異步摩打(英語:asynchronous motor)也稱為感應摩打(induction motor),簡稱 IM 或 ACIM,是一種由定子線圈利用電磁感應的方式使轉子產生電流,讓摩打產生力矩[1]交流摩打。異步電機可按轉子繞組形式,分為繞線式鼠籠式[a]。繞線型的均為三相摩打,而鼠籠式的有三相摩打,也有單相摩打。鼠籠式感應摩打的轉子可以不用連接摩打外部的電路[b][c]

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全閉風扇冷卻英語TEFC(TEFC)的三相異步摩打,左邊的外殼沒有打開,右邊的外殼有打開,可以看到其中的風扇。TEFC摩打的熱是透過外殼,由風扇的強制對流來散熱
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鼠籠型異步摩打示意圖

三相異步摩打是工業用的摩打械,其功率範圍從幾瓦到上萬千瓦,具有廣泛的應用範圍。三相異步摩打由三相電路為其提供動力,因為不需啟動電路,而且可靠、價格不高,主要應用於挖掘、流體輸送等需要提供動力的領域,例如機床、中小型軋鋼設備、風機、水泵、輕工機械、冶金和礦山機械等。在化工,物流,工程製造等領域都廣泛應用。其中主要是以鼠籠式異步摩打為主。單相異步摩打主要用在負載較小的場合,例如電風扇、洗衣機、電冰箱、空調器等家用電器。

異步摩打的傳統應用是用在定速的場合,不過越來越多的三相異步摩打應用是配合變頻器(VFD)或是變速驅動器英語Adjustable-speed drive使用。變頻器可以配合頻率調整輸出電壓。若是應用在離心型風扇、泵浦或是壓縮機上,配合感應摩打有節能的效果。

異步摩打若接在頻率為f的電網上運行時,轉速n與電網頻率f之間不存在同步摩打那樣的恆定的比例關係。同步轉速和轉子轉速之間有轉差,轉差率通常介於3%到10%。如果轉子轉速高於同步轉速,則變成發電機

歷史

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尼古拉·忒斯拉發明的異步摩打的模型,放在貝爾格萊德的尼古拉·忒斯拉博物館
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鼠籠式摩打的架構,只顯示三層轉子的疊片

法國科學家弗朗索瓦·阿拉戈在1824年闡述了旋轉磁場英語rotating magnetic field的存在,他稱為阿拉戈旋轉英語Arago's rotations。英國物理學家華特·貝利(Walter Baily)在1879年靠手動的將開關打開及關閉,展示了阿拉戈旋轉,算是第一個感應摩打的原型[2][3][4][5]。第一個沒有交換子的二相交流異步摩打則是由匈牙利工程師奧托·布拉什英語Ottó Bláthy發明[6][7]

第一個沒有交換子的三相異步摩打是由費拉里斯在1885年發明,並製作可用的摩打。而尼古拉·忒斯拉在1887年獨立發明三相異步摩打。忒斯拉在1887年11月申請了美國專利,部份專利在1888年5月獲准。而費拉里斯在1888年向杜林皇家科學會提出實驗報告,對旋轉磁場英語Rotating magnetic field作了嚴格的科學描述,為以後開發異步摩打、自起動摩打奠定了基礎。費拉里斯相信他所提出的旋轉磁場理論以及他所開發的新產品在科學上的價值遠遠超過物質上的價值,因此他有意不為自己的發明申請專利,而是在實驗室向公眾演示這些最新成果[5][8]。忒斯拉在同年5月向美國電氣工程學會(AIEE)提交了技術論文《交流摩打及變壓器的新系統》(A New System for Alternating Current Motors and Transformers)[9][10][11][12][13],其中描述了三種四極摩打的架構:其中一個有四極轉子,是無法自啟動的磁阻摩打、另一個是轉子繞組接直流電的同步摩打,最後一個則是可以自啟動的繞線轉子感應摩打。

