三相交流非同步電動機

三相非同步電動機主要由定子和轉子構成，定子是靜止不動的部分，轉子是旋轉部分，在定子與轉子之間有一定的氣隙。

定子由鐵心、繞組與機座三部分組成。轉子由鐵心與繞組組成，轉子繞組有鼠籠式和線繞式。鼠籠式轉子是在轉子鐵心槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅端環上而組成；線繞式轉子繞組與定子繞組一樣，由線圈組成繞組放入轉子鐵心槽里。鼠籠式與線繞式兩種電動機雖然結構不一樣，但工作原理是一樣的。

三相非同步電動機的工作原理是基於定子旋轉磁場（定子繞組內三相電流所產生的合成磁場）和轉子電流（轉子繞組內的電流）的相互作用。

當定子的對稱三相繞組連接到三相電源上時，繞組內將通入對稱三相電流，並在空間產生旋轉磁場，磁場沿定子內圓周方向旋轉，當磁場旋轉時，轉子繞組的導體切割磁通將產生感應電動勢E，由於電動勢E的存在，轉子繞組中將產生轉子電流I。根據安培電磁力定律，轉子電流與旋轉磁場相互作用將產生電磁力F（其方向由左手定則定），該力在轉子的軸上形成電磁轉矩，且轉矩的作用方向與旋轉磁場的旋轉方向相同，轉子受此轉矩作用，便按旋轉磁場的旋轉方向旋轉起來。但是，轉子的旋轉速度n恆比旋轉磁場的旋轉速度n（稱為同步轉速）小，因為如果兩種轉速相等，轉子和旋轉磁場沒有相對運動，轉子導體不切割磁通，便不能產生感應電動勢和電流，也就沒有電磁轉矩，轉子將不會繼續旋轉。因此，轉子和旋轉磁場之間的轉速差是保證轉子旋轉的主要因素。

T-S的曲線圖如下力圖左；T-n的曲線圖如下圖右，即為電動機的機械特性曲線。

在機械特性圖中，存在兩個工作區：穩定運行區和不穩定運行區。在機械特性曲線的AB段，當作用在電動機軸上的負載轉矩發生變化時，電動機能適應負載的變化而自動調節達到穩定運行，故為穩定區。機械特性曲線的BC段，因電動機工作在該區段時其電磁轉矩不能自動適應負載轉矩的變化，故為不穩定區。

短路是由於絕緣損壞、接線錯誤等原因導致電流從非正常路徑流過的現象。瞬時短路電流可能達到電機額定電流的幾十倍甚至上百倍，如果不能及時切斷電源，則有可能造成電機不可修復的損壞，還有可能導致觸電、火災等危險。短路保護應該滿足以下要求：一是必須在很短的時間內切斷電源；二是當電機正常啟動、制動時，保護裝置不應誤動作。

常用的短路保護裝置有熔斷器和斷路器。

過電流是指電動機的工作電流超過其額定值，如果時間久了，就會使電機過熱損壞電機，因此需要採取保護措施。

過電流時，電流仍由正常路徑流通，其值比短路電流值要小。過電流一般是由於負載過大或是啟動不正確。為了避免影響電動機正常工作，過電流保護動作值應該比正常啟動電流略大一些。

過電流保護也要求保護裝置能瞬時動作。過電流保護一般採用過電流繼電器。

電動機過載是指其工作電流超過額定值使繞組過熱。引起過載的原因很多，如負載的突然增加、電源電壓降低、電動機軸承磨損等。

過載與過流類似，但也有差別。主要的不同在於動作效應的不同。過電流是由電磁效應來引發保護裝置動作，針對電流的瞬時大小；而過載保護則是由電流的熱效應，即電流對時間的累積結果來引發保護裝置動作。一般情況下同一電路中，過載保護動作電流值要比過電流小，而這兩者又均比上面提到的短路保護動作電流值小。值得注意的是，短路保護、過電流保護和過載保護是不能互相代替的。

過載保護應採用熱繼電器或電動機保護器作為保護元件。

如果電動機在正常工作時突然掉電，那麼在電源電壓恢復時，就可能自行啟動，造成人身事故或機械設備損壞。為防止電壓恢復時電動機的自行啟動或電器元件自行投入工作而設置的保護，稱為失壓保護。採用接觸器和按鈕控制電動機的啟動制動就具有失壓保護功能。如果正常工作中電網電壓消失，接觸器會自動釋放而切斷電動機電源。

電動機或電器元件在有些應用場合，當電網電壓降到額定電壓的60%－80%時，就要求能自動切除電源而停止工作，這種保護稱為欠電壓保護。電動機在電網電壓降低時，其轉速、轉矩都將降低甚至堵轉。在負載一定的情況下，一方面電動機電流增大，而其增加副度還不足以使熔斷器和熱繼電器動作，因此必須要採取欠壓保護措施。

