(接上期)
1.3異步電動機的工作原理
1.3.1異步電動機的旋轉原理
(1)轉子得到電流
提起異步電動機的工作原理，小李顯得很有信心，他拿出了事先畫好的圖，說：“旋轉磁動勢被靜止著的轉子繞組切割，轉子繞組中將產生感應電動勢，又因為轉子繞組是自成回路的，所以同時產生了感應電流，如圖1-18a所示。感應電動勢和電流的方向由右手定則來判定，如圖1-18b所示。右手手掌對著n極，大拇指指向導體切割磁力線的方向，因為是定子的磁力線在旋轉，所以轉子的導體切割磁力線的方向和磁動勢旋轉的方向相反，則四個指頭所指就是感應電動勢和電流的方向。
所以，異步電動機的轉子電流是切割了旋轉磁場感應而得。”
圖1-18 轉子電流的產生
“等一等。”張老師打斷說：“前面在討論交變電流產生磁動勢的特點時，為了排除磁路飽和等因素，我們都用磁動勢來分析。現在，要具體討論磁場和電流的相互作用了，就必須用實實在在的磁通量或磁感應強度了，或者統稱磁場。”
“真嚴密。”小李吐了吐舌頭，然后繼續說：“轉子繞組中的感應電流又和定子的旋轉磁場相互作用，產生電磁力，如圖1-19a所示。導體受力的方向由左手定則判定，如圖1-19b所示：左手手掌對著n極，四個指頭指電流的方向，則大拇指所指就是導體受力的方向。因為上半部導體的受力方向和下半部導體的受力方向正好相反，就形成電磁轉矩tm，由圖可知，電磁轉矩的方向和旋轉磁場的旋轉方向是相同的。在電磁轉矩的作用下，轉子將旋轉起來，轉速為nm。
圖1-19 電磁轉矩的產生
因為轉子產生感應電動勢和感應電流的前提條件是轉子繞組必須切割旋轉磁場，所以，轉子的轉速總要低于旋轉磁場的轉速，故稱為異步電動機。對不對？”
“說得很好，有關轉速的基本公式還記得嗎？”張老師問。
小李略思考了一下，說：“估計問題不大。
1.3.2關于轉速的基本公式
同步轉速的公式如式(1-13)所示，因為轉子的轉速總要比同步轉速低一些，所以有：
(1)轉差
即轉子轉速與同步轉速之差：
δn=n1-nm (1-14)
式中，δn—轉差，r/min；
nm—轉子轉速，r/min。
(2)轉差率
轉差與同步轉速之比，稱為轉差率：
s＝＝×100% (1-15)
式中，s—轉差率，常用百分數表示。
在起動瞬間，nm=0時，s=1；
如果轉子轉速達到同步轉速，即nm=n1時，s=0。
所以，s的取值范圍是s=(0～100)%。通常，在額定運行的狀態下，s=(2～5)%。
(3)轉子轉速
由式(1-13)、(1-14)、(1-15)，可推導得到：
nm=n1(1-s)=(1-s) (1-16)
δn＝s n1 (1-17)
基本公式就是這些吧？”
張老師點點頭說：“很好。不過，你在實際工作中，有一些基本規律也應該了解。例如，電動機的轉差率和容量之間的規律。不同磁極對數電動機的轉速與轉差率見表1-2。
表1-2 不同磁極對數電動機的轉速、轉差與轉差率
由表1-2可以看出，小容量電動機的轉差與轉差率較大，而大容量電動機的轉差與轉差率較小。”
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小李的筆記
磁場旋轉被切割 轉子電流感應得
磁場電流相互推 產生轉矩樂呵呵
＊＊＊＊＊＊ ＊＊＊＊＊＊
磁場轉速永不低 轉子追得差不離
眼看快要追上了 怎奈轉差是前提
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1.4異步電動機的額定數據
1.4.1額定電壓和額定電流
(1)額定電壓
