关于电机(发电机+电动机)的几点思考----异步篇(1)

本片关键词：异步电机，同步电动机启动，电磁感应，阻尼绕组，转差率

作为交流电机的另一大分类，异步电机也对我们的生活起到了很大的作用，那么异步电机又是怎么回事呢，它为什么叫异步呢？它跟同步电机有什么区别呢？这是我们下面要讨论的内容。在讲述异步电机的原理之前，我们稍微退回去一点点，看看同步电机留给我们的一个小问题，这对于理解异步电机的工作原理是很有帮助。请看图1，图中描述的是同步电动机的启动过程，就是同步电动机的定子已经接入了三相交流电形成了定子旋转磁场，而同步电动机的转子也通入了直流电流形成了转子磁场，但是转子相对于定子还是静止的，还没有开始转动。这时的两个磁场是如何相互作用的呢？

图1：同步电动机启动过程分析

请看图1(a)，假设t1=0的时刻转子磁场与定子磁场同向，还记得扭矩的公式吗？

在图1(a)所示的情况下，产生的扭矩为0。由于转子不动，所以转子磁场BR的方向也不变，但是定子是通了三相交流电的，由此产生的定子磁场是旋转的，我们假设它逆时针旋转。(这其实与定子通入三相电的相序有关)。如图1(b)中显示，假设t2时刻BS逆时针转过了90°这时根据扭矩公式，产生的扭矩也是逆时针的。BS再接着转，转到与BR成180°角，如图1(c)中所示，此时扭矩又等于0了。当BS逆时针转过270°后，如图1(d)，产生的扭矩变成顺时针了。BS再逆时针转90°就相当于回到了最初点，与图1(a)中的情况一摸一样。也就是说，在经历了BS旋转一周后，产生的扭矩先是逆时针方向，后是顺时针方向，整个周期中的平均扭矩为0。同步电动机也会因为在每个周期内扭矩的方向变化而产生很大的震荡从而最终导致过热。这样的启动方法肯定是不行的，那么同步电动机应该如何启动呢？其中一种方法，也是现在用的最多的方法，就是用阻尼绕组（amortisseur or damper windings）来启动。阻尼绕组又是个啥东西呢？请看下图。

图2： 同步电动机阻尼绕组示意图

简单的来说，阻尼绕组是分布在转子表面的棒状的金属条，每一个阻尼绕组在端部都会被短路。那么他是如何解决同步电动机启动转矩震荡问题的呢？我们假设一开始的时候转子上没有通过直流电流，所以也就没有转子磁场的产生。同步电动机的定子还是照常通以三相交流电，所以定子上是会有旋转磁场产生的。我们假设BS如图3(a)的方向所示，并且以角速度ω逆时针旋转。由于转子是静止的，所以转子上的阻尼绕组也是静止的，随着BS逆时针转动，在阻尼绕组上由于磁通的变化就会感应出电动势，方向判定根据右手定则，又因为阻尼绕组是短路的，所以感应电动势能够产生感应电流，如图3(a)所示，上方的阻尼绕组电流流出纸外，下方的阻尼绕组电流流入纸内。通电导体在磁场中会受到磁场洛伦兹力的作用，判定方法为左手定则。阻尼绕组的上部与下部所受的洛伦兹力刚好相反，由此产生逆时针的

扭矩。如果在下一时刻，BS逆时针转过90°，则因为转子相对运动方向与磁场平行，所以不产生感应电动势也就不会再阻尼绕组上产生电流，没有电流也就不会产生扭矩，所以此刻扭矩=0，如图3(b)所示。假如BS又逆时针转过了90°，如图3(c)所示，则因为BS的方向与图(a)相反，所以在阻尼绕组上感应出的电动势方向就相反，所以阻尼绕组的上部电流变成流入纸内，而下部电流变成流出纸外。再根据左手定则判定导体受力方向，可知此时产生的扭矩也是逆时针方向。在BS逆时针转过角度为270°时，图3(d)的情况与图3(b)一样，并不产生扭矩。所以综上所述，在BS逆时针转过一个周期内，所产生的扭矩始终是逆时针方向，也就是说转子始终只受到一个方向的力，由此实现了转子的启动。

