電機(jī)與電氣控制課件：異步電動(dòng)機(jī)

異步電動(dòng)機(jī)3.1異步電動(dòng)機(jī)概述3.2三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)3.3三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理3.4三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)3.5三相異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載運(yùn)行3.6異步電動(dòng)機(jī)的功率和電磁轉(zhuǎn)矩3.7異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與轉(zhuǎn)矩分析異步電動(dòng)機(jī)3.8三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)3.9異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速3.10異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)3.11單相異步電動(dòng)機(jī)3.12電動(dòng)機(jī)的選擇本章小結(jié)

3.1異步電動(dòng)機(jī)概述

交流電機(jī)是一種將交流電能與機(jī)械能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。按照交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理,交流電機(jī)可分為交流異步電機(jī)和交流同步電機(jī),對(duì)于交流同步電機(jī),我們將在下一章介紹。按照交流電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的方式,交流電機(jī)可分為交流發(fā)電機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。

態(tài),異步電機(jī)是交流電機(jī)的一種,雖然異步電機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)來(lái)使用,但絕大多數(shù)情況下人們都把它作為電動(dòng)機(jī)來(lái)使用,其作用是將交流電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能(屬于機(jī)械能)輸出。交流的異步電動(dòng)機(jī)按照使用交流電源的相數(shù)不同,又分為三相交流異步電動(dòng)機(jī)和單相交流異步電動(dòng)機(jī)。

異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、工作可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn),但異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)從交流電網(wǎng)吸收一定的無(wú)功功率,會(huì)引起電網(wǎng)的功率因數(shù)降低,造成輸電線路電能的損耗增加。與直流電動(dòng)機(jī)相比,其在調(diào)速范圍和平滑性上有所欠缺,但實(shí)際應(yīng)用中一般的生產(chǎn)機(jī)械并不要求大范圍的平滑調(diào)速。隨著電力電子等裝置(如變頻器)的發(fā)展和應(yīng)用,交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的平滑性已不遜于直流電動(dòng)機(jī)。在異步電動(dòng)機(jī)使用時(shí),通過(guò)采取一些措施對(duì)電網(wǎng)的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償,可以在很大程度上消除異步電動(dòng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)的影響。

異步電動(dòng)機(jī)主要以三相異步電動(dòng)機(jī)的形式來(lái)應(yīng)用,它是構(gòu)成電力拖動(dòng)系統(tǒng)的最為廣泛的一種電機(jī),通常應(yīng)用在金屬切削機(jī)床、起重運(yùn)輸機(jī)械、冶煉設(shè)備、鼓風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼設(shè)備等,而單相異步電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室和家電產(chǎn)品中。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)電動(dòng)機(jī)容量中90%左右是異步電動(dòng)機(jī),而在電網(wǎng)負(fù)載中,異步電動(dòng)機(jī)的用量也占有60%以上。

3.2三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

三相異步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上分定子和轉(zhuǎn)子兩大部分,按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同又分為籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)和繞線型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。其中籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,獲得了大范圍的應(yīng)用?；\型異步電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)組成如圖3－1所示。圖3－1籠型異步電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)組成

3.2.1定子

定子是電動(dòng)機(jī)工作時(shí)靜止不動(dòng)的部分,包括定子鐵芯、定子繞組、機(jī)座和端蓋等幾個(gè)部分。其中定子鐵芯和定子繞組是重要部分,定子鐵芯為空心圓筒形鐵芯,由涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成,沖片形狀如圖3－2所示。定子鐵芯的作用有兩個(gè):一是傳導(dǎo)磁場(chǎng);二是安放定子繞組。圖3－2定子鐵芯沖片

定子繞組用絕緣漆包銅線繞制而成,各繞組按照一定的規(guī)律連接并嵌放在定子鐵芯槽內(nèi),將全部定子繞組按照空間排布均勻地分為三組,稱為三相對(duì)稱定子繞組,此三相繞組的首端分別用U1、V1、W1表示,其對(duì)應(yīng)的尾端分別用U2、V2、W2表示,分別連接在電動(dòng)機(jī)接線盒的六個(gè)接線柱上,電動(dòng)機(jī)工作時(shí)可根據(jù)需要將三相定子繞組以星形方式或三角形方式與三相交流電源相連接。具體連接方式如圖33所示。需要注意的是:無(wú)論是以星形方式還是以三角形方式連接三相定子繞組,目的都是要確保三相定子繞組上承受到額定電壓值,通常是以默認(rèn)三相交流電源的電壓為常規(guī)值(線電壓380V)的情況來(lái)設(shè)定電動(dòng)機(jī)銘牌上規(guī)定的連接方式的。圖3－3三相定子繞組連接方式

3.2.2轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的旋轉(zhuǎn)部分,包括轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸等幾個(gè)部分。轉(zhuǎn)子鐵芯通常由表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成,其沖片形狀如圖3－4所示,鐵芯外圓有槽,槽內(nèi)安放轉(zhuǎn)子繞組。圖3－4轉(zhuǎn)子鐵芯沖片

對(duì)于籠型轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī),其轉(zhuǎn)子繞組是在鐵芯槽內(nèi)放置銅條,銅條兩端用銅的短路環(huán)焊接起來(lái),繞組的形狀如圖3－5所示,其形狀好像老鼠籠子,因此稱為籠型轉(zhuǎn)子。中小容量異步電動(dòng)機(jī)常常采用鼠籠型鑄鋁轉(zhuǎn)子,即用熔化的鋁澆鑄在鐵芯轉(zhuǎn)子槽里,連同端環(huán)和風(fēng)扇一次鑄造而成,其工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉?；\型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖3－6所示。圖3－5籠型繞組圖3－6籠型轉(zhuǎn)子

對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子,通常采用對(duì)稱的三相繞組構(gòu)成,三相轉(zhuǎn)子繞組一般接成星形,三相引出線接到固定在轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)相互絕緣的滑環(huán)上,與三組電刷接觸,通過(guò)電刷與外部電路(如三相變阻器)相接。一般還裝有提刷短路裝置,可在需要時(shí)將電刷提起并同時(shí)將三個(gè)滑環(huán)短路。繞線轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖3－7所示。圖3－7繞線轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)

3.3三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

3.3.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成

如圖3－8所示是一個(gè)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組,每相繞組只有一個(gè)線圈,三相對(duì)稱的繞組均嵌放在定子鐵芯槽中,它們之間的空間位置互差120°。三相繞組的頭尾分別標(biāo)記為U1U2、V1V2和W1W2。圖3－8簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的三相對(duì)稱定子繞組

當(dāng)我們把三相對(duì)稱繞組線圈以星形方式與對(duì)稱三相電源連接后,三相定子繞組中便產(chǎn)生三相對(duì)稱電流,即

其波形如圖3－9所示。圖3－9三相對(duì)稱電流波形圖3－10兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生

進(jìn)一步分析可知:圖3－8所示結(jié)構(gòu)的定子繞組通入三相對(duì)稱交流電的情況下形成的是一個(gè)二極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),即一個(gè)N極和一個(gè)S極。如果定子繞組的每相都是由兩個(gè)線圈串聯(lián)而成,線圈跨距約為四分之一圓周,其布置如圖3－11所示,其U相繞組由U1U2與U1'U2'串聯(lián),V相繞組由V1V2與V1'V2'串聯(lián),W相繞組由W1W2與W1'W2'串聯(lián)。按照類似于分析二極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法,我們給此結(jié)構(gòu)的三相對(duì)稱定子繞組同樣通入圖3－9所示的三相對(duì)稱交流電,取t=0、T/6、T/3、T/2四個(gè)時(shí)刻進(jìn)行分析,其結(jié)果如圖3－12所示。圖3－11四極定子繞組

