电动机的结构及其电路018

第5章

5.1 三相异步电动机

三相异步电动机及其控制线路

实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。

在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。

对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：（1）基本构造；（2）工作原理；（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动的基本原理和基本方法；（5）应用场合和如何正确使用。

5.1.1 三相异步电动机的结构与工作原理

1．三相异步电动机的构造

三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。

图 5-1 三相电动机的结构示意图

1）．定子

三相异步电动机的定子由三部分组成：

2）．转子

三相异步电动机的转子由三部分组成：

鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用

得最广泛的一种电动机。

为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。

2．三相异步电动机的转动原理

1）．基本原理 为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。

图 5-2 三相异步电动机工作原理

(1)．演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。

(2)．现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。

转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。

(3)．结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。 2）．旋转磁场 （1）．产生

图5-3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5-4) 。

⎧i U =I m sin ωt ⎪0i =I sin(ωt -120) ⎨V m ⎪0i =I sin(ωt +120) m ⎩W

B

图 5-3 三相异步电动机定子接线

当ωt=00时，i A =0，AX 绕组中无电流；i B 为负，BY 绕组中的电流从Y 流入B 1流

出；i C 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5-4（a ）所示。

当ωt=1200时，i B =0，BY 绕组中无电流；i A 为正，AX 绕组中的电流从A 流入X 流出；i C 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5-4（b ）所示。

当ωt=2400时，i C =0，CZ 绕组中无电流；i A 为负，AX 绕组中的电流从X 流入A

流出；i B 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5-4（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。

X

X

X

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

图 5-4 旋转磁场的形成

（2）．旋转磁场的方向

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。

3）．三相异步电动机的极数与转速 （1）．极数（磁极对数p ）

三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。

当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；

当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；

同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p ）空间角。极数p 与绕组的始端之间的空间角θ的关系为：

θ=120

p

（2）．转速n

三相异步电动机旋转磁场的转速n 0与电动机磁极对数p 有关，它们的关系是：

n 0=

60f 1

p

（5-1）

由（5-1）可知，旋转磁场的转速n 0决定于电流频率f 1和磁场的极数p 。对某一异步电动机而言，f 1和p 通常是一定的，所以磁场转速n 0是个常数。

在我国，工频f 1=50Hz，因此对应于不同极对数p 的旋转磁场转速n 0，见表5-1

表5-1

（3）．转差率s

电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n 不可能达到与旋转磁场的转速n 0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。

旋转磁场的转速n 0常称为同步转速。

转差率s ——用来表示转子转速n 与磁场转速n 0相差的程度的物理量。即：

s =

n 0-n n 0

=

∆n n 0

(5-2)

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。

当旋转磁场以同步转速n 0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n =0，这时转差率S =1。转子转动起来之后，n >0，（n 0-n ）差值减小，电动机的转差率S

根据式(4-2),可以得到电动机的转速常用公式

n =(1-s )n 0

(5-3)

例 有一台三相异步电动机，其额定转速 n =975r/min，电源频率f =50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率S 。

解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。显然，与975r/min最相近的同步转速n 0=1000r/min，与此相应的磁极对数p =3。因此，额定负载时的转差率为：

s =

n 0-n n 0

⨯100%=

1000-9751000

⨯100%=2.5%

（4）．三相异步电动机的定子电路与转子电路

三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。

总结：

1、三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。 2、欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组，并且旋转的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义；

3、三相电源流过在空间互差一定角度按一定规律排列的三相绕组时，便会产生旋转磁场；

4、旋转磁场的方向是由三相绕组中电源相序决定的；

5、三相异步电动机旋转磁场的转速n 0与电动机磁极对数p 有关，它们的关系是：

n 0=

60f 1

p

6、转差率s ——用来表示转子转速n 与磁场转速n 0相差的程度的物理量。即：

s =

n 0-n n 0

=

∆n n 0

转差率是异步电动机的一个重要的物理量，异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。

7、三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。

5.1.2 三相异步电机的转矩特性与机械特性

1．电磁转矩（简称转矩）

异步电动机的转矩T 是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I 2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I 及旋转磁场的强弱有关。

经理论证明，它们的关系是：

T =K T ΦI 2cos ϕ2

（5-4）

其中

T 为电磁转矩 K T 为与电机结构有关的常数

Φ为旋转磁场每个极的磁通量 I 2为转子绕组电流的有效值 ϕ2为转子电流滞后于转子电势的相位角

若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为：

'T =K T

sR 2U 1

2

2

2

R 2+(sX 20)

