三相异步电动机的工作原理(如何产生旋转磁场并转动)

三相异步电动机的工作原理是根据电磁感应原理而工作的,当定子绕组通过三相对称交流电,则在定子与转子间产生旋转磁场,该旋转磁场切割转子绕组,在转子回路中产生感应电动势和电流,转子导体的电流在旋转磁场的作用下,受到力的作用而使转子旋转。下面,我们分析旋转磁场的产生,电动机的旋转、转差率及转向。

旋转磁场产生原理

三相异步电动机的定子铁芯中放置三相结构完全相同的绕组U、V、W,各相绕组在空间上互差120°电角度,如下图所示,向这三相绕组通入对称的三相交流电,如图(b)(c)所示。下面我们以两极电动机为例说明电流在不同时刻时,磁场在空间的位置。

下图(b)所示,假设电流的瞬时值为正时是从各绕组的首端流入,(用〇中间加个×表示),末端流出(用“⊙”表示),当电流为负值时,于此相反。

在ωt=0的瞬间,iu=0,iv为负值,iw为正值,如图(c)所示,则V相电流从V2流进,V1流出,而W相电流从W1流进,W2流出。利用安培右手定则可以确定ωt=0瞬间由三相电流所产生的合成磁场方向,如图(d)①所示。可见这时的合成磁场是一对磁极,磁场方向与纵轴线方向为一致,上方式北极,下方是南极。

在ωt=π/2时,经过了四分之一周期,iu由零变为最大值,电流由首端U1流入,末端U2流出;iv仍为负值,U相电流方向与(1)时一样;iw也变为负值,W相电流由W1流出,W2流入,其合成磁场方向如图(d)②所示,可见磁场方向已经较ωt=0时按顺时针方向转过90°。

应用同样的分析方法可画出ωt=π,ωt=2/3*π,ωt=2π时的合成磁场,分别如图(d)③ ④ ⑤ 所示,由图中可明显地看出磁场的方向逐步按顺时针方向旋转,共计转过360°,即旋转了一周。

电动机两极定子绕组的旋转磁场

  • (a)简化的三相绕组分布图
  • (b)按星形连接的三相绕组接通三相电源
  • (c)三相对称电流波形图
  • (d)两极绕组的旋转磁场

由此可以得出如下结论:在三相交流电动机定子上布置有结构完全相在空间位置各相差120度电角度的三相绕组,分别接入三相对称交流电,则在定子与转子间所产生的合成磁场是沿定子内圆旋转的,我们称此为旋转磁场。

旋转磁场的方向

由上图可以看出,三相交流电按U-V-W相序变化,则产生的旋转磁场在空间上以顺时针方向旋转。

若我们任意对调电动机两相绕组的电流相许,如:U-W-V相序,则由理论分析和实践证明,产生的旋转磁场以逆时针方向旋转。由此可知,旋转磁场的旋转方向取决于通入绕组中的三相交流电源的相序,只要任意对调电动机的相序,则可改变旋转磁场的方向

旋转磁场的速度

以上是以两极为例,如果想要获得四极旋转磁场,则应把线圈的数目增加一倍,其布置如下图(a)(b)所示。并按上述方法分析得出,合成磁场在空间的示意图(C)。

电动机旋转磁场

我们比较一下这图和上文中的那个图中磁场的旋转速度,不难得出:旋转磁场的速度不仅与电流的频率有关,还与磁极对数有关。上文图(d)中,当三相交流电变化一周后(即每相经过360°电角),其所产生的旋转磁场也正好旋转一周。故在两极电动机中旋转磁场的转速等于三相交流电的变化速度。

即n1=60f1=3000转/分

旋转磁场的速度等于三相交流电变化速度的一半,即n1=(60/2)f1=1500转/分。故当磁极对数增加一倍,则旋转磁场的速度减少一半。

同理,通过理论分析可得出旋转磁场的转速为:n1=60f1/P,上述公式中

  • n1:表示旋转磁场的转速,单位转/分;
  • f1:表示三相交流电源的频率,单位赫兹;
  • P:表示磁极对数;
  • 60:表示一分钟的60秒

旋转磁场的转速n1又称为同步转速。我国三相交流频率规定50Hz(每秒50次交变),因此两极旋转速度是3000转/分,四极的为1500转/分,六极为1000转/分等。

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