第二節(jié) 交流電動機及其控制
交流電動機有異步電動機和同步電動機兩類。前者轉子的轉速和負載有關，和電源頻率無關；后者轉子與電源頻率有嚴格的比例關系。
異步電動機按定子相數的不同有單相異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。三相異步電動機由于其結構簡單、運行可靠、效率高、成本低而被廣泛應用于工農業(yè)生產中。
一、三相異步電動機的基本結構
三相異步電動機由定子和轉子兩個基本部分組成。
（一）定子
定子是電動機固定部分，作用是用來產生旋轉磁場。它主要由定子鐵芯、定子繞組和機座等組成。
1.定子鐵芯。定子鐵芯由互相絕緣的硅鋼片疊成圓筒形狀，內圓周表面有均勻分布的槽，用來安放三相繞組。
2.定子繞組。定子繞組由許多線圈連接而成。線圈由帶有絕緣的銅導線或鋁導線繞制而成。三相定子繞組的三個首端和三個末端分別接在電動機出線盒的6個接線柱上。
3.機座。用來安裝定子鐵心和固定端蓋。固定整個電機。
（二）轉子
轉子是電動機轉動部分，由轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸等部件組成。其作用是在旋轉磁場作用下獲得轉動力矩。
按照構造的不同，轉子分為鼠籠式和繞線式兩種。
1.鼠籠式轉子。這種轉子用銅條安裝在轉子鐵芯槽內，兩端用端環(huán)焊接，形狀像鼠籠。
對于中、小功率的電動機（100kW以下）目前大部分采用鑄鋁方式。將轉子線槽內的導體、兩端環(huán)和風扇鑄成一個整體。
鼠籠式異步電動機結構簡單，工作可靠，使用維護方便，因而得到廣泛應用。
2.繞線式轉子。繞線式轉子的繞組和定子繞組相似，但三相繞組連接成星形，三根端線連接到裝在轉軸上的三個銅滑環(huán)上，通過一組電刷與外電路相連接。
【提示】轉子繞組中的電流是感應電流，而非外界直接接入的三相電。
特點：可以通過滑環(huán)和電刷，將附加電阻接入轉子電路，從而改善起動性能和調節(jié)轉速。氣隙厚度多在0.2mm~1.5mm之間。氣隙過大，需要較大的勵磁電流，從而降低電動機的功率因數。
【例題·單選題】下列關于鼠籠式三相異步電動機的表述中，正確的是（?。?。
A.其定子由鐵芯和定子繞組組成
B.三相定子繞組的首端、末端分別接在出線盒的接線柱上
C.三相定子繞組的首端連接在一起，末端分別接線盒的接線柱上
D.功率較大的電動機（100kW以上），其鼠籠轉子多采用鑄鋁材料
『正確答案』B
『答案解析』定子由定子鐵芯、定子繞組和機座組成，所以選項A不正確；選項B正確，選項C就不正確了，定子繞組可以有不同的接法，并不僅僅局限于星形接法（注意這里和繞線式異步電動機轉子繞組接法相區(qū)別）；功率較小的電動機（100kW以下），其鼠籠轉子多采用鑄鋁材料。
【例題·單選題】（2007年）定、轉子繞組都為三相繞組的電動機是（?。?。
A.鼠籠式三相異步電動機
B.繞線式三相異步電動機
C.直流他勵電動機
D.同步電動機
『正確答案』B
『答案解析』三相異步電動機的繞組均為三相繞組，但是鼠籠式三相異步電動機的轉子是用銅條焊接而成的“鼠籠”，而非繞組。直流電動機中的繞組接通的是直流電，而非三相交流電，所以不是三相繞組。
二、三相異步電動機的工作原理
基本原理：通入定子繞組的三相電流共同產生的合成磁場隨著電流的交變而在空間不斷地旋轉，稱為旋轉磁場。旋轉磁場切割轉子鐵芯槽中的導體，在閉合的導體中產生電流，轉子導體電流與旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩而使轉子旋轉。
需要解決的兩個問題：轉子如何受力（分析轉子繞組）；旋轉磁場如何產生（分析定子繞組）。
轉子如何受力：1.在旋轉磁場的作用下，轉子繞組的導體中會產生感應電流，方向有右手定則判定；2.感應電流在磁場中，會受力，力的方向用左手定則判定。
