非同步電動機的旋轉原理與機械特性

變頻調速系統的帶負載能力

非同步電動機的旋轉原理與機械特性

這一天，小孫一來，就沖著張老師說：「好多人問我，電動機變頻後，帶負載能力怎麼樣？」 「這個問題可就說來話長了。首先，我們要看非同步電動機是怎樣轉起來的？」

旋轉磁場 張老師找出了一堆圖紙，然後說問小孫： 「你了解非同步電動機的構造么？」 「我拆開看過。電動機分定子和轉子兩個部分，定子在鐵心裡密密地鑲嵌著許多線圈，外面的三相交流電就是通入這些線圈裡的吧？」小孫回答。 「是的。定子的鐵心裡放置的是三相繞組，其特點是，各相繞組的中心線之間互差2π／3電角度（120°），如圖2－1（a）所示。」

「什麼是電角度？」小孫插進來問了一句。

「就電動機而言，一對磁極下對應的空間角度，定義為電角度的2π弧度（360°）。圖（a）中，只有一組三相繞組，所產生的磁場只有一對磁極，電角度和空間角度是一致的。但在圖（b）中，有兩組三相繞組，每一組三相繞組都產生一對磁極，所以每一對磁極對應的空間角度只有π弧度（180°），則繞圓周一周，空間角度是2π弧度（360°），而電角度卻是4π弧度（720°）。

」 「把三相交流電通到三相繞組裡，就產生旋轉磁場吧，我在廠里做過兩個試驗，總覺得挺奇妙的。就是不大清楚這旋轉磁場是怎麼產生的？」小孫說。

「哦，你做了兩個什麼試驗？」張老師感興趣地問。

「第一個試驗，是他把電動機拆開，把轉子抽出放在一邊。用一台三相調壓器降低電壓後接到定子繞組的輸入端，微微增加電壓，使定子電流約等於電動機的額定電流。又從小孩子的玩具里拆下了一根帶軸的磁針，放進電動機的空腔內，結果，磁針飛快地轉了起來。」小孫一邊說，一邊在紙上畫了起來，如圖2－2所示。

「非常明顯，電動機的空腔內存在著旋轉磁場。」他意猶未盡地說。 「第二個試驗，是我找了一根較粗的銅線，剪成若干根等長的銅絲，又找了兩片薄銅片，剪成直徑相等的園板，仿照書上的『籠形轉子』的模樣，焊成了一個『籠子』」，小孫又邊說邊畫出了圖2－3。然後說：「把這個『籠子』放入電動機的空腔內，結果，那『籠子』也飛快地轉了起來。」看得出來，小孫對自己的試驗結果，是既興奮，又自豪的。

張老師聽了後，也顯得很高興的樣子，說：「你能做這些試驗，對於形象地理解旋轉磁場和非同步電動機的原理很有好處。現在，就來說說這旋轉磁場是怎麼形成的吧。

」 說著，張老師從圖紙中找出了圖2－4 ，指著圖說：「如果我們按一定的順序輪流地向三相繞組內通入電流，結果怎樣呢？

當線圈內通入電流時，所產生的磁通如圖（a）所示；當線圈內通入電流時，所產生的磁通如圖（b）所示，與圖（a）相比，磁通的方向旋轉了2π/3弧度（120°）；當線圈內通入電流時，所產生的磁通如圖（c）所示，與圖（b）相比，磁通的方向又旋轉了2π/3弧度（120°）。如果依此順序不斷地輪流下去，則所產生的磁通將是旋轉的，構成了旋轉磁場。當然，它是跳躍式地旋轉的。 那麼，如何不斷地按順序向三個線圈裡通入電流呢？

