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船舶电力拖动 [11415~6] Created by Kairry

第三章交流异步电动机

课程教学要求：

掌握三相异步电动机的结构及工作原理（旋转磁势的性质）

掌握三相异步电动机功率、转矩平衡关系及计算；

三相异步电动机的转矩与转差率（或转速）的关系和机械特性曲线

掌握三相异步电动机的起动、制动（3 种方式）、调速的原理、方法和特点

目前大量使用的电力拖动电机主要是交流异步电动机。包括三相交流异步电

动机和单相交流异步电动机。与直流电动机相比，其具有运行稳定可靠、效率

高、结构简单因而制造与维护简便和成本低廉等优点，广泛用于各种机械的电

力拖动。当然它也有缺点如功率因素偏低、调速控制复杂等。不过由于电力电

子技术及自动控制技术的发展，交流调速技术已有突飞发展。在广泛的应用中

业已取代了直流调速。交流电机的应用更加广泛。

§ 31 三相异步电动机的结构及工作原理

异步电机按转子结构主要分为：鼠笼式异步电动机、绕线式异步电动机和各

种控制用电动机三大类。

若按按定子相数分：单相异步电动机、两相异步电动机、三相异步电动机。

一、异步电机的结构

与直流电机一样，三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成，定、转

之间有气隙其对电机的性能影响很大。如气隙越大；励磁电流越大；电机功率


因数越低。

定子：定子铁心、定子三相对交流绕组及机座，端盖，风罩，铭牌等。

转子：转子铁心、转子绕组、轴、风扇等。

鼠笼型转子绕组由插入每个转子槽中的导条和两侧的短路端环构成，如果去

掉转子铁心，剩余的转子绕组就像一个松鼠笼子。

三相绕线型转子结构是

绕组的三个出线端子接到固定在转轴上的三铜环上，通过电刷引出。这种电机

的特点是可以在转子绕组中串入附加电阻，来改善电机的起动性能或作转速调

节用。

二、三相异步电动机的工作原理

简单地说，当异步电动机的定子绕组接上交流电源后，由电源供给励磁电流

建立磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组产生感生电流，感生电流在磁场的

作用下产生电磁转矩，驱动转子转动实现电机能量转换。这与变压器通过电磁

感应将能量从原边传递到副边的工作有一定的相似之处，故这类电机也称为感

应电动机。

三相异步电动机能转动的关键因素在于由电源供给的励磁电流所建立起的

磁场——旋转磁场，它是如何建立的，以下为简要分析：三相对称交流绕组 U1U2、

V1V2、W1W2 通入三相对称交流电， iu=Imsinωt


iv=Imsin(ωt 120°)

iw=Imsin(ωt 240°)

如左图所示。取首、末端为

电流参考方向，流入为正，

流出则为负。由图可见，三

相对称交流绕组通入三相对称交流电，将产生两极旋转磁场，转向从超前相转

至滞后相(U→V→W→U)。电流变化一周期时，两极磁场也正好旋转了一周。其

转速应为 n = 60 f rpm。如定子绕组制成 p 磁极对数，则旋转磁场的转速为 n 1=

60 f /p——叫同步转速。

旋转磁场切割转子绕组，使之感应电势并感生电流，电流与旋转磁场相互作用，

产生电磁转矩，使转子转动。转子转速 n 小于磁场转速 n 1，所以称“异步”电

动机。

转子转速 n 与旋转磁场转速 n1 之差……转差Δn= n1n

转差与同步转速之比……转差率 s=Δn/n1

额定负载时，额定转差率 sN = (n1 nN) / n1

转差率是异步电机一个重要的基本物理量，它反映电机的各种运行状态。

转子未动时，n=0，s=1；电机理想空载时，n≈n1，s≈0。作为电动机转速在 0~n1

范围内变化时，转差率在 0~1 范围内变化。负载越大，转速越低，转差率越大；

反之，转差率越小。即转差率的大小能够反映电机的转速高低或负载大小。额

定负载时的转差率很小，一般不超过 0.1。

由上可导出电机转速为： 1 60 (1 ) (1 ) f n s n s p

= − = −


根据转差率的大小和正负，异步电动机工作状态见下表

状态电动电磁制动发电制动外部条件定子绕组接对称电源外力使电机沿磁场反方向旋转外力使电机高于同步转速旋转转速 n 0<n<n1 n<0 n>n1 转差率 s 0<s<1 s>1 s<0 电磁转矩驱动制动制动能量关系电能→机械能电能和机械能→内能机械能→电能

