張新聞 劉凡齊 王君瑞

摘? 要? 異步電機(jī)交流繞組磁場(chǎng)是電機(jī)學(xué)課程教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，其特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象。通過(guò)設(shè)計(jì)電機(jī)繞組電流采樣電路，將不同時(shí)間點(diǎn)電流磁場(chǎng)變化繪制成靜態(tài)圖片，以動(dòng)態(tài)形式展示其變化特點(diǎn)，歸納定轉(zhuǎn)子繞組合成磁場(chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)增強(qiáng)異步電機(jī)交流繞組磁場(chǎng)教學(xué)效果具有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞? 電機(jī)學(xué)；異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；電氣參數(shù)；電機(jī)實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）15-0145-04

0? 引言

電機(jī)學(xué)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門承上啟下的平臺(tái)課程，在電氣工程類專業(yè)教學(xué)中占有十分重要的地位[1-3]。由于電機(jī)學(xué)理論性強(qiáng)、概念抽象，且與電、磁、機(jī)械結(jié)構(gòu)等知識(shí)綜合在一起，一直是該專業(yè)公認(rèn)的一門較難理解的課程，異步電機(jī)部分則是該課程中公認(rèn)較難理解的部分[4-5]。為增強(qiáng)學(xué)生對(duì)異步電機(jī)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握，一般學(xué)校均開(kāi)設(shè)與之相關(guān)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)課程相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通常情況下，大部分普通高校電機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)受建設(shè)經(jīng)費(fèi)約束或出于設(shè)備利用率考量，很少配置觀測(cè)相關(guān)電氣參數(shù)變化的示波器，或配備了滿足實(shí)驗(yàn)要求的功能性示波器，卻沒(méi)有配置價(jià)格昂貴的電流探頭。

為增強(qiáng)課程授課效果，本文設(shè)計(jì)異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組電流檢測(cè)電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y(cè)量的電壓信號(hào)，通過(guò)示波器等設(shè)備，將定轉(zhuǎn)子電流幅值、頻率、磁場(chǎng)變化等信息制作成視頻與動(dòng)畫，作為課堂講授素材，使異步電機(jī)交流繞組磁場(chǎng)變化規(guī)律的講解變得生動(dòng)具體、易于理解。

1? 異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

通常情況下，異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由異步電機(jī)本體、直流發(fā)電機(jī)（異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載）、滑動(dòng)變阻器、轉(zhuǎn)速表、有功無(wú)功功率表與交流電壓電流表構(gòu)成。

1.1? 原實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

學(xué)校電機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為浙江求是科教設(shè)備有限公司的NMEL-П，其繞線式異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與各功能部件如圖1所示。為使實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖面清晰，電機(jī)參數(shù)測(cè)量?jī)x表模塊沒(méi)有接入系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、定轉(zhuǎn)子電流、功率等參數(shù)之間的關(guān)系，但對(duì)異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組電流頻率及其變化特點(diǎn)沒(méi)有直觀感受，因而很難理解定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的變化規(guī)律。

1.2? 繞組電流采樣

為了將異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流變化規(guī)律直觀地展示，本文設(shè)計(jì)的定轉(zhuǎn)子繞組電流采集電路原理如圖2所示。圖中，VDD、VEE表示霍爾電流傳感器與運(yùn)算放大器工作所需±12 V電源，霍爾電流傳感器（50 A/5 mA）將定轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)iA（a），iA（a）再流經(jīng)電阻R1，將繞組電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，電阻值遠(yuǎn)大于R1的電阻R2與R3再對(duì)此電壓信號(hào)進(jìn)行分壓調(diào)整，具體如式（1）所示：

由式（1）得到的信號(hào)再經(jīng)過(guò)射極跟隨器與低通濾波器調(diào)理，轉(zhuǎn)化為適于微處理器處理的信號(hào)uA（a），如式（2）所示：

式中，s=jω，ω為iA（a）或uin的角頻率。

根據(jù)異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組電流信號(hào)采集原理，搭建圖3所示異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的實(shí)驗(yàn)電路（并網(wǎng)換流器信號(hào)處理板改造）。圖中，由霍爾傳感器得到的iA（a）經(jīng)過(guò)圖2所示電路轉(zhuǎn)換為uA（a），uA（a）再經(jīng)過(guò)電壓抬升電路送至微處理器或外接數(shù)據(jù)采集器完成數(shù)據(jù)采集，同時(shí)通過(guò)導(dǎo)線接至示波器電壓探頭。

1.3? 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景

在前文工作基礎(chǔ)上，利用實(shí)驗(yàn)室配置的功能性示波器，新的異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖4所示。圖中，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除了能夠完成圖1所示異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)，還可以通過(guò)示波器觀測(cè)定轉(zhuǎn)子繞組的電流變化規(guī)律。此外，由采集電路得到定轉(zhuǎn)子繞組電流數(shù)據(jù)，可繪制出圖5所示波形。圖中，異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組電流均為正弦交流，但二者頻率不同，這為下文定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)變化規(guī)律的分析提供了實(shí)際依據(jù)。

