1.1 三相异步电动机

异步电动机又称为感应电动机，它具有结构简单、制造容易、价格低廉、维护方便等优点，因此，大多数生产机械都采用异步电动机拖动，尤其是三相异步电动机的使用最为广泛。近年来，随着交流变频调速技术的不断发展，使得异步电动机的调速性能有了很大提高，完全可以和直流电动机相媲美。据统计，目前在电力拖动中90%以上采用的是异步电动机，在电力系统总负荷中，三相异步电动机占50%以上，因此，本节重点介绍三相异步电动机。

1.1.1 三相异步电动机的结构

三相异步电动机的结构分为定子和转子两大部分。图1-1为三相异步电动机的结构。定子由机座、定子铁心、定子绕组和端盖等部件组成。定子铁心一般用厚0.5mm的环形硅钢

图1-1 三相异步电动机的结构

片叠成，呈圆筒形，固定在机座里面。在定子铁心的内圆侧冲有间隔均匀的槽，如图1-2所示。定子三相绕组对称地嵌放在这些槽中，这对称三相绕组的首、末端U₁、U₂，V₁、V₂，W₁、W₂分别引出，接到机座的接线盒上，如图1-3a所示。根据电动机额定电压和供电电源电压的不同，可以用短接铜排将三相定子绕组的联结方式定为三角形联结，如图1-3b所示；也可以为星形联结，如图1-3c所示。

图1-2 定子和转子铁心

图1-3 三相定子绕组的联结方式

端盖固定在机座上，端盖中央孔上装有轴承，支撑转子。转子拖动机械负载。

转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成，转子铁心也用硅钢片叠成，转子铁心固定在转轴上，呈圆柱形，外圆侧表面冲有均匀分布的槽，见图1-2，槽内嵌放转子绕组。转子绕组有笼型和绕线型两种。

笼型转子绕组的制作方法有两种：一种是将铜条嵌入转子铁心槽中，两端用铜环将铜条一一短接构成闭合回路，如图1-4a所示。另一种方法是将熔化的铝液浇铸到转子铁心槽内，并同时铸出两端短路环和散热风扇叶片，如图1-4b所示。后一种制造方法成本较低，中小型笼型异步电动机转子一般都采用铸铝法制造。

图1-4 笼型转子绕组

绕线转子绕组的结构如图1-5所示。它同定子绕组一样，也是三相对称绕组。转子绕组为星形联结，即三相绕组的末端接在一起，三个始端分别接到彼此相互绝缘的三个铜制集电环上。集电环固定在转轴上，并与转轴绝缘。集电环随轴旋转，与固定的电刷滑动接触。电刷安装在电刷架上，电刷的引出线与外接三相变阻器连接。通过集电环、电刷将转子绕组与外接变阻器构成闭合回路。后面会讲到，绕线转子异步电动机可以通过调节外接变阻器改变转子电路电阻，达到改变电动机运行特性的目的。

图1-5 绕线转子绕组的结构

1.1.2 三相异步电动机的工作原理

为了便于理解三相异步电动机的转动原理，先假设用一对旋转着的永久磁铁作为旋转磁场，如图1-6所示。设这个两极磁场顺时针方向旋转，旋转磁场中间是简化的、只有一匝绕组的转子，闭合的转子绕组受到旋转磁场的切割，在转子绕组中会产生感应电动势，由于转子绕组是闭合回路，所以在感应电动势的作用下出现感应电流，感应电流的方向如图1-6中所示。图中☉表示电流从该端流出，Ⓧ表示电流从该端流入。感应电流同旋转磁场相互作用产生电磁力F，电磁力的方向根据左手定则判定，在电磁力的作用下转子和旋转磁场同方向旋转。但是转子速度必然低于旋转磁场的转速，否则，转子绕组不受旋转磁场切割而不能产生感应电动势和电流，当然也就不能产生电磁力和转矩。通常称旋转磁场的转速为同步转速n₁，转子的转速即异步电动机的转速为n。

图1-6 异步电动机的工作原理

三相异步电动机的旋转磁场是由三相交流电产生的。当给三相异步电动机的定子绕组通入三相对称电流后，随电流变化会合成产生一空间旋转磁场。

一、一对极（两极）的旋转磁场

一对极（两极）三相异步电动机的每相定子绕组只有一个线圈，这三个线圈的结构完全相同，对称地嵌放在定子铁心线槽中，绕组的首端与首端、末端与末端都互相间隔120°，如图1-7所示。为了清楚起见，三相对称绕组每相只用一匝线圈表示。设三相绕组为星形联结，如图1-8所示。当三相绕组的首端接通三相交流电源时，绕组中的三相对称电流分别为

i_L1=I_msinωt

i_L2=I_msin（ωt-120°）

i_L3=I_msin（ωt+120°）

图1-7 三相异步电动机绕组

图1-8 三相对称绕组

其波形如图1-9所示。其中T₁为电流的周期。设从线圈首端流入的电流为正，从末端流入的为负，则在t₁～t₄各瞬间三相绕组中的电流产生的合成磁场如图1-9所示。对照图1-9与图1-10分析如下：