當(dāng)t=0時(shí),iU=0,iV為負(fù),iW為正,即iV由V2'端流入,V1'端流出,再?gòu)腣2端流入,V2端流出。同時(shí)iW由W2端流入,W2端流出,再?gòu)腤2'端流入,W2'端流出。此時(shí)三相對(duì)稱電流在空間形成的合成磁場(chǎng)是兩對(duì)磁極的磁場(chǎng),如圖3－12(a)所示。圖3－12四極(2對(duì))旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

2.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1,又稱為同步轉(zhuǎn)速,計(jì)算式為

式中:p表示磁極對(duì)數(shù),為無(wú)單位的正整數(shù);f1

是電源電流頻率,單位是Hz;n1的單位是轉(zhuǎn)/分鐘(r/min)。n1的大小與磁極對(duì)數(shù)p成反比關(guān)系,磁極對(duì)數(shù)越多,磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)得越慢。同時(shí),n1與電源電流頻率f1

成正比,頻率越高,電流變化越快,其所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)得越快。

國(guó)產(chǎn)異步電動(dòng)機(jī)的電源電流頻率通常為50Hz。表3－1列出了常用磁極對(duì)數(shù)的異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。

3.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向

由圖3－10和圖3－12中各瞬間磁場(chǎng)變化可以看出,當(dāng)通入三相繞組中電流的相序?yàn)閕U→iV→iW時(shí),旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間是沿繞組始端U→V→W方向旋轉(zhuǎn)的,在圖中即按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。如果把通入三相繞組中的電流相序任意調(diào)換其中兩相,例如調(diào)換V、W兩相,此時(shí)通入三相繞組電流的相序?yàn)閕U→iW→iV,則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。由此可見,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向是由三相交流電流的相序決定的,即任意調(diào)換三相交流電流的相序,就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向。通常的做法是:將定子繞組與交流電源的三根接線中的任意兩根調(diào)換位置,即可達(dá)到改變?nèi)喽ㄗ永@組上電流相序的目的,從而改變磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向。

3.3.2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)原理

1.轉(zhuǎn)動(dòng)原理

由上面分析可知,如果在定子繞組中通入三相對(duì)稱電流,則定子內(nèi)部將產(chǎn)生某個(gè)方向轉(zhuǎn)速為n1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng),并切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的方向可根據(jù)右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的,于是在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下,繞組內(nèi)有電流流過(guò),如圖3－13所示。轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用,便在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生電磁力F,F的方向可由左手定則確定。該力對(duì)轉(zhuǎn)軸形成了電磁轉(zhuǎn)矩T,使轉(zhuǎn)子按旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于異步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間能量的傳遞是靠電磁感應(yīng)作用的,故異步電動(dòng)機(jī)又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。圖3－13異步電動(dòng)機(jī)工作原理

2.“異步”的含義

“異步”是指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),其轉(zhuǎn)子與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的不同步,即n2與n1不相等。這是因?yàn)橐坏┺D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相同,二者便無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)子也就不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流,也就不能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)就失去了轉(zhuǎn)動(dòng)的基礎(chǔ);只有當(dāng)二者轉(zhuǎn)速有差異時(shí),轉(zhuǎn)子才能切割磁場(chǎng),才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子獲得速度而轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2總是略小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1。

3.4三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)

每臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼上都有一個(gè)銘牌,它標(biāo)記著電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、各種額定值和連接方式等,如圖3－14所示。按電動(dòng)機(jī)銘牌所規(guī)定的條件和額定值運(yùn)行,稱作額定運(yùn)行狀態(tài)。下面以三相異步電動(dòng)機(jī)Y112M—6銘牌為例來(lái)說(shuō)明各數(shù)據(jù)的含義。圖3－14電動(dòng)機(jī)的銘牌

1.型號(hào)

型號(hào)是指電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品代號(hào)、規(guī)格代號(hào)和特殊環(huán)境代號(hào),例如:

國(guó)產(chǎn)異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)一般用漢語(yǔ)拼音字母和一些阿拉伯?dāng)?shù)字組成。

2.額定功率PN

額定功率是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí),軸上輸出的機(jī)械功率,單位為kW,本例PN=2.2kW。

3.額定電壓UN和接法

額定電壓是指電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí),定子繞組應(yīng)加的線電壓,單位為V。

4.額定電流IN

額定電流是指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下運(yùn)行,輸出功率達(dá)到額定值時(shí),流入定子繞組的線電流,單位為A。

如本例中電動(dòng)機(jī)接成三角形時(shí)IN=9.69A,接成星形時(shí)IN=5.61A。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)輸入電流不應(yīng)大于其額定電流值。

對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī),其額定功率與其他額定數(shù)據(jù)之間有如下關(guān)系:

式中,cosφN為額定功率因數(shù),ηN是額定效率。

5.額定頻率fN

額定頻率是指加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的允許頻率。我國(guó)電力網(wǎng)的頻率規(guī)定為50Hz。

6.額定轉(zhuǎn)速nN

額定轉(zhuǎn)速是指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率和額定輸出功率情況下的轉(zhuǎn)速,單位為r/min。本例電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN=950r/min。

7.絕緣等級(jí)

絕緣等級(jí)是指電動(dòng)機(jī)內(nèi)部所用絕緣材料允許的最高溫度等級(jí),它決定了電動(dòng)機(jī)工作時(shí)允許的溫升。各種等級(jí)所對(duì)應(yīng)溫度的關(guān)系見表3－2。

8.工作制

按電動(dòng)機(jī)在定額運(yùn)行時(shí)的持續(xù)時(shí)間,工作制分為連續(xù)(S1)、短時(shí)(S2)及斷續(xù)(S3)三種?！斑B續(xù)”表示該電動(dòng)機(jī)可以按銘牌的各項(xiàng)定額長(zhǎng)期運(yùn)行;“短時(shí)”表示只能按照銘牌規(guī)定的工作時(shí)間短時(shí)使用;“斷續(xù)”表示該電動(dòng)機(jī)短時(shí)運(yùn)行,但可多次周期性斷續(xù)使用。本例電動(dòng)機(jī)為S1連續(xù)工作方式。

9.防護(hù)等級(jí)

防護(hù)等級(jí)是提示電動(dòng)機(jī)防止雜物與水進(jìn)入的能力。它是由外殼防護(hù)標(biāo)志字母IP后跟2位具有特定含義的數(shù)字代號(hào)進(jìn)行標(biāo)定的。例如本例電動(dòng)機(jī)防護(hù)等級(jí)為IP—44。表3－3所列是防護(hù)等級(jí)代碼中第一位數(shù)字的含義,表3－4所列是防護(hù)等級(jí)代碼中第二位數(shù)字的含義。

10.噪聲量

為了降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶來(lái)的噪聲,目前電動(dòng)機(jī)都規(guī)定噪聲指標(biāo),該指標(biāo)隨電動(dòng)機(jī)容量及轉(zhuǎn)速的不同而不同(容量及轉(zhuǎn)速相同的電動(dòng)機(jī),噪聲指標(biāo)又分“1”“2”兩段)。中小型電動(dòng)機(jī)噪聲量的大致范圍為50~100dB,如本例電動(dòng)機(jī)噪聲為67dB。