（5-5）

其中

'K T

为常数

U 1为定子绕组的相电压 R 2为转子每相绕组的电阻

S 为转差率

X 20为转子静止时每相绕组的感抗

由上式可知，转矩T 还与定子每相电压U 1的平方成比例，所以当电源电压有所变动

时，对转矩的影响很大。此外，转矩T 还受转子电阻R 2的影响。图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。

2．机械特性曲线

m

n n N

O

(a) T =f (s ) 曲线 图 5-5 三相异步电动机的机械特性曲线

在一定的电源电压U 1和转子电阻R 2下，电动机的转矩T 与转差率n 之间的关系曲

线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。

在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩： 1）．额定转矩T N

额定转矩T N 是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。

T N =9550

P 2

n （5-6）

式中P 2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n 的单位是转/分，T N 的单位是牛·米。

当忽略电动机本身机械摩擦转矩T 0时，阻转矩近似为负载转矩T L ，电动机作等速旋转时，电磁转矩T 必与阻转矩T L 相等，即T = T L 。额定负载时，则有T N = T L 。

2）．最大转矩T m

T m 又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。

最大转矩的转差率为S m ，此时的S m 叫做临界转差率，见图5-5（a ）

最大转矩Tm 与额定转矩T N 之比称为电动机的过载系数λ，即

λ= Tm / TN

一般三相异步的过载系数在1.8~2.2之间。

在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。

3）．起动转矩T st ，

T st 为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s ＝１时的转矩。

为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：T st >T N ，一般的三相异步电动机有T st /TN =1~2.2。

3．电动机的负载能力自适应分析

电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T 的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。

T L ↑⇒n ↓⇒S ↑⇒I 2↑⇒T ↑

直至新的平衡。此过程中，I 2↑时， I 1↑⇒

电源提供的功率自动增加。

总结：

1、电磁转矩T 的大小与转子绕组中的电流I 及旋转磁场的强弱有关。

T =K T ΦI 2cos ϕ2

转矩T 还与定子每相电压U 1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T 还受转子电阻R 2的影响。

2、在一定的电源电压U 1和转子电阻R 2下，电动机的转矩T 与转差率n 之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线。其特性见图5-5 3、三个转矩：

1）．额定转矩T N

额定转矩T N 是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。

T N =9550

P 2n

2）．最大转矩T m

T m 又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过

载能力。

3）．起动转矩T st ，

T st 为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s ＝１时的转矩。

4、电动机的负载能力自适应分析

电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T 的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。

5.2．三相异步电动机的使用

电动机或其他电气设备电路的接通或断开，目前普遍采用继电器、接触器、按钮及开关等控制电器来组成控制系统。这种控制系统一般称为继电——接触器控制系统。 任何复杂的控制电路，都是由一些基本的单元电路组成的。因此，在本节中我们主要讨论继电——接触器控制的一些基本电路。

要弄清一个控制电路的原理，必须了解其中各个电器元件的结构，动作原理以及它们的控制作用。电器的种类繁多，可分为手动的和自动的两类。手动电器是由工作人员手动操纵的，例如刀开关、点火开关等。而自动电器则是按照指令、信号或某个物理量的变化而自动动作的，例如各种继电器、接触器、电磁阀等。因此本节首先对这些常用控制电器作简单介绍。

5.2.1． 常用低压电器介绍

1．手动电器 1）．刀开关

刀开关又叫闸刀开关，一般用于不频繁操作的低压电

路中，用作接通和切断电源，有时也用来控制小容量电动机的直接起动与停机。 刀开关由闸刀（动触点）、静插座（静触点）、手柄和

绝缘底板等组成。

刀开关的种类很多。按极数（刀片数）分为单极、双

QS

极和三极；按结构分为平板式和条架式；按操作方式分为直接手柄操作式、杠杆操作机构式和电动操作机

构式；按转换方向分为单投和双投等。 图5-6 刀开关的电路符号 刀开关一般与熔断器串联使用，以便在短路或过负荷时熔断器熔断而自动切断电路。 刀开关的额定电压通常为250V 和500V ，额定电流在1500A 以下。

考虑到电机较大的起动电流，刀闸的额定电流值应如下选择：3~5倍异步电机额定

电流 2）．按钮

按钮常用于接通、断开控制电路，它的结构和电路符号见图5-7。

按钮上的触点分为常开触点和常闭触点，由于按钮的结构特点，按钮只起发出“接通”和“断开”信号的作用。

图 5-7 按钮的结构和符号

电路符号

2．自动电器 1）．熔断器

熔断器主要作短路或过载保护用，串联在被保护的线路中。线路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当线路短路或过载时熔断器熔断，起到保护线路上其他电器设备的作用。 熔断器的结构有管式、磁插式、螺旋式、等几种。其核心部分熔体（熔丝或熔片）是用电阻率较高的易熔合金制成，如铅锡合金；或者是用截面积较小的导体制成。 熔体额定电流I F 的选择：