在t₁时刻，即ωt=90°时， 用右手螺旋法则判定，三相电流产生的合成磁场为一个两极磁场，如图1-10a所示。

经过 的时间，在t₂时刻，即ωt=210°时，i_L2=I_m， ，三相电流产生的合成磁场如图1-10b所示。此刻两极磁场在空间的位置较ωt=90°时沿顺时针方向旋转了120°。

图1-9 三相对称电流波形

图1-10 三相电流产生的旋转磁场（一对磁极）

再经过 的时间，在t₃时刻，即ωt=330°时，i_L3=I_m， ，三相电流产生的合成磁场如图1-10c所示。两极磁场较ωt=210°时又沿顺时针方向旋转了120°。再经过 的时间，在t₄时刻，两极磁场沿顺时针方向又转到图1-10a所示的位置。

可见，三相电流经过一个周期，相位变化了360°，产生的合成磁场在空间也旋转了一周；磁场旋转的速度与电流的变化同步。

上述每相绕组节距（即每个绕组首、末端之间的几何角）为180°几何角，产生的旋转磁场是一对极（两极）磁场。其转速为

式中，f₁为定子电流的频率；n₁的单位为转/分（r/min）。

从图1-10中还可以观察到旋转磁场的旋转方向与通入定子三相绕组的电流相序有关。设将电流i_L1从U相线圈的U₁端通入，i_L2、i_L3分别从V₁端和W₁端通入，相序的排列顺序为顺时针方向，磁场顺时针方向旋转；反之，磁场逆时针方向旋转。

二、同步转速与磁极对数的关系

若绕组采用90°几何角的节距，每相绕组由两个线圈串联组成，线圈的首端与首端，末端与末端都互隔60°几何角。给三相绕组通入三相对称正弦电流，则可产生两对极（四极）的旋转磁场，如图1-11所示。两对极的磁场旋转一周需要2T₁时间，旋转的速度为

图1-11 三相电流产生的磁场（两对磁极）

同理，节距为60°的几何角的三相对称绕组，通入三相对称正弦电流，可以产生三对极（六极）的旋转磁场。三对磁极的旋转磁场旋转一周需要3T₁时间，依次类推，p对磁极的旋转磁场旋转一周需要pT₁时间。所以，同步转速的表达式为

在工频f₁=50Hz时，同步转速n₁与磁极对数p的关系见表1-1。

表1-1 工频下同步转速n₁与磁极对数p的关系

三、转速与转差率

如前所述，异步电动机的转子绕组受到旋转磁场的切割时，产生电磁转矩，使电动机转动起来。因此，异步电动机的转速n必然低于同步转速n₁，即n＜n₁。

异步机的同步转速n₁与转速n之差Δn称为转差，即

Δn=n₁-n （1-2）

转差Δn与同步转速n₁的比值称为转差率s，即

转速n=（1-s）n₁ （1-4）

在电动机起动瞬间，电动机的转速n=0，即s=1。随着转速的提高，转差率s减小。正常运行时，异步电动机的转差率s在0与1之间，即0＜s≤1。一般异步电动机的额定转速n_N很接近同步转速n₁，所以额定转差率s_N数值很小，在0.01～0.06之间。