當時發展交流電系統的喬治·威斯汀豪斯,在1888年向忒斯拉申請了專利授權,並且以費拉里斯異步摩打的概念申請了美國專利[14]。有一年的時間也僱用忒斯拉為顧問。威斯汀豪斯指定員工查爾斯·F·斯科特英語Charles F. Scott (engineer)協助忒斯拉,後來也負責威斯汀豪斯公司的異步摩打開發[9][15][16][17]米哈伊爾·多利沃-多布羅沃爾斯基英語Mikhail Dolivo-Dobrovolsky在三相電力系統的開發上非常堅定,在1889年發明了籠型轉子的感應摩打,在1890年發明了三相多芯柱的變壓器[18][19]。威斯汀豪斯公司在1892年製造了第一個實際可用的感應摩打,在1893年開發了多相赫茲的感應摩打,不過早期威斯汀豪斯公司的摩打是二相電的系統,轉子也是繞線型的轉子,一直到本傑明.G.拉姆英語Benjamin G. Lamme才開發轉子條繞線(rotating bar winding)的轉子[9]

英國通用電氣公司(GE)在1891年開始開發三相的感應摩打[9]。英國通用電氣公司和威斯汀豪斯公司在1896簽署了轉子條繞線(rotating bar winding)設計的交互授權協議,此設計也是後來的鼠籠型轉子[9]亞瑟·E·甘迺迪英語Arthur E. Kennelly是第一個用複數(用j來表示-1的平方根)來處理交流分析中90º旋轉運算子的人[20]。GE公司的查爾斯·普羅透斯·斯泰因梅茨也發展了許多有關交流複數量的應用,其中包括一個分析工具,現在稱為感應摩打的斯泰因梅茨(Steinmetz)等效電路[9][21][22][23]

異步摩打的發展迅速,1897年7.5馬力的異步摩打,同尺寸的異步摩打在1976年會輸出100HP的功率[9]

運行原理

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電樞中通入三相交流電時產生旋轉磁動勢和旋轉磁場
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旋轉磁場是由三個不同相位線圈產生的磁場向量加和形成

在異步摩打或是同步摩打中,都是由摩打定子通入交流電,產生旋轉速度和交流角頻率相同的旋轉磁場。

異步摩打的轉子繞組中沒有使用外加電源供電,而是通過定子產生的旋轉磁場(其轉速為同步轉速n1)與轉子繞組的相對運動,轉子繞組切割磁感線產生感應電動勢,從而使轉子繞組中產生感應電流[24],感應電流的方式類似變壓器中二次繞組感應電流的方式。

轉子繞組的感應電流會在轉子產生磁場來反抗定子磁場造成的變化。根據楞次定律,轉子上產生的磁場會和轉子上的電流變化相反。此時轉子所受電磁力的方向與定子旋轉磁場方向相同,轉子和開始往定子旋轉磁場的方向旋轉。當轉子的電磁轉矩與轉子的機械負載轉矩平衡的時候轉子轉速達到穩定。同步轉速和真實轉速的轉速差相對同步轉速的比例稱為滑差(slip),若為轉矩曲線為標準設計 B的感應摩打,其滑差介於0.5%和5.0%之間[25]。異步摩打的特點就是其轉子電流和轉矩是由感應產生,不像同步摩打或直流摩打由獨立轉子激磁電路產生,也不像永磁摩打是用永久磁鐵產生轉子磁場[26]

為了產生轉子電流,轉子的實際轉速會比定子旋轉磁場的轉速()慢一些,否則旋轉磁場和轉子導體沒有相對運動,轉子上不會感應到電流。若轉子速度低於同步轉速度,且持續下降,轉子上的磁場旋轉速度會增加,感應的電流會變大,也會產生較大的力矩。在有負載時,轉子速度會下降,會產生夠大的力矩推動負載旋轉。因此感應摩打也稱為是異步摩打[27]

同步轉速

交流摩打的同步轉速,是定子旋轉磁場的轉速

,

其中是電源的頻率,是定子的磁極數,是機器的同步轉速。若的單位是赫茲的單位是RPM,公式會變成下式:

.[28][29]

