多相电机设计

交流电机

或许多相交流电源相对于单相最重要的好处是交流电机的设计和操作。

正如我们在本书第一章中所研究的那样，某些类型的交流电机在结构上几乎与它们的交流发电机（发电机）对应物相同，由固定绕组和旋转磁铁组件组成。 （其他交流电机设计没有这么简单，但我们将把这些细节留到另一课中）。

顺时针交流电机操作。

如果旋转磁铁能够跟上激励电磁线圈（线圈）的交流电的频率，它将继续被顺时针拉动。 （上图）

但是，顺时针并不是该电机轴旋转的唯一有效方向。它可以很容易地通过下图中相同的交流电压波形逆时针方向供电。

逆时针交流电机操作。

启动交流电机

请注意，在完全相同的极性循环序列（线圈产生的电压、电流和磁极）下，磁转子可以向任一方向旋转。

这是所有单相交流“感应”和“同步”电机的共同特征：它们没有正常或“正确”的旋转方向。此时自然会出现一个问题：如果电机可以向任意方向运行，那么它如何才能按预期方向启动？

答案是这些电机需要一点帮助才能上手。曾经帮助向特定方向旋转。只要绕组保持交流电源，它们就会继续以这种方式旋转。

单相交流电机在一个方向上运行的“帮助”来自何处可能会有所不同。

通常，它来自一组与主组不同的附加绕组，并以与主电源异相的交流电压供电。 （下图）

单向启动交流两相电机。

这些辅助线圈通常与电容器串联，以在两组绕组之间引入电流相移。 （下图）

电容相移增加了第二相。

这种相移从线圈 2a 和 2b 产生的磁场与来自线圈 1a 和 1b 的磁场同样不同步。

结果是一组具有确定相位旋转的磁场。正是这种相位旋转将旋转的磁铁向一个确定的方向拉动。

启动多相交流电机

多相交流电机在一定方向上旋转不需要这种技巧。由于它们的电源电压波形已经具有一定的旋转顺序，因此电机固定绕组产生的相应磁场也具有一定的旋转顺序。

事实上，所有三相绕组组合在一起工作会产生通常所说的旋转磁场 .正是这种旋转磁场的概念激发了 Nikola Tesla 设计世界上第一个多相电气系统（只是为了制造更简单、更高效的电机）。

后来发现了多相电源相对于单相电源的线电流和安全优势。

线性灯串类比

通过类比，可能会令人困惑的概念变得更加清晰。

你有没有见过一排闪烁的灯泡，比如圣诞装饰品中使用的那种？当灯泡按顺序交替发光和变暗时，一些琴弦似乎在一个确定的方向“移动”。其他琴弦只是时断时续地闪烁，没有明显的运动。两种灯泡串的区别是什么？

答案：相移！

检查一串灯，其中在任何给定时间每隔一个灯泡都亮着，如下图（下图）

相序 1-2-1-2：灯似乎在移动。

当所有“1”灯泡都点亮时，“2”灯泡变暗，反之亦然。有了这个闪烁的序列，灯泡的光就没有明确的“运动”。

您的眼睛可以像从右到左一样轻松地从左到右跟随“运动”。从技术上讲，“1”和“2”灯泡的闪烁顺序是 180° 异相（彼此完全相反）。

这类似于单相交流电机，它可以在任何一个方向上轻松运行，但不能自行启动，因为它的磁场交替缺乏确定的“旋转”。

现在让我们检查一串灯，其中有三组灯泡需要排序，而不是只有两组，并且在下图中，这三组彼此同样异相。

相序：1-2-3：灯泡似乎从左向右移动。

如果点亮顺序是1-2-3（顺序如（上图）所示），灯泡会出现从左到右“移动”的现象。

圆形灯串类比

现在想象一下这串闪烁的灯泡排列成一个圆圈，如下图所示。

圆形排列；灯泡似乎顺时针旋转。

现在上图中的灯光看起来是在顺时针方向“移动”，因为它们是围绕一个圆圈而不是一条直线排列的。

如果灯泡的相序颠倒，运动的外观就会颠倒也就不足为奇了。

闪烁模式将根据相序显示为顺时针或逆时针移动。

这类似于下图中三组绕组由三个不同相移的电压源供电的三相交流电机。

三相交流电机：1-2-3 相序顺时针旋转磁铁，3-2-1 逆时针旋转磁铁。

相移小于 180°，我们得到了磁场的真实旋转。对于单相电机，自启动所需的旋转磁场必须通过电容相移产生。对于多相电机，必要的相移已经存在。

另外，多相电机的轴旋转方向很容易反转：只需交换连接电机的任意两根“热”线，它就会以相反的方向运行！

评论：

• 交流“感应”和“同步”电机的工作原理是让旋转磁铁跟随固定绕组产生的交变磁场。
• 这种类型的单相交流电机需要帮助才能开始向特定方向旋转。
• 通过向此类电机中的磁场引入小于 180° 的相移，可以确定轴旋转的明确方向。
• 单相感应电机通常使用与电容器串联的辅助绕组来产生必要的相移。
• 多相电机不需要这样的措施；它们的旋转方向由它们供电的电压的相序决定。
• 交换多相交流电机上的任意两根“热”线将反转其相序，从而反转其轴旋转。

相关工作表：

• 交流电机理论工作表
• 多相电力系统工作表