【拓展】右手定則判斷感應電流。方法是：伸開右手，使大拇指跟其余四個手指垂直并且都跟手掌在一個平面內，把右手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，大拇指指向導體運動方向，則其余四指指向感應電流的方向。
左手定則判斷受力方向。方法是：伸開左手,讓磁感線穿入手心（手心對準N極，手背對準S極），四指指向電流方向，那么大拇指的方向就是導體受力方向。
三相異步電動機的三相定子繞組U1－U2、V1－V2、W1－W2以Y形（星形）聯接方式與三相電源相接，便有對稱電流流入?！咀⒁狻恳韵路治龅氖嵌ㄗ永@組。
在ωt＝0的瞬間，定子繞組中電流的方向：U相電流為零；
V相電流自V2流向V1；
W相電流自W1流向W2。
將各相電流產生的磁場相加得到合成磁場，其方向由上向下。
【拓展】通電直導線中的安培定則：用右手握住通電直導線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向。
【例題·多選題】下列關于三相異步電動機的敘述中，正確的是（?。?。
A.定子繞組通入三相交變電流會產生旋轉磁場
B.旋轉磁場的轉速與電源頻率有關
C.旋轉磁場磁極對數越多則旋轉磁場的轉速越高
D.在額定負載下，轉子轉速總是低于旋轉磁場轉速
E.空載運行時，轉差率接近于1
『正確答案』ABD
『答案解析』旋轉磁場的轉速n＝60f/P，所以磁極對數越多，旋轉磁場轉速越低；空載運行時，轉差率約等于0，起動時，轉差率等于1。
【例題·單選題】（2007年）按中國標準生產的6磁極三相異步電動機，采用50Hz交流電源供電。若額定轉速為965r／min，則轉差率為（?。?。
A.O.03
B.O.035
C.0.04
D.0.045
『正確答案』B
『答案解析』旋轉磁場的轉速＝60f/P＝60×50/3＝1000（r/min），轉差率S＝（1000－965）/1000＝0.035，特別注意，這里告訴的是6個磁極，是3對磁極。
【例題·單選題】（2009年）三相異步電動機在起動的最初瞬間，其轉差率（?。?。
A.S≈0
B.0.01＜S＜0.06
C.0.1＜S＜0.6
D.S≈1
『正確答案』D
『答案解析』當轉子空載運行時，S≈0；當電動機起動瞬間或嚴重過載而堵轉時，S≈1。
三、三相異步電動機銘牌及主要系列
若電動機按銘牌規(guī)定的方式運行，且在運行中其有關電量和機械量與銘牌上標明的額定值相符，則該電動機的運行情況稱為額定運行。
（一）型號
三相異步電動機型號主要說明電動機的機型、規(guī)格。
【提示】掌握教材中兩個異步電動機的舉例，即Y160L-4和JO2-62-4每個字母和數字代表的含義。
（二）額定值
異步電動機的額定數據主要有：
1.額定功率PN。在額定運行情況下，電動機軸上輸出的機械功率稱為額定功率，單位為kW（千瓦）。
2.額定電壓UN。在額定運行情況下，外加于定子繞組上的線電壓稱為額定電壓，單位為V（伏）或kV（千伏）。
3.額定電流IN。電動機在額定電壓下，軸端有額定功率輸出時，定子繞組線電流，單位為A（安）。
4.額定頻率fN。我國規(guī)定標準工業(yè)用電的頻率為50Hz。
5.額定轉速nN。指電動機在額定運行時電動機的轉速，單位為r/min（轉/分）。
（三）連接方法
電動機出線盒中有六個接線柱，分上下兩排用金屬連接板可以把三相定子繞組接成星形（Y形）或三角形（△形）。定子繞組結成星型還是三角形，視定子每相繞組的額定電壓和電源線電壓而定。
星形接法是把三個末端連接在一起，三角形接法是首尾相接。
【提示】
星形連接：相電流等于線電流，但相電壓不等于線電壓，相電壓= 線電壓。
三角形連接：相電壓等于線電壓，但相電流不等于線電流，相電流= 線電壓。
【結論1】當線電壓為380V時，若定子繞組每相繞組額定電壓為220V，應該用星形連接；若定子繞組每相繞組額定電壓為380V，應該用三角形連接。
