交流异步电机原理
異步馬達
異步馬達被廣泛應用在各個領域,並且不需要特別維修。從機械角度來看,它們是標準的設備單元,備用件的提供十分方便。現在異步馬達有不同的類型,其基本工作原理是相同的。 異步馬達主要由兩大部分組成,即定子(靜止部分)和轉子(轉動部分)。
定子
異步馬達的結構圖
定子是馬達固定不動部分,由以下幾個部件組成:機座(1),支持轉子(9)的滾珠軸承(2),位於機座兩端用來固定軸承的端蓋(3),用於馬達散熱的風扇(4),保護風扇轉動葉片的風罩(5)和一個用於電氣接線的出線盒(6)。在機座內有鐵芯(7),它由矽鋼片(厚0.3~0.5mm)疊成。鐵芯上有溝槽,槽內裝設三相繞組。
三相繞組和定子鐵芯將產生磁場。磁場的極對數(或極個數)決定磁場的旋轉速度。如果馬達以額定頻率工作,則磁場的旋轉速度就叫作馬達的同步轉速(n0)
極對數(P)
極個數
no(轉/分)
極對數(P)、極個數與馬達的同步轉速
磁場
磁場在定子和轉子之間的氣隙內旋轉。將一相繞組接通一相電源電壓後。就會產生磁場。
一相繞組產生的交變磁場
這個磁場在定子鐵芯中的位置是固定不變的,但方向在變化。方向改變的速度取決於電源電壓的頻率。如果電壓頻率為50 Hz,交變磁場的方向將每秒改變50次。
如果兩相繞組被同時接通兩相電壓,在定子鐵芯中將產生兩個磁場。對於兩極馬達,兩個磁場將有120o的位移,兩個磁場的最大值也恰好有同樣的相位差。
這就在定子中產生了旋轉磁場,但是在連接第三相繞組之前,這個磁場是高度不對稱的。
兩相繞組產生的非對稱旋轉磁場
三相繞組在定子鐵芯中產生三個磁場,相互之間在位置上相差120o。
三相繞組產生的對稱旋轉磁場
現在將定子與三相電源連接,每相繞組產生的磁場構造出一個對稱的旋轉磁場,稱為馬達旋轉磁場。旋轉磁場的幅值始終是交變磁場最大值的1.5倍。旋轉速度為:
f = 頻率 (f×60) n0= [l/min](轉/分) n0 = 同步速度 p
p = 極對數
因此速度取決於極對數(p)和電源頻率(f)。下面的示意圖表明了磁場(ϕ)在三個不同階段的大小。
磁場大小恆定不變
用一個向量和相應的角速度形象地表示旋轉磁場就構成了一個圓;將旋轉磁場作為座標系裡的時間函數就構成了一個正弦曲線。如果在旋轉時幅值變化,旋轉磁場就變成了橢圓。
轉子
轉子(9)安裝在馬達軸(10)上(見圖)。與定子類似,轉子也是由矽鋼片組成的,帶有溝槽。主要有兩類轉子:繞線式和鼠籠式,區別在下溝槽裡的繞組方式。
繞線式轉子同定子一樣有裝在槽內的繞組,每相繞組集中到集電環。如果將集電環短路,轉子的功能就同鼠籠式一樣了。
鼠籠式轉子在槽內嵌入鋁棒,在轉子兩端分別有一個鋁環將鋁棒短路。鼠籠式轉子是兩種類型中最常用的。由於兩類轉子工作原理相同,所以只討論鼠籠式轉子。
旋轉磁場和鼠籠式轉子
當轉子的一根鋁捧置於旋轉磁場中時,磁極穿過鋁捧,磁場在鋁棒中感應出電流(IW),其大小只與力(F)有關。
這個力由磁通密度(B)、感應電流(IW)、轉子長度(l)和力與磁通密度間的角度(θ)決定。
F=B×IW×l×sinθ
F=B×IW×l .......................................................................................................... (1.01) 如果θ=90o 則力為:
下一個穿越鋁棒的磁極具有相反的極性,所以感應出反方向的電流。由於磁場方向也改變了,所以力的作用方向同前(見圖b)。當整個轉子都放在旋轉磁場中時(見圖c)轉子鋁棒受到力的作用,使轉子旋轉,其速度(2)不會達到旋轉磁場(l)的速度,這是因為在相同速度下轉子鋁棒裡不會產生感應電流。
轉子鋁棒中的電磁感應
轉差、轉矩和速度