1．无冲击电流的场合（如电灯、电炉）I F I L ； 图5-8 熔断器的电路符号 2．一台电动机的熔体：熔体额定电流≥电动机的起动电流÷2.5；

如果电动机起动频繁，则为：熔体额定电流≥电动机的起动电流÷(1.6~2)； 3．几台电动机合用的总熔体：熔体额定电流=(1.5~2.5)×容量最大的电动机的额定电流+其余电动机的额定电流之和。 2）．交流接触器

接触器是一种自动开关，是电力拖动中主要的控制电器之一，它分为直流和交流两类。其中，交流接触器常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路。图5-9是交流接触器的主要结构图。接触器主要由电磁铁和触头两部分组成。它是利用电磁铁的吸引力而动作的。当电磁线圈通电后，吸引山字形动铁心 (上铁心) ，而使常开触头闭合。

图5-9 接触器工作原理图

根据用途不同，接触器的触头分主触头和辅助触头两种。辅助触头通过的电流较小，

常接在电动机的控制电路中；主触头能通过较大电流，常接在电动机的主电路中。如

CJl0-20型交流接触器有三个常开主触头和四个辅助触头 (两个常开，两个常闭) 。 当主触头断开时，其间产生电弧，会烧坏触头，并使电路分断时间拉长，因此，必须采取灭弧措施。通常交流接触器的触头都做成桥式结构，它有两个断点，以降低触头断开时加在断点上的电压，使电弧容易熄灭，同时各相间装有绝缘隔板，可防止短路。在电流较大的接触器中还专门设有灭弧装置。 接触器的电路符号见图5-10，

接触器线圈

主触头－－用于主电路

辅助触头－－用于控制电路

图 5-10 接触器电路符号

在选用接触器时，应注意它的额定电流、线圈电压及触头数量等。CJl0系列接触器的主触头额定电流有5、10、20、40、75、120A 等数种。 3）．中间继电器

中间继电器的结构与接触器基本相同，只是体积较小，触点较多，通常用来传递信号和同时控制多个电路，也可以用来控制小容量的电动机或其他执行元件。

常用的中间继电器有JZ7系列，触点的额定电流为5A ，选用时应考虑线圈的电压。 4）．热继电器

热继电器是用来保护电动机，使之免受长期过载危害的继电器。

热继电器是利用电流的热效应而动作的，它的工作原理如图5-11所示。图中热元件是一段电阻不大的电阻丝，接在电动机的主电路中的双金属片，由两种具有不同线膨胀系数的金属采用热和压力辗压而成，亦可采用冷结合，其中，下层金属的膨胀系数大，上层的小。当主电路中电流超过容许值，双金属片受热向上弯曲致使脱扣，扣板在弹簧的拉力下将常闭触头断开。触头是接在电动机的控制电路中的，控制电路断开使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。

由于热惯性，热继电器不能作短路保护，因为发生短路事故时，我们要求电路立即断开，而热继电器是不能立即动作的。但是这个热惯性又是合乎我们要求的，比如在电

动机起动或短时过载时，由于热惯性热继电器不会动作，这可避免电动机的不必要的停车。如果要热继电器复位，则按下复位按钮即可。

图5-11 热继电器工作原理图

常用的热继电器有JR0、JRl0及JRl6等系列。热继电器的主要技术数据是整定电流。所谓整定电流，就是热元件通过的电流超过此值的20%时，热继电器应当在20min 内动作。JR0一40型的整定电流从0.6A 一40A 有9种规格。选用热继电器时，应使其整定电流与电动机的额定电流基本上一致。 5）．行程开关

行程开关结构与按钮类似，但其动作要由机械撞击。用作电路的限位保护、行程控制、自动切换等。

ST 电路符号

ST

电路符号

图 5-12 行程开关结构示意图和电路符号

5.2.2三相异步电动机技术数据及选择

1．三相异步电动机技术数据

每台电动机的机座上都装有一块铭牌。铭牌上标注有该电动机的主要性能和技术数据。

1）．型号

为不同用途和不同工作环境的需要，电机制造厂把电动机制成各种系列，每个系列的不同电动机用不同的型号表示。如

Y

三相异步电动机

315 机座中心高

mm

S

机座长度代号 S ：短铁心 M ：中铁心 L ：长铁心

6 磁极数

2）．接法

接法指电动机三相定子绕组的联接方式。

一般鼠笼式电动机的接线盒中有六根引出线，标有U 1、V 1、W 1、U 2、V 2、W 2，其中：

U 1、V 1、 W 1是每一相绕组的始端 U 2、V 2、 W 2是每一相绕组的末端

三相异步电动机的联接方法有两种：星形（Y ）联接和三角形（∆）联接。通常三相异步电动机功率在4kW 以下者接成星形；在4kW （不含）以上者，接成三角形。 3）．电压

铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%。

必须注意：在低于额定电压下运行时，最大转矩T max 和启动转矩T st 会显著地降低，这对电动机的运行是不利的。

三相异步电动机的额定电压有380V 、3000V 及6000V 等多种。 4）．电流

铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的最大线电流允许值。 当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之间相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流都随着相应增大。 5）．功率与效率

铭牌上所标的功率值是指电动机在规定的环境温度下，在额定运行时电极轴上输出的机械功率值。输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗等。

所谓效率η就是输出功率与输入功率的比值。一般鼠笼式电动机在额定运行时的效率约为72%—93%。

6）．功率因数

因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个ϕ角，cos ϕ就是电动机的功率因数。 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7~0.9，而在轻载和空载时更低，空载时只有0.2~0.3。

选择电动机时应注意其容量，防止“大马拉小车”，并力求缩短空载时间。 7）．转速

电动机额定运行时的转子转速，单位为转/分。

不同的磁极数对应有不同的转速等级。最常用的是四个级的（n 0=1500r/min）。

8）．绝缘等级

绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。 所谓极限温度是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度。

绝缘等级

A E

B

环境温度40℃时的容许温升

65℃

80℃ 90℃

极限允许温度

105℃

120℃ 130℃

2．三相异步电动机的选择

正确选择电动机的功率、种类、型式是极为重要的。

1）．功率的选择

电动机的功率根据负载的情况选择合适的功率，选大了虽然能保证正常运行，但是不经济，电动机的效率和功率因数都不高；选小了就不能保证电动机和生产机械的正常运行，不能充分发挥生产机械的效能，并使电动机由于过载而过早地损坏。 （1）连续运行电动机功率的选择

对连续运行的电动机，先算出生产机械的功率，所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械的功率即可。 （2）短时运行电动机功率的选择

如果没有合适的专为短时运行设计的电动机，可选用连续运行的电动机。由于发热惯性，在短时运行时可以容许过载。工作时间愈短，则过载可以愈大。但电动机的过载是受到限制的。通常是根据过载系数λ来选择短时运行电动机的功率。电动机的额定功率可以是生产机械所要求的功率的1/λ。 2）．种类和型式的选择

（1）．种类的选择

选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等方面来考虑的。

① 交、直流电动机的选择

如没有特殊要求，一般都应采用交流电动机。 ② 鼠笼式与绕线式的选择

三相鼠笼式异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便，但调速困难，功率因数较低，起动性能较差。因此在要求机械特性较硬而无特殊调速要求的一般生产机械的拖动应尽可能采用鼠笼式电动机。

因此只有在不方便采用鼠笼式异步电动机时才采用绕线式电动机。 （2）．结构型式的选择

电动机常制成以下几种结构型式： ① 开启式

在构造上无特殊防护装置，用于干燥无灰尘的场所。通风非常良好。 ② 防护式

在机壳或端盖下面有通风罩，以防止铁屑等杂物掉入。也有将外壳做成挡板状，以防止在一定角度内有雨水滴溅入其中。

③ 封闭式

它的外壳严密封闭，靠自身风扇或外部风扇冷却，并在外壳带有散热片。在灰尘多、潮湿或含有酸性气体的场所，可采用它。

④ 防爆式

整个电机严密封闭，用于有爆炸性气体的场所。 （3）．安装结构型式的选择

① 机座带底脚，端盖无凸缘（B 3） ② 机座不带底脚，端盖有凸缘（B 5） ③ 机座带底脚，端盖有凸缘（B 35） （4）．电压和转速的选择 ① 电压的选择

电动机电压等级的选择，要根据电动机类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。Y 系列鼠笼式电动机的额定电压只有380V 一个等级。只有大功率异步电动机才采用3000V 和6000V 。

② 转速的选择

电动机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的。但通常转速不低于500r/min。因为当功率一定时，电动机的转速愈低，则其尺寸愈大，价格愈贵，且效率也较低。因此就不如购买一台高速电动机再另配减速器来得合算。

