異步電機課內(nèi)實驗電氣參數(shù)挖掘及應用*

張新聞 劉凡齊 王君瑞

摘? 要? 異步電機交流繞組磁場是電機學課程教學中的一個難點，其特點是理論性強、概念抽象。通過設計電機繞組電流采樣電路，將不同時間點電流磁場變化繪制成靜態(tài)圖片，以動態(tài)形式展示其變化特點，歸納定轉子繞組合成磁場的變化規(guī)律，對增強異步電機交流繞組磁場教學效果具有一定的參考作用。

關鍵詞? 電機學；異步電機實驗系統(tǒng)；電氣參數(shù)；電機實驗室

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）15-0145-04

0? 引言

電機學是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，也是一門承上啟下的平臺課程，在電氣工程類專業(yè)教學中占有十分重要的地位[1-3]。由于電機學理論性強、概念抽象，且與電、磁、機械結構等知識綜合在一起，一直是該專業(yè)公認的一門較難理解的課程，異步電機部分則是該課程中公認較難理解的部分[4-5]。為增強學生對異步電機相關知識點的理解與掌握，一般學校均開設與之相關的課內(nèi)實驗，對課程相關理論知識進行實驗驗證。通常情況下，大部分普通高校電機實驗室建設受建設經(jīng)費約束或出于設備利用率考量，很少配置觀測相關電氣參數(shù)變化的示波器，或配備了滿足實驗要求的功能性示波器，卻沒有配置價格昂貴的電流探頭。

為增強課程授課效果，本文設計異步電機定轉子繞組電流檢測電路，將電流信號轉變?yōu)楸阌跍y量的電壓信號，通過示波器等設備，將定轉子電流幅值、頻率、磁場變化等信息制作成視頻與動畫，作為課堂講授素材，使異步電機交流繞組磁場變化規(guī)律的講解變得生動具體、易于理解。

1? 異步電機實驗系統(tǒng)

通常情況下，異步電機實驗系統(tǒng)由異步電機本體、直流發(fā)電機（異步電動機負載）、滑動變阻器、轉速表、有功無功功率表與交流電壓電流表構成。

1.1? 原實驗場景

學校電機實驗設備型號為浙江求是科教設備有限公司的NMEL-П，其繞線式異步電機實驗系統(tǒng)與各功能部件如圖1所示。為使實驗場景圖面清晰，電機參數(shù)測量儀表模塊沒有接入系統(tǒng)。通過實驗，學生可以了解異步電機轉矩、轉速、定轉子電流、功率等參數(shù)之間的關系，但對異步電機定轉子繞組電流頻率及其變化特點沒有直觀感受，因而很難理解定轉子磁場的變化規(guī)律。

1.2? 繞組電流采樣

為了將異步電機定轉子電流變化規(guī)律直觀地展示，本文設計的定轉子繞組電流采集電路原理如圖2所示。圖中，VDD、VEE表示霍爾電流傳感器與運算放大器工作所需±12 V電源，霍爾電流傳感器（50 A/5 mA）將定轉子電流轉換為小電流信號iA（a），iA（a）再流經(jīng)電阻R1，將繞組電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，電阻值遠大于R1的電阻R2與R3再對此電壓信號進行分壓調(diào)整，具體如式（1）所示：

由式（1）得到的信號再經(jīng)過射極跟隨器與低通濾波器調(diào)理，轉化為適于微處理器處理的信號uA（a），如式（2）所示：

式中，s=jω，ω為iA（a）或uin的角頻率。

根據(jù)異步電機定轉子繞組電流信號采集原理，搭建圖3所示異步電機定轉子電流轉變?yōu)殡妷盒盘柕膶嶒炿娐罚ú⒕W(wǎng)換流器信號處理板改造）。圖中，由霍爾傳感器得到的iA（a）經(jīng)過圖2所示電路轉換為uA（a），uA（a）再經(jīng)過電壓抬升電路送至微處理器或外接數(shù)據(jù)采集器完成數(shù)據(jù)采集，同時通過導線接至示波器電壓探頭。

1.3? 改進實驗的場景

在前文工作基礎上，利用實驗室配置的功能性示波器，新的異步電機實驗場景如圖4所示。圖中，改進實驗系統(tǒng)除了能夠完成圖1所示異步電機實驗，還可以通過示波器觀測定轉子繞組的電流變化規(guī)律。此外，由采集電路得到定轉子繞組電流數(shù)據(jù)，可繪制出圖5所示波形。圖中，異步電機定轉子繞組電流均為正弦交流，但二者頻率不同，這為下文定轉子磁場變化規(guī)律的分析提供了實際依據(jù)。

