电气控制与PLC原理及应用(欧姆龙机型)
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2.1 三相交流异步电动机的基本原理、结构与类型

2.1.1 三相交流异步电动机的基本原理

三相交流异步电动机通电后会在铁芯中产生旋转磁场,通过电磁感应在转子绕组中产生感应电流,转子电流受到磁场的电磁力作用产生电磁转矩并使转子旋转,因此又被称为感应电机。

1.旋转磁场

三相交流异步电动机的三相定子绕组在空间上互差120°(电角度),连接成星形(Y)或三角形(△),是对称三相负载,简化后如图2-1所示。定子绕组接通电源后流入三相对称交流电流,如图2-2所示。

图2-1 简化的三相定子绕组

图2-2 三相对称交流电流曲线

假设某相绕组电流瞬间为正时,电流从该相绕组的首端流入,尾端流出;电流为负时,方向相反。为简单反映合成磁场及其旋转特征,选取电流相位角ωt=0°、120°、240°、360°这四个瞬时,对应这四个时刻的各绕组电流方向及磁场分别如图2-3中的(a)、(b)、(c)、(d)所示。根据右手螺旋定则可判断相应的合成磁场为旋转磁场。

图2-3 一对磁极的旋转磁场

理论分析可以证明:旋转磁场的磁感应强度沿定子内圆在空间上呈正弦分布,合成磁势的幅值为固定值,磁势相量顶点的轨迹是一个圆,所以又被称为圆形旋转磁场。

如果电动机的每相绕组由两个串联的线圈(组)组成,三相绕组连接成Y形,如图2-4所示。各相绕组的首端或尾端在空间上互差60°放置(电角度仍互差120°),如图2-5所示。用同样的方法可判断出这时的磁场有两对磁极(即四个磁极),仍按绕组位置沿U1、V1、W1方向旋转,与电源相序相同,但电流变化一周时,磁场在空间上仅旋转半周。若电源频率为f1,则旋转磁场对应的转速为:

图2-4 三相四极异步电动机的定子绕组示意

图2-5 两对磁极(四极)的旋转磁场

n1=60 f1/2=1500 r/min

进一步分析更多磁极对数的旋转磁场及其旋转过程可以发现:磁场的旋转速度反比于磁极对数。如果旋转磁场有p对磁极,则该旋转磁场的转速(也称为同步转速)n1

2.三相交流异步电动机的基本工作原理

三相交流异步电动机的转子绕组伺行闭合,当旋转磁场扫过转子表面时,会在转子导体中产生感应电流,如图2-6所示。转子电流反过来又受到磁场的电磁力作用,根据左手定则能判断出,由电磁力所导致的电磁转矩促使转子沿旋转磁场方向旋转。

图2-6 三相交流异步电动机的转动原理

转子与旋转磁场之间必须要有相对运动才可以产生上述电磁感应过程,而且转子所获得的能量完全来源于交流电源并通过旋转磁场提供的电磁能,相当于转子被旋转磁场拖动而旋转。若两者转速相同,转子与旋转磁场保持相对静止,转子导体不切割磁力线,没有电磁感应,转子电流及电磁转矩均为零,转子失去旋转动力。因此,异步电动机的转子转速必定低于旋转磁场的转速(同步转速),所以被称为异步电动机。

如果转子电流不是通过电磁感应而是由独立电源提供或转子与定子各有相互独立的磁场,则由于磁极之间的磁性力作用,在一定条件下,定子磁极就会吸引转子磁极并拖动它以相同的速度旋转(即同步旋转),这就是同步电动机。

3.转差与转差率

由上述分析也可看出:对于异步电动机而言,旋转磁场与转子之间的相对运动速度直接影响了转子电流及电磁转矩的大小。一般把同步转速n1与转子转速n的差值称为转差,转差与同步转速的比值称为转差率,以s表示:

转差率是影响电机状态及其特征的一个重要因素。电机在额定状态时的转差率称为额定转差率,以sN表示。普通三相异步电动机的额定转差率sN约为0.01~0.05,额定转速nN与同步转速n1很接近。

例2.1 某三相异步电动机的额定转速nN=1440r/min,额定频率f1=50Hz,求该电机的极数、同步转速和额定转差率。

解:根据额定转速值并结合额定转差率的一般取值范围可以判断:

该电机的同步转速n1=1500 r/min,磁极对数p=2,该电机为四极电机。因此,额定转差率sN为:

sN =(n1-n)/n1=(1500-1440)/1500=0.04