(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(zhuǎn)原理
(1)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁動勢被靜止著的轉(zhuǎn)子繞組切割，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生感應電動勢，又因為轉(zhuǎn)子繞組是自成回路的，所以同時產(chǎn)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?qū)w切割磁力線的方向，因為是定子的磁力線在旋轉(zhuǎn)，所以轉(zhuǎn)子的導體切割磁力線的方向和磁動勢旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電流是切割了旋轉(zhuǎn)磁場感應而得?！?BR>

圖1-18　轉(zhuǎn)子電流的產(chǎn)生

“等一等?！睆埨蠋煷驍嗾f：“前面在討論交變電流產(chǎn)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?，F(xiàn)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(tǒng)稱磁場。”
“真嚴密。”小李吐了吐舌頭，然后繼續(xù)說：“轉(zhuǎn)子繞組中的感應電流又和定子的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)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(zhuǎn)矩tm，由圖可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方向和旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向是相同的。在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為nm。


圖1-19　電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生

因為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應電動勢和感應電流的前提條件是轉(zhuǎn)子繞組必須切割旋轉(zhuǎn)磁場，所以，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總要低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，故稱為異步電動機。對不對？”
“說得很好，有關轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的基本公式 　
同步轉(zhuǎn)速的公式如式(1-13)所示，因為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總要比同步轉(zhuǎn)速低一些，所以有：
(1)轉(zhuǎn)差
即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之差：
δn=n1-nm    (1-14)
式中，δn—轉(zhuǎn)差，r/min；
nm—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。
(2)轉(zhuǎn)差率 　
轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速之比，稱為轉(zhuǎn)差率：
s＝＝×100%        (1-15)
式中，s—轉(zhuǎn)差率，常用百分數(shù)表示。
在起動瞬間，nm=0時，s=1；
如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)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(tài)下，s=(2～5)%。
(3)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(guī)律也應該了解。例如，電動機的轉(zhuǎn)差率和容量之間的規(guī)律。不同磁極對數(shù)電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率見表1-2。
表1-2　不同磁極對數(shù)電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差與轉(zhuǎn)差率


由表1-2可以看出，小容量電動機的轉(zhuǎn)差與轉(zhuǎn)差率較大，而大容量電動機的轉(zhuǎn)差與轉(zhuǎn)差率較小。”
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小李的筆記
磁場旋轉(zhuǎn)被切割　　轉(zhuǎn)子電流感應得
磁場電流相互推　　產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩樂呵呵
＊＊＊＊＊＊　　?。?BR>磁場轉(zhuǎn)速永不低　　轉(zhuǎn)子追得差不離
眼看快要追上了　　怎奈轉(zhuǎn)差是前提
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1.4異步電動機的額定數(shù)據(jù)
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(shù)據(jù)，小李事先在廠里抄錄了兩臺電動機的銘牌。一臺國產(chǎn)的，一臺日本的，如圖1-20所示。他首先發(fā)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(chǎn)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?！?BR>

a)國產(chǎn)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(shù)據(jù)進行定量分析時，針對的是每一相里各種參數(shù)的變化規(guī)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?！?BR>(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?！?BR>1.4.2額定頻率和轉(zhuǎn)速
小李說：“國產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的前提是，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速之間必須有轉(zhuǎn)差。進一步說，電磁轉(zhuǎn)矩的大小，是和轉(zhuǎn)差有關的。電壓較低時，電動機的磁通量有所減少，在轉(zhuǎn)差相同的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩也會有所減小，為了能夠帶動額定負載，必須加大轉(zhuǎn)差，所以轉(zhuǎn)速就低了。這個問題，后面還要詳細討論?！?BR>1.4.3功率、功率因數(shù)和效率
(1)額定功率和轉(zhuǎn)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(jié)果看，它指的是輸出功率?！?BR>張老師又問：“電動機是干什么用的？”
“帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)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?？墒牵@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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，n∙m；
nm—電動機的轉(zhuǎn)速，r/min。
在電力拖動里，公式(1-18)非常重要，一定要牢牢掌握?！?BR>“在銘牌數(shù)據(jù)里，好像沒有額定轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)不同的電動機的額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)
小李說：“我正要問呢。根據(jù)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(shù)。
式(1-20)中，用了線電壓和線電流，那么，這功率因數(shù)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(shù)據(jù)，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(nèi)部的電路圖如圖1-21b所示。

a)運行數(shù)據(jù)的測量      　b)三相電路圖　      c)瞬時值                   
圖1-21　電動機的功率因數(shù)