〖提问〗如果将电源接到定子绕组的三根引线中的任意两根对调，会产生什么

现象？

三、铭牌及主要额定数据

我国现在生产的三相交流异步电动机主要有 Y系列（异

步电动机）和 R 系列（绕线型电动机）

如：Y—笼型异步电机；YR—绕线式异步机；YD—多

速异步机；YZ—重冶金用异步机；YQ—高启动转矩异步机

感应电动机铭牌上通常标明的额定值主要有：

1、型号：

Y112M4 中， “112”表示电机的中心高为 112mm， “M”表示中机座（L—长

机座，S—短机座）， “4”表示 4 极电机。有些电动机型号在机座代号后面还有

一位数字，代表铁心号，如 Y132S22 型号中 S 后面的“2”表示 2 号铁心长。

7、防护等级：指防止人体接触电机转动部分、电机内带电体和防止固体异物进入电

2、额定功率 PN：额定状态下运行时，其轴上所能输出的机械功率

额定值

3、额定电压 UN：电动机在额定运行状态下，电动机定子绕组上应加的线电压值。

4、额定电流 IN：电动机加以额定电压，在其轴上输出额定功率时，定子从电源取用的线电流值称为额定电流

5、额定速度 n N ：在额定状态下运行时的转速称为额定转速

6、额定频率 fN 额定功率因素 cosφN 额定效率 ηN

3 cos N N N N N P U I η ϕ =


机内的防护等级。

防护标志 IP44 含义：IP—特征字母，为“国际防护”的缩写；

44—4 级防固体（防止大于 1mm 固体进入电机）；4 级防水（任何方向溅水

应无害影响）。

8、 LW 值： LW 值指电动机的总噪声等级。 LW 值越小表示电动机运行的噪声越低。

噪声单位为 dB。

9、工作制：指电动机的运行方式。一般分为“连续” （代号为 S1）、 “短时” （代号

为 S2）、 “断续” （代号为 S3）

10、接法：表示电动机在额定电压下，定子绕组的连接方式（Y 联接和 D 联接）。

当电压不变时，如将 Y 联接接为 D 联接，线圈的电压为原线圈的√3 倍，这样

电机线圈的电流过大而发热。如果把 D 联接的电机改为 Y 联接，电机线圈的电

压为原来的 1/√3，电动机的输出功率就会降低。

11、绝缘等级：根据绝缘材料允许的最高温度，分为 Y、A、E、B、F、H、C 级。

电动机定子接线盒接线示意

【例 3.1】JO2514 型 10kW 异步电动机，电源频率为 50Hz，转子额定转速为

2930r/min，求额定转差率及当转差率为 0.1 时的转速。

【解】两极异步电动机的同步转速

额定转差率

转差率为 0.1 时的转速

1 1

60 60 50 3000 ( min) 1

f n r p

× = = =

1

1

3000 2930 0.0233 3000

N N

n n s n − −

= = =

1 (1 ) (1 0.1) 3000 2700 ( min) n s n r = − = − × =


§ 32 三相异步电动机的功率和电磁转矩

一、功率转换过程

异步电动机负载运行时，由电源供给、从定子绕组

输入的电功率 P1，一小部分消耗在定子电阻铜耗 Pcu1

和定子铁心铁耗 PFe1 上，余下的大部分电功率借助于

气隙旋转磁场由定子传送到转子，这部分功率就是异

步电动机的电磁功率 Pem，Pem 传送到转子后，必伴生

转子电流，电流在转子绕组中通过，在转子电阻上产生转子铜耗 Pcu2，剩下的全

部转换成使转子产生旋转运动的总机械功率，用 P Ω 表示，而总机械功率中扣除

电动机因旋转而产生的机械摩擦损耗 p Ω 以及成因较复杂的附加损耗 ps 之后，剩

下的就是电动机轴上输出的机械功率，用 P2 表示。

主磁通以同步速度 n1 旋转，转子以转速 n 旋转，转子绕组导体切割主磁通

的相对转速为 n2=(n1－n)=sn1。

所以转子绕组的感应电势频率为 f2= pn2/60=s f1。可见频率很低，一般仅 1~3 Hz。

故转子堵转时的感应电动势为

转子转动时的感应电动势为

转子堵转时的漏电抗为

转子转动时的漏电抗为

转子绕组为闭合绕组，转子端电压为 0，感应电势全部加在转子阻抗上，则转子

感应电流为

1 1 1 em Cu Fe P P p p = + + 2 em Cu P P p Ω ≈ + 2 s P P p p Ω Ω = + +

2 2 2 2 1 2 4.44 s w E k f N sE = Φ =

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 / / ( ) / ( ) r s s s s I E z sE r jsx E jx I = = + = + = & & & & &

2 2 1 2 1 4.44 w E k f N = Φ

2 2 2 2 2 s x f L sx π = =

2 1 2 2 x f L π =


可见，当转速降低时，转差率增大，转子电流也增大。

从转子侧看，

而

可得

二、转矩平衡方程式

转矩平衡方程式可由功率平衡方程式得来，，同除以转子机械角

速度 Ω，得

即

考虑到机械角速度 Ω=2πn/60、n=(1－s)n1

可得

§ 33 三相异步电动机的运行特性

一、三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定

的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即 Tem =ƒ(n)或 Tem =ƒ(s)。

式中，r1—定子绕组每相电阻； r‛2—转子绕组每相电阻折算到定子侧电阻；

x1—定子绕组每相漏电抗； x‛2—转子绕组每相漏电抗折算到定子侧；

2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 2 2 2

( ) 3 cos 3 3

( ) em s s

I r sx r r P E I I I s s r sx

ϕ +

= = × × = +

2 2 2 2 3 Cu s em p I r sP = =

(1 ) em P s P Ω = −

2 s P P p p Ω Ω = + +

2 / / ( ) / s P P p p Ω Ω Ω = Ω+ + Ω 2 0 em T T T = +

1 1 1

(1 ) / 9.55 9.55 (1 ) 2 / 60

em em em em

s P P P P T P s n n n π

Ω Ω

− = Ω = = = =

− Ω

2 2 2 / 9.55 P T P

n = Ω =

( )

