异步电机课内实验电气参数挖掘及应用*

张新闻 刘凡齐 王君瑞

摘  要  异步电机交流绕组磁场是电机学课程教学中的一个难点，其特点是理论性强、概念抽象。通过设计电机绕组电流采样电路，将不同时间点电流磁场变化绘制成静态图片，以动态形式展示其变化特点，归纳定转子绕组合成磁场的变化规律，对增强异步电机交流绕组磁场教学效果具有一定的参考作用。

关键词  电机学；异步电机实验系统；电气参数；电机实验室

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）15-0145-04

0  引言

电机学是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，也是一门承上启下的平台课程，在电气工程类专业教学中占有十分重要的地位[1-3]。由于电机学理论性强、概念抽象，且与电、磁、机械结构等知识综合在一起，一直是该专业公认的一门较难理解的课程，异步电机部分则是该课程中公认较难理解的部分[4-5]。为增强学生对异步电机相关知识点的理解与掌握，一般学校均开设与之相关的课内实验，对课程相关理论知识进行实验验证。通常情况下，大部分普通高校电机实验室建设受建设经费约束或出于设备利用率考量，很少配置观测相关电气参数变化的示波器，或配备了满足实验要求的功能性示波器，却没有配置价格昂贵的电流探头。

为增强课程授课效果，本文设计异步电机定转子绕组电流检测电路，将电流信号转变为便于测量的电压信号，通过示波器等设备，将定转子电流幅值、频率、磁场变化等信息制作成视频与动画，作为课堂讲授素材，使异步电机交流绕组磁场变化规律的讲解变得生动具体、易于理解。

1  异步电机实验系统

通常情况下，异步电机实验系统由异步电机本体、直流发电机（异步电动机负载）、滑动变阻器、转速表、有功无功功率表与交流电压电流表构成。

1.1  原实验场景

学校电机实验设备型号为浙江求是科教设备有限公司的NMEL-П，其绕线式异步电机实验系统与各功能部件如图1所示。为使实验场景图面清晰，电机参数测量仪表模块没有接入系统。通过实验，学生可以了解异步电机转矩、转速、定转子电流、功率等参数之间的关系，但对异步电机定转子绕组电流频率及其变化特点没有直观感受，因而很难理解定转子磁场的变化规律。

1.2  绕组电流采样

为了将异步电机定转子电流变化规律直观地展示，本文设计的定转子绕组电流采集电路原理如图2所示。图中，VDD、VEE表示霍尔电流传感器与运算放大器工作所需±12 V电源，霍尔电流传感器（50 A/5 mA）将定转子电流转换为小电流信号iA（a），iA（a）再流经电阻R1，将绕组电流信号转变为电压信号，电阻值远大于R1的电阻R2与R3再对此电压信号进行分压调整，具体如式（1）所示：

由式（1）得到的信号再经过射极跟随器与低通滤波器调理，转化为适于微处理器处理的信号uA（a），如式（2）所示：

式中，s=jω，ω为iA（a）或uin的角频率。

根据异步电机定转子绕组电流信号采集原理，搭建图3所示异步电机定转子电流转变为电压信号的实验电路（并网换流器信号处理板改造）。图中，由霍尔传感器得到的iA（a）经过图2所示电路转换为uA（a），uA（a）再经过电压抬升电路送至微处理器或外接数据采集器完成数据采集，同时通过导线接至示波器电压探头。

1.3  改进实验的场景

在前文工作基础上，利用实验室配置的功能性示波器，新的异步电机实验场景如图4所示。图中，改进实验系统除了能够完成图1所示异步电机实验，还可以通过示波器观测定转子绕组的电流变化规律。此外，由采集电路得到定转子绕组电流数据，可绘制出图5所示波形。图中，异步电机定转子绕组电流均为正弦交流，但二者频率不同，这为下文定转子磁场变化规律的分析提供了实际依据。

2  定转子绕组磁场规律

沿异步电机定子铁芯轴截面空间分布的三相对称绕组如图6所示，图中AX、BY、CZ分别表示电机三相定子绕组，其进出线端分别为A、B、C与X、Y、Z，黄、绿、红三色虚线段分别表示绕组AX、BY、CZ的磁极轴线，相邻相之间的磁极轴线夹角互为120°。           为分析三相异步电机空间对称绕组时间周期内通过对称电流的磁场变化规律，根据图5所示异步电机定子绕组电流采样数据，绘制一个完整时间周期的波形，如图7a所示，并将其视为A相电流，B与C相电流依次滞后120°。根据三相定子绕组不同采样时间点获得的数据，利用Visio软件绘制出t=[2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20]（单位为秒）时异步电机三相定子绕组磁极轴线处磁感应强度随时间变化的示意图，具体见图7b、图7c、图7d。由图可知，各相定子绕组磁场幅值和极性随其电流脉振变化。