图3： 采用阻尼绕组后同步电动机的启动

需要再说明一点的是，按照这样的启动方式让转子转动后，转子的转速永远也不可能等于定子旋转磁场的同步转速（注意转子中并没有电流），因为假如相等的话，阻尼绕组与定子旋转磁场之间就没有相互运动，也就不会在阻尼绕组上感应出电流，没有电流就没有了扭矩，转子也就失去了继续旋转的动力，所以就会在不可避免的摩擦力作用下减速。虽然通过阻尼绕组的感应启动方式不能使转子转速达到同步转速，但是可以使转子转速很接近同步转速，这时在转子中通入正常的直流电流形成转子旋转磁场。之前说过同步电机的定子磁场与转子磁场之间就好比有一根弹簧拉着使他们同步旋转，所以转子磁场一旦形成，就会跟定子磁场作用并最终达到同步转动的效果。

大家可能会觉得奇怪，我说了这么多，好像都是在说同步电机的问题，跟异步电机八竿子也打不上一点关系。其实细心的读者已经可以感觉的到了，在上述同步电机阻尼绕组感应启动的描述中，转子始终是没有通电流的，也就是说始终是没有转子旋转磁场的。但是阻尼绕组上有电流通过，转子能转动也说明有扭矩的产生有能量的传递。那么我们如果把转子中的直流电流取掉（不进行直流励磁）是不是也可以实现电能与机械能的相互转换呢？答案是肯定的，这就是我们的异步电机。

图4： 异步电机示意图

如图4所示，异步电机的定子跟同步电机没有区别，都有三相绕组，能够通入三相交流电。但是异步电机的转子上没有的励磁结构了，也就是转子上不依靠通入直流电来产生转子磁场了。异步电机的转子上也有三相绕组，图中没有画出，但是实际与定子的三相绕组是一个道理，用来引导感应电流的。转子的结构一般如下图：

图5： 笼型异步电机转子示意图

图中一个个的导条就好比同步电机启动时阻尼绕组的导条，两个端部用短路金属环使所有的导条短路来引导感应电流。这种结构叫做笼型异步电机，因为它的转子部分看起来像个鼠笼。

正如同步电机一样，异步电机的运作规律其实还是电磁感应定律，这其实是理解一切电机的基础。正如我们前面讲的同步电动机启动的例子，关于异步电机的原理我们来看下图。图6画的是笼型异步电机的转子，BS是定子通入三相交流电后形成的旋转磁场，它以角速度ω逆时针旋转，假设转子静止，那转动的BS会在转子上感应出电动势，方向用右手定则判定，结果如图6(a)所示。我们再假设转子本身是感性负载（实际也确实是），那么由于转子本身是短路的，所以产生的电流滞后于电压，形成了如图6(b)所示的电流。这个电流又形成了转子磁场，请注意此时转子磁场的形成不是由于转子通入了直流电并且同步旋转，而是由于转子导体切割定子旋转磁场产生的感应电动势所激发，这是异步电机与同步电机最本质的区别。这两个磁场（定子旋转磁场，转子感应磁场）相互作用，形成了合成磁场Bnet，进而形成转子的内部电压ER，如图6(c)所示。

图6： 异步电机原理图

异步电机之所以称为异步，是因为转子的转速与定子旋转磁场的转速永远不可能一样（大于或者小于定子旋转磁场转速），因为假设他们转速一致的话，那转子导条与定子磁场之间就没有了相对运动，也就不可能产生转子感应电动势，也就没有了转子磁场。这与我们之前分析的同步电动机阻尼绕组感应启动是一个道理。

异步电机可以用作异步电动机与异步发电机，一般来讲异步电动机用的更为广泛，但是在特殊场合（比如风力发电）异步发电机也有一定的运用。下面以异步电动机为例说明异步电机的一些参数。还是参考上图，我们之前在分析的时候假定转子导条是静止的，得出的转子感应电动势方向如图6(a)所示。现在考虑转子本身也在旋转，但是转子的转速ωR小于定子磁场转速ω，他们转速的差值（ω-ωR）决定了转子中可以感应出电动势，其方向跟图6(a)中的方向一致。产生的转子感应电流IR受到磁场BS的作用产生了扭矩，根据左手定则可以判定这个扭矩的方向为逆时针方向，也就是说这个产生的扭矩试图加速转子，使转子转速赶上定子磁场的同步转速，但是却永远也赶不上。（因为一赶上的话，转子与定子磁场之间就没有了相对运动，也就没有了感应电流，进而没有扭矩，转子便会减速）这个扭矩的大小为：