2 2 2 2 2 1

2 2 1 1 2

1 1 1 2

3 3

2 / 2

s em

em

r r I pU P s s T f p r f r x x

s π

π

′

= = = Ω ′ ′ + + +

( ) 2 2 1 1

max 2 2 1 1 1 2 1 1 1 2

3 3 1 4 4 ( ) pU pU T f f x x r r x x π π

= ± ≈ ± ′ + ′ + + +

2 2

2 2 1 2 1 1 2 ( )

m r r s

x x r x x

′ ′ = ± ≈ ±

′ + ′ + +


U1—定子绕组相电压；p—磁极对数；s—转差率；

1）固有机械特性

在额定电压和频率下，定子三相绕组按规定方式连接，定、转子电路不外接

任何元件时，Tem 与 s 的关系曲线，在电力拖动系统分析中，习惯上以纵坐标表

示转速 n 或转差 s，以横坐标表示电磁转矩 T 即 n=f(T)表示。

机械特性曲线上有三点反映了它的基本性能和特点：

（1）最大转矩 Tmax，反映过载能力；

λT=Tmax/TN 2~2.8

（2）起动转矩 Tst ，反映起动性能；

KT=Tst/ TN 1.7~4.0

（3）额定转矩 TN ，反映稳定运行的负载能力和特点。

TN = TLN+ T0≈TLN 可由铭牌数据求得：TLN=9550PN/nN

上式中各量单位分别为：N∙m、kW、r/min。

2）人为机械特性

人为地改变电源参数或电机参数而得到的机械特性。

Ø 降低定子电压，由 n1=60f/p 可知，

降压后 n1 不变；由于 Tem∝U1 2 ，

所以，Tem 和 Ts 成比例下降，但

sm 不变。

Ø 转子串电阻，此仅限于绕线转子

异步电动机。因 n1、Tmax 与转子电阻无关不变；而 sm∝r2、Tst∝r2 所以，sm 及


Tst 将增大。

Ø 定子串电阻，n1 不变；随 r1 增大；由于加到定子绕组的电压降低，所以 Tmax、

Ts 下降；sm 将减小。

二、三相异步电动机工作特性

三相异步电动机的主要工作特性是指电动机在额定电压和额定频率下运行

时，电动机的定子电流、效率及定子绕组功率因数，随输出功率 P2 的变化关系。

他们可从不同的侧面反映出电机的工作特性。

1、转速特性 n=f(P2)

空载时，P2=0，n≈n1，s≈0。随着负载增大，电机转

速略下降就可使转子电流明显增大，电磁转矩增大与负

载平衡。故它是一条略下斜的曲线。

2、定子电流特性 I1=f(P2)

异步电动机空载运行时，定子电流近似为励磁电流 I0。随着输出功率 P2 的增

加，转子电流增大，定子电流 I1 也相应增大。所以其特性曲线是一条从 I0 逐渐

增大的曲线，当输出功率 P2 超过额定功率之后，转子电流增大较快，定子电流

也相应增大很快，曲线上翘。异步电动机空载和轻载时，定子电流较大，其空

载电流 I0 与额定电流 IN 之比约为 20％～50％。这是因为电动机的磁路存在气隙，

磁阻较大，所以产生一定量的磁通所需要的电流就大。

3、电磁转矩特性 T=f(P2)

空载时，P2=0，T=T0，电磁转矩主要克服风阻、摩擦阻力。随负载增大，电

磁转矩也相应增大，曲线近似为过 T0 点的直线。


4、功率因数特性 cosφ1= f(P2)

因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个角度。

空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数很低；

而随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；

在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果负载继续增大，则导致转子漏电

抗增大（漏电抗与频率成正比），从而引起功率因数下降。

5、效率特性η= f(P2)

电动机轴上输出的机械功率 P2 与定子输入功率 P1 之比。它反映电功率的利

用率。

η=P2/(P2+pCu1+pFe+pCu2+pΩ+ps)

其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近

似不变；所以，效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大

效率。异步电动机额定效率在（74~94）%之间；最大效率发生在(0.7~1.0)倍额

定效率处。

【例 32】某台三相异步电动机已知额定参数为：极数为 6 极，频率为 50Hz，

PN=28kW、UN=380V、nN=950r/min、cosφ N=0.88。在额定运行时各项损耗为

pCu1=1.0kW、pFe=500W、p Ω =800W、pS=50W，试求额定运行时：1)转差率；

2)转子铜耗；3)效率；4)定子电流

【解】1）同步转速： 1 60 / 60 50 / 3 1000 ( / min) n f p r = = × =

额定运行时转差率： 1 1 / 1 950 /1000 0.05 N N s n n = − = − =

2）总机械功率： 28 0.8 0.05 28.85 ( ) N s P P p p kW Ω Ω = + + = + + =


电磁功率： / (1 ) 28.85 / (1 0.05) 30.37 ( ) em P P s kW Ω = − = − =

转子铜耗： 2 0.05 30.37 1.518 ( ) Cu em P sP kW = = × =

3）输入功率： 1 1 30.37 1.0 0.5 31.87 ( ) em Cu Fe P P p p kW = + + = + + =

效率： 2 1 / 28 / 31.87 87.85% ( ) N P P kW η = = =

4）定子电流： 1 1

1

31870 55 ( ) 3 cos 3 380 0.88 N

P I A U ϕ

= = = × ×

【例 33】已知一台异步电动机的技术数据如下： PN=45 kW， UN= 380V， ηN =0.86， f=50Hz、nN =1480r/min、cosφN=0.88、Tst/TN=1.9、Tmax/TN=2.2、Ist/IN=7.0。接法。求：1）额定电流、额定转矩、启动转矩和最大转矩；2）负载转矩为电动机的额定转矩时，电源电压降低 30%的情况下，电动机能否启动？

