2.1　三相交流電動機基本知識

電動機是將電能轉換為機械能的電氣設備。在電力拖動系統中，電動機按使用的電源分類，有直流電動機和交流電動機兩種。在交流電動機中，又有同步電動機和異步電動機的區別。同步電動機的運行轉速與旋轉磁場的轉速相同，而異步電動機的運行轉速則略低于旋轉磁場的轉速。交流電動機按使用的電源相數分為單相電動機和三相電動機。三相交流電動機又可分為籠形電動機和繞線轉子型電動機兩類。按給電動機提供的電源頻率區分，有50Hz的定頻電動機和配套變頻器的變頻電動機。本節介紹三相交流電動機的基本知識。

2.1.1　三相交流籠型異步電動機的基本結構

圖2-1是三相籠型異步電動機的結構圖，它由兩個基本部分組成：一個是固定不動的部分，稱為定子；另一個是旋轉部分，稱為轉子。

（1）定子部分

定子部分（參見圖2-1）由定子鐵芯、定子繞組和機座等組成。機座通常由鑄鐵制成，機座內裝有用0.5mm厚的硅鋼片疊制而成的定子鐵芯。為了減小渦流損耗，疊片間需要進行絕緣處理。一般小容量的電動機由硅鋼片表面的氧化膜絕緣，大容量電動機的硅鋼片間則涂有絕緣漆。定子鐵芯的內圓周上具有均勻分布的定子槽，槽內嵌放三相定子繞組。定子繞組與鐵芯之間墊有足夠絕緣強度的絕緣材料。中小功率的電動機定子繞組一般采用漆包圓銅線或鋁線繞制，大型異步電動機的導線截面積較大，采用矩形截面的表面絕緣的銅線繞制，定子繞組分為三組，作為三相繞組嵌放在定子鐵芯槽內，三相繞組在定子鐵芯內整個圓周空間彼此相隔120°放置，構成對稱的三相繞組，是電動機的電路部分。三相繞組的6個出線端引出后接在置于電動機外殼上的接線盒（見圖2-1中的“4”）內。三相繞組的首端分別叫做U1、V1和W1，其對應的末端分別叫做U2、V2和W2。將接線盒中的6個接線端子進行適當連接，可以得到三相繞組的星形接法或三角形接法。如圖2-2所示。

（2）轉子部分

轉子部分（參見圖2-1）由轉子鐵芯、轉子繞組、轉軸、風扇等部分組成。

轉軸一般由中碳鋼材料制造，它起到支撐、固定轉子鐵芯和傳遞功率的作用。轉子鐵芯由0.5mm厚的圓形硅鋼片疊制而成，是電動機磁路的一部分。疊壓成整體的圓柱形轉子鐵芯套裝在轉軸上。

轉子鐵芯外圓的槽內放置轉子繞組。籠型電動機的轉子繞組如圖2-3所示，圖（a）是忽略了鐵芯時的繞組樣式，它用銅條或鋁條作轉子導體（導條），在導條的兩端用短路環（也稱端環）短接，整個繞組的外形就像一個鼠籠，所以具有這種結構轉子繞組的電動機稱作籠型電動機。

小型異步電動機的籠型繞組用鋁材鑄造而成。制造時，疊好的轉子鐵芯外圓周刻有溝槽，將轉子鐵芯放在鑄鋁的模具內，通過鑄造工藝一次鑄造成籠型繞組和端部的內風扇。鑄造好的籠型轉子外形如圖2-3（b）所示。

除了上述結構部件外，異步電動機還有前端蓋、后端蓋、軸承、風扇、風罩、吊環等，如圖2-1所示。

2.1.2　三相繞線轉子型異步電動機的基本結構

繞線轉子型異步電動機與籠型異步電動機的差別在于轉子繞組，繞線式轉子的鐵芯槽內放置著與定子繞組相類似的三相對稱繞組，這三相繞組的末端在內部接成星形，三相繞組的首端由轉子軸中心引出接到集電環（也稱滑環），經過集電環和電刷在外部串入電阻（啟動、調速時）或經過開關器件短接（正常運行時），如圖2-4所示。

有的繞線轉子型異步電動機還有提刷裝置，在串入外接電阻啟動完畢后，把電刷提起，將三相集電環直接短路，從而減小運行中集電環與電刷的磨損。

2.1.3　變頻電動機簡介

由于近些年來變頻器產品和變頻調速技術的日益普及，國內的電動機生產廠家研制出了許多型號的變頻電動機，這些更適合于與變頻器配套使用的變頻調速三相異步電動機已經廣泛應用于各種傳動機械，例如機床、冶金、石油、化工、醫藥、紡織、橡膠、壓鑄、注塑、印刷、包裝、食品等行業。

