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集团新闻
关于异步电动机工作原理的一些常见问题详解。
内容简介:简单的说三相异步电机原理:当电机的三相定子绕组(各相差120度电角度),通入三相对称交流电后,将产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,从而在转子绕组中旋转。
    关于三相异步电机在工作中的原理,针对学习理论设计的朋友。西安西玛电机技术部跟据西玛电机在设计改型及试验运行中的一些问题及原理的反复测试,我们简单的总结了一些学习电机专业方面知识的朋友可能遇到的问题,希望能对大这有所帮助。

    简单的说三相异步电动机原理:当电动机的三相定子绕组(各相差120度电角度),通入三相对称交流电后,将产生一个旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,从而在转子绕组中旋转。

    三相交流异步电动机工作原理:(1)当三相异步电机接入三相交流电源时,三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势(定子旋转磁动势)并产生旋转磁场。(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。(3)根据电磁力定律,载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用,形成电磁转矩,驱动转子旋转,当电动机轴上带机械负载时,便向外输出机械能。电机的转速(转子转速)小于旋转磁场的转速,从而叫为异步电机。它和感应电机基本上是相同的。s=(ns-n)/ns。s为转差率,ns为磁场转速,n为转子转速。 
    三相异步电动机的转速永远低于旋转磁场的同步转速,使转子和旋转磁场间有相对运动,从而保证转子的闭合导体切割磁力线,感生电流,产生转矩。转速的差异是异步电机运转的必要条件。在额定情况下,转子转速一般比同步转速低2-5%。

1. 异步电动机的气隙比同步电动机的气隙大还是小,为什么? 
答:异步电动机的气隙比同步电动机的气隙小,因为异步电动机的励磁电流由三相交流电源提供。如果气隙大,则磁阻小,所需的励磁电流就大,因励磁电流为无功电流,所以励磁电流大就使异步电动机功率因数降低。而同步电动机励磁电流由直流电源提供,从同步电动机的V形曲线可知,当励磁电流从小增大,励磁状态从欠励到过励时,功率因数可由滞后变为超前的。而异步电动机的功率因数永远为滞后的。  
2. 异步电动机定子绕组通过电产生的旋转磁场转速与电动机的极对数有何关系?为什么
异步电动机工作时的转子转速总是 同步转速? 
答:定子绕组通电产生的旋转磁场转速,即同步转速,其大小n1由电网的频率f和电机极对数p决定,即n1=60f/p。 我国的电网频率f=50Hz,当: 极对数p=1时,n1=3000r/min; 极对数p=2时,n1=1500r/min; 极对数p=3时,n1=1000r/min; 极对数p=4时,n1=720r/min; 
以此类推。异步电动机工作时的转子转速总是小于同步转速,这是因为,如果转子转速等于同步转速,则转子绕组与旋转磁场就没有相对运动,也就不能切割磁力线,因此转子绕组中感应电动势和电流为零,转子绕组产生的电磁转矩为零,也就无法拖动转子旋转。所以异步电动机工作时的转子转速总是小于同步转速。  
3. 三相异步电动机的主磁通指什么磁通?它是由各相电流分别产生的各相磁通,还是由三
相电流共同产生的?在等效电路中哪个参数相对应?与变压器中的励磁电抗是完全相同的概念吗? 
答:三相异步电动机的主磁通指的是由三相电流合成的基波旋转磁动势产生并通过气隙到达转子的磁通,它是由三相电流共同产生的。等效电路中励磁电抗Xm与之对应。该参数本身是一相的值,它与同步电动机的电枢反应电抗Xa相对应,与变压器中励磁电抗的概念是不完全相同的。变压器的励磁电抗,为一相励磁电流产生的主磁通所感应的电动势与该相励磁电流的比值,即Xm=E1/I0(忽略铁损耗)。  
4. 异步电动机和变压器在额定电压时的空载电流标幺值哪个大?为什么? 
答:在额定电压时异步电动机的空载电流标幺值为30%左右,而变压器的空载电流标幺值为5%左右,异步电动机的大,因为异步电动机在定子和转子之间必须有气隙,使转子能在定子内圆内自由移动,这样异步电动机的磁路磁阻就较大。而变压器磁路中没有气隙,磁阻小。因此,相对于变压器而言,异步电动机所需的励磁磁动势大,励磁电流大。而空载电流基本上就是励磁电流。
5. 异步电动机的转子磁动势是怎样产生的?这个磁动势相对转子的转向、转速与转子自身
的转向及转速有何关系?相对定子的转向、转速呢?由此说明进行转子频率折合是否可行?是否适用于异步电动机的任何状态? 
