注释:
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所谓旋转磁场就是一种极性和大小不变,且以一定转速旋转的磁场。理论分析和实践证明,在对称三相绕组中流过对称三相交流电时会产生这种旋转磁场。
1)对称三相绕组

所谓对称三相绕组就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此间隔120°、对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组。下面以最简单的对称三相绕组为例来进行分析。

按图1-6的外形,顺时针方向绕制三个线圈,每个线圈绕N匝。它们的首端分别用字母U1V1W1表示,末端分别用U2V2W2表示。线圈采用的材料和线径相同。这样,每个线圈呈现的阻抗是相同的。线圈又分别称为UVW相绕组。


1-7a是三相绕组的端面布置图。在定子的内圆上均匀地开出6个槽,并给每个槽编上序号,将U1U2相绕组放进1号和4号槽中;V1V2相绕组放进3号和6号槽中;W1W2相绕组放进5号和2号槽中。由于135号槽在定子空间互差120°,分别放入UVW相绕组的首端,这样排列的绕组,就是对称三相绕组。
将各相绕组的末端U2V2W2联结在一起,首端U1V1W1分别接到三相电源上,可以得到对称三相绕组的Y接法,如图1-7b所示。
2)对称三相电流
由电网提供的三相电压是对称三相电压,由于对称三相绕组组成的三相负载是对称三相负载,每相负载的复阻抗都相等,所以,流过三相绕组的电流也必定是对称三相电流。
对称三相电流的函数式表示为:



对称三相电流的波形如图1-8所示。


3)旋转磁场的产生

由于三相电流随时间的变化是连续的,且极为迅速,为了能考察它所产生的合成磁效应,说明旋转磁场的产生,在此选定ωt=90°、ωt=180°、ωt=240°等3个特定瞬间,以窥全貌,如图1-9所示。规定:电流为正值时,从每相线圈的首端入、末端出;电流为负值时,从末端入、首端出。用符号“⊙”表示电流流出,用“×”表示电流流入。由于磁力线是闭合曲线,对它的磁极的性质作如下假定:磁力线由定子进入转子时,该处的磁场呈现N极磁性;反之,则呈现S极磁性。




先看ωt=90°这一瞬间,由电流瞬时表达式和波形图均可看出,此时:

将各相电流方向表示在各相线圈剖面图上,如图1-9a所示。从图看出,V2U1W2均为电流流入,W1U2V1均为电流流出。根据右手螺旋定则,它们合成磁场



的磁力线方向是由右向左穿过定、转子铁心,是一个二极(一对极)磁场。用同样方法,可画出ωt=180°、ωt=240°这两个特定瞬间的电流与磁力线分布情况,分别如图1-9b和图1-9c所示。

依次仔细观察图1-9abc就会发现这种情况下建立的合成磁场,既不是静止的,也不是方向交变的,而是如一对磁极在旋转的磁场。且随着三相电流相应的变化,其合成的磁场在空间按U1V1W1顺序旋转(图中为顺时针方向)

由上面的分析可得出如下的结论:
当三相对称电流通入三相对称绕组,必然会产生一个大小不变,且在空间以一定的转速不断旋转的旋转磁场。
旋转磁场的旋转方向是由通入三相绕组中的电流的相序决定的。即当通入三相对称绕组的对称三相电流的相序发生改变时,即将三相电源中的任意两相绕组接线互
换,旋转磁场就会改变方向。
旋转磁场转速的大小是多少呢?从图1-9所示的情况可看出,当三相电流变化一个周期,旋转磁场在空间相应地转过360°。即电流变化一次,旋转磁场转过一转。因此可得出:电流每秒钟变化f次(即频率),则旋转磁场每秒钟转过f转。由此可知旋转磁场为1对磁极情况下,其转速n0r/s)与交流电流频率f的是相等的,即n0=f
如果将三相绕组按图1-10所示排列。U相绕组分别由两个线圈1U1-1U22U1-2U2联组成。每个线圈的跨距为1/4圆周。用同样的方法将V相和W相的两个线圈也按此方法串联成V相和W相绕组。用上述方法决定三相电流所建立的合成磁场,可以发现仍然是一个旋转磁场。不过磁场的极数变为4个,即为两对磁极,并且当电流变化一次,可以看出旋转磁场仅转过1/2转。依次类推,如果将绕组按一定规则排列,可得到3对、4对或p对磁极的旋转磁场。并可看出旋转磁场的转速n0与磁极对数

p之间是一种反比例关系。即具有p对磁极的旋转磁场,电流变化一个周期,磁场转过1/p转,它的转速为:



n0表示旋转磁场的这种转速,称为同步转速。


1-11是三相异步电动机的原理图。定子上装有对称三相绕组,在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条,导条两端分别用铜环把它们联结成一个整体。当定子接通三相电源后,即在定、转子之间的气隙内建立了一同步速为n0的旋转磁场。磁场旋转时将切割转子导体,根据电磁感应定律可知,在转子导体中将产生感应电势,其方向可由右手定则确定。磁场顺时针方向旋转,导体相对磁极为逆时针方向切断磁力线。转子上半边导体感应电势的方向为出来的,用“⊙”表示;下半边导体感应电势的方向为进去的,用”表示。因转子绕组是闭合的,导体中有电流,电流方向与电势相同。载流导体在磁场中要受到电磁力,其方向由左手定则确定,如图

1-11所示。这样,在转子导条上形成一个顺时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场顺时针方向转动。从工作原理看,不难理解三相异步电动机为什么又叫感应电动机了。

综上所述,三相异步电动机能够转动的必备条件之一是电动机的定子必须产生一个在空间不断旋转的旋转磁场,二是电动机的转子必须是闭合导体。



异步电动机中,转子因旋转磁场的电磁感应作用而产生电磁转矩,并在电磁转矩的作用下而旋转,那么转子的转速是多少?与旋转磁场的同步转速相比又如何呢?

转子的旋转方向与旋转磁场的转向相同,但转子的转速n不能等于旋转磁场的同步转速n0,否则磁场与转子之间便无相对运动,转子就不会有感应电势、电流与电磁转矩,转子也就根本不可能转动了。因此,异步电动机的转子转速n总是略小于旋转磁场的同步转速n0即与旋转磁场“异步”转动,所以称这种电动机为“异步”电动机。若三相异步电动机带上机械负载,负载转矩越大,则电动机的“异步”程度也越大。在分析中,用“转差率”这个概念来反映“异步”的程度。n0n之差称为“转差”。转差是异步电动机运行的必要条件。将其与同步转速之比称为“转差”,用s表示。


转差率是异步电动机的一个基本参数。一般情况下,异步电动机的转差率变化不大,空载转差率在0.005以下,满载转差率在0.020.06之间。可见,额定运行时异步电动机的转子转速非常接近同步转速。




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三相交流异步电动机的工作原理
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