三相感应电动机

三相感应电机的同步转速、极数与转差

旋转磁场的转速称为同步转速，仅由两个因素决定。它与电源频率成正比，与极数成反比。一台 三相感应电机 作为电动机运行时，其转子始终略低于该转速。低多少取决于负载。

极数如何决定转速和转矩

极数越多，磁场越慢。在相同的输出功率下，较慢的轴必须提供成比例更大的转矩。这就是为什么在给定功率额定值下，低速、多极电动机更大、更重。

两极和四极电动机主导市场。它们在给定机座下提供最大功率、每千瓦成本最低，水泵和风扇都围绕这些转速设计。六极和八极电动机用于较慢的直驱负载。

变极电动机（如达兰德/Dahlander 连接，即继极接法）通过重新连接单个绕组得到 2:1 比例的两种转速，例如 50 Hz 下的 1500 和 750 r/min。这样无需电子器件即可实现双速运行。

什么是转差，为何它从不为零？

转差表示转子落后于磁场的程度，以同步转速的分数或百分比表示。如果转子真的达到同步转速，磁场相对导条就不再运动。就不会感应出电压、不会有电流流动，也就没有转矩。此时仅靠摩擦就会使转子减速。因此，一台 three phase induction motor 总是带着一定的转差运行。

转差随负载增加。空载时仅为百分之几分之一。随着轴转矩上升，转子略微变慢，导条更快地切割磁场，从而产生更多电流和转矩。

转子电流的频率等于转差乘以电源频率。静止时接近工频，满载时仅为一两赫兹。

满载转差取决于规格和设计。NEMA MG 1 将设计 A、B 和 C 限制在 5% 以下，设计 B 的数据范围约为 0.5–5%。大型高效电机常低于 1%。几分之一千瓦级电动机位于该范围的上端或更高。NEMA 设计 D 电动机刻意运行在约 5–13%。

计算实例： 一台四极 三相感应电动机 在 50 Hz 电源上的同步转速为 1500 r/min。若其铭牌满载转速为 1450 r/min，则转子落后 50 r/min。50 是 1500 的三十分之一，因此转差约为 3.3%。此时转子电流以约 50 Hz 的 3.3%（即约 1.7 Hz）交变。

三相感应电动机的转矩-转速特性

转矩-转速曲线是描述三相感应电动机最有用的单张图。请从静止读到同步转速：

• 堵转（起动）转矩： 零转速时的转矩。对于 NEMA 设计 B 电动机，它通常远高于满载转矩；标准范围约为 70–275%，视规格和极数而定。
• 起动最小转矩（pull-up）： 加速过程中曲线的最低点。它必须在整个升速过程中都高于负载转矩，否则电动机会卡在低速。
• 崩溃转矩（最大转矩）： 曲线的峰值，对于设计 B 通常约为满载转矩的 175–300%。如果负载转矩超过它，电动机就会停转。
• 稳定运行区： 在崩溃转矩与同步转速之间，曲线陡峭且近乎直线。转矩大致与转差成正比上升，因此转速的小幅下降会带来转矩的大幅上升。这就是感应电动机能很好地保持转速的原因。

除正常电动运行外，曲线向两个方向延伸。在零转速以下、转子被逆着磁场转动时，处于 制动（反接制动）区。对运行中的电动机交换两相即进入此区，电动机会迅速停止，但代价是转子严重发热。在同步转速以上，转矩反向， 三相感应电机 进入 发电区，将功率回馈电源。

转子电阻决定曲线的形状。增大它会使崩溃转矩向静止方向移动，而不改变其峰值。这正是绕线转子电阻以及深槽或设计 D 鼠笼用来获得高起动转矩的原理。

工作点位于电动机曲线与负载曲线相交之处：

• 离心风机和水泵 在低速时所需转矩很小，转矩大致随转速的平方上升。几乎任何设计都能轻松使其加速。
• 恒转矩负载 如输送机、容积式泵和挤出机，需要从静止起就提供全部转矩。它们需要足够的堵转转矩和起动最小转矩裕量。

这种权衡是根本性的。在标准鼠笼 三相感应电机中，高起动电流伴随的是适中的起动转矩。那些通过增加转子电阻来提高起动转矩的设计，则以运行转差和效率为代价。

三相交流感应电动机的损耗、功率流与效率

跟随功率流经一台 三相交流感应电动机:

1. 电气输入 进入定子。
2. 定子铜耗 是定子绕组电阻中的发热。
3. 铁耗 是叠片中的磁滞和涡流损耗，主要发生在定子中。
4. 剩余部分越过气隙，成为 气隙功率.
5. 转子铜耗 占用的气隙功率等于转差比例。在 3% 转差下，3% 的气隙功率使转子发热。这就是低转差与高效率相伴的原因。
6. 其余部分成为 机械功率，从中减去 摩擦和风阻损耗 （轴承和风扇）以及 杂散负载损耗 （谐波和漏磁效应）。
7. 剩下的就是 轴输出功率.

工程教学资料给出了 NEMA 设计 B 电动机的平均损耗分布：

这些比例随额定值和效率等级而变化。对于具体的电机，应实测而非假设。

效率随规格增大而提高。IEC 60034-30-1 为每个 IE 等级规定了最低标称效率。对于四极、50 Hz 电动机： 

IEC 60034-30-1 的第二版于 2025 年发布，正式增加了 IE5（超超高效）。该体系现在从 IE1 延伸到 IE5。各地区的最低能效标准都建立在这些等级之上。在欧盟，0.75 kW 至 1000 kW 的三相电动机必须至少达到 IE3。自 2023 年 7 月起，75 kW 至 200 kW 的 2、4、6 极电动机必须达到 IE4。北美法规采用大致相当的高效等级，列于 NEMA MG 1 中。

部分负载特性与铭牌同样重要。根据美国能源部的资料“确定电动机负载与效率”，大多数电动机的设计工作区间为额定负载的 50–100%。峰值效率通常出现在约 75% 负载处，而在约 50% 负载以下效率急剧下降。随着负载下降，功率因数下降得更早、更平缓，因为励磁电流几乎保持恒定，而有用电流却在减小。典型感应电动机在满载时功率因数约为 0.8–0.9，但在极轻负载时仅约 0.2–0.3。因此，选型过大、轻载运行的电动机会浪费能量并吸取无功电流。

三相感应电动机的起动方法

静止时，电动机就像一个副边短路的变压器。只有绕组电阻和漏电抗限制电流，且没有来自旋转的反电动势。因此，直接起动通常会吸取约为满载电流六到八倍的电流。这种浪涌会引起电压暂降，可能导致灯光闪烁、触发欠压继电器，并在弱电网上干扰其他负载。

关键的经验法则是：起动电流大致与所施加电压成正比下降，而起动转矩大致随电压的平方下降。将电压减半会使电流减半，但只剩下约四分之一的转矩。

三相感应电动机的调速

在电力电子出现之前，有三种经典的调速方法：

• 变极： 仅能提供离散的转速。
• 转子电阻（绕线转子）： 控制平滑，但转差功率以热量形式浪费掉。
• 定子电压控制： 调节范围有限且转子损耗高，因此只适用于风扇负载。

现代三相感应电动机由以下方式驱动： inverter test :

• V/f（伏/赫兹）控制 使电压与频率成比例升高。这使气隙磁通大致保持恒定，因此在整个转速范围内都能提供全部转矩。它简单、可靠，非常适合水泵和风扇。
• 磁场定向控制（FOC） 将定子电流分成产生磁通的分量和产生转矩的分量，并分别控制。这使感应电动机获得类似直流电机的动态响应。
• 无传感器控制 根据端电压和电流估算转子转速和磁通，因此无需编码器。
• 直接转矩控制（DTC） 直接根据转矩和磁通误差选择逆变器的开关状态。它提供非常快的转矩响应。
• 弱磁 适用于基速以上。此时达到逆变器的电压上限，因此频率升高而电压保持不变，磁通下降。其结果是一个恒功率区，在此区内可用转矩随转速上升而下降。
• 再生制动 使电机运行在略高于磁场转速。此时功率回流到直流母线，由制动电阻吸收，或通过有源前端回馈电网或电池。

变频驱动正是感应电动机如今能够承担过去属于直流电机的变速工作的原因，从机床到牵引应用。

三相感应电动机的优缺点

变频器消除了大多数经典缺点。它消除浪涌电流、从零转速起提供全部转矩、使转速可调，并将电网侧的功率因数与电动机解耦。但它增加了成本， 供电侧的谐波电流、会对绕组绝缘和轴承造成应力的陡峭电压边沿，以及需要妥善验证的控制系统。