11.振動(dòng)量

振動(dòng)量表示電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的情況,本例電動(dòng)機(jī)振動(dòng)為每秒軸向移動(dòng)不超過(guò)1.8mm。在銘牌上除了給出以上主要數(shù)據(jù)外,有的電動(dòng)機(jī)還標(biāo)有額定功率因數(shù)cosφN,電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載,定子相電流滯后定子相電壓一個(gè)φ角,所以功率因數(shù)cosφN是指額定負(fù)載下定子電路的相電壓與相電流之間相位差的余弦。異步電動(dòng)機(jī)的cosφN隨負(fù)載的變化而變化,滿載時(shí)cosφ約為0.7~0.9,輕載時(shí)cosφ較低,空載時(shí)只有0.2~0.3。實(shí)際使用時(shí)要根據(jù)負(fù)載的大小來(lái)合理選擇電動(dòng)機(jī)容量,防止“大馬拉小車”。

例3－1已知JO2—52—4型異步電動(dòng)機(jī)銘牌如下:PN=10kW,UN=380V,nN=1450r/min,ηN=87.5%,cosφN=0.87,fN=50Hz,三角形連接。

試求:(1)極對(duì)數(shù)p;

(2)額定轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)子電路額定頻率f2N;

(3)額定轉(zhuǎn)矩TN;

(4)最大轉(zhuǎn)矩Tm;

(5)直接啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TQ;

(6)額定電流IN;

(7)直接啟動(dòng)電流IQ。

3.5三相異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載運(yùn)行

電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí),它產(chǎn)生的電磁力必須克服軸與軸套之間的摩擦和轉(zhuǎn)子部分所受風(fēng)阻等產(chǎn)生的空載轉(zhuǎn)矩,即T=T0,電動(dòng)機(jī)才能穩(wěn)定運(yùn)行。而T0一般很小,所以空載時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩也很小,但電機(jī)轉(zhuǎn)速很高,與磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速相差無(wú)幾。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)軸上帶負(fù)載運(yùn)行時(shí),只有在電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與機(jī)械負(fù)載的反抗轉(zhuǎn)矩Tfz相平衡,即T=Tfz時(shí),電動(dòng)機(jī)才能以恒速運(yùn)行。如果電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載的反抗轉(zhuǎn)矩,即T>Tfz,則電動(dòng)機(jī)將加速運(yùn)行;反之,如果T<Tfz,則電動(dòng)機(jī)將減速運(yùn)行。

交流電機(jī)的轉(zhuǎn)差率是表征電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo),對(duì)于三相交流異步電動(dòng)機(jī),其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2的差稱為轉(zhuǎn)差或轉(zhuǎn)差速度,用Δn表示,即Δn=n1-n2。轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率,用字母s表示,即

3.5.1轉(zhuǎn)子各量與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系

作為交流電動(dòng)機(jī)的重要參數(shù),轉(zhuǎn)差率的變化將引起電動(dòng)機(jī)內(nèi)部許多物理量的變化。下面分別分析轉(zhuǎn)子電路的電流頻率f2、電動(dòng)勢(shì)E2、漏感抗Xs2、電流I2、功率因數(shù)cosφ2、與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系。

1.轉(zhuǎn)子電流頻率f2

在變壓器中,一次、二次繞組是靜止的,所以它們的電流頻率相同,就是電源頻率。而異步電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子與定子是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的,所以轉(zhuǎn)子電流頻率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同而改變。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以Δn=n1-n2的相對(duì)轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子繞組,仿照定子電流(頻率f1)相對(duì)靜止的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速計(jì)算式

則轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流的頻率為

2.轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)E2

3.轉(zhuǎn)子每相繞組中的漏感抗Xs2

4.轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流I2和轉(zhuǎn)子功率因數(shù)cosφ2圖3－15I2、cosφ2與s的關(guān)系曲線

3.5.2負(fù)載運(yùn)行的電磁關(guān)系

當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載增加時(shí),即T<Tfz,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將下降,即轉(zhuǎn)差率增加,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流增加,從而使電磁轉(zhuǎn)矩增大,在外加電源電壓保持不變的情況下,只有增大定子電流,以此來(lái)抵消由于負(fù)載加重而需求的更多能量,才能保持其功率平衡關(guān)系,直到電磁轉(zhuǎn)矩與新的反抗轉(zhuǎn)矩相平衡,此時(shí)電動(dòng)機(jī)在低于原轉(zhuǎn)速n2(即高于原轉(zhuǎn)差率的轉(zhuǎn)速)下穩(wěn)定運(yùn)行。

反之,當(dāng)反抗轉(zhuǎn)矩由于某種原因減小時(shí)(如負(fù)載減輕),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率瞬間減小,電動(dòng)機(jī)最終將在高于原轉(zhuǎn)速的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。由此可見,異步電動(dòng)機(jī)中定子繞組電流是隨負(fù)載的變化而變化的,亦即異步電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)取用的電流和功率,是由機(jī)械負(fù)載的大小決定的。負(fù)載越大,需要電動(dòng)機(jī)輸出更多的機(jī)械能;轉(zhuǎn)子電流越大,通過(guò)電磁感應(yīng)而引起定子繞組的電流增大,即交流電源向電動(dòng)機(jī)輸入更多的電能來(lái)實(shí)現(xiàn)能量平衡。

3.6異步電動(dòng)機(jī)的功率和電磁轉(zhuǎn)矩

3.6.1異步電動(dòng)機(jī)的功率異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生功率損耗,因此異步電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率P2總是小于輸入的電功率P1。

3.6.2異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

通過(guò)前面的學(xué)習(xí)可知:電磁轉(zhuǎn)矩T是由轉(zhuǎn)子電流I2與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的,所以電磁轉(zhuǎn)矩T的大小與旋轉(zhuǎn)磁通Φ及轉(zhuǎn)子電流I2的乘積成正比。轉(zhuǎn)子電路既有電阻又有漏電抗,所以轉(zhuǎn)子電流I2可以分解為有功分量I2cosφ2(對(duì)應(yīng)于電阻)和無(wú)功分量I2sinφ2(對(duì)應(yīng)于漏感抗)兩部分。

因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩T決定了電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率即有功功率的大小,所以只有電流的有功分量I2cosφ2才產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩,故異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

式中:CT稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù),它與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān);Φ為磁極磁通的平均值。

由式(3－15)可以看出:

(1)電磁轉(zhuǎn)矩T與電源電壓U21成正比,所以電源電壓的波動(dòng)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響顯著。

(2)當(dāng)外加電源電壓U1及其頻率一定,轉(zhuǎn)子電阻R2和漏感抗X20都是常數(shù)時(shí),T只隨轉(zhuǎn)差率s而變化。它們的變化關(guān)系T=f(s)如圖3－16曲線所示,稱為三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線。圖3－16三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線

3.6.3異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡

例3－2一臺(tái)三角形連接的6極三相異步電動(dòng)機(jī),PN=7.5kW,UN=380V,nN=962r/min,額定負(fù)載時(shí)cosφN=0.827,PCu1=470W,PFe=470W,Pmec=45W,Ps=80W。試求額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)差率sN、轉(zhuǎn)子頻率f2、轉(zhuǎn)子銅耗PCu2、定子電流I1、負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tfz、空載轉(zhuǎn)矩T0和電磁轉(zhuǎn)矩T。

3.7異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與轉(zhuǎn)矩分析

3.7.1異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是異步電動(dòng)機(jī)的主要特性,它是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n2與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系,即n2=f(T)。將圖3－16中s坐標(biāo)換成轉(zhuǎn)速n2的坐標(biāo),再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,就成為如圖3－17所示的三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。圖3－17三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

3.7.2異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩分析

下面分析反映異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的四個(gè)特殊轉(zhuǎn)矩。

1.啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TQ

電動(dòng)機(jī)剛接入電源開始啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TQ(圖3－17特性曲線上A點(diǎn))。

