω為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，P2為輸出電動(dòng)機(jī)軸上輸出的功率。2．三角形改成雙星形（△-YY）連接的變極調(diào)速當(dāng)繞組連接成三角形（△）時(shí)是四極，改接成雙星形（YY）時(shí)是兩極，如圖8.14(b)所示。變極前后的輸出功率分別為三角形（△）連接時(shí)

P2(△)=3U1INη(△)cosφ(△)(8-10)

雙星形（YY）連接時(shí)

(8-11)同樣假定變極前后的效率和功率因數(shù)保持不變，比較式(8-10)和式(8-11)，得8.5.2變頻調(diào)速所謂變頻調(diào)速，就是改變供電電源的頻率以使旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速跟著發(fā)生改變，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化。變頻調(diào)速有兩種調(diào)速方式，即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速。變頻調(diào)速方法的機(jī)械特性可以用圖8.15來描述。圖8.15變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性1.恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速變頻調(diào)速時(shí)是以電源頻率fN=50Hz為基本頻率的。在基本頻率50Hz以下變頻調(diào)速時(shí)，由于U1≈E1＝4.44f1N1kN1Φ1，因此如果降低頻率而保持電壓不變，則隨f1的下降將會(huì)使磁通Φ1增大，電動(dòng)機(jī)磁路就會(huì)越來越飽和，勵(lì)磁電流也會(huì)大大增加，電動(dòng)機(jī)將無法正常運(yùn)行，故在降低頻率的同時(shí)，必須降低電源電壓，保持=常數(shù)2.恒功率調(diào)速從基本頻率50Hz往上變頻調(diào)速時(shí)，如果也按比例升高電壓，則電壓會(huì)超過電動(dòng)機(jī)的額定電壓，這是不允許的，因此只好保持電壓不變，頻率越往上調(diào)，磁通Φ1就越小，是一種弱磁調(diào)速的方法，屬于恒功率的調(diào)速方法。8.5.3改