答:转子磁动势是由转子三相(或多相)对称绕组感应的三相(或多相)对称电流产生的一个旋转磁动势。这个磁动势相对转子的转向由感应的转子电流的相序决定。当转子转速小于同步转速或转子转向与定子磁动势转向相反时,转子电流相序和定子电流相序一致,转子磁动势相对转子的转向就与定子磁动势的转向一致。只要转子转速大于同步转速且二者同向,转子电流相序就和定子电流相序相反,则转子磁动势相对转子转向与定子磁动势的转向相反。这个磁动势相对转子的转速由转子电流的频率决定。当转子转速为n,转差率为s时,转子电流的频率f2=sf1,则这个磁动势相对转子的转速为sn1.这个磁动势相对定子的转向始终与定子磁动势的相同,相对定子转速为sn1+n=((n1-n)/n1)*n1+n=n1,即永远同步转速。 
转子和定子之间没有电的联系,转子对定子的作用是通过转子磁动势实现的。从以上分析可知,不管转子是什么转速,转子电流是什么频率,转子磁动势相对定子的转速永远为同步转速。这样就可以用一个不转的转子(转子电流频率为f1)来代替一个转速为n、转差率为s、转子电流频率为sf1的转子,只要保证转子磁动势大小和方向不变就可以了。这就是转子频率的折合。频率折合适用于任何转速、任何转差率、也就是适用于异步电动机的任何状态,即发电机、电动机和电磁制动状态。 
6. 异步电动机在空载运行,额定负载运行及堵转运行三种情况下的等效电路有什么不同?
当定子外加电压一定时,三种情况下的定、转子感应电动势的大小,转子电流,转子功率因数角,定子电流及定子功率因数角有什么不同? 答:在三种情况下等效电路中的附加电阻((1-s)/s)R`2不同。在空载运行时,s≈0,该附加电阻近似为∞。在额定负载运行时,若sN=0.05,则该附加电阻为19R`2。在堵转运行时,s=1,该附加电阻为0. 
当定子外加电压 一定时,在空载运行情况下,定、转子感应电动势E1、E2最大;转子电流最小,近似为零;转子功率因数角最小,约为零;定子电流最小,为励磁电流I0;定子功率因数角最大,约为ψ0=arctanXm/Rm. 
在额定负载运行下,定、转子感应电动势E1、E2比空载运行时的小;转子电流和转子功率因数角都比空载运行时的大;定子电流也比空载运行的大,为I1N;定子功率因数角比空载运行时小,为ψN。 
在堵转情况下,定、转子感应电动势E1、E2最小,约为空载运行时的一半;定、转子电流最大;转子功率因数角最大;定子功率因数角比额定负载运行的大。 7. 异步电动机运行时,为什么总是要从电源吸收滞后的无功电流? 
答:这是因为:一方面,异步电动机需要励磁电流来产生主磁通,对应参数为励磁电抗Xm,要从电压吸收滞后的无功电流。另一方面,对应定、转子漏电抗X1和X2,也要从电源吸收之后的无功电流。因此,异步电动机运行时总是要从电源吸收滞后的无功电流,以满足这三个电抗的需要。 
8. 三相异步电动机定子铁损耗和转子铁损耗大小与什么有关?只要电压不变,定子铁损耗
和转子铁损耗的大小就基本不变吗? 
答:定子、转子铁损耗与铁心中的磁通密度和频率有关。电动机正常运行时,只要定子电压和频率不变,定子铁损耗就基本不变。转子铁损耗由于运行时转子频率很低,一般都忽略不计。
9. 三相异步电动机铭牌上的额定功率指的是什么功率?额定运行时的电磁功率、机械功率
和转子铜损耗之间有何数量关系?当电机定子接电源而转子短路且不转时,这台电机是否还有电磁功率、机械功率或电磁转矩? 
答:异步电动机铭牌上的额定功率指的是输出的机械功率。额定运行时电磁功率PM、机械功率Pm和转子铜损耗Pcu2之间的数量关系与转差率sN有关:Pcu2=SNPM Pm=(1-sN)PM 
当转子不转时,这台电机有电磁功率,由于s=1,电磁功率等于转子铜损耗。因转速为零,故机械功率为零。电磁转矩还存在T=PM/Ω1,这就是堵转转矩。   
10. 一台绕线型三相异步电动机,当负载转矩不变时,在转子回路中串入一个附加电阻Rs,
它的大小等于转子绕组电阻R2,问这时电机的转差率将会怎样变化(近似认为电磁转矩不变)? 
