绕线式三相异步电动机

概念定义

绕线式三相异步电动机是三相异步电动机的一种，按转子绕组形式与笼式异步电动机相区别。其定子接入三相交流电，转子采用绕组结构，并通过集电环把转子电路连接至外部电阻。它也称为绕线转子感应电动机或滑环电动机。异步电动机中的绕线式均为三相电动机，而笼式结构则可用于三相或单相电动机。

工作原理

三相交流电进入定子绕组后，会在电动机内部形成旋转磁场。该磁场以同步转速旋转，并与转子绕组产生相对运动，使转子导体切割磁感线，感应出电动势和电流。转子电流建立的磁场依照楞次定律反抗原有磁通变化，由此产生与定子旋转磁场方向一致的电磁转矩，推动转子旋转。

转子必须与旋转磁场保持一定转速差，才能持续产生感应电流和转矩。同步转速可表示为 ns=120f/p，其中 f 为电源频率，p 为定子磁极数，ns的单位为每分钟转数。四极电动机在50 Hz电源下的同步转速为1500 rpm。实际转速nr通常低于同步转速，两者之差相对于同步转速的比例称为滑差，即s=(ns−nr)/ns。

负载增加时，转子转速下降，滑差随之增大，感应电流和电磁转矩也会增加，直至电磁转矩与机械负载转矩达到平衡。若负载转矩超过电动机的最大转矩，转速会继续下降，并可能进入堵转状态。

技术构成

电动机的定子绕组分布在定子槽内，用于建立旋转磁场。绕线式转子设有可感应电流的绕组，转子电路经集电环引出，并可接入外部可变电阻。改变外接电阻能够调整加速过程或速度控制所需的速度—转矩特性，这是绕线式结构与无需连接外部转子电路的笼式结构之间的重要差异。

外接电阻调速会把部分转差功率消耗在电阻上，低速运行时的功率损失尤其明显。滑环能量回收系统则从转子电路回收能量，经过整流和逆变后送回电源，用于部分仍在运行的大型滑环电动机系统。

应用场景

绕线式三相异步电动机可用于需要借助转子外接电阻调节加速过程、转速或速度—转矩特性的设备。电力电子技术普及以前，交流电源频率不易改变，滑环电动机曾是交流调速方案之一，并用于电动吊车等场景。两台滑环电动机还可采用级联接线控速，即把一台电动机的转子连接至另一台电动机的定子；早期部分三相交流电力机车曾采用这种方式。

现代工业中，变频器能够通过调节输出频率和电压控制异步电动机转速。随着变频器成本与可靠性改善，变频驱动的笼式异步电动机已在许多应用中取代直流电动机或绕线转子异步电动机。不过，既有大型滑环电动机及其转差能量回收系统仍继续使用。

技术演进

旋转磁场概念由弗朗索瓦·阿拉戈于1824年阐述。费拉里斯在1885年制成无换向器的三相异步电动机，尼古拉·特斯拉于1887年独立完成相关发明，并在其交流电动机论文中描述了可自行启动的绕线转子感应电动机。1889年，米哈伊尔·多利沃-多布罗沃尔斯基发明笼型转子感应电动机。此后，笼式结构与变频控制逐渐成为许多工业驱动的选择，绕线式结构则保留在需要利用转子电路进行控制或能量回收的系统中。