直观理解异步机矩差特性

程小华

(华南理工大学电力学院,广东广州 510640)

0 引言

本文把“异步电动机”简称为“异步机”,把“电磁转矩-转差率特性”简称为“矩差特性”,把“功率因数”简称为“功因”。

异步机的矩差特性是一个非常重要的特性,电机学文献[1～13]对之都有严谨的论述。然而,事情总有另一面。严谨的另一面,就是太抽象,不直观,也可以说太数学化,不能直视物理本质。因此,本文试图从直观的角度,亦即物理的角度,来看待异步机的矩差特性,以弥补抽象之不足。

本文先提出异步机的两个新的等值电路—两并电路和两串电路;然后,就这两个电路分别探讨异步机矩差特性的变化规律;最后,给出异步机矩差特性的直观描述。

本文仅讨论一般的笼式异步机。

1 异步机两个新的等值电路—两并电路和两串电路

异步机两个新的等值电路——两并电路和两串电路,如图1所示。

图1 异步机两个新的等值电路—两并电路和两串电路

2 转子高阻阶段的各种特征

2.1 高阻阶段的转子功因

参见两并电路,s∈(0,sN],由于s很小,所以有

(1)

2.2 高阻阶段的转子有功电流

参见两并电路,有转子有功电流(脚标a代表active,有功的意思)

(2)

(3)

2.3 高阻阶段的电磁转矩

由电磁转矩的物理表达式Tem=CTΦmI2a可知,电磁转矩的变化规律与转子有功电流的变化规律相同,即,与转差率成正比。

3 转子低阻阶段的各种特征

3.1 低阻阶段的转子功因

(4)

由式(5)可知,cosψ2随s的增大而单调减小,而且,由于sN很小,在区间[sN,1]的左端,cosψ2很大,约等于1,在区间[sN,1]的右端,cosψ2很小。

按文献[2]第229页给出的数据计算,有

可见,当s在区间[sN,1]内从左到右时,cosψ2从近似为1单调减小到0.2左右。

3.2 低阻阶段的转子有功电流

在区间[sN,1]靠近左端的部分,s仍然很小,cosψ2和I2a仍然延续高阻阶段的特征,即cosψ2约等于1,I2a与s成正比。

在区间[sN,1]靠近右端的部分,s已经很大,cosψ2已经变得很小,I2a也变得很小。

这就说明,当s在区间[sN,1]内从左到右时,I2a的变化规律是先增后减,中间某点达到最大值。

3.3 低阻阶段的电磁转矩

由电磁转矩的物理表达式Tem=CTΦmI2a可知,电磁转矩的变化规律与转子有功电流的变化规律相同,即,当s在区间[sN,1]内从左到右时,Tem先增后减,中间某点达到最大值。

4 异步机矩差特性的直观理解

4.1 总的变化规律

综前可知,矩差特性中s从0到1的整个过程,可以分为两个阶段:高阻阶段和低阻阶段。高阻阶段的变化规律是:线性急升;低阻阶段的变化规律是:上坡下坡,中有坡峰。

综合前面的讨论,可以画出异步机矩差特性如图2所示。

图2 异步机矩差特性的分段直描

4.2 对异步机矩差特性坡峰的直观理解

第一步,改画两串电路。

图3 异步机两串电路之改画

由Tem=CTΦmI2a即知Tmax、I2a·max两者等价。

(5)

4.3 对异步机起动转矩很低的直观理解

在靠近起动的低阻阶段,由于转子功因很小,虽然转子电流很大,低阻阶段越靠近右端,电磁转矩越小。所以,异步机的起动转矩很低。

5 结语

本文描述了对异步机矩差特性Tem-s的直观理解,简言之就是,利用电磁转矩的物理表达式Tem=CTΦmI2a,把Tem-s特性等价为I2a-s特性,然后,直观理解I2a-s的变化规律。具体而言,有如下五点。

(1)按s把矩差特性分为两段:0到sN的转子高阻阶段,sN到1的转子低阻阶段。

(5)在靠近起动的低阻阶段,由于转子功因很小,虽然转子电流很大,低阻阶段越靠近右端,电磁转矩越小。

上述直观理解,主要基于如下四个要点。

(1)关于整体变化规律:抓大放小,分段简化,把电路的T接化为简单的并联或者串联,从而应用欧姆定律、功因定义等,直接看出Tem变化规律。