【解】1）额定电流： 1 / 45000 / 0.86 90.3 ( ) 3 cos 3 cos 3 380 0.88

N N N

N N N N

P P I A U U

η ϕ ϕ

= = = × ×

额定转矩： 45000 9.55 9.55 290.4 ( ) 1480

N N

N

P T N m n

= = = ⋅

起动转矩： 1.9 290.4 551.8 ( ) st T N T K T N m = = × = ⋅

最大转矩： max 2.2 290.4 639 ( ) T N T T N m λ = = × = ⋅

2）∵T∝U 2 即 2

2 1

1

1.9 0.7 0.93 ( ) st st N N U T T T T N m U

′ ′ = = × = ⋅

∴此时电机不能启动。

§ 34 三相异步电动机电力拖动

一、三相异步电动机的启动

启动是指电动机从静止到达正常工作转速的过程。


启动过程中电流一般较大（最初启动电流 Ist 约为额定电流的 4~7 倍），

为了避免电机在启动过程中损坏和降低启动电流对电网的影响，一般希望启动

过程越快越好。【想想为什么？】

尽管启动电流很大，但启动转矩却并不大。【想想这又是为什么？】

所以，对三相异步电动机的启动要求：(1)Tst 足够大； (2)Ist 不能太大。

以下不同的启动方法就是要在保证一定转矩的情况下，采取不同的措施限制

启动电流。

Ø 鼠笼式异步电动机直接启动（全压启动）

利用闸刀或者接触器把电动机直接接到具有额定电压的电源上启动。一般容

量的电源允许 7.5kW 以下异步机直接启动。设备简单、操作方便，在供电变

压器容量相对较大的情况下采用。

频繁启动电动机：电动机容量/供电变压器容量<20%时，允许直接启动；

不频繁启动电动机：电动机容量/供电变压器容量<30%允许直接启动；

如果没有独立的供电变压器时，则限制电网电压降不能超过 5%。

Ø 鼠笼式异步电动机降压启动

若电源供电变压器的容量不够大时，就采取降

压启动。由于转矩是按照电压平方的规率而下降的，

所以这种方法适合于对转矩要求不高的场合。

1、定子绕组串电阻或者电抗器启动

Ust =UN/k、Ist'/Ist=1/k；→Tst'/Tst= 1/k 2

串电阻器启动时，要消耗较大的功率；


串电抗器启动时，当 K2 短接启动电抗器时还会产生较大的短路电流，

所以串电抗器适合于启动转矩要求不大且启动不频繁的场合。

2、星三角（Y/D）启动

适合于正常运行时为 D 接法的

电动机。

Iyst/Idst=1/3； Tyst/Tdst=1/3

3、自耦变压器(启动补偿器)启动

与直接启动比较

Ust'=UN/k；Tst'/Tst=(Ust'/ UN) 2 =1/k 2 ；Ist'/Ist=1/k 2

4、延边三角形启动

主要用于专用电机的启动。这种电机的每相绕

组都带中心抽头，其比例按启动要求在制造时

已确定。

Ø 绕线式异步电动机的启动

降压启动在限制启动电流的同时，也大大降低了启动转矩。在需要较大启动

转矩的应用场合，人们不得不选择价格昂贵的绕线式异步电动机。绕线式异步

电动机的特点是可以在转子回路中接入附加电阻，以改善其启动和调速性能。

1、转子串电阻分级启动

2 2

/ N

st st st

U Z I I k I k k k ′

′ = = =


2C,3C,4C 断开，1C 闭合，定子绕组加

额定电压，串入电阻（R'+R''+R'''）,启动

点在曲线 3 的 a 点，启动转矩 T2>TN，电

动机开始旋转

转速上升到 b 时，T=T1,闭合 2C，切除

电阻 R'''，则工作点从 b 点跳到曲线 2 的 c 点，T=T2

转速上升到 d 时，T=T1,闭合 3C，切除电阻 R''，则工作点从 d 点跳到曲线 1

的 e 点，T=T2

转速上升到 f 时，T=T1,闭合 4C，切除电阻 R'，则工作点从 f 点跳到曲线 0

的 g 点，T=T2

转速继续上升经 h 到达稳定运行点 j。

启动电阻器有金属丝电阻器、铸铁电阻器、水电阻器等，但都按短时工作方式

设计。

2、转子串频敏变阻器启动

上述分级启动存在一些缺点，启动过程不平滑，有冲击；启动设备维护复杂。

若根据启动过程中电机的转速自动调整串入的电阻，就可避免分级启动的缺陷。

频敏变阻器可当此任。

频敏变阻器实质上就是一台只有初级绕组而且铁心