關于異步電動機的額定數據，小李事先在廠里抄錄了兩臺電動機的銘牌。一臺國產的，一臺日本的，如圖1-20所示。他首先發問道：“額定電壓和額定電流指的是線電壓和線電流呢，還是相電壓和相電流？從國產電動機的銘牌看，應該是線電壓和線電流，但是：
(a)日本電動機的銘牌上的額定電壓又好像是相電壓似的？
(b)記得在等效電路里用的是相電壓。
所以就有點拿不準了。”
a)國產電動機銘牌 b)日本電動機銘牌
圖1-20 電動機的銘牌
張老師說：“在對電動機的各種數據進行定量分析時，針對的是每一相里各種參數的變化規律，應該用相電壓。但是，銘牌是給用戶看的，是告訴用戶：應該接到多大電壓的電源上去。所以，應該是線電壓。
至于日本電動機的額定電壓只有200v或220v，那是你看得不夠仔細，日本出口到中國的設備里，還帶著一臺380/200v的三相變壓器呢，就是說，日本電動機的額定線電壓只有200v。”
(2)額定電流
小李又問：“那么說，銘牌上的額定電流也應該是線電流了？”
張老師說：“銘牌上的額定電流是告訴用戶，從電源到電動機的連接線應該用多粗的導線？所以，當然應該是線電流了。”
1.4.2額定頻率和轉速
小李說：“國產電動機的額定頻率是50hz，日本電動機可以用到50hz的電源上，也可以用到60hz的電源上，這些都沒有問題。但是，在日本電動機的銘牌上表明：在同樣頻率下，200v時的額定轉速要比220v時的低一些，這是為什么？”
張老師說：“前面說過，異步電動機產生電磁轉矩的前提是，轉子的轉速和同步轉速之間必須有轉差。進一步說，電磁轉矩的大小，是和轉差有關的。電壓較低時，電動機的磁通量有所減少，在轉差相同的情況下，電磁轉矩也會有所減小，為了能夠帶動額定負載，必須加大轉差，所以轉速就低了。這個問題，后面還要詳細討論。”
1.4.3功率、功率因數和效率
(1)額定功率和轉矩
張老師問小李：“電動機的額定功率指的是輸入功率，還是輸出功率？”
小李想了一想，又在紙上算了一會兒，說：“從電動機需要向電源取用功率來說，好像應該是輸入功率。但是，從計算結果看，它指的是輸出功率。”
張老師又問：“電動機是干什么用的？”
“帶動生產機械運轉呀，”小李不假思索地回答。接著，他拍著腦袋說：“所以，電動機的額定功率應該是輸出軸上的機械功率。可是，這機械功率是怎么計算的？”
張老師說：“電動機在輸出機械功率時，最關鍵的兩個要素是：轉矩和轉速。所以機械功率的計算公式是：
p2＝
(1-18)
式中，p2—電動機軸上的輸出功率，kw；
tm—電動機的電磁轉矩，n∙m；
nm—電動機的轉速，r/min。
在電力拖動里，公式(1-18)非常重要，一定要牢牢掌握。”
“在銘牌數據里，好像沒有額定轉矩，為什么？”小李又問。
張老師說：“這個原因是多方面的：
首先，如你所說，銘牌數據應該告訴用戶，電動機需要向電源取用多少功率，以便用戶決定配置車間甚或全廠變壓器的容量。
其次，許多生產機械常常要求恒功率運行。例如，金屬切削機床都具有許多擋切削速度，但不管在哪一擋切削速度，都要求具有相同的切削功率。所以，生產機械的設計人員配用電動機時，主要看功率。
再其次，有了式(1-18)，電動機的額定轉矩就可以推算出來了：
tm＝
(1-19)
還有一點要注意，額定功率相同，而磁極對數不同的電動機的額定轉矩是很不一樣的，舉例如表1-3所示。
表1-3 同容量電動機的額定轉矩(以75kw為例)
至于輸入功率，你是怎么計算的？”
(2)輸入功率和功率因數
小李說：“我正要問呢。根據電工基礎的知識，輸入功率的計算公式是：
p1＝u1i1cosφ1 (1-20)
