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涨姿势!三相感应电机详解

2023-11-30 14:14:32

涨姿势!三相感应电机详解

世界上三分之一的电力消耗用于驱动泵、风扇、压缩机、电梯和各种机械的感应电机的运行。交流感应电动机是异步电动机的一种常见形式,其运行取决于三种电磁现象:

电机动作:当铁棒(或其他磁性材料)悬浮在磁场中使其可以自由旋转时,它会与磁场对齐。如果磁场在移动或旋转,铁棒会随着运动场移动,以保持对准。

旋转磁场:通过从交流电源的不同相位驱动每个磁极对,可以从固定的定子磁极产生旋转磁场。

变压器动作:转子绕组中的电流由定子绕组中的电流感应而来,无需从电源直接连接到旋转绕组。

感应电动机可以看作是带有旋转次级绕组的交流变压器。

旋转场:

旋转磁场是由定子绕组的多相励磁产生的。 在下面的三相电机示例中,当施加到极对 A(第 1 相)绕组的电流通过其峰值并开始下降时,与绕组相关的磁通也开始减弱,但同时 下一个极对 B(第 2 相)的绕组中的电流及其相关磁通正在上升。 同时,通过前一个极对 C(第 3 相)的绕组的电流及其相关磁通将为负值并不断上升(朝向正值)。 最终效果是,当定子磁极产生的磁通以所施加电压的频率绕机器轴从一个磁极旋转到下一个磁极时,就会产生磁通波。 换句话说,旋转磁通场对于定子来说表现为围绕定子旋转的磁体的北极和南极。

动图封面

旋转磁通波的大小与所施加的 MMF 成比例。 忽略转子绕组中感应电流产生的反电动势的影响,磁通密度 B 将与所施加的电压成正比。

变压器动作:

定子承载电机初级绕组并连接到电源。 通常没有与承载次级绕组的转子的外部连接。 相反,转子绕组被短路。

当电流在定子绕组中流动时,变压器的作用会在短路的次级绕组中感应出电流。 转子电流的大小将与气隙中的磁通密度 B 成正比(以及转子相对于旋转场的相对运动,称为滑差,如下所示)。

扭矩是由感应转子电流和定子电流产生的气隙磁通之间的反应产生的。

使用多种转子类型。 最流行的交流电机使用“鼠笼”转子,该转子由固定在导电端环之间的铜条或铝条构成,为条中感应的电流提供短路路径。

动图封面

由于没有与旋转绕组的连接,因此可以消除昂贵的换向器,从而消除潜在的不可靠性来源。

扭矩产生(电机动作):

当电机首次启动且转子静止时,变压器的作用会在转子绕组(导体)中感应出电流。 另一种看待这一问题的方式是,通过较慢移动(最初静止)的转子绕组的旋转磁通的相对运动导致发电机作用导致电流在绕组中流动。

一旦电流流入转子绕组,导体上的洛伦兹力就会产生电机动作。 转子导体中流动的电流与气隙中的磁通量之间的反应导致转子沿与旋转磁通相同的方向旋转,就好像它被磁通波拖动一样。

与直流电机类似,感应电机中的扭矩 T 与磁通密度 B 和感应转子电流 I 成正比。

T = k1 BI

其中 k1 是一个常数,取决于定子匝数、相数和磁路的配置。

由于上述电机动作,转子速度逐渐增大,但与此同时,旋转定子磁场和旋转转子导体之间的相对运动会减小。 这反过来又减少了发电机的动作,从而减少了转子导体中的电流和转子上的扭矩。 当转子的速度接近旋转磁场的速度(称为同步速度)时,转子上的扭矩降至零。 因此,感应电动机的速度永远无法达到同步速度,所以感应电机是异步电机

转差

旋转磁场和旋转转子之间的相对运动称为转差,由下式给出:

S = (Ns- Nr)/Ns

其中 S 是转差率,Ns 是以 RPM 为单位的同步速度,Nr 是转子速度。

由于转子电流与旋转磁场和转子速度之间的相对运动成正比,因此转子电流和扭矩都与转差率成正比。

转子电流与转子电阻成正比。增大转子电阻会减小电流,增大转差率;因此,绕线转子电机可以进行某种形式的速度和扭矩控制。增加转子电阻还具有减少输入浪涌电流和增加接通时启动扭矩的额外好处,但所有这些好处都是以更复杂的转子设计和不可靠的滑环为代价的,以提供转子绕组。

速度

同步速度(RPM)由下式给出:


Ns = 120 (f)/ p

其中 f 是以 Hz 为单位的电力线频率,p 是每相的极数。 p 必须是偶数,因为每个北极都有一个相应的南极。

下表显示了不同极数电机在不同交流电源频率下的电机速度。

转子转速 (rpm)





极数24681012
50 Hz300015001000750600500
60 Hz360018001200900720600

转子转速 (rpm)转子转速 (rpm)转子转速 (rpm)转子转速 (rpm)转子转速 (rpm)转子转速 (rpm)
极数24681012
50 Hz300015001000750600500
60 Hz360018001200900720600

电机的实际速度取决于它必须驱动的负载。 增加电机上的负载会导致其减慢并增加滑差。 当电机扭矩等于负载扭矩时,电机速度将稳定在平衡速度。 当滑差提供的电流刚好足以传递所需的扭矩时,就会发生这种情况。