转差率s是异步电动机的一个重要参数，在分析电动机的运行特性时经常用到。

1.1.3 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性

一、等效电路参数

在三相异步电动机中，旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势E₁为

E₁=4.44f₁N₁Φ （1-5）

式中，f₁为定子电流频率；N₁为定子每相每极绕组的等效匝数；Φ为旋转磁场每个磁极的磁通。

正常工作时，定子绕组阻抗上的电压降很小，可以忽略，故E₁约等于电源电压U₁。在电源电压U₁和频率f₁不变时，Φ基本保持不变。

旋转磁场通过转子绕组产生的感应电动势E₂为

E₂=4.44f₂N₂Φ （1-6）

式中，N₂为转子绕组每相每极匝数；f₂为转子电流频率。f₂与转差率s有关，因为旋转磁场是以转差Δn=n₁-n的速度切割转子绕组的，所以

转子的每相绕组的等效电抗

X₂=2πf₂L₂=2πsf₁L₂ （1-8）

也和转差率s有关。

在n=0，s=1，即转子静止不动时，f₂=f₁，转子感应电动势最大，用E₂₀表示，有

E₂₀=4.44f₁N₂Φ （1-9）

此时的转子等效电抗也最大，表示为X₂₀，有

X₂₀=2πf₁L₂ （1-10）

则

E₂=4.44sf₁N₂Φ=sE₂₀ （1-11）

X₂=2πsf₁L₂=sX₂₀ （1-12）

于是，可以得到转子绕组中的电流为

式中，R₂为转子每相绕组的等效电阻。

转子电路的功率因数λ₂为

I₂、λ₂随转差率s变化的关系曲线如图1-12所示。

二、电磁转矩

三相异步电动机的电磁转矩是由旋转磁场与转子电流相互作用产生的。可以证明，转矩T与磁通Φ及转子电流I₂的关系为

T=CΦI₂cosφ₂ （1-15）

式中，C为与电动机结构有关的常数；Φ为旋转磁场每极磁通；I₂为转子电流有效值；λ₂=cosφ₂为转子电路功率因数；T的单位为牛·米（N·m）。

图1-12 I₂、λ₂随转差率s变化的关系曲线

将式（1-13）和式（1-14）代入式（1-15），整理后得

又因为

所以

（当电源频率f₁一定时，C_T为一常数。）可见，三相异步电动机的电磁转矩不仅与转差率s、转子电路参数R₂和X₂有关，而且还与电源电压U₁的二次方成正比。因此，电源电压的波动对电动机的转矩影响很大。这是异步电动机的不足之处。

当电源电压U₁和频率f₁一定，且电动机参数不变时，异步电动机转矩T与转差率s的关系T=f（s）称为转矩特性，其曲线如图1-13所示。

图1-13 转矩特性曲线

1.最大转矩

从T=f（s）曲线上可以看出，在s=0时T=0，为理想空载工作状态，实际中不存在。在0＜s＜s_m区间，转矩T随s的增大而增大；在s=s_m时，转矩达到最大值T_m；在s_m＜s＜1区间，转矩T随转差率s的增大而减小。通常称s_m为临界转差率。将式（1-17）对s求导，并令 ，求得临界转差率

将式（1-18）代入式（1-17），可得最大转矩

从式（1-18）、式（1-19）可以看出，临界转差率s_m与转子电阻R₂成正比，但最大转矩T_m与R₂无关。R₂增大，T_m不变，s_m增大，这就使电动机发生最大转矩时的转速降低。如图1-14所示。因此，在绕线转子异步电动机转子回路外接变阻器可实现调速的目的。

从式（1-19）可知，异步电动机的最大转矩T_m与电源电压U₁的二次方成正比。所以供电电压的波动将影响电动机的运行情况。图1-15所示为不同电压下的T=f（s）曲线。

图1-14 转子电阻不同时三相异步电动机的机械特性

图1-15 电源电压不同时转子的机械特性

2.起动转矩

电动机起动瞬间，n=0，s=1，这时产生的电磁转矩称为起动转矩T_st。将s=1代入式（1-17）求得

改变R₂和U₁都会对T_st有影响，如图1-14、图1-15所示。

3.额定转矩

异步电动机的额定转矩T_N是指其工作在额定状态下产生的电磁转矩。在忽略电动机本身的机械损耗阻力矩时，可认为电磁转矩T近似等于电动机轴上的输出机械转矩T₂。即

式中，T为电磁转矩，单位为N·m；P₂为电动机输出功率，单位为W，Ω为机械角速度，单位为rad/min。

于是

式中，T_N为额定电磁转矩，单位为N·m；P_N为电动机的额定输出功率，单位为kW；n_N为额定转速，单位为r/min。

电动机的最大转矩T_m与额定转矩T_N之比称为过载系数，用λ_m表示。

λ_m表示电动机短时过载能力。一般三相异步电动机的λ_m在1.8～2.2之间，而冶金、起重等特殊电动机的λ_m在2.2～3之间。

应该指出，电动机的负载转矩T_L在T_N＜T_L＜T_m状态运行时，为过载状态。过载状态下只能短时运行，否则因电流太大，温升过高，会致使电动机绝缘老化，寿命缩短，严重时甚至烧毁绕组。因此，中、大容量的电动机均应装配热保护继电器，其目的就是避免电动机长时间过载运行。

电动机的起动转矩T_st与额定转矩T_N的比值 表示电动机的起动能力。一般异步电动机的K_st值在1.4～2.2之间。

三、机械特性

异步电动机的转速n与转矩T之间的关系n=f（T）称为机械特性，其曲线如图1-16所示。

当电动机所带负载转矩T_L小于起动转矩T_st时，可带负载起动，从a点→b点，电动机的转矩随转速的上升而增大，促使转速迅速提高，到达b点时转矩为最大值T_m。拐过b点以后，电动机的转矩则随转速的上升而减小，但只要是电磁转矩T大于负载转矩T_L，电动机的转速还保持继续上升，直到T=T_L时，电动机的转速稳定下来。

图1-16 三相异步电动机的机械特性

当负载转矩发生变化时，只要T_L′＜T_m，则电动机可以自动调节，使电动机的电磁转矩重新适应负载的需要。例如，当负载转矩增加时，电动机的电磁转矩T不能马上改变，因而T＜T_L′导致电动机的转速下降，随着转速的下降，电磁转矩上升，直到T=T_L′，电动机在一个新的工作点上稳定下来，此点的转速n′＜n，如图1-16所示。一般异步电动机n=f（T）特性曲线的bc段较平，故在此区段内，负载转矩的变动引起的转速变化不大，这种特性称为硬机械特性。

