2.1　交流電機(jī)的工作原理

2.1.1　同步電機(jī)

下面以同步發(fā)電機(jī)為例說明同步電機(jī)的工作原理。同步發(fā)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子、轉(zhuǎn)子間有氣隙，其結(jié)構(gòu)模型如圖2-1所示。定子上嵌放一組三相對稱繞組AX、BY和CZ，每相繞組的匝數(shù)相等，空間位置互差120°電角度，為方便計算，圖中每相繞組僅由一個線圈構(gòu)成。轉(zhuǎn)子磁極裝有勵磁繞組，由直流勵磁。正確選擇磁極形狀，可使氣隙磁通密度沿定子內(nèi)圈按正弦分布，轉(zhuǎn)子磁場波形圖如圖2-2所示。

在圖2-2中，以A相繞組為例，橫坐標(biāo)α為應(yīng)轉(zhuǎn)子位置角，縱坐標(biāo)B為氣隙磁通密度幅值，ω1為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，Bx為任意位置處的A相繞組對應(yīng)的氣隙磁通密度幅值。當(dāng)原動機(jī)帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子順時針方向恒速旋轉(zhuǎn)時，在氣隙中形成一個正弦旋轉(zhuǎn)磁場，磁場的幅值保持不變，但其所在空間位置隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)磁場不斷切割定子每相繞組，并在其中感應(yīng)電動勢，電動勢的大小按e＝Blv確定，方向按右手定則確定。以A相為例，在圖2- 1所示位置，導(dǎo)體位于磁極軸線上，感應(yīng)電動勢最大，其方向如圖2-1所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90°，磁極軸線位于水平位置，A相繞組不再切割磁場，感應(yīng)電動勢為零。轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，連接首端A的線圈邊切割S極，感應(yīng)電動勢的方向也隨之改變。由于旋轉(zhuǎn)的氣隙磁通密度在定子內(nèi)周按正弦規(guī)律分布，則定子繞組中感應(yīng)電動勢隨時間按正弦規(guī)律變化。

由于三相繞組對稱，在空間互差120°，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場依次切割A(yù)相、B相和C相繞組時，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也對稱，即各相電動勢的幅值大小相等，時間相位差120°，波形圖如圖2-3所示。

若把X、Y、Z三個線端接在一起成為中點(diǎn)，在A、B、C三個出線端之間就可得到三相對稱交變電動勢，這就是三相同步發(fā)電機(jī)空載時的基本原理。如果在三個出線端接上三相對稱負(fù)載，就引出三相對稱交流電流，實(shí)現(xiàn)電能輸出，此時，電樞繞組的三相電流與勵磁繞組電流生成的氣隙磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)狀態(tài)下該轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，原動機(jī)必須不斷地提供給轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)矩才能維持電機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣發(fā)電機(jī)就實(shí)現(xiàn)了將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

圖2-3中三相電動勢的相序?yàn)锳→B→C，它取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向。當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對磁極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組感應(yīng)電動勢變化一個周期；當(dāng)轉(zhuǎn)子有p對磁極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動勢就變化p個周期。設(shè)轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為n1，則感應(yīng)電動勢頻率為

從式（2-1）可見，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n1和電網(wǎng)頻率f之間有嚴(yán)格不變的關(guān)系。即當(dāng)電網(wǎng)頻率一定時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n1＝60f/p為一恒值，這是同步電機(jī)的一個特點(diǎn)。

2.1.2　異步電機(jī)

以異步電動機(jī)為例說明異步電機(jī)的工作原理。異步電動機(jī)的工作原理如圖2-4所示，其定子結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)相似，由定子鐵芯和三相交流繞組組成。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)不同，轉(zhuǎn)子繞組是一個閉合的交流繞組，常用的一種轉(zhuǎn)子繞組是：轉(zhuǎn)子槽內(nèi)有導(dǎo)體，導(dǎo)體兩端用短路環(huán)連接起來，形成一個閉合繞組。當(dāng)定子繞組流過三相對稱交流電流時，在定子、轉(zhuǎn)子間氣隙建立起以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場（其原理將在本章2.3節(jié)中分析），設(shè)為逆時針旋轉(zhuǎn)的兩極磁場。磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體并在其中感應(yīng)電動勢，方向如圖2-4所示，于是轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)流過電流。由電磁力定律可知，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受電磁力的作用，作用力的方向由左手定則決定。轉(zhuǎn)子上所有導(dǎo)體受到的電磁力形成一個逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩T，使轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n。如轉(zhuǎn)子軸上帶機(jī)械負(fù)載，電磁轉(zhuǎn)矩將克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩而做功，輸出機(jī)械功率，實(shí)現(xiàn)從電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

異步電機(jī)轉(zhuǎn)動原理比較復(fù)雜，為便于理解，可簡單歸納為10個字。具體如下：

（1）電生磁。三相對稱繞組通入三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

（2）磁生電。旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電動勢，轉(zhuǎn)子閉合，形成電流。

（3）電磁生力。轉(zhuǎn)子電流（有功分量電流）在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

由上述過程可以發(fā)現(xiàn)，異步電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場之間必須有相對運(yùn)動，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1（又稱同步轉(zhuǎn)速）不同，才能在轉(zhuǎn)子繞組中不斷產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，故稱為異步電機(jī)。從異步電機(jī)的作用原理來看，該類電機(jī)能負(fù)載運(yùn)行的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子一側(cè)有感應(yīng)電動勢和電流，這樣能量由靜止部分通過電磁感應(yīng)傳遞到運(yùn)動部分，或由運(yùn)動部分傳遞到靜止部分，所以又稱為感應(yīng)電機(jī)。