三相异步电动机原理教案

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日 期
模 块：三相异步电动机
项 目 二：三相异步机电工作原理、铭牌和绕组检测
教学目标 知识点：①三相异步电动机的工作原理；
②交流机电的主要铭牌参数。

能力培养：①掌握三相异步电动机的的连接形式；
②掌握三相异步电动机绕组的检测方法。

教学方式：讲练结合
教 具：交流异步电动机
课 时：4+4
教 学 过 程
项 目 二：三相异步机电工作原理、铭牌和绕组检测
三相异步机电工作原理、铭牌和绕组检测(知识点部份)
一、三相异步电动机的工作原理
三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。

假设定子惟独一对磁极，转子惟独一匝绕组。

在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），于是在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i。

根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决
定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。

1、定子旋转磁场
假设每相绕组惟独一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹槽之中。

现将三相绕组的末端U2、V2、W2相连，首端U1、V1、W1接三相交流电源。

且三相绕组分别叫做U、V、W 相绕组。

如下图所示。

假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A 相绕组的电流作为参考正弦量，即 iU 的初相位为零，则三相绕组U、V、W 的电流（相序为U—V—W）的瞬时值为：
如下图所示是这些电流随时间变化的曲线。

（1)t=0时
i U =0，i V 为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从V2端流到V1端；i W 为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从W1端流到W2端。

按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场如图。

（a）箭头所示。

W m 4sin()3i I t π
ω=-V m 2sin()3i I t πω=-U m sin i I t
ω=
（2)t=π/2
i a 为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从U1端流到U2端。

I v 、i w 为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从V 2、W 2端流到V 1、W 1端；此时的合成磁场如图（b）所示，合成磁场已从t =0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了 π/2。

（3)t=π
i u =0，i v 为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从v1端流到v2端。

I w 为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从W2端流到W1端；此时的合成磁场 如图（c）所示，合成磁场已从t =0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了π。

（4)t=3π/2
I U 为负, 电流实际方向与正方向相反， I v W 为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从V 1、W 1端流到V 2、W 2端。

此时的合成磁场如图（d）所示，合成磁场已从 t =0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了3π/2 。

按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。

2、旋转磁场的旋转方向
U 相绕组内的电流超前V 相绕组内的电流2 π /3，而V 相绕组内的电流又超前W 相绕组内的电流2 π /3，当三相交流电的U→V→W，旋转磁场的旋转方向为从U→V→W，即向顺时针方向旋转。

3、旋转磁场的极数与旋转速度
在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用n 0表示。

060
n f
=
以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用p表示）即p=1。

从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化360电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f 转，即：如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如图所示的三相绕组。

其中，每相绕组由两个部份串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。

如图所示。

对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了 π/2，即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。

由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。

挨次类推，当有p对磁极时，其转速为：
060f
n
p
=
所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。

下图为24槽4极三相异步电动机旋转磁场。

4、转差率 S
转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。

由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度n
（同步速度）要小。

因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。

因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。

定义：转速差(n 0-n )与同步转速n 0的比值称为异步电动机的转差率，用表示S ，即
n n S n
-= 转差率S 是分析异步电动机运行特性的主要参数 5、异步电动机的三种运行状态
根据转差率的大小和正负，异步电动几有三种运行状态。

（1）电动机运行状态所对应的转差率区间为：10<<s （01
>>n n )。

特点是n 与1
n
同方向，且1
n n <，电磁转矩是驱动性质的，将电能变为机械能。

（2）发机电运行状态所对应的转差率区间为：0<<∞-s （1
n n >>∞)。

特点是n
与1
n 同方向且1n n
>，电磁转矩是制动性质的，将机械能变为电能。

（3）电磁制动运行状态所对应的转差率区间为：+∞<<s 1（-∞>>n 0）。

特点是n 与1
n 反方向；转子导体以高于同步的速度切割旋转磁场，电磁转矩是制动的，定子从电网
吸收的电能和转子的机械能都变成机电内部的损耗而转换为热能(电源反接制动就是一个例子)。

二、异步电动机的运行特性
1、异步电动机的机械特性
右图为三相异步机电机械特性曲线，图中启动转矩为 Tst 为启动时对应的电磁转矩，额定转矩 T N 为电动机带动额定负载时的电磁转矩；最大转矩 Tm 是电动机在运行中具有的最大转矩。

（1）当电动机的启动转矩 Tst 大于负载阻力矩T L 时，机电旋转，并在电磁转矩的作用下加速，此时电磁转矩随额定转矩n 2 增加而逐渐增大（沿曲线DC 段上升），直到最大转矩 Tm。

