三相异步电动机的应用及使用方法

5.3　三相异步电动机的使用

5.3.1　异步电动机的铭牌和技术数据

5.3.1.1　铭牌

电动机外壳上都有铭牌，标有这台电动机的额定值，以便按所规定的数值使用，现就图5-12所示铭牌实例简述主要项的内容含义。

1.型号　电动机型号是电动机类型、规格等的代号。国家标准（GB2288-78）规定，电动机产品型号用汉语拼音大写字母及国际通用符号和阿拉伯数字组成（例如：Y112M-4，YR115-6）。按顺序包括产品名称代号、规格代号等。

我国目前生产的异步电动机的产品名称代号及其汉字意义摘录于表5-2之中。

表5-2　异步电动机产品名称代号

电动机型号中的规格代号用中心高（转轴中心至安装平台表面的高度）、铁芯外径、机座号、机座长度代号、铁芯长度代号、极数等来表示。例如，112M-4，“112”表示中心高为112mm，“M”表示中机座（如为长机座用“L”，短机座用“S”），“4”表示此电动机的旋转磁场有4个磁极。又如，115-6，其含义为11号机座、5号铁芯、6极。

2.额定电压U_1N　额定电压指电动机在额定运行时的定子绕组线电压（有效值），它同定子绕组“接法”有对应关系。图5-12所示铭牌表明，U_1N=380V，定子绕组接成三角形。在Y系列电动机中，U_1N均为380V，容量在3.0kW以下的接成星形，4.0kW以上的接成三角形。

3.额定电流I_1N　额定电流指电动机在额定电压下满载运行时的定子绕组线电流（有效值），图5-12所示铭牌表明，I_1N=8.8A。

4.额定功率P_N　额定功率指电动机在额定电压下，电流达到额定值时轴上输出的机械功率。图5-12所示铭牌表明，P_N=4.0kW。

5.额定频率f_N　额定频率指电动机额定运行时的频率，应与电源频率一致。我国工频为50Hz，图5-12所示铭牌也标明为50Hz。

6.额定转速n_N　额定转速指电动机额定运行时的转速。图5-12所示铭牌表明，n_N=1440r/min。

7.绝缘等级　铭牌上所标的绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时允许的极限温度来分级的，有Y、A、E、B、F、H、C几个等级。各级极限温度如表5-3所示。所谓极限温度，是指电动机绝缘结构中最热点的最高容许温度。

表5-3　绝缘材料的耐热分级和极限温度

8.工作制铭牌上的“工作制”又叫做“定额”，按规定分为“连续”（代号为“S1”）、“短时”（代号为“S2”）和“断续”（代号为“S3”）等。“连续”工作制含义为该电动机可以按铭牌上的额定功率长时间连续运转，而温升不会超过容许值。

5.3.1.2　技术数据

在选择和使用电动机时，往往要查产品目录或电工手册，了解比铭牌还要多一些的技术数据，如表5-4所示。

表5-4　异步电动机技术数据举例

表5-4所列电动机的额定数据是制造厂对电动机的每个电量或机械量所规定的数值。有些量（如电流、功率等）与所带动的机械负载的大小有关，它的额定值就是允许的满载值，因此“满载运行”也就是“额定运行”。下面分别说明。

