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小李学异步电动机(二) 第一章 异步电动机的结构与原理
作 者:张燕宾

(接上期)
1.3异步电动机的工作原理
1.3.1异步电动机的旋转原理
(1)转子得到电流
提起异步电动机的工作原理,小李显得很有信心,他拿出了事先画好的图,说:“旋转磁动势被静止着的转子绕组切割,转子绕组中将产生感应电动势,又因为转子绕组是自成回路的,所以同时产生了感应电流,如图1-18a所示。感应电动势和电流的方向由右手定则来判定,如图1-18b所示。右手手掌对着n极,大拇指指向导体切割磁力线的方向,因为是定子的磁力线在旋转,所以转子的导体切割磁力线的方向和磁动势旋转的方向相反,则四个指头所指就是感应电动势和电流的方向。
所以,异步电动机的转子电流是切割了旋转磁场感应而得。”


图1-18 转子电流的产生

“等一等。”张老师打断说:“前面在讨论交变电流产生磁动势的特点时,为了排除磁路饱和等因素,我们都用磁动势来分析。现在,要具体讨论磁场和电流的相互作用了,就必须用实实在在的磁通量或磁感应强度了,或者统称磁场。”
“真严密。”小李吐了吐舌头,然后继续说:“转子绕组中的感应电流又和定子的旋转磁场相互作用,产生电磁力,如图1-19a所示。导体受力的方向由左手定则判定,如图1-19b所示:左手手掌对着n极,四个指头指电流的方向,则大拇指所指就是导体受力的方向。因为上半部导体的受力方向和下半部导体的受力方向正好相反,就形成电磁转矩tm,由图可知,电磁转矩的方向和旋转磁场的旋转方向是相同的。在电磁转矩的作用下,转子将旋转起来,转速为nm。


图1-19 电磁转矩的产生

因为转子产生感应电动势和感应电流的前提条件是转子绕组必须切割旋转磁场,所以,转子的转速总要低于旋转磁场的转速,故称为异步电动机。对不对?”
“说得很好,有关转速的基本公式还记得吗?”张老师问。
小李略思考了一下,说:“估计问题不大。
1.3.2关于转速的基本公式  
同步转速的公式如式(1-13)所示,因为转子的转速总要比同步转速低一些,所以有:
(1)转差
即转子转速与同步转速之差:
δn=n1-nm    (1-14)
式中,δn—转差,r/min;
nm—转子转速,r/min。
(2)转差率  
转差与同步转速之比,称为转差率:
s==×100%        (1-15)
式中,s—转差率,常用百分数表示。
在起动瞬间,nm=0时,s=1;
如果转子转速达到同步转速,即nm=n1时,s=0。
所以,s的取值范围是s=(0~100)%。通常,在额定运行的状态下,s=(2~5)%。
(3)转子转速
由式(1-13)、(1-14)、(1-15),可推导得到:
nm=n1(1-s)=(1-s)            (1-16)
δn=s n1   (1-17)
基本公式就是这些吧?”
张老师点点头说:“很好。不过,你在实际工作中,有一些基本规律也应该了解。例如,电动机的转差率和容量之间的规律。不同磁极对数电动机的转速与转差率见表1-2。
表1-2 不同磁极对数电动机的转速、转差与转差率


由表1-2可以看出,小容量电动机的转差与转差率较大,而大容量电动机的转差与转差率较小。”
--------------------------------------------------------------------------
小李的笔记
磁场旋转被切割  转子电流感应得
磁场电流相互推  产生转矩乐呵呵
******   ******
磁场转速永不低  转子追得差不离
眼看快要追上了  怎奈转差是前提
--------------------------------------------------------------------------
1.4异步电动机的额定数据
1.4.1额定电压和额定电流
(1)额定电压
关于异步电动机的额定数据,小李事先在厂里抄录了两台电动机的铭牌。一台国产的,一台日本的,如图1-20所示。他首先发问道:“额定电压和额定电流指的是线电压和线电流呢,还是相电压和相电流?从国产电动机的铭牌看,应该是线电压和线电流,但是:
(a)日本电动机的铭牌上的额定电压又好像是相电压似的?
(b)记得在等效电路里用的是相电压。
所以就有点拿不准了。”


