不同轉(zhuǎn)子電機(jī)異步運(yùn)行特性對(duì)比探析

夏青++鮑巖

摘 要：實(shí)驗(yàn)表明，永磁電機(jī)在正弦波供電時(shí)振動(dòng)噪聲的頻率主要集中在低頻段，而變頻器供電的永磁電機(jī)其振動(dòng)噪聲頻率主要分布在開(kāi)關(guān)頻率及其倍數(shù)附近。因此，要抑制變頻器供電永磁電機(jī)的振動(dòng)噪聲主要應(yīng)從開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波入手，消除或削弱這些諧波對(duì)電機(jī)的影響。

關(guān)鍵詞：不同轉(zhuǎn)子；異步電機(jī)；復(fù)數(shù)電壓

同步電機(jī)一般作為發(fā)電機(jī)，它是用直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)不是用鐵磁材料。異步電機(jī)是靠定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，啟動(dòng)時(shí)候轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子就切割磁感線了，切割后轉(zhuǎn)子才產(chǎn)生了電流，在磁場(chǎng)中受力旋轉(zhuǎn)，但是轉(zhuǎn)子速度一直低于定子磁場(chǎng)，這樣才能切割磁感線，所以叫異步電機(jī)。做成鼠籠可以切割磁感線，但不要誤以為只有鼠籠才能切割。要明白切割磁場(chǎng)的目的是什么，是產(chǎn)生電流。如果定轉(zhuǎn)子都有電流是可以不切割的。

一、異步電機(jī)運(yùn)行原理

異步電動(dòng)機(jī)的定子上裝有一套在空間上對(duì)稱分布的三相繞組AX、BY、CZ。當(dāng)給這三相繞組通以交流電時(shí)，則在定轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。此磁場(chǎng)在任何瞬間都是三相繞組各磁場(chǎng)的總和。通過(guò)右手定則對(duì)不同瞬間電流與磁場(chǎng)方向的關(guān)系可知，合成磁場(chǎng)FΣ的方向與電流為最大值那一相繞組的軸線方向一致。因此隨著電流最大值依次由A相→B相→C相→A相等順序變化，合成磁場(chǎng)的方向也依次指向A相→B相→C相→A相等各相繞組的軸線方向。這就是說(shuō)，這個(gè)合成磁場(chǎng)是一個(gè)“旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)”。其旋轉(zhuǎn)速度n0（同步轉(zhuǎn)速）與交流電源頻率成正比，而與磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)成反比。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場(chǎng)磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，這個(gè)感應(yīng)電勢(shì)使閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生電流，通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中又受到一個(gè)力的作用，這個(gè)作用在導(dǎo)體上的力，將使異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)右手定則可知轉(zhuǎn)子閉合導(dǎo)體電流的方向。再根據(jù)左手定則可知轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受力方向。此作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩XTD將克服阻力矩Mfz，使電機(jī)加速到電動(dòng)力矩等于阻力矩為止。

二、異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征分析

與直流電動(dòng)機(jī)相同，三相異步電動(dòng)機(jī)也可工作于兩大運(yùn)行狀態(tài)，即電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)和制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。在交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，拖動(dòng)不同負(fù)載的條件下，改變異步電動(dòng)機(jī)電源電壓的大小、相序及頻率，或者改變繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路所串電阻等參數(shù)，三相異步電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在四個(gè)象限的各種不同狀態(tài)。

（一）電動(dòng)運(yùn)行

電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T的方向與旋轉(zhuǎn)的方向n相同，在第I及第III象限繪出了電動(dòng)狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。第I象限電動(dòng)機(jī)工作在正向電動(dòng)狀態(tài)，第III象限相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)改變相序后，工作在反向電動(dòng)狀態(tài)。在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)吸取電能，變換為機(jī)械能帶動(dòng)負(fù)載。