答:设不串电阻时的转差率为s,串电阻后转差率为s`。为了保持电磁转矩不变,从电磁转矩公式中可知需要R`2/s不变,因此,R`2/s=(R`2+R`s)/s`=2R`2/s`;s`=2s 即转差率增加1倍。 
11. 一台原设计在频率f1=50Hz电源上运行的三相异步电动机,现改用在电压相同、频率
f1=60Hz的电网上,问电动机的堵转转矩、堵转电流和最大转矩如何变化? 答:根据堵转转矩公式Ts=m1pU²R`2/2πf1[(R1+R`2)²+(X1+X`2) ²] 
当频率f1增加,与频率成正比的X1,X`2也增加,因此堵转转矩Ts减小。忽略励磁电流,从等效电路就可得堵转电流:Is=U1/√((R1+R`2) ²+(X1+X`2) ²)当频率增加时X1和X`2 也增加,因此堵转电流减小。 
根据最大转矩公式:Tm=1/2(m1pU²1/2πf1(X1+X`2)) 
12. 采用定子串接器、Y-Δ和自耦减压等几种降压启动方法时,堵转电流及堵转转矩与直接
启动时相比,会有什么变化? 答:(1)定子串接电抗器启动,若堵转电流为直接启动时堵转电流的k倍(k<1),则堵
转转矩为直接启动时堵转转矩的k²倍。 
   (2)Y-Δ启动,电机绕组中堵转电流为直接启动时的1/√3倍,堵转转矩为直接启
动时的1/3倍,电源供给的堵转电流为直接启动堵转电流的1/3倍。 
   (3)自耦减压启动,若自耦变压器二次电压是电源电压的kA倍(kA<1),则电机绕
组中堵转电流为直接启动堵转电流的kA倍,堵转转矩为直接启动堵转转矩的k²A倍。由于自耦变压器的一次与二次电流之比为kA,因此电源供给的堵转电流为直接启动时的k²A倍。
13.判断以下各种说法是否正确: 
(1)额定运行时定子绕组为Y联结的三相异步电动机,不能采用Y-Δ启动。 
(2)三相鼠笼型异步电动机直接启动时,堵转电流很大,为了避免启动过程中因过大电
流而烧毁电动机,轻载时需要采取降压启动。 
(3)电动机拖动的负载越大,电流就越大,因此只要是空载,三相异步电动机就可以直
接启动。 
(4)三相绕组型异步电动机,若在定子侧串入电阻或电抗,都可以减小堵转转矩和堵转
电流;若在转子侧串入电阻或电抗,都可以增大堵转转矩和减小堵转电流。 答:(1)正确; 
   (2)不正确。因为降压启动主要是为了使供电变压器输出电压不致因为大电流而下
降太多; 
   (3)不正确。因为能否直接启动主要是由供电变压器容量决定的;    (4)不正确。转子侧串入电抗器不能增大堵转转矩。 
14.鼠笼型异步电动机和绕线型异步电动机各有哪些调速方法?这些方法的依据各是什么?各有和特点? 
   答:鼠笼型异步电动机调试方法主要有改变定子电压调速、变级调速和变频调速。绕线
型异步电动机可用转子串接电阻调速和串级调速。 
(1) 改变定子电压调速。利用异步电动机的机械特性低随定子电压变化而改变,
使它与负载机械特性的交点不同,从而得到不同的转差率s,达到调速目的。它适合于风机类负载,不适合恒转矩负载。当负载转矩已达到额定转矩时,降低电压会增加转差率,致使定、转子电流超过额定值。若长期运行,将缩短电机寿命,甚至烧毁电机。 
(2) 变级调速是通过改变定子绕组的极对数p来改变异步电动机的同步转速
n1=60f1/p,从而达到调速的目的。这种调速方法只能是一级一级地改变转速而不是平滑调速。一般都采用鼠笼转子,因为它能自动适应定子极对数; 
(3) 变频调速,也是通过改变异步电动机的同步转速达到调速目的,以额定频率
为基频,当从基频往下调时,一定要同时调压,保持U1/f1为常数;当从基频往上调时,只能保持额定电压不变,相当于弱磁调速的方法; 
(4) 绕线型异步电动机转子串接电阻调速,如果是恒转矩负载,则R2/s=常数,
因此通过转子串电阻可改变s来达到调速目的,所以这种傲视方法属于恒转矩调速。由于电磁功率不变,而输出机械功率变小了,减少的这部分功率消耗在转子外串的电阻上,所以这种方法在低速时效率很低。串级调速就是针对这个缺点,把原来损失在外串电阻上的能量回收到电网中。

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