【結論2】對于Y系列電動機（鼠籠式異步電動機），功率在4kW以上時，其電壓為380V，采用三角形連接；功率在4kW以下時，其電壓為380/220V、Y/△ 是指線電壓為 380V 時采用Y聯結；線電壓為 220V 時采用△聯結（這種表示方式下，定子繞組的額定相電壓為220V）。
（四）絕緣等級和溫升
絕緣等級是指電動機所用絕緣材料的耐熱等級，分A、E、B、F等級。常用B級絕緣材料的允許溫度為120℃左右。
允許溫升是指電動機的溫度與周圍環(huán)境溫度相比升高的限度。例如B級絕緣的電動機溫升為80℃（環(huán)境溫度以40℃為標準）。
（五）工作方式
表示電動機的運行方式，可分為連續(xù)、短時、斷續(xù)三種。
【例題·單選題】（2008年）下列關于三相異步電動機型號“YR160L—4”的說明中，錯誤的是（?。?。
A.YR－－繞線式異步電動機
B.160－－機座中心高度為160mm
C.L－－長機座
D.4－－磁極對數為4
『正確答案』D
『答案解析』4表示的是磁極數，而非磁極對數。
【例題·單選題】（2009年）下列我國生產的交流異步電動機四個系列產品中，（?。┫盗袨槎嗨偈蠡\式三相異步電動機。
A.Y
B.J2、L02、J02－L
C.JD2、JD02
D.JR
『正確答案』C
『答案解析』JD2、JD02系列分別是從J2、J02派生出來的防護式和封閉式多速鼠籠式三相異步電動機。
【例題·單選題】下列關于異步電動機額定數據的敘述中，錯誤的是（?。?。
A.在額定運行情況下，電動機軸上輸出的機械功率稱為額定功率
B.在額定運行情況下，外加于定子繞組上的線電壓稱為額定電壓
C.在額定電壓下，定子繞組的線電流稱為額定電流
D.在額定運行情況下，電動機的轉速稱為額定轉速
『正確答案』C
『答案解析』在額定電壓下，軸端有額定功率輸出時，定子繞組的線電流稱為額定電流。
交流電動機有異步電動機和同步電動機兩類。前者轉子的轉速和負載有關，和電源頻率無關；后者轉子與電源頻率有嚴格的比例關系。
異步電動機按定子相數的不同有單相異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。三相異步電動機由于其結構簡單、運行可靠、效率高、成本低而被廣泛應用于工農業(yè)生產中。
一、三相異步電動機的基本結構
三相異步電動機由定子和轉子兩個基本部分組成。
（一）定子
定子是電動機固定部分，作用是用來產生旋轉磁場。它主要由定子鐵芯、定子繞組和機座等組成。
1.定子鐵芯。定子鐵芯由互相絕緣的硅鋼片疊成圓筒形狀，內圓周表面有均勻分布的槽，用來安放三相繞組。
2.定子繞組。定子繞組由許多線圈連接而成。線圈由帶有絕緣的銅導線或鋁導線繞制而成。三相定子繞組的三個首端和三個末端分別接在電動機出線盒的6個接線柱上。
3.機座。用來安裝定子鐵心和固定端蓋。固定整個電機。
（二）轉子
轉子是電動機轉動部分，由轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸等部件組成。其作用是在旋轉磁場作用下獲得轉動力矩。
按照構造的不同，轉子分為鼠籠式和繞線式兩種。
1.鼠籠式轉子。這種轉子用銅條安裝在轉子鐵芯槽內，兩端用端環(huán)焊接，形狀像鼠籠。
對于中、小功率的電動機（100kW以下）目前大部分采用鑄鋁方式。將轉子線槽內的導體、兩端環(huán)和風扇鑄成一個整體。
鼠籠式異步電動機結構簡單，工作可靠，使用維護方便，因而得到廣泛應用。
2.繞線式轉子。繞線式轉子的繞組和定子繞組相似，但三相繞組連接成星形，三根端線連接到裝在轉軸上的三個銅滑環(huán)上，通過一組電刷與外電路相連接。
【提示】轉子繞組中的電流是感應電流，而非外界直接接入的三相電。