三相交變電流具有輪流達到振幅值的特點，正好滿足上面的要求，如圖2－5（a）所示。

當a相電流為振幅值時，合成磁場的軸線與a相電流的磁場重合，如圖（b）所示；

當b相電流為振幅值時，合成磁場的軸線旋轉了2π/3弧度（120°），與b相電流的磁場重合，如圖（c）所示；

當c相電流為振幅值時，合成磁場的軸線又旋轉了2π/3弧度（120°），與c相電流的磁場重合，如圖（d）所示。

可見，三相交變電流交變一個周期，合成磁場在空間正好旋轉2π弧度（360°），電流不斷地交變，合成磁場就在空間不停地旋轉，形成旋轉磁場。

由於三相交變電流是逐漸地變化的，所以，旋轉磁場並不是跳躍地旋轉的。而是大小不變的連續旋轉的磁場。」

「旋轉磁場的轉速是由哪些因素決定的呢？」小孫問。

只見張老師拿出了圖2－6，然後說：「先看看轉速和頻率的關係吧。

當電流頻率為50hz時，電流交變一周所需時間為20ms。就是說，磁場旋轉一周需要的時間是20ms。則在1s時間內，磁場將旋轉50轉，如圖（a）所示。

當電流頻率為100hz時，電流交變一周所需時間只有10ms。則磁場旋轉一周需要的時間也只需要10ms。在1s時間內，磁場將旋轉100轉。

可見，磁場每秒的轉速與電流的頻率相等。在工程技術中，習慣上以每分鐘旋轉的圈數作為轉速的單位，則旋轉磁場的轉速為：

再看轉速和磁極對數的關係。

前面說過，當定子鐵心裡放置兩組三相繞組時，定子繞組產生的磁場具有2對磁極，如圖2－7（a）所示。這時，一對磁極下對應的空間角度只有π弧度（180°）。

當a相電流為振幅值時，合成磁場的軸線與a相電流的磁場重合，如圖（b）所示；

當b相電流達振幅值時，合成磁場的軸線只旋轉了空間角度的2π/6弧度（60°），與b相電流的磁場重合，如圖（c）所示；

當c相電流為振幅值時，合成磁場的軸線又旋轉了2π/ 6弧度（60°），與c相電流的磁場重合，如圖（d）所示。

可見，三相交變電流交變一個周期，合成磁場在空間只旋轉了π弧度（180°），或者說，磁場只旋轉了一對磁極所對應的空間角度，即旋轉了半周。

容易想像，6極電動機有三組三相繞組，每組三相繞組在空間位置上占整個圓周的1/3，電流交變一周，合成磁場只旋轉1/3周；8極電動機有四組三相繞組，每組三相繞組在空間位置上占整個園周的1/4，電流交變一周，合成磁場只旋轉1/4周，以此類推。

所以，旋轉磁場的轉速是和磁極對數成反比的：

式中，p—磁極對數。

下面要討論的話題是，轉子是怎樣旋轉起來的？你先說說轉子的結構吧。」張老師對小孫說。

轉子是怎樣旋轉起來的

「我們廠里見到的有這樣幾種： 一種是在轉子的鐵心裡插入許多根銅條，銅條的兩端由端環相聯，如果去掉鐵心，單看繞組的話，就像我模仿著做的籠子，如圖2－8（a）的上面所示。

一種是在轉子的鐵心裡插入許多根鋁條，如圖（a）的下面所示。

但我不大知道，為什麼有的是銅條，有的是鋁條呢？」小孫抬起頭來問。

「這和生產工藝有關。銅條要是往轉子槽里打進去的，銅條太細了，容易變形，所以，銅條主要用於大容量電動機。鋁條是在熔化狀態下澆鑄進去的，所以常稱為『鑄鋁』。

銅條也好，鋁條也好，轉子繞組都呈籠形，故稱為『籠形轉子』，也叫作短路繞組。

除此以外，還有一種繞線轉子，其轉子繞組也是三相繞組，內部聯接成y形，三個出線端子分別與軸上的三個集電環相接，通過電刷，可以和外部的電阻或頻敏電抗器等相接，如圖（b）所示。它和籠形轉子的共同點是，轉子繞組也是自成迴路的。

現在，我們來看看，轉子是怎樣旋轉起來的吧。

當定子電流的合成磁場在空間旋轉時，其磁力線將被轉子繞組切割，切割的方向與磁場的旋轉方向相反。轉子導體因切割磁力線而產生感應電動勢，感應電動勢的方向由右手定則判定，如圖2－9（a）所示。因為轉子繞組是自成迴路的，故繞組中有感應電流。

所以，轉子繞組的電流是因為切割旋轉磁場的磁力線而產生的，並不需要從外部引入。所以，非同步電動機也稱為感應電動機。

當轉子繞組中產生感應電流後，該電流又處在定子磁場的作用下，根據物理知識，載流導體要受到磁場的作用力，其方向由左手定則判定，如圖（b）所示。導體受到的作用力形成電磁轉矩，並使轉子旋轉。

