无感绕组谐波起动电动机的研究正文本科学位论文

湖南工程学院毕业设计论文毕 业 设 计 论 文题 目 无感绕组谐波起动 电动机的研究 （院）系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0101 学号 0101120109 学生姓名 导师姓名 完成日期 2005年6月8日 2湖南工程学院毕业设计无感绕组谐波起动电动机的研究湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 无感绕组谐波起动电动机的研究 姓名 刘 刚 系别 电气与信息工程 专业 电气工程及其自动化 班级 0101 学号 109 指导老师 教研室主任 一、 基本任务及要求：谐波起动电动机，其转子为无刷、无环结构绕组，结构简单、运行可靠、成本低廉，具有绕线型电机的高启动性能的特点，又有笼型电机结构简单、运行可靠的优点。本设计要求如下：谐波起动电动机的概况 定子绕组方案的确定及分析 无感转子绕组方案的确定及分析等效电路的建立、电磁设计程序分析及电磁设计 控制线路的设计。确定控制线路器件。设计一个8极无感绕组的谐波起动电动机 设计72槽8极电动机的基本数据：输出功率 额定电压 相数 频率 极数 f级绝缘，连续运行效率 功率因数 转速二、 进度安排及完成时间：1、3月7日：布置任务，下达设计任务书。 2、3月7日-3月27日：查阅资料，撰写文献综述，撰写开题报告。 3、3月27日-4月9日：毕业实习，撰写实习报告。 4、4月10日-5月30日：谐波电动机设计，中期检查。 5、6月1日-6月14日：撰写毕业设计说明书。 6、6月14日-6月16日：指导教师评阅、电子文挡上传ftp 7、6月17日-6月20日：毕业设计答辩。 8、6月20日-6月30日：毕业设计成绩评定，资料归档 I目 录任务书 I摘 要 1Abstract 1前 言 2第1章 谐波起动电动机的概况 3 1.1 传统感应电动机的现状和存在的问题 3 1.1.1笼型电动机 3 1.1.2 绕线型电机 4 1.2 传统感应电动机的改进 4 1.3 谐波起动感应电动机的诞生 5 1.3.1由两路并联线圈构成的转子绕组 5 1.3.2由三路并联线圈构成的转子绕组 5 1.3.3“谐波起动”的工作原理 6 1.4 谐波起动感应电动机的发展及趋势 7 1.4.1理论研究和转子结构改进 7 1.4.2第一代谐波起动感应电动机 7 1.4.3第二代谐波起动感应电动机 8 1.4.4第三代谐波起动感应电动机 9第2章 三相异步电动机的谐波分析和计算 102.1 感应电动机中谐波的影响 102.2谐波起动电动机中谐波参数的计算 10 2.2.1定、转子绕组的谐波磁势计算 10 2.2.2定、转子绕组的谐波漏抗计算 112.3 异步电动机的谐波转矩 12 2.3.1异步谐波转矩的产生 12 2.3.2异步谐波转矩的计算 12 2.4 谐波起动电动机电磁计算程序 14 2.4.1磁路计算 14 2.4.2参数计算 15 2.4.3起动性能计算 17第3章 三波起动电动机的介绍 18 3.1 用槽号相位表分析绕组的磁动势和电动势 18 3.1.1槽号相位表的意义 19 3.1.2槽号相位表的画法 19 3.1.3正规60相带绕组的机构和电磁特性及每相最大并联支路数 19 3.2 三波起动电动机的基本要求 20 3.2.1对三波起动时定子绕组产生磁动势的谐波含量的要求 20 3.2.2对起动时产生的基波磁动势的基本要求 20 3.2.3对起动时产生的主谐波磁动势的基本要求 20 3.2.4对起动时产生的副谐波磁动势的基本要求 21第4章 谐波起动电动机定子绕组的设计 224.1 定子绕组设计的基本要求 224.2 谐波起动电动机定子绕组设计理论介绍 23 4.2.1判断是否等效于正规60相带绕组的“等安匝定理” 23 4.2.2谐波互消理论和以多代少设计法 244.3 定子绕组联结方式的选择 26 4.3.1大小双星联结法的基本情况 26 4.3.2大小双星联结法正确性理论分析 27 4.3.3大小双星联结法的不同结构型式 28 4.3.4大小双星联结法 /起动全过程的各种特征曲线 28 4.3.5大小双星联结法所须遵守的总体设计 304.4 72槽8极电动机定子绕组设计示例 31 4.4.1设计72槽8极电动机绕组所需基本数据 31 4.4.2 72槽8极电动机定子绕组联结的基本情况 32 4.4.3 72槽8极电动机定子绕组具体设计 33 4.4.4 72槽8极电动机定子绕组/接线图 35第5章 转子绕组的确定及分析 36 5.1 转子绕组设计的基本要求 365.2 八极电动机转子无感绕组的设计 37 5.2.1采用串联联结法的转子绕组 37 5.2.2 “复合线圈”的构成 38 5.2.3 “无感绕组”的形成 38 5.2.4 96槽8极电动机转子无感绕组连接图39第6章 谐波起动电动机控制线路设计 406.1 控制线路常用器件介绍 406.2 控制线路设计 40参考文献 42结束语 43附 录（A、B） 44无感绕组谐波起动电动机的研究摘 要：论文将现代电机理论及设计方法有机结合起来，研究出一种新型绕组电机。