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繞組及其電勢如何作用交流電機?

2019-12-28

繞組及其電勢在交流電機內部是如何發揮其神奇而美妙的作用的。

交流旋轉電機主要分為同步電機和異步電機兩類。兩類電機雖然激磁方式和運行特性有很大不同差別,但電機內部發生的電磁現象和機電轉換原理相同,存在許多共同性問題,即交流電機的繞組、電勢及磁勢等問題。

交流電機繞組的功用是在旋轉磁場中感應電勢、流過電流和產生電磁轉矩,達到機電能量轉換的目的,故有繞組為電機的核心部件之說。

同步電機內部發生的電磁現象

以發電機為例,如圖1中a) 圖所示。定子上有AX、BY、CZ三相繞組,它們在空間上彼此相差120°電角度,每相繞組的匝數相同。轉子磁極(簡稱主極)上裝有勵磁繞組,由直流勵磁,其磁通從轉子上N極出來,經過氣隙、定子鐵心、氣隙,進入轉子S極而構成回路。

當用原動機拖動發電機沿反時針方向恒速旋轉時,磁極的磁力線將切割定子繞組的導體,根據電磁感應定律,定子導體中會感應出交變電勢。設磁極磁場的氣隙磁密沿圓周按正弦規律分布,則導體電勢也隨時間按正弦規律變化,即

ec=BαLV=BmLVsinωt=Ecmsinωt……(1)

式中Ecm=BmLV是導體電勢的最大值,Bα是導體所在處的磁密,Bm是正弦波磁密的最大值,L為磁力線切割導體的長度,V為磁力線切割導體的速度,ω=2πf,f是電勢的頻率。

相繞組空間上彼此互差120°電角度,圖1中a) 圖所示轉向下,磁力線將先切割A相繞組,再切割B相繞組,最后切割C相繞組。因此,定子三相電勢大小相等、相位互差120°。

電勢頻率可以這樣決定:

當轉子為一對極時,轉子旋轉一周,繞組中的感應電勢正好交變一次(即一周波);當電機有p對極時,則轉子旋轉一周,繞組中的感應電勢交變p次(即p個周波);設轉子每分鐘轉數為n,則轉子每秒鐘旋轉n/60轉,因此感應電勢每秒交變pn/60次,即電勢的頻率為

f= pn/60(赫) ……(3)

式(3)表明:

感應電勢頻率f等于電機的極對數p與轉子每秒鐘轉數n/60的乘積。我國規定工頻50赫,故而電機極數和轉速成反比關系。如汽輪發電機中,轉速n=3000轉/分,電機為一對極;n=1500轉/分,電機為兩對極。所以轉速越低極對數越多,如當水輪發電機轉速n=100轉/分,則電機為30對極。

異步電機內部發生的電磁現象

異步機主要用作電動機,故這里以電動機為例說明。從結構上講,異步電機和同步電機的定子是一樣的,只有轉子結構不同而已。圖1中b)圖為一鼠籠式異步電動機原理圖。轉子槽內有導體,導體兩端用短路環連接起來,形成一個閉合的繞組。

當定子繞組加上對稱的三相交流電壓后,定子三相繞組中便有對稱的三相電流通過,它們聯合產生一個定子旋轉磁場(參見Ms.參先前推文《三相異步機旋轉原理是這樣的》),在圖1中b)圖中用N、S極表示(注意異步機、同步機磁力線箭頭方向,均為N極出發、回到S極,二者之所以不同,乃因磁極或勵磁一個在轉子上而另一個在定子上)。設定子旋轉磁場以轉速n1(稱為同步轉速)沿反時針方向旋轉,則它的磁力線將切割轉子導體而感應電勢。電勢的方向可用右手定則確定,如圖1中b)圖所示。在該電勢作用下,轉子導體內便有電流通過,電流的有功分量與電勢同相位。于是,由電磁力定律可知,轉子導體電流與旋轉磁場相互作用使轉子導體受到電磁力f,它的方向由左手定則確定,如圖1中b) 圖所示。在該電磁力作用下,電動機轉子就轉動起來,其轉向與旋轉磁場的方向相同。這時,如果轉子軸上加上機械負載,電動機就拖動機械負載旋轉,輸出機械功率,即電動機把電能轉換成機械能。可以看出,同步電機轉速n和電網頻率f之間有嚴格不變的關系,即當頻率f一定時,電機的轉速n= 60f/p為一恒值。而異步電動機的轉速不可能達到定子旋轉磁場的轉速,即同步轉速;因為如果達到同步轉速,則轉子導體與旋轉磁場之間沒有相對運動,隨之在轉子導體中不能感應電勢和電流,也就不能產生推動轉子旋轉的電磁力。

因此,異步電動機的轉速總是低于同步轉速,即兩種轉速之間總是存在差異,異步電動機因此而得名。



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