由式(3－19)可見,TQ與轉(zhuǎn)子電阻R2成正比,與電源電壓的平方成正比,這種關(guān)系可從圖3－18和圖3－19中看到。當(dāng)增加轉(zhuǎn)子電阻(對(duì)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)而言)時(shí),啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)增大;當(dāng)降低電源電壓時(shí),啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將減小。圖3－18不同R2時(shí)的s=f(T)曲線圖3－19不同電源電壓U1時(shí)的n=f(T)曲線(R2=常數(shù))

2.額定轉(zhuǎn)矩TN

3.最大轉(zhuǎn)矩Tm

4.空載轉(zhuǎn)矩T0

電動(dòng)機(jī)在空載下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩稱為空載轉(zhuǎn)矩(圖3－17特性曲線上D點(diǎn))?？蛰d轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),n≈n0,T=T0≈0,可知此時(shí)電動(dòng)機(jī)接近最高轉(zhuǎn)速,而轉(zhuǎn)矩T0很小。

例3－3有一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)三角形連接,額定數(shù)據(jù)如下:PN=40kW,UN=380V,nN=1470r/min,ηN=0.9,cosφN=0.9,fN=50Hz,λ=2,λQ=1.2。試求額定電流、額定轉(zhuǎn)差率、額定轉(zhuǎn)矩T、最大轉(zhuǎn)矩Tm、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TQ。

解(1)額定電流:

3.8三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

3.8.1直接啟動(dòng)的狀態(tài)和啟動(dòng)要求電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)是指在接通電源后,電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。在通電瞬間,電動(dòng)機(jī)由于慣性仍處于靜止?fàn)顟B(tài),n2=0,同時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以最大的相對(duì)速度切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體,s=1,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流最大,致使定子啟動(dòng)電流IQ也很大,其值約為額定電流的4~7倍。盡管此時(shí)啟動(dòng)電流很大,但因功率因數(shù)甚低,所以啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TQ較小。

3.8.2籠型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

1.直接啟動(dòng)

直接啟動(dòng)也叫全壓?jiǎn)?dòng),就是直接從交流電源接入額定電壓到電動(dòng)機(jī)的定子繞組中的啟動(dòng)方式。直接啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)設(shè)備與操作都比較簡(jiǎn)單,其缺點(diǎn)就是啟動(dòng)電流大而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。對(duì)于小容量的籠型異步電動(dòng)機(jī)(小于4kW),因電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流較小,且體積小、慣性小、啟動(dòng)快,一般說(shuō)來(lái),對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)本身都不會(huì)造成明顯影響,因此可以直接啟動(dòng)。

在工程實(shí)踐中,估算電動(dòng)機(jī)允許直接啟動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中:IQ為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流;IN為電動(dòng)機(jī)的額定電流;PN為電動(dòng)機(jī)的額定功率(kW);PH為電源的總?cè)萘?kV·A)。

2.減壓?jiǎn)?dòng)

減壓?jiǎn)?dòng)是指啟動(dòng)時(shí)先給定子繞組加入額定電壓的一部分電壓,等電動(dòng)機(jī)升速到(或接近)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)提升電壓至額定電壓的啟動(dòng)方式。如果小型電動(dòng)機(jī)不能滿足式(3－23)的要求,或者是中、大型籠型異步電動(dòng)機(jī),可采用減壓?jiǎn)?dòng)方法,以限制啟動(dòng)電流,但減壓?jiǎn)?dòng)會(huì)使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降較多,因?yàn)門Q與電源電壓U21成正比,所以減壓?jiǎn)?dòng)只適用于空載或輕載情況下啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。常用的減壓?jiǎn)?dòng)方法有定子串電阻啟動(dòng)、星形三角形減壓?jiǎn)?dòng)和自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)等。

1)定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)

在定子電路中串接電阻減壓?jiǎn)?dòng)電路如圖3－20所示。啟動(dòng)時(shí),先合上電源隔離開關(guān)QS1,將QS2扳向“啟動(dòng)”位置,電動(dòng)機(jī)串入電阻RQ啟動(dòng)。待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定值時(shí),將開關(guān)QS2扳向“運(yùn)行”位置,RQ被切除,電動(dòng)機(jī)直接接受電源電壓,即恢復(fù)正常電壓工作。在啟動(dòng)過(guò)程中電阻RQ上產(chǎn)生一定電壓降,分走了部分電源電壓,使得定子繞組的電壓降低了,因此限制了啟動(dòng)電流。調(diào)節(jié)電阻RQ的大小可以將啟動(dòng)電流限制在允許的范圍內(nèi)。采用定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)時(shí),雖然降低了啟動(dòng)電流,但也使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大減小。圖3－20定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)電路

假設(shè)定子串電阻啟動(dòng)后,定子端電壓由U1降低到U'1時(shí),電動(dòng)機(jī)參數(shù)保持不變,則啟動(dòng)電流與定子繞組端電壓成正比,于是有

式中:I1Q為直接啟動(dòng)電流;I'1Q為減壓后的啟動(dòng)電流;Ku為啟動(dòng)電壓降低的倍數(shù),即電壓比,Ku>1。

由式(3－18)知,在電動(dòng)機(jī)參數(shù)不變的情況下,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子端電壓的平方成正比,故有

由此可知:定子串電阻減壓?jiǎn)?dòng)方式下,啟動(dòng)電流降為直接啟動(dòng)時(shí)的1/Ku,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩降為直接啟動(dòng)時(shí)的1/K2u。由于所串電阻損耗較大,因此這種方法只適用于空載或輕載啟動(dòng)的小容量電動(dòng)機(jī)。

2)星形三角形減壓?jiǎn)?dòng)

對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組規(guī)定是三角形連接的三相異步電動(dòng)機(jī),啟動(dòng)時(shí)將三相定子繞組以星形連接方式與三相交流電源連接,使電動(dòng)機(jī)在相電壓UNΦ=UN/3的電壓下啟動(dòng),待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完畢,再將定子繞組接回到三角形形式,使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其原理電路如圖3－21所示。圖3－21星形三角形減壓?jiǎn)?dòng)原理圖

下面分析星形三角形減壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流與啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由圖3－22(a)可知,如果三角形連接直接啟動(dòng),則定子繞組電壓為U△=UN。圖3－22三角形與星形連接時(shí)的電壓

由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比,則兩種情況下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比為

由此可知:星形連接的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩同樣下降為三角形連接直接啟動(dòng)時(shí)的1/3。

3)自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)

自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)是利用自耦變壓器將電網(wǎng)電壓降低后再加到電動(dòng)機(jī)定子繞組上,待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時(shí)再將電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng)上,原理圖如圖3－23所示。圖3－23自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)原理圖

自耦變壓器的高壓側(cè)接電網(wǎng),低壓側(cè)有若干組抽頭,可供選擇使用,接電動(dòng)機(jī)定子繞組。如圖3－24所示為自耦變壓器的一相電路。已知自耦變壓器的電壓比

式中,U1為電網(wǎng)相電壓,U2為自耦變壓器輸出到電動(dòng)機(jī)一相定子繞組上的電壓,I'1Q為電網(wǎng)向自耦變壓器一次側(cè)提供的減壓?jiǎn)?dòng)電流,I'2Q為自耦變壓器二次側(cè)提供給電動(dòng)機(jī)的減壓?jiǎn)?dòng)電流。圖3－24自耦變壓器一相繞組

在電動(dòng)機(jī)容量較大或正常運(yùn)行時(shí)連接成星形,并帶一定負(fù)載啟動(dòng)時(shí),宜采用自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)。表3－5對(duì)籠型三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方法進(jìn)行了比較。