新型绕组电机定子设计成多路联结的等效60相带定子绕组，转子绕组为采用串联的“复合线圈组”，转子绕组由起动和运行两套绕组组成，从而使转子达到无集电环、无电刷、无触点和无起动电阻。具有起动性能高、结构简单、运行可靠、维护方便的特点。对其谐波进行了分析,并推导了谐波绕组参数计算公式。关键词：串联绕组 谐波起动 交流电机 运行特性Research of Harmonic Starter Electric Motor Abstract:Combining modern electric machine theories with design methods, we research a kind of new-winding machine. The machine stator is designed to affiliated stator winding which binded by multi-lines equaled to 60 degees. Rotor winding adopt series connect complex- start unit, The winding is composed of a cage winding mainly for starting and a winding operation. thereby let the rotor work without collector rings，motor brush, touched point and starting resistance. And it possesses several characters of high motor function,simple structure, reliable operation and convenient maintanance. As to its a result for proceeding analysis and Deducing the harmonic winding a parameter calculation formula，Keys: tandem winding; harmonic staring; operating characteristic ;alternating current dynamo 前 言针对传统三相笼型电机起动电流大，起动转矩小及绕线型电机集电环和电刷易出故障，不适应在水泥、煤炭等带式输送机等场合应用而存在的问题，本课题将现代电机理论及设计方法有机结合起来，研究出新型绕组的电机（又称谐波起动电动机）设计方案。新型绕组电机定子利用“等安匝原理”设计多路联结的等效60相带定子绕组，转子绕组为采用串联“复合线圈组”构成的对称多相绕组，从而使转子达到无集电环、无电刷、无触点和无起动电阻。起动时，通过设计和控制定子绕组产生所需的基波、主谐波和副谐波，使基波和谐波电流有目的沿着不同的转子回路流过，从而限制了起动电流的大小，提高了起动转矩。运行时，通过定子绕组接线控制，改变为正规60相带定子绕组，转子电流在等效的阻抗小的对称多相绕组回路流过，保证了电机的运行性能。本课题研究的新型绕组电机为谐波起动电动机，重点研究新型绕组电机起动运行理论、起动电流和起动转矩的准确计算方法，电磁和结构设计方法，定转子绕组的设计和制造，解决谐波起动电动机存在的关键技术问题，为谐波起动电动机的实用化和推广应用打下基础。课题主要遵循以下思路进行设计和研究，而且根据设计需要，本文具体对72槽8极电动机进行分析和设计：1) 谐波起动电动机的概况；2) 三相异步电动机中谐波的分析和计算；3) 定子绕组方案的确定及分析；4) 无感转子绕组方案的确定及分析；5) 等效电路的建立、电磁设计程序分析及电磁设计；6) 控制线路的设计，确定控制线路器件。