如果负载转矩T_L突然增加，或电源电压突然降低使T_m下降，一旦T_m＜T_L，则电动机转速迅速下降，进入ab区段，电动机的电磁转矩随转速的下降而减小，导致电动机迅速停止运转，这一现象称为堵转。堵转后，电动机的电流立即升高为额定电流的数倍，如果没有保护措施及时切断电源，电动机将可能被烧毁。

1.1.4 三相异步电动机的运行特性和额定值

一、运行特性

异步电动机的运行特性是指电动机在额定电压、额定频率运行时转速n、电磁转矩T（≈T₂）、输入电流I₁、功率因数λ₁和效率η与输出机械功率P₂的关系，如图1-17所示。这些特性曲线可以通过实验的方法得到。

1.n=f（P₂）曲线

笼型异步电动机的机械特性属硬特性，n随P₂的增减变化不大。当空载时，P₂=0，n≈n₁，随着负载增加，转速n略有下降。

图1-17 异步电动机的运行特性

2.T=f（P₂）曲线

由式（1-21）可知，三相异步电动机转矩T近似地与输出功率P₂成正比，但由于转速特性n=f（P₂）随P₂增加略有下降，故T=f（P₂）曲线微有上翘。

3.I₁=f（P₂）曲线

I₁为三相异步电动机输入电源的线电流。电动机在带负载工作时，I₁随P₂的增加而增大，以产生与负载相适应的电磁转矩。在额定负载时，I₁=I_N；电动机空载时，P₂=0，I₁=I₀。I₀的主要成分是建立旋转磁场的励磁电流，一般I₀为额定电流I_N的20%～30%。

4.η=f（P₂）曲线

电动机的效率为

式中，P₁为电动机输入的电功率。由三相电路可知

根据功率平衡关系，P₁等于输出机械功率P₂与损耗功率ΔP之和，即P₁=P₂+ΔP，而

ΔP=ΔP_m+ΔP_Fe+ΔP_Cu （1-26）

式中，ΔP_m为转子机械摩擦与空气阻力损耗；ΔP_Fe为定子、转子铁心中的损耗，称为铁损耗；ΔP_Cu为定子、转子线圈电阻的损耗，称为铜损耗。ΔP_m与ΔP_Fe的数值基本上与负载变化无关，而ΔP_Cu则与电流的二次方成正比，故随负载增大而增大很快。

轻载时，电动机的效率较低，随P₂增加，η上升很快，在ΔP_m+ΔP_Fe=ΔP_Cu时，效率最高，负载再继续增大，η反而略有下降。为了经济运行，一般中小型电动机设计成负载为75%左右的额定负载时效率最高。

5.λ₁=cosφ₁=f（P₂）曲线

空载时，异步电动机功率成分中主要是建立旋转磁场所吸收的感性无功功率，故空载时，功率因数很低，仅为0.2左右。随着P₂的增大，电动机消耗的有功功率上升很快，无功功率基本不变，故功率因数λ₁随P₂的增大而增大。在额定负载80%～100%范围内的某一点达到最大值。在额定负载时，一般为0.7～0.9。

从以上分析可知，三相异步电动机在空载和轻载运行时，效率和功率因数都较低。因此，要根据生产机械的需要，合理地选择电动机的功率，科学地安排生产工艺流程，尽量缩短空载和轻载运行时间，具有重大的经济意义。

