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贾飞世

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异步电机的基本工作原理

  异步电机基本工作原理
  电生磁
  三相对称绕组通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。
  磁生电
  旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。
  电磁力
  转子载流(有功分量电流)体在磁场作用下受电磁力作用,形成电磁转矩,驱动电动机旋转,将电能转化为机械能。
  旋转磁场基本过程
  当三相鼠笼式异步电机定子绕组接到三相电源上时,定子绕组中将流过三相对称电流,气隙中将建立基波旋转磁动势,从而产生基波旋转磁场,如图所示,设U1、V1、W1代表每相绕组的首端,U2、V2、W2代表每相绕组的末端,如电流某一绕组的首端流进,从末端流出,就确定该电流为正,否则为负。
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  1)瞬时1,线圈U1、U2中无电流,线圈V1、V2中的电流方向为负,电流从尾V2流进,从头V1流出;线圈W1、W2电流方向为正,电流从头W1流进,从尾W2流出。
  2)瞬时2,线圈W1、W2中无电流。线圈U1、U2中的电流为正。电流从头U1流进,从尾U2流出;线圈V1、V2中电流方向为负,电流从尾V2流进,从头V1流出,这时,定子中产生的磁场比瞬时1的磁场方向沿顺时针方向转动了60°。
  3)瞬时3,在瞬时3时,线圈V1、V2中无电流。线圈U1、U2中电流方向为正,线圈W1、W2中电流方向为负,电流从尾W2流进,从头W1流出。这时,定子中产生的磁场方向有比瞬时2的磁场方向沿顺时针方向转动了60°。
  4)在瞬时4,线圈U1、U2中无电流。线圈V1、V2中的电流方向为正。电流从头V1流进,从尾V2流出;线圈W1、W2中电流方向为负。这时,定子中产生的磁场比瞬时3的磁场方向沿顺时针方向转动了60°。
  当鼠笼式异步电动机定子绕组中接上三相交流电源时,就会产生旋转磁场,旋转磁场的转速称为同步转速,其同步转速决定于电网频率和绕组的极对数n=60f/p。其中,p为磁场的磁极对数,f为电源的频率。
  旋转磁场的方向取决于通入定子绕组中电流的相序,如果把绕组与电源接线的其中任意两根对调一下,旋转磁场的方向随之反转。
  转差率
  当三相鼠笼式异步电动机定子绕组产生旋转磁场时,转子中的导体被旋转磁场切割,产生感应电动势(其方向可用右手定则确定)。因为导体两端短路,因此,有电流通过,这些载流导体在磁场中受磁场作用而产生力,使转子产生与旋转磁场方向相同的电磁转矩而转动。不过转子的转速总比磁场转速要慢一些,也只有这样,转子绕组与旋转磁场之间才有相对运动而切割磁力线,从而产生电磁转矩,故称异步电动机。电机的旋转磁场的转速(同步转速)n1与转子转速n之差再与同步转速n1的比值称为转差率s,表示为s=(n1-n)/n1。
  转差率是异步电机的一个基本物理量,它反映电机的各种运行情况。转子未转动时,n=0,s=1;电机空载时n约等于n1,s约等于0。作为电动机,转速在0到n1范围内变化,转差率在0到1范围内变化。当异步电机的负载发生变化时,转子的转差率随之变化,负载越大,转速越低,转差率越大;反之,转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小,按转差率的正负、大小,异步电机可分为电动机、发电机、电磁制动三种运行状态。
  异步电机三种运行状态
  1. 电动机状态
  当0<n<n1,即0<s<1 时,如图a所示,转子中导体以与n相反的方向切割旋转磁场,导体中将产生感应电动势和感应电流,该电流(N极下为⊗ )与气隙中磁场相互作用而产生一个与转子转向同方向的电磁力矩,即拖动性质的力矩,该力矩能克服负载制动力矩而拖动转子旋转,从轴上输出机械功率。根据功率平衡,该电机一定从电网吸收有功电功率。如果转子被加速到n1,此时转子导体与旋转磁场同步旋转,它们之间无相对切割,因而导中无感应电动势,也没有电流,电磁转矩为零。因此在电动机状态,转速n不可能达到同步转速n1。
  2. 发电机状态
  用原动机拖动异步电机,使其转速高于旋转磁场的同步转速,即n>n1、s<0,如图b所示。转子上导体切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反,从而导体上感应电动势、电流的方向与电动机状态相反,电磁转矩的方向与转子转向相反,电磁转矩为制动性质。此时异步电机由转轴从原动机输入机械功率,通过电磁感应由定子向电网输出电功率(电流方向为⊙,与电动机状态相反),电机处于发电机状态。
  3. 电磁制动状态
  由于机械负载或其它外因,转子逆着旋转磁场的方向旋转,即n<0、s>1,如图c所示。此时转子导体中的感应电动势、电流与在电动机状态下的相同。但由于转子转向与旋转磁场方向相反,电磁转矩表现为制动转矩,此时电机运行于电磁制动状态,即由转轴从原动机输入机械功率的同时又从电网吸收电功率(因电流与电动机状态同方向),两者都变成了电机内部的损耗。
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  总结
  通过上述分析可以总结出电动机工作原理为:当电动机的三相定子绕组(各相差120度电角度),通入三相交流电后,将产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路),载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力,从而在电机转轴上形成电磁转矩,驱动电动机旋转,并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。


原作者:笔记本 电气学习笔记

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