第5章 三相感应电动机,5.1 三相感应电动机的基本工作原理与结构 5.2 三相感应电动机的空载运行 5.3 三相感应电动机的负载运行 5.4 三相感应电动机的等效电路与相量图 5.5 三相感应电动机的功率和电磁转矩 5.6 三相感应电动机的工作特性 5.7 三相感应电动机的参数测定 思考题与习题,5.1 三相感应电动机的基本工作原理与结构,5.1.1 三相感应电动机的基本结构 三相感应电动机主要由定子和转子两大部分组成转子装在定子腔内，定子、转子之间有一缝隙，称为气隙图5.1.1所示为笼型感应电动机的结构图5.1.1 笼型感应电动机的结构,1． 定子 定子(stator)主要由定子铁心、 定子绕组和机座三部分组成 定子铁心是电机磁路的一部分，为减少铁心损耗，一般由0.5 mm厚的导磁性能较好的硅钢片叠成，安放在机座内定子铁心叠片冲有嵌放绕组的槽，故又称为冲片中、小型电机的定子铁心和转子铁心都采用整圆冲片，如图5.1.2所示大、 中型电机常将扇形冲片拼成一个圆为了冷却铁心，在大容量电机中，定子铁心分成很多段，每两段之间留有径向通风槽， 作为冷却空气的通道图5.1.2 感应电动机定子与定子铁心 (a) 定子机座； (b) 定子铁心冲片,定子绕组是电机的电路部分，它嵌放在定子铁心的内圆槽内。
定子绕组分单层和双层两种一般小型感应电动机采用单层绕组，大、中型感应电动机采用双层绕组 机座的作用是固定和支撑定子铁心及端盖，因此，机座应有较好的机械强度和刚度中、小型电动机一般用铸铁机座， 大型电动机的机座则用钢板焊接而成2． 转子 转子(rotor)主要由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成 整个转子靠端盖和轴承支撑转子的主要作用是产生感应电流，形成电磁转矩，以实现机电能量的转换 转子铁心是电机磁路的一部分，一般也用0.5 mm厚的硅钢片叠成转子铁心叠片冲有嵌放绕组的槽，如图5.1.3所示 转子铁心固定在转轴或转子支架上图5.1.3 转子铁心冲片,感应电动机的转子绕组分为笼形转子和绕线转子两种 1) 笼形转子 在转子铁心的每一个槽中插入一根裸导条，在铁心两端分别用两个短路环把导条连接成一个整体，形成一个自身闭合的多相短路绕组 如去掉转子铁心，整个绕组尤如一个“鼠笼子”，由此被称笼形转子，如图5.1.4 所示中、小型电动机的笼形转子一般都采用铸铝材料，如图5.1.4(b)所示大型电动机则采用铜导条， 如图5.1.4(a)所示图5.1.4 笼形转子 (a) 大型电动机； (b) 中、 小型电动机,2) 绕线转子 绕线转子绕组与定子绕组相似，它在绕线转子铁心的槽内嵌有绝缘导线组成的三相绕组，一般作星形连接，三个端头分别接在与转轴绝缘的三个滑环上，再经一套电刷引出来与外电路相连，如图5.1.5 所示。
图5.1.5 绕线转子 (a) 绕线转子； (b) 绕线转子回路接线示意图,绕线转子电动机在转子回路中可串电阻，若仅用于起动， 为减少电刷的摩擦损耗，绕线转子中还装有提刷装置转轴用强度和刚度较高的低碳钢制成 整个转子靠轴承和端盖支撑，端盖一般用铸铁或钢板制成，它是电机外壳机座的一部分中、小型电机一般采用带轴承的端盖3． 气隙 感应电动机的气隙是均匀的气隙大小对感应电动机的运行性能和参数影响较大励磁电流由电网供给，气隙越大， 励磁电流也就越大， 而励磁电流又属无功性质，它要影响电网的功率因数气隙过小，则将引起装配困难，并导致运行不稳定因此，感应电动机的气隙大小往往为机械条件所能允许达到的最小数值， 中、 小型电机一般为0.1～1 mm5.1.2 三相感应电动机的基本工作原理 1． 基本工作原理 在感应电动机的定子铁心里嵌放着对称的三相绕组U1U2、 V１V2、W1W2 转子是一个闭合的多相绕组笼型电机 图5.1.6所示为感应电动机的工作原理图，图中定子、转子上的小圆圈表示定子绕组和转子导体 由第4章所学知识可知，当感应电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相电流时，就会产生一个以同步转速n1旋转的圆形旋转磁场，同步转速n1为,（5.1.1）,图5.1.6 感应电动机的工作原理图,圆形旋转磁场的转向与三相绕组的排列以及三相电流的相序有关，图中U、V、W相以顺时针方向排列，当定子绕组中通入U、V、W相序的三相电流时，定子旋转磁场顺时针方向旋转。