3.8.3繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

對(duì)于籠型異步電動(dòng)機(jī),無(wú)論采用哪一種減壓?jiǎn)?dòng)方法來(lái)減小啟動(dòng)電流,電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩都會(huì)隨著減小。但是對(duì)某些重載下啟動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械(如起重機(jī)、帶運(yùn)輸機(jī)等),不僅要限制啟動(dòng)電流,而且還要求有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,這種情況下就需要采用啟動(dòng)性能較好的繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。通常繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法有轉(zhuǎn)子電路串接啟動(dòng)電阻和轉(zhuǎn)子電路串接頻敏變阻器兩種方法。

1.轉(zhuǎn)子電路串接啟動(dòng)電阻

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串入適當(dāng)?shù)碾娮?既可降低啟動(dòng)電流,又可提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,從而改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能,其原理圖如圖3－25所示。由式(3－11)可知,異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路電阻R2適當(dāng)增大,可以使啟動(dòng)電流減小;由式(3－19)知,適當(dāng)增大R2可以使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。如果使轉(zhuǎn)子回路的總電阻(包括串入電阻)R2與電動(dòng)機(jī)漏感抗X20相等,則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到最大值。圖3－25繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

如圖3－26所示,啟動(dòng)時(shí),先將變阻器調(diào)到最大位置,使所串電阻為最大值R?Q,然后合上電源開關(guān),電動(dòng)機(jī)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)開始啟動(dòng),隨著轉(zhuǎn)速的升高,電磁轉(zhuǎn)矩將沿著T=f(n)曲線而變化,將先沿曲線4變化,轉(zhuǎn)速由零升到某值時(shí),切除一段電阻(由R?Q減小到R″Q),此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩上升到最大值(由a點(diǎn)到A點(diǎn)),使轉(zhuǎn)矩沿曲線3變化。之后,將串入的電阻逐段切除,直到全部切除為止,轉(zhuǎn)速上升到正常轉(zhuǎn)速,此時(shí)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于曲線1的D點(diǎn)。啟動(dòng)完畢后,利用舉刷裝置把電刷舉起,同時(shí)把集電環(huán)短接。當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止時(shí),應(yīng)把電刷放下,且將電阻全部接入,為下次再啟動(dòng)做好準(zhǔn)備。圖3－26繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

2.轉(zhuǎn)子電路串接頻敏變阻器

頻敏變阻器是一種靜止的無(wú)觸點(diǎn)變阻器,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)平滑、運(yùn)行可靠、成本低廉、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。它的鐵芯一般做成三柱式,由幾片或十幾片較厚(30~50mm)的E形鋼板或鐵板疊裝制成,三相鐵芯繞組接成星形,鐵芯繞組對(duì)轉(zhuǎn)子上所感應(yīng)的電流頻率敏感,其阻抗隨電流頻率而變化。其結(jié)構(gòu)和啟動(dòng)電路如圖3－27所示。圖3－27頻敏變阻器減壓?jiǎn)?dòng)

例3－4現(xiàn)有一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)如下:PN=10kW,nN=1460r/min,UN=380/220V,Y/△連接,ηN=0.868,cosφN=0.88,IQ/IN=6.5,TQ/TN=1.5,試求:(1)額定電流和額定轉(zhuǎn)矩;

(2)電源電壓為380V時(shí),電動(dòng)機(jī)的接法及直接啟動(dòng)的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;

(3)電源電壓為220V時(shí),電動(dòng)機(jī)的接法及直接啟動(dòng)的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;

(4)若采用星形三角形減壓?jiǎn)?dòng),其啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為多少,此時(shí)能否帶60%和45%負(fù)載轉(zhuǎn)矩?

3.9異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

在工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備中所應(yīng)用的大部分是三相交流異步電動(dòng)機(jī),為了獲得最高的生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品加工質(zhì)量,常需要對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行調(diào)速,電氣調(diào)速的方法不但可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械變速機(jī)構(gòu),而且可以提高生產(chǎn)效率。隨著電力電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展,交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)日趨完善,大有取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算式

3.9.1改變電源頻率調(diào)速

變頻調(diào)速是通過(guò)改變電源頻率從而使電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速發(fā)生變化以達(dá)到調(diào)速的目的。由式(3－32)可見,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率呈正比關(guān)系,當(dāng)保持磁通不變,連續(xù)改變電源頻率時(shí),可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,因此這種調(diào)速方法可以實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。我國(guó)交流電網(wǎng)的交流電頻率統(tǒng)一為50Hz,因此采用變頻調(diào)速法時(shí)需要專門的變頻裝置。隨著變頻器技術(shù)的成熟和推廣應(yīng)用,異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)頻調(diào)速方法應(yīng)用得更加廣泛,并逐步成為異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主流方式,其調(diào)速性能在一定程度上已不遜于直流電動(dòng)機(jī)。

交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)由晶閘管整流器和逆變器完成,這種調(diào)速方法具有性能好、調(diào)速范圍大、調(diào)速時(shí)機(jī)械新特性硬度不變的特點(diǎn)。

以變頻調(diào)速方法在空調(diào)中的應(yīng)用為例,變頻空調(diào)是一種使用變頻壓縮機(jī)和模糊控制技術(shù)的空調(diào)器,它是在常規(guī)空調(diào)的結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)變頻器,將50Hz的頻率根據(jù)需要通過(guò)變頻技術(shù)來(lái)控制和平滑調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,使之始終處于最佳的轉(zhuǎn)速狀態(tài),從而提高能效比(比常規(guī)的空調(diào)節(jié)能20%~30%)。

3.9.2變極調(diào)速

在電源頻率保持不變的條件下,電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1與極對(duì)數(shù)p成反比,所以改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù),電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速就會(huì)發(fā)生變化,也就改變了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

在討論旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)得知,當(dāng)三相對(duì)稱定子繞組的組成和接法改變時(shí),通入三相交流電后所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)就不同。變極調(diào)速的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一般都是籠型的,這是因?yàn)榛\型轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)能自動(dòng)地隨著定子極對(duì)數(shù)的改變而改變,使籠型轉(zhuǎn)子的定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)總是相等。而繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)則不然,當(dāng)定子繞組改變極對(duì)數(shù)時(shí),轉(zhuǎn)子繞組也必須相應(yīng)地改變其接法使其極數(shù)與定子繞組的極數(shù)相等,所以繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)很少采用變極調(diào)速。

利用變極方式工作的電機(jī)稱為多速電機(jī)。變極調(diào)速具有操作簡(jiǎn)單、成本低、效率高、機(jī)械特性硬等特點(diǎn),但這種調(diào)速方式是一種有級(jí)調(diào)速,只能是有限的幾擋速度,而且轉(zhuǎn)速幾乎是成倍變化,調(diào)速的平滑性差,所以在不需無(wú)級(jí)調(diào)速的輸出機(jī)械(如金屬切削機(jī)床、通風(fēng)機(jī)、升降機(jī)等)上應(yīng)用較廣泛。

3.9.3改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法有:改變電源電壓調(diào)速,改變轉(zhuǎn)子回路電阻調(diào)速,電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速等。

1.改變電源電壓調(diào)速

在前面3.6節(jié)的學(xué)習(xí)中我們知道:外加電壓對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響很大,根據(jù)式(3－15),有T∝U21的關(guān)系,所以在當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tfz不變時(shí),如果人為地改變電源電壓,就會(huì)改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也將隨之改變,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。例如圖3－19中,當(dāng)電源電壓由U1下降至U'1時(shí),轉(zhuǎn)速將由n降為n',對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率則由s上升至s'

