三相异步电动机及其控制电路

第5章三相非同步電動機及其控制線路

5.1 三相非同步電動機

實現電能與機械能相互轉換的電工設備總稱為電機。電機是利用電磁感應原理實現電能與機械能的相互轉換。把機械能轉換成電能的設備稱為發電機，而把電能轉換成機械能的設備叫做電動機。

在生產上主要用的是交流電動機，特別三相非同步電動機，因為它具有結構簡單、堅固耐用、運行可靠、價格低廉、維護方便等優點。它被廣泛地用來驅動各種金屬切削機床、起重機、鍛壓機、傳送帶、鑄造機械、功率不大的通風機及水泵等。

對於各種電動機我們應該瞭解下列幾個方面的問題：（1）基本構造；（2）工作原理；（3）表示轉速與轉矩之間關係的機械特性；（4）起動、調速及制動的基本原理和基本方法；（5）應用場合和如何正確使用。

5.1.1 三相非同步電動機的結構與工作原理

1．三相非同步電動機的構造

三相非同步電動機的兩個基本組成部分為定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）。此外還有端蓋、風扇等附屬部分，如圖5-1所示。

圖5-1 三相電動機的結構示意圖

1）．定子

三相非同步電動機的定子由三部分組成：

定子定子鐵心由厚度為0.5mm的，相互絕緣的矽鋼片疊成，矽鋼片

內圓上有均勻分佈的槽，其作用是嵌放定子三相繞組

AX、BY、CZ。

定子繞組三組用漆包線繞制好的，對稱地嵌入定子鐵心槽內的相同的線圈。這三相繞組可接成星形或三角形。

機座機座用鑄鐵或鑄鋼製成，其作用是固定鐵心和繞組2）．轉子

三相非同步電動機的轉子由三部分組成：

轉子轉子鐵心

由厚度為0.5mm的，相互絕緣的矽鋼片疊成，矽鋼片

外圓上有均勻分佈的槽，其作用是嵌放轉子三相繞組。

轉子繞組

轉子繞組有兩種形式：

鼠籠式-- 鼠籠式非同步電動機。

繞線式-- 繞線式非同步電動機。

轉軸轉軸上加機械負載

鼠籠式電動機由於構造簡單，價格低廉，工作可靠，使用方便，成為了生產上應用得最廣泛的一種電動機。

為了保證轉子能夠自由旋轉，在定子與轉子之間必須留有一定的空氣隙，中小型電動機的空氣隙約在0.2~1.0mm之間。

2．三相非同步電動機的轉動原理

1）．基本原理

為了說明三相非同步電動機的工作原理，我們做如下演示實驗，如圖5-2所示。

圖5-2 三相非同步電動機工作原理

(1)．演示實驗：在裝有手柄的蹄形磁鐵的兩極間放置一個閉合導體，當轉動手柄帶動蹄形磁鐵旋轉時，將發現導體也跟著旋；若改變磁鐵的轉向，則導體的轉向也跟著改變。

(2)．現象解釋：當磁鐵旋轉時，磁鐵與閉合的導體發生相對運動，鼠籠式導體切割磁力線而在其內部產生感應電動勢和感應電流。感應電流又使導體受到一個電磁力的作用，於是導體就沿磁鐵的旋轉方向轉動起來，這就是非同步電動機的基本原理。

轉子轉動的方向和磁極旋轉的方向相同。

(3)．結論：欲使非同步電動機旋轉，必須有旋轉的磁場和閉合的轉子繞組。 2）．旋轉磁場

（1）．產生

圖5-3表示最簡單的三相定子繞組AX 、BY 、CZ ，它們在空間按互差1200的規律對稱排列。並接成星形與三相電源U 、V 、W 相聯。則三相定子繞組便通過三相對稱電流：隨著電流在定子繞組中通過，在三相定子繞組中就會產生旋轉磁場(圖5-4)。 00sin sin(120)sin(120)U m V m W m i I t i I t i I t ωωω=⎧⎪=-⎨⎪=+⎩

圖 5-3 三相非同步電動機定子接線

當ωt=00時，0A i =，AX 繞組中無電流；B i 為負，BY 繞組中的電流從Y 流入B 1流出；C i 為正，CZ 繞組中的電流從C 流入Z 流出；由右手螺旋定則可得合成磁場的方向如圖5-4（a ）所示。

當ωt=1200時，0B i =，BY 繞組中無電流；A i 為正，AX 繞組中的電流從A 流入X 流出；C i 為負，CZ 繞組中的電流從Z 流入C 流出；由右手螺旋定則可得合成磁場的方向如圖5-4（b ）所示。

當ωt=2400時，0C i =，CZ 繞組中無電流；A i 為負，AX 繞組中的電流從X 流入A 流出；B i 為正，BY 繞組中的電流從B 流入Y 流出；由右手螺旋定則可得合成磁場的方向如圖5-4（c ）所示。

可見，當定子繞組中的電流變化一個週期時，合成磁場也按電流的相序方向在空間

A i A i

B i

C X B Y

C

Z

旋轉一周。隨著定子繞組中的三相電流不斷地作週期性變化，產生的合成磁場也不斷地旋，因此稱為旋轉磁場。

圖 5-4 旋轉磁場的形成

（2）．旋轉磁場的方向

旋轉磁場的方向是由三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉磁場的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對調即可。這時，轉子的旋轉方向也跟著改變。

3）．三相非同步電動機的極數與轉速

（1）．極數（磁極對數p ）

三相非同步電動機的極數就是旋轉磁場的極數。旋轉磁場的極數和三相繞組的安排有關。

當每相繞組只有一個線圈，繞組的始端之間相差1200空間角時，產生的旋轉磁場具有一對極，即p=1；

當每相繞組為兩個線圈串聯，繞組的始端之間相差600空間角時，產生的旋轉磁場具有兩對極，即p=2；

同理，如果要產生三對極，即p=3的旋轉磁場，則每相繞組必須有均勻安排在空間的串聯的三個線圈，繞組的始端之間相差400（=1200/p ）空間角。極數p 與繞組的始端之間的空間角θ的關係為： 0120p θ=

ωt i i A i B i C O 120° 240° 360°×××××······(a) ωt = 0° (b) ωt = 120° (c) ωt = 240°A A A X X X B B B Y Y Y C C C Z Z Z ×