a)国产电动机铭牌      b)日本电动机铭牌
图1-20 电动机的铭牌

张老师说:“在对电动机的各种数据进行定量分析时,针对的是每一相里各种参数的变化规律,应该用相电压。但是,铭牌是给用户看的,是告诉用户:应该接到多大电压的电源上去。所以,应该是线电压。
至于日本电动机的额定电压只有200v或220v,那是你看得不够仔细,日本出口到中国的设备里,还带着一台380/200v的三相变压器呢,就是说,日本电动机的额定线电压只有200v。”
(2)额定电流
小李又问:“那么说,铭牌上的额定电流也应该是线电流了?”
张老师说:“铭牌上的额定电流是告诉用户,从电源到电动机的连接线应该用多粗的导线?所以,当然应该是线电流了。”
1.4.2额定频率和转速
小李说:“国产电动机的额定频率是50hz,日本电动机可以用到50hz的电源上,也可以用到60hz的电源上,这些都没有问题。但是,在日本电动机的铭牌上表明:在同样频率下,200v时的额定转速要比220v时的低一些,这是为什么?”
张老师说:“前面说过,异步电动机产生电磁转矩的前提是,转子的转速和同步转速之间必须有转差。进一步说,电磁转矩的大小,是和转差有关的。电压较低时,电动机的磁通量有所减少,在转差相同的情况下,电磁转矩也会有所减小,为了能够带动额定负载,必须加大转差,所以转速就低了。这个问题,后面还要详细讨论。”
1.4.3功率、功率因数和效率
(1)额定功率和转矩
张老师问小李:“电动机的额定功率指的是输入功率,还是输出功率?”
小李想了一想,又在纸上算了一会儿,说:“从电动机需要向电源取用功率来说,好像应该是输入功率。但是,从计算结果看,它指的是输出功率。”
张老师又问:“电动机是干什么用的?”
“带动生产机械运转呀,”小李不假思索地回答。接着,他拍着脑袋说:“所以,电动机的额定功率应该是输出轴上的机械功率。可是,这机械功率是怎么计算的?”
张老师说:“电动机在输出机械功率时,最关键的两个要素是:转矩和转速。所以机械功率的计算公式是:
p2=
       (1-18)
式中,p2—电动机轴上的输出功率,kw;
tm—电动机的电磁转矩,n∙m;
nm—电动机的转速,r/min。
在电力拖动里,公式(1-18)非常重要,一定要牢牢掌握。”
“在铭牌数据里,好像没有额定转矩,为什么?”小李又问。
张老师说:“这个原因是多方面的:
首先,如你所说,铭牌数据应该告诉用户,电动机需要向电源取用多少功率,以便用户决定配置车间甚或全厂变压器的容量。
其次,许多生产机械常常要求恒功率运行。例如,金属切削机床都具有许多挡切削速度,但不管在哪一挡切削速度,都要求具有相同的切削功率。所以,生产机械的设计人员配用电动机时,主要看功率。
再其次,有了式(1-18),电动机的额定转矩就可以推算出来了:
tm=                (1-19)
还有一点要注意,额定功率相同,而磁极对数不同的电动机的额定转矩是很不一样的,举例如表1-3所示。
表1-3 同容量电动机的额定转矩(以75kw为例)



至于输入功率,你是怎么计算的?”
(2)输入功率和功率因数
小李说:“我正要问呢。根据电工基础的知识,输入功率的计算公式是:
p1=u1i1cosφ1    (1-20)
式中,p1—电动机的输入功率,kw;
u1—电动机输入的线电压,v;
i1—电动机输入的线电流,a;
cosφ1—电动机的功率因数。
式(1-20)中,用了线电压和线电流,那么,这功率因数cosφ1是线的,还是相的?”
张老师拿出纸来,画了一个图,然后说:
“我们从外部测量数据,只能测量线电压和线电流,如图1-21a所示。以y形接法为例,内部的电路图如图1-21b所示。