损耗较大的三相变压器。BP 的铁耗大就相当于 Rm

大。而铁耗与磁通的频率（等于转子频率 f2=sf1）的 1.3 次方成正比。开始启动

时，s 较大，故 f2 较大，Rm 也较大，相当于转子电阻自动增加，则 Ist 减小、Tst


增大；随着启动过程的进行，n 逐渐变大、s 逐渐变小，则 f2 变小，也

就是铁耗减小，所以 Rm 变小，相当于转子电阻自动变小。启动完毕后，将转子

回路短路。

频敏变阻器相当于一种无触点变阻器，其结构简单，成本低，所以应用较为

广泛。

*高起动转矩鼠笼式异步电动机

由上述绕线式异步电动机的起动给我们一个启示：转子电阻增大，起动转矩

增大。因此，如果鼠笼式异步电动机的鼠笼导体采用电阻率高的材料制造，将

可以增大起动转矩。由绕线式异步机机械特性可知，转子电阻增大，额定运行

时的转差率增大，因此这种电机称为高转差率异步电动机。这种电动机额定运

行时转子的铜损增加，所以效率降低——主要适用于起重机械。船上：空压机、

分油机、容积泵等驱动电机。

集肤效应：是指交流电流在导体中流动时，由于电抗的作用使电流往导体表

面集中的现象。此时相当于导体有效截面积减小，电阻增大。

此效应在频率越高时越明显。

1）深槽型异步电动机

定子：与普通鼠笼电动机一样；

转子：槽深而窄, 槽深与槽宽值比为 5~10。

起动时，s=1，f2 最大，转子导条靠近槽底处电流密度小。转子导条靠

近槽口处电流密度大，这种集肤效应现象相当于减小了转子导条的高度和截面，

增大了转子电阻，从而满足了起动的要求。


起动完毕，f2s=sf1 很小，集肤效应消失，电流取决于 R2，电流均匀分

布，转子导条截面大，转子电阻自动变小，满足了正常运行的要求。

2）双笼型异步电动机

定子：与普通鼠笼电动机一样；

转子：有两套鼠笼。上层笼（起动笼）：黄铜或青铜，ρ 大，截面小。

下层笼（工作笼）：紫铜， ρ 小，截面大。

【问题】某船有一台分油机用异步电动机烧毁，因铭牌烧坏，后用一台功率相同的鼠笼异步电动机更换，通电起动时发现熔断器不到 1 分钟就熔断，维修人员检查不出线路故障，试问其原因可能是（）。 A、电机绝缘低 B、机械故障 C、电机质量差 D、采用普通鼠笼电机

二、三相异步电动机的调速

异步电动机由于结构简单、坚固耐用、维修方便、制造容易，大量被用来拖

动转速基本不变的生产机械，现在也广泛用于需要调速的许多机械。其调速性

能甚至可以做到优于直流电动机。

由异步电动机的速度公式 1 60 (1 ) (1 ) f n n s s p

= − = −

可见异步电动机调速方法有(1)变极调速； (2)变频调速； (3)改变机械特性曲线

形状调速（即改变电压、改变转子电阻、串级调速）。

(1)和(2)适合于鼠笼式异步电动机，(3)中后两种用于绕线式异步电动机。

1、变极调速

采用变极调速的多速电机通过改接的方法来实现变极。如在定子槽中放置两

套以上的绕组，每套绕组极数不一样，通过换接工作绕组达到调速的目的。 4/6/24


极。而每套绕组本身又可以采用变极开关，所以可以得到较多的调速等

级。

变极原理很简单，使一半导体的电流方向改变

即可实现变极目的。

实际应用中，通常有下面两种变极形式：

YYY 形式——低速倍极数 Y 接法，高速少极

数 YY 接法

DYY 形式——低速倍极数 D 接法，高速少极数 YY 接法

YYY 形式

低速 Y 接法（即倍极数）时： T2(2p)=9.55P2(2p)/n(2p)

P2(2p)=3(U1/√3)Iφη(2p)cosφ(2p)= √3U1 Iφη(2p)cosφ(2p)

高速 YY 接法（即少极数）时：T2(p)=9.55P2(p)/n(p)

P2(p)=3(U1/√3)(2Iφ)η(p)cosφ(p)= 2√3U1 Iφη(p)cosφ(p)

不考虑 η 及 cosφ 的变化时及 n(p)=2 n(2p)，则有 P2YY/P2Y=P2(p)/P2(2p)=2

T2YY/T2Y=T2(p)/T2(2p)=1

结论：若转速增加一倍时，功率也增加了一倍；YYY 调速的方法属于恒转矩调

速。

DYY 形式

低速 D 接法（即倍极数）时： T2(2p)=9.55P2(2p)/n(2p)

P2(2p)=3U1Iφη(2p)cosφ(2p)


高速 YY 接法（即少极数）时：T2(p)=9.55P2(p)/n(p)

P2(p)=3(U1/√3)(2Iφ)η(p)cosφ(p)= 2√3U1 Iφη(p)cosφ(p)

