2.1 三相交流电动机基本知识
电动机是将电能转换为机械能的电气设备。在电力拖动系统中，电动机按使用的电源分类，有直流电动机和交流电动机两种。在交流电动机中，又有同步电动机和异步电动机的区别。同步电动机的运行转速与旋转磁场的转速相同，而异步电动机的运行转速则略低于旋转磁场的转速。交流电动机按使用的电源相数分为单相电动机和三相电动机。三相交流电动机又可分为笼形电动机和绕线转子型电动机两类。按给电动机提供的电源频率区分，有50Hz的定频电动机和配套变频器的变频电动机。本节介绍三相交流电动机的基本知识。
2.1.1 三相交流笼型异步电动机的基本结构
图2-1是三相笼型异步电动机的结构图，它由两个基本部分组成：一个是固定不动的部分，称为定子；另一个是旋转部分，称为转子。
图2-1 三相笼型异步电动机结构图
1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁芯；7—转子铁芯；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇
（1）定子部分
定子部分（参见图2-1）由定子铁芯、定子绕组和机座等组成。机座通常由铸铁制成，机座内装有用0.5mm厚的硅钢片叠制而成的定子铁芯。为了减小涡流损耗，叠片间需要进行绝缘处理。一般小容量的电动机由硅钢片表面的氧化膜绝缘，大容量电动机的硅钢片间则涂有绝缘漆。定子铁芯的内圆周上具有均匀分布的定子槽，槽内嵌放三相定子绕组。定子绕组与铁芯之间垫有足够绝缘强度的绝缘材料。中小功率的电动机定子绕组一般采用漆包圆铜线或铝线绕制，大型异步电动机的导线截面积较大，采用矩形截面的表面绝缘的铜线绕制，定子绕组分为三组，作为三相绕组嵌放在定子铁芯槽内，三相绕组在定子铁芯内整个圆周空间彼此相隔120°放置，构成对称的三相绕组，是电动机的电路部分。三相绕组的6个出线端引出后接在置于电动机外壳上的接线盒（见图2-1中的“4”）内。三相绕组的首端分别叫做U1、V1和W1，其对应的末端分别叫做U2、V2和W2。将接线盒中的6个接线端子进行适当连接，可以得到三相绕组的星形接法或三角形接法。如图2-2所示。
图2-2 笼型电动机三相定子绕组的连接
（2）转子部分
转子部分（参见图2-1）由转子铁芯、转子绕组、转轴、风扇等部分组成。
转轴一般由中碳钢材料制造，它起到支撑、固定转子铁芯和传递功率的作用。转子铁芯由0.5mm厚的圆形硅钢片叠制而成，是电动机磁路的一部分。叠压成整体的圆柱形转子铁芯套装在转轴上。
转子铁芯外圆的槽内放置转子绕组。笼型电动机的转子绕组如图2-3所示，图（a）是忽略了铁芯时的绕组样式，它用铜条或铝条作转子导体（导条），在导条的两端用短路环（也称端环）短接，整个绕组的外形就像一个鼠笼，所以具有这种结构转子绕组的电动机称作笼型电动机。
小型异步电动机的笼型绕组用铝材铸造而成。制造时，叠好的转子铁芯外圆周刻有沟槽，将转子铁芯放在铸铝的模具内，通过铸造工艺一次铸造成笼型绕组和端部的内风扇。铸造好的笼型转子外形如图2-3（b）所示。
图2-3 笼型电动机的转子绕组
除了上述结构部件外，异步电动机还有前端盖、后端盖、轴承、风扇、风罩、吊环等，如图2-1所示。
2.1.2 三相绕线转子型异步电动机的基本结构
绕线转子型异步电动机与笼型异步电动机的差别在于转子绕组，绕线式转子的铁芯槽内放置着与定子绕组相类似的三相对称绕组，这三相绕组的末端在内部接成星形，三相绕组的首端由转子轴中心引出接到集电环（也称滑环），经过集电环和电刷在外部串入电阻（启动、调速时）或经过开关器件短接（正常运行时），如图2-4所示。
图2-4 绕线转子型异步电动机绕组接线图
有的绕线转子型异步电动机还有提刷装置，在串入外接电阻启动完毕后，把电刷提起，将三相集电环直接短路，从而减小运行中集电环与电刷的磨损。
2.1.3 变频电动机简介
由于近些年来变频器产品和变频调速技术的日益普及，国内的电动机生产厂家研制出了许多型号的变频电动机，这些更适合于与变频器配套使用的变频调速三相异步电动机已经广泛应用于各种传动机械，例如机床、冶金、石油、化工、医药、纺织、橡胶、压铸、注塑、印刷、包装、食品等行业。
变频电动机可以采用基“频”制（基于不同额定频率的电动机）代替基“极”制（基于不同极数、不同额定转速的电动机），基准频率可选定25Hz、33.3Hz、50Hz、87Hz，代替传统的8极、6极、4极、2极50Hz定频电动机。
变频电动机采用轴流风机强制通风冷却，保证电动机在任何转速下具有良好的散热，可实现高速或低速运行状态下的长期安全运行。
2.1.4 三相交流同步电动机简介
（1）同步电动机基本工作原理