第1章 谐波起动感应电动机概论1.1 传统感应电动机的现状和存在的问题感应电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的一种交流电动机。其转速和同步转速之间存在一定的差异（即所谓的异步），这是它产生转矩的必要条件。由于转子绕组电流是感应产生的，因此称为感应电动机。感应电动机区别于其它类型电动机，在于其转子绕组不需要与其它电源相连接，而定子电流直接取自交流电网。它与其它电动机相比，具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠及重量轻、成本低等优点。三相感应电动机的重量及成本分别约为同功率、同转速的直流电动机的1/2和1/3，此外感应电动机还还便于派生各防护型式以使用不同环境条件的需要，也有较高的效率和较好的工作特性，它具有与并励直流电动机类似的接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械的拖动要求。由于感应电动机具有上述许多优点，它广泛应用于工农业和其它国民经济各部门，作为拖动机床、水泵、鼓风机、起重转扬设备、轻工业和农副业加工设备以及其它一般机械的动力。1感应电动机是电动机领域中应用最广泛的一种电动机，90%左右的电气原动力均为感应电动机，其用电量占60%以上。主要用于工业、农业、交通中作为动力设备。传统感应电动机分为笼型和绕线型两类，其现状和存在问题如下：1.1.1笼型电动机笼型电动机虽制造容易和可靠性较高，但存在下列三个严重缺点。（1）起动转矩不大，难以满足带负载起动的需要；当前社会上解决该问题的多数办法是提高电动机的功率容量（即增容）来提高其起动转矩，这就造成严重的“大马拉小车”，既增加购买设备的投资，又在长期的应用中因处于低负荷运行而浪费大量电量，很不经济。第二种办法是增购液力偶合器，先让电动机空载起动，在由液力偶合器驱动负载。这种办法同样要增加添购设备的投资，并因液力偶合器的效率低于97%，因此至少浪费3%的电能，因而整个驱动装置的效率很低，同样浪费电量，更何况添加液力偶合器之后，机组的运行可靠性大大下降，显著增加维护困难，因此不是一个好办法。（2）最大转矩不大；用于驱动经常出现短时过负荷的负载，如矿山所用破碎机等时，往往停转而烧坏电动机。以致只能在轻载状况下运行，既降低了产量又浪费电能。（3）起动电流很大，增加了所需供电变压器的容量，从而增加大量投资。另一办法是采用降压起动来降低起动电流，同样要增加添购降压装置的投资，并且使本来就不好的起动特性进一步恶化。1.1.2 绕线型电动机 绕线型电动机虽起动特性和运行性能兼优，但仍存在下列严重缺点。（1）由于转子上有集电环和电刷，不仅增加制造成本，并且降低了起动和运行的可靠性，集电环和电刷之间的滑动接触，是这种电动机发生故障的主要根源；（2）当前的传统绕线型电动机为了提高可靠性，多数不提刷，因此运行时存在严重的电能浪费，且污染周围环境；（3）传统绕线型电动机的起动转矩虽比笼型电动机有所提高，但仍往往不能满足满载起动的需要，以致仍然需要增容而形成“大马拉小车”。上述传统感应电动机存在严重缺点的根本原因在于“起动”、“运行”和“可靠性”三者之间存在难以调和的矛盾，因此势必顾此失彼，不可兼得。21.2 国内外对传统感应电动机的改进国内外电工界普遍认为，绕线型电动机优于笼型电动机，而前者存在的种种问题，都是由于转子上存在集电环和电刷所引起。因此长期以来，国内外电工界曾提出过各式各样的取消集电环和电刷的办法，但都顾此失彼，未能全面解决问题。我国在20世纪70年代曾提出和试制过一种无集电环和电刷的绕线型感应电动机。但由于这种电动机需要在转子上安装开关，转子电路上存在触点，因此结构复杂，可靠性问题并未彻底解决。其次是，虽然起动电流减小了，但起动转矩也相应降低，难以满足生产需要。这两个缺点，使得这种电动机后来没有推广和应用。在国外，企图改进笼型电动机来取代绕线型电动机，现有两个已在工业上应用的例子。一是前苏联首先制造的复合转子笼型电动机，这种电动机在笼型转子硅钢片的外面再增加一层铜铁合金来提高其起动特性。二是英国制造的管型转子笼型电动机，这种电动机转子上的每根铜条都伸出槽外一段长度，各自穿过一根钢管后再用端环短路。上述两种笼型电动机的起动电流较小，而起动转矩较大，但其运行效率较低。因此这两种电动机都是用牺牲运行性能来提高起动特性，虽然其起动特性有所提高，但运行性能却比绕线型电动机差得多。显然，这样的电动机从起动和运行性能看，未能取代有集电环和电刷的绕线型电动机。从上述可见，如何做到既取消传统绕线型感应电动机的集电环和电刷，又能保持传统绕线型感应电动机同时兼有高起动特性和高运行效率的优越性，是长期以来世界上电机工作者所企图解决而又未能解决的一个难题。