转子是静止的，转子与旋转磁场之间有相对运动，转子导体因切割定子磁场而产生感应电动势因转子绕组自身闭合，故转子绕组内有电流流通， 转子电流与转子感应电动势近似同相位，其方向可由“右手定则”确定 转子绕组的有功分量电流在定子旋转磁场作用下，将产生电磁力f，其方向由“左手定则”确定电磁力对转轴形成一个电磁转矩，其作用方向与旋转磁场方向一致，拖着转子顺着旋转磁场的旋转方向旋转，将输入的电能变成旋转的机械能如果电动机轴上带有机械负载(如水泵、 切削机床等)，则机械负载随着电动机的旋转而旋转， 电动机对机械负载做了功由以上分析可知，三相感应电动机转动的基本工作原理是： 定子三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场；转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流；转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转矩， 驱使电动机转子转动 感应电动机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致， 而旋转磁场的方向又取决于感应电动机的三相电流相序，因此三相感应电动机的转向与电流的相序一致 要改变转向， 只需改变电流的相序即可，即任意对调电动机的两根电源线， 便可使电动机反转感应电动机的转速恒小于旋转磁场转速n1，因为只有这样， 转子绕组才能产生电磁转矩，使电动机旋转。
如果n=n1，转子绕组与定子磁场之间便无相对运动，则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生， 可见nn1是感应电动机工作的必要条件 因为感应电动机转子电流是通过电磁感应作用产生的，所以称为感应电动机又由于电动机转速n与旋转磁场n1不同步， 故又称为异步电动机2．转差率(slip) 同步转速n1与转子转速n之差(n1-n)再与同步转速n1的比值称为转差率，用字母s表示，即,（5.1.2）,转差率s是感应电机的一个基本物理量，它反映感应电机的各种运行情况对感应电动机而言，当转子尚未转动(如起动瞬间)时，n=0，此时转差率s=1当转子转速接近同步转速(空载运行)时，n=n1，此时转差率s=0，由此可见，作为感应电动机，转速在0～n1范围内变化，其转差率s在0～1范围内变化感应电动机负载越大，转速就越慢，其转差率就越大；反之，负载越小，转速就越快，其转差率就越小故转差率直接反映了转子转速的快慢或电动机负载的大小感应电动机的转速可由式(5.1.2)推算得,（5.1.3）,在正常运行范围内，转差率的数值很小，一般在0.01～0.06之间即感应电动机的转速很接近同步转速3．感应电机的三种运行状态 根据转差率的大小和正负，感应电机有三种运行状态：①电动机运行状态；②发电机运行状态；③电磁制动运行状态。
1)电动机运行状态 如上所述，当定子绕组接至电源，转子就会在电磁转矩的驱动下旋转，电磁转矩即为驱动转矩，其转向与旋转磁场方向相同，如图5.1.7(b)，此时电机从电网取得电功率转变成机械功率，由转轴传输给负载电动机的转速范围为，n1n0，其转差率范围为0s≤l 2)发电机运行状态 感应电机定子绕组仍接至电源，该电机的转轴不再接机械负载，而用一台原动机拖动感应电机的转子以大于同步速(nn1)并顺旋转磁场方向旋转，显然，此时电磁转矩方向与转子转向相反，起着制动作用，为制动转矩为克服电磁转矩的制动作用而使转子继续旋转，并保持nn1，电机必须不断从原动机输入机械功率，把机械功率转变为输出的电功率，因此成为发电机运行状态此时，nn1，则转差率s0图5.1.7 感应电动机的三种运行状态 (a) 电磁制动状态； (b) 电动机运行状态； (c) 发电机运行状态,3) 电磁制动状态 感应电机定子绕组仍接至电源，如果用外力拖着电机逆着旋转磁场的旋转方向转动，如图5.1.7(a)所示，则此时电磁转矩与电机旋转方向相反，起制动作用电机定子仍从电网吸收电功率，同时转子从外力吸收机械功率，这两部分功率都在电机内部以损耗的方式转化成热能消耗掉。