异步电动机通常采用4个极的，即同步转速n 0=1500r/min。

例 有一Y225M-4型三相鼠笼式异步电动机，额定数据如下：试求（1）额 定电流；（2）额定转差率S N ；（3）额定转矩T N 、最大转矩T max 、起动转矩T st 。

3

I N =

=

=84.2A

（2）已知电动机是四极的，即p =2, n 0=1500r /m in. 所以

s N =

n 0-n n 0

=

1500-1480

1500

=0.013

（3）

T N =9550T st =

T st T N

P N n N

=9550⨯

451480

=290.4(N ⋅m )

T N =1.9⨯290.4=551.8(N ⋅m )

T m ax =λT N =2.2⨯290.4=638.9(N ⋅m )

总结：

1、控制电器是指在电路中起通断、保护、控制或调节作用的器件。继电器—接触器控制系统通常使用500V 以下的低压控制电器。

2、电动机的铭牌数据用来标明电动机的额定值和主要技术规范，在使用中应遵守铭牌的规定。

3、选择电动机时，应根据负载和使用环境的实际情况进行选择，选择时应注意电动机的功率应尽可能与负载相匹配，既不宜“大”，更不宜“小马拉大车”。

5.2.3．异步电动机的启动与调速分析

1．起动特性分析

（1）起动电流I st

在刚起动时，由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速，磁力线切割转子导体的速度很快，这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流均很大，同时，定子电流必然也很大。一般中小型鼠笼式电动机定子的起动电流可达额定电流的5~7倍。 注意： 在实际操作时应尽可能不让电动机频繁起动。如在切削加工时，一般只是用摩擦离合器或电磁离合器将主轴与电机轴脱开，而不将电动机停下来。

（2）起动转矩T st

电动机起动时，转子电流I 2虽然很大，但转子的功率因数cos ϕ2很低，由公式

T =C M ΦI 2cos ϕ2可知，电动机的起动转矩T 较小，通常T st T N =1.1 2.0。

起动转矩小可造成以下问题：（1）会延长起动时间。（2）不能在满载下起动。因此应设法提高。但起动转矩如果过大，会使传动机构受到冲击而损坏，所以一般机床的主电动机都是空载起动（起动后再切削），对起动转矩没有什么要求。 综上所述，异步电机的主要缺点是起电流大而起转矩小。因此，我们必须采取适当的起动方法，以减小起动电流并保证有足够的起转矩。 2．鼠笼式异步电动机的起动方法

1）．直接起动

直接起动又称为全压起动，就是利用闸刀开关或接触器将电动机的定子绕组直接加到额定电压下起动。

这种方法只用于小容量的电动机或电动机容量远小于供电变压器容量的场合。 2）．降压起动

在起动时降低加在定子绕组上的电压，以减小起动电流，待转速上升到接近额定转速时，再恢复到全压运行。

此方法适于大中型鼠笼式异步电动机的轻载或空载起动。 ① 星形--三角形（Y --∆）换接起动

起动时，将三相定子绕组接成星形，待转速上升到接近额定转速时，再换成三角形。

这样，在起动时就把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的

此方法只能用于正常工作时定子绕组为三角形联接的电动机。

这种换接起动可采用星三角起动器来实现。星三角起动器体积小、成本低、寿命长、动作可靠。

② 自耦降压起动

自耦降压起动是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低。如图8-9所示，起动时，先把开关Q 2扳到“起动”位置，当转速接近额定值时，将Q 2扳向“工作”位置，切除自耦变压器。

采用自耦降压起动，也同时能使起动电流和起动转矩减小。

正常运行作星形联接或容量较大的鼠笼式异步电动机，常用自耦降压起动。

3．三相异步电动机的调速

调速就是在同一负载下能得到不同的转速，以满足生产过程的要求。 调速的方法

S =

n 0-n n 0

60f p

∴

n =(1-S ) n 0=(1-S )

