三相异步电动机的工作原理及铭牌

【学习任务】（1）正确说出三相异步电动机的基本工作原理。

（2）正确理解转差率的概念并进行相关计算。

（3）正确识读三相异步电动机的铭牌。

微课5.2：三相异步电动机的原理

1.基本工作原理

以笼型异步电动机为例来分析，在异步电动机的定子铁芯槽里嵌放着对称的三相绕组AX、BY、CZ，转子是一个闭合的多相对称的笼型转子绕组，如图5－8所示。

图5－8　三相异步电动机工作原理图

当异步电动机定子三相对称绕组中通入三相对称的电流时，就会产生一个以同步转速n1旋转的圆形旋转磁场，而转子是静止的，转子与定子旋转磁场之间有相对运动，转子导体因切割定子旋转磁场而产生感应电动势。因为转子绕组是闭合的短路绕组，故转子绕组内有感应电流流过。转子载流导体在定子旋转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。

异步电动机的转速n恒小于定子旋转磁场的转速n1，因为只有这样，转子绕组才能切割定子旋转磁场感应电动势从而产生电磁转矩，使电动机旋转。如果n＝n1，转子绕组与定子旋转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n＜n1，是异步电动机正常运行的必要条件。

2.转差率

转差率是异步电动机的一个重要参数，定义为同步转速n1与转子转速n之差再与同步转速n1的比值，用字母s表示：

同步转速为

由式（5－2）可知当转子静止时，n＝0，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，作为异步电动机，转差率在0＜s＜1范围内变化。在额定工作状态下，转差率的数值很小，一般为0.01～0.06，即异步电动机的转速很接近同步转速。

异步电动机负载越大，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。异步电动机的转速与同步转速、转差率之间的关系可由式（5－2）推出：

3.异步电机的运行状态

异步电机的转差率s一般在0～1之间变化，根据转差率的大小和正负，可得出异步电机的三种运行状态。

1）电动机运行状态

当定子绕组接至三相对称交流电源时，转子就会切割磁力线感应电动势产生电流，转子电流与定子旋转磁场相互作用产生电磁力进而产生电磁转矩，在电磁转矩的驱动下转子就开始旋转，电磁转矩与旋转磁场方向相同，如图5－9（b）所示，此时电动机从电网取得电功率转变成机械功率，由转轴传输给负载。在电动机状态运行时，转速范围n1＞n＞0，转差率范围为0＜s＜1。

图5－9　异步电动机的三种运行状态

（a）电磁制动；（b）电动机；（c）发电机

2）发电机运行状态

异步电机定子绕组仍接至电源，用一台原动机拖动异步电机的转子以大于同步转速n1顺着旋转磁场方向旋转，如图5－9（c）所示。显然，此时电磁转矩方向与转子转向相反，起制动作用，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n＞n1，原动机必须输入更多的机械功率从而克服电磁转矩做功，把机械能转变成电能输出，异步电机在发电机运行状态。在发电机状态运行时，转速范围n＞n1，转差率s＜0。

3）电磁制动状态

异步电动机定子绕组仍接至三相交流电源产生定子旋转磁场，如果用外力拖着电动机逆着旋转磁场的旋转方向旋转，如图5－9（a）所示，则此时电磁转矩与电动机旋转方向相反，起制动作用。电动机定子仍从电网吸收电功率，同时转子从轴上吸收机械功率，这两部分功率都在电动机内部转变成热能消耗掉，这种运行状态称为电磁制动运行状态。此时n＜0，且转差率s＞1。

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0＜s＜1时，为电动机运行状态；当s＜0时，为发电机运行状态；当s＞1时，为电磁制动状态。

综上所述，异步电机可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，还可以运行于电磁制动状态。一般情况下，异步电机多作为电动机运行；而电磁制动状态则是异步电动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，此时应使异步电动机短时处于电磁制动状态；至于异步发电机一般不使用，有时也用于农村小型水电站和风力发电站中。

4.铭牌值

三相异步电动机的铭牌见表5－1。

表5－1　三相异步电动机的铭牌

1）型号

异步电动机的型号主要包括产品代号、设计序号、规格代号和特殊环境代号等，产品代号表示电动机的类型，如电动机名称、规格、防护型式及转子类型等，一般采用大写印刷体的汉语拼音字母表示。设计序号是指电动机产品设计的顺序，用阿拉伯数字表示。规格代号用中心高、铁芯外径、机座号、机座长度、铁芯长度、功率、转速或极数表示。型号中汉语拼音字母是根据电动机的全名称选择有意义的汉字，再用该汉字第一个拼音字母组成。常用的字母含义是：