除了利用接觸器本身的欠電壓保護作用之外，還可以採用低壓斷路器或專門的電磁式電壓繼電器來進行欠電壓保護，其方法是將電壓繼電器線圈跨接在電源上，其動合觸頭串接在接觸器控制迴路中。當電網電壓低於指定值時，電壓繼電器動作使接觸器釋放。

當由於某種原因使得電動機電源電壓超過其額定值時，電動機的定子電流增大，使電動機發熱增多，時間久了就會造成電動機損壞。如果電壓比額定值高很多，則電動機定子電流就會超出額定值許多而可能燒壞電機。因此，需要進行過電壓保護。

最常見的過電壓保護裝置是過電壓繼電器。電源電壓一旦過高，過電壓繼電器的常閉觸頭就立即動作，從而控制接觸器及時斷開電源。過電壓繼電器的動作電壓整定值一般可為電動機額定電壓的1.05－1.2倍。

非同步電動機在正常運行時，如果電源任一相突然斷路，電動機就處於斷相運行。此時電動機實際上是在單相電源下運行，電動機定子電流會增大，轉速要下降甚至會堵轉，時間一長就會燒壞電機。實踐表明，斷相運行是使電動機損壞的主要原因之一，因此應進行斷相保護。

引起電動機斷相運行的原因很多，如熔斷器一相熔體燒斷，電動機繞組一相斷路、一相接觸不良或鬆脫，電源一相線路斷開等，其中尤以熔斷器一相燒斷的情況最為常見。斷相運行時，線路電流和電動機繞組連接因斷相形式不同而不同；電動機負載越大，故障電流也越大。斷相運行時，通常可以根據電流或電壓發生的變化特徵檢測出斷相信號來構成斷相保護裝置。

斷相保護有很多方法，如下：

1）用帶斷相保護的熱繼電器

2）採用電壓繼電器

3）採用欠電流繼電器

4）斷絲電壓保護

5）採用專門為斷相運行而設計的斷相保護繼電器

一般情況下，電動機工作的接線順序是有規定的，如果由於某種原因，導致相序發生錯亂，電動機將無法正常工作甚至損壞。相序保護就是為了防止這類事故發生。

相序保護可採用相序繼電器，當電路中相序與指定相序不符時，相序繼電器將觸發動作，切斷控制電路的電源從而達到切斷電動機電源、保護電動機的目的。

工作原理：

由電阻R1～R3、電容C1和氖泡NB組成三相交流電相序檢測電路。由於C1的移相作用，當電源按圖中A、B、C相序接入時，氖泡發光，而逆相序如A、C、B接入時，氖泡則不亮。當按下啟動按鈕QA時，交流電經C2降壓、VD1和VD2整流、DW穩壓及C3濾波后得到12V直流電壓，加在由繼電器K、光敏電阻CDS和開關管V組成的保護執行電路上。如果此時相序為A、B、C順序，則氖泡發光，與氖泡封裝在一起的CDS受光照后呈現很低的阻抗，V便得到基極偏流而導通，K吸合，K1接通交流接觸器C的控制迴路，C吸合，電動機啟動運轉。反之，如為逆相序，則氖泡不亮，K不吸合，K1斷開，電動機便不能被啟動。由此而達到保護目的。

在電動機電流沒有超過額定值時，由於通風不良、環境溫度過高、啟動次數過於頻繁等原因，電動機也會過熱。這種情況下用以上的過流保護或過載保護都不能解決問題，因此需要直接反映溫度變化的熱保護器。

溫度保護通常可採用溫度繼電器。溫度繼電器主要有雙金屬片和熱敏電阻式兩種，它們都被直接埋置在發熱部位。

溫度保護與過載保護都是利用溫度來觸發保護，但並不完全相同。過載保護是因為電流長時間超出額定值使得繼電器升溫觸發保護；而溫度保護是由於散熱不良，環境溫度過高等因素使得電機過熱從而觸發保護。溫度保護被觸發時，電動機中的電流值有可能是正常的，因此過載保護不一定會起作用。溫度保護與過載保護也是不能互相替代的。

為了防止直接接觸電擊事故和間接接觸電擊事故，防止電氣線路或電氣設備接地故障引起電氣火災和電氣設備損壞事故，低壓配電系統應該具有漏電保護裝置。

漏電保護根據工作零線是否穿過電流感應器，分為零序電流保護和剩餘電流保護。零序電流保護與剩餘電流保護的基本原理都是基於基爾霍夫電流定律：流入電路中任一節點的複電流的代數和等於零。不同之處是，零序電流保護檢測的是各相線中電流的矢量和，而剩餘電流保護檢測的是各相線還有零線中的電流矢量和。

理論上來說，三相線負載平衡且電路正常工作的情況下，各相線電流矢量和應該為零。但是在實際的產品製造中，由於生產工藝、使用條件及電源品質等因素的制約，理想的三相完全平衡的負載不大可能存在，其三相電流的矢量和不為零而且很容易達到漏電保護器的動作電流值例如30mA。因此，“負載三相平衡”這個概念只具理論意義。

