一、三相交流异步电动机结构和工作原理

1. 三相交流异步电动机结构

三相交流异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是不动的部分，转子是旋转部分，在定子和转子之间有一定的气隙，如图1-2 所示。

图1-2　三相交流异步电动机组成及结构

2. 三相交流异步电动机工作原理

1） 旋转磁场

三相定子绕组AX，BY，CZ 在空间中按互差120°的规律对称排列（图1-3）；它们并接成星形与三相电源U，V，W 相连。 三相定子绕组通过三相对称电流（图1-4）。 随着电流在定子绕组中通过，三相定子绕组中会产生旋转磁场（图1-5）。

图1-3　三相交流异步电动机定子绕组
（a） 原理；（b） 实物

图1-4　三相交流异步电动机定子绕组中的三相电流相序

图1-5　三相交流异步电动机定子绕组产生的旋转磁场

（a） ωt=0°；（b） ωt=120°；（c） ωt=240°

2） 三相交流异步电动机工作过程

三相交流异步电动机工作过程如图1-6 所示。

图1-6　三相交流异步电动机工作过程

二、三相交流异步电动机调速方法

1. 变极对数调速方法

变极对数调速方法是通过改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。 采用变极对数调速方法的电动机称为多速电动机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因此本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

如图1-7 （a） 所示，每相上有一组线圈，极对数p=1；如图1-7 （b） 所示，每相上有两组线圈串联，极对数p=2。

图1-7　三相交流异步电动机极对数对比

（a） 一对极；（b） 二对极

1） 当p=1 时

电流变化1 周→旋转磁场转1 圈。

电流每秒钟变化50 周→旋转磁场转50 圈。

电流每分钟变化（50 ×60） 周→旋转磁场转3 000 圈。

2） 当p=2 时

电流变化1 周→旋转磁场转半圈。

电流每秒钟变化50 周→旋转磁场转25 圈。

电流每分钟变化（25 ×60） 周→旋转磁场转1 500 圈。

三相交流异步电动机的同步转速为

所以，旋转磁场的旋转速度n0与电流的频率成正比，与磁极对数成反比。

f=50 Hz 时，不同极对数时的同步转速如表1-1 所示。

表1-1　三相交流异步电动机同步转速与极对数的对照

图1-8 所示为一种双速三相交流异步电动机变极对数调速线圈接线图，图1-8 （a）所示为三角形（△） 连接法，极对数p =2，低速；图1-8 （b） 所示为双星形（2Y） 连接法，极对数p=1，高速。

图1-8　双速三相交流异步电动机变极对数调速线圈接线图

（a） 四极时，p=2 （三角形连接法）；（b） 二极时，p=1 （双星形连接法）

变极对数调速的特点：

（1） 具有较硬的机械特性，稳定性良好。

（2） 无转差损耗，效率高。(www.daowen.com)

（3） 接线简单、控制方便、价格低。

（4） 有级调速，级差较大，不能平滑调速。

（5） 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

2. 变频调速方法

变频调速是通过改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流—直流—交流变频器和交流—交流变频器两大类，目前国内大都使用交流—直流—交流变频器。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好的场合。 变频器调速原理如图1-9 所示。

图1-9　变频器调速原理

变频调速的特点：

（1） 效率高，调速过程中没有附加损耗。

（2） 应用范围广，可用于笼型异步电动机。

（3） 调速范围大，特性硬，精度高。

（4） 技术复杂，造价高，维护检修困难。

3. 绕线式电动机转子串电阻调速方法

绕线式电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率增大，电动机在较低的转速下运行，如图1-10 所示。 串入的电阻越大，电动机的转速越低。

绕线式电动机转子串电阻调速的特点：设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软。

4. 串级调速方法

串级调速方法是指在绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的，如图1-11 所示。 大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加电势的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换为能量加以利用。 根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电动机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速三种形式，实际应用中多采用晶闸管串级调速。

图1-10　绕线式电动机转子串电阻调速

图1-11　绕线式电动机转子串级调速

串级调速的特点：

（1） 转子吸收的功率可以反馈一部分给电网，效率高于串电阻调速。

（2） 设备费用较高，线路较复杂。

（3） 适用于高电压、大容量绕线式（异步） 电动机负载，如不可逆轧钢机、矿井提升机等。

5. 定子调压调速方法

定子调压调速方法是改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。 由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。 为了扩大调速范围，定子调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，调速在2∶1 以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。

定子调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等，其中以晶闸管调压方式为最佳。 定子调压调速一般适用于100 kW以下的生产机械，带闭环调节电压系统如图1-12所示。

定子调压调速的特点：

（1） 调压调速线路简单，易实现自动控制。

（2） 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，低速时功率损耗较大，电动机发热严重，效率较低。

6. 电磁调速电动机调速方法

电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器） 三部分组成。 直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。 电磁转差离合器由转子、磁极和励磁绕组三部分组成。 转子和后者没有机械联系，能自由转动。 转子与电动机转子同轴连接，称主动部分，其由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接，称从动部分。 当转子与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S 极性交替的磁极，其磁通经过转子。 当转子随拖动电动机旋转时，转子与磁极间的相对运动，使转子感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于转子的转速n1。 这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。 电磁调速电动机调速如图1-13 所示。

图1-12　带闭环调节电压系统

电磁调速电动机调速的特点：

（1） 装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便。

（2） 调速平滑、无级调速。

（3） 对电网无谐波影响。

（4） 适用于中、小功率，要求平滑、短时低速运行的生产机械。

图1-13　电磁调速电动机调速