三相感应电动机的应用

• 离心类工况：水泵、风扇、鼓风机、压缩机、暖通空调。 低速时负载转矩较小，因此一台标准 three phase induction motor 就能轻松使其起动。在流量降低时，变频器可大幅降低能耗，因为功率需求随转速急剧下降。
• 恒转矩工况：输送机、搅拌机、挤出机、机床。 陡峭的稳定区可在负载下保持转速。矢量控制驱动能在直至静止的范围内提供精确转矩。
• 重载起动工况：破碎机、磨机、提升机、起重机、冲床。 高转差鼠笼设计或绕线转子电动机可提供高堵转转矩并承受负载冲击。提升机在下放负载时还会利用发电区。
• 牵引：电动汽车和轨道交通。 一台 三相交流感应电动机 的转子没有磁体，因此不存在稀土依赖，也没有磁体退磁风险。它在高转速下的坚固性和宽广的弱磁范围，适合 traction inverter test.
• 发电：风能和小型水电。 鼠笼式感应发电机用于定速和小型装置。 双馈感应发电机 据一项美国专利称，约占风力发电系统市场的一半，因为转子变换器只需处理转差功率。

三相感应电动机与其他电动机类型的对比

在 电动汽车牵引，选择取决于优先事项。一些设计采用三相感应电动机，因为它避免了稀土磁体及其供应风险。断电时没有永磁磁场，因此一个随动的副轴电动机几乎不增加电磁阻力，只剩轴承、齿轮和风阻损耗。另一些设计则选择 PMSM，看重它在主导实际行驶循环的轻载、中速工作点上的更高效率，以及更高的功率密度。两者常常结合使用：一种被广泛分析的双电机架构，将承担大部分工作的后轴永磁电机与前轴感应电机配对，后者在需要时提供动力或再生制动，空闲时则自由空转。

三相感应电动机及其驱动如何测试

电动机测试首先要对 三相感应电机 本身进行特性测试：

• 空载试验： 电动机在额定电压和频率下空载（脱开联轴）运行。由于转差几乎为零，输入功率主要是铁耗加摩擦和风阻损耗，电流主要是励磁电流。由此得到等效电路的励磁支路。
• 堵转试验： 转子被堵住，施加降低后的电压以驱动约为额定值的电流。在转差为 100% 时，励磁支路只通过很小的电流。此时输入功率和电流可揭示绕组电阻和漏电抗。结合定子直流电阻测量，这两项试验即可得到一个可用的等效电路。
• 负载测试设备： 测功机: 在多个工作点对电动机加载，同时测量输入功率、转矩和转速。由此得到效率、功率因数和转差。按照 IEEE 112 和 IEC 60034-2-1，最精确的方法会分离各项损耗：测量定子和转子铜耗、铁耗、摩擦和风阻损耗，并由剩余损耗推算杂散负载损耗。
• 温升（发热）试验： 电动机在额定负载下运行直至达到热平衡，以确认绕组温度保持在其绝缘等级之内。IEC 60034 系列标准涵盖额定值、效率试验、起动性能（第 12 部分）和效率等级（第 30-1 部分）。

验证驱动是另一个单独的问题。传统方法是将真实电动机与测功机联轴。这很真实，但重新配置缓慢、受机械条件限制，并且在推入故障状态时有风险。故意短接某相、丢失编码器或使转子超速都可能损坏硬件。

一个 Power Hardware in the Loop （P-HIL）电机仿真器采用另一种途径。它是一台由实时感应电机模型控制的可再生功率变换器。它测量被测逆变器施加到其端子上的电压，实时求解电机模型，并将相应的电流强行注回逆变器。对逆变器而言，它在电气上看起来就像一台旋转的三相感应电机，但实际上没有任何部件旋转。这使团队能够：

• 安全地注入故障
• 扫描转子电阻、饱和和惯量等极端参数
• 在软件中切换不同的电动机型号
• 在满功率下运行可重复的回归测试

Impedyme 的 motor emulator  可运行 感应电机（以及 PMSM 和 BLDC）模型 ，部署在 基于 FPGA 的实时平台 上，模型时间步长低至 90 ns。它们以四象限、可再生模式运行，并具备可编程的故障注入，包括相间短路、缺相故障和传感器故障。

结论