二、三相异步电动机的型号与额定数据

电动机的型号和额定数据都标记在铭牌上，这里以Y132S-2电动机为例，说明铭牌上各个数据的意义。

三相异步电动机

型号：Y132S-2 功率，7.5kW 频率：50Hz

电压：380V 电流：15.0A 接法：△

转速：2900r/min 绝缘等级：B 工作方式：连续

出厂年月 ×年×月

此外，Y132S-2的额定功率因数为0.84，额定效率为87%。

1.型号

电动机型号中包括产品类型代号、结构、磁极数和特殊环境代号，产品类型代号见表1-2。例如：

表1-2 电动机产品类型代号

2.额定电压U_1N

电动机额定运行时应加的电源线电压，单位为伏（V）。一般规定电动机的电源电压与额定电压之间的允许偏差不应超过±5%。

3.额定电流I_1N

电动机额定运行时的线电流，单位为安（A）。

4.额定转速n_N

电动机额定运行时的转速，单位为转/分（r/min）。

5.额定功率P_N

电动机额定运行时，电动机轴上输出的机械功率，单位为千瓦（kW）。

6.额定频率f_1N

我国电力系统交流电的频率统一采用50Hz，因此国内用交流异步电动机的额定频率一般为50Hz，有的国家采用60Hz。

7.绝缘等级

电动机的绝缘等级是按其所用绝缘材料所容许的温升（环境温度在40℃时）或容许极限温度来分级的，见表1-3。

表1-3 电动机绝缘等级与容许温升、温度

8.工作方式

工作方式也称定额。用英文字母S和数字标志。按运行状态对电动机温升的影响，工作方式细分为9种，可归为连续、短时和断续周期三大类，详见1.5节。

9.外壳防护等级

电动机外壳防护分为两种。第一种防护是防止人体触及电动机内部带电部分和转动部分，以及防止固体物进入电动机内部。第二种防护是防止进水而引起的有害影响。详见1.5节。

电动机外壳防护等级代号由四部分组成：

三、Y系列三相异步电动机简介

Y系列三相笼型异步电动机是20世纪80年代我国统一设计的新系列产品。与JO₂、J₂旧系列产品相比，Y系列产品具有效率高、起动转矩大、体积小、重量轻、噪声低、振动小、温升裕度大、防护性能好等优点。此外，Y系列三相异步电动机在功率和机座号等级、安装尺寸的对应关系上符合国际电工委员会（1EC）标准，提高了国内外同类产品的互换性。

Y系列三相异步电动机额定电压为380V，额定功率3kW及以下定子绕组为星形联结，4kW及以上为三角形联结。采用B级绝缘。防护形式有封闭式（IP44）和防淋式（IP23）两种。

【例1-1】 某三相异步电动机的额定数据如下：P_N=4.5kW，U_N=220V/380V（Δ/Y），ηN=0.84，λ_N=cosφ_N=0.8，I_st/I_N=6.5，T_st/T_N=1.4，T_m/T_N=1.8，f₁=50Hz，n_N=1430r/min。试求：（1）磁极对数p；（2）额定转差率s_N；（3）定子绕组为星形和三角形联结时的额定电流I_N和起动电流I_st；（4）额定转矩T_N、起动转矩T_st和最大转矩T_m。

解：（1）因n_N=1430r/min，所以其同步转速n₁=1500r/min，磁极对数

（2）额定转差率

（3）求I_N和I_st。

星形联结：电源线电压应为380V。

三角形联结：电源线电压应为220V。

（4）求T_N、T_st和T_m。

T_st=1.4T_N=1.4×30.05N·m=42.07N·m

T_m=1.8T_N=1.8×30.05N·m=54.09N·m

1.1.5 三相异步电动机的起动、反转、制动和调速

一、起动

电动机从接通电源开始转动，转速逐渐上升直到稳定运转状态，这一过程称为起动。电动机能够起动的条件是起动转矩T_st必须大于负载转矩T_L。

电动机在刚接通电源瞬间，n=0，s=1，旋转磁场切割转子的相对速度最大，转子电路的感应电动势和感应电流最大，因此定子电流也必然最大，此瞬间定子线电流称为起动电流或堵转电流，用I_st表示。一般中小型笼型三相异步电动机的起动电流为额定电流的5～7倍。

通常情况下，电动机的起动时间很短（中小型电动机为1～3s），电流随转速上升而很快下降，因此，只要不是频繁起动的电动机，不会因起动而过热。但是过大的起动电流会在电源线路上产生较大的电压降落，影响同一变压器供电的其他负载的正常工作，例如：电灯突然变暗，其他电动机的电磁转矩突然下降等。

综上所述，实际中应根据电动机的起动转矩、起动电流和电网电源的要求，采用适当的起动方法。常用的起动方法有以下几种。

1.直接起动（全压起动）

直接起动就是采用刀开关或接触器直接将额定电压加到电动机上。这种起动方法的优点是简单、经济和起动快。缺点是由于起动电流很大，起动瞬间会造成电网电压的突然下降。一台电动机能否直接起动，要根据电力管理部门的规定，如果电动机和照明负载共用一台变压器供电，则规定电动机起动时引起的电网电压降不能超过额定电压的5%；若电动机由独立的变压器供电，如果电动机起动频繁，则其功率不能超过变压器容量的20%，如果电动机不经常起动，则其功率只要不超过变压器容量的30%即可。

一般30kW以下的笼型异步电动机可考虑采用直接起动。

2.减压起动

功率较大的电动机，直接起动时起动电流太大，对电网影响较大，应采用减压起动来限制起动电流。常用的减压起动方法有如下几种。

（1）星形-三角形换接起动法 星形-三角形换接起动法简记为 -△起动法。 -△起动法适用于正常工作时定子绕组是三角形联结的笼型异步电动机，如图1-18a所示。

起动时，先将三相手动刀开关QS合上接通电源，然后将开关QS₂合上，使电动机定子绕组接成星形，如图1-18b所示，这样定子绕组只承受额定电压的1/3起动；当电动机达到一定转速时，再将开关QS₂断开，将QS₃合上，使电动机定子绕组换接为三角形，如图1-18c所示，电动机在额定电压下运行。

