模塊八電動機(jī)及其電力拖動課題一直流電動機(jī)【任務(wù)一】直流電動機(jī)介紹

【任務(wù)二】直流電動機(jī)的應(yīng)用

課題二三相異步電動機(jī)【任務(wù)一】三相異步電動機(jī)介紹【任務(wù)二】三相異步電動機(jī)的應(yīng)用課題一直流電動機(jī)情境引入并勵直流電動機(jī)啟動電路電路接線圖演示器件直流電動機(jī)、導(dǎo)線、開關(guān)、保險(xiǎn)絲、啟動變阻器演示人教師觀察、記錄、引發(fā)疑問（學(xué)生填寫）狀態(tài)啟動運(yùn)行問題開關(guān)合上1.2.3.…變阻器學(xué)習(xí)任務(wù)1.直流電動機(jī)工作原理2.并勵直流電動機(jī)啟動的工作原理3.直流電動機(jī)啟動的幾種方法【學(xué)習(xí)情境】并勵直流電動機(jī)手動啟動控制電路

課題一直流電動機(jī)

電機(jī)是生產(chǎn)、傳輸、分配及應(yīng)用電能的主要設(shè)備，是生產(chǎn)過程電氣化、自動化的重要部件。電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理工作的機(jī)械，它用途廣泛、種類很多。常用的分類方式主要有兩種：一種分類方法是按功能分，可分為發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、控制電機(jī)和變壓器四大類；另一種分類方法是按照電機(jī)的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速或運(yùn)動方式分，可分為變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)等。電動機(jī)按其供電形式可分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)兩大類。便攜式的電動器械常采用干電池或蓄電池作為電源，所以其中采用的大都是直流電動機(jī)。另外，對調(diào)速要求較高的機(jī)械，如電氣機(jī)車等，多數(shù)還是采用直流電動機(jī)。

【任務(wù)一】直流電動機(jī)介紹

1．直流電動機(jī)的工作原理圖8-1為直流電動機(jī)模型。圖中N和S為一對固定的直流磁極，abcd為一個可以轉(zhuǎn)動的線圈。在實(shí)際電機(jī)中，線圈的匝數(shù)很多，通常稱之為電樞繞組。繞組的兩端分別連到兩個互相絕緣的半圓金屬片上。該金屬片稱為換向片，電動機(jī)轉(zhuǎn)子與繞組abcd同軸旋轉(zhuǎn)。A和B為兩個電刷，固定在電刷架（未畫出）上。電刷由彈簧壓緊，與換向片保持良好的接觸。電刷的引出線接直流電源的兩極。

圖8-1直流電動機(jī)模型

【知識鏈接】直流電動機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)、分類電流從電源的正極流出，經(jīng)電刷A和換向片進(jìn)入繞組abcd，再經(jīng)另一換向片和電刷B到電源的負(fù)極。電流的流向如圖2-3-1中箭頭所示，在ab段是從a到b，cd段是從c到d。根據(jù)左手定則，可以確定ab段導(dǎo)體在磁場中的受力方向是向左，cd段導(dǎo)體的受力方向是向右，于是繞組在磁場力的作用下作反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。隨著繞組的轉(zhuǎn)動，導(dǎo)體ab與cd的位置發(fā)生變化，ab段向下轉(zhuǎn)入S極，cd段向上轉(zhuǎn)入N極。此時(shí)在上面的導(dǎo)體dc，在下面的導(dǎo)體是ba，電流從電源正極流出，經(jīng)電刷A和換向片進(jìn)入導(dǎo)體dc，電流方向?yàn)閺膁到c，然后再從b到a，經(jīng)另一換向片和電刷B，回到電源負(fù)極。由于換向片的作用，雖然導(dǎo)體ab和cd的位置相互轉(zhuǎn)換，但是導(dǎo)體中電流的方向跟著轉(zhuǎn)換，保證電樞繞組按原來的方向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。2．直流電動機(jī)的分類直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)動需要磁場。根據(jù)磁場的建立方式，直流電動機(jī)可以分為永磁式和勵磁式兩類。在永磁式電機(jī)中用的是永久磁鐵；在勵磁式電機(jī)中，磁場是由電流在勵磁繞組中產(chǎn)生的，永磁式電機(jī)的符號如圖8-2所示。勵磁式電機(jī)根據(jù)勵磁繞組的接法又可分為并勵式、串勵式和復(fù)勵式三種。1）并勵式電機(jī)在并勵式電動機(jī)中，勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖8-3所示。為了減少勵磁繞組中的損耗，勵磁電流越小越好，故繞組的匝數(shù)較多，導(dǎo)線較細(xì)。如果把勵磁繞組與電樞繞組分開，各自用獨(dú)立的電源供電，就成為他勵式電動機(jī)，如圖8-4所示。2）串勵式電動機(jī)在串勵式電動機(jī)中，勵磁繞組是和電樞繞組串聯(lián)的，如圖8-5所示。為了減小勵磁繞組上的電壓降，勵磁繞組的匝數(shù)較少，導(dǎo)線較粗。3）復(fù)勵式電動機(jī)在復(fù)勵式電動機(jī)中有兩個勵磁繞組，一個與電樞并聯(lián)，稱為并聯(lián)繞組；另一個與電樞串聯(lián)，成為串聯(lián)繞組，如圖8-6所示。圖8-2永磁式電動機(jī)

