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三相電機(jī)：類型和工作原理
發(fā)布時間：2024-04-29 17:50:59 瀏覽：277次
三相電機(jī)是行業(yè)中應(yīng)用廣泛的電機(jī)，在各個行業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，認(rèn)識和理解它們的運(yùn)行原理非常重要。
鼠籠感應(yīng)電機(jī)以其簡單的設(shè)計(jì)而聞名，它使用定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。決定電機(jī)轉(zhuǎn)速的同步速度取決于電源頻率和定子極數(shù)。繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)允許通過三相變阻器進(jìn)行變速，但由于維護(hù)問題，繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)已經(jīng)不太受歡迎。同步電機(jī)采用直流供電轉(zhuǎn)子，只要遵循正確的啟動程序，就能在不同負(fù)載下保持恒定速度。
本文將更詳細(xì)地研究鼠籠式感應(yīng)電機(jī)、繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)。
鼠籠式感應(yīng)電機(jī)
工業(yè)上應(yīng)用廣泛的電機(jī)是三相鼠籠式感應(yīng)電機(jī)。圖1中的鼠籠電機(jī)有兩部分：轉(zhuǎn)子和三相定子。術(shù)語“電樞”表示由繞組和換向器組成的旋轉(zhuǎn)部件，而術(shù)語“轉(zhuǎn)子”表示不包含繞組的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。請注意標(biāo)記為 T1、T2 和 T3 的電機(jī)引線的標(biāo)識。簡單的設(shè)計(jì)是鼠籠電機(jī)吸引人的特點(diǎn)之一。
圖 1. 鼠籠式感應(yīng)電機(jī)。圖片由 Amna Ahmad 提供鼠籠式電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有繞組。相反，它由連接在每個端對端環(huán)上的金屬條組成。金屬條之間是層壓金屬板。在電機(jī)運(yùn)行期間，金屬條中會感應(yīng)出電壓，從而產(chǎn)生電流和磁場。事實(shí)上，鼠籠式電機(jī)就是以這種轉(zhuǎn)子命名的，它類似于老鼠和倉鼠籠子里常見的運(yùn)動輪。
圖 2 說明了施加到定子繞組的三相交流電源。三相電源每120°產(chǎn)生一個峰值電壓。
圖 2. 三相波形。圖片由 Amna Ahmad 提供
現(xiàn)在，請注意圖 3 中定子中的三個獨(dú)立的相繞組。相繞組圍繞定子外殼按順序排列。當(dāng)所施加的三相功率在T1相的正方向上達(dá)到峰值時，相繞組T2和T3將具有相反的極性，并且它們的值將在0和它們的負(fù)值之間。當(dāng) T2 相在其正方向上達(dá)到峰值時，T1 和 T3 將具有相反的極性，并且它們的值將在 0 和負(fù)值之間。這種模式在所施加的交流正弦波的整個 360° 旋轉(zhuǎn)中持續(xù)存在。
圖 3. 相位旋轉(zhuǎn)在定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。圖片由 Amna Ahmad 提供定子周圍出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁力公轉(zhuǎn)的速度就是同步速度。同步速度受定子極數(shù)和所施加交流電頻率的影響。這種關(guān)系可以用下面的公式來說明：
S=120×fP
S = 同步速度（rpm）
F = 所施加交流電的頻率，以赫茲 (Hz) 為單位P = 定子極數(shù)
例如，使用 60 Hz 交流電源運(yùn)行的四極鼠籠電機(jī)的同步速度是多少？
哪些價(jià)值觀是已知的？
F = 60赫茲
P = 4
有什么價(jià)值是不知道的？
S = ?