图7e绘制出各时间点三相定子绕组磁场叠加后的变化规律，可知每个时间点的合成磁场幅值不再变化，但合成磁场的轴线随时间而不停转动，且由A相磁极轴线→B相磁极轴线→C相磁极轴线。定子绕组电流时间域内变化一个周期，即360°；三相合成磁极轴线沿定子铁芯轴截面转过一周，也即360°。如果将每个时间点的磁场视为视频图像的帧，通过Authorware软件编程，将Visio绘制的磁场变化图片作动态连续播放，发现三相定子绕组合成磁场是匀速旋转的圆形磁场，且合成磁场转向由电流超前绕组转向电流滞后绕组。

如果把异步绕组定子铁芯轴截面均匀分成p份，每一份均按A→B→C相序均匀布置三相绕组，则相邻相之间的磁极轴线空间夹角如式（3）所示：

定子电流变化时，合成磁场的轴线随着时间变化仍由A相磁极轴线→B相磁极轴线→C相磁极轴线匀速移动，定子电流时间域内变化一个周期，合成磁场将沿定子铁芯轴截面转过3α角度。为了与时间域内的电流变化规律对应，简化电机运动过程的繁杂描述，研究者将3α空间角度定义为360°的电角度。

综合上述分析，假设异步电机定子电流频率为fstator，合成磁场相对于定子的转速表达式如式（4）所示：

异步电机带负载工作时，旋转的定子合成磁场切割转子才能在转子回路中产生正弦交流电流，进而产生电磁转矩带动转子运动。设转子相对于定子的转速为nrotor，则定子绕组合成磁场切割转子的速度为nstator_field-nrotor，可知转子绕组中的电流频率frotor为：

如同沿定子铁芯轴截面对称分布的定子绕组中通以时间周期内对称的电流，稳态运行条件下，沿转子铁芯轴截面对称分布的转子绕组被定子合绕组成旋转磁场切割时，其各相绕组电流在时间周期内也是对称的，故而转子绕组产生的合成磁场也是幅值不变且匀速运动的，且运动方向由感应电流超前绕组相转向滞后相。若以定子运动状态为参考，转子绕组合成磁场转速为其相对于转子的转速与转子转速之和，即式（6）所示：

将式（5）带入式（6），可得式（7），即转子绕组产生的合成磁场与定子绕组产生的合成磁场转速相同，方向一致。

nstator_field=nrotor_field                                    （7）

3  结论

根据学校电机实验室现有条件，设计电流采样电路，将异步电机定转子绕组电流信号转变为电压信号，其幅值、频率等信息呈现于示波器，可直观感受异步电机电气参数的物理含义，并进一步根据采集的电流数据，利用相关软件，制作定子各相绕组及其合成磁场随时间变化的动画视频，进一步剖析定转子绕组合成磁场的变化规律。通过对异步电机实验电气参数的挖掘，并将其应用于课堂理论教学，实践证明，该方法可使异步电机相关知识点更容易被学生理解与接受。

参考文献

[1] 戈宝军.电机学[M].3版.北京：中国电力出版社，2016.

[2] 阎治安，崔新艺，苏少平.电机学[M].3版.西安：西安交通大学出版社，2016.

[3] 李发海，王岩.电机与拖动基础[M].4版.北京：清华大学出版社，2019.

[4] 王昊.基于解析法的交流电机电枢绕组磁动势研究[J].实验科学与技术，2020，18（3）：18-21.

[5] 邓惟滔，李湖胜.三相交流电动机绕组合成磁动势的方法研究[J].电气电子教学学报，2019，41（5）：92-93，127.

*项目来源：北方民族大学校级重点教研项目“多功能电力电子实验与实训装置的研制”（基金编号：JW2020013）。

作者：张新闻，北方民族大学电气信息工程学院，副教授，研究方向为现代电力电子技术及应用；刘凡齐，北方民族大学电气信息工程学院，讲师，研究方向为现代电力电子技术及应用；王君瑞，北方民族大学电气信息工程学院，教授，研究方向为现代电力电子技术及应用（750021）。