圖8-3并勵式電動機(jī)

圖8-4他勵式電動機(jī)圖8-5串勵式電動機(jī)圖8-6復(fù)勵式電動機(jī)

3．直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)1）勵磁式直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)電動機(jī)的靜止部分稱為定子。勵磁式直流電動機(jī)的定子由磁極、勵磁繞組、機(jī)座、電刷裝置等組成。電動機(jī)的轉(zhuǎn)動部分稱為轉(zhuǎn)子。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子又稱電樞，由電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。現(xiàn)分述如下：（1）磁極和勵磁繞組磁極是用簿鋼片疊合后，用鉚釘鉚合而成，如圖8-7所示。磁極的極掌部分比極身略寬，制成弧形，以改善磁通在氣隙中的分布情況。極身上安放勵磁繞組，由極掌擋住，不使滑出。勵磁繞組是用絕緣導(dǎo)線繞制在框架上，并經(jīng)浸漆處理后安裝在磁極上，如圖8-8所示。圖8-7磁極鐵心沖片圖8-8磁極和勵磁繞組的安裝

（2）機(jī)座機(jī)座的作用是用來固定磁極、電刷架、端蓋等部件。機(jī)座既是電機(jī)的外殼，又是磁路的一部分，如圖8-9所示。機(jī)座通常用鑄鐵或鋼板制成。(a)兩極電機(jī)(b)四級電機(jī)圖8-9磁極和磁路（3）電樞鐵心和繞組

電樞是電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分。電樞鐵心是由硅鋼片沖壓而成，沖片形狀如圖8-10所示。電樞鐵心和繞組的形狀如圖8-11所示。

為了充分利用材料，電樞鐵心的表面沖有很多凹槽，槽內(nèi)放置電樞繞組。繞組按一定的規(guī)則和換向片連接，繞組本身自成一個閉合回路。

圖8-10電樞鐵心沖片圖8-11電樞鐵心和繞組

（4）換向器和電刷裝置換向器是由許多互相絕緣的銅片組合而成，其形狀如圖8-12所示。在實(shí)際電機(jī)中，有很多繞組，所以換向片也很多。片與片之間用云母片絕緣。電刷由石墨制成，安裝在刷架上，利用彈簧將它緊壓在換向器上。電刷的一端與換向器保持良好的接觸，另一端用引線接出，與外電路接通。圖8-12換向器的形狀

2）永磁式直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)（1）磁極永磁式直流電動機(jī)的主磁場是由永久磁鐵產(chǎn)生的。永久磁鐵一般由鐵氧體制成，成環(huán)形或瓦塊形，如圖8-13所示。圖8-13（a）和圖8-13（b）是瓦塊形，圖8-13（c）是環(huán)形。根據(jù)磁路走向，一種方式是不通過外殼，如圖8-13（a）所示，此種外殼用不導(dǎo)磁的鋁合金制成；另一種方式是磁路通過用導(dǎo)磁材料制成的外殼，如圖8-13（b）和圖8-13（c）所示。(a)(b)(c)圖8-13永磁式直流電動機(jī)的磁路

（2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子就是電樞。和勵磁電動機(jī)一樣，永磁式電動機(jī)的轉(zhuǎn)子也是由電樞鐵心、電樞繞組和換向器等組成。所不同的是，因?yàn)橛来攀诫妱訖C(jī)一般都比較小，轉(zhuǎn)子的槽數(shù)不多，常做成三槽或五槽的形式，槽內(nèi)繞三個或五個線圈。如圖8-14所示為三槽式直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的示意圖。圖中三個線圈的一端連在一起，另一端焊在相應(yīng)的換向片上。其中圖8-14（a）為磁場中的轉(zhuǎn)子，圖8-14（b）為線圈的接法示意圖。換向片的數(shù)目與線圈的數(shù)目相等，是互相絕緣的銅片，鑲嵌在絕緣機(jī)座上，機(jī)座固定在不銹鋼轉(zhuǎn)軸上。（3）電刷電機(jī)的電刷通常是用石墨制成。如果電機(jī)很小，可不用刷架，而把電刷鑲嵌在磷銅片上，利用銅片的彈性使電刷與換向器保持良好的接觸。銅片的另一端固定在接線端子上。