變頻電動機可以采用基“頻”制（基于不同額定頻率的電動機）代替基“極”制（基于不同極數、不同額定轉速的電動機），基準頻率可選定25Hz、33.3Hz、50Hz、87Hz，代替傳統的8極、6極、4極、2極50Hz定頻電動機。

變頻電動機采用軸流風機強制通風冷卻，保證電動機在任何轉速下具有良好的散熱，可實現高速或低速運行狀態下的長期安全運行。

2.1.4　三相交流同步電動機簡介

（1）同步電動機基本工作原理

同步電動機是由直流供電的勵磁磁場與電樞的旋轉磁場相互作用而產生轉矩，以同步轉速旋轉的交流電動機。同步電動機的轉子轉速與定子旋轉磁場的轉速相同，其轉子每分鐘轉速n與磁極對數p、電源頻率f之間滿足如下關系，即n=60f/p。電源頻率f與電動機的轉速n成一定的比例關系，故電源頻率一定時，轉速不變，且與負載無關。同步電動機具有運行穩定性高和過載能力大等特點，常用于恒速大功率拖動的場合，例如用來驅動大型空氣壓縮機、球磨機、鼓風機、水泵和軋鋼機等。

同步電動機可以運行在過勵狀態下。其過載能力比相應的異步電動機大。異步電動機的轉矩與定子電源電壓平方成正比，而同步電動機的轉矩決定于定子電源電壓和電機勵磁電流所產生的內電動勢的乘積，即僅與定子電源電壓的一次方成比例。當電網電壓突然下降到額定值的80%左右時，異步電動機轉矩往往下降為額定轉矩的64%左右，并可能因帶不動負載而停止運轉；而同步電動機的轉矩卻下降不多，還可以通過自動強勵來保證電動機的穩定運行。

同步電動機定子繞組與異步電動機相同，但是轉子結構不同于異步電動機，同步電動機的轉子上除了裝有啟動繞組外，還在磁極上繞有線圈，各個磁極的線圈串聯起來構成勵磁繞組，勵磁繞組的兩端接線通過轉子軸上的滑環與電刷跟直流勵磁電源連接。也有無刷同步電動機，結構與此略有差異。同步電動機的轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機。

當在定子繞組通上三相交流電源時，電動機內就產生一個旋轉磁場，轉子上的啟動繞組切割磁力線而產生感應電流，從而電動機旋轉起來。在轉子旋轉的速度達到定子繞組產生的旋轉磁場速度的95%左右時，給轉子勵磁線圈通入直流勵磁電流，這時轉子繞組產生極性恒定的靜止磁場，轉子磁場受定子磁場作用而隨定子旋轉磁場同步旋轉。

定子旋轉磁場或轉子的旋轉方向決定于通入定子繞組的三相電流相序，改變其相序即可改變同步電動機的旋轉方向。

（2）同步電動機的調相功能

同步電機無論用作發電機、電動機或調相機，其基本原理及結構是相同的，只是運行方式不同而已。

同步電動機不帶任何機械負荷空載運行時，調節電動機的勵磁電流可使電動機向電網發出容性或感性的無功功率，用以維持電網電壓的穩定和改善電力系統功率因數。運行在上述狀態的同步電動機稱為同步調相機，而維持電動機空轉和補償各種損耗的功率則須由電力系統提供。調相機一般安裝在負載中心的變電所中。

電力系統中的同步調相機，只從電網吸收少量的有功功率以維持電機空載的有功損耗。如果不計損耗的話，同步調相機是在零電磁功率和零功率因數的情況下運行的。其電樞電流是無功性質的。

同步調相機過勵運行時可以看作是電力系統的一個容性無功負荷。換句話說，若欲使同步調相機向電力系統提供容性無功，則須使其過勵磁。

同步調相機欠勵運行時可以看作是電力系統的一個感性無功負荷。換句話說，若欲使同步調相機向電力系統提供感性無功時，則須使其欠勵磁。

作為無功負荷的同步調相機，其發出無功容量的大小及性質（感性或容性），可以通過調節勵磁電流來實現。

同步電機作調相運行時，稱其為電力系統的無功負荷，或者說向電力系統提供無功容量，其實質含義是一致的。

（3）同步電動機的常用啟動方式

同步電動機僅在同步轉速下才能產生平均的轉矩。如在啟動時將定子繞組接入電網且轉子繞組同時加入直流勵磁，則定子旋轉磁場立即以同步轉速旋轉，而轉子磁場因轉子有慣性而暫時靜止不動，此時所產生的電磁轉矩將正負交變而其平均值為零，故同步電動機不能帶勵啟動。同步電動機的啟動通常采用輔助電動機啟動法、異步啟動法或變頻啟動法等。