而后，随着转速的继续增加电磁转矩反而下降 （沿曲线CA 段下降），最终当电磁转矩等于负载转矩T= T L 时机电以某一转速匀速稳定旋转。

（2）异步电动机一经启动很快进入曲线的AC 段，并在某一点稳定运行。

在AC 段如果负载加重，负载力矩大于电磁转矩，转速下降，同时电磁转矩随转速的下降而增大，与负载力矩达到新的平衡，使机电以比原来稍低的转速运行。

（3）若阻力矩超过了最大转矩 Tm ，负载力矩则向来大于电磁转矩，再也不存在新的平衡点使T= T L ，电动机转速很快下降直到住手，处于堵转状态。

定子电流加大可达4～7倍，时间长伤害机电。

（4）机械特性曲线AC 段为电动机的稳定运行区。

从空载到满载转速下降很少，只要负载力矩介于A ～C 区间，均可找到稳定点运行。

AC 段称电动机的硬机械特性，适合大多数生
产机械对拖动的要求。

（5）过载能力 电动机的最大电磁转矩Tm 与转矩T N 之比称过载能力，普通为1.9～2.2。

电动机的启动转矩 Tst 与TN 之比称启动能力，普通为1.7～2.2。

2、转矩与功率的关系
电动机载运行中若带动负载转动的转矩为T 2,轴上输出的机械功率为P 2 ,转子转速为n 2
2
229550n
P
T = 电动机载额定状态下运行
N
N N 9550n
P
T = T N 为输出的额定转矩;P N 为输出的额定功率;n N 为输出的额定转矩. 8、电磁转矩与电源电压的关系
电磁转矩与电动机定子绕组上所加电压U 的平方成正比。

当电动机负载的阻力矩TL 一定时，又有电压降低，电磁转矩T 下降，将使机电可能带不动原有负载，于是转速下降，电流加大。

电压下降过低，以致最大转矩也低于负载转矩时，机电停转。

三、三相异步电动机的铭牌
铭牌是电动机的主要标志元件，铭牌所载明的电动机简要数据是机电选择、使用、维修的重要依据，其中主要有：
1、电动机的型号
（1）小型异步电动机：Y-90L-2
Y：表示异步电动机；
90：表示中心高（90mm）（规格代号）
L：机座长度代号（L-长；M-中；S-短）
2：电动机极数为2极。

（2）大型异步电动机：Y-630-10/1180
Y：表示异步电动机；
630：功率630kw；10/1180：10极，定子铁心外径1180mm。

2、额定功率P
N
额定功率为电动机在额定状态下运行时，转子轴上输出的机械功率kW。

和接法
3、额定电压U
N
额定电压指定子绕组按铭牌上规定的接法连接时应加的线电压值。

Y系列电动机功率在4kW以上均采用三角形连接，以便采用Y-△起动接法。

3kW以下有380v和220v两种，写成380/220v，对应接法两种，即Y/△。

电源线电压380v时，定子绕组接成星形；电源线电压220v时，定子绕组接成三角形。

4、额定电流I
N
额定电流指电动机在额定运行情况下，定子绕组取用的线电流值。

5、额定转速n
N
额定转速为电动机在额定运行状态时的转速， 单位为r/min。

6、防护方式:
如IP44表示电动机外壳防护的方式为封闭式。

7、绝缘等级
绝缘等级是电动机定子绕组所用的绝缘材料的等级。

绝缘等级 Y A E B F H C
极限工作温度（°C) 90 105 120 130 155 180 >180
电阻法 60 75 80 100 125
温升/K
温度计55 65 70 85 105
8、额定频率（fN）
电动机电源频率在符合电动机铭牌要求时的频率。

9、额定功率因数cosφN
当电动机在额定状态下运行时，定子相电压与相电流之间的电位差cosφN。

10、效率（η）
电动机输出功率P 出与输入功率P 入的百分比，称为电动机的效率%100⨯=入
出P P
η。

电动
机空载效率为0，负载增加效率随之增加，普通情况满载运行效率最高。

本课小结：
1、定子旋转磁场；
2、旋转磁场的旋转方向；
3、旋转磁场的极数与旋转速度：060f
n p
=
4、工作原理；
5、转差率S ：00
n n
S n
-=
6、异步电动机的三种运行状态归纳如下表 状态 s n 和 1
n n 和
T
能量变化 电动机运行状态 10<<s
01
>>n n
n 与1
n 同方
向，且1
n n <
电磁转矩是 驱动性质
电能变为机械能 发机电运行状态
0<<∞-s
1
n n >>∞
n 与1
n 同方向，且1
n n > 电磁转矩是制动性质
机械能变为电能
电磁制动运行状态 +∞<<s 1 -∞>>n 0
n 与1
n 反方向
电磁转矩是
制动性质 电能和机械能都变成热能
7、异步电动机的功率及机械特性; 8、三相异步电动机的铭牌。