“满载时的效率”是电动机的额定输出机械功率P_N与定子额定输入电功率P_1N的比值，符号为η_N，即

式（5-14）中的cosφ_N就是“满载时的（定子电路）功率因数”。表5-4所列技术数据当然符合上述关系式，如

对于U_1N=380V的三相异步电动机，上面I_1N计算公式的分母数值约为500，可得

I_1N≈2P_N

即额定电流值约为其额定功率值（千瓦数）的2倍，叫做“一千瓦，两安培”。在选用电动机时，可按上述口诀估算电流，以便选配开关和导线。

“额定转矩”是电动机在额定运行时轴上的输出转矩。轴上机械功率P等于转矩T和角速度ω的乘积，故

式中，P的单位为W,n的单位为r/min。通常电动机P_N的单位为kW，故额定转矩T_N为

表5-4列举的电动机的额定转矩为

表5-5摘录了常用的Y系列电动机部分型号的技术数据以供选用。其中4极电动机的型号摘录了0.55～90kW共19个功率等级中的10个等级。

表5-5　Y系列三相异步电动机（部分型号）技术数据

5.3.2　三相异步电动机的启动、调速、反转和制动

5.3.2.1　三相异步电动机的启动

三相异步电动机接上电源，从静止状态开始转动起来，升速直到稳定运行点，并以某一速度稳定运行的过程称为电动机的启动。

对电动机启动的要求主要有：①启动电流I_ST≤（4～7）I_N。②启动转矩I_ST≥（1.1～1.2）T_L。③启动时间尽可能短。

异步电动机在启动瞬间，转速n=0，相当于堵转状态，转子是静止的，此时定子与转子电流均达到最大值，为额定电流的4～7倍。由于一般异步电动机的启动时间都很短，多在几秒之内，对于不频繁启动的电动机，短时启动电流的发热不会影响电动机。但对频繁启动的电动机，会出现热量累积，使电动机过热受损。除此之外，启动的冲击电流还会影响供电网络，造成供电电网的电压降落，影响供电网络中的其他用电设备，因此要限制电动机的启动电流。

普通的异步电动机直接投入电网启动时，往往不能满足启动要求，因为它的启动电流大，而启动转矩并不大。特别是在带负载启动的情况下，更难满足要求。因此，除小容量异步电动机能直接启动外，通常采用降压启动；绕线式异步电动机采用转子串联电阻的方法启动。

1.直接启动在供电变压器容量允许的情况下，采用闸刀开关或接触器把电动机的定子绕组直接接到额定电压的电网上启动，称为直接启动，也称全压启动。

直接启动的优点是操作简单，不需要附加启动设备，启动时间短；缺点是启动电流大。直接启动一般只用于7.5kW以下的小容量异步电动机。

2.降压启动鼠笼式异步电动机不能采用直接启动时，可采用降低电压的办法来减小启动电流。但是由式（5-11）可知，启动转矩T_ST与电源电压U₁2成正比，所以，当定子端电压下降时，启动转矩也减小了。这说明降压启动只适用于对启动转矩要求不高的场合。下面介绍几种常用的降压启动的方法。

（1）Y-△换接启动：对于正常运行时，定子绕组为△连接的异步电动机，启动时，可将定子绕组接成Y连接而使每相绕组的电压下降到的正常运行电压。当电动机转速上升到一定程度后，再换接为△连接进入正常运行。图5-13所示为电动机Y-△启动接线。定子绕组每相阻抗为｜Z｜，电源额定电压为U₁，当采用△连接直接启动时的线电流为

采用Y连接降压启动时，每相绕组的相电压

线电流为

比较式（5-17）与式（5-18）可得

可见，Y-△降压启动的电流是△连接直接启动时启动电流的。

由于启动转矩TST与电源电压U1²成正比，采用Y-△启动时，启动电压降压为U1，启动转矩也将随之下降到直接启动时启动转矩的。

由以上分析看出，采用Y-△降压启动来限止启动电流的同时，必须同时牺牲启动转矩。因此，这种启动方法只适用于空载或轻载启动。

Y-△启动的优点是：启动方法简单可靠，价格低，因此在轻载启动的条件下，应优先考虑Y-△启动。

（2）自耦变压器降压启动：三相异步电动机采用自耦变压器降压启动的接线如图5-14所示。

启动用自耦变压器通常有3个抽头，输出不同的电压（例如分别为电源电压的55%、64%、73%），可根据启动时的要求进行选择。

启动时，先将开关S₂推到“启动位置”，使自耦变压器原方绕组接在三相电源上，而电动机定子绕组接于自耦变压器所选定的副方绕组上，此时电动机得到的启动电压低于电源电压。待电动机转速升高到接近额定转速后，将开关S₂推到“运行”位置，并同时脱开自耦变压器，使电动机进入正常运行。

自耦降压启动时启动电压下降到U′ST，直接启动时启动电压为U_ST=U_N，两电压的关系为自耦变压器原副绕组的匝数比。

启动电流与启动电压成正比，所以有

其中I′_ST2为自耦变压器副方绕组中的启动电流。

自耦变压器原、副方绕组中的启动电流关系为

电源所提供的启动电流I′_ST=I′_ST1，与直接启动时启动电流的比值为

因启动转矩T_ST与外加电压的平方成正比，所以自耦降压的启动转矩T′ST与直接启动的启动转矩T_ST之比为

分析可知，采用自耦降压启动，其启动电流和启动转矩会同时减小，因此这种启动方法只能空载或轻载启动，适用于容量较大的或正常运行绕组为Y连接，不能采用Y-△方法启动的三相异步电动机启动。(https://www.xing528.com)