①輔助電動機啟動法　 通常選用與同步電動機同極數的感應電動機（容量約為主機的10%～15%）作為輔助電動機，拖動主機到接近同步轉速，再將電源切換到主機定子，并使勵磁電流通入勵磁繞組，將主機牽入同步轉速。

②異步啟動法　 在電動機主磁極極靴上裝設籠型啟動繞組。啟動時，先使勵磁繞組通過電阻短接，而后將定子繞組接入電網。依靠啟動繞組的異步電磁轉矩使電動機升速到接近同步轉速，再將勵磁電流通入勵磁繞組，建立主極磁場，即可依靠同步電磁轉矩，將電動機轉子牽入同步轉速。

③變頻啟動法　變頻啟動近些年也得到廣泛的應用，啟動時，先在轉子繞組中通入直流勵磁電流，利用變頻器逐步升高加在定子上的電源頻率f，使轉子磁極在開始啟動時就與旋轉磁場建立起穩定的磁場吸引力而同步旋轉，在啟動過程中頻率與轉速同步增加，定子頻率達到額定值后，轉子的旋轉速度也達到額定的轉速，啟動完成。

2.1.5　電動機整體結構的防護等級

這里介紹的是國家標準GB/T 4942.1—2006《旋轉電機整體結構的防護等級（IP代碼）分級》的內容摘錄，供電動機運行和維護人員參考。

由于國家標準本身的語言文字是非常嚴謹的，因此以下主要是標準本身的內容，僅在必要時給以解釋和說明。

電動機有時會運行在露天情況下，有時會運行在雨雪風霜甚至水中（例如潛水泵電機），為了保證電動機在任何運行環境中都能安全無故障，應該按照國家標準GB/T 4942.1—2006《旋轉電機整體結構的防護等級（IP代碼）分級》的規定，選擇具有適當整體結構防護等級的電動機。

電動機整體結構的防護等級在上述標準中稱作IP防護等級，該標準是由IEC（國際電工委員會）起草的，IEC的標準號和標準名稱為IEC 60034-5：2000《旋轉電機整體結構的防護等級（IP代碼）分級》。結合國內國情，我國等同采用了IEC的標準，并于2006年公布了最新修訂版的、標準號為GB/T 4942.1—2006的國家標準。標準將電動機依其防塵、防止外物侵入、防濕氣的特性加以分級。IP防護等級的標志由表征字母“IP”及附加在其后的兩位表征數字組成，表征數字中的第一位數字表示電動機防止外物侵入的等級，第二位數字表示電動機防濕氣、防水侵入的密閉程度，數字越大表示其防護等級越高。這里所指的外物含工具、人的手指等，外物均不可接觸到電動機內的帶電部分，以免觸電。

當只需用一位表征數字表示某一防護等級時，被省略的數字應以字母“X”代替，例如IPX5、IP2X。

根據標準要求，表示電機防護等級的表征字母和數字應標在電機的銘牌上，若有困難，可標在外殼上。

（1）防護等級中第一位表征數字的具體含義

第一位表征數字的具體含義如表2-1所示。表中使用的術語“防止”表示能阻止人體某一部分、手持的工具或導體進入外殼，即使進入，也能與帶電或危險的轉動部件（光滑的旋轉軸和類似的部件除外）之間保持足夠的間隙。

（2）防護等級中第二位表征數字的具體含義

第二位表征數字的具體含義如表2-2所示。

（3）第一位表征數字的試驗和認可條件

第一位表征數字的試驗和認可條件按表2-3的規定執行。

（4）第二位表征數字的試驗條件與認可條件

①試驗條件　第二位表征數字的試驗條件按表2-4的規定執行。

試驗應用清水進行。在試驗過程中，殼內的潮氣可能部分凝結，應避免將冷凝的露水誤認為進水。按試驗要求，表面積計算的誤差應不大于10%。

如可能，電機應以額定轉速運行，以機械方式和通電方式均可。在電機通電情況下做試驗時，應采取充分的安全措施。

②認可條件　第二位表征數字的試驗按表2-4的規定試驗結束后，應檢查電機進水情況并作下述檢驗和試驗。

a.電機的進水量應不足以影響電機的正常運行；不是預定在潮濕狀態下運行的繞組和帶電部件應不潮濕，且電機內的積水應不浸及這些部件。

電機內部的風扇葉片允許潮濕；同時，如有排水措施，允許水沿軸端漏入。

b.如電機在靜止狀態下做試驗，應在額定電壓下空載運轉15min后再作耐電壓試驗，其試驗電壓應為新電機試驗電壓的50%，但不應低于額定電壓的125%。

如電機在運轉狀態下做試驗，則可直接作上述耐電壓試驗。

試驗后電機能符合GB 755—2008的要求而無損壞，則認為試驗合格。