通常情況下,轉子速度nn低於旋轉磁場速度no,轉差 s就是磁場與轉子速度之差。 s=no−nn
轉差常常表示成同步轉速的百分比(即轉差率),一般為額定轉速的4~11%: n0−nns=×100 [%] n0
φ×IW×l
A n0=(f×60)p [l/min] p = 極對數 磁通密度(B)定義為單位截面積的磁通量(φ),因此由(1.01)式可計算下面的力: F=
使通電導體移動的力正比於磁通(φ)和導體中的電流(IW)。
F≈φ×IW
磁場在轉子鋁棒中感應出電壓,該電壓使電流(IW)流過短路鋁棒,全部轉子鋁棒合成的力就在馬達軸上產生轉矩 T。
馬達轉矩為“力乘力臂”
馬達轉矩與轉速之間的關係有一系列特性,且隨轉子的形式而變化。馬達轉矩使馬達軸旋轉。例如,軸上裝有飛輪的情況下有力產生。有了力(F)和飛輪半徑(r),就可以計算出馬達轉矩 T=F×r。
馬達所做的功可表示為 W=F×d,d是馬達在給定負載下拖動的距離,設 n 為轉速,則有: d=n×2π×r
所做的功還可表示為功率乘以時間:W=P×t,P為有功功率。因此可得到轉矩為: WP×t×r T=F×r=×r=dn×2π×r
P×9550T= (t = 60秒) n
上式表明了速度n、轉矩 T[Nm] 和馬達功率 P[kW] 之間的關係。
有了這個公式,就可以很快的估計n、T和P與對應的已知工作點(nr,Tr,Pr)的關係。工作點通常是馬達的額定運行點,所以可以將公式修改為: Tr=Prnr 或 Pr=Tr×nr
其中 Tr=Tn,Pr=PPn,nr=nnn,在這種比例計算中不需要常量9550。
例:負載 = 15% 額定值,速度 = 50% 額定值,則產生的功率為7.5% 的額定輸出功率。因為 Pr = 0.15 x 0.50 = 0.075。
除了馬達的正常工作範圍外,還有兩個煞車範圍。
在 n/n0> 1的這一段,馬達被拖動到了同步轉速以上,其作用相當於發馬達,從而產生反向轉矩,並同時向主電源回饋能量。
在 n/n0> 1這一段,煞車方式稱為再生煞車。
如果將馬達兩相突然交換,旋轉磁場就會立即改變方向,在這之後轉速比將變成 n/n0> 0。 原來轉矩為 T的馬達現在在煞車轉矩的作用下開始煞車。當 n= 0時如果不拉閘,則馬達將按照新的旋轉磁場方向繼續運行。
馬達的正常工作範圍是:0
該工作範圍又可分為兩段:啟動段0
Ta是馬達的啟動轉矩 - 在靜止狀態給馬達施加額定電壓和頻率,就產生該轉矩使馬達啟動。 Tk是馬達的臨界失速轉矩。這是在額定電壓和頻率下馬達能夠產生的最大轉矩。 Tn是馬達的額定轉矩。額定值是馬達設計時按照IEC 34標準確定的機械和電氣方面的量,可在馬達的銘牌上看到,所以又稱為銘牌值。額定值表示馬達直接和主電源連接時的最佳工作點。
馬達的電流和負載特性
效率和損耗
馬達從主電源吸收電能,在負載不變的隋況下,其輸入比馬達能給出的機械輸出大,原因是馬達內部存在損耗。輸入與輸出之間的關係用馬達效率η來表示。
η=P2/P1= 輸出功率 / 輸入功率
通常馬達的效率為0.7 ~ 0.9,取決於馬達的大小和極對數。
馬達的損耗主要有四種 - 銅損耗、鐵損耗、風扇損耗和磨擦損耗。
銅損耗是由定子和轉子繞組的純電阻引起的。
鐵損耗由磁滯損耗和渦流損耗組成。磁滯損耗是在鐵芯被交流電流磁化且必須以50 Hz電源每秒100次去磁時產生的。磁化和去磁都需要能量,馬達用輸入功率去彌補磁滯損耗,這種損耗隨頻率和磁感應的增加而增加。
渦流損耗是由於磁場在鐵芯和導線中感應出電壓而產生的,電壓產生環繞磁場流動的環狀電流,並導致發熱,消耗能量。
馬達的損耗
將鐵芯分割成薄片可使渦流損耗大幅度下降。
將馬達鐵芯分割成薄片可減少渦流
風扇損耗是由馬達風扇的空氣阻力造成的。磨擦損耗產生於轉子的滾珠軸承中。確定馬達效率和輸出,可通過測量輸入計算損耗來進行。