3.转子串联电阻启动　绕线式异步电动机可采用转子串联适当启动电阻的方法启动，启动接线如图5-15所示，通过滑环和电刷将启动变阻器与转子绕组串联，外接启动电阻可限制启动电流，同时提高启动时电路的功率因数，使启动转矩得以提高。

启动时，将变阻器调至最大串入转子电路，随着转速的升高，逐级减小转子电阻，直至全部切除，转子绕组短接，电动机进入正常运行。

转子串联电阻启动的主要优点是启动转矩大；启动过程中功率因数高；启动电阻还能兼作调速电阻。这种启动方法可用于启动频繁和要求重载启动的生产机械上，如起重机、卷扬机等。

绕线式异步电动机还有转子串频繁变阻器启动的方法。频繁变阻器是一个三相铁芯线圈，其阻值是随转子绕组感应电势的频率而变化的，启动时电阻最大，随着转速的升高，转子频率下降，频繁变阻器的电阻也随之减小。正常运行时，转子频率很低，频繁变阻器的电阻很小，可串在电路中不必切除。

【例5-3】一台鼠笼式三相异步电动机，P_N=35kW，△连接运行，U_N=380V,I_N=72A,cosφ=0.85，n_N=1450r/min,I_ST/I_N=6，K_S=1.2，λ=2.2，启动时负载转矩为T_L=80N·m，供电系统要求I_ST＜180A，试问：（1）电动机能否直接启动?（2）电动机能否采用Y-△启动?（3）若采用有55%、64%、73%三种抽头的自耦降压启动，应选用哪个抽头?

解：（1）电动机的启动要求为

T_ST≥1.1T_L，I_ST＜180A

电动机的额定转矩

直接启动的启动转矩

T_ST=K_ST_N=1.2×230.52=276.62N·m＞1.1T_L=1.1×80

=88N·m

直接启动电流

I_ST=6I_N=6×72=432A＞180A

启动转矩虽然比负载转矩大，但启动电流大于供电系统要求的限定电流，所以不能采用直接启动。

（2）采用Y-△降压启动，启动转矩为

启动电流为

启动转矩和启动电流都能满足启动要求，所以可采用Y-△启动。

（3）自耦降压启动时，启动转矩和启动电流分别为

1）55%：T_ST1=（0.55）²T_ST=（0.55）²×276.6=83.6N·m＜88N·m

I_ST1=（0.55）²I_ST=（0.55）²×432=130.68A＜180A

2）64%：T_ST2=（0.64）²×276.6=113.3N·m＞88N·m

I_ST2=（0.64）²×432=176.95A＜180A

3）73%：T_ST3=（0.73）²×230.52=147.41N·m＞88N·m

I_ST3=（0.73）²×432=230.21A＞180A

可见只有采用64%的抽头，启动转矩和启动电流才都能满足启动要求。而55%的抽头启动转矩过小，不能满足要求；73%的抽头启动电流过大，不能满足要求。

5.3.2.2　三相异步电动机的调速

1.笼型异步电动机的调速　前面讲的异步电动机的转速因负载转矩改变略有下降是电动机在额定电压下本身固有的自然机械特性，“调速”则指的是根据所带工作机械的需要，通过改变电动机的外部电源条件或内部绕组连接以得到不同的人工（或人为）机械特性，从而改变电动机和工作机械的转速。例如轧钢机、造纸机、金属切削机床，提升机（包括电梯）、大小电机车等，都要求电动机在较宽的范围内连续、平滑（无级）地调节转速，以满足生产工艺或运行过程的需要和提高生产率。

由于普通笼型异步电动机在工频（50Hz）电源供电时的转速是固定的，因此，除了可变极对数p的多速异步电动机用于分挡（有级）调速的某些机床等设备外，一般只用于恒速拖动机械。对于上述的变速拖动机械，过去普遍采用便于调速的直流电动机。

