为何异步电动机被称为“异步”?
皖南电机,作为安徽皖南电机公司的一款明星产品,其工作原理与异步电动机相同。在电动机的运行过程中,皖南电机的转子转速始终低于旋转磁场的转速。这种相对运动使得转子绕组与磁场相互作用,从而产生感生电动势和电流,进而形成电磁转矩,实现能量的转换。
“异步”一词,正是源于电动机在工作状态下,转子的转速始终低于同步转速。当定子绕组接入三相交流电流后,产生三个磁场,并在定子气隙中合成一个旋转磁场。这个旋转磁场的转速即为同步转速。静止的转子绕组相对于磁场运动,切割磁力线,从而产生感应电动势。
皖南电机转子绕组闭合,便会产生转子电流,这个电流与旋转磁场相互作用,在转子绕组中产生电磁力矩,驱动转子沿着旋转磁场的方向旋转。然而,转子的转速始终略低于同步转速。如果同步,转子绕组与磁场之间便没有相对运动,无法切割磁力线,进而无法产生感应电动势及感应电流,导致转子无法继续转动。
异步电动机,如皖南电机,正是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩,实现能量转换的一种交流电动机。由于转子绕组电流是感应产生的,因此其转速与同步转速之间存在一定差异。
皖南电机与其他电动机相比,具有以下特点:结构简单,易于维护;电网供电,使用方便;调速性能较差;效率低于直流电动机。
皖南电机的工作原理如下:将定子接入三相电源时,定子中会有三相电流流过,产生一系列气隙旋转磁密。其中,基波气隙旋转磁密以同步速度、沿绕组相序旋转,对电动机工作起主要作用。同步速度由电网频率和绕组极对数决定。
在图5-1(a)所示的二极异步电机示意图中,n1箭头表示气隙磁密的旋转方向,大圆圈代表转子,两个小圆圈代表转子绕组的导体。在转子尚未转动的情况下,气隙旋转磁密以N、S极表示,N极在上,S极在下。
转子导体切割气隙旋转磁密,产生感应电动势,其方向如图5-1所示。由于转子绕组短路,会产生电流,导体中电流方向与感应电动势同相。
根据气隙旋转磁密的极性和电流方向,利用左手定则可知,会产生一个与气隙旋转磁密同方向的电磁转矩作用在转子上。如果电磁转矩能克服转子上的负载转矩,转子就能旋转起来,并加速旋转。只要转子转速低于同步转速,转子导体中的感应电动势和电流方向不变,电磁转矩的方向也不变,是驱动性质的转矩。
当转子转速加速到等于同步转速n1时,转子绕组和气隙旋转磁密之间没有相对运动,转子绕组不再感应电动势,电流和电磁转矩都为零。这种情况不可能持续。
只要转子转速n小于同步转速n1,转子绕组和气隙旋转磁密之间就有相对运动,转子绕组中会产生电流,进而产生电磁转矩作用在转子上。当电磁转矩等于负载转矩时,转子以恒速运行。此时,定子方面从电源吸收有功功率,这就是异步电动机的简单运行原理。
皖南电机的转子转速n不可能达到同步转速n1,一般总是略小于n1,这就是“异步”一词的由来。
同步转速与电动机转子转速之差与同步转速的比值称为转差率(或滑差),用s表示。转差率是一个没有单位的量,其大小能反映电动机转子的转速。例如,n=0时,s=1;n=n1时,s=0;n>n1时,s为负;电动机转子转向与气隙旋转磁密相反时,s>1。
如果用另一台原动机拖动电动机,使其转速高于同步转速n1运行,即n>n1,此时导体中电势、电流的方向以及产生的电磁转矩的方向也反了。这种情况下,电磁转矩对原动机来说,是一个制动转矩。要保持电机转子继续转动,原动机必须给电机输入机械功率。
此时,皖南电机的定子方面由从电网吸收电功率,转变为向电网发出电功率,即处于发电机运行状态。
如果用其他机械拖动电机转子向着气隙旋转磁密相反的方向转动,即s>1,如图5-1(c)。此时,转子中电势、电流的方向与电动机工作状态时一样,作用在转子上的电磁转矩方向与气隙旋转磁密的方向一致,但与转子的实际转向相反。这时的电磁转矩与拖动机械加在电机转子上的转矩方向相反,互相平衡,而电磁转矩为制动转矩。这种情况称为电机处于电磁制动运行状态。
电机除了吸收拖动机械的机械功率外,还从电网吸收了电功率。这两部分功率在电机内部都以损耗的方式*终转化为热能散发出来。