设三相定子绕组三角形联结直接起动时的起动电流为I_st△，星形联结起动时的起动电流为I_st ，每相等效阻抗为|Z|，电源电压为U₁，则有

由于电磁转矩与定子绕组电压的二次方成正比，所以星形-三角形换接起动时的起动转矩也减小为三角形联结直接起动时的 ，即

由以上分析可知，采用 -△起动可以使起动电流减小至直接起动的 ，但同时起动转矩也降低至直接起动的 。因此， -△起动法只适用于空载或轻载起动。

此部分仅列出示意图，具体控制电路见下一章。

（2）自耦减压起动 自耦减压起动是利用三相自耦变压器减压起动，自耦变压器上备有3组抽头，输出不同的电压（例如为电源电压的80%、60%、40%），供用户选用。这种方法的优点是使用灵活，不受定子绕组接线方式的限制，缺点是设备笨重、投资大，不允许频繁起动。自耦减压起动的专用设备称为起动补偿器。

图1-19为自耦减压起动电路示意图。

起动时，先将QS₁合上接通三相电源，然后将QS₂合到“起动”位置，降低电压起动，待电动机转速升高后，再将QS₂合到“运行”位置，将自耦变压器从电源脱离，进入全压

图1-18 -△起动电路

图1-19 自耦减压起动电路

运行。

应该指出，采用自耦变压器减压起动，在减小起动电流的同时，起动转矩也会减小，如果选择的自耦变压器的降压比为K′（K′＜1），则起动电流和起动转矩都为直接起动的（K′）2倍。

（3）软起动法 前几种起动方法，电动机在起动时都将受到不同程度的冲击，且对电网的影响不能完全克服。随着电力电子技术和微机控制的发展，目前，一种性能优良的软起动控制器已经问世，并得到迅速推广。

软起动控制器采用了现代电力电子技术及先进的微机控制技术，其实质是一个由大功率电力电子器件控制的电子交流调压器。在电动机起动过程中，可按用户期望的起动特性，对电动机电压、电流进行自动控制，使其平滑可靠地完成起动过程。软起动器与电动机的接线图如图1-20所示。

软起动控制器通常有限流起动和限压起动两种起动模式。

图1-20 软起动器与电动机的接线

限流起动模式的起动过程如图1-21所示。电动机在这种起动模式下起动时，软起动控制器的输出电流从零迅速增加，直到输出电流达到设定的电流限幅值I_m，然后在保证输出电流不大于该值的情况下，电压逐渐升高，电动机逐渐加速，最后达到稳定工作状态，输出电流为电动机负载工作电流I_L。电流限幅值可根据实际负载情况设定为额定电流值的1.5～4倍。图1-21还表示出在负载一定时，I_m选得小，起动时间较长；反之，起动时间较短。

限压起动模式的起动过程如图1-22所示，电动机在限压模式下起动时，软起动控制器的输出电压从U₀开始逐渐升高直至额定电压U_N。其初始电压U₀及起动时间t₁可根据负载情况和工艺要求进行设定，以获得满意的电压上升率。在该模式下，电动机可平滑地起动，避免电动机转速冲击，做到起动时对电网电压的冲击最小。

图1-21 限流起动模式的起动过程

图1-22 限压起动模式的起动过程

电动机停车时，可直接断电停车，也可利用软起动控制器使输出电压逐渐平滑地减小至零，使电动机无机械应力地缓慢停车，称为软停车。软起动和软停车可以降低大型水泵起、停时产生的“水锤”现象，减少对管道的损坏。

软起动控制器还兼有对电动机的过电流、过电压、过载和断相等保护功能，因此得到日益广泛的应用。

3.绕线转子电动机的起动方法

绕线转子电动机可以采用在转子回路中串接电阻的起动方法。这样既可以限制起动电流，同时又增大了起动转矩，如图1-14所示。因此，对要求起动转矩较大的生产机械，例如起重机、锻压机等常采用绕线转子电动机拖动。

【例1-2】 一台40kW的三相异步电动机，其额定电压U_N=380V，额定功率因数λ_N=cosφ_N=0.88，效率η_N=0.9，T_st/T_N=1.8，I_st/I_N=7，n_N=1450r/min，现接到电压为380V的三相电源上。试求：（1）该电动机应做何种接法？（2）直接起动时的起动电流和起动转矩是多少？（3）采用 /△转换法起动时起动电流和起动转矩是多少？当负载转矩为额定转矩T_N的80%和50%时，电动机能否起动？

解：（1）按题意，该电动机应做三角形联结。

负载转矩T_L为额定转矩的80%时，可得

T_L=0.8T_N=0.8×263.4N·m=210.7N·m＞158.1N·m

即T_L＞T_st ，故电动机不能起动。

当负载转矩T_L′为额定转矩的50%时，可得

T_L′=0.5T_N=0.5×263.4N·m=131.7N·m＜158.1N·m

即T_L′＜T_st ，故电动机可以起动。

二、反转

异步电动机的旋转方向与定子绕组的电流相序一致。因此，若使电动机反转只需任意调换电源与电动机的两相接线即可。图1-23为变换电动机旋转方向的接线图。开关QS₁接通电源，QS₂为转换开关，将QS₂置于“正转”位置时，电动机的定子绕组端线U、V、W分别与电源L1、L2、L3相接，设电动机顺时针方向旋转。将QS₂置于“反转”位置时，电动机端线U、V、W分别与电源L2、L1、L3相接，即将L1相与L2相调换，使定子绕组电流相序为逆时针方向排序，所以电动机也逆时针方向旋转。