20世纪60年代以后，晶闸管等大功率可控半导体器件和变流技术发展起来，提供了各种实用和高效的静止变频电源，使笼型异步电动机变频调速（n≈n₁随f改变）在生产上得到推广应用。70年代以来，随着大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，应用近代交流调速理论，采用微机控制的异步电动机调速系统在技术性能、可靠性和价格上都可以与直流电动机调速系统媲美，并已逐步取而代之。

此外，为了节电，由笼型异步电动机拖动恒速运转的大量的风机和泵也要求通过电动机的调速来调节流量，以消除原来通过调节挡风板或节流阀来减少流量时耗电量并不相应减少所造成的电能浪费。

总之，交流电动机的调速已是当今世界上正在发展和推广的一项电工新技术。

（1）改变磁极对数调速：改变笼型异步电动机定子绕组的接线方式可以改变旋转磁场的极对数，因为极对数是成倍的变化，所以只能是有级调速。以极数比为2:4的双速电动机为例，图5-16中画出了它的U相绕组改变接线方式的情况，当U₁U′2绕组由U₁U₂和U′1U′2串联组成时，如图（a）所示，产生4极磁场，同步转速n₁=1500r/min；若U₁U₂绕组改由U₁U₂和U′2U′1并联组成时，如图（b）所示，将产生2极磁场，n₁=3000r/min。也有极数比为4:6：8或2:4：8的三速电动机，还有定子槽中装有两套分别使用的绕组因而可以得到4个速度的电动机。多速电动机属YD系列（老代号为JD、JDO），它们的尺寸比同容量普通笼型异步电动机稍大，性能稍差，出线头较多（要多装换接开关），价格较贵，用于机床可使齿轮变速箱结构简化，有一定的经济效益。

（2）变频调速：实现无级变频调速需要有频率连续可调的变频设备，一般采用图5-17所示晶闸管（或其他半导体器件）交-直-交电压源型变频器[图5-17（a）]或交-直-交电流源型变频器[图5-17（b）]，整流器将50Hz工频交流电整流成直流电，逆变器则将直流电变成频率（f）和电压（U₁）可调的三相交流电，然后向电动机供电。电压源型变频器在直流回路中并联大电容，使之具有电压源的特性；电流源型变频器在直流回路中串联大电感，使之具有电流源的特性。此外还有将50Hz工频交流电直接变成频率（f）可调但低于工频的三相交流电的交-交型变频器，如图5-17（c）所示。

2.绕线式异步电动机的转子电路串接调速电阻调速和串级调速

（1）串接调速电阻调速：绕线式异步电动机可以采用改变转子电路附加电阻的方法进行调速，如图5-18（a）所示。改变滑动触点的位置，即改变附加电阻的阻值，就可以得到不同的稳定转速，其机械特性曲线如图5-18（b）所示。

由于转子电路加电阻后，人工机械特性变软，损耗加大，效率降低，调速范围一般限制在3:1。用于起重运输机械等设备。

（2）串级调速：指在转子电路中通过整流器和逆变器串接附加反电动势代替附加电阻，将原来消耗于附加电阻的电能输送回交流电网。随着晶闸管等大功率半导体器件和交流调速技术的发展，串级调速已是广泛应用的比较成熟的新技术，在我国工厂、矿山也得到了推广应用，调速电动机的单机容量已达数千千瓦。

5.3.2.3　三相异步电动机的反转

异步电动机转子的旋转方向与旋转磁场的转向相同，如前文所述，只要将电动机与电源相连的三根导线中的任意两根对调就可以使旋转磁场反转，从而使转子反转。图5-19所示的是用三刀双投开关实现电动机正反转的接线原理。

5.3.2.4　三相异步电动机的制动

在电力拖动系统中，许多生产机械要求频繁启动、停机，如各种机床、起重设备、电动机车等。因惯性作用，电动机断电后会持续转动一定时间才能停止，为了保证工作安全，提高工作效率，大多数生产机械都要求电动机能迅速停机，因此须对电动机进行制动。电动机的制动方法有机械制动和电磁制动2种，机械制动是利用电磁机械抱闸来实现，制动时抱闸将电动机转子轴抱紧；电磁制动是使电动机产生一个反向的制动性电磁转矩，去平衡惯性转矩实现制动。

