不同转子电机异步运行特性对比探析

夏青++鲍岩

摘 要：实验表明，永磁电机在正弦波供电时振动噪声的频率主要集中在低频段，而变频器供电的永磁电机其振动噪声频率主要分布在开关频率及其倍数附近。因此，要抑制变频器供电永磁电机的振动噪声主要应从开关频率附近的谐波入手，消除或削弱这些谐波对电机的影响。

关键词：不同转子；异步电机；复数电压

同步电机一般作为发电机，它是用直流电产生的磁场不是用铁磁材料。异步电机是靠定子产生旋转的磁场，启动时候转子不转，定子磁场旋转，转子就切割磁感线了，切割后转子才产生了电流，在磁场中受力旋转，但是转子速度一直低于定子磁场，这样才能切割磁感线，所以叫异步电机。做成鼠笼可以切割磁感线，但不要误以为只有鼠笼才能切割。要明白切割磁场的目的是什么，是产生电流。如果定转子都有电流是可以不切割的。

一、异步电机运行原理

异步电动机的定子上装有一套在空间上对称分布的三相绕组AX、BY、CZ。当给这三相绕组通以交流电时，则在定转子气隙中产生磁场。此磁场在任何瞬间都是三相绕组各磁场的总和。通过右手定则对不同瞬间电流与磁场方向的关系可知，合成磁场FΣ的方向与电流为最大值那一相绕组的轴线方向一致。因此随着电流最大值依次由A相→B相→C相→A相等顺序变化，合成磁场的方向也依次指向A相→B相→C相→A相等各相绕组的轴线方向。这就是说，这个合成磁场是一个“旋转磁场”。其旋转速度n0（同步转速）与交流电源频率成正比，而与磁场极对数成反比。由于旋转磁场的作用，转子导体切割磁场磁力线而产生感应电势，这个感应电势使闭合的转子导体产生电流，通电导体在磁场中又受到一个力的作用，这个作用在导体上的力，将使异步电动机旋转。根据右手定则可知转子闭合导体电流的方向。再根据左手定则可知转子导体受力方向。此作用力产生的转矩XTD将克服阻力矩Mfz，使电机加速到电动力矩等于阻力矩为止。

二、异步电动机的运行特征分析

与直流电动机相同，三相异步电动机也可工作于两大运行状态，即电动运行状态和制动运行状态。在交流电力拖动系统运行时，拖动不同负载的条件下，改变异步电动机电源电压的大小、相序及频率，或者改变绕线式异步电动机转子回路所串电阻等参数，三相异步电动机可以运行在四个象限的各种不同状态。

（一）电动运行

电动运行状态的特点是电动机转矩T的方向与旋转的方向n相同，在第I及第III象限绘出了电动状态下电动机的机械特性。第I象限电动机工作在正向电动状态，第III象限相当于电动机改变相序后，工作在反向电动状态。在电动状态下运行，电动机由电网吸取电能，变换为机械能带动负载。

（二）制动运行

与直流电动机相同，异步电动机也可工作于回馈制动、反接制动及能耗制动三种制动状态。其共同的特点是电动机转矩T与转速n的方向相反，以实现制动。此时电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能，或消耗在电阻中，或反馈回电网。当异步电动机由于某种原因，例如位能性负载的作用，使其转速高于同步速n1，转差率s<0，转子感应电势sE2反向，转子电流的有功分量It2cosφ2也反向，而转子电流的无功分量方向则不变，由相量图可以看出，定子电流也相应改变，U1和I1间的相位差角φ1>90?，此时定子功率P1=m1U1I1cosφ1为负，即定子绕组将电能回馈电网。同时转差率s<0，电磁转矩T<0，电磁转矩的方向和转向相反，在转子轴上产生制动转矩。综上所述，当转速高于同步速时，电动机处于回馈制动运行状态。回馈制动状态一般用于位能性负载下放，以获得稳定的下放速度，或异步电动机变极调速由少极数变为多极数时发生。

（三）反接制动

转速反向的反接制动（或称倒拉反转制动），转速反向的反接制动与直流电动机的电势反接制动相似。异步电动机带位能性负载，按正转接线，转子回路串入较大电阻Rf，机械特性的最大转矩点到了第IV象限。当接通电源，电动机的起动转矩的方向与重物G产生的负载转矩相反，而且Tst1，随着|-n|的增加，s、I2及T均增大，直到转矩增至T=TZ，转速稳定为-n2，此时重物以等速下降，稳定运行点在第IV象限的B点，机械特性在第IV象限的部分（用实线表示）即为异步电动机转速反向的反接制动。这种制动与前述回馈制动一样，可用于起重机的重物下放，这也属于一种稳定运行状态。电动机在反接制动状态时，它由轴上输入机械功率（s >1， P2为负），同时，定子又通过气隙向转子输送电功率，这两部分合起来消耗在转子电路的总电阻R2+Rf中。

（四）能耗制动

异步电动机原在A点运行，相应于电路图中S1闭合，S2断开。为了迅速停车，开关转换，即当S1断开，电动机脱离电网时，立即将S2接通，则在定子两相绕组中通入直流电流，在定子内形成一固定磁场。当转子由于惯性而仍在旋转时，其导体即切割该磁场，在转子中产生感应电动势和转子电流。根据左手定则，可以确定出转矩方向与转速方向相反，即为制动转矩。可以证明，能耗制动的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似，是一条具有正、负最大值，过n=0点的曲线，能耗制动的机械特性曲线在第II象限。如果以转子不外串电阻，定子直流励磁电流为某一定值时的曲线1为基准，如果增大转子回路所串电阻而直流励磁电流不变时，最大转矩不变，产生最大转矩的转速增加。如果转子回路所串电阻不变而直流励磁电流增大时，最大转矩增大，产生最大转矩的转速不变。

三、结束语

结果表明，异步运行时转矩随转速的变化与普通异步电机不同，特性曲线上出现一个凹点，实际应用中工作点应避开凹点处。从调速性能来看，公共端环转子具有宽广的串电阻调速范围。

参考文献：

[1]熊光煜.无刷双馈电机时步有限元分析[J].中国电机工程学报，2014.

[2]姜建国.笼型转子无刷双馈电机的无功功率和稳定性[J].电工技术学报，2015.