2? 定轉(zhuǎn)子繞組磁場(chǎng)規(guī)律

沿異步電機(jī)定子鐵芯軸截面空間分布的三相對(duì)稱繞組如圖6所示，圖中AX、BY、CZ分別表示電機(jī)三相定子繞組，其進(jìn)出線端分別為A、B、C與X、Y、Z，黃、綠、紅三色虛線段分別表示繞組AX、BY、CZ的磁極軸線，相鄰相之間的磁極軸線夾角互為120°。? ? ? ? ? ?為分析三相異步電機(jī)空間對(duì)稱繞組時(shí)間周期內(nèi)通過(guò)對(duì)稱電流的磁場(chǎng)變化規(guī)律，根據(jù)圖5所示異步電機(jī)定子繞組電流采樣數(shù)據(jù)，繪制一個(gè)完整時(shí)間周期的波形，如圖7a所示，并將其視為A相電流，B與C相電流依次滯后120°。根據(jù)三相定子繞組不同采樣時(shí)間點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)，利用Visio軟件繪制出t=[2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20]（單位為秒）時(shí)異步電機(jī)三相定子繞組磁極軸線處磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的示意圖，具體見(jiàn)圖7b、圖7c、圖7d。由圖可知，各相定子繞組磁場(chǎng)幅值和極性隨其電流脈振變化。

圖7e繪制出各時(shí)間點(diǎn)三相定子繞組磁場(chǎng)疊加后的變化規(guī)律，可知每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的合成磁場(chǎng)幅值不再變化，但合成磁場(chǎng)的軸線隨時(shí)間而不停轉(zhuǎn)動(dòng)，且由A相磁極軸線→B相磁極軸線→C相磁極軸線。定子繞組電流時(shí)間域內(nèi)變化一個(gè)周期，即360°；三相合成磁極軸線沿定子鐵芯軸截面轉(zhuǎn)過(guò)一周，也即360°。如果將每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的磁場(chǎng)視為視頻圖像的幀，通過(guò)Authorware軟件編程，將Visio繪制的磁場(chǎng)變化圖片作動(dòng)態(tài)連續(xù)播放，發(fā)現(xiàn)三相定子繞組合成磁場(chǎng)是勻速旋轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)，且合成磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向由電流超前繞組轉(zhuǎn)向電流滯后繞組。

如果把異步繞組定子鐵芯軸截面均勻分成p份，每一份均按A→B→C相序均勻布置三相繞組，則相鄰相之間的磁極軸線空間夾角如式（3）所示：

定子電流變化時(shí)，合成磁場(chǎng)的軸線隨著時(shí)間變化仍由A相磁極軸線→B相磁極軸線→C相磁極軸線勻速移動(dòng)，定子電流時(shí)間域內(nèi)變化一個(gè)周期，合成磁場(chǎng)將沿定子鐵芯軸截面轉(zhuǎn)過(guò)3α角度。為了與時(shí)間域內(nèi)的電流變化規(guī)律對(duì)應(yīng)，簡(jiǎn)化電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的繁雜描述，研究者將3α空間角度定義為360°的電角度。

綜合上述分析，假設(shè)異步電機(jī)定子電流頻率為fstator，合成磁場(chǎng)相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)速表達(dá)式如式（4）所示：

異步電機(jī)帶負(fù)載工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)的定子合成磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子才能在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生正弦交流電流，進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。設(shè)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)速為nrotor，則定子繞組合成磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子的速度為nstator_field-nrotor，可知轉(zhuǎn)子繞組中的電流頻率frotor為：

如同沿定子鐵芯軸截面對(duì)稱分布的定子繞組中通以時(shí)間周期內(nèi)對(duì)稱的電流，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，沿轉(zhuǎn)子鐵芯軸截面對(duì)稱分布的轉(zhuǎn)子繞組被定子合繞組成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割時(shí)，其各相繞組電流在時(shí)間周期內(nèi)也是對(duì)稱的，故而轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)也是幅值不變且勻速運(yùn)動(dòng)的，且運(yùn)動(dòng)方向由感應(yīng)電流超前繞組相轉(zhuǎn)向滯后相。若以定子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為參考，轉(zhuǎn)子繞組合成磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為其相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之和，即式（6）所示：

將式（5）帶入式（6），可得式（7），即轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)與定子繞組產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相同，方向一致。

nstator_field=nrotor_field? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

3? 結(jié)論

根據(jù)學(xué)校電機(jī)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，設(shè)計(jì)電流采樣電路，將異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，其幅值、頻率等信息呈現(xiàn)于示波器，可直觀感受異步電機(jī)電氣參數(shù)的物理含義，并進(jìn)一步根據(jù)采集的電流數(shù)據(jù)，利用相關(guān)軟件，制作定子各相繞組及其合成磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的動(dòng)畫視頻，進(jìn)一步剖析定轉(zhuǎn)子繞組合成磁場(chǎng)的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)電氣參數(shù)的挖掘，并將其應(yīng)用于課堂理論教學(xué)，實(shí)踐證明，該方法可使異步電機(jī)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)更容易被學(xué)生理解與接受。

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*項(xiàng)目來(lái)源：北方民族大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)教研項(xiàng)目“多功能電力電子實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)裝置的研制”（基金編號(hào)：JW2020013）。

作者：張新聞，北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用；劉凡齊，北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，講師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用；王君瑞，北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用（750021）。