式中，p1—電動機的輸入功率，kw；
u1—電動機輸入的線電壓，v；
i1—電動機輸入的線電流，a；
cosφ1—電動機的功率因數。
式(1-20)中，用了線電壓和線電流，那么，這功率因數cosφ1是線的，還是相的？”
張老師拿出紙來，畫了一個圖，然后說：
“我們從外部測量數據，只能測量線電壓和線電流，如圖1-21a所示。以y形接法為例，內部的電路圖如圖1-21b所示。
a)運行數據的測量 b)三相電路圖 c)瞬時值
圖1-21 電動機的功率因數
所謂功率因數，是指相電流和相電壓之間相位差角的余弦，即cosφ1，如圖1-21c中之曲線①和曲線②所示。
根據電工基礎的知識，線電壓在數值上等于相電壓的倍，同時在相位上，要比相電壓超前π/6(30°)，如圖c中之曲線③所示，而線電流和相電流是同一個電流。現在你看看，這線電壓和線電流之間的相位差角說明了什么？”
小李恍然大悟，說：“原來，所謂線電壓和線電流之間的功率因數是不存在的。或者說，是毫無意義的。
還有，影響電動機效率的損耗功率有哪些？”
1.4.4電動機的效率和過載能力
(1)電動機的損耗和效率
張老師說：“電動機里的損耗功率主要有：
(a)銅損。因為電動機的繞組總是有電阻的，電流通過電阻，必然要轉換成熱能而損失掉。顯然，負載越重，電流越大，銅損也越大。所以，當負載變化時，銅損也是變化的，稱為可變損耗。
(b)鐵損。就是鐵心里的渦流損失和磁滯損失。鐵損主要和鐵心里的磁通量有關，而磁通量的多少主要和電壓有關，電壓不變時，鐵損的大小也基本不變。
(c)機械損失。主要是軸承的磨擦損失和風扇的通風損失。機械損失主要和轉速有關，恒速運行時，機械損失也是不變的。
鐵損和機械損失都屬于不變損失。
所以，電動機各部分功率之間的關系是：
p1-pcu-pfe-pme＝p2 (1-21)
式中，pcu—電動機繞組的銅損，kw；
pfe—電動機鐵心的鐵損，kw；
pme—電動機的機械損失，kw。
電動機的效率是：
η＝ (1-22)
式中，η—電動機的效率。
電動機在輕載運行時，輸出功率減小，不變損失在總功率中的比重將增加，效率較低。”
(2)電動機的過載能力
小李問：“電工手冊上寫的過載能力指的是功率，還是電流？”
張老師說：“都不是，過載能力指的是電磁轉矩。因為能不能帶得動負載，關鍵在于電磁轉矩。所以，過載能力的定義是：
kt＝ (1-23)
式中，kt—電動機的過載能力；
tmax—電動機的最大轉矩，n∙m；
tmn—電動機的額定轉矩，n∙m。”
-------------------------------------------------------------------------- 小李的筆記
指導用戶銘牌編 電壓電流都用線
功率因數只歸相 額定功率軸上見
＊＊＊＊＊＊ ＊＊＊＊＊＊
銅損要隨負載翹 鐵損機損不動搖
負載輕了效率低 功率因數也減小
--------------------------------------------------------------------------1.5異步電動機的型號和接法
小李看了看兩種電動機的銘牌，問：“異步電動機的型號說明些什么問題？”
1.5.1異步電動機的型號
張老師說：“國產異步電動機的型號中：
第一項是產品代號，‘y’代表通用的籠形異步電動機。其他如yr代表繞線轉子異步電動機、yq代表高起動轉矩異步電動機等。”
第二項是機座代號，‘280’表示中心高為280mm；‘s’表示短機座(其他如l表示長機座，m表示中等機座)。