所謂功率因數(shù)，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(jù)電工基礎的知識，線電壓在數(shù)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?，F(xiàn)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(shù)是不存在的?；蛘哒f，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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?！?BR>(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(zhuǎn)矩。因為能不能帶得動負載，關鍵在于電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，n∙m；
tmn—電動機的額定轉(zhuǎn)矩，n∙m?！?BR>--------------------------------------------------------------------------　小李的筆記
指導用戶銘牌編　　電壓電流都用線
功率因數(shù)只歸相　　額定功率軸上見
＊＊＊＊＊＊　　?。?BR>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(shù)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(chǎn)異步電動機的型號中：
第一項是產(chǎn)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(zhuǎn)子異步電動機、yq代表高起動轉(zhuǎn)矩異步電動機等?！?BR>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(shù)，‘4’就是4極電動機?！?BR>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(fā)現(xiàn)，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(qū)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(jié)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(shù)必然增多，小容量電動機定子的內(nèi)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?！?BR>(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(jīng)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(guī)定一相繞組為u相，并任意規(guī)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(jié)果：
結(jié)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(chǎn)生感應電動勢，故萬用表的讀數(shù)為0v。
結(jié)果2：電壓有讀數(shù)，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(chǎn)生感應電動勢，萬用表有讀數(shù)?！?BR>--------------------------------------------------------------------------
小李的筆記
電機接線很靈便　　只需更改聯(lián)接片
連成一線是y形　　三片分開δ形聯(lián)
＊＊＊＊＊＊　　　＊＊＊＊＊＊
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(chǎn)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(zhuǎn)換成熱能，使電動機的溫度升高。溫度升高的主要結(jié)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(huán)境溫度之差，我國的最高環(huán)境溫度規(guī)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?！?BR>小李又問：“銘牌上的‘定額’是什么意思？為什么要規(guī)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(guī)律。
1.6.2電動機的溫升　
(1)溫度變化的基本規(guī)律
要了解電動機溫度上升的規(guī)律，需要知道溫度變化的基本規(guī)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(zhuǎn)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(shù)值時，它所產(chǎn)生的熱量和散發(fā)的熱量相等，處于平衡狀態(tài)時，溫升不再增加。這時的溫升稱為穩(wěn)定溫升，用τs表示。
事實上，以上規(guī)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(shù)規(guī)律：
τ＝τs(1―e-t∕t)    (1-24)
式中，τ—溫升，℃；
τs—穩(wěn)定溫升，℃；
t—時間常數(shù)。
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(wěn)定溫升所需要的時間，稱為時間常數(shù)，用t表示。時間常數(shù)的物理意義可以解釋如下：
(a)如果電動機在發(fā)熱過程中不向周圍散熱，達到穩(wěn)定溫升所需要的時間；
(b)電動機的溫升上升到穩(wěn)定溫升的63.2%所需要的時間。
發(fā)熱時間常數(shù)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(fā)熱時間常數(shù)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(shù)和周圍環(huán)境有關。


圖1-26　電動機的發(fā)熱與散熱曲線

1.6.3電動機的運行定額
根據(jù)負載的工況不同，有連續(xù)不變負載、連續(xù)變動負載、斷續(xù)負載和短時負載。分別說明如下：
(1)連續(xù)不變負載
負載在運行過程中，阻轉(zhuǎn)矩基本不變的負載，稱為連續(xù)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(wěn)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(xù)變動負載
負載的阻轉(zhuǎn)矩不同，電動機所能達到的穩(wěn)定溫升也不同，如圖1-27a所示。許多負載在運行過程中，阻轉(zhuǎn)矩并不穩(wěn)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(xù)變動負載
圖1-27　連續(xù)變動負載

(未完待續(xù))