三相异步机电工作原理、铭牌和绕组检测(能力培养部份) 一、三相异步电动机的绕组检测
1、三相异步电动机绕组
绕组是三相异步电动机进行电磁能量转换的关键部件，也是电动机结构的核心。

三相异步电动机的绕组是三相对称绕组，三相绕组可接成Δ或者Y 接法。

定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1 V1 W1，末端分别标为U2 V2 W2
2、绕组的检测
（1）绝缘电阻的测定
测量定子绕组相与相之间、相与地之间冷态（常温）绝缘电阻。

对于额定电压500V 以下的机电，普通用500V 兆欧表进行测量，额定电压500V～300V 机电可用1000V 兆欧表进行测量。

测量方法：测绕组对地绝缘时，先将测试机电的三相绕组分别解开，然后将兆欧表的接地端接到电动机的机壳上，路线
端接到需要测量的绕组的接线端上，机电其余绕组的接线端则与机壳相接。

对于额定电压500V 以下的机电，测得其绝缘电阻不得低于0.5兆欧，对于新机电或者绕组已更新的机电不得低于5兆欧。

对于大型机电还可通过测量其绝缘电阻来判断电动机是否受潮，具体方法是：用兆欧表测绝缘电阻R 15和R 60并算出吸收系数K，K 应不小于
（2）绕组的直流电阻普通在冷态下测量，可以用伏安法测量
工程实际中更多的是用电桥测量，如果绕组的直流电阻大于1欧，可用单臂电桥；如果绕组的直流电阻小于1欧，则用双臂电桥，测得的各相绕组直流电阻之差与平均值之比不得大于5%。

（3）定子绕组首尾的测定 ①绕组串联法
60
15R
R K
=%
5%100≤⨯-平均
最小
最大
R
R
R
3
C B A
R
R R R
++=平均
先用万用表测出各相绕组的两个线端，将其中的任意两相绕组串联（如图），将80～100V 单相交流电压（不要超过额定值）接入串联两相绕组，然后测出第三相绕组的电压，如果第三相绕组的电压有一定的读数，表示两绕组的末端与首端相连，如读数近似为0，则为同名端相连。

用同样方法可测出第三相绕组的首尾。

②万用表法
将万用表置于毫安挡，如图接入一任意相绕组，将此外任意一相接入电池回路，如电源接通瞬间，万用表指针摆向大于零一边，则电池正极和万用表负表笔所接的两头为同名端，如指针反向摆动，则电池正极与万用表正表笔所接的两头为同名端。

同样方法将电池接入另一绕组可确定另一相的头尾。

二、操作考核
1、教学要求
①教师讲解主要针对基本技能要领、安全知识和技术术语。

尽可能让学生自己动手动脑独立操作完成教学内容，并养成良好工作习惯；
②实训中要求每人一套常用电工工具；3、每项内容均应根据实训技术要求、操作要点评出成绩填入评定表考核成绩。

2、考核要求
三相异步电动机的绕组测试成绩评定表
项目 技术要求 配分 评分标准 扣分
绝缘电阻的测定 兆欧表的正确使
用
10
不能正确使用兆欧一处
5
绕组绝缘的测试
准备
20 未正确的解开连接及未作好必要记录一
处
5 绕组绝缘的测试 10 不能正确测试、读数一处 5
直流电阻的测定 正确使用单臂电
桥
10
不能正确使用一处
5 测定绕组电阻 10 测试不许确一处 5 正确计算判定是
否合格正确
10
不能正确判定一处
5
绕组头尾的判定 分出三想绕组 10 不能正确的记录、分出三相绕组一处 5 按要求连线 10 接线不正确一处 5 按要求判定出三
相绕组头尾
15 不能正确分出三相绕组头尾一处 5 绕组接线恢复 5 绕组接线恢复不正确一处 3
安全文明操作、出勤 违反安全操作、损坏工具仪表、缺勤扣20-50分 备注 除定额时间外,各项最高扣分不得超过配分数
3、实训思量题
（1）简要说明如何用万用表判定三相异步电动机绕组引出线头尾的？
（2）对于不同电压等级的的电动机，测试绝缘电阻是对兆欧表有何要求？
（3）三相交流机电三相绕组不平蘅通常有什么现象？
本课小结：
1、三相异步电动机绕组的接法；
2、三相异步电动机的绕组检测；
（1）缘电阻的测定；
（2）直流电阻的测定；
（3）定子绕组首尾的测定。