[科普中国]-三相交流异步电动机

三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域。

基本结构三相异步电动机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙。

定子由铁心、绕组与机座三部分组成。转子由铁心与绕组组成，转子绕组有鼠笼式和线绕式。鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成；线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。鼠笼式与线绕式两种电动机虽然结构不一样，但工作原理是一样的1。

工作原理三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场（定子绕组内三相电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。

当定子的对称三相绕组到三相电源上时，绕组内将通对称三相电流，并在空间产生旋转磁，磁场沿定子内圆周方向旋转，当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电动势E，由于电动势E的存在，转子绕组中将产生转子电流I。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用将产生电磁力F（其方向由左手定则定），该力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩的作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩作用，便按旋转磁场的旋转方向旋转起来。但是，转子的旋转速度n恒比旋转磁场的旋转速度n0（称为同步转速）小，因为如果两种转速相等，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁通，便不能产生感应电动势和电流，也就没有电磁转矩，转子将不会继续旋转。因此，转子和旋转磁场之间的转速差是保证转子旋转的主要因素2。

机械特性T-S的曲线图如下力图左；T-n的曲线图如下图右，即为电动机的机械特性曲线。

在机械特性图中，存在两个工作区：稳定运行区和不稳定运行区。在机械特性曲线的AB段，当作用在电动机轴上的负载转矩发生变化时，电动机能适应负载的变化而自动调节达到稳定运行，故为稳定区。机械特性曲线的BC段，因电动机工作在该区段时其电磁转矩不能自动适应负载转矩的变化，故为不稳定区。

保护电路短路保护短路是由于绝缘损坏、接线错误等原因导致电流从非正常路径流过的现象。瞬时短路电流可能达到电机额定电流的几十倍甚至上百倍，如果不能及时切断电源，则有可能造成电机不可修复的损坏，还有可能导致触电、火灾等危险。短路保护应该满足以下要求：一是必须在很短的时间内切断电源；二是当电机正常启动、制动时，保护装置不应误动作。

常用的短路保护装置有熔断器和断路器。

过流保护过电流是指电动机的工作电流超过其额定值，如果时间久了，就会使电机过热损坏电机，因此需要采取保护措施。

过电流时，电流仍由正常路径流通，其值比短路电流值要小。过电流一般是由于负载过大或是启动不正确。为了避免影响电动机正常工作，过电流保护动作值应该比正常启动电流略大一些。

过电流保护也要求保护装置能瞬时动作。过电流保护一般采用过电流继电器。

过载保护电动机过载是指其工作电流超过额定值使绕组过热。引起过载的原因很多，如负载的突然增加、电源电压降低、电动机轴承磨损等。

过载与过流类似，但也有差别。主要的不同在于动作效应的不同。过电流是由电磁效应来引发保护装置动作，针对电流的瞬时大小；而过载保护则是由电流的热效应，即电流对时间的累积结果来引发保护装置动作。一般情况下同一电路中，过载保护动作电流值要比过电流小，而这两者又均比上面提到的短路保护动作电流值小。值得注意的是，短路保护、过电流保护和过载保护是不能互相代替的。

过载保护应采用热继电器或电动机保护器作为保护元件。

失压保护如果电动机在正常工作时突然掉电，那么在电源电压恢复时，就可能自行启动，造成人身事故或机械设备损坏。为防止电压恢复时电动机的自行启动或电器元件自行投入工作而设置的保护，称为失压保护。采用接触器和按钮控制电动机的启动制动就具有失压保护功能。如果正常工作中电网电压消失，接触器会自动释放而切断电动机电源。

欠压保护电动机或电器元件在有些应用场合，当电网电压降到额定电压的60%－80%时，就要求能自动切除电源而停止工作，这种保护称为欠电压保护。电动机在电网电压降低时，其转速、转矩都将降低甚至堵转。在负载一定的情况下，一方面电动机电流增大，而其增加副度还不足以使熔断器和热继电器动作，因此必须要采取欠压保护措施。

除了利用接触器本身的欠电压保护作用之外，还可以采用低压断路器或专门的电磁式电压继电器来进行欠电压保护，其方法是将电压继电器线圈跨接在电源上，其动合触头串接在接触器控制回路中。当电网电压低于指定值时，电压继电器动作使接触器释放。

过压保护当由于某种原因使得电动机电源电压超过其额定值时，电动机的定子电流增大，使电动机发热增多，时间久了就会造成电动机损坏。如果电压比额定值高很多，则电动机定子电流就会超出额定值许多而可能烧坏电机。因此，需要进行过电压保护。