三、制动

阻止电动机转动，使之减速或停车的措施称为制动。

电动机及其拖动的生产机械具有惯性，电动机切断电源之后，并不能立即停转。因此在要求电动机迅速停转或准确停在某一位置，以满足工艺要求，缩短辅助工时和保障安全时，都需要采取制动措施。

图1-23 变换电动机旋转方向的接线图

制动措施有机械制动和电气制动两大类。

机械制动是利用机械摩擦力给电动机施加制动转矩，使电动机停车。常用的方法是采用电磁制动器即制动电磁铁制动。

电气制动有以下几种方式。

1.能耗制动

当电动机与交流电源断开后，立即给定子绕组通入直流电流，如图1-24a所示，将开关QS由“运行”位置转换到“制动”位置，这样将建立一个静止的磁场，而电动机由于惯性作用继续沿原方向转动。由法拉第电磁感应定律可知，转子导体切割直流磁场将产生感应电流，这个转子电流与静止磁场相互作用产生的电磁转矩将阻止转子转动，如图1-24b所示，使电动机迅速停车。这种制动过程中，将转子的动能转换为电能，再消耗在转子绕组电阻上，所以称为能耗制动。能耗制动的优点是制动平稳，但需要直流电源。

2.反接制动

反接制动是在电动机停车时，将其所接的三根电源线中任意两根对调，如图1-25所示，开关QS由上方（运行）合到下方（制动），使电源相序改变会产生与原来方向相反的电磁转矩，这对由于惯性作用仍沿原方向旋转的电动机起到制动作用。当电动机转速接近零时，利用测速装置及时将电源自动切断，否则电动机将反转。

图1-24 能耗制动电路接线图

图1-25 反接制动电路接线图

由于反接制动时，转子以n+n₁的速度切割旋转磁场，因而定子及转子绕组中的电流较正常运行时大十几倍，为保护电动机不致过热烧毁，反接制动时应在定子电路中串入电阻限流。

3.发电反馈制动

当起重机载物下降时，由于物体的重力加速度作用，会导致电动机的转速n大于旋转磁场的转速n₁，电动机产生的转矩将是与转向相反的制动转矩。实际上电动机已进入发电运行状态，将负载的位能转换成电能反馈到电网中去，所以称为发电反馈制动。

四、交流异步电动机的调速

电动机的调速就是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电路参数，使电动机的转速改变，以满足生产过程的要求。

长期以来，由于直流电动机具有优良的调速性能，所以，在传动领域一直是直流调速系统占主导地位。但是，直流电动机在结构上采用换向器和电刷，因此，存在转速和容量受限、不适合用于易燃和易爆等环境恶劣的地方且故障率高等缺点。随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，异步电动机的调速技术已经有了很大提高，性能上完全可以与直流机相媲美，加之异步电动机结构上的优势，所以近年来得到迅速推广和应用。

由异步电动机的转速公式

可见，改变异步电动机转速的方法有：改变转差率s、改变磁极对数p和改变电源频率f₁，下面分别讨论。

1.变极对数调速

笼型异步电动机可采用改变极对数的方法进行有级调速。如前讲述，异步电动机的磁极对数取决于定子绕组的布置和连接方式。笼型多速异步电动机的定子绕组是特殊设计和制造的，可以通过改变外部连接方式来改变磁极对数p，使异步电动机的同步转速 改变，达到调节转速的目的。常见的多速电动机有双速、三速、四速几种。

2.改变转差率调速

在绕线转子异步电动机转子电路中串入可调电阻，改变转子电路电阻R₂，可改变异步电动机的机械特性，使同一转矩下的转差率变化，达到调节转速的目的。

这种调速方法广泛应用于起重设备中，其优点是设备简单，投资少；缺点是功率损耗较大，运行效率低。

3.变频调速

变频调速是通过改变笼型异步电动机定子绕组的供电频率f₁，来改变同步转速n₁而实现调速的。如果能均匀地改变供电频率f₁，则电动机的同步转速n₁及电动机的转速n可以平滑地改变。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，其特点是调速范围大、稳定性好、运行效率高。目前已有多种系列的通用变频器推向市场，由于使用方便、可靠性高且经济效益显著，因此得到广泛应用。

通用变频器的原理框图如图1-26所示。其工作原理是：首先将工频交流电通过整流器转换为直流电，再由逆变器将直流电转换成频率可调的交流电。通用变频器输出上限频率有120Hz和400Hz两种。