第三項是磁極個數，‘4’就是4極電動機。”
1.5.2繞組的接法
(1)接線端子和接法
關于電動機繞組的接線端子和接線方法，小李對廠里的多臺電動機進行了觀察，并且畫出了接線圖，如圖1-22所示，請張老師審核。同時，又提出了一個問題：“我發現，小容量電動機大多采用y形接法，而大容量電動機則大多采用△形接法，是什么原因？”
圖1-22 電動機繞組的接法
張老師首先對小李畫的接線圖表示贊許，接著又反問道：“這兩種接法的主要區別是什么？”
小李略想了一想，說：“y形接法時，每相繞組的相電壓低些，只有線電壓的，而△形接法時，每相繞組的相電壓等于線電壓。”
“那么，每相繞組的相電流呢？”張老師又問。
小李的臉上露出了一種恍然大悟的神色，說：“我明白了，△形接法時，因為相電壓較高，在功率相等的情況下，電流較小，繞組所用的導線可以細一些，節省了用銅，對不對？可是，小容量電動機不也一樣嗎？”
張老師說：“這又是工藝上的問題了。如你所說，電壓高時，繞組的導線可以細一些，但太細了又容易變形。同時，每相繞組的匝數必然增多，小容量電動機定子的內徑較小，要往定子槽里嵌入又細又多的導線就比較困難。采用y形接法，要容易得多。”
(2)繞組端子的判別
小李又問道：“廠里有幾臺舊電動機，接線盒并不如圖1-22那樣，而只有光禿禿的幾根線，上面的標記有的已經掉了，有的雖沒掉，但模糊不清，怎樣判斷每相繞組的頭尾？”
張老師說：“這件事要分兩步進行：
第一步，首先確定哪兩個端子屬于同一相？方法很簡單，只需用萬用表的電阻擋測量就可以了。不是同一相的端子間的電阻是∞，如圖1-23a所示；同一相端子間的電阻幾乎為0，如圖1-23b所示。
第二步，判斷各相繞組的頭和尾。
a)不屬于同一相 b)屬于同一相
圖1-23 找出同一相的端子
a)測量方法 b)測量原理
圖1-24 尾-尾相接
a)測量方法 b)測量原理
圖1-25 尾-首相接
(a)任意規定一相繞組為u相，并任意規定其頭(u1)和尾(u2)。
(b)另找一相繞組(設為v相)的一端和u相的尾端(u2)相接。
(c)把照明變壓器輸出的36v(或24v)加在u1和v相的另一端之間，如圖1-24a所示。
(d)用萬用表的交流電壓擋測量未接線繞組(w相)的兩端，這時，可能有兩種結果：
結果1：電壓為0v，則判定u、v兩相是尾-尾相接(與u2相接的是v2)。
原理如圖1-24b所示，當u相電流iu從u1進、u2出，v相電流iv又從v2進、v1出時，兩相繞組的合成磁力線并沒有穿過w相繞組，w相繞組里將不產生感應電動勢，故萬用表的讀數為0v。
結果2：電壓有讀數，則判定u、v兩相是尾-首相接(與u2相接的是v1)。
原理如圖1-25b所示，當u相電流iu從u1進、u2出，v相電流iv又從v1進、v2出時，兩相繞組的合成磁力線將穿過w相繞組，因為磁通是交變的，故w相繞組里將產生感應電動勢，萬用表有讀數。”
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小李的筆記
電機接線很靈便 只需更改聯接片
連成一線是y形 三片分開δ形聯
＊＊＊＊＊＊ ＊＊＊＊＊＊
標記脫落不擔心 三相端子先分清
任定一相頭和尾 另外兩相分別定
--------------------------------------------------------------------------1.6異步電動機的定額
小李問：“銘牌上的絕緣等級和溫升是什么意思？”