a)运行数据的测量       b)三相电路图       c)瞬时值                   
图1-21 电动机的功率因数

所谓功率因数,是指相电流和相电压之间相位差角的余弦,即cosφ1,如图1-21c中之曲线①和曲线②所示。
根据电工基础的知识,线电压在数值上等于相电压的倍,同时在相位上,要比相电压超前π/6(30°),如图c中之曲线③所示,而线电流和相电流是同一个电流。现在你看看,这线电压和线电流之间的相位差角说明了什么?”
小李恍然大悟,说:“原来,所谓线电压和线电流之间的功率因数是不存在的。或者说,是毫无意义的。
还有,影响电动机效率的损耗功率有哪些?”
1.4.4电动机的效率和过载能力
(1)电动机的损耗和效率
张老师说:“电动机里的损耗功率主要有:
(a)铜损。因为电动机的绕组总是有电阻的,电流通过电阻,必然要转换成热能而损失掉。显然,负载越重,电流越大,铜损也越大。所以,当负载变化时,铜损也是变化的,称为可变损耗。
(b)铁损。就是铁心里的涡流损失和磁滞损失。铁损主要和铁心里的磁通量有关,而磁通量的多少主要和电压有关,电压不变时,铁损的大小也基本不变。
(c)机械损失。主要是轴承的磨擦损失和风扇的通风损失。机械损失主要和转速有关,恒速运行时,机械损失也是不变的。
铁损和机械损失都属于不变损失。
所以,电动机各部分功率之间的关系是:
p1-pcu-pfe-pme=p2    (1-21)
式中,pcu—电动机绕组的铜损,kw;
pfe—电动机铁心的铁损,kw;
pme—电动机的机械损失,kw。
电动机的效率是:
η=     (1-22)
式中,η—电动机的效率。
电动机在轻载运行时,输出功率减小,不变损失在总功率中的比重将增加,效率较低。”
(2)电动机的过载能力
小李问:“电工手册上写的过载能力指的是功率,还是电流?”
张老师说:“都不是,过载能力指的是电磁转矩。因为能不能带得动负载,关键在于电磁转矩。所以,过载能力的定义是:
kt=    (1-23)
式中,kt—电动机的过载能力;
tmax—电动机的最大转矩,n∙m;
tmn—电动机的额定转矩,n∙m。”
-------------------------------------------------------------------------- 小李的笔记
指导用户铭牌编  电压电流都用线
功率因数只归相  额定功率轴上见
******   ******
铜损要随负载翘  铁损机损不动摇
负载轻了效率低  功率因数也减小
--------------------------------------------------------------------------1.5异步电动机的型号和接法
小李看了看两种电动机的铭牌,问:“异步电动机的型号说明些什么问题?”
1.5.1异步电动机的型号
张老师说:“国产异步电动机的型号中:
第一项是产品代号,‘y’代表通用的笼形异步电动机。其他如yr代表绕线转子异步电动机、yq代表高起动转矩异步电动机等。”
第二项是机座代号,‘280’表示中心高为280mm;‘s’表示短机座(其他如l表示长机座,m表示中等机座)。
第三项是磁极个数,‘4’就是4极电动机。”
1.5.2绕组的接法
(1)接线端子和接法
关于电动机绕组的接线端子和接线方法,小李对厂里的多台电动机进行了观察,并且画出了接线图,如图1-22所示,请张老师审核。同时,又提出了一个问题:“我发现,小容量电动机大多采用y形接法,而大容量电动机则大多采用△形接法,是什么原因?”


图1-22 电动机绕组的接法

张老师首先对小李画的接线图表示赞许,接着又反问道:“这两种接法的主要区别是什么?”
小李略想了一想,说:“y形接法时,每相绕组的相电压低些,只有线电压的,而△形接法时,每相绕组的相电压等于线电压。”
“那么,每相绕组的相电流呢?”张老师又问。
小李的脸上露出了一种恍然大悟的神色,说:“我明白了,△形接法时,因为相电压较高,在功率相等的情况下,电流较小,绕组所用的导线可以细一些,节省了用铜,对不对?可是,小容量电动机不也一样吗?”
张老师说:“这又是工艺上的问题了。如你所说,电压高时,绕组的导线可以细一些,但太细了又容易变形。同时,每相绕组的匝数必然增多,小容量电动机定子的内径较小,要往定子槽里嵌入又细又多的导线就比较困难。采用y形接法,要容易得多。”
(2)绕组端子的判别
小李又问道:“厂里有几台旧电动机,接线盒并不如图1-22那样,而只有光秃秃的几根线,上面的标记有的已经掉了,有的虽没掉,但模糊不清,怎样判断每相绕组的头尾?”
张老师说:“这件事要分两步进行:
第一步,首先确定哪两个端子属于同一相?方法很简单,只需用万用表的电阻挡测量就可以了。不是同一相的端子间的电阻是∞,如图1-23a所示;同一相端子间的电阻几乎为0,如图1-23b所示。
第二步,判断各相绕组的头和尾。