图1-26 通用变频器的原理框图

五、变频调速的基本控制方式

在对异步电动机进行调速时，总希望电动机的主磁通保持额定值不变。这是因为：若磁通太弱，铁心利用率不充分，在同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；若磁通太强，则可能造成电动机的磁路过饱和，使励磁电流大大增加，这将使电动机的功率因数降低，铁心损耗剧增。因此磁通过高、过低都会给电动机带来不良后果。

三相异步电动机定子每相绕组的感应电动势为

E₁=4.44f₁N₁Φ （1-29）

由此式可知，Φ的数值是由E₁和f₁共同决定的。

当异步电动机采用改变频率f₁调速，从额定转速向下调速，即f₁＜f_1N时，为了保持磁通量Φ恒定不变，就要求在降低频率f₁的同时也降低E₁的数值，使E₁/f₁=C（常数）。这种控制方式称为恒磁通控制方式。当电动机的主磁通Φ保持不变时，转子电路参数和电磁转矩都将保持恒定不变，所以这种控制方式又称为恒转矩控制方式。在这种工作方式下，电动机变频降速后的人为机械特性与其在额定频率工作时的机械特性相似，如图1-27下半部分所示，在基频以下，不同频率时的机械特性相互平行，且最大电磁转矩不变。

但E₁的大小很难直接控制，一般采用近似方法，即在转速下调不多时，忽略掉较小的定子绕组压降，用定子绕组电压U₁代替E₁，即认为U₁≈E₁。用U₁/f₁=C（常数）来控制磁通基本不变，在降低频率f₁的同时也降低定子绕组电压U₁。这种控制方式称为VVVF方式。

在VVVF控制方式下，当频率调至较低时，电动势E₁与电源电压U₁都变小，则定子绕组压降不可忽略，如果仍按图1-27中曲线1（U₁/f₁=C）的关系调速，则不能保证Φ恒定，使低速时电动机的机械特性变软，T_m也变小。因此在低速情况，可以采取措施适当提高电源电压U₁以补偿定子绕组压降的影响，使磁通Φ基本保持不变，如图1-27中曲线2所示，这是一种近似实现E₁/f₁=C的变频调速方式。通用变频器中，U₁与f₁的关系函数有很多种，可根据负载性质和运行状况加以选择。

采用变频调速使电动机运行在额定转速以上时，定子绕组电流的频率将大于额定频率，即f₁＞f_1N。但由于定子绕组电压U₁受额定电压U_1N的限制不能再升高，只能保持U₁=U_1N不变。这必然会使磁通Φ随电动机转速上升而减小，输出转矩也随之下降，但输出功率可以维持近似不变，这种调速方式称为恒功率调速方式。如图1-27上半部分所示，在这种恒压弱磁变频调速方式下，电动机的机械特性较软。

图1-27所示为恒转矩、恒功率两种调速方式下电压U₁、转矩T与转速n及频率的关系。

在实际应用中，可根据不同负载的需要，采用不同的调速方式。例如，在车床控制中，车刀的进给运动可看作是恒转矩运动，则应采用恒转矩调速，而车床的主轴则希望采用恒功率调速（低速时负载力矩大，高速时负载力矩小）。

另外，风机、水泵等负载的转矩与转速的二次方成正比，功率则与转速的3次方成正比，因此这类负载最适合采用恒转矩调速方式，可获得显著的节能效果。

图1-27 变频调速特性曲线

异步电动机采用以上的调速方式，动态性能指标仍不够理想，这是因为，异步电动机定子电流由励磁电流和有效工作电流两部分组成，在调速过程中，两部分相互干扰，单靠外部检测很难将它们区分开来，这是造成异步电动机动态性能较差的主要原因。

而在直流电动机中，励磁电流和电枢电流是相互独立的，互不干扰，直流电动机的转矩和磁通与电枢电流成正比，故可以实现转矩的快速调节，具有良好的动态性能。

如果将异步电动机中的定子电流分解为励磁电流和有效转矩电流两个相互垂直的分量，就可以像直流电动机调速一样，获得良好的动态性能。这就是所谓异步电动机的矢量控制方式，是近年来交流异步电动机变频调速技术的一项重大成果。

矢量控制是一种高性能异步电动机变频调速方法，它将异步电动机三相坐标下的定子电流i₁，i₂、i3通过三相到二相坐标变换，等效成两相静止坐标系下的电流i_α1、i_β1。通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流I_m1、I_t1（I_m1相当于直流电动机的励磁电流，I_t1相当于与转矩成正比的电枢电流），这样就可以模仿直流电动机的控制方法，求得控制量，再经过相应的坐标逆变换，实现对异步电动机的矢量控制。实践证明矢量控制可以获得类似直流调速系统的动态性能，特别是低频工作性能得到显著的改善，可以满足各种设备对调速系统的要求。

在矢量控制方法的基础上，20世纪90年代又推出了直接转矩控制变频技术，这种方法是在定子坐标系中分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机变换成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。这种调速系统性能良好，但低速动态性能稍差，在电力机车的大功率交流传动和机床交流伺服传动领域展现出良好的应用前景。