速度控制

换杆

早期的机器设计有多个极,以便于通过变极来控制速度。 通过切换不同数量的极或极的组合,可以获得有限数量的固定速度。

可变转子电阻

然而,感应电动机的速度可以通过改变转子电阻在有限范围内变化,如滑差部分所述,但只能通过使用绕线转子设计,从而抵消了感应电动机的许多优点。

变频

由于电机速度取决于旋转场的速度,因此可以通过改变提供给电机的交流电源的频率来实现速度控制。

与大多数机器一样,感应电机设计为在其大部分工作范围内以略低于饱和点的磁通密度工作,以实现最佳效率。

磁通密度 B 由下式给出:

B = k2 V/f

其中 V 是施加的电压,f 是电源频率,k2 是取决于定子磁极的形状和配置的常数。

换句话说,如果磁通密度恒定,则伏特/赫兹也是恒定的。 这是一种重要的关系,它具有以下后果。

对于速度控制,电源电压必须与频率同步增加,否则机器中的磁通将偏离所需的最佳工作点。 因此,基于频率控制的实用电机控制器必须具有同时控制电机电源电压的方法。 这称为伏/赫兹控制。

在不增加电压的情况下增加频率会导致磁路中的磁通减少,从而降低电机的输出扭矩。 减小的电机扭矩往往会增加相对于新电源频率的滑差。 这反过来会导致定子中流过更大的电流,从而增加绕组上的 IR 电压降以及绕组中的 I2R 铜损。 结果是电机效率大幅下降。 进一步增加频率最终将导致电机停转。

增加电压而不增加频率会导致磁路中的材料饱和。 由于绕组中的 I2R 损耗和磁路中的高涡流损耗,会流过过大的电流,从而导致高散热,并最终因过热而导致电机故障。 增加电压不会迫使电机超过同步速度,因为当它接近同步速度时,扭矩会降至零。

变频通常由逆变器提供。

还要注意,由于转子中的感应电流与磁通密度成正比,而磁通密度又与线电压成正比,因此取决于磁通密度和转子电流的乘积的扭矩与 线电压V的平方。

发电机动作

如果感应电机被迫以超过同步速度的速度运行,则负载扭矩超过机器扭矩并且滑差为负,从而使转子感应电动势和转子电流反转。 在这种情况下,机器将充当发电机,能量返回到电源。

如果简单地移除定子励磁的交流电源电压,则不可能发电,因为转子中不会产生感应电流。

再生制动

因此,在牵引应用中,在采用固定频率电源供电的机器中,再生制动不可能低于同步速度。然而,如果电机由变频逆变器供电,则可以通过降低供电频率来实现再生制动,从而使同步速度小于电机速度。

交流电机可以由微处理器进行精细控制,并且可以将电流再生到几乎停止,而直流电机的再生能力在低速时会很快消失。

动态制动

通过反转一对引线,可以使感应电动机快速停止(和/或反转),这对引线具有使旋转波反转的效果。 这称为“堵塞”。 还可以通过切断交流电源并用直流(零频率)电源为定子绕组供电来快速停止电机。 使用这两种方法时,能量不会返回到电源,而是以热量的形式耗散在电机中。 这些技术称为动态制动。

启动

三相感应电机和一些同步电机不是自启动的,但通过在转子上引入辅助或“阻尼”绕组等设计修改来克服这个问题。

通常,感应电机在启动过程中,在速度增加之前会消耗其额定电流的 5 至 7 倍,并且电流会受到反电动势的影响。 在绕线转子电机中,可以通过增加与转子绕组串联的电阻来限制启动电流。

在鼠笼设计中,电子控制系统用于控制电流,以防止损坏电机或其电源。

即使采用电流控制,电机仍然可能过热,因为虽然可以限制电流,但速度增加较慢,并且浪涌电流虽然减少,但仍维持较长时间。

功率因数

感应电机汲取的电流有两个分量,即与控制向负载传输功率的电压同相的电流,以及代表磁路中磁化电流的感应分量,该电流滞后于负载电流 90°。

功率因数定义为 cosΦ,其中 Φ 是由于同相和异相电流分量导致的电流滞后于施加电压的净滞后。 传递到负载的净功率为 VAcosΦ,其中 V 是施加的电压,A 是流过的电流。

采用各种功率因数校正方法来减少电流滞后,以避免因功率因数不良而造成损失。 最简单的方法是在电机端子之间连接一个大小合适的电容器。 由于通过电容器的电流超前于电压,因此电容器的作用是平衡电机中的电感元件,从而消除电流滞后。

功率因数校正也可以在电机控制器中完成。

特征

感应电机的主要优点之一是它不需要换向器。 因此,感应电机简单、坚固、可靠、免维护且成本相对较低。

它们通常是恒速设备,其速度与电源频率成正比。

通过使用提供可变频率输出的电机控制器也可以实现变速电机。

应用领域

三相感应电机可用于依赖国家电网交流电源的应用。 由于它们不需要换向器,因此特别适合高功率应用。

它们的功率处理能力范围从几瓦到超过 10 兆瓦。

它们主要用于重工业应用和机床。

近年来固态逆变器的出现意味着感应电机现在可以通过直流电源运行。 它们现在被用于电动和混合动力汽车的汽车应用中。 对于这些应用来说,感应电机比永磁电机更坚固,永磁电机很容易因功率水平超过 5 kW 时的过热或意外过电流而导致磁体退化或退磁。 然而,感应电机可能不适合某些汽车应用,因为从转子中提取热量存在困难,在较宽的速度和功率范围内存在效率问题,并且由于分布式绕组而导致制造过程更加昂贵。 永磁电机和磁阻电机可以为这些应用提供更好的解决方案。


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