把这个转子转矩用主轴引出，便可带动负载形成电动机。大家可以看出这其中的关键便是转速的差值，我们用转差ωslip来表示（ω-ωR）,即ωslip=（ω-ωR）。ωslip其实便是转子上感

应出的电动势的频率，也是转子磁场的频率。我们更习惯用转差率来表示这个差值，转差率叫做slip，是转差与同步转速的比值，这个概念非常重要，从以后的等效电路图可以看出。公式为：

其实也就是：

请注意当转子以定子磁场同步转速旋转时，S=0，当转子静止时，S=1。异步电动机转子的其他转速，都会使0正如我们前面的分析，异步电动机是由于定子引入的三相交流电形成了旋转的磁场，而转子以慢于这个旋转磁场的转速运动，他们之间的相对运动，或者叫做转差（转差率）是转子上感应出了电动势，又由于转子短路而形成了电流，进而产生了转子磁场。可以看出这个转子磁场的频率与转差率有着密切的联系。考虑转子静止的情况，即S=1，可以知道此时感应出的转子磁场频率就等于定子旋转磁场频率，为ω，考虑转子转速与定子磁场一样的情况，这时S=0，转子上感应不出电动势，所以转子磁场的频率就是零。其他的转子转速都会使转子磁场的频率落在0与ω之间，所以我们得出公式：

fr是转子磁场的频率(其实我更喜欢叫它fs，感觉fr很容易跟转子转速产生混淆)，fe是定子旋转磁场的频率，S为转差率。很多书本上会提出转子频率的概念，千万不要以为转子频率说的是转子的转速，转子频率说的就是转子磁场的频率。转子转速一般称为转子机械频率。

在本篇的最后想给大家提出两个问题，以便于我们更为深刻的理解异步电机。

第一个问题是：我们说电磁感应是所有电机的理论基础，那么考虑异步电动机的情况，开始定子通三相交流电后产生了定子旋转磁场，这个磁场以（ω-ωR）的速度切割转速慢于它的转子导条（转速为ωR），从而在转子中感应出了电动势，由于转子短路所以能产生感应电流，这个感应电流产生了频率为（ω-ωR）的转子磁场。（请注意我在描述这个物理过程时，是先说的转子感应电动势，再说的转子感应电流，因为其物理本质是时变的磁通产生电动势，而这个电动势接上不同的负载便可有不同的电流，甚至不接负载，就算开路，这个感应电动势也依然存在，只是没有电流罢了。可见感应电动势是比感应电流更为本质的东西。）我想问的问题是：这个产生了的转子磁场会不会也反过来切割定子的绕组呢？如果会的话，那么频率是多少呢？

第二个问题是：我们之前分析的对象是异步电动机，转子的转速是慢于定子通电后同步磁场的转速的。因而产生了跟转子转动同向的扭矩企图加速转子。（注意这一切的前提都是定子先通了三项正弦交流电，产生了旋转磁场）用主轴引出这个扭矩就可以带动负载做工，因而实现了电能到机械能的转换。异步发电机与异步电动机的工作状态有所不同，它也是定子先通三相电形成旋转磁场，但是转子的转速快于同步磁场的转速（ω<ωR），有兴趣的朋友可以分析图6，此时作为发电机，转子转速由于快于同步转速，所以转子上感应出的电动势方向与图6(a)的方向是相反的。产生的扭矩也是相反的，也就是说这个扭矩企图使转子减速，

如果转子被原动机拖动（比如风机，水轮机，蒸汽机等）克服这个扭矩做工，那么机械能就会转化为电能从定子的三相绕组发出电来。请注意异步发电机的原理也是定子磁场与转子的相对切割作用，只不过切割的方向与异步电动机相反。了解了这个过程后，我想问的问题是：异步发电机首先要靠定子从电网取用电流来建立旋转磁场，但是最终又从定子给电网输入电能。那这两个过程之间是否存在矛盾呢？

关于这两个问题的解答以及异步电机等效电路图的推导，再加上异步电机扭矩与转速的关系，我将会放在异步篇(2)中着重讲解。