直觀理解異步機矩差特性

程小華

(華南理工大學電力學院,廣東廣州 510640)

0 引言

本文把“異步電動機”簡稱為“異步機”,把“電磁轉矩-轉差率特性”簡稱為“矩差特性”,把“功率因數”簡稱為“功因”。

異步機的矩差特性是一個非常重要的特性,電機學文獻[1～13]對之都有嚴謹的論述。然而,事情總有另一面。嚴謹的另一面,就是太抽象,不直觀,也可以說太數學化,不能直視物理本質。因此,本文試圖從直觀的角度,亦即物理的角度,來看待異步機的矩差特性,以彌補抽象之不足。

本文先提出異步機的兩個新的等值電路—兩并電路和兩串電路;然后,就這兩個電路分別探討異步機矩差特性的變化規律;最后,給出異步機矩差特性的直觀描述。

本文僅討論一般的籠式異步機。

1 異步機兩個新的等值電路—兩并電路和兩串電路

異步機兩個新的等值電路——兩并電路和兩串電路,如圖1所示。

圖1 異步機兩個新的等值電路—兩并電路和兩串電路

2 轉子高阻階段的各種特征

2.1 高阻階段的轉子功因

參見兩并電路,s∈(0,sN],由于s很小,所以有

(1)

2.2 高阻階段的轉子有功電流

參見兩并電路,有轉子有功電流(腳標a代表active,有功的意思)

(2)

(3)

2.3 高阻階段的電磁轉矩

由電磁轉矩的物理表達式Tem=CTΦmI2a可知,電磁轉矩的變化規律與轉子有功電流的變化規律相同,即,與轉差率成正比。

3 轉子低阻階段的各種特征

3.1 低阻階段的轉子功因

(4)

由式(5)可知,cosψ2隨s的增大而單調減小,而且,由于sN很小,在區間[sN,1]的左端,cosψ2很大,約等于1,在區間[sN,1]的右端,cosψ2很小。

按文獻[2]第229頁給出的數據計算,有

可見,當s在區間[sN,1]內從左到右時,cosψ2從近似為1單調減小到0.2左右。

3.2 低阻階段的轉子有功電流

在區間[sN,1]靠近左端的部分,s仍然很小,cosψ2和I2a仍然延續高阻階段的特征,即cosψ2約等于1,I2a與s成正比。

在區間[sN,1]靠近右端的部分,s已經很大,cosψ2已經變得很小,I2a也變得很小。

這就說明,當s在區間[sN,1]內從左到右時,I2a的變化規律是先增后減,中間某點達到最大值。

3.3 低阻階段的電磁轉矩

由電磁轉矩的物理表達式Tem=CTΦmI2a可知,電磁轉矩的變化規律與轉子有功電流的變化規律相同,即,當s在區間[sN,1]內從左到右時,Tem先增后減,中間某點達到最大值。

4 異步機矩差特性的直觀理解

4.1 總的變化規律

綜前可知,矩差特性中s從0到1的整個過程,可以分為兩個階段:高阻階段和低阻階段。高阻階段的變化規律是:線性急升;低阻階段的變化規律是:上坡下坡,中有坡峰。

綜合前面的討論,可以畫出異步機矩差特性如圖2所示。

圖2 異步機矩差特性的分段直描

4.2 對異步機矩差特性坡峰的直觀理解

第一步,改畫兩串電路。

圖3 異步機兩串電路之改畫

由Tem=CTΦmI2a即知Tmax、I2a·max兩者等價。

(5)

4.3 對異步機起動轉矩很低的直觀理解

在靠近起動的低阻階段,由于轉子功因很小,雖然轉子電流很大,低阻階段越靠近右端,電磁轉矩越小。所以,異步機的起動轉矩很低。

5 結語

本文描述了對異步機矩差特性Tem-s的直觀理解,簡言之就是,利用電磁轉矩的物理表達式Tem=CTΦmI2a,把Tem-s特性等價為I2a-s特性,然后,直觀理解I2a-s的變化規律。具體而言,有如下五點。

(1)按s把矩差特性分為兩段:0到sN的轉子高阻階段,sN到1的轉子低阻階段。

(5)在靠近起動的低阻階段,由于轉子功因很小,雖然轉子電流很大,低阻階段越靠近右端,電磁轉矩越小。

上述直觀理解,主要基于如下四個要點。

(1)關于整體變化規律:抓大放小,分段簡化,把電路的T接化為簡單的并聯或者串聯,從而應用歐姆定律、功因定義等,直接看出Tem變化規律。