正因为如此，尽管传统绕线型感应电动机从诞生到现在已有一百年的历史，至今仍在国内外广泛应用。1.3 谐波起动感应电动机的诞生早在20年前，华中科技大学许实章教授就发现定子一种极数的磁场感应于转子绕组中的电流，通过集电环和电刷，但由另一种极数的磁场感应的电流，却自动经另一闭合回路，而不通过集电环和电刷；于是，如果后一种极数是电动机的工作基波磁场，而把前一种极数作为用以起动的谐波磁场，则可把起动电阻直接焊在转子绕组上，而把集电环和电刷取消，由此发明了转子电路上无集电环、无电刷、无触点的谐波起动绕线型感应电动机。1.3.1由两路并联线圈构成的转子绕组 图1-1 转子绕组中一个的两路并联线圈组a) 两线圈组的空间分布情况 b) 两路并联线圈组构成的电路图c) 用等效电路代替并联线圈组后的电路图设转子绕组由若干个两路并联线圈组构成，每个并联线圈组的情况如图1-1所示。两个线圈组的匝数和分布情况完全一样，但在空间上互差180机械角。因此在图a的电路图中，两线圈组的漏阻抗，在数值大小上两线圈组由定子任一旋转磁场感应的电动势，但和的相位关系则随定子磁场的极数而变。图中为固定地焊接于并联组外面的起动电阻。根据网络理论中的戴维南定理推导，上图a可以图b来等效用.则若干个两路并联线圈组构成的转子绕组，适用于基波极对数为奇数、而起动谐波极对数为偶数的谐波起动电动机。1.3.2由三路并联线圈构成的转子绕组如果转子绕组由若干个三路并联的线圈构成，则得到图1-2所示的情况。这时三路线圈组的匝数和分布情况必须完全一样，并且在空间上互差120机械角。其中和。该转子绕组适用于基波极对数为非3倍数，而起动谐波极对数为3倍数的谐波起动电动机中。2图1-2 转子绕组中的一个三路并联线圈组a) 三线圈组的空间分布情况 b) 三路并联线圈组构成的电路图c) 用等效电路代替并联线圈组后的电路图1.3.3“谐波起动”的工作原理经论证可知，只要针对定子产生的基波磁场极对数和所选的起动谐波磁场极对数来设计转子绕组，便能做到：由起动谐波磁场感应于转子中的电流，与由基波磁场感应于转子中的电流，自动分流，各走各的电路。起动谐波磁场产生的电流所经电路具有较大电阻，而基波磁场产生的电流所经电路的电阻则很小。因此，只凭改变定子磁场的极对数，便能控制转子电流所经电路是高电阻还是低电阻，从而实现了转子电路上无集电环、无电刷、无触点。至于定子绕组，则设计成具有可通过开关换接的两种不同联结方式，即“起动方式”和“运行方式”。当定子绕组按“运行方式”联结而接入电网时，定子产生一个很强的基波磁场，其他谐波磁场含量少、幅值小。当定子绕组按“起动方式”联结而接入电网时，定子产生一个很强的磁场波，其极数与基波的不同，这就是前面说的起动谐波。这样，在起动时，定子绕组按“起动方式”联结投入电网，依靠定子产生的起动谐波及其转子感应电流所经回路电阻较大来降低起动电流、提高起动转矩，从而提高电动机的起动特性。当转速上升到额定值或其附近时，把定子绕组改为按“运行方式”联结接入电网，则起动谐波被消除，电动机在基波作用下进入正常运行。这时转子电流所经回路的电阻很小，因而运行效率很高。这就是“谐波起动”的其本原理。2此外，从交流电动机的其本原理可知，上述定子产生的起动谐波为电动机内部相对于基波磁场而言的磁场谐波，它感应于定子绕组的电动势频率仍为电网频率，因此对电网绝对没有任何污染。国内外长期以来采用的改进起动方法中，一种是仅仅着眼于变革转子结构，而不改变其定子绕组结构，如采用深槽和双笼转子、实心转子、复合转子、管型转子等等；另一种则仅仅着眼于变革定子绕组结构，而不改变其转子绕组结构，如星-三角起动、延边三角形起动、先接入部分绕组起动等等。这些方法虽能取得一定结果，但并未全面解决感应电动机中存在的高起动特性、高运行性能和高可靠性三者之间的矛盾。而谐波起动方法的特点在于把定子绕组和转子绕组结构看成一个有机整体，综合起来研究，转子绕组结构的变革与定子绕组结构的变革紧密配合，互相呼应，相得益彰，因此能同时解决高起动特性、高运行性能和高可靠性三者之间的矛盾，为感应电动机的发展开辟了一条新的道路。1.4 谐波起动感应电动机的发展及趋势19871994年的8年间，是谐波起动感应电动机诞生后逐步发展成熟的过程。1.4.1理论研究和转子结构改进由于谐波起动感应电动机是一种绕组结构和作用原理与传统电动机迥然不同的新型电动机，因此首要的任务是研究这种新型电动机的理论分析、计算方法；其次是新型电动机的转子结构尚嫌复杂，有待进一步简化。