不同轉子電機異步運行特性對比探析

夏青++鮑巖

摘 要：實驗表明，永磁電機在正弦波供電時振動噪聲的頻率主要集中在低頻段，而變頻器供電的永磁電機其振動噪聲頻率主要分布在開關頻率及其倍數附近。因此，要抑制變頻器供電永磁電機的振動噪聲主要應從開關頻率附近的諧波入手，消除或削弱這些諧波對電機的影響。

關鍵詞：不同轉子；異步電機；復數電壓

同步電機一般作為發電機，它是用直流電產生的磁場不是用鐵磁材料。異步電機是靠定子產生旋轉的磁場，啟動時候轉子不轉，定子磁場旋轉，轉子就切割磁感線了，切割后轉子才產生了電流，在磁場中受力旋轉，但是轉子速度一直低于定子磁場，這樣才能切割磁感線，所以叫異步電機。做成鼠籠可以切割磁感線，但不要誤以為只有鼠籠才能切割。要明白切割磁場的目的是什么，是產生電流。如果定轉子都有電流是可以不切割的。

一、異步電機運行原理

異步電動機的定子上裝有一套在空間上對稱分布的三相繞組AX、BY、CZ。當給這三相繞組通以交流電時，則在定轉子氣隙中產生磁場。此磁場在任何瞬間都是三相繞組各磁場的總和。通過右手定則對不同瞬間電流與磁場方向的關系可知，合成磁場FΣ的方向與電流為最大值那一相繞組的軸線方向一致。因此隨著電流最大值依次由A相→B相→C相→A相等順序變化，合成磁場的方向也依次指向A相→B相→C相→A相等各相繞組的軸線方向。這就是說，這個合成磁場是一個“旋轉磁場”。其旋轉速度n0（同步轉速）與交流電源頻率成正比，而與磁場極對數成反比。由于旋轉磁場的作用，轉子導體切割磁場磁力線而產生感應電勢，這個感應電勢使閉合的轉子導體產生電流，通電導體在磁場中又受到一個力的作用，這個作用在導體上的力，將使異步電動機旋轉。根據右手定則可知轉子閉合導體電流的方向。再根據左手定則可知轉子導體受力方向。此作用力產生的轉矩XTD將克服阻力矩Mfz，使電機加速到電動力矩等于阻力矩為止。

二、異步電動機的運行特征分析

與直流電動機相同，三相異步電動機也可工作于兩大運行狀態，即電動運行狀態和制動運行狀態。在交流電力拖動系統運行時，拖動不同負載的條件下，改變異步電動機電源電壓的大小、相序及頻率，或者改變繞線式異步電動機轉子回路所串電阻等參數，三相異步電動機可以運行在四個象限的各種不同狀態。

（一）電動運行

電動運行狀態的特點是電動機轉矩T的方向與旋轉的方向n相同，在第I及第III象限繪出了電動狀態下電動機的機械特性。第I象限電動機工作在正向電動狀態，第III象限相當于電動機改變相序后，工作在反向電動狀態。在電動狀態下運行，電動機由電網吸取電能，變換為機械能帶動負載。

（二）制動運行

與直流電動機相同，異步電動機也可工作于回饋制動、反接制動及能耗制動三種制動狀態。其共同的特點是電動機轉矩T與轉速n的方向相反，以實現制動。此時電動機由軸上吸收機械能，并轉換為電能，或消耗在電阻中，或反饋回電網。當異步電動機由于某種原因，例如位能性負載的作用，使其轉速高于同步速n1，轉差率s<0，轉子感應電勢sE2反向，轉子電流的有功分量It2cosφ2也反向，而轉子電流的無功分量方向則不變，由相量圖可以看出，定子電流也相應改變，U1和I1間的相位差角φ1>90?，此時定子功率P1=m1U1I1cosφ1為負，即定子繞組將電能回饋電網。同時轉差率s<0，電磁轉矩T<0，電磁轉矩的方向和轉向相反，在轉子軸上產生制動轉矩。綜上所述，當轉速高于同步速時，電動機處于回饋制動運行狀態?；仞佒苿訝顟B一般用于位能性負載下放，以獲得穩定的下放速度，或異步電動機變極調速由少極數變為多極數時發生。

（三）反接制動

轉速反向的反接制動（或稱倒拉反轉制動），轉速反向的反接制動與直流電動機的電勢反接制動相似。異步電動機帶位能性負載，按正轉接線，轉子回路串入較大電阻Rf，機械特性的最大轉矩點到了第IV象限。當接通電源，電動機的起動轉矩的方向與重物G產生的負載轉矩相反，而且Tst1，隨著|-n|的增加，s、I2及T均增大，直到轉矩增至T=TZ，轉速穩定為-n2，此時重物以等速下降，穩定運行點在第IV象限的B點，機械特性在第IV象限的部分（用實線表示）即為異步電動機轉速反向的反接制動。這種制動與前述回饋制動一樣，可用于起重機的重物下放，這也屬于一種穩定運行狀態。電動機在反接制動狀態時，它由軸上輸入機械功率（s >1， P2為負），同時，定子又通過氣隙向轉子輸送電功率，這兩部分合起來消耗在轉子電路的總電阻R2+Rf中。

（四）能耗制動

異步電動機原在A點運行，相應于電路圖中S1閉合，S2斷開。為了迅速停車，開關轉換，即當S1斷開，電動機脫離電網時，立即將S2接通，則在定子兩相繞組中通入直流電流，在定子內形成一固定磁場。當轉子由于慣性而仍在旋轉時，其導體即切割該磁場，在轉子中產生感應電動勢和轉子電流。根據左手定則，可以確定出轉矩方向與轉速方向相反，即為制動轉矩?？梢宰C明，能耗制動的機械特性與定子接三相交流電源運行時的機械特性很相似，是一條具有正、負最大值，過n=0點的曲線，能耗制動的機械特性曲線在第II象限。如果以轉子不外串電阻，定子直流勵磁電流為某一定值時的曲線1為基準，如果增大轉子回路所串電阻而直流勵磁電流不變時，最大轉矩不變，產生最大轉矩的轉速增加。如果轉子回路所串電阻不變而直流勵磁電流增大時，最大轉矩增大，產生最大轉矩的轉速不變。

三、結束語

結果表明，異步運行時轉矩隨轉速的變化與普通異步電機不同，特性曲線上出現一個凹點，實際應用中工作點應避開凹點處。從調速性能來看，公共端環轉子具有寬廣的串電阻調速范圍。

參考文獻：

[1]熊光煜.無刷雙饋電機時步有限元分析[J].中國電機工程學報，2014.

[2]姜建國.籠型轉子無刷雙饋電機的無功功率和穩定性[J].電工技術學報，2015.