(a)(b)圖8-14三槽式直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子的示意圖

【任務(wù)二】直流電動機(jī)的應(yīng)用

【知識鏈接】直流電動機(jī)的起啟動、制動和調(diào)速1．直流電動機(jī)的啟動

在啟動特性方面，直流電動機(jī)與交流電動機(jī)相比，有更大的啟動電流，然而不同的是直流電動機(jī)有大得多的啟動轉(zhuǎn)矩。

1）啟動電流現(xiàn)以并勵式電動機(jī)（如圖8-15）為例。從圖8-15可得電動機(jī)的電流為：(a)(b)圖8-15并勵式直流電動機(jī)由于勵磁電流一般只占電機(jī)額定電流的一小部分，故可認(rèn)為：又電樞反電動勢，起動時(shí)轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動，n=0，EA=0，得電機(jī)的起動電流：由此可見，電動機(jī)在起動瞬間，電路中限制電流的因素只有電樞電阻，而數(shù)值往往很小，所以起動電流可達(dá)額定電流的幾倍到幾十倍。這樣大的起動電流如果不加限制，將在換向器上產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花而使之損壞，限制的方法是在電樞電路中接入起動電阻，其數(shù)值應(yīng)使起動電流不超過額定電流的1.5~2倍。待電機(jī)轉(zhuǎn)速上升后將起動電阻短路。串勵式、復(fù)勵式和永磁式電動機(jī)的起動電流情況與此相似。然而對于家用電器中應(yīng)用的小型直流電動機(jī)、由于電樞電阻相對來說比較大，而且轉(zhuǎn)速上升比較快，故可以不接起動電阻而直接起動。2啟動轉(zhuǎn)矩根據(jù)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，在并勵式和永磁式電動機(jī)中由于磁通不變，可以認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流成正比關(guān)系。在串勵式電動機(jī)中，有，即轉(zhuǎn)矩與電流的平方成正比關(guān)系。如果電動機(jī)的起動電流很大，那么起動轉(zhuǎn)矩也很大，這對于快速起動是很有利的。尤其是串勵式電動機(jī)，特別適宜于需要起動轉(zhuǎn)矩大的電機(jī)車，起重機(jī)以及食品粉碎機(jī)、打漿機(jī)、洗塵器等電器中。2．直流電動機(jī)的制動根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向之間的關(guān)系，可以把直流電機(jī)分為兩種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相同時(shí)，稱為電動狀態(tài)；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反時(shí)，稱為制動狀態(tài)。電動狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能帶動負(fù)載；制動狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，電機(jī)吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。他勵直流電動機(jī)的制動有能耗制動、反接制動和回饋制動三種方式。1）能耗制動如圖8-16是能耗制動的接線圖。開始制動時(shí)，因勵磁電流IF的大小及方向不變，電樞存在慣性，其轉(zhuǎn)速不能馬上降為零，而是保持原來的方向旋轉(zhuǎn)。但是，當(dāng)開關(guān)接至RT時(shí)，電樞從電網(wǎng)脫離后經(jīng)制動電阻RT閉合，由EA在閉合的回路產(chǎn)生的電樞電流卻與電動狀態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，由此產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也與電動狀態(tài)時(shí)相反，變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩，于是電機(jī)處于制動運(yùn)行。實(shí)際上這是一臺他勵直流發(fā)電機(jī)，軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，全部消耗于電樞回路的電阻（R＝RA＋RT）上，所以稱為能耗制動。圖8-16能耗制動接線圖

圖8-17電壓反接制動接線圖

2）反接制動反接制動分為電壓反接制動和倒拉反轉(zhuǎn)反接制動兩種。電壓反接制動的接線如圖8-17所示。開關(guān)向上時(shí)，電樞接正極性的電源電壓，此時(shí)電機(jī)處于電動狀態(tài)運(yùn)行。制動時(shí)，保持IF不變，將開關(guān)向下合閘，使電樞經(jīng)制動電阻RT而接極性相反的電源電壓，即電樞電壓由原來的正值變?yōu)樨?fù)值。此時(shí)，電樞回路內(nèi)，U與EA順向串聯(lián)，共同產(chǎn)生很大的反向電流，反向電流產(chǎn)生很大的反向電磁轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的制動作用，這就是電壓反接制動。電壓反接制動的特點(diǎn)有：可以很快使機(jī)組停機(jī)；需要加入足夠的電阻，限制電樞電流；另外，當(dāng)轉(zhuǎn)速至零時(shí)，需切斷電源。3）回饋制動電動狀態(tài)下運(yùn)行的電動機(jī)，在某種條件下（如機(jī)車下坡時(shí)）會出現(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)速高于理想空載轉(zhuǎn)速的情況，此時(shí)EA＞U，電樞電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩的方向也隨之改變，即由驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變成制動轉(zhuǎn)矩。從能量傳遞方向看，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將機(jī)車下坡時(shí)失去的位能轉(zhuǎn)變成電能回饋給電網(wǎng)，因此這種狀態(tài)稱為回饋制動狀態(tài)。電機(jī)轉(zhuǎn)速高于理想空載轉(zhuǎn)速是回饋制動運(yùn)行狀態(tài)的重要特點(diǎn)。另外，在回饋制動過程中，有功功率回饋電網(wǎng)，從電能消耗角度看，回饋制動是最經(jīng)濟(jì)的一種制動方式。3．直流電動機(jī)的調(diào)速

