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三相异步电动机的工作原理

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三相异步电动机的定子绕组是一个空间位置对称的三相绕组,如果在定子绕组通入三相对称的交流电流,就会在电动机内部建立起一个恒速旋转的磁场,称为旋转磁场,它是异步电动机工作的基本条件。因此,有必要先说明旋转磁场是如何产生的,有什么特性,然后再讨论三相异步电动机的工作原理

一、旋转磁场

(一)旋转磁场的产生

图3—1为最简单的三相异步电动机的定子绕组,每相绕组只有一个线圈,三个相同的线圈U1—U2、V1—V2、W1—W2在空间的位置彼此互差120°,分别放在定子铁心槽中。当把三相线圈接成星形,并接通三相对称电源后,那么在定子绕组中便产生三个对称电流,即:

              iU=Imsinωt

              iv=Imsin(ωt­­­­­−120°)                                       (3—1)

iw=Imsin(ωt+120°)                                    

山东电机其波形如图3—2所示。

电流通过每个线圈要产生磁场,而现在通过定子绕组的三相交流电流的大小及方向均随时间而变化,那么三个线圈所产生的合成磁场是怎样的呢?这可由每个线圈在同一时刻各自产生的磁场进行叠加而得到。假如电流由线圈的始端流入、末端流出为正,反之则为负。电流流入端用“⊕”表示,流出端用“⊙”表示。下面就分别取t=0、T/6、T/3、T/2四个时刻所产生的合成磁场作定性的分析(其中T为三相电流变化的周期)。



图3—1   
三相异步电动机的工作原理简单的定子绕组            图3—2    三相电流的波形

当t=0时,由三相电流的波形可见,电流瞬时值iU=0,iv为负值,iw为正值。这表示U相无电流,V相电流是从线圈的末端V2流向首端V1,W相电流是从线圈的始端W1流向末端W2,这一时刻由三个线圈电流所产生的合成磁场如图3—3a所示。它在空间形成二极磁场,上为S极,下为N极(对定子而言)。设此时N、S极的轴线(即合成磁场的轴线)为零度。



                             图3—3   两极旋转磁场

a)t=0;b)t=T/6;c)t=T/3;d)t=T/2

当t=T/6时,U相电流为正,由U1端流向U2端,V相电流为负,由V2端流向V1端,W相电流为零。其合成磁场如图3—3b所示,也是一个两极磁场,但N、S极的轴线在空间顺时针方向转了60°。

当t=T/3时,iU为正,由U1端流向U2端,iv=0,iw为负,由W2端流向W1端,其合成磁场比上一时刻又向前转过了60°,如图3—3c所示。

用同样的方法可得出当t=T/2时,合成磁场比上一时刻又转过了60°空间角。由此可见,图3—3描述的是一对磁极的旋转磁场。但电流经过一个周期的变化时,磁场也沿着顺时针方向旋转一周,即在空间旋转的角度为360°。

上面分析说明,当空间互差120°的线圈通入对称的三相交流电流时,在空间就产生了一个旋转磁场。

国产的异步电动机的电源频率通常为50Hz。对于已知磁极对数的异步电动机,可得出对应的旋转磁场的转速,如表3—1所示。

(二)旋转磁场的转向

由图3—3中各个瞬间磁场变化,可以看出,当通入三相绕组中电流的相序为iU→iv→iw,旋转磁场在空间是沿绕组始端U→V→W方向旋转的,在图中即按顺时针方向旋转。如果把通入三相绕组中的电流相序任意调换其中两相,例如,调换V、W两相,此时通入三相绕组电流的相序为iU→iw→iv,则旋转磁场按逆时针方向旋转。由此可见,旋转磁场的方向是由三相电流的相序决定的,即把通入三相绕组中的电流相序任意调换其中的两相,就可改变旋转磁场的方向。

二、三相异步电动机的工作原理

(一)异步转动原理

由上面分析可知,如果在定子绕组中通入三相对称电流,则定子内部产生某个方向转速为n1的旋转磁场。这时转子导体与旋转磁场之间存在着相对运动,切割磁力线而产生感应电动势。电动势的方向可根据右手定则确定。由于转子绕组是闭合的,于是在感应电动势的作用下,绕组内有电流流过,如图3—4所示。转子电流与旋转磁场相互作用,便在转子绕组中产生电磁力F。力F的方向可由左手定则确定。该力对转轴形成了电磁转矩Tem,使转子按旋转磁场方向转动。异步电动机的定子和转子之间能量的传递是靠电磁感应作用的,故异步电动机又称感应电动机。

转子的转速n是否会与旋转磁场的转速n1相同呢?回答是不可能的。因为一旦转子的转速和旋转磁场的转速相同,二者便无相对运动,转子也不能产生感应电动势和感应电流,也就没有电磁转矩了。只有二者转速有差异时,才能产生电磁转矩,驱使转子转动。可见,转子转速n总是略小于旋转磁场的转速n1。正是由于这个关系,这个电动机被称为异步电动机。

由上式可知n1与n有差异是异步电动机运行的必要条件。通常把同步转速n1与转子转速n二者之差称为“转差”,“转差”与同步转速n1的比值称为转差率(也叫滑差率),用s表示,即s=(n1−n)/ n1 。


转差率s是异步电动机运行时的一个重要物理量,当同步转速n1一定时,转差率的数值与电动机的转速n相对应,正常运行的异步电动机,其s很小,一般s=0.01~0.05。

(二)异步电动机空载和负载运行

要使异步电动机运行,必须产生足够大的电磁转矩。电动机空载运行时,它产生的电磁力必须克服轴与轴之间的摩擦和转子旋转所受风阻等产生的空载转矩,即Tem=T0,电动机才能稳定运行。而T0一般很小,所以电磁转矩也很小,但其转速很高,几乎接近同步转速。

异步电动机轴上带负载转动时,也必须符合动力学的规律,即只有在电动机的电磁转矩与机械负载的反抗力矩相平衡时,即Tem=TL时,电动机才能以恒速运行。如果电动机的电磁转矩大于反抗力矩,即Tem>TL时,电动机将产生加速运行。反之,如果Tem<TL,则电动机将减速运转。

异步电动机是依靠转子转速的变化,来调整电动机的电磁能量,从而使电动机的电磁转矩得到相应的改变,以适用于负载变化的需要来实现新的平衡。当电动机以稳定的转速n运行时,假如由于某种原因,负载转矩突然降低,即变为Tem>TL,电动机将作加速旋转,转子感应电动势和电流减小,从而使电磁转矩减小,直到电磁转矩与新的反抗转矩相平衡,此时电动机在高于原转速n的情况下稳定运行。反之转矩由于某种原因增大时,电动机将最终稳定运行在低于原转速的情况下。

(三)三相异步电动机的电磁关系

雷力机电提醒您:三相异步电动机的电磁关系与变压器的很相似。异步电动机的定子绕组相当于变压器的一次绕组,转子绕组相当与变压器的二次绕组,只不过是短路的绕组。但三相异步电动机的每相绕组不像变压器那样集中的绕在铁心上,而是分布在铁心内壁的槽内,每一相绕组是由许多沿周围分布的线圈串联而成的。另外,三相异步电动机的磁路中有一个较大的空气隙。
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