三相异步电动机工作时,定子绕组与三相交流电源相连接,转子绕组自成闭合回路。定子与转子之间没有直接的电气连接,但通过定子绕组产生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用而产生电磁转矩,驱动转子旋转。

(1)旋转磁场

三相异步电动机定子铁芯槽内放入三相绕组U1-U2、V1-V2和W1-W2,每相绕组在空间互差120°。定子绕组分布示意图(Y连接)如图5.1.6所示。

图5.1.6　定子绕组分布示意图

1)旋转磁场的产生

当接入三相对称电源后,则有三相对称电流通过绕组。设每相电流的瞬时值解析式为

其波形图如图5.1.7所示。取绕组始端到末端的方向为电流的参考方向,则在电流的正半周时,实际方向与参考方向相同,电流为正值;在电流的负半周时,实际方向与参考方向相反,电流为负值。

图5.1.7　三相对称电流波形图

当ωt=0时,iU=0,U相绕组内没有电流;iV为负,V相绕组中的电流从末端V2流入,始端V1流出;iW为正,W相绕组中的电流从始端W1流入,末端W2流出。根据右手螺旋法则,可得出三相电流的合成磁场,其方向自上而下,如图5.1.8(a)所示。

当时,iU为正,电流从U1流入,U2流出;iV为负,电流从V2流入,V1流出;iW也为负,电流从W2流入,W1流出。与ωt=0时相比,三相电流形成的合成磁场的方向旋转了90°,如图5.1.8(b)所示。

当ωt=π时,iU=0,U相绕组内没有电流;iV为正,电流从V1流入,V2流出;iW为负,电流从W2流入,W1流出。与ωt=0时相比,三相电流形成的合成磁场的方向旋转了180°,如图5.1.8(c)所示。

图5.1.8　旋转磁场的产生

同理可得,当和ωt=2π时,与ωt=0时相比,三相电流形成的合成磁场的方向旋转了270°和360°。

可知,当定子绕组通入三相对称电流后,会产生旋转磁场。

2)旋转磁场的转速

由以上分析可知,若定子绕组按如图5.1.6所示排列时,产生的旋转磁场有两个(一对)磁极,磁极对数用符号p表示,即p=1。三相交流电变化一个周期,合成磁场在空间旋转360°;若每相定子绕组由两个线圈串联,并按如图5.1.9所示排列时,绕组的始端(末端)之间在空间互差60°,将形成有两对磁极(四极)的旋转磁场,即p=2,三相交流电变化一个周期,合成磁场在空间旋转180°。(www.daowen.com)

若旋转磁场具有p对磁极时,交流电每变化一周,其旋转磁场在空间转动360°/p。因此,旋转磁场每分钟的转速n0(r/min)、定子电流频率f1及磁极对数p之间的关系为

旋转磁场的转速n0又称同步转速。我国三相电源的频率规定为50 Hz。于是,由式(5.1.1)可得出不同磁极对数p的旋转磁场转速n0,见表5.1.1。

图5.1.9　产生四极旋转磁场的定子绕组

表5.1.1　不同磁极对数p的旋转磁场转速n0

3)旋转磁场的转向

旋转磁场的转向由定子绕组中通入的电流的相序来决定。欲改变旋转磁场的转向,只需要改变通入三相定子绕组中电流的相序,即把三相定子绕组首端(U1、V1、W1)的任意两根与电源相连的线对调,即可改变定子绕组中电流的相序,如图5.1.10所示。

图5.1.10　改变旋转磁场的方向

图5.1.11　三相异步电动机的转动原理示意图

(2)转子的转动原理

如图5.1.11所示为三相异步电动机的转动原理示意图。当三相对称电流通入定子绕组中时,电动机定子和转子间的气隙中会产生一个转速为n0的旋转磁场,由于转子和旋转磁场有相对运动,因此,在转子绕组中会产生感应电动势。由于转子电路是闭合的,在转子电路中会产生感应电流。因此,载流的转子导体在旋转磁场中受到电磁力F的作用而形成一电磁转矩。在电磁转矩的作用下,转子便转动起来,其转动方向与旋转磁场的方向相同。但转子的转速n永远小于旋转磁场的转速n0。如果没有转速差,两者之间就不会有相对运动,转子中就不会产生感应电流,也就不会形成电磁转矩,转子就无法旋转起来。异步电动机的名称就是由此而来的。通常,将旋转磁场的同步转速n0与转子转速n的差值与n0的比值,称为转差率。转差率用符号s表示,即

转差率是三相异步电动机的一个重要参数。转差率越大,三相异步电动机的异步程度越大,驱动电动机转动的电磁转矩也就越大。电动机在启动瞬间,n=0,s=1,转差率最大;转子转速n越接近同步转速n0,转差率越小。

【例5.1.1】　一台三相异步电动机,其额定转速n=975 r/min,电源频率f1=50 Hz。试求电动机的磁极对数和额定负载下的转差率。

解　由于异步电动机的额定转速接近而略小于同步转速,根据表5.1.1可知,n0=1 000 r/min,p=3。根据式(5.1.2),可得转差率s为