J——交流异步电动机；

Y——异步电动机（新系列）；

O——封闭式（没有O是防护式）；

R——绕线式转子（没有R为鼠笼式转子）；

S——双鼠笼式转子；

C——深槽式转子；

Z——冶金和起重用的铜条鼠笼式转子；

Q——高起重转矩；

L——铝线电动机；

D——多速；

B——防爆。

现以Y系列异步电动机为例说明型号中各字母及阿拉伯数字所代表的含义：

2）额定值

额定值是电动机使用和维修的依据，是电机制造厂对电动机在额定工作条件下长期、安全、连续运行而不至于损坏所规定的一个量值，标注在电动机铭牌上。现将铭牌额定数据解释如下：

（1）额定功率PN。

额定功率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

（2）额定电压UN。

额定电压指在额定运行状态下运行时规定的加在电动机定子绕组上的线电压值，单位为V或kV。

（3）额定电流IN。

额定电流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kA。

（4）额定频率fN。

额定频率指在额定状态下运行时，电动机定子侧电源电压的频率，单位为Hz。我国电网fN＝50 Hz。

（5）额定转速nN。

额定转速指额定运行时电动机的转速，单位为r/min。

3）接线

电动机定子三相绕组每相有两个端头，三相共六个端头，可以接成三角形连接，也可以为星形连接，也有每相中间有抽头的，这样每三相共有九个端头，可以接成三角形连接、星形连接、沿边三角形连接和双速电动机绕组接线，具体如何连接一定要按铭牌指示操作，否则电动机不能正常运行，甚至烧毁。

如一台相绕组能承受220 V电压的三相异步电动机，铭牌上额定电压标有220 V/380 V、△/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；若为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A、B、C表示，末端用X、Y、Z表示，其星形、三角形连接如图5－10所示。

图5－10　三相异步电动机的接线盒

（a）接线盒中6个出线端的排列次序；（b）星形连接；（c）三角形连接

4）电动机的运行方式

电动机运行方式是指允许的持续时间，分“连续”“短时”“断续”，后两种运行方式的电动机只能短时、间歇地使用。

5）绝缘等级与温升

电动机的绝缘等级取决于所用绝缘材料的耐热等级，按材料的耐热有A、E、B、F、H级五种常见的规格，C级不常用，具体内容见表5－2。

表5－2　电动机绝缘等级、极限温度与温升

绝缘等级表示电动机所用绝缘材料的耐热等级，温升表示电动机发热时允许的升高温度。(www.xing528.com)

6）电动机的防护等级

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表示电动机能防护大于1 mm的固体物入内，同时能防止溅水入内。

7）异步电动机产品简介

我国生产的异步电动机种类很多，原有的旧系列电动机逐步被新系列电动机所取代。新系列电动机符合国际电工委员会（IEC）标准，技术经济指标更高。

（1）Y系列。

Y系列是用一般用途的小型笼式电动机系列，它具有效率高、启动转矩大、噪声低、振动小、防护性能好、安全可靠、外观美观等优点。该系列主要用于金属切削机床、通用机械、矿山机械和农业机械等。

（2）YR系列（旧型号JR、JR0）。

YR系列是一种大型三相绕线型异步电动机系列，是我国统一设计的升级换代产品，用于电源线路容量不足、不能用笼式异步电动机启动及要求启动转矩或启动惯量较大的机械设备上，容量为250～2 500 kW，主要用于冶金和矿山工业中。

（3）YD系列（旧型号JD、JDO）。

YD系列为变极多速三相异步电动机，它主要用于各式机床以及起重传动设备等需要多种速度的传动装置。

（4）YQ系列（旧型号JQ）。

YQ系列为高启动转矩异步电动机，用在启动静止参数或惯性负载较大的机械上，如压缩机、粉碎机等。

（5）YZ和YZR系列。

YZ和YZR系列其是起重运输机械和冶金厂专用异步电动机，YZ为笼型，YZR为绕线转子型。

（6）YCT系列。

YCT系列为电磁调速异步电动机，主要用于纺织、印染、化工、造纸、造船及要求变速的机械上。

（7）YJ系列。

YJ系列为精密机床用异步电动机，用于要求振动小、噪声低的精密机床。

【例题5－1】一台三相异步电动机，额定功率PN＝55 kW，电网频率为50 Hz，额定电压UN＝380 V，额定效率为0.79，额定功率因数cosφN＝0.89，额定转速nN＝570 r/min。试求其同步转速、极对数、额定电流和额定负载时的转差率。

