三相異步電動機工作原理
異步電動機的三相定子繞組通入三相電流,便產生旋轉磁場,并切割轉子導體(導體切割磁力線),在轉子電路中產生感應電流,載流轉子在磁場中受力產生電磁轉矩,從而使轉子旋轉,所以旋轉磁場的產生是轉子轉動的先決條件。
1、旋轉磁場的產生三相對稱繞組AX、BY、CZ在空間互差,將其星形接法(Y接),即X、Y、Z連接在一起,A、B、C分別接到三相電源上,便有對稱的三相交變電流通入相應的定子繞組。即
通入電機的三相電流波形如下圖所示:
為了便于分析,取,,三個時刻進行分析。
(1)時,,根據右手螺旋定則:是負值,是正值,此時,電流從Y、C流入,從Z、B流出,AX線圈中沒有電流,磁力線分布由上到下,從而形成的磁場方向上面是N級下面是S級。
(2)時, 是負值,,磁場方向如下圖所示,逆時針偏轉
(3)時,是正值,是負值,是正值,磁場方向如下圖所示,逆時針偏轉。
結論:當定子繞組中通入三相電流后,它們共同產生的合成磁場是隨電流交變而在空間不斷旋轉著,這就是旋轉磁場。該旋轉磁場同磁極在空間旋轉所起的作用是一樣的。
產生條件:三相對稱電流通過三相對稱繞組。
2、旋轉磁場的方向 旋轉磁場的方向與通入繞組的三相電流的相序有關。如果將三根導線中的任意兩根對調位置(例如對調了B和C兩相),則電動機三相繞組的B相與C相對調(注意:電源三相端子的相序未變),旋轉磁場反轉。
3、旋轉磁場的極對數 每相繞組只有一個線圈,繞組的始端之間相差120°空間角,則產生的旋轉磁場具有一對極,即(p是磁極對數)。如將定子繞組安排成每相有兩個線圈串聯,繞組的始端之間相差60°空間角,則產生的旋轉磁場具有兩對極,即
顯然,p與定子繞組的安排有關。 一般的電動機制造好以后,從型號上即可判斷磁極對數。
例:Y132M-4→
Y180L-6→
4、旋轉磁場的轉速 根據上面的分析,電流變化一個周期,兩極旋轉磁場在空間旋轉一周。若電流的頻率為,則旋轉磁場的轉速為每秒f轉。若以表示旋轉磁場的每分鐘轉速(r/min),則。
如果每相繞組有兩個線圈(四個圈邊),適當地安排繞組的分布,可以形成四個極(兩對極)的旋轉磁場,即。時,電流變化一個周期,合成磁場在空間只旋轉180°,其轉速為,由此可以推廣到p對極的旋轉磁場的轉速為。
由上式可知,旋轉磁場的轉速(亦稱同步轉速)取決于電源頻率和電動機的磁極對數p。
我國的電源頻率為50Hz,則無論電動機多么復雜,若p一定則一定。
下表為電動機的極對數與同步轉速的關系。
5、轉子轉動的原理
旋轉磁場旋轉時,其磁通切割轉子導條,導條中就感應出電動勢。在電動勢的作用下,閉合的導條中就有電流。該電流與旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩,使轉子沿著磁場旋轉方向轉動。因為轉子與旋轉磁場間必須有相對運動才能產生感應電動勢,所以轉子轉速一定低于旋轉磁場轉速,故稱為異步電動機。又因轉子中的電流是感應產生的,故又稱感應電動機。
下圖是轉子轉動原理示意圖,其中旋轉磁場用一對旋轉磁鐵表示:
兩極(一對級,p=1)三相異步電動機轉動原理如圖所示,N、S表示兩極旋轉磁場,轉子中只畫出兩根導條。當旋轉磁場向順時針方向旋轉時,其磁力線切割轉子導條,轉子與磁場之間有相對運動,相當于磁場不動,導體沿逆時針切割磁力線,從而在轉子導條中產生感應電動勢,電動勢的方向由右手定則確定。在電動勢作用下,閉合的導條中就有電流,而載流導體在磁場中受電磁力F,電磁力方向可用左手定則來確定。由電磁力產生電磁轉矩,轉子就轉動起來了。
6、轉差率轉子轉動的方向和磁極轉動的方向相同。但轉子的轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速相等,即。因為,如果兩者相等,則轉子與旋轉磁場之間就沒有相對運動,因而磁通就不切割轉子導條,轉子電動勢、轉子電流以及轉矩就都不存在了,這樣,轉子就不可能繼續以的轉速轉動。因此,轉子轉速與磁場轉速之間必須有差別。這就是異步電動機名稱的由來。
我們用轉差率來表示轉子轉速n與磁場轉速相差的程度,即。
轉差率是異步電動機的一個重要的物理量。轉子轉速越接近磁場轉速,則轉差率越小。由于三相異步電動機的額定轉速與同步轉速相近,所以它的轉差率很小。通常異步電動機在額定負載時的轉差率為1%~9%。當n=0時(起動初始瞬間),s=1,這時轉差率zui大。
也可寫成
例:有一臺三相異步電動機,其額定轉速n=970r/min,電源頻率50HZ。那么電動機極對數是多少?額定負載時的轉差率如何確定?
解:因為n=970r/min,這是電機的轉子轉速。轉子轉速應該略小于旋轉磁場轉速。而旋轉磁場轉速根據極對數不同,當電源頻率50HZ時,分別為3000、1500、1000、750等幾個數值,因此970接近于其中的1000轉/分(3對磁極),故電機的磁極對數為p=3,旋轉磁場轉速為。
額定轉差率為
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