例如一個三相的四極摩打, = 4,同步轉速 = 1,500  RPM( = 50 Hz)或1,800  RPM( = 60 Hz)。

像在「運行原理」段落右上方圖中的電樞是二極的三相摩打,其中三相共有六個磁極,每個磁極之間距離為60度。

滑差

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典型轉矩和滑差(其中以g表示)的關係圖

滑差(slip)定義為相同頻率下,電機的同步轉速和轉子轉速差值,除以電機同步轉速後的比例,常以百分比表示。滑差定義為:

其中[30][31]

  • 是同步轉速,即摩打旋轉磁場的轉速,單位rpm
  • 是轉子的機械速度,單位rpm。

,則轉子轉速大於同步轉速,處於發電機模式。
,則轉子轉速等於同步轉速。
,則處於摩打模式。
,摩打靜止。
,則轉子轉速與同步轉速方向相反,轉子將會減速。
因為鼠籠式轉子的電阻很小,很小的滑差就可以產生轉子的大電流,因而產生夠大的轉矩[32]。在滿載時,小功率摩打或是特殊用途的滑差約為5%,若是大功率摩打,滑差會小於1%[33]。若功率不同的摩打直接以機械方式連接相同負載,其滑差的差異可能會造成負載分配的問題[33]。有許多方式可以減少滑差,其中配合變頻器的效果會比較好[33]

轉矩

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四種不同摩打的速度-轉矩曲線:A) 單相摩打 B) 多相鼠籠轉子摩打, C) 多相深條鼠籠式轉子 D) 多相雙鼠籠摩打
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NEMA Design B 摩打典型的速度-轉矩曲線

標準NEMA Design B多相感應摩打的速度-轉矩關係如圖右。這類摩打適用於像離心泵浦或是風扇等,不強調性能的負載。Design B的摩打的輸出會被以下幾個轉矩範圍所限制[25][d]

  • 崩潰轉矩(Breakdown torque,最大轉矩):速度-轉矩曲線的最高點,額定轉矩的175-300%,。
  • 堵轉轉矩(Locked-rotor torque,摩打靜止,滑差為100%的轉矩):額定轉矩的75-275%。
  • 啟動轉矩(Pull-up torque):額定轉矩的65-190%。

在摩打正常的工作範圍內,速度-轉矩曲線的曲線會大致為線性,轉矩會大致和滑差成正比,因為等效電路中的轉子電阻會和滑差成反比 ,而在正常的工作範圍內,滑差較小,轉矩和轉子電阻成反比,也就和滑差成正比[34]。不過若負載超過額定轉矩,定子及轉子漏感的影響比轉子電阻要大,此時滑差變大時,轉矩仍會增加,但轉矩和滑差的關係不再是線性,斜率也會漸漸變緩。若負載轉矩超過崩潰轉矩,此時摩打的速度變慢,滑差會變大,而轉矩反而會下降,因此摩打會繼續減速,直到摩打堵轉為止。

啟動

交流感應摩打在變動負載下,從完全靜止加速到其工作點的暫態解

小功率的異步摩打,可以依其架構分為三種:單相、分相(split-phase)及蔽極(shaded-pole),第三種則是多相的異步摩打。

兩極單相的異步摩打,在滑差為100%(零速)時沒有轉矩。因此需要調整定子設計(例如蔽極英語shaded-pole motor)來提供啟動轉矩。單相異步摩打需要額外的電路(啟動繞組),提供摩打的旋轉磁場。而單相摩打原來的運轉繞組可以讓摩打旋轉,而正轉或是反轉則是靠啟動繞組的電流方向而定。

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蔽極摩打的磁通

在一些較小的單相摩打中,會用將獨立的銅線繞組繞住部份磁極的蔽極(shaded pole)方式來達到啟動的作用。此繞組產生的電流會遠大於供應定子的電流,使蔽極的磁極產生落後的磁場,這就會產生足夠的旋轉磁場來使摩打啟動,這一般會用在台扇或錄音機等啟動轉矩要求不高的應用中,此啟動方式效率不高,但是相較於其他的摩打架構或是啟動方式,此方式的成本最低。