張老師說：“生產機械在配置電動機時，除了考慮能不能帶得動外，很重要的一個問題，是會不會‘燒’壞電動機？這是因為，上面提到的損耗功率，都將轉換成熱能，使電動機的溫度升高。溫度升高的主要結果是使絕緣材料炭化，失去絕緣性能，電動機就‘燒’壞了。”
1.6.1絕緣材料的耐熱等級
小李又問：“絕緣材料能夠承受的溫度有多高？”
張老師說：“不同的電動機采用的絕緣材料也不盡相同，允許的最高溫度也就不一樣。異步電動機里用得較多的絕緣材料見表1-4
表1-4 異步電動機常用的絕緣材料
電動機的溫升指的是實際溫度和環境溫度之差，我國的最高環境溫度規定為40℃。從表中可以看出，電動機的允許溫升和絕緣材料的允許工作溫度之間，是留有余地的。在實際工作中，電動機外殼的溫度以不燙手為原則。”
小李又問：“銘牌上的‘定額’是什么意思？為什么要規定定額這個指標？”
張老師說：“這就說來話長了，需要了解電動機在不同的工作情況下，溫升的變化規律。
1.6.2電動機的溫升
(1)溫度變化的基本規律
要了解電動機溫度上升的規律，需要知道溫度變化的基本規律，主要有兩條：
(a)溫度不可能突變
你在家燒過開水吧？爐子上的火再大，鍋里的水也不可能立即沸騰，水的溫度只能逐漸上升，這叫做熱慣性。
電動機在運行過程中，由于存在著銅損、鐵損和機械損耗等損耗功率，這些損耗功率都將轉換成熱能，使電動機的溫度逐漸地升高。
(b)溫度的上升是非線性的
由于電動機在溫度上升的同時，也要向周圍散熱，溫升越大，散熱越快。當電動機的溫升上升到某一數值時，它所產生的熱量和散發的熱量相等，處于平衡狀態時，溫升不再增加。這時的溫升稱為穩定溫升，用τs表示。
事實上，以上規律，就是溫度上升的過渡過程。
(2)電動機的溫升曲線
和任何過渡過程一樣，電動機的溫升曲線也符合指數規律：
τ＝τs(1―e-t∕t) (1-24)
式中，τ—溫升，℃；
τs—穩定溫升，℃；
t—時間常數。
由式(1-24)所得到的溫升曲線如圖1-26a中的曲線①所示。曲線②是曲線①的切線，電動機的溫升如果按曲線②從0直線上升至穩定溫升所需要的時間，稱為時間常數，用t表示。時間常數的物理意義可以解釋如下：
(a)如果電動機在發熱過程中不向周圍散熱，達到穩定溫升所需要的時間；
(b)電動機的溫升上升到穩定溫升的63.2%所需要的時間。
發熱時間常數取決于電動機的負載輕重，負載重時，損耗增大，溫度上升得快，發熱時間常數較短。
當電動機停止運行時，將向周圍散熱，其散熱曲線如圖1-26b中之曲線③所示。散熱時間常數和周圍環境有關。
圖1-26 電動機的發熱與散熱曲線
1.6.3電動機的運行定額
根據負載的工況不同，有連續不變負載、連續變動負載、斷續負載和短時負載。分別說明如下：
(1)連續不變負載
負載在運行過程中，阻轉矩基本不變的負載，稱為連續不變負載。其運行特點是，在運行期間，負載的輕重基本不變，溫升能夠達到穩定溫升，如圖1-26a所示。工頻運行的風機、水泵等屬于這類負載。
(2)連續變動負載
負載的阻轉矩不同，電動機所能達到的穩定溫升也不同，如圖1-27a所示。許多負載在運行過程中，阻轉矩并不穩定，而是時大時小地變化的，例如龍門刨床的刨臺，在切削過程中和返回過程中，負載的輕重顯然是不一樣的。這類負載的溫升曲線也隨負載的輕重而變化，如圖1-27b所示。對于這類負載，只要電動機的溫升不超過額定溫升，短時間的過載是允許的，如圖b中的t4時間段所示。
a)負載變化時的溫升曲線 b)連續變動負載
圖1-27 連續變動負載
(未完待續)
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