磁場
馬達是按固定的電壓頻率設計的,其磁化強度取決於電壓和頻率的關係。
如果電壓頻率之比增加,馬達就會過勵磁;如果比例下降,馬達就會欠勵磁。欠勵磁的馬達磁場就會削弱,馬達能夠產生的轉矩就會減小,並可能導致馬達無法啟動或保持靜止。如果不是這樣,啟動時間也可能會延長,並導致馬達超載。
過勵磁的馬達會超負荷運行,額外勵磁所需功率會在馬達內部轉化為熱量,並可能損壞絕緣。但是三相交流馬達,特別是異步機是非常牢固耐用的,所以因不當勵磁而導致損壞的問題只會發生在長時間連續運行。
馬達的運行狀況能表明勵磁是否不佳,需要注意的跡象包括負載變化的轉速下降、馬達出現不平穩或突然的動作等等。
等效電路圖
從原理上講,異步馬達由六個繞組構成:定子三個繞組,鼠籠式轉子三個繞組(從磁場角度看等效於三個繞組)。考察其中一組繞組就構造出一個電路圖,這個圖可以說明馬達是怎樣工作的。
定子和轉子的配置
馬達的等效電路(L1相)
由於每個定子繞組都施加交流電壓,所以其電流不僅僅受電阻的制約,還與交流阻抗有關。 這種阻抗稱為感抗(XL=2×π×f×L),並以歐姆 [Ω] 為單位。f為頻率,2×π×f是以l / 秒為單位的角頻率ω,L 是繞組的電感,以亨利 [H] 為單位。
繞組通過磁場感應相互影響,轉子繞組在定子繞組裏產生一個電流,反之亦然。這種相互作用意昧著可以用一個公共環節將兩個電路連接起來,公共環節由勵磁RFe電阻和勵磁電抗Xh構成,馬達用於對定子和轉子勵磁的電流就從中流過。在公共環節上產生的電壓降稱為感應電壓。
馬達運行的情況
到目前所討論的例子中,還沒有考慮負載對馬達的影響。當馬達在其正常運行範圍內工作時,轉子頻率低於旋轉磁場頻率,因而X也減小s(轉差率)倍。
在等效電路中,這種影響是通過轉子電阻除以1 /s來描述的。
R2/s可改寫為R2+R2×1−s1−s,而Rs×就代表馬達上的機械負載。 ss
R2和X2的值代表轉子,R2造成馬達有負載時的熱損耗。
馬達在負載時的等效電路圖
馬達空載時轉差s接近於零,這就意味著R2×(1−s)/s很大,因而在轉子裏幾乎沒有電流。理想情況下相當於電阻(代表機械負載)從等效電路中被去掉了。
當馬達有負載時轉差率s增加,使R2×(1−s)/s減小,因此當負載增加時,轉子裏的電流I2也隨之增加。
空載運轉(a)與馬達堵轉(b)
因此,等效電路圖對異步馬達是行之有效的,而且在很多睛況下可用於描述馬達狀況。 有一種危險的傾向,就是感應電壓 Uq能被誤認為是端電壓,這是因為為了更好的把握馬達的不同狀態,等效電路圖被簡化了。然而應當記住,只有在空載時感應電壓才接近等於端電壓。
如果負載增加,I2以及I1,就會增加,因而需要考慮電壓降。這一點對於變頻器控制的馬達尤其重要。
改變速度
馬達轉速n取決於旋轉磁場速度,可表示為 s=n0−nn0其中 n=(1−s)×f/p 因此要改變馬達速度,可以改變:
● 馬達極對數p(如變極馬達)
● 馬達轉差率s(如繞線式馬達)
● 馬達電源的頻率f
改變馬達速度的各種可能性
改變極對數
旋轉磁場的速度與定子的極對數有關。對於二極馬達,電源頻率為50 Hz時旋轉磁場的速度為3000 rpm(轉/分);而對於四極馬達,旋轉磁場速度為1500 rpm。
變極馬達轉矩特性
變極馬達一般有兩種極對數,原因是定子溝槽中的繞組佈線形式不是按Dahlsnder繞組方式就是按兩個獨立繞組的方式。對於多極馬達,繞組類型可以結合。
定子繞組進行切換就可改變極對數,從而改變轉速。
通過從低極對數(產生高速)變換到高極對數,馬達的實際速度會大幅度下降。例如從1500 rpm到750 rpm。如果切換速度很快,馬達會經歷一個發電階段,從而在馬達及機械裝置上產生較大的負載。
轉差率控制
改變轉差率來改變速度有兩種方式:改變提供給定子的電壓或干預轉子。 改變定子電壓