a)不属于同一相      b)属于同一相
图1-23 找出同一相的端子


a)测量方法         b)测量原理
   图1-24 尾-尾相接


a)测量方法         b)测量原理
图1-25 尾-首相接



(a)任意规定一相绕组为u相,并任意规定其头(u1)和尾(u2)。
(b)另找一相绕组(设为v相)的一端和u相的尾端(u2)相接。
(c)把照明变压器输出的36v(或24v)加在u1和v相的另一端之间,如图1-24a所示。
(d)用万用表的交流电压挡测量未接线绕组(w相)的两端,这时,可能有两种结果:
结果1:电压为0v,则判定u、v两相是尾-尾相接(与u2相接的是v2)。
原理如图1-24b所示,当u相电流iu从u1进、u2出,v相电流iv又从v2进、v1出时,两相绕组的合成磁力线并没有穿过w相绕组,w相绕组里将不产生感应电动势,故万用表的读数为0v。
结果2:电压有读数,则判定u、v两相是尾-首相接(与u2相接的是v1)。
原理如图1-25b所示,当u相电流iu从u1进、u2出,v相电流iv又从v1进、v2出时,两相绕组的合成磁力线将穿过w相绕组,因为磁通是交变的,故w相绕组里将产生感应电动势,万用表有读数。”
--------------------------------------------------------------------------
小李的笔记
电机接线很灵便  只需更改联接片
连成一线是y形  三片分开δ形联
******   ******
标记脱落不担心  三相端子先分清
任定一相头和尾  另外两相分别定
--------------------------------------------------------------------------1.6异步电动机的定额
小李问:“铭牌上的绝缘等级和温升是什么意思?”
张老师说:“生产机械在配置电动机时,除了考虑能不能带得动外,很重要的一个问题,是会不会‘烧’坏电动机?这是因为,上面提到的损耗功率,都将转换成热能,使电动机的温度升高。温度升高的主要结果是使绝缘材料炭化,失去绝缘性能,电动机就‘烧’坏了。”
1.6.1绝缘材料的耐热等级
小李又问:“绝缘材料能够承受的温度有多高?”
张老师说:“不同的电动机采用的绝缘材料也不尽相同,允许的最高温度也就不一样。异步电动机里用得较多的绝缘材料见表1-4
表1-4 异步电动机常用的绝缘材料



电动机的温升指的是实际温度和环境温度之差,我国的最高环境温度规定为40℃。从表中可以看出,电动机的允许温升和绝缘材料的允许工作温度之间,是留有余地的。在实际工作中,电动机外壳的温度以不烫手为原则。”
小李又问:“铭牌上的‘定额’是什么意思?为什么要规定定额这个指标?”
张老师说:“这就说来话长了,需要了解电动机在不同的工作情况下,温升的变化规律。
1.6.2电动机的温升 
(1)温度变化的基本规律
要了解电动机温度上升的规律,需要知道温度变化的基本规律,主要有两条:
(a)温度不可能突变
你在家烧过开水吧?炉子上的火再大,锅里的水也不可能立即沸腾,水的温度只能逐渐上升,这叫做热惯性。
电动机在运行过程中,由于存在着铜损、铁损和机械损耗等损耗功率,这些损耗功率都将转换成热能,使电动机的温度逐渐地升高。
(b)温度的上升是非线性的
由于电动机在温度上升的同时,也要向周围散热,温升越大,散热越快。当电动机的温升上升到某一数值时,它所产生的热量和散发的热量相等,处于平衡状态时,温升不再增加。这时的温升称为稳定温升,用τs表示。
事实上,以上规律,就是温度上升的过渡过程。
(2)电动机的温升曲线
和任何过渡过程一样,电动机的温升曲线也符合指数规律:
τ=τs(1―e-t∕t)    (1-24)
式中,τ—温升,℃;
τs—稳定温升,℃;
t—时间常数。
由式(1-24)所得到的温升曲线如图1-26a中的曲线①所示。曲线②是曲线①的切线,电动机的温升如果按曲线②从0直线上升至稳定温升所需要的时间,称为时间常数,用t表示。时间常数的物理意义可以解释如下:
(a)如果电动机在发热过程中不向周围散热,达到稳定温升所需要的时间;
(b)电动机的温升上升到稳定温升的63.2%所需要的时间。
发热时间常数取决于电动机的负载轻重,负载重时,损耗增大,温度上升得快,发热时间常数较短。
当电动机停止运行时,将向周围散热,其散热曲线如图1-26b中之曲线③所示。散热时间常数和周围环境有关。


图1-26 电动机的发热与散热曲线

1.6.3电动机的运行定额
根据负载的工况不同,有连续不变负载、连续变动负载、断续负载和短时负载。分别说明如下:
(1)连续不变负载
负载在运行过程中,阻转矩基本不变的负载,称为连续不变负载。其运行特点是,在运行期间,负载的轻重基本不变,温升能够达到稳定温升,如图1-26a所示。工频运行的风机、水泵等属于这类负载。
(2)连续变动负载
负载的阻转矩不同,电动机所能达到的稳定温升也不同,如图1-27a所示。许多负载在运行过程中,阻转矩并不稳定,而是时大时小地变化的,例如龙门刨床的刨台,在切削过程中和返回过程中,负载的轻重显然是不一样的。这类负载的温升曲线也随负载的轻重而变化,如图1-27b所示。对于这类负载,只要电动机的温升不超过额定温升,短时间的过载是允许的,如图b中的t4时间段所示。

a)负载变化时的温升曲线     b)连续变动负载
图1-27 连续变动负载

(未完待续)

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