2? 定轉子繞組磁場規(guī)律

沿異步電機定子鐵芯軸截面空間分布的三相對稱繞組如圖6所示，圖中AX、BY、CZ分別表示電機三相定子繞組，其進出線端分別為A、B、C與X、Y、Z，黃、綠、紅三色虛線段分別表示繞組AX、BY、CZ的磁極軸線，相鄰相之間的磁極軸線夾角互為120°。? ? ? ? ? ?為分析三相異步電機空間對稱繞組時間周期內(nèi)通過對稱電流的磁場變化規(guī)律，根據(jù)圖5所示異步電機定子繞組電流采樣數(shù)據(jù)，繪制一個完整時間周期的波形，如圖7a所示，并將其視為A相電流，B與C相電流依次滯后120°。根據(jù)三相定子繞組不同采樣時間點獲得的數(shù)據(jù)，利用Visio軟件繪制出t=[2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20]（單位為秒）時異步電機三相定子繞組磁極軸線處磁感應強度隨時間變化的示意圖，具體見圖7b、圖7c、圖7d。由圖可知，各相定子繞組磁場幅值和極性隨其電流脈振變化。

圖7e繪制出各時間點三相定子繞組磁場疊加后的變化規(guī)律，可知每個時間點的合成磁場幅值不再變化，但合成磁場的軸線隨時間而不停轉動，且由A相磁極軸線→B相磁極軸線→C相磁極軸線。定子繞組電流時間域內(nèi)變化一個周期，即360°；三相合成磁極軸線沿定子鐵芯軸截面轉過一周，也即360°。如果將每個時間點的磁場視為視頻圖像的幀，通過Authorware軟件編程，將Visio繪制的磁場變化圖片作動態(tài)連續(xù)播放，發(fā)現(xiàn)三相定子繞組合成磁場是勻速旋轉的圓形磁場，且合成磁場轉向由電流超前繞組轉向電流滯后繞組。

如果把異步繞組定子鐵芯軸截面均勻分成p份，每一份均按A→B→C相序均勻布置三相繞組，則相鄰相之間的磁極軸線空間夾角如式（3）所示：

定子電流變化時，合成磁場的軸線隨著時間變化仍由A相磁極軸線→B相磁極軸線→C相磁極軸線勻速移動，定子電流時間域內(nèi)變化一個周期，合成磁場將沿定子鐵芯軸截面轉過3α角度。為了與時間域內(nèi)的電流變化規(guī)律對應，簡化電機運動過程的繁雜描述，研究者將3α空間角度定義為360°的電角度。

綜合上述分析，假設異步電機定子電流頻率為fstator，合成磁場相對于定子的轉速表達式如式（4）所示：

異步電機帶負載工作時，旋轉的定子合成磁場切割轉子才能在轉子回路中產(chǎn)生正弦交流電流，進而產(chǎn)生電磁轉矩帶動轉子運動。設轉子相對于定子的轉速為nrotor，則定子繞組合成磁場切割轉子的速度為nstator_field-nrotor，可知轉子繞組中的電流頻率frotor為：

如同沿定子鐵芯軸截面對稱分布的定子繞組中通以時間周期內(nèi)對稱的電流，穩(wěn)態(tài)運行條件下，沿轉子鐵芯軸截面對稱分布的轉子繞組被定子合繞組成旋轉磁場切割時，其各相繞組電流在時間周期內(nèi)也是對稱的，故而轉子繞組產(chǎn)生的合成磁場也是幅值不變且勻速運動的，且運動方向由感應電流超前繞組相轉向滯后相。若以定子運動狀態(tài)為參考，轉子繞組合成磁場轉速為其相對于轉子的轉速與轉子轉速之和，即式（6）所示：

將式（5）帶入式（6），可得式（7），即轉子繞組產(chǎn)生的合成磁場與定子繞組產(chǎn)生的合成磁場轉速相同，方向一致。

nstator_field=nrotor_field? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

3? 結論

根據(jù)學校電機實驗室現(xiàn)有條件，設計電流采樣電路，將異步電機定轉子繞組電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，其幅值、頻率等信息呈現(xiàn)于示波器，可直觀感受異步電機電氣參數(shù)的物理含義，并進一步根據(jù)采集的電流數(shù)據(jù)，利用相關軟件，制作定子各相繞組及其合成磁場隨時間變化的動畫視頻，進一步剖析定轉子繞組合成磁場的變化規(guī)律。通過對異步電機實驗電氣參數(shù)的挖掘，并將其應用于課堂理論教學，實踐證明，該方法可使異步電機相關知識點更容易被學生理解與接受。

參考文獻

[1] 戈寶軍.電機學[M].3版.北京：中國電力出版社，2016.

[2] 閻治安，崔新藝，蘇少平.電機學[M].3版.西安：西安交通大學出版社，2016.

[3] 李發(fā)海，王巖.電機與拖動基礎[M].4版.北京：清華大學出版社，2019.

[4] 王昊.基于解析法的交流電機電樞繞組磁動勢研究[J].實驗科學與技術，2020，18（3）：18-21.

[5] 鄧惟滔，李湖勝.三相交流電動機繞組合成磁動勢的方法研究[J].電氣電子教學學報，2019，41（5）：92-93，127.

*項目來源：北方民族大學校級重點教研項目“多功能電力電子實驗與實訓裝置的研制”（基金編號：JW2020013）。

作者：張新聞，北方民族大學電氣信息工程學院，副教授，研究方向為現(xiàn)代電力電子技術及應用；劉凡齊，北方民族大學電氣信息工程學院，講師，研究方向為現(xiàn)代電力電子技術及應用；王君瑞，北方民族大學電氣信息工程學院，教授，研究方向為現(xiàn)代電力電子技術及應用（750021）。