不考虑 η 及 cosφ 的变化时及 n(p)=2 n(2p)，有 P2YY/P2D=P2(p)/P2(2p)=2/√3=1.155

T2YY/T2D=T2(p)/T2(2p)=1/√3=0.58

结论：若转速变化一倍时，功率只变化了 15.5%，接近恒功率调速；允许输出转

矩近似减少一半。

【注】两种形式在变极前后，三相绕组的相

序发生了改变，为保证电动机的转向不变，

须对调定子任意两相绕组的出线端或将电

源任意两相对调，否则改接后电机会反转。

变极调速方法为有级调速，转速只能成倍增长，调速的级数不多，一般最多

为四级。YYY 接法应用于起重车、运输传送带等，DYY 接法应用于各种机床

的粗加工(低速)和精加工(高速)等。

2、异步电动机的变频调速

变频调速是时下电力拖动调速的主流，是在电力电子技术发展起来后得以广

泛应用的。它具有调速平滑、范围大、准确性及稳定性高、易于实现恒功率或

恒转矩调速的特点。这里仅简单介绍其基本原理。

异步电动机忽略定子漏阻抗时有以下关系式： U1≈E1=4.44f1N1KW1Φ1

若 U1 不变，f1 与 Φ1 成反比。如果 f1 下降，则 Φ1 增加，使磁路过饱和，励磁电

流迅速上升，铁损增加，电动机效率降低，也使功率因数减小。为此，频率与

电压同时调节。


一般认为，变频调速时，保持过载能力λT=Tmax/TN 不变，运行性能较

理想。

所以，变频调速的基本要点是保持气隙主磁通 Φ1 及过载能力λT 不变。

考虑到

→

由此可见，对于恒转矩负载，变频时按相同比例调整定

子电压即保持 U1/f1 为一常数，上述两点就可同时满足。

但实际上，当达到电机额定电压 UN 后，UN 不能再按变

频比例增大了。故此仅适用于恒转矩负载，从基频向下

变频调速。另外，当低频时，x1 和 x’2 将减小，r1 变得不

能忽略，随着 f1 的降低，Tmax 变化较大。在低速时甚至拖不动负载。

为了保持电动机的过载能力，可采用电压补偿的方法。即随着 f1 的降低，适

当提高 U1，以补偿 r1 上的压降，等效地满足 E1/ f1=常数，以达到维持最大电磁

转矩不变的目的。

对于恒功率负载呢，由

即 TN∝1/f1 ，若要保持过载能力须 1 1 / U f 为常数；相比前恒转矩负载的情况，

主磁通有少量变化，电压变化幅度较频率变化幅度要小一些，故低速时的特性

硬度较大，抗扰能力强。

基频以上的调速，由于受额定电压的限制，只升高 f1，保持 U1 不变，气隙磁

通Φ1 减小，Tm 随频率 f1 的增高而减小，电动机的过载能力下降，但因为转速上

升了，根据 P 的公式，属于近似恒功率调速。

( )

2 2 2 1 1 1

max 2 2 1 1 1 2 1 1 1 1 2

3 3 1 4 4 ( ) pU pU U T c f f x x f r r x x π π

= ≈ = ′ + ′ + + +

2

max 1

1 T

N N

T U c T T f

λ

= =

1 1 2 2 2 60 60

N N N N N N

n n f P T T T T p

π π π = Ω = ≈ =


3、变转差率调速

变转差率调速的方法适用于绕线式异步电动机的调速。

Ø 绕线转子电动机的转子串电阻调速

转子串电阻后， n1、 Tm 不变， sm 增大，特性斜率增大。

可在小范围内进行调速。

优点：设备简单，易于实现。

缺点：有级调速，低速时转差率大，铜耗大，运行效率

低，机械特性软，负载波动时转速变化大。

适用场合：起重机一类对调速要求不高的场合。

Ø 串级调速

串电阻调速时，调节电阻中消耗较大的能量。串附加电势可以克服这一缺憾。

即在转子回路中串入一个三相对称的附加电势 Ef，其频率与转子电势 E2s 频

率相同，改变 Ef 的大小和相位，就可以调节电机转速。

原理： 2 2 2

2 2 2 2

s f f s

s s

E E sE E I

r jsx r jsx + +

= = + +

& & & & &

1 2 2 cos em T s T C I ϕ = Φ

低同步串级调速——Ef 与 E2s 相位相反，则串入 Ef 后，I2 下降，电磁转矩 Tem 也

下降，如果负载转矩 T2 不变，则电动机将减速，s 增大，电流 I2 和电磁转矩 Tem

回升，直到 Tem=T2。电动机则在新的转差率 s'下稳定运行。

超同步串级调速——Ef 与 E2s 相位相同，当拖动恒转矩负载时，会致转速升高，

故称为超同步串级调速。

串级调速特点：


效率高、机械特性硬，调速范围宽、平滑性好，但功率因数较低。

由于转子电势的频率是变化的，所以要获得与转子电势频率相同的附加电势，

装置比较复杂。

三、三相异步电动机的制动

制动的目的： ①使电力拖动系统快速停车； ②使电力拖动系统尽快减速； ③

使位能性负载有稳定的下放速度。电气制动是用电气的方法使异步电动机所产

生的电磁转矩和电动机的旋转方向相反是制动转矩。

【问】电磁转矩及转速的方向有几种组合？电机工作状态与工作象限的关系？

异步电动机电气制动方法：①能耗制动；②反接制动；③回馈制动

1）能耗制动

电动机定子绕组脱离交流电网，切换至直

流电源并采取适当的限流措施。制动后的电机

能稳定停车。

制动原理：定子产生恒定静止磁场，转子因惯

性继续旋转，转子导体切割该磁场，产生与电

机转速方向相反的制动电磁转矩。转速迅速下降，当 n=0，Tem=0，制动过程结

束。这种制动方法将转子动能转变为电能全部消耗在转子上，故称能耗制动。

2）反接制动

当异步电动机转动方向与电机旋转磁场方向相反时，电机进入反接转动状态。

此时，转差率 s=n1(n)/n1>1。

根据电机功率平衡关系，电机不仅从电源吸取电能，同时还从电机转轴上获得


机械功率。这些功率全部以转子铜耗的形式消耗在转子绕组上，能量损

耗很大。故如不加以限制，可能导致电机温升过高而损坏。

l 倒拉反转的反接制动

这在起重设备工作中经常见到。通常用绕线式异步机拖

动位能性负载低速下放重物，就可以采取倒拉反转制动。

见右图，

方法：保持旋转磁场的旋转方向不变，绕线式电动机在

转子回路串入大电阻。转子在位能负载的作用下进行倒拉反转。

原理：电动机在转子回路串入大电阻, 使电流减小，先是电磁转矩下降，小于负

载转矩转速先下降，然后转子在位能负载的作用下反转，进入倒拉反转的运行

状态。

反接制动是指从转速为零至稳速下降这一段制动过程。【问】特性曲线的哪一段?