解：极数2p与n1的关系见表5－3。

表5－3　极数2p与n1的关系

因电动机额定运行时转速接近同步转速，所以同步转速为600 r/min。电动机极对数为

额定电流为

转差率为

自测题

答案5.2

一、填空题

1.当异步电动机定子三相对称绕组中通入三相对称电流时，会产生______________。

2.异步电动机正常运行的必要条件是转子转速________同步转速。

3.转差率是异步电动机的一个重要参数，定义为__________。

4.同步转速的大小为__________。

5.三相感应异步电机转速为n，定子旋转磁场的转速为n1，当n＜n1时为________运行状态，当n＞n1时为________运行状态，当n与n1反向时为________运行状态。

6.当s在____________范围内，三相异步电机运行于电动机状态，此时电磁转矩性质为________；在________范围内运行于发电机状态，此时电磁转矩性质为____________。

7.一台6极三相异步电动机接于50 Hz的三相对称电源，其s＝0.05，则此时转子转速为________r/min，定子旋转磁势相对于转子的转速为________r/min。

8.三相异步电动机旋转磁场的转速称为________，它与电源频率和________有关。

9.三相异步电动机旋转磁场的转向是由________决定的，运行中若旋转磁场的转向改变了，则转子的转向__________。

10.一台三相四极异步电动机，如果电源的频率f1＝50 Hz，则定子旋转磁场每秒在空间转过________r。

11.交流旋转电动机的同步转速是指的________转速。若电动机转子转速低于同步转速，则该电动机叫__________。

12.一台三相异步电动机的额定电压为380 V/220 V，Y/△接法，其绕组额定电压为__________，当三相对称电源线电压为220 V时，必须将电动机接成________。

13.两极异步电动机的同步转速n1＝______，六极异步电动机的同步转速n1＝______。

二、选择题

1.一台异步电动机的频率是60 Hz，额定转速为870 r/min，则其极数为（　　）。

A.8　B.4　C.10　D.6

2.异步电动机旋转磁场的转向与（　　）有关。

A.电源频率　B.转速　C.电源相序　D.电源电压大小

3.某三相异步电动机的额定转速为735 r/min，相对应的转差率为（　　）。

A.0.265　B.0.02　C.0.51　D.0.183

4.工频条件下，三相异步电动机的额定转速为1 420 r/min，则电动机的磁极对数为（　　）。

A.1　B.2　C.3　D.4

5.一台磁极对数为3的三相异步电动机，其转差率为0.03，则转速为（　　）r/min。

A.2 910　B.1 455　C.970　D.1 200

6.异步电动机的转动方向与（　　）有关。

A.电源频率　B.转子转速　C.负载转矩　D.电源相序

三、判断题

1.一台连续工作制的三相异步电动机，当满载运行时，运行的时间越长，三相异步电动机的温升就越高。（　　）

2.三相异步电动机，无论怎样使用，其转差率都在0～1之间。（　　）

3.三相异步电动机在满载运行时，若电源电压突然降低到允许范围以下，三相异步电动机转速下降，则三相电流同时减小。（　　）

4.不管异步电动机转子是旋转还是静止，定、转子磁通势都是相对静止的。（　　）

5.三相异步电动机定子磁极数越多，则转速越高，反之则越低。（　　）

四、分析计算题

1.图5－11所示为一异步电动机的铭牌，请根据铭牌数据计算电动机额定运行时的转差率、输入功率和效率。

图5－11　三相异步电动机铭牌示意图

2.已知一台三相异步电机的额定转速为1 437 r/min，试求这台电动机的极对数和额定转差率。

3.一台50 Hz、8极的三相感应电动机，额定转差率sN＝0.04，问该机的同步转速是多少？当该机运行在700 r/min时，转差率是多少？当该机运行在800 r/min时，转差率是多少？当该机运行在启动状态时，转差率是多少？

4.一台异步电动机的技术数据为：PN＝2.2 kW，nN＝1 430 r/min，ηN＝0.82，cosφ＝0.83，UN＝220/380 V。求Y形和△形接法时的额定电流IN。

微课5.3：三相交流绕组