第一步:準備線圈和鐵芯。其中線圈作為電路的載體,提供通電導體;鐵芯作為磁路的載體,提供電磁鐵。
第二步:把線圈繞成一圈圈(繞組)套在鐵芯上后,固定在機殼上稱為 定子 ,另一組可以用線圈繞成繞組(繞線式),也可以用導條做成籠子(鼠籠式),套在軸承上稱為 轉子 。裝配在一起組成電機,定子與轉子中間留有氣隙。
第三步:給定子的三相繞組通三相對稱交流電,則這個通電導體在電機氣隙里就形成了旋轉磁場,因為交流電的頻率為f(一般為50Hz),所以在一個極對數(P=1)情況下,這個旋轉磁場的轉速就是一秒鐘轉50個2π弧度(360°,一圈),可以知道,旋轉磁場的轉速n0=60f/P(轉/分鐘),稱之為同步轉速。
第四步:現在定子產生的磁場在旋轉,所以轉子被迫切割磁感線,在轉子的導條上就感應出電動勢,根據右手定則,可以判斷出轉子導條上電流的流動方向,轉子導條變成通電導體,根據左手定則,可以得出導條受到力的作用的方向,可以看出來,此時轉子的受力方向和磁場的旋轉方向一致。
第五步:轉子開始旋轉,假設它轉到和磁場旋轉的轉速(也即同步轉速)一樣快,此時導條不能切割磁感線,轉子不再受力,所以轉子的轉速n(電動機的轉速)接近同步轉速而又小于同步轉速n0,兩者有一個轉速差,差的程度我們用轉差率來描述,轉差率s=(n0-n)/n0。所以感應電機是異步電機。
第六步:現在轉子能轉起來了,總不能空轉吧,我們給它帶負載轉,比如說電葫蘆,電風扇葉啥的,可是給它帶多大的負載合適呢?我們需要知道它的額定輸出功率和輸出轉矩,現在**輸入電功率(P1=3U1pI1p*cosφ=√3*U1l*I1l *cosφ )我們是知道的,只要知道哪些是被損耗了,就能知道輸出功率P2了。
第七步:我們看到感應電機和變壓器幾乎一樣,都是靠電磁感應工作,這里就套用變壓器的分析方法來分析感應電機,先畫出感應電機的T型等效電路,變壓器那里二次側負載歸算到一次側用的是匝數比歸算,即R2’=k2*R2,感應電機這里用轉差率歸算為R2’/s,我們分解為:R2’/s=R2’+(1-s)/s* R2’,這樣分解成轉子銅耗部分和機械消耗部分,T型等效電路如下:
第八步:這樣,我們就能計算了,下面我們統一采用相電壓和相電流計算, 輸入電功率P1=3U1I1*cosφ。定子銅耗:Pcu1=3*I12*R1,
因為轉子轉速和旋轉磁場的相對轉速小,所以轉子鐵耗可以忽略,鐵耗約為:Pfe=3I02Rm,這樣輸給轉子的電磁功率Pe=P1-Pcu1-Pfe,這是從定子這一端看的,從轉子這一端看,電磁功率Pe=3*I22*R2’/s,如第七步所述,這部分功率分解為轉子銅耗和機械消耗,Pe=Pcu2+Pm,其中Pcu2=3*I22*R2’=sPe,Pm=3*I22*R2’*(1-s)/s=(1-s)Pe?,F在我們知道轉子的機械功率了,減掉空載損耗P0,剩下的就是給負載的輸出功率P2了,P2=Pm-P0=P1-Pcu1-Pfe-Pcu2-P0。功率流程如下,小口訣:“輸入電磁機械出”。
第九步:當我們得到了電機的輸出功率,那顯然,輸出轉矩T2=P2/Ω,Ω為角速度x1rad/s,轉速n的單位為x1r/min=x2π rad/60s。Ω/n≈9.55,所以 T2=9.55*P2/n ,其他像電磁轉矩Te、空載轉矩T0都與之雷同。
第十步:現在,裝上合適的負載,配上控制回路,我們就可以控制電機了,按下電機啟動按鈕,我們發現,電機的啟動電流很大,啟動電流Ist=(5.5~7)*In,忽略勵磁支路的影響,則它的啟動電流為Ist=U1/丨Z丨=U1/√(R12+R2’2)+(X12+X2'2)。
第十一步:要避免電機頻繁啟動過熱和對電力系統的沖擊,需要減小啟動電流,對于轉子為繞線式的,我們完全可以在轉子電路串電阻來減小啟動電流,此時 臨界轉差率Sm增加(Tm最大時的轉差率),而最大電磁轉矩Tm不變 。而對于鼠籠式,因為轉子無法串電阻,假如電機容量小,就直接啟動,對于電機容量大的鼠籠電機,需要在定子端降壓啟動,減壓啟動的方式包括:定子串電阻啟動,自耦變壓器啟動,Y-△啟動,延邊三角形啟動。
第十二步:定子串電阻,利用電阻來分壓很好理解,自耦變壓器變壓時,設變壓器變比為Ka,要降壓顯然Ka<1,Ka=U1/Un,I=U2/R,T∝U2,所以 Ista=Ka2*Ist;Tsta=Ka2*Tst。重點看最常用的Y-△啟動,Y型啟動時,我們學過,Ul=√3*Up,(且超前Up30°),Il=Ip,此時IstY=Ul/(√3*丨Z丨),△運行時,Ul=Up,Ist△=√3*Ip=√3*Ul/丨Z丨;顯然, IstY=Ist△/3 ,由T∝U2, TstY=Tst△/3 ,(這里可以類比Ry=R△/3來記憶,外大內?。?。至于延邊三角形啟動,則是星三角啟動和自耦變壓器啟動的結合。
第十三步:電機解決啟動電流過大問題順利啟動后,電機處于平穩運行狀態,給它帶不同的負載,觀察它的運行特性如下:
可以看出,隨著負載增加,轉速基本不變,效率和功率因素到50%后也變化很小,但是電磁轉矩和定子電流會增加,相當于負載增加了,需要的能量和力量要變大才能帶起來。
第十四步:現在我們還需要能調節它轉的快慢,根據前面的n0=60f/P,s=(n0-n)/n0,可得:n=(1-s)*60f/P ,所以可以通過改變P,f,s來調速,極對數P為離散型變量,所以調P稱為有級調速,調f或s為無級調速。以調s為例,這里常用的為繞線式異步電機轉子串電阻調速,轉子串入電阻R2,臨界轉差率Sm增加,最大電磁轉矩Tm不變,即 **Sm∝R2’,根據轉矩平衡,S/Sm= (R2'+Rs') /R2';而Tm與R2’無關,但增加R2’,轉速下降,而啟動轉矩增加,所以適用于起重機調速。
第十五步:現在我們能調速了,假如遇到緊急情況,怎么讓電動機停下來呢?就是怎么給電機"踩剎車"?第一種,切斷電源,把定子繞組接到直流電上,產生靜止的磁場,n0=0, n>n0,s<0,此時如果有能量能一直推動轉子轉動,則感應電機將一直感生出電動勢,處于發電機狀態。 如果沒有外在能源,Te與n反相,電機停機,稱為 能耗制動。 或者我們改變輸入電源的任意兩相,n0與n反相,設n0為正,則此時 n<0,s>1,電機處于電磁制動狀態 ,稱為 反接制動。 又或者電源不變,n0不變,但是給個外在的動力給轉子,使得 n>n0,s<0 ,此時n與T也反相,稱為回饋制動。
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