可以用什么公式呢？
S=120×fP=120×604=1800rpm
因此，該鼠籠電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為每分鐘1800轉(zhuǎn)。
定子的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中感應(yīng)出電壓，從而產(chǎn)生電流。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流產(chǎn)生另一個磁場，該磁場被定子中的旋轉(zhuǎn)磁場吸引，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生扭矩。然而，轉(zhuǎn)子不會以與定子旋轉(zhuǎn)場相同的速度旋轉(zhuǎn)。軸承中的摩擦和風(fēng)阻（風(fēng)阻）將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子以稍慢的速度旋轉(zhuǎn)。這稱為轉(zhuǎn)子滑差。轉(zhuǎn)子滑差是同步速度和轉(zhuǎn)子速度之間的速度差。
直到近，鼠籠電機(jī)還被認(rèn)為是定速電機(jī)。從上面的同步速度公式可以看出，改變電機(jī)速度的方法是改變所施加的交流電壓的頻率或改變電機(jī)的極數(shù)。美國電力公司將電源線頻率準(zhǔn)確地維持在 60 Hz。因此，改變所施加的交流電源的頻率不是一種選擇。也不可能改變電機(jī)的極數(shù)。發(fā)動機(jī)必須完全重建。然而，如今，通過電子變速驅(qū)動器，所施加的交流電源的頻率可以改變，因此鼠籠電機(jī)的速度也可以改變。使用固態(tài)元件，電子變速驅(qū)動器通過將施加的交流電轉(zhuǎn)換為直流電來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，將直流斬波成頻率可變的脈沖，并將這些脈沖轉(zhuǎn)換成人造交流電，然后應(yīng)用于電機(jī)。現(xiàn)在，所施加的交流電源的頻率可以改變，從而允許電機(jī)進(jìn)行變速運(yùn)行。
要反轉(zhuǎn)鼠籠式電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，只需互換三個定子引線中任意兩個的連接即可。通常，T1 和 T3 可以互換。這將導(dǎo)致定子中的旋轉(zhuǎn)磁場沿相反方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子將沿旋轉(zhuǎn)磁場的新方向轉(zhuǎn)動，該方向與原始方向相反。
鼠籠式感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用
鼠籠式感應(yīng)電機(jī)由于其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和可靠性而廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)。一項(xiàng)重要的應(yīng)用是在工業(yè)機(jī)械中，它們?yōu)楸?、壓縮機(jī)和輸送機(jī)提供動力，提供高效運(yùn)行所需的扭矩和速度。此外，這些電機(jī)通常集成到大型商業(yè)建筑和工業(yè)設(shè)施的 HVAC 系統(tǒng)中，確保適當(dāng)?shù)耐L(fēng)和氣候控制。
此外，通過將鼠籠式感應(yīng)電機(jī)連接到電網(wǎng)，可以將其重新用作發(fā)電機(jī)。在此設(shè)置中，當(dāng)手動或通過外力轉(zhuǎn)動電機(jī)軸時， 由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，其繞組上會產(chǎn)生電動勢(EMF)。該電動勢產(chǎn)生交流輸出，可饋入電網(wǎng)電源，有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。該應(yīng)用對于備用電源、電網(wǎng)連接不可靠的偏遠(yuǎn)地區(qū)或連續(xù)供電至關(guān)重要的緊急情況特別有用。
繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)
鼠籠式電機(jī)的一種變體是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)。該電機(jī)的設(shè)計(jì)是為了滿足變速三相電機(jī)的需求。然而，隨著電子變頻驅(qū)動器使用的增加，它變得越來越不常見。
繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)由包含繞組的轉(zhuǎn)子、滑環(huán)、電刷和三相定子組成。圖 4 顯示了繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的部件。請注意電機(jī)引線的標(biāo)識，其中定子連接標(biāo)記為 T1、T2 和 T3，繞線轉(zhuǎn)子連接標(biāo)記為 M1、M2 和 M3。圖 4 還顯示了連接到轉(zhuǎn)子電路中 M1、M2 和 M3 的三相變阻器。
圖 4.繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的部件。為了清楚起見，轉(zhuǎn)子軸上僅顯示了一個繞組。圖片由 Amna Ahmad 提供三相電源施加到定子繞組。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，將電壓感應(yīng)到三相轉(zhuǎn)子繞組中。該感應(yīng)電壓產(chǎn)生電流，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)子的磁場與定子的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。通過改變?nèi)嘧冏杵?，可以改變轉(zhuǎn)子磁場的強(qiáng)度。如果磁場減弱，轉(zhuǎn)子速度就會降低。當(dāng)磁場加強(qiáng)時，轉(zhuǎn)子速度增加。