于克训博士在其博士学位论文中，论述了谐波起动电动机的起动特性和运行性能的理论分析、计算方法，并完成了相应的计算软件，为这种新型电动机的电磁计算和方案优选创造了很好条件。而王雪帆博士则把“电工原理”中的“无感绕组”应用于新型电动机的转子绕组上，而提出在转子上采用不等匝并联构成的“复合线圈”，来达到取消与转子绕组焊接在一起的起动电阻。从而做到不仅取消集电环和电刷，而且可以不焊接起动电阻。这就大大简化了转子结构，并进一步提高电动机的起动特性。于是，谐波起动感应电动机存在两种转子结构型式：一种是转子上焊接起动电阻，另一种是不焊接起动电阻。但无论哪一种，都是转子上无集电环、无电刷、无触点，其优缺点视制造厂的条件、电动机应用情况和用户要求而定。1.4.2第一代谐波起动感应电动机第一代谐波起动感应电动机，其特征在于采用单个谐波起动，简称“单波起动”。这种“单波起动”电动机的定子绕组都采用了3Y/3Y联结，即运行和起动采用两种极数不同的3Y联结，运行时的3Y联结按基波极数设计，而起动时的3Y联结按所选的谐波极数设计。为使起动时能达到电动机的额定转速，所取谐波极数必须比基波的少2极，即所谓“少极数起动”。单谐波起动感应电动机的通用接线图如图1-3所示，接线图十分巧妙，出线端和中性点互相利用，8极的出线端对6极为中性点，而8极的中性点对6极为出线端，因此只需两个三相开关便能实现8极与6极的互相转换。显然，只允许一个三相开关接入电网，若两个三相开关同时接入电网，则必定烧毁绕组而造成事故。此外，在接线时必须做到：当U、V、W和、分别单独接入电网时，电动机的旋转方向必须相同。这时电动机的起动方法如下：在U、V、W三点与电网断开的条件下，把、三点投入电网，电动机便开始起动和升速，当转速上升到8极的同步转速为750r/min时，即迅速拉断、与电网的连接，然后迅速把U、V、W三点投入电网，使电动机从起动工况。这样，从起动过渡到运行必有几秒钟断掉电源，称为“断电切换”。单谐波起动和传统感应电动机的变极起动有本质差别。传统的变极起动多用于笼型感应电动机，其转子为常规笼型，通用于两种极数。这里用的是绕线型转子，采用针对定子基波和起动谐波的特殊结构，从而达到对定子基波来说转子是低电阻，但对谐波来说则是高电阻，因此用谐波起动时能获得传统变极起动难以达到的优良起动特性。图1-3 单谐波起动感应电动机的通用接线图1.4.3第二代谐波起动感应电动机“断电切换”是第一代谐波起动电动机的一个严重缺点，其后果是切换时产生很大冲击电流，引起开关跳闸。为消除这个缺点，提出定子绕组采用3Y/联结的新方案，从“起动”到“运行”为不断电转换，这便是第二代谐波起动感应电动机。与“单波起动”的第一代比较有明显的改进。第二代电动机的特点是采用基波和一个谐波联合起动，故又称“双波起动”。“双波起动”电动机的定子绕组常采用3Y/联结，转子绕组采用并联接法，其最重要特点是从起动工况过渡到运行工况为不断电转换。这种电动机的定子绕组有6根引出线，分别接至2个三相开关。在第二个三相开关与电网断开的条件下，把第一个三相开关投入电网，电动机便开始起动和升速，转速上升到某一数值，便稳定于该转速而不变，这时可把第二个三相开关接入电网，而完成了从起动工况过渡到运行工况。由此可见，从起动到运行的全过程中，第一个三相开关始终接于电网，没有任何断电时刻，故称“不断电转换”。双波起动电动机按与基波联合起动的一个谐波的极数比基波的极数多还是少分为“多极数谐波起动”和“少极数谐波起动”两类。多极数谐波起动能获得较高的起动转矩，并且起动电流也较小。少极数谐波起动则相反，能获得的起动转矩较低，而起动电流却很大。因此，选择哪一种谐波极数要根据具体电动机及其负载要求而定，并且尚须考虑在绕组设计上是否有困难。1.4.4新一代谐波起动感应电动机在实际应用过程中，“双波起动”的第二代谐波起动电动感应电动机仍有两个问题有待解决：（1）对8极电动机，由于采用少极数谐波起动，起动转矩很难提高。8极电动机多数用于驱动球磨机、筒磨机一类负载，要求起动转矩大于1.5倍为合适，至少不少于1.4倍，但双波起动电动机不能满足上述要求。（2）对4、6极电动机，由于采用多极数谐波起动，能获得较高起动转矩，但却出现前一段是双波起动、而后一段是基波单独起动的接力式起动。由于4、6极电动机的基波单独起动的起动电流很大，达到额定电流的6.57.5倍，并且起动后衰减很缓慢，因此在双波起动过程中，虽然前一阶段的起动电流很小，但一经转换到基波单独起动，起动电流便突然猛增。此时若控制柜的开关跳闸电流整定得不够大，或供电变压器的容量不大，则势必引起开关跳闸，而导致起动失败。