根據(jù)并勵式電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

可見，直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞兩端的電壓、電樞電路的電阻及磁通有關(guān)。如果變化這幾個量，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之而變。1）改變磁通調(diào)速

勵磁式電動機(jī)可以在勵磁回路中串聯(lián)或并聯(lián)可調(diào)電阻通過調(diào)節(jié)勵磁電流來改變，調(diào)速電路如圖所示。其中圖8-18（a）為并勵式，圖8-18（b）為串勵式，復(fù)勵式電動機(jī)的調(diào)速電路與此相似。（a）（b）圖8-18交直流通用電動機(jī)調(diào)速原理圖

2）改變電樞電壓U調(diào)速電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式）可以看出，如果保持不變（在永磁式或他勵式電動機(jī)中可做到），改變就可以改變。但不能超過額定電壓，故只能調(diào)低不能調(diào)高，也就是轉(zhuǎn)速只能往低處調(diào)?，F(xiàn)在直流電動機(jī)普遍采用晶閘管可控整流電源，采用此種調(diào)速方法效果甚好。3）在電樞電路中增加電阻調(diào)速電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式可知，如果在電樞電路中串聯(lián)一個電阻，此電阻的數(shù)值越大，轉(zhuǎn)速就越低。但是接入電阻后，能耗較多，會降低電動機(jī)的效率，故此法只在小電機(jī)中應(yīng)用。

課題二三相異步電動機(jī)情境引入電動機(jī)的起動電路三相異步電動機(jī)Y-△降壓起動原理圖演示器件起子、尖嘴鉗、導(dǎo)線、萬用表等演示人教師觀察、記錄、引發(fā)疑問（學(xué)生填寫）電路狀態(tài)觀察測量問題設(shè)定KT值1.2.3.…合上QS并按下SB1按下SB2學(xué)習(xí)任務(wù)通過實(shí)訓(xùn)操作，掌握由電氣原理圖進(jìn)行電路安裝接線的方法。通過實(shí)訓(xùn)進(jìn)一步理解三相異步電動機(jī)降壓起動的工作原理。學(xué)會用時(shí)間繼電器控制三相異步電動機(jī)Y-△降壓起動的原理?！緦W(xué)習(xí)情境】三相交流異步電動機(jī)Y-△降壓起動

【任務(wù)一】三相異步電動機(jī)介紹【知識鏈接1】三相異步電動機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)、分類交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要分為異步電機(jī)和同步電機(jī)兩大類，從原理上講所有旋轉(zhuǎn)電機(jī)均是可逆的，它既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可以作為電動機(jī)運(yùn)行。異步電機(jī)主要用作電動機(jī)，以拖動各種生產(chǎn)機(jī)械。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速除與電網(wǎng)的頻率有關(guān)外，還隨負(fù)載的大小而變化。異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，成本低廉，效率較高，因此在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。但也有缺點(diǎn)，一是運(yùn)行時(shí)要從電網(wǎng)吸取感性無功電流來建立磁場，降低電網(wǎng)功率因數(shù)，增加線路損耗，限制電網(wǎng)的功率傳送；二是起動和調(diào)速性能較差。1．三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)異步電動機(jī)的固定部分稱為定子，轉(zhuǎn)動部分稱為轉(zhuǎn)子，定子和轉(zhuǎn)子是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。它的結(jié)構(gòu)如圖8-19所示。

圖8-19籠型異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

1）定子部分定子主要由鐵心、定子繞組和機(jī)座三部分組成。定子鐵心是電動機(jī)磁路的組成部分，為了減少鐵心損耗，定子鐵心一般由表面涂有絕緣漆、厚0.5mm的硅綱片疊壓而成。鐵心內(nèi)圓周表面有槽孔，用以嵌置定子繞組。如圖8-20所示。定子繞組是定子中的電路部分。中、小型電動機(jī)一般采用高強(qiáng)度漆包線繞制。三相異步電動機(jī)的對稱繞組共有六個出線端，每組繞組的首端U1、V1、W1和末端U2、V2、W2通常接到機(jī)座的接線盒上。根據(jù)電源電壓和電動機(jī)繞組的電壓額定值，把三相繞組接成星形如圖8-21（a）所示、或接成三角形如圖8-21（b）所示。圖8-21定子繞組的星形和三角形聯(lián)

