如何講好“三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理”這一課

“三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理”這一內(nèi)容是電機(jī)與變壓器中的重中之重。因?yàn)橹挥姓莆樟诉@一原理，才能深入學(xué)習(xí)三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、反轉(zhuǎn)及制動(dòng)的方法，并且為學(xué)習(xí)其他類型的電機(jī)，如單相異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)的工作原理作一個(gè)鋪墊，而要想深入淺出地講好這一課，應(yīng)從以下幾方面入手。

一、相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的使用及原理講解中的關(guān)鍵點(diǎn)

1. 兩個(gè)對(duì)稱——即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的兩個(gè)條件

(1)對(duì)稱的三相交流電。三相異步電動(dòng)機(jī)是以三相對(duì)稱的正弦交流電作為電源的，所謂“對(duì)稱”，就是指這三相電的最大值、角頻率分別相等，而初相位互差120°。

(2)對(duì)稱的三相定子繞組。是指三相異步電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組在定子鐵心槽內(nèi)的分布要互差120°的電角度。

2. 法拉第電磁感應(yīng)定律

(1)通電導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。三相異步電動(dòng)機(jī)是將對(duì)稱的三相交流電流通入對(duì)稱的三相定子繞組中。通過分析可知，當(dāng)正弦交流電變化一個(gè)周期的過程中，在三相定子繞組周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。此時(shí)為了使學(xué)生充分理解旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的含義，應(yīng)首先畫出三相正弦交流電在一個(gè)周期內(nèi)的波形圖，然后選取幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，請(qǐng)學(xué)生自己分析產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并得出該磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的結(jié)論。

(2)導(dǎo)體切割磁力線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向用右手定則來判斷。在應(yīng)用右手定則時(shí)應(yīng)著重強(qiáng)調(diào):定則里提到“拇指表示導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向”。當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)在剛接通電源的啟動(dòng)瞬間，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)已經(jīng)產(chǎn)生，而這時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體由于慣性還處于靜止?fàn)顟B(tài)。所以根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，假設(shè)當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，靜止的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相當(dāng)于在逆時(shí)針地切割磁力線。此時(shí)學(xué)生很容易將旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向作為轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線的運(yùn)動(dòng)方向來判斷，造成感應(yīng)電流方向的判斷失誤。

3. 左手定則的使用

轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，使其成為了帶電導(dǎo)體，帶電的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體處在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中就會(huì)受到力的作用。當(dāng)我們搞清了力的作用方向，就可以知道轉(zhuǎn)子必然要在該力的作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)。力的作用方向的判斷應(yīng)使用左手定則。通過判斷可知，轉(zhuǎn)子會(huì)以與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

掌握了以上幾個(gè)要點(diǎn)，就可以把三相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理搞清楚了，但要想對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的各種工作狀態(tài)進(jìn)行分析，光有這些知識(shí)是不夠的，還需要掌握它的旋轉(zhuǎn)特點(diǎn)以及有關(guān)的物理量。

二、三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)

1. 兩個(gè)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

速度為矢量，有大小有方向。所以在討論旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系時(shí)應(yīng)從這兩方面入手。

(1)二者之間的方向關(guān)系:若旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)我們用左手定則判斷轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的受力方向時(shí)，可知轉(zhuǎn)子也受到了使其順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩。因此，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速方向是一致的。

(2)二者之間的大小關(guān)系:我們可以使用反證法。首先假定兩個(gè)轉(zhuǎn)速的大小相等。由于已經(jīng)確定了它們的方向相同，所以這時(shí)相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子在同步旋轉(zhuǎn)，即二者處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)就會(huì)失去切割磁力線運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中也就不會(huì)再有感應(yīng)電流產(chǎn)生，也就不會(huì)再受到力的作用，這時(shí)電機(jī)就會(huì)停轉(zhuǎn)。所以假設(shè)是不能成立的，也就是說旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大小是不同的，這也就是電動(dòng)機(jī)名稱中“異步”的由來。在三相異步電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是要小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速的，即n

2. 電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向問題

在原理的分析中已提到，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向相同，所以要想電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則首先旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)要反轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是由通入三相定子繞組交流電的相序決定的。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)總是由能入交流電相序超前的一相繞組轉(zhuǎn)向相序滯后的一相。所以只要改變交流電的相序，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就會(huì)反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)也隨之反轉(zhuǎn)。具體的做法是:對(duì)換電動(dòng)機(jī)任意兩相電源線。由于電工專業(yè)的學(xué)生在做電力拖動(dòng)實(shí)習(xí)操作時(shí)，會(huì)遇到電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)問題，此時(shí)，可以讓學(xué)生展開討論，把實(shí)際操作加以理論解釋。

三、幾個(gè)重要的參數(shù)及相互關(guān)系

1. 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速n1

兩極磁場(chǎng)的電動(dòng)機(jī)(即磁極對(duì)數(shù)p=1)當(dāng)三相交流電變化一個(gè)周期時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過一周，而當(dāng)定子繞組的連接形成的是兩對(duì)磁極時(shí)，運(yùn)用相同的方法可以分析出此時(shí)電流變化一個(gè)周期，磁場(chǎng)只轉(zhuǎn)過了半圈，即轉(zhuǎn)速減慢了一半。由此可見，同步轉(zhuǎn)速n1與磁極對(duì)數(shù)p是成反比的。所以可以得到同步轉(zhuǎn)速n1、三相電流的頻率f及磁極對(duì)數(shù)p之間的關(guān)系為:n1=60f/p。其中頻率為我國交流電源的工頻50 Hz。

2. 轉(zhuǎn)差率S

(1)概念的理解:既然n1與n之間存在速度差，那么就用轉(zhuǎn)差率這個(gè)量來衡量二者之間的關(guān)系，公式表達(dá)為:S=(n1-n)/n1。

(2)S與n之間的關(guān)系:當(dāng)電動(dòng)機(jī)剛通電啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n為0，由轉(zhuǎn)差率S的公式可知:S=1，此為轉(zhuǎn)差率的最大值，而隨著電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的開始，轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸上升，即n逐漸增大，根據(jù)公式S會(huì)逐漸變小，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升達(dá)到額定值時(shí)，即n=nN，轉(zhuǎn)差率也達(dá)到了額定轉(zhuǎn)差率SN，即SN=(n1-nN)/n1，此值一般在0.01～0.07之間。由以上分析可知，n與S有著相反的變化規(guī)律，即n由0增大到nN時(shí)，S由最大值1逐漸減小。由于在分析三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性時(shí)，S與n要共用一個(gè)縱坐標(biāo)，所以此處一定要將S與n的變化規(guī)律講解清楚。

以上就是在三相異步電動(dòng)機(jī)工作原理講解過程中的一些要點(diǎn)，以及學(xué)生在分析時(shí)的易錯(cuò)、易疏漏部分的總結(jié)。

(張家口機(jī)械工業(yè)學(xué)校)