这是双波起动用于4、6极电动机的一个严重缺点。能否解决上述问题，在于有无办法克服多极数谐波在起动过程中产生的负转矩。这种负转矩将使转速上升到半途便无法继续上升，而出现“爬行”现象，导致起动失败。而消除上述“爬行”的好办法，就是依靠调节转子绕组对谐波来说的电阻，来移动上述负转矩最大值出现的转速，以达到起动时基波产生转矩的最大值，而利用前者来把后者抵消掉。如此消除“爬行”现象，为前述谐波起动新理论的成立扫除了障碍。上述按新理论设计成功的系列为第三代谐波起动感应电动机，或称“新一代谐波起动感应电动机”，其特征在于：采用一个基波、一个比基波少2极的低次谐波和一个比基波多2极或4极的高次谐波，三波联合起动，故又简称“三波起动电动机”。三波起动既达到高起动转矩，又能使一经起动，就一直加速而达到额定转速附近，因此彻底消除了接力式的“双波起动”所发生的很大起动电流。2第2章 三相异步电动机的谐波分析和计算本章介绍了三相异步电动机（整数槽）在起动和对称运行时，其定、转子绕组在谐波作用下产生的各种影响及计算，适应谐波起动电动机的各项性能计算。2.1 感应电动机中谐波的影响感应电动机的气隙中除了存在基波磁场之外，还有一系列高次的空间谐波磁场，这些谐波磁场与转子中的感应电流相互作用，将会产生一系列谐波转矩（亦称为寄生转矩），并对电动机参数带来影响。在传统电动机中，谐波会产生负面影响，高次谐波电动势的存在，使电动机的电动势波形变坏，使电机杂散损耗增大、效率下降，温升增高，会直接影响电动机的各种性能。但在谐波起动电动机中，我们通过改变定子绕组的联结方式，利用气隙中空间主、副谐波产生的谐波转矩来提高起动性能和品质因数。2.2 谐波起动电动机中谐波参数的计算2.2.1 定、转子绕组的谐波磁势计算对称运行时，三相定子绕组产生的是一个旋转磁势，它由主波和一系列谐波组成。定子主波磁势的幅值为：式中 定子绕组的每相串联匝数 定子主波的绕组系数 定子相电流的有效值定子主波的推移速度为同步速度。定子谐波磁势的幅值则为：式中 定子次谐波的绕组系数推移速度为：分析表明，若绕组为全距绕组，则磁势波中将仅有奇次谐波而无偶次谐波。若绕组为短距绕组，则由于短距线圈的磁势波中含有奇次和偶次谐波，故对三相120相带绕组而言，磁势中既有奇次又有偶次谐波；若为双层60相带，则由于短距绕组的上、下层可以等效地看作两个单层的全距绕组，故双层60相带绕组中的磁势中将仅有奇次谐波而无偶次谐波。转子谐波磁势的幅值则为： 式中，=0，1，2。32.2 定、转子绕组的谐波漏抗计算三相异步电动机绕组建立的磁势内除了基波外，还包含有一系列谐波分量，这些谐波磁势将在气隙中产生空间谐波磁场。对于60相带三相双层绕组，0，2，4。定子谐波漏抗为： 整数槽绕组时的定子谐波漏抗也可以用下式表示： （） 其中 为谐波绝对次数为起动时单独作用的谐波次数（如主谐波、工作谐波、副谐波）转子谐波漏抗为： （转子为绕线型）其中与同转子谐波差漏抗为：32.3 异步电动机的谐波转矩2.3.1异步谐波转矩的产生异步电动机是一种定子边单边激磁的电机，转子绕组通常为短路，转子电流由定子感应产生。由定子主波磁场感生的转子电流所产生的转子主波磁势，不论转子的转速是多少，恒与定子磁势同极数、同转速，从而产生异步电动机的主电磁转矩，这种电磁转矩称为异步电磁转矩。异步电机内定子、转子的高次谐波，它们之间相互作用，既可能产生异步转矩，也可能产生同步转矩。若转子的次谐波磁势由定子的次谐波磁场感应产生，谐波次数=，且在任一转子转速下该两谐波在空间均具有同一转速，则它们之间将产生异步寄生转矩。图2-1表示异步寄生转矩对曲线的影响，从图可见，异步寄生转矩将使曲线在高转差范围内产生下凹，使曲线出现“最小转矩”。 3图2-1 异步寄生转矩对曲线的影响2.3.2异步谐波转矩的计算图2-2表示考虑谐波磁场的作用时，异步电动机的等效电路。图中表示定子的槽漏抗和端部漏抗，表示主波和各次谐波的激磁电抗，与其并联的电阻和电抗为对应于各次谐波的等效线路。图中所有参数都已归算到定子边。由基尔霍夫第二定律可求得：谐波电路转子电流 图2-2 考虑到谐波磁场的作用时异步电动机的等效电路其中是归算到转子边、对应于定子次谐波的定子等效电流。定子等效电流 转子电流求出后，仿照主波电磁转矩的计算公式，即可求出次谐波产生的异步寄生转矩为式中 进一步计算次谐波寄生转矩的最大值。考虑到谐波寄生转矩的最大值多半发生在高转差率处，该处的定子电流变化较小，可近似地认为=常值。