圖8-20定子和轉(zhuǎn)子的鐵心片2）轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子是電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、風(fēng)扇及轉(zhuǎn)軸三部分組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由厚0.5mm的硅鋼片疊壓而成的圓柱體，其外圓周表面沖有槽孔，以便嵌置轉(zhuǎn)子繞組，如圖8-22（a）所示。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，根據(jù)構(gòu)造形式分成兩種：籠型轉(zhuǎn)子和繞線轉(zhuǎn)子。(a)銅條轉(zhuǎn)子(b)鑄鋁轉(zhuǎn)子(c)鑄鋁轉(zhuǎn)子的鋁條和風(fēng)扇圖8-22籠型轉(zhuǎn)子

（1）籠型轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)壓進(jìn)銅條，銅條兩端分別焊在兩個銅環(huán)（端環(huán)）上，如圖8-22（a）所示。為了節(jié)省銅材，現(xiàn)在中、小型電動機(jī)一般都采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖8-22（b）和圖8-22（c）所示。把熔化的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，將冷卻用的風(fēng)葉和轉(zhuǎn)子構(gòu)成一體，簡化了制造工藝。（2）繞線轉(zhuǎn)子繞線型轉(zhuǎn)子的鐵心與籠型的相似，不同的是在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌置對稱的三相繞組。三相繞組接成星形，即三個繞組的末端連在一起，三個繞組的首端分別接到轉(zhuǎn)軸上三個彼此絕緣的銅制滑環(huán)上?；h(huán)對轉(zhuǎn)軸也是絕緣的。滑環(huán)通過電刷將轉(zhuǎn)子繞組的三個首端引到機(jī)座的接線盒里，以便在轉(zhuǎn)子電路中串入附加電阻，用來改善電動機(jī)的起動和調(diào)速性能。繞線型異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和接線電路如圖8-23所示。圖8-23繞線型異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及接線圖

2．三相異步電動機(jī)的工作原理

三相異步電動機(jī)是由旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，在其中產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，然后旋轉(zhuǎn)磁場又與轉(zhuǎn)子電流相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的。所以旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的先決條件。1）旋轉(zhuǎn)磁場（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生圖8-24為三相異步電動機(jī)定子繞組的示意圖和接線圖。三相對稱繞組U1U2、V1V2、W1W2在空間相互差120°。若將U2、V2、W2接在一起，U1、V1、W1分別接三相電源（Y形接法），便有對稱的三相交變電流通入相應(yīng)的定子繞組，即：圖8-24三相異步電動機(jī)定子繞組

三相繞組各自通入電流后將分別產(chǎn)生自己的交變磁場，三個交變磁場在定子空間匯合成如圖下所示的一個兩極磁場。為了便于分析，設(shè)三相對稱電流按余弦規(guī)律變化，假定電流從繞組首端流入為正，末端流入為負(fù)。電流的流入端用符號表示，流出端用⊙表示。在圖中，取、、、四個時(shí)刻進(jìn)行分析。

(a)(b)(c)(d)圖8-25兩極旋轉(zhuǎn)磁場的形成

由上述分析可以看出，對于圖8-25所示的定子繞組，通入三相交流電后將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，且電流變化一個周期時(shí)，合成磁場在空間旋轉(zhuǎn)360°。旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)p與定子繞組的安排有關(guān)。通過適當(dāng)?shù)陌才牛部梢灾瞥蓛蓪?、三對或更多磁極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場。（2）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

根據(jù)上面的分析，電流在時(shí)間上變化一個周期，二極磁場在空間旋轉(zhuǎn)一圈。若電流的頻率為每秒變化周期，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速即為每秒轉(zhuǎn)。若以表示旋轉(zhuǎn)磁場的每分鐘轉(zhuǎn)速，則可得：

如果設(shè)法使定子的磁場為四極（極對數(shù)），可以證明，此時(shí)電流若變化一個周期，合成磁場在空間只旋轉(zhuǎn)180°（半圈），其轉(zhuǎn)速為：由此可以推廣到具有對磁極的異步電動機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：

所以旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（也稱為同步轉(zhuǎn)速。）取決于電源頻率和電動機(jī)的磁極對數(shù)。我國的電源頻率為50Hz，因此不同磁極對數(shù)所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速如表8-1所示。

123456300015001000750600500表8-1不同極對數(shù)時(shí)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速

