三相电机：类型和工作原理
发布日期:2024-04-29
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三相电机是行业中应用广泛的电机，在各个行业中发挥着至关重要的作用。因此，认识和理解它们的运行原理非常重要。
鼠笼感应电机以其简单的设计而闻名，它使用定子绕组产生旋转磁场。决定电机转速的同步速度取决于电源频率和定子极数。绕线转子感应电机允许通过三相变阻器进行变速，但由于维护问题，绕线转子电机已经不太受欢迎。同步电机采用直流供电转子，只要遵循正确的启动程序，就能在不同负载下保持恒定速度。
本文将更详细地研究鼠笼式感应电机、绕线转子感应电机和同步电机。
鼠笼式感应电机
工业上应用广泛的电机是三相鼠笼式感应电机。图1中的鼠笼电机有两部分：转子和三相定子。术语“电枢”表示由绕组和换向器组成的旋转部件，而术语“转子”表示不包含绕组的电机的旋转部件。请注意标记为 T1、T2 和 T3 的电机引线的标识。简单的设计是鼠笼电机吸引人的特点之一。
图 1. 鼠笼式感应电机。图片由 Amna Ahmad 提供鼠笼式电机的转子没有绕组。相反，它由连接在每个端对端环上的金属条组成。金属条之间是层压金属板。在电机运行期间，金属条中会感应出电压，从而产生电流和磁场。事实上，鼠笼式电机就是以这种转子命名的，它类似于老鼠和仓鼠笼子里常见的运动轮。
图 2 说明了施加到定子绕组的三相交流电源。三相电源每120°产生一个峰值电压。
图 2. 三相波形。图片由 Amna Ahmad 提供
现在，请注意图 3 中定子中的三个独立的相绕组。相绕组围绕定子外壳按顺序排列。当所施加的三相功率在T1相的正方向上达到峰值时，相绕组T2和T3将具有相反的极性，并且它们的值将在0和它们的负值之间。当 T2 相在其正方向上达到峰值时，T1 和 T3 将具有相反的极性，并且它们的值将在 0 和负值之间。这种模式在所施加的交流正弦波的整个 360° 旋转中持续存在。
图 3. 相位旋转在定子中产生旋转磁场。图片由 Amna Ahmad 提供定子周围出现旋转磁场。旋转磁力公转的速度就是同步速度。同步速度受定子极数和所施加交流电频率的影响。这种关系可以用下面的公式来说明：
S=120×fP
S = 同步速度（rpm）
F = 所施加交流电的频率，以赫兹 (Hz) 为单位P = 定子极数
例如，使用 60 Hz 交流电源运行的四极鼠笼电机的同步速度是多少？
哪些价值观是已知的？
F = 60赫兹
P = 4
有什么价值是不知道的？
S = ?
可以用什么公式呢？
S=120×fP=120×604=1800rpm
因此，该鼠笼电机的同步转速为每分钟1800转。
定子的旋转磁场在转子导条中感应出电压，从而产生电流。转子导条中的电流产生另一个磁场，该磁场被定子中的旋转磁场吸引，导致转子转动并产生扭矩。然而，转子不会以与定子旋转场相同的速度旋转。轴承中的摩擦和风阻（风阻）将导致转子以稍慢的速度旋转。这称为转子滑差。转子滑差是同步速度和转子速度之间的速度差。
直到近，鼠笼电机还被认为是定速电机。从上面的同步速度公式可以看出，改变电机速度的方法是改变所施加的交流电压的频率或改变电机的极数。美国电力公司将电源线频率准确地维持在 60 Hz。因此，改变所施加的交流电源的频率不是一种选择。也不可能改变电机的极数。发动机必须完全重建。然而，如今，通过电子变速驱动器，所施加的交流电源的频率可以改变，因此鼠笼电机的速度也可以改变。使用固态元件，电子变速驱动器通过将施加的交流电转换为直流电来实现这一点，将直流斩波成频率可变的脉冲，并将这些脉冲转换成人造交流电，然后应用于电机。现在，所施加的交流电源的频率可以改变，从而允许电机进行变速运行。
要反转鼠笼式电机的旋转方向，只需互换三个定子引线中任意两个的连接即可。通常，T1 和 T3 可以互换。这将导致定子中的旋转磁场沿相反方向旋转。转子将沿旋转磁场的新方向转动，该方向与原始方向相反。
鼠笼式感应电机应用
鼠笼式感应电机由于其坚固的结构和可靠性而广泛应用于许多行业。一项重要的应用是在工业机械中，它们为泵、压缩机和输送机提供动力，提供高效运行所需的扭矩和速度。此外，这些电机通常集成到大型商业建筑和工业设施的 HVAC 系统中，确保适当的通风和气候控制。