1.能耗制动　能耗制动是在电动机切断三相交流电源的同时，将定子的二相绕组引线接一直流电源，如图5-20所示。直流电流产生一恒定磁场，换接后，由于惯性作用，转子顺原方向继续转动，并切割磁力线。根据右手螺旋定则和左手螺旋定则，不难判定转子绕组的载流导体与恒定磁场的相互作用所产生的转矩方向与转子的旋转方向相反，该转矩起制动作用。制动转矩的大小由所通入的直流电流的大小和转子回路中附加电阻的大小决定，制动过程中原系统储存的动能主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中，因此这种制动方法得名为“能耗制动”。该方法的优点是制动平稳、准确，能耗小，但需要直流电源。

2.反接制动　反接制动时，改变电动机任意两相的接线，使电动机的旋转磁场改变方向，反向的旋转磁场与转子载流导体相互作用，产生一个与转子转向相反的制动转矩，如图5-21所示，电动机转速迅速下降。

反接制动的优点是操作简单，制动效果好，在一些频繁正、反转的生产机械中常采用反接制动。但是反接制动时，由于磁场反转，使转子的相对速度增大为n₁+n，转子绕组中的感应电动势和电流也很大，能耗较大，因此对较大功率的电动机采用反接制动时，为了限流，必须在定子电路（鼠笼式）或转子电路（绕线式）中串联一个大电阻。制动过程中，当转速下降接近于零时应及时切断电源，否则电动机会反向启动。

3.发电回馈制动　当电动机转子转速n大于同步转速n₁时，转子绕组与旋转磁场的相对运动方向将反向，这时所产生的电磁转矩也是一制动转矩，其作用是使电动机的转速下降。例如：起重机下放重物；电动机变极调速向低速调节时都会出现n＞n₁的情况。制动过程中，电动机将一部分能量回送给电网，相当于工作在发电机状态。

5.3.3　三相异步电动机的选择

电力拖动系统中，三相异步电动机应用最为广泛，选择合适的电动机可获得良好的技术指标，使设备得到充分利用而达到较高的效率。电动机选择的主要内容有电动机的种类、转速和功率。

1.种类的选择　种类的选择首先考虑电动机的性能应满足生产机械的要求，如启动、调速等指标；其次再优先选择结构简单、价格便宜、运行可靠和维修方便的电动机，这些方面鼠笼式异步电动机优于绕线式异步电动机。

大部分生产机械如水泵、通风机、普通机床等，都没有特殊要求，可选用普通的鼠笼式异步电动机。启动转矩要求较大的机械，如皮带运输机、搅拌机等，可选用高启动转矩的深槽或双笼型异步电动机。而频繁启动、制动且有调速要求的生产机械，如起重机、压缩机、轧钢机等，可选用绕线式异步电动机。

有些对调速性能要求高的生产机械，如龙门刨床、高精度数控机床、造纸机等，可选用直流电动机拖动。在一些特殊环境下（如潮湿、有粉尘、有易燃易爆气体等），须选用封闭式异步电动机或防爆式异步电动机。

2.转速的选择　额定功率相同的电动机，转速越高，体积越小，造价越低。所以电动机转速的选择原则是尽可能接近所拖动生产机械的转速，以减少调速传动系统的功率损耗，提高传动效率。

3.功率的选择　选择电动机时，功率的选择是最为重要的。选择的主要依据是所拖动的机械负载的功率。主要考虑的问题有电动机的发热、过载能力和启动能力3个方面，而发热又最重要。功率选择过小，电动机易过载发热损坏。功率选择过大，电动机不能得到充分利用，效率低。因此，电动机的额定功率应选为

式中，η₁为生产机械的效率；η₂为电动机与生产机械之间的传动效率，直接连接时，η₂=1，有传动系统时，η₂＜1。

4.电动机电压的选择　电动机电压等级要和供电电压一致，一般说来，100kW以下的小型交流电动机的额定（线）电压为380V，中、大型的为3000V、6000V。例如Y系列鼠笼式电动机只有380V一个等级，JS系列双鼠笼式电动机和JR系列绕线式电动机则都有380V、3000V和6000V三个等级。

实际工作中，在电动机的类型和容量（额定功率）选定以后，电压等级便大致已定，然后再根据便于取得的电源电压做出决定。

除此之外，还应同时考虑电动机的工作方式。电动机的工作方式可分为3类：①连续工作方式。②短时工作方式。③周期性断续工作方式。可根据生产机械的有效工作时间长短进行选择。