最常见的过电压保护装置是过电压继电器。电源电压一旦过高，过电压继电器的常闭触头就立即动作，从而控制接触器及时断开电源。过电压继电器的动作电压整定值一般可为电动机额定电压的1.05－1.2倍。

断相保护异步电动机在正常运行时，如果电源任一相突然断路，电动机就处于断相运行。此时电动机实际上是在单相电源下运行，电动机定子电流会增大，转速要下降甚至会堵转，时间一长就会烧坏电机。实践表明，断相运行是使电动机损坏的主要原因之一，因此应进行断相保护。

引起电动机断相运行的原因很多，如熔断器一相熔体烧断，电动机绕组一相断路、一相接触不良或松脱，电源一相线路断开等，其中尤以熔断器一相烧断的情况最为常见。断相运行时，线路电流和电动机绕组连接因断相形式不同而不同；电动机负载越大，故障电流也越大。断相运行时，通常可以根据电流或电压发生的变化特征检测出断相信号来构成断相保护装置。

断相保护有很多方法，如下：

1） 用带断相保护的热继电器

2） 采用电压继电器

3） 采用欠电流继电器

4） 断丝电压保护

5） 采用专门为断相运行而设计的断相保护继电器

相序保护一般情况下，电动机工作的接线顺序是有规定的，如果由于某种原因，导致相序发生错乱，电动机将无法正常工作甚至损坏。相序保护就是为了防止这类事故发生。

相序保护可采用相序继电器，当电路中相序与指定相序不符时，相序继电器将触发动作，切断控制电路的电源从而达到切断电动机电源、保护电动机的目的。

工作原理：

由电阻R1～R3、电容C1和氖泡NB组成三相交流电相序检测电路。由于C1的移相作用，当电源按图中A、B、C相序接入时，氖泡发光，而逆相序如A、C、B接入时，氖泡则不亮。当按下启动按钮QA时，交流电经C2降压、VD1和VD2整流、DW稳压及C3滤波后得到12V直流电压，加在由继电器K、光敏电阻CDS和开关管V组成的保护执行电路上。如果此时相序为A、B、C顺序，则氖泡发光，与氖泡封装在一起的CDS受光照后呈现很低的阻抗，V便得到基极偏流而导通，K吸合，K1接通交流接触器C的控制回路，C吸合，电动机启动运转。反之，如为逆相序，则氖泡不亮，K不吸合，K1断开，电动机便不能被启动。由此而达到保护目的。

温度保护在电动机电流没有超过额定值时，由于通风不良、环境温度过高、启动次数过于频繁等原因，电动机也会过热。这种情况下用以上的过流保护或过载保护都不能解决问题，因此需要直接反映温度变化的热保护器。

温度保护通常可采用温度继电器。温度继电器主要有双金属片和热敏电阻式两种，它们都被直接埋置在发热部位。

温度保护与过载保护都是利用温度来触发保护，但并不完全相同。过载保护是因为电流长时间超出额定值使得继电器升温触发保护；而温度保护是由于散热不良，环境温度过高等因素使得电机过热从而触发保护。温度保护被触发时，电动机中的电流值有可能是正常的，因此过载保护不一定会起作用。温度保护与过载保护也是不能互相替代的。

漏电保护为了防止直接接触电击事故和间接接触电击事故，防止电气线路或电气设备接地故障引起电气火灾和电气设备损坏事故，低压配电系统应该具有漏电保护装置。

漏电保护根据工作零线是否穿过电流感应器，分为零序电流保护和剩余电流保护。零序电流保护与剩余电流保护的基本原理都是基于基尔霍夫电流定律：流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零。不同之处是，零序电流保护检测的是各相线中电流的矢量和，而剩余电流保护检测的是各相线还有零线中的电流矢量和。

理论上来说，三相线负载平衡且电路正常工作的情况下，各相线电流矢量和应该为零。但是在实际的产品制造中，由于生产工艺、使用条件及电源品质等因素的制约，理想的三相完全平衡的负载不大可能存在，其三相电流的矢量和不为零而且很容易达到漏电保护器的动作电流值例如30mA。因此，“负载三相平衡”这个概念只具理论意义2。