此外，通过将鼠笼式感应电机连接到电网，可以将其重新用作发电机。在此设置中，当手动或通过外力转动电机轴时， 由于电磁感应现象，其绕组上会产生电动势(EMF)。该电动势产生交流输出，可馈入电网电源，有效地将机械能转换为电能。该应用对于备用电源、电网连接不可靠的偏远地区或连续供电至关重要的紧急情况特别有用。
绕线转子感应电机
鼠笼式电机的一种变体是绕线转子感应电机。该电机的设计是为了满足变速三相电机的需求。然而，随着电子变频驱动器使用的增加，它变得越来越不常见。
绕线转子感应电动机由包含绕组的转子、滑环、电刷和三相定子组成。图 4 显示了绕线转子感应电机的部件。请注意电机引线的标识，其中定子连接标记为 T1、T2 和 T3，绕线转子连接标记为 M1、M2 和 M3。图 4 还显示了连接到转子电路中 M1、M2 和 M3 的三相变阻器。
图 4.绕线转子感应电机的部件。为了清楚起见，转子轴上仅显示了一个绕组。图片由 Amna Ahmad 提供三相电源施加到定子绕组。产生旋转磁场，将电压感应到三相转子绕组中。该感应电压产生电流，从而在转子绕组中产生磁场。转子的磁场与定子的旋转磁场相互作用，导致转子转动。通过改变三相变阻器，可以改变转子磁场的强度。如果磁场减弱，转子速度就会降低。当磁场加强时，转子速度增加。
这种对转子磁场的控制可用于在驱动恒定负载时改变绕线转子感应电机的速度。此外，转子磁场可以通过自动化过程来改变，以响应变化的负载条件。以这种方式，绕线转子感应电动机的速度可以保持相当恒定。
要反转绕线转子感应电机的旋转方向，只需互换三个定子引线中任意两个的连接即可。通常，T1 和 T3 可以互换。这导致定子中的旋转磁场沿相反方向旋转。然后转子沿旋转磁场的新方向转动，该方向与原始方向相反。
绕线转子感应电动机也有缺点。它比类似尺寸的鼠笼电机更昂贵，由于电刷和滑环磨损而需要更多的维护，并且虽然它提供变速，但由于使用驱动器，这种好处变得不那么有吸引力。
绕线转子感应电机应用
绕线转子感应电机具有多功能性和可控性，非常适合要求苛刻的应用。一种值得注意的用途是制造和建筑行业中的起重机和葫芦，其中的速度和扭矩控制对于安全高效的起重操作至关重要。此外，这些电机通常用于采矿设备中执行重型任务，例如驱动传送带和为钻机提供动力。此外，它们是需要变速控制的大型泵和风扇的组成部分，可确保工业过程中的性能和能源效率。
同步电机
同步电机（如图 5 所示）具有三相定子、绕线转子、滑环和电刷。然而，与绕线转子感应电机的三个绕组相比，转子具有单个绕组。转子还包含类似于鼠笼式电机转子的短路棒。同步电机引线对于定子连接标记为 T1、T2 和 T3，对于转子连接标记为 R1 和 R2。直流电源为转子供电。
图 5. 同步电机的部件。注意施加到转子绕组的直流电。图片由 Amna Ahmad 提供同步电机通过向定子施加三相电源来启动。然而，此时转子未通电。当三相电源施加到定子时，就会产生旋转磁场。旋转磁场在转子的短路棒中感应出电压。该感应电压产生电流，从而在转子中产生磁场。然后转子被定子的旋转磁场吸引，导致转子转动。
当转子达到速度时，直流电源通电，从而将直流电施加到转子绕组。这导致转子充当电磁体。转子现在与定子的旋转磁场同步锁定。这使得同步电机能够从空载到满载条件下以恒定速度运行。需要记住的一条重要规则是，同步电机绝不能在转子绕组施加直流电的情况下启动。如果同步电机以这种方式启动，转子将无法转动，从而损坏转子和直流电源。
要反转同步电机的旋转，只需互换三个定子引线中任意两个的连接即可。通常，T1和T3互换，导致定子中的旋转磁场沿相反方向旋转。然后转子沿旋转磁场的新方向转动，该方向与原始方向相反。
同步电机应用
同步电机在需要速度控制和与电力系统同步的应用中发挥着关键作用。它们的显着应用是发电厂，它们被用作同步发电机，以高效、稳定的方式发电。在船舶工业中，这些电机为船舶的推进系统提供动力，为导航提供高效且响应灵敏的性能。此外，同步电机还用于压缩机和离心泵等高性能工业机械，其中的速度调节对于运行和节能至关重要。
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