較大功率的單相摩打是分相(split-phase)的摩打,有第二個定子繞組(啟動繞組)提供和主繞組有相位差的電流。此電流可能會透過串聯電容器產生,或是透過繞線方式,使其電阻及電感和主繞組不同。電容啟動(capacitor-start)設計的摩打,其啟動繞組在啟動後就斷路了,可能是透過安裝在摩打軸上的離心開關,或是透過熱敏電阻,在溫度升高時阻值變大,因此讓啟動繞組的電流小到其磁場可忽略的程度。電容運轉 (capacitor-run)設計的摩打,其第二個定子繞組在運轉時也會動作,因此可以提昇轉矩。電阻啟動(resistance start)會用啟動電阻串聯啟動繞組,以產生電抗。

多極感應摩打在靜止時也可以產生轉矩,通電即可自行起動。而常見的鼠籠式感應摩打啟動方式有直接啟動、降壓電抗器或是自耦變壓器啟動、Y-Δ切換啟動,近來也越來越多的感應摩打是用變頻器(VFD)啟動[35]

多極感應摩打的轉子銅條可以設計成不同的形狀,對應不同的速度-轉矩特性。轉子銅條內的電流分佈會依感應電流的頻率而不同。在轉子靜止時,轉子電流的頻率和定子電流相同,而且會集中在轉子銅條的最外圍(集膚效應)。不同的轉子銅條除了對應不同的速度-轉矩特性外,也可以調整啟動時的湧浪電流英語inrush current

多極摩打在其本質上可以自行起動,但其啟動轉矩及最大轉矩的設計值需要夠大,以克服實際負載條件。

若是繞線轉子的感應摩打,轉子電路會透過集電環連到外部電阻,用電阻來調整加速或是速度控制需要的速度-轉矩特性。

速度控制

電阻

在半導體電力電子學發展之前,很難去改變電氣頻率。當時的感應摩打主要是用在定速的應用。像是電動吊車等應用會用直流摩打驅動,另外一種作法是用有滑環的繞線轉子摩打(WRIM,也稱為滑環摩打),將轉子接到外加的可變電阻來調整速度。不過在繞線轉子摩打低速運作時,電阻的功率損失是一大缺點。尤其是在定速的場合下[36]。現今有許多大型的滑環摩打仍在使用,這些系統稱為滑環能量回收系統(slip energy recovery system),從轉子電路回收能量,整流後,再利用逆變器將電回送到電源。

級聯

二個滑環摩打的速度可以用級聯(cascade)接線的方式控速。其作法是將一個摩打的轉子連接到另一個摩打的定子[37][38]。若這二個摩打的轉子是以機械方式耦合,二個摩打會以半速運轉,早期三相交流火車的火車頭(例如FS Class E.333英語FS Class E.333)曾用此一技術。

變頻器

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利用變頻器提供不同的摩打頻率,所得的速度-轉矩曲線

變頻器驅動的鼠籠感應摩打已在許多的工業應用中,取代了直流摩打或是繞線轉子感應摩打。若要在不同負載下,控制感應摩打的速度,最常見有效的方式就是用變頻器驅動。以往無法將變頻器導入工業應用的問題在於成本以及可靠度,不過在過去三十年來這些問題都已有顯著改善,估計新安裝的摩打中,會有30%至40%會配合變頻器使用[39]

架構

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三相四極異步摩打的繞線方式。

異步摩打的定子繞組可通電,產生通過轉子的磁場。為了讓磁場的分佈可以最佳化,繞組會平均分佈在定子的槽中。常見的異步摩打有三相及單相的,不過也有二相的異步摩打。理論上異步摩打的相數也可以是其他的正整數,而許多單相摩打會配合啟動電容器以產生和電源有90度相位差的電壓,因此也可以視為是二相摩打。單相摩打需要一些機制來產生啟動需要的旋轉磁場。鼠籠式感應摩打的轉子銅條會設計為和軸不平行的歪斜式,以避免磁鎖效應。

