三相交流換向器電動(dòng)機(jī)-正文
轉(zhuǎn)子上有帶換向器（見(jiàn)直流電機(jī)）的電樞繞組的三相交流電動(dòng)機(jī)。又稱三相異步換向器電動(dòng)機(jī)或交流整流小電動(dòng)機(jī)。是一種恒轉(zhuǎn)矩交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。其調(diào)速范圍較寬，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比通常有3:1、6:1、10:1幾種。它還有調(diào)節(jié)功率因數(shù)的功能，使最高額定轉(zhuǎn)速時(shí)的滿載功率因數(shù)，在無(wú)補(bǔ)償時(shí)也可達(dá)0.98左右。與一般籠式三相異步電動(dòng)機(jī)相比，三相交流換向器電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流較小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，但滿載效率稍低；與電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)相比,它不僅能在空載情況下調(diào)速,而且調(diào)速范圍較大，其性能指標(biāo)與晶閘管電動(dòng)機(jī)相仿。所以，三相交流換向器電動(dòng)機(jī)適用于紡織、造紙、制糖、橡膠等領(lǐng)域中要求在寬范圍內(nèi)均勻調(diào)速時(shí)的電力拖動(dòng)。三相交流換向器電動(dòng)機(jī)有三相并聯(lián)換向器電動(dòng)機(jī)和三相串聯(lián)換向器電動(dòng)機(jī)兩種。
換向器繞組交流電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 對(duì)稱三相換向器電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。若旋轉(zhuǎn)的平均磁通密度峫(圖1)以轉(zhuǎn)速пs旋轉(zhuǎn)，而換向器繞組以轉(zhuǎn)速п旋轉(zhuǎn),則換向器繞組的導(dǎo)體將以相對(duì)轉(zhuǎn)速(пs-п)切割磁場(chǎng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。
其有效值與相對(duì)轉(zhuǎn)速成比例。然而換向器繞組的導(dǎo)體雖然以速度п轉(zhuǎn)動(dòng),但電刷靜止不動(dòng)，它所引接的一部分繞組在空間總是處在一定的位置，所以由電刷引接的支路可以看做是在空間固定不動(dòng)的。根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)支路每分鐘切割的極對(duì)數(shù)即為其電動(dòng)勢(shì)的頻率的原理，支路電動(dòng)勢(shì)的頻率由磁場(chǎng)對(duì)靜止電刷的轉(zhuǎn)速пs決定。
三相并聯(lián)換向器電動(dòng)機(jī) 其原理性結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。在帶換向器的轉(zhuǎn)子中裝有兩套繞組。一個(gè)是由滑環(huán)與電刷引出的三相交流繞組3,它由三相交流電網(wǎng)饋電,作為原邊;另一個(gè)是由換向器上的電刷引出的換向器繞組2,它通過(guò)電刷a1-a2、b1-b2、c1-c2與定子繞組a、b、c分別串聯(lián)成閉合回路，構(gòu)成電機(jī)的副邊。電刷a1-a2、b1-b2和c1-c2的張開(kāi)角2β是可調(diào)的。三對(duì)電刷還可以同時(shí)沿圓周移動(dòng)至所需的任意位置。
三相交流換向器電動(dòng)機(jī) 帶滑環(huán)的轉(zhuǎn)子繞組通以三相交流電產(chǎn)生電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，它相對(duì)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速пs轉(zhuǎn)動(dòng)。若轉(zhuǎn)子本身以轉(zhuǎn)速п反向轉(zhuǎn)動(dòng)， 則磁場(chǎng)相對(duì)于定子和換向器繞組各支路的轉(zhuǎn)速均為轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速(пs-п)，從而定子繞組和換向器繞組中感生的電動(dòng)勢(shì)也為轉(zhuǎn)差頻率。它隨轉(zhuǎn)差率（見(jiàn)異步電機(jī)）變化而變化。然而，磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子具有固定的相對(duì)速度（同步轉(zhuǎn)速пs），所以換向器繞組電動(dòng)勢(shì)的大小與轉(zhuǎn)差率無(wú)關(guān)。三相并聯(lián)換向器電機(jī)實(shí)際相當(dāng)于在副邊繞組中(即定子a、b、c繞組)串入了轉(zhuǎn)差頻率的外電動(dòng)勢(shì)(即換向器繞組的電動(dòng)勢(shì))的異步電機(jī)。其差別僅在于前者原邊放在轉(zhuǎn)子上，而副邊放在定子上。