同步电动机是由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场相互作用而产生转矩，以同步转速旋转的交流电动机。同步电动机的转子转速与定子旋转磁场的转速相同，其转子每分钟转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足如下关系，即n=60f/p。电源频率f与电动机的转速n成一定的比例关系，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。同步电动机具有运行稳定性高和过载能力大等特点，常用于恒速大功率拖动的场合，例如用来驱动大型空气压缩机、球磨机、鼓风机、水泵和轧钢机等。
同步电动机可以运行在过励状态下。其过载能力比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与定子电源电压平方成正比，而同步电动机的转矩决定于定子电源电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积，即仅与定子电源电压的一次方成比例。当电网电压突然下降到额定值的80%左右时，异步电动机转矩往往下降为额定转矩的64%左右，并可能因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多，还可以通过自动强励来保证电动机的稳定运行。
同步电动机定子绕组与异步电动机相同，但是转子结构不同于异步电动机，同步电动机的转子上除了装有启动绕组外，还在磁极上绕有线圈，各个磁极的线圈串联起来构成励磁绕组，励磁绕组的两端接线通过转子轴上的滑环与电刷跟直流励磁电源连接。也有无刷同步电动机，结构与此略有差异。同步电动机的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。
当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生一个旋转磁场，转子上的启动绕组切割磁力线而产生感应电流，从而电动机旋转起来。在转子旋转的速度达到定子绕组产生的旋转磁场速度的95%左右时，给转子励磁线圈通入直流励磁电流，这时转子绕组产生极性恒定的静止磁场，转子磁场受定子磁场作用而随定子旋转磁场同步旋转。
定子旋转磁场或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相电流相序，改变其相序即可改变同步电动机的旋转方向。
（2）同步电动机的调相功能
同步电机无论用作发电机、电动机或调相机，其基本原理及结构是相同的，只是运行方式不同而已。
同步电动机不带任何机械负荷空载运行时，调节电动机的励磁电流可使电动机向电网发出容性或感性的无功功率，用以维持电网电压的稳定和改善电力系统功率因数。运行在上述状态的同步电动机称为同步调相机，而维持电动机空转和补偿各种损耗的功率则须由电力系统提供。调相机一般安装在负载中心的变电所中。
电力系统中的同步调相机，只从电网吸收少量的有功功率以维持电机空载的有功损耗。如果不计损耗的话，同步调相机是在零电磁功率和零功率因数的情况下运行的。其电枢电流是无功性质的。
同步调相机过励运行时可以看作是电力系统的一个容性无功负荷。换句话说，若欲使同步调相机向电力系统提供容性无功，则须使其过励磁。
同步调相机欠励运行时可以看作是电力系统的一个感性无功负荷。换句话说，若欲使同步调相机向电力系统提供感性无功时，则须使其欠励磁。
作为无功负荷的同步调相机，其发出无功容量的大小及性质（感性或容性），可以通过调节励磁电流来实现。
同步电机作调相运行时，称其为电力系统的无功负荷，或者说向电力系统提供无功容量，其实质含义是一致的。
（3）同步电动机的常用启动方式
同步电动机仅在同步转速下才能产生平均的转矩。如在启动时将定子绕组接入电网且转子绕组同时加入直流励磁，则定子旋转磁场立即以同步转速旋转，而转子磁场因转子有惯性而暂时静止不动，此时所产生的电磁转矩将正负交变而其平均值为零，故同步电动机不能带励启动。同步电动机的启动通常采用辅助电动机启动法、异步启动法或变频启动法等。
①辅助电动机启动法 通常选用与同步电动机同极数的感应电动机（容量约为主机的10%～15%）作为辅助电动机，拖动主机到接近同步转速，再将电源切换到主机定子，并使励磁电流通入励磁绕组，将主机牵入同步转速。
②异步启动法 在电动机主磁极极靴上装设笼型启动绕组。启动时，先使励磁绕组通过电阻短接，而后将定子绕组接入电网。依靠启动绕组的异步电磁转矩使电动机升速到接近同步转速，再将励磁电流通入励磁绕组，建立主极磁场，即可依靠同步电磁转矩，将电动机转子牵入同步转速。
③变频启动法 变频启动近些年也得到广泛的应用，启动时，先在转子绕组中通入直流励磁电流，利用变频器逐步升高加在定子上的电源频率f，使转子磁极在开始启动时就与旋转磁场建立起稳定的磁场吸引力而同步旋转，在启动过程中频率与转速同步增加，定子频率达到额定值后，转子的旋转速度也达到额定的转速，启动完成。