異步馬達的轉速可通過調節電源電壓來控制,而無需改變頻率(例如使用緩衝啟動器)。這種方法之所以可行是因為馬達轉矩與電壓的平方成正比。
如轉矩特性(機械特性)所示,穩定運行點只可能位於運行段(nk
改變定子電壓(轉差率控制)時的轉矩特性
轉子控制
干預轉子有兩種可能的方式:在轉子電路中增加電阻,和將轉子電路用串級的方式與其他電器或整流電路相連。因此轉子控制只適用於繞線式馬達,因為只有這種設計能實現對轉子繞組的處理。 改變轉子電阻
將轉子集電環與電阻器連接,增加轉子的功率損耗,從而導致轉差值增加,轉速下降,這樣就實現了對馬達轉速的控制。當轉子電路中串有電阻時,馬達的轉矩特性也會改變。 如下圖所示,臨界轉矩保持不變,在負載相同時,不同的特性有不同的轉速。預先設定的轉速還隨負載變化。如果負載下降,速度就會朝同步轉速增加。轉子電阻是可變的,而重要的是應當使運行溫度基本不變。
轉子串電阻時的轉矩特性
串級耦合
轉子電路通過集電環不是與電阻串聯,而是與直流裝置或可控整流電路相連。直流裝置向馬達轉子電路提供一個附加的可調電壓,從而影響轉速和轉子的磁化。這種技術主要應用於電氣化鐵路系統。直流裝置可用可控整流電路來代替,在這種情況下,應用範圍局限於泵、風機類等機械。
典型的串級電路
頻率調節
採用可變的電源頻率可以不增加損耗就能控馬達轉速。磁場的旋轉速度隨頻率而變化。馬達轉速與旋轉磁場成比例地改變,為了維持馬達轉矩,馬達電壓必須隨頻率同步變化。 在負載給定時,有下列公式:
P × 9550η××U×I×cosϕ×9550U
==k××I
nff×P
T =
T≈
U×I f
對於恒定的電源電壓和頻率之比,馬達額定運行範圍內的勵磁也是恒定的。
採用電壓/頻率控制的轉矩特性
但是在兩種情況下勵磁並不理想:在啟動階段和很低頻率時,需要額外地增加勵磁;帶可變負載運行時,應當能夠使勵磁對應與負載而改變。
馬達的等效電路
額外增加的啟動勵磁
考察電壓降U和感應電壓Uq Uq的關係是很重要的。 端電壓:U = + = R1 + + 定子感抗:X1=2×π×f×L
馬達是按其額定值設計的。例如,在 U1= 400V,f = 50Hz時,馬達的勵磁電壓可以是 = 370V。這就是最佳的勵磁。
電壓與頻率之比為:400 / 50 = 8 [V]/[Hz]
如果頻率下降為2.5 Hz,電壓就是20V。在這樣低的頻率下,定子感抗X1也變得很小,對整個電壓降沒有甚麼影響,所以電壓降僅僅由R1決定。由於馬達電流是由負載決定的,所
以R1上的壓降約等於其額定值,約20V。
現在端電壓與定子電阻R1上的壓降相對應,因此沒有電壓用於馬達的勵磁。這樣在低頻時,若壓頻比保持不變,馬達就無法產生轉矩。所以在啟動和低頻階段對電壓降進行補償是很重要的。
隨負載而變化的勵磁
在低頻和啟動時對馬達施加了額外勵磁補償後,輕載運行時則會發生過勵磁。這種情況下,定子電流I1將下降,而感應電壓Uq將會上升。
馬達將產生更大比例的無功電流,導致毫無意義的發熱。因此勵磁應當使馬達電壓自動對應於負載而變化。
為了實現最佳勵磁,必須同時考慮頻率和負載的變化。
馬達數據
所有的馬達部有一個永久性的銘牌,列出全部關鍵數據,更詳細的數據通常可以在馬達目錄中查到。
馬達銘牌
例:兩極15 kW馬達的銘牌一般包含下列數據:
1. 馬達有三相,適用於50 Hz的電源;
2. 當馬達與所要求的電源相連時,共額定輸出為15 kW,也就是說,馬達至少可提供15 kW的輸出功率。異步機的額定輸出已形成標準系列,用戶可根據其不同用途隨意選擇。例如標準輸出功率為:
馬達輸出系列
在衡量馬達輸出功率時,馬力(HP)現在已很少使用,其換算關係如下:1 HP = 0.736 kW。
3-4. 定子繞組可接成“三角形”或“星形”。