特點：可以通過滑環(huán)和電刷，將附加電阻接入轉子電路，從而改善起動性能和調節(jié)轉速。氣隙厚度多在0.2mm~1.5mm之間。氣隙過大，需要較大的勵磁電流，從而降低電動機的功率因數。
【例題·單選題】下列關于鼠籠式三相異步電動機的表述中，正確的是（?。?。
A.其定子由鐵芯和定子繞組組成
B.三相定子繞組的首端、末端分別接在出線盒的接線柱上
C.三相定子繞組的首端連接在一起，末端分別接線盒的接線柱上
D.功率較大的電動機（100kW以上），其鼠籠轉子多采用鑄鋁材料
『正確答案』B
『答案解析』定子由定子鐵芯、定子繞組和機座組成，所以選項A不正確；選項B正確，選項C就不正確了，定子繞組可以有不同的接法，并不僅僅局限于星形接法（注意這里和繞線式異步電動機轉子繞組接法相區(qū)別）；功率較小的電動機（100kW以下），其鼠籠轉子多采用鑄鋁材料。
【例題·單選題】（2007年）定、轉子繞組都為三相繞組的電動機是（?。?。
A.鼠籠式三相異步電動機
B.繞線式三相異步電動機
C.直流他勵電動機
D.同步電動機
『正確答案』B
『答案解析』三相異步電動機的繞組均為三相繞組，但是鼠籠式三相異步電動機的轉子是用銅條焊接而成的“鼠籠”，而非繞組。直流電動機中的繞組接通的是直流電，而非三相交流電，所以不是三相繞組。
二、三相異步電動機的工作原理
基本原理：通入定子繞組的三相電流共同產生的合成磁場隨著電流的交變而在空間不斷地旋轉，稱為旋轉磁場。旋轉磁場切割轉子鐵芯槽中的導體，在閉合的導體中產生電流，轉子導體電流與旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩而使轉子旋轉。
需要解決的兩個問題：轉子如何受力（分析轉子繞組）；旋轉磁場如何產生（分析定子繞組）。
轉子如何受力：1.在旋轉磁場的作用下，轉子繞組的導體中會產生感應電流，方向有右手定則判定；2.感應電流在磁場中，會受力，力的方向用左手定則判定。
【拓展】右手定則判斷感應電流。方法是：伸開右手，使大拇指跟其余四個手指垂直并且都跟手掌在一個平面內，把右手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，大拇指指向導體運動方向，則其余四指指向感應電流的方向。
左手定則判斷受力方向。方法是：伸開左手,讓磁感線穿入手心（手心對準N極，手背對準S極），四指指向電流方向，那么大拇指的方向就是導體受力方向。
三相異步電動機的三相定子繞組U1－U2、V1－V2、W1－W2以Y形（星形）聯接方式與三相電源相接，便有對稱電流流入?！咀⒁狻恳韵路治龅氖嵌ㄗ永@組。
在ωt＝0的瞬間，定子繞組中電流的方向：U相電流為零；
V相電流自V2流向V1；
W相電流自W1流向W2。
將各相電流產生的磁場相加得到合成磁場，其方向由上向下。
【拓展】通電直導線中的安培定則：用右手握住通電直導線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向。
【例題·多選題】下列關于三相異步電動機的敘述中，正確的是（?。?。
A.定子繞組通入三相交變電流會產生旋轉磁場
B.旋轉磁場的轉速與電源頻率有關
C.旋轉磁場磁極對數越多則旋轉磁場的轉速越高
D.在額定負載下，轉子轉速總是低于旋轉磁場轉速
E.空載運行時，轉差率接近于1
『正確答案』ABD
『答案解析』旋轉磁場的轉速n＝60f/P，所以磁極對數越多，旋轉磁場轉速越低；空載運行時，轉差率約等于0，起動時，轉差率等于1。
【例題·單選題】（2007年）按中國標準生產的6磁極三相異步電動機，采用50Hz交流電源供電。若額定轉速為965r／min，則轉差率為（?。?。
A.O.03
B.O.035
C.0.04
D.0.045
『正確答案』B
『答案解析』旋轉磁場的轉速＝60f/P＝60×50/3＝1000（r/min），轉差率S＝（1000－965）/1000＝0.035，特別注意，這里告訴的是6個磁極，是3對磁極。
