漲姿勢！三相感應電機詳解

世界上三分之一的電力消耗用于驅動泵、風扇、壓縮機、電梯和各種機械的感應電機的運行。交流感應電動機是異步電動機的一種常見形式，其運行取決于三種電磁現(xiàn)象：

電機動作：當鐵棒（或其他磁性材料）懸浮在磁場中使其可以自由旋轉時，它會與磁場對齊。如果磁場在移動或旋轉，鐵棒會隨著運動場移動，以保持對準。

旋轉磁場：通過從交流電源的不同相位驅動每個磁極對，可以從固定的定子磁極產生旋轉磁場。

變壓器動作：轉子繞組中的電流由定子繞組中的電流感應而來，無需從電源直接連接到旋轉繞組。

感應電動機可以看作是帶有旋轉次級繞組的交流變壓器。

旋轉場：

旋轉磁場是由定子繞組的多相勵磁產生的。 在下面的三相電機示例中，當施加到極對 A（第 1 相）繞組的電流通過其峰值并開始下降時，與繞組相關的磁通也開始減弱，但同時 下一個極對 B（第 2 相）的繞組中的電流及其相關磁通正在上升。 同時，通過前一個極對 C（第 3 相）的繞組的電流及其相關磁通將為負值并不斷上升（朝向正值）。 最終效果是，當定子磁極產生的磁通以所施加電壓的頻率繞機器軸從一個磁極旋轉到下一個磁極時，就會產生磁通波。 換句話說，旋轉磁通場對于定子來說表現(xiàn)為圍繞定子旋轉的磁體的北極和南極。

旋轉磁通波的大小與所施加的 MMF 成比例。 忽略轉子繞組中感應電流產生的反電動勢的影響，磁通密度 B 將與所施加的電壓成正比。

變壓器動作：

定子承載電機初級繞組并連接到電源。 通常沒有與承載次級繞組的轉子的外部連接。 相反，轉子繞組被短路。

當電流在定子繞組中流動時，變壓器的作用會在短路的次級繞組中感應出電流。 轉子電流的大小將與氣隙中的磁通密度 B 成正比（以及轉子相對于旋轉場的相對運動，稱為滑差，如下所示）。

扭矩是由感應轉子電流和定子電流產生的氣隙磁通之間的反應產生的。

使用多種轉子類型。 最流行的交流電機使用“鼠籠”轉子，該轉子由固定在導電端環(huán)之間的銅條或鋁條構成，為條中感應的電流提供短路路徑。

由于沒有與旋轉繞組的連接，因此可以消除昂貴的換向器，從而消除潛在的不可靠性來源。

扭矩產生（電機動作）：

當電機首次啟動且轉子靜止時，變壓器的作用會在轉子繞組（導體）中感應出電流。 另一種看待這一問題的方式是，通過較慢移動（最初靜止）的轉子繞組的旋轉磁通的相對運動導致發(fā)電機作用導致電流在繞組中流動。

一旦電流流入轉子繞組，導體上的洛倫茲力就會產生電機動作。 轉子導體中流動的電流與氣隙中的磁通量之間的反應導致轉子沿與旋轉磁通相同的方向旋轉，就好像它被磁通波拖動一樣。

與直流電機類似，感應電機中的扭矩 T 與磁通密度 B 和感應轉子電流 I 成正比。

T = k1 BI

其中 k1 是一個常數(shù)，取決于定子匝數(shù)、相數(shù)和磁路的配置。

由于上述電機動作，轉子速度逐漸增大，但與此同時，旋轉定子磁場和旋轉轉子導體之間的相對運動會減小。 這反過來又減少了發(fā)電機的動作，從而減少了轉子導體中的電流和轉子上的扭矩。 當轉子的速度接近旋轉磁場的速度（稱為同步速度）時，轉子上的扭矩降至零。 因此，感應電動機的速度永遠無法達到同步速度，所以感應電機是異步電機

轉差

旋轉磁場和旋轉轉子之間的相對運動稱為轉差，由下式給出：

S = （Ns- Nr）/Ns

其中 S 是轉差率，Ns 是以 RPM 為單位的同步速度，Nr 是轉子速度。

由于轉子電流與旋轉磁場和轉子速度之間的相對運動成正比，因此轉子電流和扭矩都與轉差率成正比。

轉子電流與轉子電阻成正比。增大轉子電阻會減小電流，增大轉差率；因此，繞線轉子電機可以進行某種形式的速度和扭矩控制。增加轉子電阻還具有減少輸入浪涌電流和增加接通時啟動扭矩的額外好處，但所有這些好處都是以更復雜的轉子設計和不可靠的滑環(huán)為代價的，以提供轉子繞組。

速度

同步速度（RPM）由下式給出：

Ns = 120 (f)/ p

其中 f 是以 Hz 為單位的電力線頻率，p 是每相的極數(shù)。 p 必須是偶數(shù)，因為每個北極都有一個相應的南極。

下表顯示了不同極數(shù)電機在不同交流電源頻率下的電機速度。

電機的實際速度取決于它必須驅動的負載。 增加電機上的負載會導致其減慢并增加滑差。 當電機扭矩等于負載扭矩時，電機速度將穩(wěn)定在平衡速度。 當滑差提供的電流剛好足以傳遞所需的扭矩時，就會發(fā)生這種情況。