可见，可通过三个途径进行调速：改变电源频率f ，改变磁极对数p ，改变转差率S 。前两者是鼠笼式电动机的调速方法，后者是绕线式电动机的调速方法。

（1） 变频调速

此方法可获得平滑且范围较大的调速效果，且具有硬的机械特性；但须有专门的变频装置——由可控硅整流器和可控硅逆变器组成，设备复杂，成本较高，应用范围不广。

（2） 变极调速

此方法不能实现无极调速，但它简单方便，常用于金属切割机床或其他生产机械上。 （3） 转子电路串电阻调速

在绕线式异步电动机的转子电路中，串入一个三相调速变阻器进行调速。

此方法能平滑地调节绕线式电动机的转速，且设备简单、投资少；但变阻器增加了损耗，故常用于短时调速或调速范围不太大的场合。

以上可知，异步电动机的各种调速方法都不太理想，所以异步电动机常用于要求转速比较稳定或调速性能要求不高的场合。 4．三相异步电动机的制动

制动是给电动机一个与转动方向相反的转矩，促使它在断开电源后很快地减速或停转。

对电动机制动，也就是要求它的转矩与转子的转动方向相反，这时的转矩称为制动转矩。

常见的电气制动方法有： （1）反接制动

当电动机快速转动而需停转时，改变电源相序，使转子受一个与原转动方向相反的转矩而迅速停转。

注意，当转子转速接近零时，应及时切断电源，以免电机反转。

为了限制电流，对功率较大的电动机进行制动时必须在定子电路（鼠笼式）或转子电路（绕线式）中接入电阻。

这种方法比较简单，制动力强，效果较好，但制动过程中的冲击也强烈，易损坏传动器件，且能量消耗较大，频繁反接制动会使电机过热。对有些中型车床和铣床的主轴的制动采用这种方法。

（2）能耗制动

电动机脱离三相电源的同时，给定子绕组接入一直流电源，使直流电流通入定子绕组。于是在电动机中便产生一方向恒定的磁场，使转子受一与转子转动方向相反的F 力的作用，于是产生制动转矩，实现制动。

直流电流的大小一般为电动机额定电流的0.5—1倍。

由于这种方法是用消耗转子的动能（转换为电能）来进行制动的，所以称为能耗制动。

这种制动能量消耗小，制动准确而平稳，无冲击，但需要直流电流。在有些机床中采用这种制动方法。

（3）发电反馈制动

当转子的转速n 超过旋转磁场的转速n 0时，这时的转矩也是制动的。

如：当起重机快速下放重物时，重物拖动转子，使其转速n >n 0，重物受到制动而等速下降。

5.2.4．三相异步电动机的控制

1．直接启动控制电路

直接启动即启动时把电动机直接接入电网，加上额定电压，一般来说，电动机的容量不大于直接供电变压器容量的20％∽30％时，都可以直接启动。

1）．点动控制

合上开关S ，三相电源被引入控制

电路，但电动机还不能起动。按下按钮SB ，接触器KM 线圈通电，衔铁吸合，常开主触点接通，电动机定子接入三相

电源起动运转。松开按钮SB ， 图5-13 点动控制 接触器KM 线圈断电，衔铁松开，常开主触点断开，电动机因断电而停转。

2). 直接起动控制

（1）起动过程。按下起动按钮SB 1，接触器KM 线圈通电，与SB 1并联的KM 的辅助常开触点闭合，以保证松开按钮SB l 后KM 线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM 的主触点持续闭合，电动机连续运转，从而实现连续运转控制。

（2）停止过程。按下停止按钮SB 2，接触器KM 线圈断电，与SB 1并联的KM 的辅助常开触点断开，以保证松开按钮SB 2后KM 线圈持续失电，串联在电动机回路中的KM 的主触点持续断开，电动机停转。

与SB 1并联的KM 的辅助常开触点的这种作用称为自锁。

图示控制电路还可实现短路保护、过载保护和零压

保护。 图5-14直接起动控制 起短路保护的是串接在主电路中的熔断器FU 。一旦电路发生短路故障，熔体立即

熔断，电动机立即停转。 起过载保护的是热继电器FR 。当过载时，热继电器的发热元件发热，将其常闭触点

断开，使接触器KM 线圈断电，串联在电动机回路中的KM 的主触点断开，电动机停转。同时KM 辅助触点也断开，解除自锁。故障排除后若要重新起动，需按下FR 的复位按钮，使FR 的常闭触点复位（闭合）即可。 起零压（或欠压）保护的是接触器KM 本身。当电源暂时断电或电压严重下降时，

接触器KM 线圈的电磁吸力不足，衔铁自行释放，使主、辅触点自行复位，切断电源，电动机停转，同时解除自锁。 2．正反转控制 1）．简单的正反转控制

（1）正向起动过程。按下起动按钮SB 1，接触器KM 1线圈通电，与SB 1并联的KM 1的辅助常开触点闭合，以保证KM 1线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM 1的主触点持续闭合，电动机连续正向运转。