1.啟動控制

三相非同步電動機從接通電源開始運轉，轉速逐漸上升直到穩定運轉狀態，這一過程稱為啟動。按照啟動方式不同，它可以分為直接啟動和降壓啟動。

直接啟動的啟動電流大，對供電變壓器影響較大，容量較大的鼠籠非同步電動機一般都採用降壓啟動。降壓啟動就是將電源電壓適當降低后，再加到電動機的定子繞組上進行啟動，待電機啟動結束或將要結束時，再使電動機的電壓恢復到額定值。這樣做的目的主要是為了減小啟動電流，但是因為降壓，電動機的啟動轉矩也將降低。因此，降壓啟動僅適用於空載或輕載啟動。

1）直接啟動

i.採用開關直接啟動：採用開關直接啟動的電路僅適用於不頻繁啟動的小容量電動機，它不能實現遠距離控制和自動控制，也不能實現零壓、欠壓和過載保護。

ii.採用接觸器點動控制：採用接觸器點控制電路，可控制容量稍大或者啟動頻繁的電動機，並且實現“一點就動，鬆開不動”的功能。

iii.採用接觸器長動控制：採用接觸器長動控制的電動機，在按下啟動按鈕后，電動機開始運轉，因為具有自鎖觸點，所以如果想讓電機停轉，必須按下停止按鈕。

iv.長動與點動混合控制：如果電動機既要點動控制，又要連續運轉控制，那麼可以結合一下，採用三個按鈕和自鎖觸點，實現點動與長動運轉控制。

2）降壓啟動

i.定子繞組串電阻（電抗器）降壓啟動：電動機啟動時，在三相定子電路中串入電阻，使電動機定子繞組電壓降低，限制了啟動電流，待電動機轉速上升到一定值后，將電阻切除，使電動機在額定電壓下穩定運行。

ii.星形三角形降壓啟動：

星形三角形降壓啟動是指電動機啟動時，把定子繞組接成星形，以降低啟動電壓，限制啟動電流；待電動機啟動后，再把定子繞組改接成三角形，使電動機從起運行。凡是在正常運行時定子繞組做成三角形連接的非同步電動機，均可用這種降壓方法。電動機啟動時，接成Y形，加在每相定子繞組上的啟動電壓只有三角形接法的，啟動電流為三角形接法的1/3，啟動轉矩也只有三角形接法的1/3。所以這種降壓啟動方法，只適用於輕載或空載下啟動。

iii.自耦變壓器降壓啟動：

自耦降壓啟動是在啟動時將電源電壓加在自耦變壓器的原邊繞組上，電動機的定子繞組與自耦變壓器的副邊繞組連接，當電動機的轉速達到一定值時，將自耦變壓器切除，電動機直接與電源相接，在正常電壓下運行。

在交流非同步電動機的諸多調速方法中，變頻調速的性能最好，其特點是調速範圍大、穩定性好、運行效率高。

2.正反轉控制

根據電機學原理，只要把接到三相非同步電動機的三相交流電源線中的任意兩相對調，即可以實現反轉。

正反轉控制方法主要有以下四種：

1)手動控制

2)接觸器互鎖控制

3)按鈕互鎖控制

4)接觸器與按鈕雙重互鎖控制

3.制動控制

三相電動機在切斷電源后，由於慣性，總要經過一段時間才能完全停止。有時候，要求電機在斷電后能迅速停止運轉，這就需要對電動機進行制動。

制動方法大致可分機械制動和電氣制動兩類。常用的機械制動裝置有電磁抱閘和電磁離合器兩種。電氣制方法有反接制動、能耗制動、回饋制動和電容制動等。

1)反接制動控制線路

反接制動是將運動中的電動機電源反接（即將任意兩根線接法交換）以改變電動機定子繞組中的電源相序，從而使定子繞組的旋轉磁場反射，轉子受到與原旋轉方向相反的制動力矩而迅速停轉。

在這種制動方式中，有一個問題值得注意：當電機轉速接近零時，如不及時切斷電源，則電動機將會反向旋轉。為此必須採取相應措施保證當電機轉速被制動到接近零時迅速切斷電源防止其反轉。一般的反接制動控制線路中常利用速度繼電器進行自動控制。

2)能耗制動控制線路

能耗制動控制電路是當電動機停車后，立即在電動機定子繞組中通入兩相直流電源，使之產生一個恆定的靜止磁場，由運動的轉子切割該磁場后，在轉子繞組中產生感應電流。這個電流又受到靜止磁場的作用產生電磁力矩，產生的電磁力矩的方向正好與電動機的轉向相反，從而使電動機迅速停轉。應用較多的有變壓器橋式整流單向運轉能耗制動。能耗制動的優點是制動準確能量消耗小，衝擊小；缺點是需附加直流電源，制動轉矩小。

4.變頻調速控制

調速就是指讓電動機在同一負載下能得到不同的轉速，以滿足實際需要。改變電動機轉速有三種可能：一是變頻調速，二是變極調速，三是變轉差率調速。