三相异步电动机及其控制电路
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89 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90
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 91
(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)。
00
sinsin(120)sin(120)UmVmWmiItiItiIt
圖 5-3 三相非同步電動機定子接線
當t=00時，0Ai，AX繞組中無電流；Bi為負，BY繞組中的電流從Y流入B1流出；Ci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t=1200時，0Bi，BY繞組中無電流；Ai為正，AX繞組中的電流從A流入X流出；Ci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t=2400時，0Ci，CZ繞組中無電流；Ai為負，AX繞組中的電流從X流入A流出；Bi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
Ai
A
iB
iC
XBYC
Z92
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
之間的空間角的關係為： 0120p
ωtiiAiBi
C
O120° 240° 360°
×××××····
··
(a) ωt = 0° (b) ωt = 120° (c) ωt = 240°AAA
XXXBBBYYYCCC
ZZZ×93
（2）．轉速n 三相非同步電動機旋轉磁場的轉速n0與電動機磁極對數p有關，它們的關係是：
10
60fnp （5-1）
由（5-1）可知，旋轉磁場的轉速n0決定於電流頻率f1和磁場的極數p。對某一非同步電動機而言，f1和p通常是一定的，所以磁場轉速n0是個常數。
在我國，工頻f1=50Hz，因此對應於不同極對數p的旋轉磁場轉速n0，見表5-1 表5-1
p 1 2 3 4 5 6 n0 3000 1500 1000 750 600 500 （3）．轉差率s 電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向相同，但轉子的轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速n0相等，否則轉子與旋轉磁場之間就沒有相對運動，因而磁力線就不切割轉子導體，轉子電動勢、轉子電流以及轉矩也就都不存在。也就是說旋轉磁場與轉子之間存在轉速差，因此我們把這種電動機稱為非同步電動機，又因為這種電動機的轉動原理是建立在電磁感應基礎上的，故又稱為感應電動機。
旋轉磁場的轉速n0常稱為同步轉速。 轉差率s——用來表示轉子轉速n與磁場轉速n0相差的程度的物理量。即：
000
nnnsnn
(5-2)
轉差率是非同步電動機的一個重要的物理量。 當旋轉磁場以同步轉速n0開始旋轉時，轉子則因機械慣性尚未轉動，轉子的瞬間轉速n=0，這時轉差率S=1。轉子轉動起來之後，n>0，（n0-n）差值減小，電動機的轉差率S<1。如果轉軸上的阻轉矩加大，則轉子轉速n降低，即非同步程度加大，才能產生足夠大的感受電動勢和電流，產生足夠大的電磁轉矩，這時的轉差率S增大。反之，S減小。非同步電動機運行時，轉速與同步轉速一般很接近，轉差率很小。在額定工作狀態下約為0.015~0.06之間。
根據式(4-2),可以得到電動機的轉速常用公式 01nsn
(5-3) 94
例 有一臺三相非同步電動機，其額定轉速 n=975r/min，電源頻率f=50Hz，求電動機的極數和額定負載時的轉差率S。
解：由於電動機的額定轉速接近而略小於同步轉速，而同步轉速對應於不同的極對數有一系列固定的數值。顯然，與975r/min最相近的同步轉速n0=1000r/min，與此相應的磁極對數p=3。因此，額定負載時的轉差率為：
00
1000975100%100%2.5%1000nnsn
（4）．三相非同步電動機的定子電路與轉子電路 三相非同步電動機中的電磁關係同變壓器類似，定子繞組相當於變壓器的原繞組，轉子繞組（一般是短接的）相當於副繞組。給定子繞組接上三相電源電壓，則定子中就有三相電流通過，此三相電流產生旋轉磁場，其磁力線通過定子和轉子鐵心而閉合，這個磁場在轉子和定子的每相繞組中都要感應出電動勢。
總結： 1、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）。 2、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，並且旋轉的磁場和閉合的轉子繞組的轉速不同，這也是“非同步”二字的含義； 3、三相電源流過在空間互差一定角度按一定規律排列的三相繞組時，便會產生旋轉磁場； 4、旋轉磁場的方向是由三相繞組中電源相序決定的；
5、三相非同步電動機旋轉磁場的轉速n0與電動機磁極對數p有關，它們的關係是：
10
60fnp
6、轉差率s——用來表示轉子轉速n與磁場轉速n0相差的程度的物理量。即： 000
nnnsnn
轉差率是非同步電動機的一個重要的物理量，非同步電動機運行時，轉速與同步轉速一般很接近，轉差率很小。在額定工作狀態下約為0.015~0.06之間。
7、三相非同步電動機中的電磁關係同變壓器類似，定子繞組相當於變壓器的原繞組，轉子繞組（一般是短接的）相當於副繞組。