这种运行状态称为电磁制动运行状态，n为负值（即n1由此可知，区分这三种运行状态的依据是转差率s的大小： 当0s1时，为电动机运行状态；当－∞s0时，为发电机运行状态；当1s+∞时，为电磁制动状态 综上所述，感应电机可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行或进行电磁制动一般情况下，感应电机多作为电动机运行，感应发电机很少使用，而电磁制动则是感应电机在完成某一生产过程中出现的短时运行状态 例如， 起重机下放重物时，为了安全、平稳，需限制下放速度，此时应使感应电动机短时处于电磁制动状态4． 额定值与型号 1) 型号（type） 图5.1.8给出了某一感应电机的型号及相关说明图5.1.8 感应电机型号示例,2) 额定值(rated value) 额定值是电机制造厂对电机在额定工作条件下长期工作而不至于损坏所规定的一个量值，是电机铭牌上标出的数据 (1) 额定电压UN：指在额定运行状态下运行时规定加在电动机定子绕组上的线电压值，单位为V或kV (2) 额定电流IN：指在额定运行状态下运行时流入电动机定子绕组中的线电流值， 单位为A或kA3) 额定功率PN：指电动机在额定状态下运行时转子轴上输出的机械功率，单位为W或kW。
对于三相感应电动机，其额定功率为,(5.1.4),式中，ηN为电动机的额定效率； 为电动机的额定功率因数；UN单位为V；IN单位为A；PN为电动机的额定输出功率；单位为kW对380V的低压感应电动机，其和ηN的乘积大致在0.8左右，代人式(5.1.4)得,(5.1.5),式中，PN的单位为kW，IN的单位为A由此可估算其额定电流(一个千瓦约两个电流)4) 额定频率fN：指在额定状态下运行时电机定子侧电压的频率，单位为Hz我国电网fN=50 Hz (5) 额定转速nN：指额定运行时电动机的转速，单位为r／min3） 接线 在额定电压下运行时，电动机定子三相绕组有星形连接和三角形连接两种连接方式具体采用哪种连接方式取决于相绕组能承受的电压设计值例如， 一台相绕组能承受220V电压的三相感应电动机，铭牌上额定电压标有220／380 V、D／Y连接， 这时需采用什么连接方式视电源电压而定 若电源电压为220 V，则用三角形连接， 380 V则用星形连接这两种情况下，每相绕组实际上都只承受220 V电压 国产Y系列电动机接线端的首端用U1、V1、W1表示，末端用U2、V2、W2表示， 其星形、 三角形连接如图5.1.9所示。
,图5.1.9 三相感应电动机的接线 (a) 星形连接； (b) 三角形连接,4） 电机的防护等级 电动机外壳防护等级是用字母“IP”和其后面的两位数字表示的IP”为国际防护的缩写 IP后面第一位数字代表第一种防护形式(防尘)的等级， 共分0～6七个等级； 第二个数字代表第二种防护形式(防水)的等级， 共分0～8九个等级 数字越大，表示防护的能力越强 例如IP44标志电动机能防护大于1 mm固体物入内， 同时能防溅水入内5． 三相感应电动机主要产品系列简介 （1）Y系列：一般用途的小型笼形全封闭自冷式三相感应电动机，取代了原先的JO系列，其额定电压为380 V，额定频率为50 Hz，功率范围为0.55～315 kW，同步转速为600～3000 r／min，外壳防护型式有IP44和IP23两种该系列产品主要用于金属切削机床、通用机械、矿山机械和农业机械等设备， 也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械如压缩机、传送带、 磨床、 锤击机、 粉碎机、。