（二）制動(dòng)運(yùn)行

與直流電動(dòng)機(jī)相同，異步電動(dòng)機(jī)也可工作于回饋制動(dòng)、反接制動(dòng)及能耗制動(dòng)三種制動(dòng)狀態(tài)。其共同的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的方向相反，以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)由軸上吸收機(jī)械能，并轉(zhuǎn)換為電能，或消耗在電阻中，或反饋回電網(wǎng)。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)由于某種原因，例如位能性負(fù)載的作用，使其轉(zhuǎn)速高于同步速n1，轉(zhuǎn)差率s<0，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)sE2反向，轉(zhuǎn)子電流的有功分量It2cosφ2也反向，而轉(zhuǎn)子電流的無(wú)功分量方向則不變，由相量圖可以看出，定子電流也相應(yīng)改變，U1和I1間的相位差角φ1>90?，此時(shí)定子功率P1=m1U1I1cosφ1為負(fù)，即定子繞組將電能回饋電網(wǎng)。同時(shí)轉(zhuǎn)差率s<0，電磁轉(zhuǎn)矩T<0，電磁轉(zhuǎn)矩的方向和轉(zhuǎn)向相反，在轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。綜上所述，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于同步速時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于回饋制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)?；仞佒苿?dòng)狀態(tài)一般用于位能性負(fù)載下放，以獲得穩(wěn)定的下放速度，或異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速由少極數(shù)變?yōu)槎鄻O數(shù)時(shí)發(fā)生。

（三）反接制動(dòng)

轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)（或稱倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)），轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)與直流電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)反接制動(dòng)相似。異步電動(dòng)機(jī)帶位能性負(fù)載，按正轉(zhuǎn)接線，轉(zhuǎn)子回路串入較大電阻Rf，機(jī)械特性的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)到了第IV象限。當(dāng)接通電源，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向與重物G產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩相反，而且Tst1，隨著|-n|的增加，s、I2及T均增大，直到轉(zhuǎn)矩增至T=TZ，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為-n2，此時(shí)重物以等速下降，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)在第IV象限的B點(diǎn)，機(jī)械特性在第IV象限的部分（用實(shí)線表示）即為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)。這種制動(dòng)與前述回饋制動(dòng)一樣，可用于起重機(jī)的重物下放，這也屬于一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)在反接制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它由軸上輸入機(jī)械功率（s >1， P2為負(fù)），同時(shí)，定子又通過(guò)氣隙向轉(zhuǎn)子輸送電功率，這兩部分合起來(lái)消耗在轉(zhuǎn)子電路的總電阻R2+Rf中。

（四）能耗制動(dòng)

異步電動(dòng)機(jī)原在A點(diǎn)運(yùn)行，相應(yīng)于電路圖中S1閉合，S2斷開(kāi)。為了迅速停車，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，即當(dāng)S1斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)時(shí)，立即將S2接通，則在定子兩相繞組中通入直流電流，在定子內(nèi)形成一固定磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子由于慣性而仍在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其導(dǎo)體即切割該磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流。根據(jù)左手定則，可以確定出轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反，即為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩?？梢宰C明，能耗制動(dòng)的機(jī)械特性與定子接三相交流電源運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性很相似，是一條具有正、負(fù)最大值，過(guò)n=0點(diǎn)的曲線，能耗制動(dòng)的機(jī)械特性曲線在第II象限。如果以轉(zhuǎn)子不外串電阻，定子直流勵(lì)磁電流為某一定值時(shí)的曲線1為基準(zhǔn)，如果增大轉(zhuǎn)子回路所串電阻而直流勵(lì)磁電流不變時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩不變，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速增加。如果轉(zhuǎn)子回路所串電阻不變而直流勵(lì)磁電流增大時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩增大，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速不變。

三、結(jié)束語(yǔ)

結(jié)果表明，異步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化與普通異步電機(jī)不同，特性曲線上出現(xiàn)一個(gè)凹點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中工作點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)凹點(diǎn)處。從調(diào)速性能來(lái)看，公共端環(huán)轉(zhuǎn)子具有寬廣的串電阻調(diào)速范圍。

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