這種對轉(zhuǎn)子磁場的控制可用于在驅(qū)動恒定負(fù)載時改變繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的速度。此外，轉(zhuǎn)子磁場可以通過自動化過程來改變，以響應(yīng)變化的負(fù)載條件。以這種方式，繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)的速度可以保持相當(dāng)恒定。
要反轉(zhuǎn)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，只需互換三個定子引線中任意兩個的連接即可。通常，T1 和 T3 可以互換。這導(dǎo)致定子中的旋轉(zhuǎn)磁場沿相反方向旋轉(zhuǎn)。然后轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的新方向轉(zhuǎn)動，該方向與原始方向相反。
繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)也有缺點(diǎn)。它比類似尺寸的鼠籠電機(jī)更昂貴，由于電刷和滑環(huán)磨損而需要更多的維護(hù)，并且雖然它提供變速，但由于使用驅(qū)動器，這種好處變得不那么有吸引力。
繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用
繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)具有多功能性和可控性，非常適合要求苛刻的應(yīng)用。一種值得注意的用途是制造和建筑行業(yè)中的起重機(jī)和葫蘆，其中的速度和扭矩控制對于安全高效的起重操作至關(guān)重要。此外，這些電機(jī)通常用于采礦設(shè)備中執(zhí)行重型任務(wù)，例如驅(qū)動傳送帶和為鉆機(jī)提供動力。此外，它們是需要變速控制的大型泵和風(fēng)扇的組成部分，可確保工業(yè)過程中的性能和能源效率。
同步電機(jī)
同步電機(jī)（如圖 5 所示）具有三相定子、繞線轉(zhuǎn)子、滑環(huán)和電刷。然而，與繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的三個繞組相比，轉(zhuǎn)子具有單個繞組。轉(zhuǎn)子還包含類似于鼠籠式電機(jī)轉(zhuǎn)子的短路棒。同步電機(jī)引線對于定子連接標(biāo)記為 T1、T2 和 T3，對于轉(zhuǎn)子連接標(biāo)記為 R1 和 R2。直流電源為轉(zhuǎn)子供電。
圖 5. 同步電機(jī)的部件。注意施加到轉(zhuǎn)子繞組的直流電。圖片由 Amna Ahmad 提供同步電機(jī)通過向定子施加三相電源來啟動。然而，此時轉(zhuǎn)子未通電。當(dāng)三相電源施加到定子時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子的短路棒中感應(yīng)出電壓。該感應(yīng)電壓產(chǎn)生電流，從而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生磁場。然后轉(zhuǎn)子被定子的旋轉(zhuǎn)磁場吸引，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到速度時，直流電源通電，從而將直流電施加到轉(zhuǎn)子繞組。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子充當(dāng)電磁體。轉(zhuǎn)子現(xiàn)在與定子的旋轉(zhuǎn)磁場同步鎖定。這使得同步電機(jī)能夠從空載到滿載條件下以恒定速度運(yùn)行。需要記住的一條重要規(guī)則是，同步電機(jī)絕不能在轉(zhuǎn)子繞組施加直流電的情況下啟動。如果同步電機(jī)以這種方式啟動，轉(zhuǎn)子將無法轉(zhuǎn)動，從而損壞轉(zhuǎn)子和直流電源。
要反轉(zhuǎn)同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，只需互換三個定子引線中任意兩個的連接即可。通常，T1和T3互換，導(dǎo)致定子中的旋轉(zhuǎn)磁場沿相反方向旋轉(zhuǎn)。然后轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的新方向轉(zhuǎn)動，該方向與原始方向相反。
同步電機(jī)應(yīng)用
同步電機(jī)在需要速度控制和與電力系統(tǒng)同步的應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們的顯著應(yīng)用是發(fā)電廠，它們被用作同步發(fā)電機(jī)，以高效、穩(wěn)定的方式發(fā)電。在船舶工業(yè)中，這些電機(jī)為船舶的推進(jìn)系統(tǒng)提供動力，為導(dǎo)航提供高效且響應(yīng)靈敏的性能。此外，同步電機(jī)還用于壓縮機(jī)和離心泵等高性能工業(yè)機(jī)械，其中的速度調(diào)節(jié)對于運(yùn)行和節(jié)能至關(guān)重要。
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