工業界中,標準NEMA及IEC摩打的槶架大小都已標準化,包括軸徑、摩打固定孔,以及摩打法蘭面等。而開啟式防滴(open, drip proof、ODP)可以讓空氣進入定子內層繞組進行散熱,因此定子繞組溫度較低,也比較有效率。在相同的功率下,額定轉速越低的摩打可能會對應較大的框號[40]

反向旋轉

異步摩打要調整轉向的方式,會隨三相異步摩打或是單相異步摩打而不同。對於三相異步摩打而言,對調任意二條摩打的接線即可以反轉。

若是單相分相摩打,改變主繞組及啟動電路之間的接線即可反轉。不過有些單相分相摩打是設計給特殊的應用,其主繞組及啟動電路已在內部連接,因此無法改變轉向。單相蔽極摩打有固定的轉向,除非將摩打拆下,將定子反向,不然無法改變轉向。

功率因數

異步摩打的功率因數會依負載而變化,在滿載時會到0.85至0.90,在無載時只有0.20[35],變化原因是定子及轉子的漏感以及磁化電抗[41]。若是異步摩打直接連接市電,或是經變壓器由市電供電。功率因數可以用並聯電容器的方式改善,可能是考慮單一摩打連結電容器,也可能是將許多摩打並聯,再共用功因電容器。因為經濟以及其他因素的考量,電力系統很少會將功因校正到恰好是1的功因[42]。 不過功因電容器有可能會產生諧波電流,需要進行電力系統的分析,以避免功因電容器、變壓器以及電路電抗之間的共振[43]。一般會建議用共用電源的功因修正,以避免共振風險,並且簡化電力系統分析[43]

效率

滿載時摩打的效率約在85%至97%之間,摩打損失大約可以分為以下幾項[44]

  • 摩擦力及風損英語windage,5–15%
  • 鐵損或鐵心損失,15–25%
  • 定子銅損,25–40%
  • 轉子銅損,15–25%
  • 雜散損失,10–20%.

許多國家的監管機構已開始訂定相關法令,鼓勵製造商使用及生產效率較高的摩打。目前已有法令,強制未來在特定設備中使用超高效率(premium-efficiency)異步摩打,也有一些類似的法令正在規劃中。相關訊息可參考超高效率英語Premium efficiency

斯泰因梅茨等效電路

斯泰因梅茨(Steinmetz)等效電路也稱為T型等效電路,是描述異步摩打的電能輸入如何轉換為機械能輸出的數學工具,是IEEE建議的異步摩打等效電路,可以依此推導許多有關電流、電壓、速度、功因及轉矩之間的關係。等效電路會以單相來表示多相的異步摩打(在穩態平衡負載時可以用單相來近似)。

斯泰因梅茨等效電路可以表示為以下的成份:

  • 定子電阻漏電抗, )。
  • 轉子電阻、漏電抗及滑差(, , )。
  • 磁化電抗 ().

根據阿爾熱(Alger)所述,異步摩打可以表示為變壓器,其磁路是被定子繞組和轉子繞組之間的氣隙所隔開[26]。等效電路可以表示為由理想變壓器分隔開的定子電路及轉子電路,也可以將轉子部份轉換到定子側。以下的電路、方程式以及參數皆用後者的表示方式[35][42][45][46][47][48]

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斯泰因梅茨等效電路
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以下的經驗法則大致有效[48][49][50]

  • 最大電流發生在轉子鎖死電流(LRC)的負載條件,小於,針對Design B型摩打,一般會是額定電流的6至7倍[25]
  • 崩潰轉矩發生在使得
  • 標準B型摩打,定子電抗和轉子電抗的比例為[51]
.
  • 若不考慮定子電阻,異步摩打的轉矩曲線會簡化為Kloss方程式[52]
,其中 時的滑差。
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線性感應摩打

線性感應摩打英語Linear induction motors的動作原理和旋轉型的三相異步摩打相同,用來產生推力,進行直線運動。應用包括磁浮、線性推進、線性致動器英語linear actuator液體金屬英語Liquid metal泵浦[53]

相關連結

參考資料

腳註

外部連結

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