这样可求出产生时的次转差率为：最终可得：32.4 谐波起动电动机电磁计算程序该电动机为三相电动机，运行时，定子为正规相带绕组，由常规程序保证其运行性能来确定参数（不列程序），起动时，定子绕组丢掉一部分绕组，利用三波起动，进行不断电切换。转子绕组为无感绕组，故程序只为起动性能的。2.4.1磁路计算1每极磁通 电势系数 定子每相串联导体数2齿部截面积 定子 转子 式中 通风道数 通风道宽3轭部截面积 定子 转子 4气隙截面积 通风道损失宽度（见上科所程序附录）5假定饱和系数查曲线知波幅系数6定子齿 7转子齿 8定子轭 9转子轭 10气隙 查出磁化曲线知Ht1, Ht2, Hc1, Hc2. 11气隙有效长度 卡氏系数12定子 13转子 14轭部 15 c1, c2轭部磁势修正系数16气隙 17饱和 若 合格 否则重设（对主谐波和副谐波由于其磁通，磁密较小，故取KT=1.05）18总磁势 19满载磁化电流 20满载磁化电流标么值 21激磁电抗 2.4.2参数计算22线圈平均半匝长，参考同型号电机取。23双层线圈端部轴向投影长 按同类型型号电机取，小型电机按中小型电机程序公式取。24漏抗系数 25. 定子槽单位漏磁导 26定子槽漏抗 （：起动时工作绕组的定子槽数） （ 通风道损失宽度，查标准程序）27定子谐波漏抗 其中 为谐波绝对次数为起动时单独作用的谐波次数（如主谐波、工作谐波、副谐波）28定子端部漏抗 为定子线圈直线部分伸出铁心长29定子漏抗 30转子槽单位漏磁导 槽口，槽底，物理意义同定子的， 31转子槽漏抗 对等效笼型转子（每相每槽构成一相）; 其余（转子相数）32转子谐波漏抗 R同S33转子端部漏抗 34转子漏抗 35定子电阻 36转子电阻 37.假定 满载电流有功部分；38满载电抗电流 39满载电流无功分量 40满载电势 与第1项误差小于1%，否则重设41空载电势 42定子电流 43定子 44转子 45，；按经验取46定子齿 定子轭 铁耗 为单位铁耗 47总铁耗 48总损耗 49输入功率 50效率 与接近2.4.3起动性能计算51对工作谐波P取 52 ； 查起动时漏磁路饱和引起漏抗变化的系数. (对主谐波和副谐波，起动时，认为漏磁路不饱和（无感作用）定子漏抗不减少，其Cs1=0 Cs2=0 =1)53. 54. 55. 56. 得 57 （考虑受挤流时，上下层之间有部分空导体产生漏抗） 58 59. 6061总转矩 主+副 主主谐波转矩62总电流 4第3章 三波起动电动机的介绍 前面我们已经提到对于8极电动机，由于采用少极数谐波起动，起动转矩很难提高。8极电动机多数用于驱动球磨机、筒磨机一类负载，要求起动转矩大于1.5倍为合适，至少不少于1.4倍，但双波起动电动机不能满足上述要求。而我们采用更为完美的三波起动电动机。而且这种电动机的转子绕组采用工艺上很简单的串联接法，便于制造。3.1 用槽号相位表分析绕组的磁动势和电动势3.1.1槽号相位表的意义在电机学中我们学习了用线圈矢量星形分析绕组磁动势。矢量分析法的基本概念是：电流通过单根导体便产生所有极对数为整数的磁动势谐波，而每个谐波都在空间上按正弦函数分布，因此可用一根空间矢量作代表，电流的大小决定矢量的长度，而导体在空间的位置表示为矢量的空间相位。于是，将绕组包含的所有导体对某一极对数谐波说的磁动势矢量用矢量法相加，便可求得整个绕组产生的该极对数谐波的磁动势。用线圈矢量分析绕组磁动势时，首先必须画出绕组所用全部线圈的线圈磁动势的矢量星形。由于通过线圈的电流有正有负，为分析方便，每个线圈的矢量必须画两根，一正一负，两者相差180（对所分析的谐波极对数）。从线圈矢量星形演变为槽号相位表的过程如下：把线圈矢量星形的圆周展开成一水平线，取消表示矢量的箭头，留下矢量的槽号，便得槽号相位表。这时圆周变成一段水平线，每根矢量变成一个槽号，槽号在水平线的位置表示矢量的相位。为避免重叠，把同相位的槽号写在不同的水平线上，但位于同一垂直线上。这时表中填写了个正槽号和个负槽号。163.1.2槽号相位表的画法画槽号相位表时，首先要确定所需表格每一槽行的最少小格数，其次是确定号码连续两个槽号在表中的位移的小格数。确定和的方法如下：已知绕组所嵌铁心的槽号数和所分析的磁动势谐波的极对数，可计算每极每相槽数,其中和是没有公约数的整数。在按下列两种情况分别求和得。 当为非3的倍数的整数：=6,= 当为3的倍数的整数： =2,=/3至于槽号相位表需的槽号行数，由于每对极需要一槽行，正、负槽号分开填写就共需要个槽行。53.1.3正规60相带绕组的结构和电磁特性及每相的最大并联支路数正规60相带绕组由于接线简单、性能优越，是常规交流电机中用得最多的一种绕组。