如式（1－8）所述，電磁轉矩是轉子電流和磁通相互作用的結果：

需要注意的是，轉子繞組產生感應電動勢和感應電流的前提條件是，轉子繞組必須具有切割磁力線的運動。就是說，轉子和旋轉磁場之間，必須保持一定的相對運動。所以，轉子的轉速永遠小於同步轉速。轉子轉速與同步轉速之差稱為轉差：

非同步電動機的機械特性

「接下來，就要討論電動機的帶負載能力了。在電力拖動里，描繪電動機帶負載能力的是機械特性曲線。所謂帶得動，是說電動機產生的電磁轉矩能夠克服負載的阻轉矩以一定的轉速穩定運行。並且，人們關心的是，當負載輕重發生變化時，轉速將如何變化？機械特性的函數關係是：

n＝f（t）

如圖2－10所示。這裡，轉矩的含義是比較模糊的，它既可以是電動機的電磁轉矩，也可以是負載的阻轉矩。」

「這條曲線怪複雜的，怎麼畫出來的？」小孫側著腦袋問。

「其實也不難，只要抓住三個關鍵點就可以了。

第一點叫做理想空載點，就是圖中的a點。所謂理想空載，是假設電動機軸上一點阻轉轉速。

第二點是臨界點，就是那個拐點k。臨界點產生的轉矩，叫臨界轉矩tk，也叫最大轉矩。臨界轉矩和額定轉矩之比，是電動機的過載能力，通常約為2.5倍左右（tk≈2.5tmn）。與臨界點對應的轉速，叫臨界轉速nk，臨界轉速一般約為同步轉速的80%左右。

第三點是啟動點，就是在轉速等於0，剛接通電源時的工作點s。這時的轉矩稱為啟動轉矩ts，啟動轉矩一般約等於額定轉矩的1.5倍（ts≈1.5tmn）。

掌握了這三個點，機械特性的形狀大體上就出來了。圖中的q點是工作點，圖上所畫的，實際上是額定工作點，是轉矩等於額定轉矩、轉速等於額定轉速時的工作點。

圖中所示的機械特性是在沒有人為地改變任何參數時，得到的機械特性，稱為自然機械特性。」

「機械特性說明了什麼？」小孫問。

「這要從兩個方面來看。

（1）從電動機的角度看 從機械特性上取兩點q1和q2來進行比較，如圖2－11所示。

「我看書上說，機械特性有硬特性和軟特性之分，這是什麼概念？」小孫問。

「機械特性的硬和軟，主要是說明當負載變化時，電動機轉速的變化程度。」張老師隨手畫出了圖2－13，然後指著圖說.

這時，小孫的手機響了，他接完電話後，紅著臉說：「今天就到這裡吧，我有點事。」 「是女朋友打來的吧？快走吧。」張老師打趣說。

小 孫 的 筆 記

1．電動機定子的三相繞組就是三組在空間位臵上互差2π/3電角度的線圈（電角度：一對磁極下對應的空間角度，是電角度的2π）。

2．當把在時間上也互差2π/3電角度的三相交變電流分別通入三相繞組後的合成磁場是旋轉磁場，其轉速稱為同步轉速。同步轉速與頻率成正比，而與磁極對數成反比。

3．三相交流非同步電動機的轉子結構主要有兩種： 一種是籠形轉子，轉子繞組由銅條或鋁條構成，稱為短路繞組。 另一種是繞線轉子，轉子繞組是聯接成y形的三相繞組，其端部通過集電環和電刷可以和外部的電阻相接。

4．轉子繞組因切割旋轉磁場的磁力線而產生感應電動勢和電流，轉子電流又和旋轉磁場相互作用而產生電磁力和電磁轉矩，使轉子旋轉。

5．因為轉子產生電磁轉矩的前提是切割磁力線，所以，轉子的轉速必低於同步轉速，兩者之差稱為轉差。

6．電動機的轉速與轉矩之間的關係稱為機械特性。從電動機的角度看，轉速下降，則轉差增大，電磁轉矩也增大。從負載的角度看，則負載越重，轉速將越下降。

7．負載轉矩增大後，轉速下降較少者，稱為硬機械特性；轉速下降較多者，稱為軟機械特性。

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