交流感应电机的设计与操作理论

交流电机控制简单、坚固耐用且成本低廉，适用于通用应用。这些原因是它们成为各行各业最受欢迎的电动机类型的原因。在本文中，我们将简要介绍感应电机并演示如何操作这些电机。

一点历史

感应电机(也称为异步电机)中的术语“感应”是指电磁感应，这是感应电机的工作原理理论。我将在下一节中对此进行解释。根据维基百科，有几个名称与交流感应电动机的发明有关。1824 年，法国物理学家弗朗索瓦·阿拉戈 (François Arago) 发现了旋转磁场并创造了术语“阿拉戈旋转”(或阿拉戈圆盘)。1831 年，迈克尔·法拉第 (Michael Faraday) 能够通过引入电磁感应理论来解释这些效应。1879 年，沃尔特·贝利 (Walter Baily) 通过手动打开和关闭开关演示了第一台原始感应电动机。第一台无交流换向器的三相感应电动机是由伽利略·费拉里斯于1885年和尼古拉·特斯拉于1887年独立发明的，两人均于1888年发表论文解释了这些技术。特斯拉于 1887 年申请了美国专利，并于 1888 年获得了其中一些专利。当时正在开发交流电力系统的乔治·威斯汀豪斯于 1888 年获得了特斯拉的专利许可，并购买了法拉利感应电动机概念的美国专利权，以进一步发展该技术。通用电气(GE) 于 1891 年开始开发三相感应电动机。到 1896 年，通用电气和西屋公司签署了条形绕组转子设计的交叉许可协议，后来称为鼠笼式转子。今天仍在使用相同的概念。

感应电机非常适合需要在一个方向上连续运行的应用，例如传送带、搅拌机和旋转标志。它们被评为连续工作，并且由于其简单的结构通常可以使用很长时间。

设计与操作理论

此图显示了交流感应电机的结构，它是交流永磁分离式电容器电机的最基本类型。旋转元件，转子，由 2 个滚珠轴承支撑在电机外壳中，以延长使用寿命。定子位于转子周围，气隙很薄。输出轴连接到转子。导线连接到定子绕组。法兰支架压入电机外壳，确保质量。

当交流电提供给定子中的铜绕组时，转子周围会以交流振荡的速度产生旋转磁场。根据弗莱明左手定则，移动磁场在钢转子中的铝条(导体)上感应出电流，从而产生自己的反向磁场(楞次定律)。来自转子的磁场随后与来自定子的旋转磁场相互作用，转子开始旋转。

单相感应电动机

为世界不同地区提供不同电压和频率的单相感应电动机。对于美国，单相电机通常提供 110/115 伏或 220/230 伏的电压，这很容易获得。60 Hz 是典型的电源频率。

以下是这些标准 3 线电机的实际接线图。仅供参考，电机的旋转方向是从电机的输出轴侧看时指示的。

虽然操作原理应该与市场上所有单相永久分离电容器型交流电机相同，但不同制造商的引线颜色可能不同。

对于标准的 3 线电机，引线颜色通常为白色、红色和黑色。黑色始终连接到中性 (N)。白色和黑色都连接到专用电容器的 2 个端子。当火线 (L) 通过电容器端子连接到黑色或红色时，电机将开始按预期方向旋转。对于接线盒型电机，操作原理是相同的。但是，端子标记为 Z2、U2 和 U1。

连接电容器

对于单相电机，电容器对其启动操作至关重要。如果没有电容器提供的启动扭矩，您将不得不通过手动旋转轴来帮助启动电机。这有点像老式飞机上的旧螺旋桨。确保不要忘记正确连接电容器。在我担任技术支持工程师期间，这是一个非常常见的故障排除案例。

以下是 4 端子型电容器和单相电机的接线示例。

不要被电容器上的端子数量所迷惑。下面的内部接线图显示最近的两个端子在内部连接。在电气方面，这与传统的两端型电容器相同，后者在每一侧仅提供一个端子。

我们还制作了一段视频来演示为这些电机接线的正确方法，包括断路器、开关和电容器。

三相感应电动机

在美国，三相感应电机通常提供 220/230 伏和 50/60 赫兹。在某些情况下，会提供 460 伏电压。三相电机可以恒速运行，也可以与逆变器/VFD(变频驱动器)一起运行以用于变速应用。

以下是这些标准 3 线电机的实际接线图。仅供参考，电机的旋转方向是从电机的输出轴侧看时指示的。

对于 3 线三相电机，我们有相同的电线颜色。电源的 3 个相位标记为 L1 (R)、L2 (S) 和 L3 (T)。将红色连接到 L1 (R)，将白色连接到 L2 (S)，将黑色连接到 L3 (T)。对于接线盒型电机，端子标记为 U、V 和 W。操作原理相同。要切换旋转方向，请切换 R、S 和 T 之间的 2 个连接中的任意一个。

当出现过载或锁轴情况时，建议使用电磁开关或逆变器的电子热敏功能来防止电机烧毁。

您可能注意到接线图中没有电容器。对于单相电机，需要一个电容器来产生多相电源。对于三相电机，不需要电容器。我们还制作了一段视频来演示正确的接线。

最后但并非最不重要的。不要忘记使用专用保护接地端子 (PE) 将电机接地，以避免触电或人员受伤。