速度控制

換桿

早期的機器設計有多個極，以便于通過變極來控制速度。 通過切換不同數(shù)量的極或極的組合，可以獲得有限數(shù)量的固定速度。

可變轉子電阻

然而，感應電動機的速度可以通過改變轉子電阻在有限范圍內變化，如滑差部分所述，但只能通過使用繞線轉子設計，從而抵消了感應電動機的許多優(yōu)點。

變頻

由于電機速度取決于旋轉場的速度，因此可以通過改變提供給電機的交流電源的頻率來實現(xiàn)速度控制。

與大多數(shù)機器一樣，感應電機設計為在其大部分工作范圍內以略低于飽和點的磁通密度工作，以實現(xiàn)最佳效率。

磁通密度 B 由下式給出：

B = k2 V/f

其中 V 是施加的電壓，f 是電源頻率，k2 是取決于定子磁極的形狀和配置的常數(shù)。

換句話說，如果磁通密度恒定，則伏特/赫茲也是恒定的。 這是一種重要的關系，它具有以下后果。

對于速度控制，電源電壓必須與頻率同步增加，否則機器中的磁通將偏離所需的最佳工作點。 因此，基于頻率控制的實用電機控制器必須具有同時控制電機電源電壓的方法。 這稱為伏/赫茲控制。

在不增加電壓的情況下增加頻率會導致磁路中的磁通減少，從而降低電機的輸出扭矩。 減小的電機扭矩往往會增加相對于新電源頻率的滑差。 這反過來會導致定子中流過更大的電流，從而增加繞組上的 IR 電壓降以及繞組中的 I2R 銅損。 結果是電機效率大幅下降。 進一步增加頻率最終將導致電機停轉。

增加電壓而不增加頻率會導致磁路中的材料飽和。 由于繞組中的 I2R 損耗和磁路中的高渦流損耗，會流過過大的電流，從而導致高散熱，并最終因過熱而導致電機故障。 增加電壓不會迫使電機超過同步速度，因為當它接近同步速度時，扭矩會降至零。

變頻通常由逆變器提供。

還要注意，由于轉子中的感應電流與磁通密度成正比，而磁通密度又與線電壓成正比，因此取決于磁通密度和轉子電流的乘積的扭矩與 線電壓V的平方。

發(fā)電機動作

如果感應電機被迫以超過同步速度的速度運行，則負載扭矩超過機器扭矩并且滑差為負，從而使轉子感應電動勢和轉子電流反轉。 在這種情況下，機器將充當發(fā)電機，能量返回到電源。

如果簡單地移除定子勵磁的交流電源電壓，則不可能發(fā)電，因為轉子中不會產生感應電流。

再生制動

因此，在牽引應用中，在采用固定頻率電源供電的機器中，再生制動不可能低于同步速度。然而，如果電機由變頻逆變器供電，則可以通過降低供電頻率來實現(xiàn)再生制動，從而使同步速度小于電機速度。

交流電機可以由微處理器進行精細控制，并且可以將電流再生到幾乎停止，而直流電機的再生能力在低速時會很快消失。

動態(tài)制動

通過反轉一對引線，可以使感應電動機快速停止（和/或反轉），這對引線具有使旋轉波反轉的效果。 這稱為“堵塞”。 還可以通過切斷交流電源并用直流（零頻率）電源為定子繞組供電來快速停止電機。 使用這兩種方法時，能量不會返回到電源，而是以熱量的形式耗散在電機中。 這些技術稱為動態(tài)制動。

啟動

三相感應電機和一些同步電機不是自啟動的，但通過在轉子上引入輔助或“阻尼”繞組等設計修改來克服這個問題。

通常，感應電機在啟動過程中，在速度增加之前會消耗其額定電流的 5 至 7 倍，并且電流會受到反電動勢的影響。 在繞線轉子電機中，可以通過增加與轉子繞組串聯(lián)的電阻來限制啟動電流。

在鼠籠設計中，電子控制系統(tǒng)用于控制電流，以防止損壞電機或其電源。

即使采用電流控制，電機仍然可能過熱，因為雖然可以限制電流，但速度增加較慢，并且浪涌電流雖然減少，但仍維持較長時間。

功率因數(shù)

感應電機汲取的電流有兩個分量，即與控制向負載傳輸功率的電壓同相的電流，以及代表磁路中磁化電流的感應分量，該電流滯后于負載電流 90°。

功率因數(shù)定義為 cosΦ，其中 Φ 是由于同相和異相電流分量導致的電流滯后于施加電壓的凈滯后。 傳遞到負載的凈功率為 VAcosΦ，其中 V 是施加的電壓，A 是流過的電流。

采用各種功率因數(shù)校正方法來減少電流滯后，以避免因功率因數(shù)不良而造成損失。 最簡單的方法是在電機端子之間連接一個大小合適的電容器。 由于通過電容器的電流超前于電壓，因此電容器的作用是平衡電機中的電感元件，從而消除電流滯后。

功率因數(shù)校正也可以在電機控制器中完成。

特征

感應電機的主要優(yōu)點之一是它不需要換向器。 因此，感應電機簡單、堅固、可靠、免維護且成本相對較低。

它們通常是恒速設備，其速度與電源頻率成正比。

通過使用提供可變頻率輸出的電機控制器也可以實現(xiàn)變速電機。

應用領域

三相感應電機可用于依賴國家電網交流電源的應用。 由于它們不需要換向器，因此特別適合高功率應用。

它們的功率處理能力范圍從幾瓦到超過 10 兆瓦。

它們主要用于重工業(yè)應用和機床。

近年來固態(tài)逆變器的出現(xiàn)意味著感應電機現(xiàn)在可以通過直流電源運行。 它們現(xiàn)在被用于電動和混合動力汽車的汽車應用中。 對于這些應用來說，感應電機比永磁電機更堅固，永磁電機很容易因功率水平超過 5 kW 時的過熱或意外過電流而導致磁體退化或退磁。 然而，感應電機可能不適合某些汽車應用，因為從轉子中提取熱量存在困難，在較寬的速度和功率范圍內存在效率問題，并且由于分布式繞組而導致制造過程更加昂貴。 永磁電機和磁阻電機可以為這些應用提供更好的解決方案。