l 电源两相反接的反接制动

方法：在电动状态下，将电源两相反接，使旋转磁场反向旋转。

原理：定子磁场反向，转子因惯性继续旋转，转子导体切割磁场，感生电动

势与电流方向与电动状态相反，产生制动力矩。

在机械特性上，当电源反接后因惯性作用，电机由 A

点同速切换到 B 点，并沿反向特性迅速减速到零。

反接制动就是指从反接开始至转速为零这一段制动

过程。

问题在于转速过零后的情况，若制动的目的是要实现快速制动停车，应在转速

正向电动反接制动

反接回馈

电动提升

低速下放


接近零时切断电机电源，同时施加机械制动（如机械抱闸）。否则，

对于反抗性负载，电机将反向加速致 D 点，反向电动运行；

对于位能性负载，电机将进入反向回馈制动，稳定在高于同步速的速度下 E 点

匀速下降。

电源反接制动时，冲击电流相当大，为提高制动转矩降低制动电流，对绕线式

电机转子常串接（分段）电阻，制动机械特性变得很软，制动过程变为 A→B‛

→C‛。

3）回馈制动（再生发电制动）

条件：在某一转矩作用下，使电动机转速超过同步转速。电磁转矩变为制动

转矩，将电能回馈到电网。

有两种情况会出现回馈制动：

①位能负载下放时；电机被负载拖动，电机在高于同步转速运行。见上述的反

接回馈制动。此时，为避免在较高的转速下下放重物，一般不串联转子电阻。

②正向回馈制动（变极或变频调速过程中）见右

图。

§ 35 单相异步电动机

单相异步电动机功率较小(<600W)，体积小、结构简单、价格低。主要用在

小功率电气设备、仪器仪表和家用电器的动力拖动中。

一、单相异步电动机工作原理与机械特性

1）单相脉振磁场

单相异步电动机只有一个工作绕组，通入单相电源后，在单相绕组中只流过


单相正弦电流，它所产生的磁场不是旋转磁场，而是在空间不旋转的、

大小和方向随时间沿定子绕组轴线方向按正弦规律变化的脉动磁场。

脉动磁场可以分

解为两个大小一样、

转速相等、方向相反

的旋转磁场Φ1、Φ2。

脉动磁场对转子的作用，也就是这两个旋转磁场分量同时共同对转子的作用。

接下来就可用旋转磁场的分析方法来分析了。

假设两个旋转磁场分量分别产生电磁转矩 T+、T，由于在任何时刻这两个电磁

转矩都大小相等、方向相反，所以电动机的转子是不会转动的，也就是说单相

异步电动机的起动转矩为零。

由于没有旋转磁场，所以，这样的单相异步电动机没有自起动能力。但借助

于外力，比如用手将转子向某一个方向拔动一下，则电动机就在该方向上自行

加速并达到稳定转速。由此看来，必须使单相异步机气隙产生旋转的磁场（或

至少是移动的磁场），才能切割转子绕组，产生驱动转矩，使转子转动。

2）实际的单相异步电动机

实际上，单相异步电动机的定

子绕组由轴线在空间上错开一个

角度(如 90º)的两套绕组构成。称为

主绕组（工作绕组）和启动绕组。

工作时两套绕组通入相位不同的正弦交流电(如启动绕组的相位超前主绕组 90º)。


右图可见，此时单相异步机气隙将产生圆形旋转磁场。

而若不是空间错开 90º、相位差 90º、主副绕组脉振磁势幅值不等的情况，合

成的磁场仍是旋转的，只不过不是圆形而是椭圆形的。

如单独改变任意一相绕组接线（对调两端）或将电容串接到另外一相，就可

改变电机转向。

以上阐述的单相异步电动机的基本原理在电机学中称为分相。即用单相交流

电，使单相异步机产生旋转或移动磁场，也称裂相。

在一相串接电容或电阻使通过该相电流相位改变从而在气隙中产生旋转磁

场的方法叫电流分相法。

还有一种方法是将单相绕组产生的单相磁通分成两相称为磁通分相。采用磁

通分相的单相异步电动机叫罩极式电机。

原理：在磁极中开一个槽，将一个短路环套在其中一部分磁极上，

磁极中的单相交变磁通就被分成两相。被短路环套住的部分，通

过的磁通比没套短路环部分的磁通的相位滞后 90º，于是在气隙中将产生近似旋

转（移动）的磁场。罩极式电机一般不可反转。

【思考】如果三相异步电动机断相（也称缺相，电源断或绕组断）。此时，将会

出现什么情况？

附：三相异步电机等效电路与参数测定

异步电动机的定、转子之间没有电的联系，只有磁路的联系。为便于分析和

实际工作的计算，期望将转子电路反应到定子电路里即所谓的电路等效变换。

但其等效的原则①是不能改变定子绕组的物理量，②是不能改变转子对定子的


影响作用。

① 频率折算—将频率为 f2 的旋转转子电路折算到与定子频率 f1 相同的等效

静止转子电路。

实际上，转子不动时，s=1，f2= f1。因此，只需将旋转的转子电路折算成静

止的转子电路就可实现频率折算。

旋转的转子电路： 2 2 2

2 2 2 2

s s

s

E sE I r jx r jsx

= = + +

& & &

静止的转子电路： 2 2 2

2 2 2 2 2

1 / ( )

