三相異步電機(jī)的工作原理
三相異步電機(jī)是感應(yīng)電機(jī)的一種,定子通入電流以后,部分磁通穿過(guò)短路環(huán),并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。短路環(huán)中的電流阻礙磁通的變化,致使有短路環(huán)部分和沒(méi)有短路環(huán)部分產(chǎn)生的磁通有了相位差,從而形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。通電啟動(dòng)后,轉(zhuǎn)子繞組因與磁場(chǎng)間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)而感生電動(dòng)勢(shì)和電流,即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子存在相對(duì)轉(zhuǎn)速,并與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來(lái),實(shí)現(xiàn)能量變換。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組(各相差120度電角度),通入三相對(duì)稱(chēng)交流電后,將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組,從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流(轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路),載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下將產(chǎn)生電磁力,從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn),并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同.
當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)切割磁力線時(shí),在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,“感應(yīng)電機(jī)”的名稱(chēng)由此而來(lái)。感應(yīng)電流和磁場(chǎng)的聯(lián)合作用向電機(jī)轉(zhuǎn)子施加驅(qū)動(dòng)力。
我們讓閉合線圈ABCD在磁場(chǎng)B內(nèi)圍繞軸xy旋轉(zhuǎn)。如果沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng),閉合線圈經(jīng)受可變磁通量,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),該電動(dòng)勢(shì)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流(法拉第定律)。根據(jù)楞次定律,電流的方向?yàn)?感應(yīng)電流產(chǎn)生的效果總是要阻礙引起感應(yīng)電流的原因。因此,每個(gè)導(dǎo)體承受相對(duì)于感應(yīng)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向相反的洛侖茲力F。
確定每個(gè)導(dǎo)體力F方向的一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是采用右手三手指定則(磁場(chǎng)對(duì)電流作用將拇指置于感應(yīng)磁場(chǎng)的方向,食指為力的方向。將中指置于感應(yīng)電流的方向。這樣一來(lái),閉合線圈承受一定的轉(zhuǎn)矩,從而沿與感應(yīng)子磁場(chǎng)相同方向旋轉(zhuǎn),該磁場(chǎng)稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。閉合線圈旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩平衡了負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
啟動(dòng)與運(yùn)行
(1)根據(jù)電磁力定律,在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向基本一致的感生電流。載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁場(chǎng)中受到電磁力作用(力的方向用左手定則判定),電磁力對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸形成電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn),當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí),便向外輸出機(jī)械能。由于沒(méi)有短路環(huán)部分的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領(lǐng)先,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同。
(2)當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源(各相差120度電角度)時(shí),三相定子繞組流過(guò)三相對(duì)稱(chēng)電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢(shì)(定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì))并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),該磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n0沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。
(3)該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng),根據(jù)電磁感應(yīng)原理,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體(轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流(感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則判定)。
轉(zhuǎn)差率
只有當(dāng)閉合線圈有感應(yīng)電流時(shí),才存在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩由閉合線圈的電流確定,且只有當(dāng)環(huán)內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時(shí)才存在。因此,閉合線圈和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間必須有速度差。因而,遵照上述原理工作的電機(jī)被稱(chēng)作“異步電機(jī)”。同步轉(zhuǎn)速(ns)和閉合線圈速度(n)之間的差值稱(chēng)作“轉(zhuǎn)差”,用同步轉(zhuǎn)速的百分比表示。s=[(ns-n)/ ns] x 100% (s為下標(biāo))運(yùn)行過(guò)程中,轉(zhuǎn)子電流頻率為電源頻率乘以轉(zhuǎn)差率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子電流頻率處于最大值,等于定子電流頻率。
轉(zhuǎn)子電流頻率隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而逐步降低。處于恒穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)差率與電機(jī)負(fù)載有關(guān)系。它受電源電壓的影響,如果負(fù)載較低,則轉(zhuǎn)差率較小,如果電機(jī)供電電壓低于額定值,則轉(zhuǎn)差率增大。
同步轉(zhuǎn)速 三相異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比,與定子的對(duì)數(shù)成反比。
例如:ns=60 f/p式中ns—同步轉(zhuǎn)速,單位為r/lmin f-頻率,單位為Hz,
P磁極對(duì)數(shù)給出了在50Hz, 60Hz以及100Hz工業(yè)頻率下,對(duì)應(yīng)于不同磁極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速。
實(shí)際上,即使電壓.正確無(wú)誤,如果供電頻率高于異步電機(jī)的額定頻率,一也未必能夠提高電機(jī)轉(zhuǎn)速。必須首先確定其機(jī)械和電氣容量。由于存在轉(zhuǎn)差率,帶負(fù)載的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速稍稍低于表格中給出的同步轉(zhuǎn)速。改變電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,改變電源的相序即可實(shí)現(xiàn),即交換通入到電機(jī)的三相電壓接到電機(jī)端子中任意兩相就行。
因?yàn)槿喈惒诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子線圈中的感應(yīng)電流是由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不會(huì)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步,更不會(huì)超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度。如果三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速成大小相等,那么,磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子之間就沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)體不能切割磁力線,因此轉(zhuǎn)子線圈中也就不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電流,三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中也就不會(huì)受到電磁力的作用而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。因而三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度不可能與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同,總是小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。但在特殊運(yùn)行方式下(如發(fā)電制動(dòng)),三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以大于同步轉(zhuǎn)速。
旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生
三組繞組間彼此相差120度,每一組繞組都由三相交流電源中的一相供電.
繞組與具有相同電相位移的交流電流相互交叉,每組產(chǎn)生一個(gè)交流正弦波磁場(chǎng)。此磁場(chǎng)總是沿相同的軸,當(dāng)繞組的電流位于峰值時(shí),磁場(chǎng)也位于峰值。每組繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)是兩個(gè)磁場(chǎng)以相反方向旋轉(zhuǎn)的結(jié)果,這兩個(gè)磁場(chǎng)值都是恒定的,相當(dāng)于峰值磁場(chǎng)的一半。此磁場(chǎng).在供電期內(nèi)完成旋轉(zhuǎn)。其速度取決于電源頻率(f)和磁極對(duì)數(shù)(P)。這稱(chēng)作“同步轉(zhuǎn)速”