（2）停止过程。按下停止按钮SB 3，接触器KM 1线圈断电，与SB 1并联的KM 1

的辅助触点断开，以保证KM 1线圈持续失

电，串联在电动机回路中的KM 1的主触点 图5-15简单的正反转控制 持续断开，切断电动机定子电源，电动机停转。

（3）反向起动过程。按下起动按钮SB 2，接触器KM 2线圈通电，与SB 2并联的KM 2的辅助常开触点闭合，以保证线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM 2的主触点持续闭合，电动机连续反向运转。

缺点： KM 1和KM 2线圈不能同时通电，因此不能同时按下SB 1和SB 2，也不能在电动机正转时按下反转起动按钮，或在电动机反转时按下正转起动按钮。如果操作错误，将引起主回路电源短路。

2）．带电气互锁的正反转控制电路将接触器KM 1的辅助常闭触点串入KM 2的线圈回路中，从而保证在KM 1线圈通电时KM 2线圈回路总是断开的；将接触器KM 2的辅助常闭触点串入

KM 1的线圈回路中，从而保证在KM 2线圈通电时

KM 1线圈回路总是断开的。这样接触器的辅助常闭触点KM 1和KM 2保证了两个接触器线圈不能同时通电，这种控制方式称为互锁或者联锁，这两个辅助常开触点称为互锁或者联锁触点。

图5-16 带电气互锁的正反转控制 缺点：电路在具体操作时，若电动机处于正转状态要反转时必须先按停止按钮SB 3，使互锁触点KM 1闭合后按下反转起动按钮SB 2才能使电动机反转；若电动机处于反转状态要正转时必须先按停止按钮SB 3，使互锁触点KM 2闭合后按下正转起动按钮SB 1才能使电动机正转。

5.2.4．三相异步电动机的控制

上一节课我们讲了电动机的点动与长动控制，这一节课我们在此基础上进一步讲述电动机的继电器——接触器控制系统。 2．正反转控制

3）．同时具有电气互锁和机械互锁的正反转控制电路

采用复式按钮，将SB 1按钮的常闭触点串接在KM 2的线圈电路中；将SB 2的常闭触点串接在KM 1的线圈电路中；这样，无论何时，只要按下反转起动按钮，在KM 2线圈通电之前就首先使KM 1断电，从而保证KM 1和KM 2不同时通电；从反转到正转的情况也是一样。这种由机

械按钮实现的互锁也叫机械或按钮互锁。

图5-17具有电气互锁和机械互锁的正反转控制

3．Y —△降压起动控制

按下起动按钮SB 1，时间继电器KT 和接触器KM 2同时通电吸合，KM 2

把定子绕组连接成星形，其常开

辅助触点闭合，接通接触器KM 1KM 1的常开主触点闭合，将定子接入电源，电动机在星形连接下

起动。KM 1的一对常开辅助触点闭合，进行自锁。经一定延时，

KT 的常闭触点断开，KM 2断电复位，接触器KM 3通电吸合。KM 3的常开主触点将定子绕组

接成三角形，使电动机在额定 图5-18 Y —△降压起动控制

电压下正常运行。与按钮SB 1串联的KM 3的常闭辅助触点的作用是：当电动机正常运行时，该常闭触点断开，切断了KT 、KM 2的通路，即使误按SB 1，KT 和KM 2也不会通电，以免影响电路正常运行。若要停车，则按下停止按钮SB 3，接触器KM 1、KM 2同时断电释放，电动机脱离电源停止转动。 4．行程控制

1）．限位控制（图5-19）

当生产机械的运动部件到达预定的位置时压下行程开关的触杆，将常闭触点断开，接触器线圈断电，使电动机断电而停止运行。

图5-19 限位控制 图5-20行程往返控制 2）．行程往返控制（图5-20）

按下正向起动按钮SB 1，电动机正向起动运行，带动工作台向前运动。当运行到SQ 2位置时，挡块压下SQ 2，接触器KM 1断电释放，KM 2通电吸合，电动机反向起动运行，使工作台后退。工作台退到SQ 1位置时，挡块压下SQ 1，KM 2断电释放，KM 1通电吸合，电动机又正向起动运行，工作台又向前进，如此一直循环下去，直到需要停止时按下SB 3，KM 1和KM 2线圈同时断电释放，电动机脱离电源停止转动。

总结：

1、异步电动机有两种直接起动方法：直接起动和降压起动。直接起动简单、经济，应尽量采用；电机容量较大时应采用降压起动以限制起动电流，常用的降压起动方法有Y —△降压起动、自耦变压器降压起动和定子串电阻降压起动等。