E E I s r s jx r r jx s

= = − + + +

& & &

两式的电流值仍相等，但其物理意义已不同。前者为转子转动的实际情况；而

后者是静止不动时的等效情形。折算前后电流的数值并未变化，故磁动势的大

小也未变，且磁动势的转速是同步转速与转子转速无关，所以此折算保证了电

磁效应不变。

等效后的附加电阻上消耗的电功率（实际上不存在）等于电机的总机械功率 P Ω

② 绕组折算—用一个与定子绕组具有同样相数 m1、匝数 N1 和绕组系数 kw1

的等效转子绕组来替代实际的转子绕组。

替代原则：磁势幅值不变；功率大小不变。

电流折算（磁势应不变）： 1 2 1 1 2 2 2 2 0.9 0.9

2 2 w w m m N k I N k I p p

′ = , 2 2 2 2 2 2

1 1 1

1 w

w i

m N k I I I m N k k

′ = =

电势折算（磁通应不变）： 2 1 2 2 4.44 w m E f N k = Φ ， 2 1 1 1 1 4.44 w m E f N k E ′ = Φ = ，


1 1 2 2 2 1

2 2

w e

w

N k E E k E E N k

′ = = =

阻抗折算（功率应不变）： 2 2 1 2 2 2 2 2 m I r m I r ′ ′ = ，

2 2 1 1 1 2 2 2

2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 2

( ) w e i z

w

m N k m I m r r r k k r k r m I m m N k

′ = = = = ′

同理漏电抗折算: 2 2 z x k x ′ =

经过上面折算后，可作出折算后的等效电路（T 型电路）

由上面等效分析可见，异步电动机有两种参数：一是表示空载状态的励磁参

数 Rm、Xm；另一种是表示短路状态的短路参数 r1、x1、r2’、x2’。

励磁参数、短路参数分别通过电机的空载试验和短路试验测定。

① 空载试验：异步电动机在额定电压和频率下，空载运行一定的时间（30min）

待机械损耗稳定时，调节电源电压（如 1.1UN 开始）逐

渐降低直到转速发生明显变化时为止。记录适当数量

测量点的 U1、I0、P0 和 n 的数值，并绘制电机的空载

特性曲线 I0=f（U1）、P0=f（U1）

由此特性曲线可确定等值电路中的励磁参数、铁损和机械损耗。

空载时 s≈0，I2=0，输入电动机的功率用来补偿定子铜耗、铁损和机械损耗。

即 2 0 1 1 1 0 1 1 Cu Fe Fe p p p p m I r p p Ω Ω ≈ + + = + + 或 2

0 1 0 1 1 0 Fe p m I r p p p Ω ′ − ≈ + =

上式中铁损与端电压的平方成正比，机械损耗仅与转速有关。我们可由等式

左边计算 p0’并绘制其与 U1 2 的关系曲线。


由于空载时 n≈n1，故可认为转速是不变的，则机械损耗可认为是常数。

由空载试验数据求得激磁回路参数计算

空载阻抗 10 0

0

U Z I

=

空载电阻 0 0 2

0 3 p r I

=

空载电抗 2 2 0 0 0 x Z r = −

式中 U10、I0、P0—相应于 U10 为额定电压时的相电压、相电流、三相空载功率。

等值电路中的励磁参数计算：

激磁电抗 0 1 m X x x = −

激磁电阻 2 0 3 Fe

m p R I

= 式中 pFe 为额定电压时的铁耗。

② 短路实验

短路是指等值电路中的附加电阻 2 1 0 s r s − ′ = 的状态。即 s=1，n=0 电机外施电压

转子静止状态（堵转）。为使电机堵转试验时的短路电流过大，通常可降低电

源电压进行（从 U1=0.4UN 开始）。记录适当数量测量点的端电压 U1、短路电

流 I1k、短路功率 P1k 数值，并绘制电机的短路特性曲线 I1=f （U1）、 P1=f （U1）。

电机堵转时，s=1 代表总机械功率的附加电阻为零。由于 Zm>>Z2，可认

为励磁支路开路，即 Im≈0，铁耗可忽略。故此时输出功率和机械损耗为零，

全部输入功率都变成定子铜耗与转子铜耗。

所以有： 2 1 0 k m I I I I ′ ≈ = ≈ ∵

2 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 1 1 2 1 ( ) k k k k p m I r m I r m I r r m I r ′ ′ ′ = + = + =

由短路试验数据求得短路参数


短路阻抗 1k k

k

U Z I

=

短路电阻 2 3 k

k k

p r I

=

短路电抗 2 2 k k k x Z r = −

式中 U1k、Ik、pk——由短路特性曲线上查得，相应于 Ik 为额定电流时的相电

压、相电流、三相短路功率。

等值电路中的短路参数计算：

转子电阻的折算值 2 1 k r r r ′ ≈ − r1 可直接测得

定、转子漏抗 1 2 2 k x x x′ ≈ ≈ （中大型异步电动机）

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