交流電機(jī)的前世與今生的歷程說(shuō)明
由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展,交流電機(jī)已成為最常用的電機(jī)。
交流電機(jī)與直流電機(jī)相比,由于沒(méi)有換向器(見(jiàn)直流電機(jī)的換向),因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)。交流電機(jī)功率的覆蓋范圍很大,從幾瓦到幾十萬(wàn)千瓦、甚至上百萬(wàn)千瓦。20世紀(jì)80年代初,最大的汽輪發(fā)電機(jī)已達(dá)150萬(wàn)千瓦。交流電機(jī)按其功能通常分為交流發(fā)電機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)和同步調(diào)相機(jī)幾大類(lèi)。由于電機(jī)工作狀態(tài)的可逆性(見(jiàn)電機(jī)),同一臺(tái)電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)又可作電動(dòng)機(jī)。把電機(jī)分為發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)并不很確切,只是有些電機(jī)主要作發(fā)電機(jī)運(yùn)行,有些電機(jī)主要作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。
流電機(jī)按品種分有同步電機(jī)、異步電機(jī)兩大類(lèi)。同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ns與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同,稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速。ns與所接交流電的頻率 (f)、電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)(P)之間有嚴(yán)格的關(guān)系ns=f/P在中國(guó),
電源頻率為50赫,所以二極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分,四極電機(jī)的同
步轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分,余類(lèi)推。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是低于或高于其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速,異步之名由此而來(lái)。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速之差(稱(chēng)為轉(zhuǎn)差)通常在10%以?xún)?nèi)。由此可知,交流電機(jī)(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(jī)
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(fù)雜的。
所以70年代以前,在要求調(diào)速的場(chǎng)合,多用直流電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)已開(kāi)始得到實(shí)用。
交流電機(jī)一般采用三相制,因?yàn)槿嘟涣麟姍C(jī)與單相電機(jī)相比,無(wú)論在性能指標(biāo),原材料利用和價(jià)格等方面均有明顯的優(yōu)越性。同樣功率的
三相電機(jī)比單相電機(jī)體積小,重量輕,價(jià)格低。三相電動(dòng)機(jī)有自起動(dòng)能力。單相電機(jī)沒(méi)有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,為解決起動(dòng)問(wèn)題,需采取一些特殊的措施(見(jiàn)單相異步電動(dòng)機(jī)
)。單相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的,噪聲也比較大,但所需的電源比較簡(jiǎn)單,特別是在家庭中使用十分方便。因此
小型家用電機(jī)和儀用電機(jī)多采用單相電機(jī)。
目前較常用的交流電動(dòng)機(jī)有兩種:
1、三相異步電動(dòng)機(jī)。
2、單相交流電動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理 三相異步電動(dòng)機(jī)要旋轉(zhuǎn)起來(lái)的先決條件是具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組就是用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)定子中的三個(gè)繞組在空間方位上也互差
120度,這樣,當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時(shí),定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其產(chǎn)生的過(guò)程如圖1所示。圖中分四個(gè)時(shí)刻來(lái)描述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生過(guò)程。電流每變化一個(gè)周期,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周,即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速
為:n=60f/P 式中f為電源頻率、P是磁場(chǎng)的磁極對(duì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)
對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速控制。 觀(guān)察圖1還可發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(shí)針排列,磁場(chǎng)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),若把三根電源線(xiàn)中的任意兩根對(duì)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(chǎng)必然逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱?dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。 定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)后,轉(zhuǎn)子導(dǎo)條(鼠籠條)將切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流,轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流又與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(dòng)轉(zhuǎn)子沿旋
轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向以n1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來(lái)。一般情況下,電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n1低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n。因?yàn)榧僭O(shè)n=n1,則轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng),就不會(huì)切割磁力線(xiàn),也就不會(huì)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(chēng)三相電動(dòng)機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)。
二、單相交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理 單相交流電動(dòng)機(jī)只有一個(gè)繞組,轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當(dāng)單相正弦電流通過(guò)定子繞組時(shí),電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化,但在空間方位上是固定的,所以又稱(chēng)這個(gè)磁場(chǎng)是交變脈動(dòng)磁場(chǎng)。這個(gè)交變
脈動(dòng)磁場(chǎng)可分解為兩個(gè)以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí),這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個(gè)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(dòng)機(jī)無(wú)法旋轉(zhuǎn)。當(dāng)我們用外力使電動(dòng)機(jī)向某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)(如順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)),這時(shí)轉(zhuǎn)子與
順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)變??;轉(zhuǎn)子與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。
要使單相電動(dòng)機(jī)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來(lái),我們可在定子中加上一個(gè)起動(dòng)繞組,起動(dòng)繞組與主繞組在空間上相差90度,起動(dòng)繞組要串接一個(gè)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(gè)在時(shí)間上相差90度的電流通入兩個(gè)在空間上相差
90度的繞組,將會(huì)在空間上產(chǎn)生(兩相)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),如圖2所示。在這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下,轉(zhuǎn)子就能自動(dòng)起動(dòng),起動(dòng)后,待轉(zhuǎn)速升到一定時(shí),借助于一個(gè)安裝在轉(zhuǎn)子上的離心開(kāi)關(guān)或其他自動(dòng)控制裝置將起動(dòng)繞組斷開(kāi),正常工作時(shí)只有主繞組工作。因此,起動(dòng)繞組可以做成
短時(shí)工作方式。但有很多時(shí)候,起動(dòng)繞組并不斷開(kāi),我們稱(chēng)這種電動(dòng)機(jī)為電容式單相電動(dòng)機(jī),要改變這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向,可由改變電容器串接的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在單相電動(dòng)機(jī)中,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的另一種方法稱(chēng)為罩極法,又稱(chēng)單相罩極式電動(dòng)機(jī)。此種電動(dòng)機(jī)定子做成凸極式
的,有兩極和四極兩種。每個(gè)磁極在1/3--1/4全極面處開(kāi)有小槽,如圖3所示,把磁極分成兩個(gè)部分,在小的部分上套裝上一個(gè)短路銅環(huán),好象把這部分磁極罩起來(lái)一樣,所以叫罩極式電動(dòng)機(jī)。單相繞組套裝在整個(gè)磁極上,每個(gè)極的線(xiàn)圈是串聯(lián)的,連接時(shí)必須使其產(chǎn)生的
極性依次按N、S、N、S排列。當(dāng)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(guò)短路銅環(huán)的主磁通在銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)繞組相當(dāng),從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)
磁場(chǎng)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。
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