如果電源電壓為400V,必須將繞組接成“星形”馬達電流為每相27.5A。如果電源電壓為230V,則繞組必須按“三角形”連接,馬達每相電流為48.7A。在啟動時,電流比額定值高出4-10倍,有可能使電源負荷過重,因此電力公司頒佈了法規,要求減少大型馬達的啟動
電流。這可以通過例如將馬達按星形連接啟動然後轉換成三角形連接運轉來實現。
星形(Υ)和三角形(∆)連接時的馬達轉矩和電流
星形連按時,馬達的轉矩和電流都減小到1/3,因而不能滿載啟動。設計有星形連接的馬達如果滿載時沒有切換到三角形連接,就會超載。
5. 馬達防護等級表示馬達外殼對液體和異物進入的防護程度。
下圖給出了國際標準IEC Publication 34-5所使用的規定。防護等級由兩個字母IP
(International Protection)和兩位數表示。它們用於規定對接觸和異物(第一位數)以及對液體(第二位數)的防護水平。如果有必要,還可以增加字母。IP編碼的基本格式如下:
編碼字母
第一位(0-6)防接觸和異物 第二位(0-8)防水
附加字母A, B, C, D(供選擇) 輔助字母H, M, S, W(供選擇)
另外還應注意:
● 如果其中一位元數位不需要,可用字母“Ⅹ’’代替; ● 附加或輔助字母無需任何替代物就可去掉; ● 若需要不止一個輔助字母,必須按字母順序排列。
防接觸
0 無防護 1 防手背接觸 2 防手指接觸 3 防工具接觸 4 防導線接觸 5 防導線接觸 6 防導線接觸
第一位
防異物 無防護
防直徑50mm異物 防直徑12.5mm異物 防直徑2.5mm異物 防直徑1mm異物
防塵 防塵
--- ---
第二位 防水 無防護
防垂直下落水滴 防按15流下水滴 防按60o噴灑的水 防所有方向噴灑的水
防水流 防強水流 防短時水浸泡 防永久性水浸泡
按IEC 34-5標準馬達防護一覽表
下列供選擇的附加字母,表示避免人接觸有害部件的防護: - 手背 字母A - 工具 字母C - 手指 字母B - 導線 字母D
供選擇的附加輔助字母表示運行設備受到保護,並提供下列有關輔助資訊:
- 高電壓裝置 - 運行時防水檢驗 字母H - 靜止時防水檢驗 字母M - 氣候條件 字母S
字母W
對於運行設備防塵(第一位數位為5)的情況,並不能完全阻止塵埃進入,但只允許少量塵埃進入,設備可以繼續運行,不會影響安全性。
防水保護的數字最高為6,也就是說所有較低數字所對應的要求也已經滿足。標有IPX7(短時浸泡)或IPX8(永久性浸泡)的運行設備並不一定需要另外滿足防水流IPX5或防強水流IPX6的要求。如果兩方面都需要滿足,則應當給運行設備加上雙重標識,例如IPX5/IPX7。 例:IP65表示馬達可以隨便接觸,且對塵埃和水流防護良好。
,可分為兩部分:有功電流IW和無功電流IB。cosϕ6. 馬達所吸取的額定電流Is稱為視在電流
表示在額定運行狀態下有功電流在馬達電流中所占的百分比。有功電流轉化為馬達軸上的輸出,而無功電流表示建立馬達磁場所需要的功率。當隨後將磁場去掉時,勵磁功率就被回饋到電源。
“無功”這個詞表示電流在導線中來回流動但對軸輸出功率沒有任何貢獻。
從電源輸入到馬達的視在電流並非等於有功和無功電流的簡單疊加,原因是這兩個電流有時間差,差值由電網電源的頻率來決定。頻率為50 Hz時,電流時間差為5毫秒。因此需要採用幾何加法:
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Is=IW+IB
兩個電流可以看作是一個直角三角形的兩個邊、其斜邊為直角邊平方之和的平方根(根據幾何定理)。ϕ 是視在電流與有功電流之間的夾角,cosϕ就是兩者的比值:
cosϕ=IW/Is
還可以將 cosϕ 看作有功功率P和視在功率S之比: cosϕ=P/S