2.1.5 电动机整体结构的防护等级
这里介绍的是国家标准GB/T 4942.1—2006《旋转电机整体结构的防护等级（IP代码）分级》的内容摘录，供电动机运行和维护人员参考。
由于国家标准本身的语言文字是非常严谨的，因此以下主要是标准本身的内容，仅在必要时给以解释和说明。
电动机有时会运行在露天情况下，有时会运行在雨雪风霜甚至水中（例如潜水泵电机），为了保证电动机在任何运行环境中都能安全无故障，应该按照国家标准GB/T 4942.1—2006《旋转电机整体结构的防护等级（IP代码）分级》的规定，选择具有适当整体结构防护等级的电动机。
电动机整体结构的防护等级在上述标准中称作IP防护等级，该标准是由IEC（国际电工委员会）起草的，IEC的标准号和标准名称为IEC 60034-5：2000《旋转电机整体结构的防护等级（IP代码）分级》。结合国内国情，我国等同采用了IEC的标准，并于2006年公布了最新修订版的、标准号为GB/T 4942.1—2006的国家标准。标准将电动机依其防尘、防止外物侵入、防湿气的特性加以分级。IP防护等级的标志由表征字母“IP”及附加在其后的两位表征数字组成，表征数字中的第一位数字表示电动机防止外物侵入的等级，第二位数字表示电动机防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。这里所指的外物含工具、人的手指等，外物均不可接触到电动机内的带电部分，以免触电。
当只需用一位表征数字表示某一防护等级时，被省略的数字应以字母“X”代替，例如IPX5、IP2X。
根据标准要求，表示电机防护等级的表征字母和数字应标在电机的铭牌上，若有困难，可标在外壳上。
（1）防护等级中第一位表征数字的具体含义
第一位表征数字的具体含义如表2-1所示。表中使用的术语“防止”表示能阻止人体某一部分、手持的工具或导体进入外壳，即使进入，也能与带电或危险的转动部件（光滑的旋转轴和类似的部件除外）之间保持足够的间隙。
表2-1 第一位表征数字表示的防护等级
（2）防护等级中第二位表征数字的具体含义
第二位表征数字的具体含义如表2-2所示。
表2-2 第二位表征数字表示的防护等级
注：电机一般为水密型，但对某些类型电机也可允许水进入，但应不达到有害的程度。
（3）第一位表征数字的试验和认可条件
第一位表征数字的试验和认可条件按表2-3的规定执行。
表2-3 第一位表征数字的试验和认可条件
图2-5 标准试指
1—手柄；2—挡板；3—绝缘材料；4—止面；5—铰链；6—所有边缘倒角；7—R2±0.05圆柱形；8—R4±0.05球形
图2-6 防尘试验设备
1—阀门；2—滤尘器；3—空气流量计；4—真空泵；5—被试电机；6—滑石粉；7—筛网；8—压力计；9—监察窗；10—振动器；11—循环泵
（4）第二位表征数字的试验条件与认可条件
①试验条件 第二位表征数字的试验条件按表2-4的规定执行。
试验应用清水进行。在试验过程中，壳内的潮气可能部分凝结，应避免将冷凝的露水误认为进水。按试验要求，表面积计算的误差应不大于10%。
如可能，电机应以额定转速运行，以机械方式和通电方式均可。在电机通电情况下做试验时，应采取充分的安全措施。
表2-4 第二位表征数字的试验条件
注：水压的测量，可以喷嘴喷出水的高度代替：水压30kPa（0.3bar），高度2.5m；水压100kPa（1bar），高度8m。
图2-7 滴水试验设备
1—调节水流量的砂和砂砾层，层与层之间用金属网和吸水纸隔开；2—被试电机
图2-8 淋水和溅水试验设备
1—孔ϕ0.4；2—被试电机；3—平衡锤
图2-9 手持式淋水和溅水试验设备
1—阀门；2—压力计；3—软管；4—铝质活动挡板；5—喷头；6—平衡锤；7—喷嘴，共有121个孔，每孔ϕ0.5；8—被试电机
图2-10 标准喷嘴
注：D=6.3，对应于表2-4表征数字为5的试验；D=12.5，对应于表2-4表征数字为6的试验
②认可条件 第二位表征数字的试验按表2-4的规定试验结束后，应检查电机进水情况并作下述检验和试验。
a.电机的进水量应不足以影响电机的正常运行；不是预定在潮湿状态下运行的绕组和带电部件应不潮湿，且电机内的积水应不浸及这些部件。
电机内部的风扇叶片允许潮湿；同时，如有排水措施，允许水沿轴端漏入。
b.如电机在静止状态下做试验，应在额定电压下空载运转15min后再作耐电压试验，其试验电压应为新电机试验电压的50%，但不应低于额定电压的125%。
如电机在运转状态下做试验，则可直接作上述耐电压试验。
试验后电机能符合GB 755—2008的要求而无损坏，则认为试验合格。