2.改變轉(zhuǎn)子回路電阻調(diào)速

對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī),通過(guò)在其轉(zhuǎn)子回路串入不同大小的電阻,并保持一定的負(fù)載,即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速。例如3.6節(jié)的圖3－18中,同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tfz下,轉(zhuǎn)子電路電阻越大,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率越大;反之,轉(zhuǎn)子回路電阻越小,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率越小。

這種調(diào)速方法損耗較大,調(diào)整范圍有限,主要用于起重機(jī)等小型提升設(shè)備的調(diào)速。

3.電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速

電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械之間一般都是用機(jī)械聯(lián)軸器連接起來(lái)。電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速方法并非是調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)本身的轉(zhuǎn)速,而是通過(guò)聯(lián)軸器改變負(fù)載的轉(zhuǎn)速。

圖3－28所示是電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖,主要包括異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器、直流電源、聯(lián)軸器和負(fù)載等。其中電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞和感應(yīng)子(勵(lì)磁線圈與磁場(chǎng))兩部分所組成,這兩部分沒(méi)有機(jī)械上的連接,都能自由地圍繞同一軸心轉(zhuǎn)動(dòng),彼此間的圓周氣隙為0.5mm。圖3－28電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)

當(dāng)感應(yīng)子上的勵(lì)磁線圈沒(méi)有電流通過(guò)時(shí),由于主動(dòng)與從動(dòng)部分之間無(wú)任何聯(lián)系,顯然主動(dòng)軸以轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn),但從動(dòng)軸卻不動(dòng),相當(dāng)于離合器脫開。當(dāng)感應(yīng)子通入直流勵(lì)磁電流以后,建立起了方向不變的磁場(chǎng),形成如圖3－29所示的磁極。由于周圍鄰近的電樞由異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn),這樣,電樞與感應(yīng)子之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),便在電樞鐵芯中產(chǎn)生渦流,電流方向由右手定則確定。電樞作為載流導(dǎo)體必將受到磁場(chǎng)力的作用,該磁場(chǎng)力的方向由左手定則確定。根據(jù)作用力與反作用力大小相等方向相反的原理,該電磁力形成的轉(zhuǎn)矩T將會(huì)迫使感應(yīng)子連同負(fù)載沿著電樞同方向旋轉(zhuǎn),這樣就將異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞到了生產(chǎn)機(jī)械上。圖3－29電樞和磁極作用原理圖

類似于異步電機(jī)的工作原理,感應(yīng)子的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)n2要小于電樞轉(zhuǎn)速n1(同步轉(zhuǎn)速),即n2<n1,負(fù)載的轉(zhuǎn)速大小取決于感應(yīng)子上通入的直流電流的大小,這可以通過(guò)調(diào)整可變電阻器來(lái)保證。這種電磁離合器稱為電磁轉(zhuǎn)差離合器。通常將異步電動(dòng)機(jī)和電磁轉(zhuǎn)差離合器裝成一體,統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)或電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)。

電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),而且通過(guò)控制勵(lì)磁電流可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速,所以廣泛應(yīng)用于機(jī)床、起重、冶金等生產(chǎn)機(jī)械上。

3.10異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式分為機(jī)械制動(dòng)和電磁制動(dòng)兩大類。機(jī)械制動(dòng)是利用機(jī)械裝置,靠摩擦力把電動(dòng)機(jī)制動(dòng),如機(jī)械制動(dòng)閘、電磁抱閘機(jī)構(gòu)等。電磁制動(dòng)又稱電氣制動(dòng),是使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)與其旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩作為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)減速或停轉(zhuǎn)。三相異步電動(dòng)機(jī)常用的電磁制動(dòng)方法有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。

3.10.1能耗制動(dòng)

當(dāng)正在運(yùn)轉(zhuǎn)中的三相異步電動(dòng)機(jī)突然切斷電源時(shí),由于其轉(zhuǎn)動(dòng)部分儲(chǔ)存的動(dòng)能,將使轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn),直至轉(zhuǎn)動(dòng)部分所儲(chǔ)存的動(dòng)能全部消耗完畢,電動(dòng)機(jī)才會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。如果不采取任何措施,動(dòng)能只能消耗在運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的風(fēng)阻和軸承摩擦損耗上,因?yàn)檫@些損耗很小,所以電動(dòng)機(jī)需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能停轉(zhuǎn)。能耗制動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)斷電后,立即在定子兩相繞組中通入直流勵(lì)磁電流,產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)迅速停轉(zhuǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng),應(yīng)將處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組從交流電源上切除,并立即把它接到直流電源上去。對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī),其轉(zhuǎn)子繞組或是直接短路,或是經(jīng)過(guò)電阻R短路。三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)原理圖如圖3－30(a)所示。

當(dāng)把電動(dòng)機(jī)定子繞組的三相交流電源切斷后,將其三相定子繞組中任意兩相的輸入端立即接上直流電源,此時(shí),在定子繞組中將產(chǎn)生一個(gè)靜止的磁場(chǎng),如圖3－30(b)所示,而轉(zhuǎn)子因機(jī)械慣性仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子導(dǎo)體則切割此靜止磁場(chǎng)而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流,其轉(zhuǎn)子電流與磁場(chǎng)相互作用將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T,該電磁轉(zhuǎn)矩T的方向可由左手定則判定,如圖3－30(b)所示,從圖中可見,電磁轉(zhuǎn)矩T的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反,為一制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,將使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速降為零時(shí),轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流為零,電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也降為零,制動(dòng)過(guò)程結(jié)束。這種制動(dòng)方法把轉(zhuǎn)子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子繞組的銅耗中,故稱為能耗制動(dòng)。圖3－30三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)原理

三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性如圖3－31所示,從圖中可以看出,當(dāng)直流勵(lì)磁一定,而轉(zhuǎn)子電阻增加時(shí),產(chǎn)生最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速也隨之增加,但是產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩值不變,如圖3－31中的曲線1和曲線3所示;當(dāng)轉(zhuǎn)子回路的電阻不變,而增大直流勵(lì)磁時(shí),則產(chǎn)生的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大,但產(chǎn)生最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速不變,如圖中的曲線1和曲線2所示。圖3－31異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性

3.10.2反接制動(dòng)

當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),若電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相反,轉(zhuǎn)差率s>1,則該三相異步電動(dòng)機(jī)就運(yùn)行于電磁制動(dòng)狀態(tài),這種運(yùn)行狀態(tài)稱為反接制動(dòng)。實(shí)現(xiàn)反接制動(dòng)的方法有正轉(zhuǎn)反接和正接反轉(zhuǎn)(也稱倒拉反轉(zhuǎn))兩種。這里主要介紹正轉(zhuǎn)反接制動(dòng)。

三相異步電動(dòng)機(jī)采用反接制動(dòng)時(shí),定子、轉(zhuǎn)子電流很大,定子、轉(zhuǎn)子銅耗也很大,將會(huì)使電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱。為了使反接制動(dòng)時(shí)電流不致過(guò)大,若為繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī),反接時(shí)應(yīng)在其轉(zhuǎn)子回路中串入附加電阻R,又稱制動(dòng)電阻,如圖3－32(a)所示,其作用是:一方面限制過(guò)大的制動(dòng)電流,減少電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量;另一方面可增大電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率sm,使電動(dòng)機(jī)開始制動(dòng)時(shí)能夠產(chǎn)生較大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,以加快制動(dòng)過(guò)程,縮短制動(dòng)時(shí)間。若為籠型三相異步電動(dòng)機(jī),反接時(shí)應(yīng)在定子繞組回路中串聯(lián)限流電阻。圖3－32反接制動(dòng)過(guò)程

繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)反接制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性如圖3－32(b)所示,曲線1為異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性,曲線1上的A點(diǎn)是該電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn);曲線2為異步電動(dòng)機(jī)定子繞組兩相反接時(shí)的人為機(jī)械特性,由于定子電壓的相序反了,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反向,其對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速為-n1,電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值,起制動(dòng)作用,在改變定子電壓相序的瞬間,工作點(diǎn)由A過(guò)渡到B,這時(shí)系統(tǒng)在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用下,迫使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速迅速下降,直到C點(diǎn),轉(zhuǎn)速為零,制動(dòng)結(jié)束。

對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī),為了限制兩相反接瞬間電流和增大電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,通常在定子繞組兩相反接的同時(shí),在轉(zhuǎn)子繞組中串入制動(dòng)電阻Rad,這時(shí)對(duì)應(yīng)的人為機(jī)械特性如圖3－32(b)中的曲線3所示。我們所說(shuō)的定子繞組兩相反接的反接制動(dòng),就是指從反接開始至轉(zhuǎn)速為零的這一制動(dòng)過(guò)程,即圖中的曲線2的BC段或曲線3的B'C'段。

如果制動(dòng)的目的只是想快速停車,則必須采取措施,在轉(zhuǎn)速接近零時(shí),應(yīng)立即切斷電源。否則,電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線將進(jìn)入第三象限。如果電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的是反抗性負(fù)載,而且在C(C')點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,則將反向啟動(dòng)到D(D')點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行,這是反向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài);如果拖動(dòng)的是位能性負(fù)載,則電動(dòng)機(jī)在位能負(fù)載拖動(dòng)下,將一直反向加速到E(E')點(diǎn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tfz時(shí),才能穩(wěn)定運(yùn)行。這種情況下,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速,電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反,這就是后面要講的回饋制動(dòng)狀態(tài)。

3.10.3回饋制動(dòng)

三相異步電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)通常用以限制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的上升。當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),如果由于外來(lái)因素,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n1,此時(shí)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T的方向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反,則電磁轉(zhuǎn)矩T變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩,異步電機(jī)由原來(lái)的電動(dòng)機(jī)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行,故又稱為發(fā)電機(jī)制動(dòng)。這時(shí),異步電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能向電網(wǎng)反饋。

在生產(chǎn)實(shí)踐中,異步電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)一般有以下兩種情況:

一種是出現(xiàn)在位能性負(fù)載下放重物時(shí),另一種是出現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)改變極對(duì)數(shù)或改變電源頻率的調(diào)速過(guò)程中。這里主要介紹下放重物時(shí)的回饋制動(dòng)。

當(dāng)電力機(jī)車下坡或起重機(jī)下放重物時(shí),剛開始,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n1,即n<n1,此時(shí)該電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同,如圖3－33(a)所示。接著,在電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T和重物重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的雙重作用下,電力機(jī)車或重物將以越來(lái)越快的速度下坡或下降。由于重力的作用,當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n1,即n>n1時(shí),電機(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行,此時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)相反,成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,如圖3－33(b)所示,電機(jī)開始減速,同時(shí)將儲(chǔ)藏的機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娋W(wǎng)。一直到電磁轉(zhuǎn)矩與重力轉(zhuǎn)矩平衡時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速才能穩(wěn)定不變,此時(shí),將使電力機(jī)車恒速下坡或重物恒速下降。圖3－33回饋制動(dòng)

繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)下放重物時(shí)的回饋制動(dòng)接線圖如圖3－34(a)所示,其機(jī)械特性如圖3－34(b)所示,設(shè)電機(jī)在提升重物時(shí)的轉(zhuǎn)速為正,則下放重物時(shí)的轉(zhuǎn)速為負(fù)。

提升重物時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于第一象限,如圖3－34(b)中的A點(diǎn);下放重物時(shí),電動(dòng)機(jī)必運(yùn)行于第四象限,如圖中的D(或D')點(diǎn),獲得穩(wěn)定的下放速度。由圖可見,下放重物時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速|(zhì)-n︱>|-n1︱,此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩T為正值,與正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩T同向。圖3－34異步電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)

3.11單相異步電動(dòng)機(jī)

使用單相交流電源的異步電動(dòng)機(jī)稱為單相異步電動(dòng)機(jī),單相異步電動(dòng)機(jī)與同容量的三相異步電動(dòng)機(jī)相比較,體積較大,功率因數(shù)、效率及過(guò)載能力都比較低,故單相異步電動(dòng)機(jī)只制成小容量電機(jī),功率在8~750W之間,廣泛應(yīng)用于家用電器和醫(yī)療器械、自動(dòng)控制系統(tǒng)、小型電氣設(shè)備上,如小功率鼓風(fēng)機(jī)、電動(dòng)工具、攪拌器、砂輪、電風(fēng)扇、家用電器等。單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子只采用籠型結(jié)構(gòu),定子繞組只安裝單相繞組或兩組繞組。

3.11.1單相異步電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)磁場(chǎng)

單相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組接上交流電源之后,將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間交變的脈動(dòng)磁場(chǎng)。根據(jù)右手定則,可以畫出該磁場(chǎng)的分布,如圖3－35(a)所示。該磁場(chǎng)的軸線即為定子繞組的軸線,在空間保持固定位置。每一瞬時(shí)空氣隙中各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度按正弦規(guī)律分布,同時(shí)隨電流在時(shí)間上做正弦交變,如圖3－35(b)所示。圖3－35單相異步電動(dòng)機(jī)中的脈動(dòng)磁場(chǎng)

假設(shè)Φ1m與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致,稱為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);Φ2m與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反,稱為逆向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。其原理如圖3－36所示。圖中表明了在不同瞬時(shí)兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值在空間的位置,以及由它們合成的脈動(dòng)磁場(chǎng)隨時(shí)間而交變的情況。圖3－36脈動(dòng)磁場(chǎng)的分解

在t=0時(shí),兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的矢量Φ1和Φ2大小相等,方向相反,故其合成磁場(chǎng)Φ=0,到t=t1時(shí),Φ1和Φ2按相反的方向各在空間轉(zhuǎn)過(guò)ωt1,故其合成磁通

由此可見,在任何時(shí)刻t,合成磁場(chǎng)為

即反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子間的相對(duì)轉(zhuǎn)速較大,因此,反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大。轉(zhuǎn)子電流頻率f2=s-f1=(2-s+)f1≈2f1,近似為電源頻率的2倍。在此頻率下,轉(zhuǎn)子電抗較大,使得轉(zhuǎn)子電流I2較小,這樣電磁轉(zhuǎn)矩T(與I2cosφ2成正比)則較小。因此,逆向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T-較小。故正、反兩旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T+>T-,其方向相反,如圖3－37所示(對(duì)應(yīng)第一、四象限部分曲線)。將正向電磁轉(zhuǎn)矩和反向電磁轉(zhuǎn)矩合成,得到合成轉(zhuǎn)矩T=T+-T-。圖3－37單相異步電動(dòng)機(jī)的Ts曲線

3.11.2單相異步電動(dòng)機(jī)的分類和啟動(dòng)

從單相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的分析可知,它的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零。要想在接通電源時(shí),能夠自動(dòng)啟動(dòng),必須設(shè)法產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),解決啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零的問(wèn)題。按照定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法不同,可將其分為分相式和罩極式兩大類。其中分相式電動(dòng)機(jī)又可分為電阻分相式、電容分相式兩種,罩極式可分為凸極式和隱極式兩種。