（3）旋轉(zhuǎn)磁場的方向從圖8-25可以看出，當(dāng)三相電流的相序?yàn)長1—L2—L3時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場的方向是從繞組首端U1轉(zhuǎn)到V1，然后轉(zhuǎn)到W1，即旋轉(zhuǎn)方向與電流的相序是一致的。如果把三根電源線任意對調(diào)兩根（如L2、L3對調(diào)），此時(shí)W1W2繞組通入L2相電流，V1V2繞組通入L3相電流。讀者自己可以作圖證明，旋轉(zhuǎn)磁場改變了原來的方向，即從繞組首端U1轉(zhuǎn)到W1，然后轉(zhuǎn)到V1。2）轉(zhuǎn)子電流如圖8-26所示，設(shè)轉(zhuǎn)子不動，磁場以同步轉(zhuǎn)速順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與磁場之間有相對運(yùn)動，即相當(dāng)于磁場不動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體以逆時(shí)針方向切割磁場的磁力線，其結(jié)果就在導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的方向用右手定則判定。圖中轉(zhuǎn)子上面導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向是穿出紙面向外，而下面導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是穿入紙面向內(nèi)。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的兩端由端環(huán)連通，形成閉合的轉(zhuǎn)子電路，因而感應(yīng)電動勢將在轉(zhuǎn)子電路中產(chǎn)生電流。如果忽略轉(zhuǎn)子電路感抗，認(rèn)為轉(zhuǎn)子電流與感應(yīng)電動勢同相，那么圖中所標(biāo)電動勢的方向（⊙表示流出，表示穿入），也就是電流的方向。3）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理

轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生電流以后，這些導(dǎo)體在磁場中將產(chǎn)生電磁力。電磁力的方向可用左手定則判定。右圖中，上面導(dǎo)體中電磁力F的方向朝右，下面導(dǎo)體中電磁力F的方向朝左，如圖8-26中箭頭所示，于是對于轉(zhuǎn)軸就產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)力矩，稱為電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩將使轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。圖8-26異步電動機(jī)的工作原理

綜上分析可知三相異步電動機(jī)的工作原理是：（1）三相對稱繞組中通入三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場；（2）轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)電動勢和電流；（3）轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向始終與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向一致，而旋轉(zhuǎn)磁場的方向又取決于異步電動機(jī)的三相電流相序。因此三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)向與電流的相序一致。要改變轉(zhuǎn)向，只需改變電流的相序即可，即任意對調(diào)電動機(jī)定子繞組三根相線中的兩根電源線，就可使電動機(jī)反轉(zhuǎn)。4）轉(zhuǎn)差率通常，我們把同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差值與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用表示，即轉(zhuǎn)差率是異步電機(jī)的一個基本物理量，它反映異步電機(jī)的各種運(yùn)行情況。電動機(jī)起動瞬間：，，轉(zhuǎn)差率最大；空載運(yùn)行時(shí)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最高，轉(zhuǎn)差率S最小；額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較空載要低，故轉(zhuǎn)差率較空載時(shí)大。一般情況下，額定轉(zhuǎn)差率，即異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速很接近同步轉(zhuǎn)速?；?/p>

【任務(wù)二】三相異步電動機(jī)的應(yīng)用【知識鏈接1】三相異步電動機(jī)的啟動、制動和調(diào)速1．三相異步電動機(jī)的啟動

電動機(jī)從接通電源到正常運(yùn)行的過程叫做啟動過程。起動過程所需時(shí)間很短，一般在幾秒鐘以內(nèi)。電動機(jī)功率越大或負(fù)載越重，起動時(shí)間越長。生產(chǎn)過程中有些電動機(jī)經(jīng)常需要起動與停車，其起動性能的好壞對生產(chǎn)有較大的影響。

異步電動機(jī)的啟動性能主要是指啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流。如前所述，異步電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩一般為額定轉(zhuǎn)矩的1~1.2倍，但是啟動電流卻很大。這是因?yàn)閯偨油娫此查g，旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線和轉(zhuǎn)子之間的相對切割速度最高，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢和轉(zhuǎn)子電流都很大。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，定子電流也將很大，這時(shí)的電流稱為啟動電流。異步電動機(jī)的起動電流約為額定電流的4~7倍。由于起動過程較短，起動電流對電機(jī)本身危害不大，但大的起動電流將導(dǎo)致供電線路的電壓在電動機(jī)起動瞬間突然降落，以致影響同一線路上的其他電氣設(shè)備的正常工作，如燈光的明顯閃爍等，因而必須設(shè)法限制起動電流。三相異步電動機(jī)有如下幾種起動方式：1）全壓起動（直接啟動）電動機(jī)用額定電壓起動時(shí)稱為全壓啟動或直接啟動。直接啟動的異步電動機(jī)，其容量不應(yīng)超過動力供電變壓器容量的30%；頻繁啟動的異步電動機(jī)，其容量不應(yīng)超過動力供電變壓器的20%；在線路壓降允許的前提下，10kW以下的異步電動機(jī)可以直接起動。2）降壓啟動為了減小啟動電流，電動機(jī)的定子繞組起動時(shí)采用降壓措施時(shí)稱為降壓啟動。一旦電動機(jī)到達(dá)或接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，再改變接法使電動機(jī)在額定電壓下正常運(yùn)行。要注意的是異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與外加電壓的平方成正比，因此降壓啟動法僅適用于空載或輕載啟動場所。降壓啟動分定子串接電阻或電抗降壓啟動、Y-△降壓啟動和自耦變壓器降壓啟動。其中常用的方法是Y-△降壓啟動。圖8-27是一種Y-△起動器的接線簡圖。

