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绕组及其电势如何作用交流电机?

2019-12-28

绕组及其电势在交流电机内部是如何发挥其神奇而美妙的作用的。

交流旋转电机主要分为同步电机和异步电机两类。两类电机虽然激磁方式和运行特性有很大不同差别,但电机内部发生的电磁现象和机电转换原理相同,存在许多共同性问题,即交流电机的绕组、电势及磁势等问题。

交流电机绕组的功用是在旋转磁场中感应电势、流过电流和产生电磁转矩,达到机电能量转换的目的,故有绕组为电机的核心部件之说。

同步电机内部发生的电磁现象

以发电机为例,如图1中a) 图所示。定子上有AX、BY、CZ三相绕组,它们在空间上彼此相差120°电角度,每相绕组的匝数相同。转子磁极(简称主极)上装有励磁绕组,由直流励磁,其磁通从转子上N极出来,经过气隙、定子铁心、气隙,进入转子S极而构成回路。

当用原动机拖动发电机沿反时针方向恒速旋转时,磁极的磁力线将切割定子绕组的导体,根据电磁感应定律,定子导体中会感应出交变电势。设磁极磁场的气隙磁密沿圆周按正弦规律分布,则导体电势也随时间按正弦规律变化,即

ec=BαLV=BmLVsinωt=Ecmsinωt……(1)

式中Ecm=BmLV是导体电势的最大值,Bα是导体所在处的磁密,Bm是正弦波磁密的最大值,L为磁力线切割导体的长度,V为磁力线切割导体的速度,ω=2πf,f是电势的频率。

相绕组空间上彼此互差120°电角度,图1中a) 图所示转向下,磁力线将先切割A相绕组,再切割B相绕组,最后切割C相绕组。因此,定子三相电势大小相等、相位互差120°。

电势频率可以这样决定:

当转子为一对极时,转子旋转一周,绕组中的感应电势正好交变一次(即一周波);当电机有p对极时,则转子旋转一周,绕组中的感应电势交变p次(即p个周波);设转子每分钟转数为n,则转子每秒钟旋转n/60转,因此感应电势每秒交变pn/60次,即电势的频率为

f= pn/60(赫) ……(3)

式(3)表明:

感应电势频率f等于电机的极对数p与转子每秒钟转数n/60的乘积。我国规定工频50赫,故而电机极数和转速成反比关系。如汽轮发电机中,转速n=3000转/分,电机为一对极;n=1500转/分,电机为两对极。所以转速越低极对数越多,如当水轮发电机转速n=100转/分,则电机为30对极。

异步电机内部发生的电磁现象

异步机主要用作电动机,故这里以电动机为例说明。从结构上讲,异步电机和同步电机的定子是一样的,只有转子结构不同而已。图1中b)图为一鼠笼式异步电动机原理图。转子槽内有导体,导体两端用短路环连接起来,形成一个闭合的绕组。

当定子绕组加上对称的三相交流电压后,定子三相绕组中便有对称的三相电流通过,它们联合产生一个定子旋转磁场(参见Ms.参先前推文《三相异步机旋转原理是这样的》),在图1中b)图中用N、S极表示(注意异步机、同步机磁力线箭头方向,均为N极出发、回到S极,二者之所以不同,乃因磁极或励磁一个在转子上而另一个在定子上)。设定子旋转磁场以转速n1(称为同步转速)沿反时针方向旋转,则它的磁力线将切割转子导体而感应电势。电势的方向可用右手定则确定,如图1中b)图所示。在该电势作用下,转子导体内便有电流通过,电流的有功分量与电势同相位。于是,由电磁力定律可知,转子导体电流与旋转磁场相互作用使转子导体受到电磁力f,它的方向由左手定则确定,如图1中b) 图所示。在该电磁力作用下,电动机转子就转动起来,其转向与旋转磁场的方向相同。这时,如果转子轴上加上机械负载,电动机就拖动机械负载旋转,输出机械功率,即电动机把电能转换成机械能。可以看出,同步电机转速n和电网频率f之间有严格不变的关系,即当频率f一定时,电机的转速n= 60f/p为一恒值。而异步电动机的转速不可能达到定子旋转磁场的转速,即同步转速;因为如果达到同步转速,则转子导体与旋转磁场之间没有相对运动,随之在转子导体中不能感应电势和电流,也就不能产生推动转子旋转的电磁力。

因此,异步电动机的转速总是低于同步转速,即两种转速之间总是存在差异,异步电动机因此而得名。



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