電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是依靠電刷張開(kāi)角2β的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。功率因數(shù)的調(diào)節(jié)依靠同時(shí)移動(dòng)三對(duì)電刷對(duì)三個(gè)定子繞組的相對(duì)位置的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果將電刷張開(kāi)角2β調(diào)節(jié)到零,副邊外加電動(dòng)勢(shì)就等于零，此時(shí),便與一般三相異步電動(dòng)機(jī)完全相同。當(dāng)2β張大為非零的某一角度時(shí)，則在副邊加入了附加電動(dòng)勢(shì)。附加電動(dòng)勢(shì)的加入，改變了副邊回路的總電動(dòng)勢(shì)和電流。如要保持電磁轉(zhuǎn)矩為原值不變,就必須改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，以改變定子電動(dòng)勢(shì),使副邊電流基本上恢復(fù)原值。這就意味轉(zhuǎn)速發(fā)生了改變。如果通過(guò)電刷位置的調(diào)節(jié)，使附加電動(dòng)勢(shì)與定子電動(dòng)勢(shì)同相位，則轉(zhuǎn)速升高。如果將電刷調(diào)整成使換向器電動(dòng)勢(shì)與定子電動(dòng)勢(shì)反相位，則轉(zhuǎn)速下降。
這種電機(jī)的調(diào)速性能很好，不但可以向下調(diào)，還可向上調(diào)，使其超過(guò)同步轉(zhuǎn)速。調(diào)速范圍一般可達(dá)10:1。
如將電刷在圓周方向上移動(dòng)，使換向器電動(dòng)勢(shì)與定子電動(dòng)勢(shì)具有各種不同的相位差，則可調(diào)節(jié)其運(yùn)行的功率因數(shù)。這是由于換向器電動(dòng)勢(shì)的串入，改變了電動(dòng)勢(shì)和電流的相位，反映到原邊時(shí)則表現(xiàn)為功率因數(shù)的改變。調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)該注意電刷的移動(dòng)方向，在高于同步轉(zhuǎn)速和低于同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，同樣為了提高功率因數(shù)，電刷的偏移方向是相反的。
三相串聯(lián)換向器電動(dòng)機(jī) 其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。
定子繞組A、B、C通過(guò)電刷a、b、c與換向器繞組相串聯(lián)。 圖中將換向器繞組等效為Y接法的繞組。電刷a、b、c 可以同時(shí)移動(dòng)位置，以改變夾角α。三相串聯(lián)換向器電動(dòng)機(jī)與三相并聯(lián)換向器電動(dòng)機(jī)的差別是：定子繞組與換向器繞組采用了串聯(lián)接法；轉(zhuǎn)子上只有一套換向器繞組而沒(méi)有帶滑環(huán)的交流繞組；交流電源加在定子繞組A、B、C3端點(diǎn)上而不在轉(zhuǎn)子上。
電機(jī)通電后，定、轉(zhuǎn)子繞組均產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)。若定、轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角為α,則定子磁通勢(shì)F1與轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)F2在空間也相差α角。
圖4為兩互相垂直磁場(chǎng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理。
其中任一個(gè)磁通勢(shì)對(duì)另一個(gè)磁通勢(shì)的垂直分量才是有效的。再考慮到定、轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)F1與F2均與電流I成正比，故電磁轉(zhuǎn)矩為
式中C┡和C為常數(shù)。從公式可以看出這一轉(zhuǎn)矩與電流平方成比例，還可以通過(guò)角α 的調(diào)節(jié)來(lái)改變轉(zhuǎn)矩的大小、方向及電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，以達(dá)到調(diào)速目的。
三相串聯(lián)換向器電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，調(diào)速范圍約為1:2.5,即可在低于同步轉(zhuǎn)速的50％到120～130％的范圍運(yùn)行。若拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比的負(fù)載，則調(diào)速范圍可達(dá)1:4,甚至更寬。故這種電動(dòng)機(jī)適用于吊車、離心式水泵及空氣壓縮機(jī)等的拖動(dòng)。
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