同步电机定子磁势转速差异及阶梯波周而复始的直观解释

2019-06-13

防爆电机 2019年3期

(华南理工大学电力学院，广东广州 510640)

0 引言

同步机转子磁场之旋转源于原动机驱动，因而转子谐波磁势的转向、转速，与基波磁势的相同，都是同一方向的同步速；而同步机定子磁势之旋转源于定子电流的交变，定子谐波磁势的转速，与基波的不同，有的转向甚至还相反。定子ν(希腊字母，常用来表示谐波次数)次谐波磁势的转速是基波的ν分之一，一般的电机学教科书[1～11]都对此进行了严格的推导。

这里提出的问题是：(1)严谨的推导往往失之于抽象，让人失去直观，对推导结果陷于死记硬背。那么，严谨的同时，能否有一个直观的解释呢？(2)不作傅里叶分解时，定子三相合成磁势是阶梯波。当定子电流变化一个周波后，定子三相合成磁势又重复当初的阶梯波。如果基波、谐波的转速不同，有的转向还相反，那么，以不同转速、转向转动的各成分(基波、谐波)又怎么会合成得到和当初一样的阶梯波呢？

这一现象如何理解？本文即作此一试。

说明：(1) 同步机乃同步电机之简。异步机乃异步电机之简。(2) 磁势乃磁动势之简。(3)本文中磁场以磁势的面貌出现，因而，磁势、磁场不加区分。

1 谐波转速为基波转速ν分之一的直观解释

1.1 对称三相电流和对称三相绕组

不妨做一个纸面上的实验。给定一组对称三相电流，如式(1)、图1所示。两个对称三相绕组如图2所示。

(1)

图1对称三相电流的变化波形

图2对称三相定子绕组

在以下各图中，三相电流皆以尾进首出为正方向。

1.2 对称三相电流通入对称三相2极绕组的情形

对称三相电流通入图2(a)所示2极绕组时，三个典型瞬间的磁场如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示。

图3三个典型瞬间的2极定子磁场图

1.3 对称三相电流通入对称三相4极绕组的情形

为图面清晰，未画出转子。当三相电流通入图2(b)所示4极绕组时，三个典型瞬间的磁场如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示。图面上的数字表示钟点数，它形象地反映出磁场移动的情况。

图4三个典型瞬间的4极定子磁场图

1.4 对2.2和2.3中图观察的结论

考虑到4极时，电角度是机角度的2倍，故，对图3、图4的观察，可以得到如下3个定律。

(1)磁场转向定律：磁场按照电流的相序，即取得最大值的先后顺序，旋转。

(2)磁场转速定律(比频速公式)：电流变化多少电角度，磁场就转过多少电角度，即电流变得快，磁场就转得快，亦即磁场转速与电流频率成正比。考虑到机角度为电角度的p分之一(p为极对数)可知，磁场的旋转速度与极对数成反比。通过作图，这一结论不难推知p为任意自然数情形。考虑到频率以秒计时，转速以分计时，磁场的转速可以写成

(2)

不计时间单位的差别时，磁场转速就是“比频(specific frequency)”，即单位极对数下的频率。因此，可把由式(2)决定的转速，称为“比频速”。

教科书[1～11]都把磁场转速称为“同步速”。此乃因为同步机时，转子的转速与定子磁场的转速同步。从同步机的角度看，这无可厚非。但从物理量的物理内涵角度看，则“比频速”比“同步速”要好些。因为“比频”反映了磁场转速的内在的决定因素-电流频率和磁场极对数。

“同步速”不仅没有反映磁场转速的物理内涵，而且，它还只适于同步机，而不适于异步机。因为异步机情形，如果转子速度达到同步，那么，就不成其为异步机了。

(3)磁场幅值位置定律：某相电流取得幅值，则，磁场幅值就位于该相轴线上。