2、异步电动机的直接起动和正反转控制电路时控制的基本环节，应掌握它们的工作原理和分析方法，明确自锁和互锁的含义和思想方法。

3、首先了解工艺过程及控制要求；

4、搞清控制系统中各电机、电器的作用以及它们的控制关系； 5、主电路、控制电路分开阅读或设计；

6、控制电路中，根据控制要求按自上而下、自左而右的顺序进行读图或设计； 7、同一个电器的所有线圈、触头不论在什么位置都叫相同的名字；

8、原理图上所有电器，必须按国家统一符号标注，且均按未通电状态表示； 9、继电器、接触器的线圈只能并联，不能串联；

10、控制顺序只能由控制电路实现，不能由主电路实现

习题：

1、有一台四极三相异步电动机，电源电压的频率为50Hz ，满载时电动机的转差率为0.02。求电动机的同步转速、转子转速和转子电流频率。

2、稳定运行的三相异步电动机，当负载转矩增加，为什么电磁转矩相应增大；当负载转矩超过电动机的最大磁转矩时，会产生什么现象？

3、已知某三相异步电动机的技术数据为：P N =2.8KW ，U N =220V /380V ，I N =10A /5.8A ，n N =2890r/min, cos φN =0.89,f 1=50Hz. 求：

① 电动机的磁极对数p

② 额定转矩T N 和额定效率ηN 。

4、试设计一台异步电动机既能连续长动工作，又能点动工作的继电器——接触器控制线路。

5、一台三相交流电动机，额定相电压为220v ，工作时每相负载Z=(50+j25)Ω。 (1)当电源线电压为380V 时，绕组应如何连接？ (2)当电源线电压为220v 时，绕组应如何连接? (3)分别求上述两种情况下的负载相电流和线电流。

6、某三相交流电动机，额定相电压为380V ，工作时每相阻抗Z=(40+j10) Ω，接在220V 三相交流电源中，正常工作时，各相负载星形联结。但当起动时，为防止起动时电流过大烧坏电动机，改为三角形联结。试分别计算电动机正常工作时和起动时的功率。

实验八 三相异步电动机的正、反转控制

一、实验目的

1．了解交流接触器、热继电器的结构，并掌握其工作原理。 2．掌握电动机实现正、反转控制的原理。

3．掌握电动机正、反转控制线路正确的接线方法和操作方法。 二、实验原理 1．直接起动的正反转

不少生产机械，例如吊车、刨床等都需要上下、左右等两个方向的运动，这就要求拖动它的电动机必须能实现正、反转控制。

由三相异步电动机工作原理可知，电动机的转动方向与旋转磁场的方向一致，要改变电动机的转向只要改变旋转磁场的方向即可，而旋转磁场的方向由三相电源的相序决定。因此将电动机的三根电源线中的任意两根对调，便可实现电动机的反转，其原理图如右图所示。

在右图的主电路中，SB 3是停机按钮，SB 1正转起动按钮，KM 1正转控制接触器，当KM 1的线圈通电，其主触头闭合，定子绕组三个头分别接入电源的A 、B 、C 三相，电动机正转。

SB 2是反转起动按钮，KM 2是反转控制接触器，当KM 2的线圈通电，其主触头闭合，定子绕组三个头分别接入电源的C 、B 、A 三相，电动机反转。可见当通入定子绕组的电流相序改变时，

注意：

（1）为保证正转或反转能连续工作，在电路中设置了两个自锁开关，他们分别与其起动开关并联。如果没有自锁开关，则本电路只能实现点动运转控制。

（2）为保证正转时，反转控制电路可靠断开，即KM 1与KM 2不能同时闭合，因此在电路中分别设置了两个互锁开关。

三、实验仪器 1．控制电路装置

一套

2．三相异步电动机 一台 四、实验步骤

1．按图连接好线路(注意电动机绕组接成Y 形联接) ，由同学相互检查无误并请教师检查同意后，合上开关QS 。

2．接触器点动控制

按下正转按钮SB 1电动机旋转，松手后电动机停止转动。

3．电动机自锁控制

将交流接触器KM 1的一对常开辅助触头并联到SB 1上，按下正转按钮，电动机正向旋转，松手后电动机继续转动。

4．电动机正反转控制

（1）正转 按下正转按钮SB 1，观察电动机正向旋转。

（2）停机 按下停止按钮SB 3。

（3）反转 按下反转按钮SB 2，观察电动机反向旋动。 五、实验注意事项

1．实验电路较复杂，相与相的触头距离近，因此接线时要求十分小心。 2．通电后不要再改动电路，避免发生短路事故。

3．控制电路的连接，起始线连在W 相上，终点线却要连在V 相上去，切记。