交流電機的前世與今生的歷程說明
由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展,交流電機已成為最常用的電機。
交流電機與直流電機相比,由于沒有換向器(見直流電機的換向),因此結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,比較牢固,容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機功率的覆蓋范圍很大,從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。20世紀80年代初,最大的汽輪發(fā)電機已達150萬千瓦。交流電機按其功能通常分為交流發(fā)電機、交流電動機和同步調(diào)相機幾大類。由于電機工作狀態(tài)的可逆性(見電機),同一臺電機既可作發(fā)電機又可作電動機。把電機分為發(fā)電機與電動機并不很確切,只是有些電機主要作發(fā)電機運行,有些電機主要作電動機運行。
流電機按品種分有同步電機、異步電機兩大類。同步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ns與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同,稱為同步轉(zhuǎn)速。ns與所接交流電的頻率 (f)、電機的磁極對數(shù)(P)之間有嚴格的關(guān)系ns=f/P在中國,
電源頻率為50赫,所以二極電機的同步轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分,四極電機的同
步轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分,余類推。異步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是低于或高于其旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速,異步之名由此而來。異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速之差(稱為轉(zhuǎn)差)通常在10%以內(nèi)。由此可知,交流電機(不管是同步還是異步)的轉(zhuǎn)速都受電源頻率的制約。因此,交流電機
的調(diào)速比較困難,最好的辦法是改變電源的頻率,而以往要改變電源頻率是比較復雜的。
所以70年代以前,在要求調(diào)速的場合,多用直流電機。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,交流電動機的變頻調(diào)速技術(shù)已開始得到實用。
交流電機一般采用三相制,因為三相交流電機與單相電機相比,無論在性能指標,原材料利用和價格等方面均有明顯的優(yōu)越性。同樣功率的
三相電機比單相電機體積小,重量輕,價格低。三相電動機有自起動能力。單相電機沒有起動轉(zhuǎn)矩,為解決起動問題,需采取一些特殊的措施(見單相異步電動機
)。單相電機的轉(zhuǎn)矩是脈動的,噪聲也比較大,但所需的電源比較簡單,特別是在家庭中使用十分方便。因此
小型家用電機和儀用電機多采用單相電機。
目前較常用的交流電動機有兩種:
1、三相異步電動機。
2、單相交流電動機。第一種多用在工業(yè)上,而第二種多用在民用電器上。
一、三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理 三相異步電動機要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個旋轉(zhuǎn)磁場,三相異步電動機的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。我們知道,但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的,三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差
120度,這樣,當在定子繞組中通入三相電源時,定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,其產(chǎn)生的過程如圖1所示。圖中分四個時刻來描述旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生過程。電流每變化一個周期,旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周,即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速
為:n=60f/P 式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數(shù)、n的單位是:每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)此式我們知道,電動機的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和使用電源的頻率有關(guān),為此,控制交流電動機的轉(zhuǎn)速有兩種方法:1、改變磁極法;2、變頻法。以往多用第一種方法,現(xiàn)在則利用變頻技術(shù)實現(xiàn)
對交流電動機的無級變速控制。 觀察圖1還可發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。相序A、B、C順時針排列,磁場順時針方向旋轉(zhuǎn),若把三根電源線中的任意兩根對調(diào),例如將B相電流通入C相繞組中,C相電流通入B相繞組中,則相序變?yōu)椋篊、B、A,則
磁場必然逆時針方向旋轉(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱訖C的旋轉(zhuǎn)方向。 定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場后,轉(zhuǎn)子導條(鼠籠條)將切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流,轉(zhuǎn)子導條中的電流又與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力,電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿旋
轉(zhuǎn)磁場方向以n1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來。一般情況下,電動機的實際轉(zhuǎn)速n1低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n。因為假設(shè)n=n1,則轉(zhuǎn)子導條與旋轉(zhuǎn)磁場就沒有相對運動,就不會切割磁力線,也就不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必然小于n。為此我們稱三相電動機為異步電動機。
二、單相交流電動機的旋轉(zhuǎn)原理 單相交流電動機只有一個繞組,轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組時,電動機就會產(chǎn)生一個交變磁場,這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規(guī)律變化,但在空間方位上是固定的,所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變
脈動磁場可分解為兩個以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場,當轉(zhuǎn)子靜止時,這兩個旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩,使得合成轉(zhuǎn)矩為零,所以電動機無法旋轉(zhuǎn)。當我們用外力使電動機向某一方向旋轉(zhuǎn)時(如順時針方向旋轉(zhuǎn)),這時轉(zhuǎn)子與
順時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變?。晦D(zhuǎn)子與逆時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了,轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零,轉(zhuǎn)子將順著推動方向旋轉(zhuǎn)起來。
要使單相電動機能自動旋轉(zhuǎn)起來,我們可在定子中加上一個起動繞組,起動繞組與主繞組在空間上相差90度,起動繞組要串接一個合適的電容,使得與主繞組的電流在相位上近似相差90度,即所謂的分相原理。這樣兩個在時間上相差90度的電流通入兩個在空間上相差
90度的繞組,將會在空間上產(chǎn)生(兩相)旋轉(zhuǎn)磁場,如圖2所示。在這個旋轉(zhuǎn)磁場作用下,轉(zhuǎn)子就能自動起動,起動后,待轉(zhuǎn)速升到一定時,借助于一個安裝在轉(zhuǎn)子上的離心開關(guān)或其他自動控制裝置將起動繞組斷開,正常工作時只有主繞組工作。因此,起動繞組可以做成
短時工作方式。但有很多時候,起動繞組并不斷開,我們稱這種電動機為電容式單相電動機,要改變這種電動機的轉(zhuǎn)向,可由改變電容器串接的位置來實現(xiàn)。 在單相電動機中,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的另一種方法稱為罩極法,又稱單相罩極式電動機。此種電動機定子做成凸極式
的,有兩極和四極兩種。每個磁極在1/3--1/4全極面處開有小槽,如圖3所示,把磁極分成兩個部分,在小的部分上套裝上一個短路銅環(huán),好象把這部分磁極罩起來一樣,所以叫罩極式電動機。單相繞組套裝在整個磁極上,每個極的線圈是串聯(lián)的,連接時必須使其產(chǎn)生的
極性依次按N、S、N、S排列。當定子繞組通電后,在磁極中產(chǎn)生主磁通,根據(jù)楞次定律,其中穿過短路銅環(huán)的主磁通在銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個在相位上滯后90度的感應(yīng)電流,此電流產(chǎn)生的磁通在相位上也滯后于主磁通,它的作用與電容式電動機的起動繞組相當,從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)
磁場使電動機轉(zhuǎn)動起來。
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