Y-△降壓啟動的方法就是：電動機(jī)正常工作時(shí)定子繞組若是接成△形，起動時(shí)可先接成Y形，使定子繞組相電壓降低為額定電壓的1/，等轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí)再換接△形。這種換接啟動可采用Y-△角啟動器來實(shí)現(xiàn)。3）繞線型電動機(jī)的啟動

繞線型電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電路如圖8-28所示，圖中為外接的三相變阻器。起動時(shí)若將放在阻值較大的位置，轉(zhuǎn)子電流將減小。根據(jù)變壓器原理，隨著轉(zhuǎn)子電流的減小，定子電流也將減小。

圖8-27Y-△起動器接線圖

圖8-28繞線型轉(zhuǎn)子接起動變阻器

2．三相異步電動機(jī)的制動三相異步電動機(jī)除了運(yùn)行于電動狀態(tài)外，還時(shí)常運(yùn)行于制動狀態(tài)。運(yùn)行于電動狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩方向與電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相同，電動機(jī)從電網(wǎng)吸收電能并轉(zhuǎn)換成機(jī)械能從軸上輸出。運(yùn)行于制動狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)動方向相反，電動機(jī)從軸上吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電能，該電能或消耗在電機(jī)內(nèi)部，或反饋回電網(wǎng)。異步電動機(jī)制動的目的是使電力拖動系統(tǒng)快速停車或盡快減速，異步電動機(jī)制動的方法有能耗制動、反接制動和回饋制動三種。1）能耗制動異步電動機(jī)的能耗制動接線如圖8-29（a）所示。制動時(shí)，接觸器觸點(diǎn)KM1斷開，電動機(jī)脫離電網(wǎng)，同時(shí)觸點(diǎn)KM2閉合，在定子繞組通入直流電流，于是定子繞組便產(chǎn)生一個恒定的磁場。轉(zhuǎn)子切割該恒定磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中便產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電流。由圖8-29（b）可以判定，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與恒定磁場相互作用，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反，起到制動作用。制動期間，轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子回路的電阻上，故稱能耗制動。其特點(diǎn)是制動準(zhǔn)確、平穩(wěn)，但需要額外的直流電源。圖8-29三相異步電動機(jī)的能耗制動接線圖2）反接制動當(dāng)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與定子磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，電動機(jī)便處于反接制動狀態(tài)。因此電動機(jī)停車時(shí)若將三相電源中的任意兩相對調(diào)，使電動機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向也隨之改變，成為制動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)就會逐漸停止。應(yīng)當(dāng)注意的是：當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速接近為零時(shí)，要及時(shí)斷開電源防止電動機(jī)反轉(zhuǎn)。反接制動的特點(diǎn)是簡單、制動效果好，但由于反接時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子間的相對運(yùn)動加快，因而電流較大。對于功率較大的電動機(jī)制動時(shí)必須在定子電路（鼠籠型）或轉(zhuǎn)子電路（繞線型）中接入電阻，用以限制電流。3）回饋制動若異步電動機(jī)在電動狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于某種原因，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)向不變），這時(shí)電動機(jī)便處于回饋制動狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時(shí)，有電能從電動機(jī)的定子返回給電源，實(shí)際上這時(shí)電動機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)入發(fā)電機(jī)運(yùn)行，因此這種制動稱為發(fā)電反饋制動。3．三相異步電動機(jī)的調(diào)速

所謂調(diào)速是指負(fù)載不變時(shí)人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。有關(guān)系式：可以看出，異步電動機(jī)可通過改變電源頻率或極對數(shù)p實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。在繞線型電動機(jī)中也可以用改變轉(zhuǎn)子電路電阻的方法調(diào)速。1）變極調(diào)速

異步電動機(jī)的三相繞組，若按特定的安排就可以通過改變定子繞組的接法而改變極對數(shù)p，從而達(dá)到調(diào)速的目的。這種方法稱為變極調(diào)速，這種電動機(jī)稱為多速電動機(jī)。然而這種調(diào)速是步級式的，不能平滑調(diào)速，且只適用于籠型電動機(jī)。2）變頻調(diào)速