【例題·單選題】（2009年）三相異步電動機在起動的最初瞬間，其轉差率（?。?。
A.S≈0
B.0.01＜S＜0.06
C.0.1＜S＜0.6
D.S≈1
『正確答案』D
『答案解析』當轉子空載運行時，S≈0；當電動機起動瞬間或嚴重過載而堵轉時，S≈1。
三、三相異步電動機銘牌及主要系列
若電動機按銘牌規(guī)定的方式運行，且在運行中其有關電量和機械量與銘牌上標明的額定值相符，則該電動機的運行情況稱為額定運行。
（一）型號
三相異步電動機型號主要說明電動機的機型、規(guī)格。
【提示】掌握教材中兩個異步電動機的舉例，即Y160L-4和JO2-62-4每個字母和數字代表的含義。
（二）額定值
異步電動機的額定數據主要有：
1.額定功率PN。在額定運行情況下，電動機軸上輸出的機械功率稱為額定功率，單位為kW（千瓦）。
2.額定電壓UN。在額定運行情況下，外加于定子繞組上的線電壓稱為額定電壓，單位為V（伏）或kV（千伏）。
3.額定電流IN。電動機在額定電壓下，軸端有額定功率輸出時，定子繞組線電流，單位為A（安）。
4.額定頻率fN。我國規(guī)定標準工業(yè)用電的頻率為50Hz。
5.額定轉速nN。指電動機在額定運行時電動機的轉速，單位為r/min（轉/分）。
（三）連接方法
電動機出線盒中有六個接線柱，分上下兩排用金屬連接板可以把三相定子繞組接成星形（Y形）或三角形（△形）。定子繞組結成星型還是三角形，視定子每相繞組的額定電壓和電源線電壓而定。
星形接法是把三個末端連接在一起，三角形接法是首尾相接。
【提示】
星形連接：相電流等于線電流，但相電壓不等于線電壓，相電壓= 線電壓。
三角形連接：相電壓等于線電壓，但相電流不等于線電流，相電流= 線電壓。
【結論1】當線電壓為380V時，若定子繞組每相繞組額定電壓為220V，應該用星形連接；若定子繞組每相繞組額定電壓為380V，應該用三角形連接。
【結論2】對于Y系列電動機（鼠籠式異步電動機），功率在4kW以上時，其電壓為380V，采用三角形連接；功率在4kW以下時，其電壓為380/220V、Y/△ 是指線電壓為 380V 時采用Y聯結；線電壓為 220V 時采用△聯結（這種表示方式下，定子繞組的額定相電壓為220V）。
（四）絕緣等級和溫升
絕緣等級是指電動機所用絕緣材料的耐熱等級，分A、E、B、F等級。常用B級絕緣材料的允許溫度為120℃左右。
允許溫升是指電動機的溫度與周圍環(huán)境溫度相比升高的限度。例如B級絕緣的電動機溫升為80℃（環(huán)境溫度以40℃為標準）。
（五）工作方式
表示電動機的運行方式，可分為連續(xù)、短時、斷續(xù)三種。
【例題·單選題】（2008年）下列關于三相異步電動機型號“YR160L—4”的說明中，錯誤的是（?。?。
A.YR－－繞線式異步電動機
B.160－－機座中心高度為160mm
C.L－－長機座
D.4－－磁極對數為4
『正確答案』D
『答案解析』4表示的是磁極數，而非磁極對數。
【例題·單選題】（2009年）下列我國生產的交流異步電動機四個系列產品中，（?。┫盗袨槎嗨偈蠡\式三相異步電動機。
A.Y
B.J2、L02、J02－L
C.JD2、JD02
D.JR
『正確答案』C
『答案解析』JD2、JD02系列分別是從J2、J02派生出來的防護式和封閉式多速鼠籠式三相異步電動機。
【例題·單選題】下列關于異步電動機額定數據的敘述中，錯誤的是（?。?。
A.在額定運行情況下，電動機軸上輸出的機械功率稱為額定功率
B.在額定運行情況下，外加于定子繞組上的線電壓稱為額定電壓
C.在額定電壓下，定子繞組的線電流稱為額定電流
D.在額定運行情況下，電動機的轉速稱為額定轉速
『正確答案』C
『答案解析』在額定電壓下，軸端有額定功率輸出時，定子繞組的線電流稱為額定電流。