控制电路1. 启动控制

三相异步电动机从接通电源开始运转，转速逐渐上升直到稳定运转状态，这一过程称为启动。按照启动方式不同，它可以分为直接启动和降压启动。

直接启动的启动电流大，对供电变压器影响较大，容量较大的鼠笼异步电动机一般都采用降压启动。降压启动就是将电源电压适当降低后，再加到电动机的定子绕组上进行启动，待电机启动结束或将要结束时，再使电动机的电压恢复到额定值。这样做的目的主要是为了减小启动电流，但是因为降压，电动机的启动转矩也将降低。因此，降压启动仅适用于空载或轻载启动。

1） 直接启动

i. 采用开关直接启动：采用开关直接启动的电路仅适用于不频繁启动的小容量电动机，它不能实现远距离控制和自动控制，也不能实现零压、欠压和过载保护。

ii. 采用接触器点动控制：采用接触器点控制电路，可控制容量稍大或者启动频繁的电动机，并且实现“一点就动，松开不动”的功能。

iii. 采用接触器长动控制：采用接触器长动控制的电动机，在按下启动按钮后，电动机开始运转，因为具有自锁触点，所以如果想让电机停转，必须按下停止按钮。

iv. 长动与点动混合控制：如果电动机既要点动控制，又要连续运转控制，那么可以结合一下，采用三个按钮和自锁触点，实现点动与长动运转控制。

2） 降压启动

i. 定子绕组串电阻（电抗器）降压启动：电动机启动时，在三相定子电路中串入电阻，使电动机定子绕组电压降低，限制了启动电流，待电动机转速上升到一定值后，将电阻切除，使电动机在额定电压下稳定运行。

ii. 星形三角形降压启动：

星形三角形降压启动是指电动机启动时，把定子绕组接成星形，以降低启动电压，限制启动电流；待电动机启动后，再把定子绕组改接成三角形，使电动机从起运行。凡是在正常运行时定子绕组做成三角形连接的异步电动机，均可用这种降压方法。电动机启动时，接成Y形，加在每相定子绕组上的启动电压只有三角形接法的，启动电流为三角形接法的1/3，启动转矩也只有三角形接法的1/3。所以这种降压启动方法，只适用于轻载或空载下启动。

iii. 自耦变压器降压启动：

自耦降压启动是在启动时将电源电压加在自耦变压器的原边绕组上，电动机的定子绕组与自耦变压器的副边绕组连接，当电动机的转速达到一定值时，将自耦变压器切除，电动机直接与电源相接，在正常电压下运行。

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。

2. 正反转控制

根据电机学原理，只要把接到三相异步电动机的三相交流电源线中的任意两相对调，即可以实现反转。

正反转控制方法主要有以下四种：

1) 手动控制

2) 接触器互锁控制

3) 按钮互锁控制

4) 接触器与按钮双重互锁控制

3. 制动控制

三相电动机在切断电源后，由于惯性，总要经过一段时间才能完全停止。有时候，要求电机在断电后能迅速停止运转，这就需要对电动机进行制动。

制动方法大致可分机械制动和电气制动两类。常用的机械制动装置有电磁抱闸和电磁离合器两种。电气制方法有反接制动、能耗制动、回馈制动和电容制动等。

1) 反接制动控制线路

反接制动是将运动中的电动机电源反接（即将任意两根线接法交换）以改变电动机定子绕组中的电源相序，从而使定子绕组的旋转磁场反射，转子受到与原旋转方向相反的制动力矩而迅速停转。

在这种制动方式中，有一个问题值得注意：当电机转速接近零时，如不及时切断电源，则电动机将会反向旋转。为此必须采取相应措施保证当电机转速被制动到接近零时迅速切断电源防止其反转。一般的反接制动控制线路中常利用速度继电器进行自动控制。

2) 能耗制动控制线路

能耗制动控制电路是当电动机停车后，立即在电动机定子绕组中通入两相直流电源，使之产生一个恒定的静止磁场，由运动的转子切割该磁场后，在转子绕组中产生感应电流。这个电流又受到静止磁场的作用产生电磁力矩，产生的电磁力矩的方向正好与电动机的转向相反，从而使电动机迅速停转。应用较多的有变压器桥式整流单向运转能耗制动。能耗制动的优点是制动准确能量消耗小，冲击小；缺点是需附加直流电源，制动转矩小。

4. 变频调速控制

调速就是指让电动机在同一负载下能得到不同的转速，以满足实际需要。改变电动机转速有三种可能：一是变频调速，二是变极调速，三是变转差率调速3。

本词条内容贡献者为:

周敏 - 副教授 - 西南大学