變頻就是改變異步電動機(jī)供電電源的頻率。如圖8-30所示為變頻調(diào)速器的方框圖?？煽卣髌飨葘?0Hz的交流電變換成電壓可調(diào)的直流電，再由逆變器將直流電變成頻率可調(diào)的三相交流電，從而實(shí)現(xiàn)三相異步電動機(jī)的無極調(diào)速。

圖8-30變頻調(diào)速方框圖

3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速異步電動機(jī)的變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，包括繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速、串級調(diào)速和異步電動機(jī)的定子調(diào)壓調(diào)速等。其中轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速方法簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但調(diào)速是有級的，不平滑；串級調(diào)速具有高效率、無極平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)備復(fù)雜；調(diào)壓調(diào)速主要用于風(fēng)機(jī)類負(fù)載的場合，或高轉(zhuǎn)差率的電動機(jī)上，同時(shí)應(yīng)采用速度負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

【知識鏈接2】三相異步電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)電動機(jī)的額定值是制造廠對電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等數(shù)值。電動機(jī)在額定條件下的運(yùn)行稱為額定運(yùn)行或滿載運(yùn)行。異步電動機(jī)的主要額定值如下：1．額定電壓額定電壓是指定子繞組上應(yīng)施加的線電壓。功率在3kW以下的異步電動機(jī)通常有380V和220V兩種額定電壓，寫成380/220V，相應(yīng)的接法也有兩種，即Y/△。當(dāng)電源線電壓為380V時(shí)，定子繞組應(yīng)接成Y形；當(dāng)電源線電壓為220V時(shí)，定子繞組應(yīng)接成△形。電動機(jī)功率在3kW以上時(shí)，額定電壓一般規(guī)定為380V，定子繞組工作時(shí)接成△形。2．額定電流電動機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的線電流稱為額定電流。若定子繞組有Y形和△形兩種接法時(shí)，相應(yīng)的有兩種額定電流數(shù)值。3．額定功率電動機(jī)在額定電壓下運(yùn)行，當(dāng)電流達(dá)到額定值時(shí)，軸上輸出的機(jī)械功率即為額定功率。4．額定轉(zhuǎn)速電動機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為額定轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分（r/min）。5．額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩是電動機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩。若已知額定功率和額定轉(zhuǎn)速，則額定轉(zhuǎn)矩可用下式求得，式中，的單位為KW，的單位為KW，的單位為N·m。

6．額定功率因數(shù)額定功率因數(shù)指的是額定運(yùn)行時(shí)定子繞組每相電路的功率因數(shù)。異步電動機(jī)空載時(shí)的電流主要用于產(chǎn)生磁場，所以功率因數(shù)很低，約為0.2，滿載時(shí)功率因數(shù)約為0.7~0.9。7．額定效率

額定效率就是滿載時(shí)的效率。電動機(jī)的效率等于輸出機(jī)械功率與輸入電功率的比值，即：

式中的U為定子繞組的線電壓；I為線電流；為功率因數(shù)。電動機(jī)空載時(shí)效率甚低，滿載時(shí)或接近滿載時(shí)效率最高，一般為75%~92%。

除了上述的額定值外，還有額定頻率、溫升等參數(shù)。各額定值之間的關(guān)系是：當(dāng)電動機(jī)在額定壓下輸出額定功率時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、效率、功率、功率因數(shù)等同時(shí)達(dá)到額定值。如為連續(xù)工作制的電動機(jī)，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最后溫度不超過額定溫升。表8-2為從產(chǎn)品目錄中查得的一臺異步電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)。型號額定功率kW額定電壓V滿載時(shí)起動電流/額定電流起動轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩/額轉(zhuǎn)矩電流（A）轉(zhuǎn)速r/min功率（%）功率因數(shù)Y180M-418.538035.91470910.867.02.02.2表8-2異步電動機(jī)額定參數(shù)

實(shí)訓(xùn)1三相交流異步電動機(jī)Y-△降壓起動電路一．實(shí)訓(xùn)目的1．通過實(shí)訓(xùn)掌握三相異步電動機(jī)的工作原理。2．熟悉三相異步電動機(jī)的Y-△降壓起動工作原理和接線方法。二．實(shí)訓(xùn)器材1．電工常用工具1套。2．實(shí)訓(xùn)控制臺1個。3．三相交流異步電動機(jī)1臺（JW5014/40W）。4．實(shí)訓(xùn)模塊1塊，實(shí)訓(xùn)模塊包含的器材如表8-3所示。表8-3技能訓(xùn)練所需器材

代

號名

稱型

號

規(guī)

格數(shù)

量QS三相漏電開關(guān)DZ47LE-321個FU13P熔斷器RT18-321個FU2熔斷器RL1-152個SB1、SB2按鈕LA19-11