1.分相式異步電動(dòng)機(jī)

1)電阻分相式異步電動(dòng)機(jī)

這種電動(dòng)機(jī)定子上嵌有兩個(gè)單相繞組,一個(gè)稱為主繞組(或稱工作繞組),一個(gè)稱為輔助繞組(或稱啟動(dòng)繞組),兩個(gè)繞組在空間相差90°電角度,它們接在同一單相電源上,如圖3－38所示,其中S為一離心開關(guān),平時(shí)處于閉合狀態(tài),輔助繞組用較細(xì)的導(dǎo)線繞制,以增大電阻,匝數(shù)可以與主繞組相同,也可以不同。由于主、輔繞組的阻抗不同,流過(guò)兩個(gè)繞組的電流的相位不同,一般使輔助繞組中的電流領(lǐng)先于主繞組中的電流,由此形成一個(gè)兩相電流系統(tǒng),在電動(dòng)機(jī)中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),從而產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖3－38電阻分相式異步電動(dòng)機(jī)原理

2)電容分相式異步電動(dòng)機(jī)

為了產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),在單相異步電動(dòng)機(jī)的定子上繞制了兩個(gè)在空間相差90°的繞組。一個(gè)是主繞組U1U2,又稱工作繞組,匝數(shù)多;另一個(gè)是輔助繞組Z1Z2,又稱啟動(dòng)繞組,匝數(shù)少,與一個(gè)大小適當(dāng)?shù)碾娙萜鰿串聯(lián)。圖3－39是定子示意圖,圖3－40是電容分相式異步電動(dòng)機(jī)的原理圖。圖3－39電容分相式異步電動(dòng)機(jī)定子示意圖圖3－40電容分相式異步電動(dòng)機(jī)原理圖

兩個(gè)繞組支路并聯(lián)接于同一單相交流電源上,電流i2較電壓滯后,電流i1比電壓超前,兩電流約有π/2電角的相位差,如圖3－41所示。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的定子電流就可產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3－41兩繞組支路的電流

當(dāng)t=0時(shí),i1=0,i2為負(fù),即電流由U2流進(jìn),由U1流出,此時(shí)的磁場(chǎng)方向如圖3－42(a)所示。圖3－42(b)、(c)分別表示t=T/8和t=T/4時(shí)的磁場(chǎng)情況。由圖可見,當(dāng)電流不斷隨時(shí)間變化時(shí),其磁場(chǎng)也就在空間不斷地旋轉(zhuǎn)。圖3－42單相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

2.罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)

罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3－43所示。單相繞組套在磁極上,極面的一開有小槽,小槽中安放短路銅環(huán),把磁極的部分面積(約有1/3)罩起來(lái)。利用磁極面上的罩極短環(huán)在磁通變化時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流來(lái)阻止被罩部分磁通的變化,使之滯后于其他部分工作磁通的變化,從而使整個(gè)磁極的磁力線從未罩著部分移向罩著部分,在該磁場(chǎng)作用下,電動(dòng)機(jī)將獲得一定的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)。由于其旋轉(zhuǎn)方向總是從磁極未罩部分轉(zhuǎn)向磁極被罩部分,因此其轉(zhuǎn)向是不能改變的。圖3－43罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3.11.3單相異步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)和調(diào)速

1.反轉(zhuǎn)

由于單相分相式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向是由電流領(lǐng)先相轉(zhuǎn)向電流滯后相,因此將工作繞組U1U2或啟動(dòng)繞組Z1Z2中任意一個(gè)繞組的兩個(gè)出線端對(duì)調(diào)一下,就改變了兩繞組中電流之間的相序,也就改變了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向,從而電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向獲得了改變。洗衣機(jī)采用的是單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī),其工作繞組和啟動(dòng)繞組完全相同,接線如圖3－44所示,通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)S將工作繞組和啟動(dòng)繞組不斷變換,從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的改變,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)波輪的正反轉(zhuǎn)。圖3－44洗衣機(jī)單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)

2.調(diào)速

單相異步電動(dòng)機(jī)同三相異步電動(dòng)機(jī)一樣,都是靠旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)工作的,故其調(diào)速方法與三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法類似,也有變極調(diào)速、變頻調(diào)速、調(diào)磁調(diào)速等方法,這里介紹一種常見的串電抗器改變主繞組勵(lì)磁磁通的方法,如圖3－45所示。圖3－45串電抗器調(diào)速原理

3.12電動(dòng)機(jī)的選擇

電動(dòng)機(jī)是電力拖動(dòng)系統(tǒng)的核心設(shè)備,正確選用電動(dòng)機(jī),是系統(tǒng)可靠運(yùn)行、安全工作、經(jīng)濟(jì)合理的前提,所以應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)行特點(diǎn)、工作要求、機(jī)械功率、工作方式等經(jīng)過(guò)計(jì)算與經(jīng)濟(jì)分析才能合理地選配電動(dòng)機(jī),滿足生產(chǎn)過(guò)程的要求。具體內(nèi)容如下:

首先,要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電力傳動(dòng)提出的要求,如啟動(dòng)與制動(dòng)的頻繁程度,有無(wú)調(diào)速要求等來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)類型;

第二,應(yīng)結(jié)合電源情況選擇電動(dòng)機(jī)額定電壓的大小;

第三,由生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率大小來(lái)決定電動(dòng)機(jī)的額定功率(即容量);

第四,由生產(chǎn)機(jī)械所要求的轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)設(shè)備的要求選取它的額定轉(zhuǎn)速;

第五,確定電動(dòng)機(jī)的工作方式;

第六,根據(jù)電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的安裝位置及周圍環(huán)境情況來(lái)決定電動(dòng)機(jī)的防護(hù)形式。

3.12.1電動(dòng)機(jī)形式種類的選擇

選擇電動(dòng)機(jī)是從交流和直流、機(jī)械特性、調(diào)速與啟動(dòng)性能、維護(hù)及價(jià)格等方面來(lái)考慮的,所以選擇時(shí)要遵循下列原則:

(1)優(yōu)先考慮選用三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī),因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、工作可靠、價(jià)格低廉、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是調(diào)速困難、功率因數(shù)低、啟動(dòng)電流較大和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。主要適用于作為機(jī)械特性較硬而無(wú)特殊調(diào)速要求的一般生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng),如一般的機(jī)床和功率小于100kW的水泵或通風(fēng)機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械。

(2)繞線型電動(dòng)機(jī)的價(jià)格較籠型電動(dòng)機(jī)高,其機(jī)械特性可通過(guò)轉(zhuǎn)子外加電阻的辦法加以調(diào)節(jié),具有較好的啟動(dòng)性能,故它可適用于電源容量較小、電動(dòng)機(jī)功率較大或有調(diào)速要求的場(chǎng)合,如某些起重設(shè)備、卷?yè)P(yáng)提升設(shè)備、鍛壓機(jī)和重型機(jī)床的橫梁移動(dòng)等。

(3)當(dāng)調(diào)速范圍低于1∶10,且又要求能平滑調(diào)速的場(chǎng)合,應(yīng)優(yōu)先選用滑差電動(dòng)機(jī),該電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式按其安裝位置的不同可分為臥式和立式兩種。臥式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸是水平安裝的,立式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸則是與地面垂直安裝的,立式價(jià)格比臥式貴一些,在一般情況下應(yīng)盡量選用臥式電動(dòng)機(jī),只有在需要垂直運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合或?yàn)榱撕?jiǎn)化傳動(dòng)裝置才考慮采用立式電動(dòng)機(jī),如立式深井或鉆床上。

3.12.2電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇

機(jī)械設(shè)備所選配電