交流電機的前世與今生的歷程說明
由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機已成為最常用的電機。
交流電機與直流電機相比，由于沒有換向器（見直流電機的換向），因此結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。20世紀80年代初，最大的汽輪發(fā)電機已達150萬千瓦。交流電機按其功能通常分為交流發(fā)電機、交流電動機和同步調(diào)相機幾大類。由于電機工作狀態(tài)的可逆性(見電機),同一臺電機既可作發(fā)電機又可作電動機。把電機分為發(fā)電機與電動機并不很確切，只是有些電機主要作發(fā)電機運行，有些電機主要作電動機運行。
流電機按品種分有同步電機、異步電機兩大類。同步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ns與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，稱為同步轉(zhuǎn)速。ns與所接交流電的頻率 (f)、電機的磁極對數(shù)(P)之間有嚴格的關(guān)系ns＝f/P在中國，
電源頻率為50赫，所以二極電機的同步轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，四極電機的同
步轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，余類推。異步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是低于或高于其旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，異步之名由此而來。異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速之差（稱為轉(zhuǎn)差）通常在10％以內(nèi)。由此可知，交流電機（不管是同步還是異步）的轉(zhuǎn)速都受電源頻率的制約。因此,交流電機
的調(diào)速比較困難,最好的辦法是改變電源的頻率，而以往要改變電源頻率是比較復雜的。
所以70年代以前，在要求調(diào)速的場合，多用直流電機。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動機的變頻調(diào)速技術(shù)已開始得到實用。
交流電機一般采用三相制，因為三相交流電機與單相電機相比，無論在性能指標，原材料利用和價格等方面均有明顯的優(yōu)越性。同樣功率的
三相電機比單相電機體積小，重量輕，價格低。三相電動機有自起動能力。單相電機沒有起動轉(zhuǎn)矩，為解決起動問題，需采取一些特殊的措施(見單相異步電動機
)。單相電機的轉(zhuǎn)矩是脈動的，噪聲也比較大，但所需的電源比較簡單，特別是在家庭中使用十分方便。因此
小型家用電機和儀用電機多采用單相電機。
目前較常用的交流電動機有兩種：
1、三相異步電動機。
2、單相交流電動機。第一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。
一、三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理 三相異步電動機要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個旋轉(zhuǎn)磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。我們知道，但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差
120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其產(chǎn)生的過程如圖1所示。圖中分四個時刻來描述旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生過程。電流每變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速
為：n=60f/P 式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數(shù)、n的單位是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)此式我們知道，電動機的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)，為此，控制交流電動機的轉(zhuǎn)速有兩種方法：1、改變磁極法；2、變頻法。以往多用第一種方法，現(xiàn)在則利用變頻技術(shù)實現(xiàn)
對交流電動機的無級變速控制。 觀察圖1還可發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。相序A、B、C順時針排列，磁場順時針方向旋轉(zhuǎn)，若把三根電源線中的任意兩根對調(diào)，例如將B相電流通入C相繞組中，C相電流通入B相繞組中，則相序變?yōu)椋篊、B、A，則
磁場必然逆時針方向旋轉(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱訖C的旋轉(zhuǎn)方向。 定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場后，轉(zhuǎn)子導條（鼠籠條）將切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線而產(chǎn)生感應電流，轉(zhuǎn)子導條中的電流又與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿旋
轉(zhuǎn)磁場方向以n1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來。一般情況下，電動機的實際轉(zhuǎn)速n1低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n。因為假設n=n1，則轉(zhuǎn)子導條與旋轉(zhuǎn)磁場就沒有相對運動，就不會切割磁力線，也就不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必然小于n。為此我們稱三相電動機為異步電動機。
二、單相交流電動機的旋轉(zhuǎn)原理 單相交流電動機只有一個繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產(chǎn)生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變
脈動磁場可分解為兩個以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場，當轉(zhuǎn)子靜止時，這兩個旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動機無法旋轉(zhuǎn)。當我們用外力使電動機向某一方向旋轉(zhuǎn)時（如順時針方向旋轉(zhuǎn)），這時轉(zhuǎn)子與
順時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變??；轉(zhuǎn)子與逆時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動方向旋轉(zhuǎn)起來。
要使單相電動機能自動旋轉(zhuǎn)起來，我們可在定子中加上一個起動繞組，起動繞組與主繞組在空間上相差90度，起動繞組要串接一個合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差90度，即所謂的分相原理。這樣兩個在時間上相差90度的電流通入兩個在空間上相差
90度的繞組，將會在空間上產(chǎn)生（兩相）旋轉(zhuǎn)磁場，如圖2所示。在這個旋轉(zhuǎn)磁場作用下，轉(zhuǎn)子就能自動起動，起動后，待轉(zhuǎn)速升到一定時，借助于一個安裝在轉(zhuǎn)子上的離心開關(guān)或其他自動控制裝置將起動繞組斷開，正常工作時只有主繞組工作。因此，起動繞組可以做成
短時工作方式。但有很多時候，起動繞組并不斷開，我們稱這種電動機為電容式單相電動機，要改變這種電動機的轉(zhuǎn)向，可由改變電容器串接的位置來實現(xiàn)。 在單相電動機中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的另一種方法稱為罩極法，又稱單相罩極式電動機。此種電動機定子做成凸極式
的，有兩極和四極兩種。每個磁極在1/3--1/4全極面處開有小槽，如圖3所示，把磁極分成兩個部分，在小的部分上套裝上一個短路銅環(huán)，好象把這部分磁極罩起來一樣，所以叫罩極式電動機。單相繞組套裝在整個磁極上，每個極的線圈是串聯(lián)的，連接時必須使其產(chǎn)生的
極性依次按N、S、N、S排列。當定子繞組通電后，在磁極中產(chǎn)生主磁通，根據(jù)楞次定律，其中穿過短路銅環(huán)的主磁通在銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個在相位上滯后90度的感應電流，此電流產(chǎn)生的磁通在相位上也滯后于主磁通，它的作用與電容式電動機的起動繞組相當，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)
磁場使電動機轉(zhuǎn)動起來。
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