其结构特征为：所有槽数为、极数为的三相双层、等元件、整数槽绕组（即=整数的绕组）都可设计成正规60相带绕组，其结构特征在于每相由个等相带构成，每个等相带串联个槽号，其正、负相同、号码连续。把三相槽号排列于极基波的槽号相位表下面时，每相个等相带同大小、同相位，构成一个整齐的长方形，对极基波来说，其相带（即长方形宽）为60，三相间互差120，为一对称三相绕组。由此可见，正规60相带绕组是交流电机绕组中，在线圈制造、嵌线、接线方面最简易，因而是工艺性最高的一种绕组。电磁特性：在正规60相带绕组中，所有线圈边产生的磁动势谐波，除了5、7、11、13非3倍数的奇数整数次谐波以外，其他谐波皆相互抵消而不存在。正规60相带绕组每相的最大并联支路数等于电机基波的极数。3.2 三波起动电动机的基本要求3.2.1对三波起动时定子绕组产生磁动势的谐波含量的要求三波起动电动机顾名思义就是利用定子绕组在起动时所产生的三个磁动势波来起动，这三个波就是：电动机的基波、主谐波和副谐波。三者合并在转子绕组的紧密配合下产生强大的起动转矩来把电动机起动、加速，一直把电动机的转速提升到达额定转速附近，在此点稳定运行，再通过开关操作或控制电路把电动机从起动工况转换到运行工况，完成起动过程。由此可见，三波起动电动机起动时，定子绕组产生的三个磁动势波一个也不能少，否则就不是三波起动了。3.2.2对起动时产生的基波磁动势的基本要求起动时产生的基波极数与电动机运行时的极数相同，其旋转方向也与电动机运行时的旋转方向一致。起动时的基波幅值必须相当大，才能使起动后期基波产生的转矩上升到很大数值，因而能与主谐波联合起来，抵消掉副谐波产生的很大负转矩，并且还有多余转矩来使转速上升，而到达电动机的额定转速附近。3.2.3对起动时产生的主谐波磁动势的基本要求主谐波磁动势是一个比基波极数少2个极的与基波同转向的磁动势波。其同步转速比基波的高很多，因此主谐波的作用贯穿于整个起动的全过程，主要有下列三项：1） 起动开始时产生很大的起动转矩在起动开始时，绝大多数起动转矩都来源于主谐波。2）限制起动电流使其不致过大 起动电流的大小主要受主谐波磁动势所产生的磁场感应于定子绕组中的反电动势所制约。因此主谐波越强则起动电流越小。3）克服副谐波产生的负转矩 但转速上升到超过副谐波的同步转速以后，副谐波产生的转矩变为负的。在其开始阶段，由于基波的转矩尚未上升到很大，上述的负转矩就全靠主谐波产生的转矩来把它克服，并要求此时主谐波在抵消掉负转矩之后，还剩下很大转矩，以使转速得以继续上升。以后，基波产生的转矩已上升到很大，则主谐波和基波便联合一起来抵消前述副谐波产生的负转矩，而使转速上升到电动机的额定转速附近。上述三波起动时，三个波之间的互相促进、互相制约，而主谐波贯穿整个起动的全过程，是三波起动中的一个重要的谐波，缺少它三波起动就无法实现。没有主谐波，或主谐波很弱，则起动后的转速就不可能达到电动机的额定转速附近。正因为这样，设计三波起动电动机定子绕组的联结方案时，就是从主谐波下手的，利用主谐波的槽号相位表，在其下面排列出定子三相所占槽号，然后以获得最强主谐波为目的进行绕组设计。3.2.4对起动时产生的副谐波磁动势的基本要求起动时产生的副谐波磁动势是一个比基波极数多2个极或4个极并且与基波同转向的高次磁动势谐波。一般来说，副谐波是高次谐波中最强的一个与基波同转向的磁动势谐波。副谐波的唯一作用是在起动的开始阶段，从转速n=0到副谐波的同步转速这一区间内，协助主谐波提高电动机的起动转矩。这是提高起动转矩非常有效的措施，三波起动电动机得以诞生，就在于发现了副谐波的这个重要作用。在双波起动中引入副谐波能显著提高起动转矩的主要原因，在于副谐波的极数比主谐波的多得多。至于极数多则转矩大的原因是由于，在其他情况相同的条件下，各种谐波磁场产生的起动转矩与其极数成正比，因此极数越多，产生的起动转矩就越大。前面已经指出，副谐波的极数比基波的多2个极或者4个极。究竟是多几个极呢？这决定于定子绕组的联结法。联结法一经选定，按“主谐波最强”的原则即可设计出各段绕组所占槽号的分配方案。在进行设计时很难顾及副谐波，而仅仅考虑主谐波。槽好分配方案一经设计出来，副谐波的极数是多少便已固定不变了。这时对已定的绕组联结方案进行谐波分析，从所得的绕组磁动势谐波含量中来发现副谐波的极数及其幅值大小，副谐波就是与基波同转向的高次谐波中最强的一个谐波。副谐波具有在起动初期显著提高起动转矩的突出优点，是三波起动得以超越双波起动的一个重要原因。但副谐波也存在一个很关键的缺点，就是在起动后期，副谐波产生的转矩变为负的，反而消弱起动转矩。其原因是它的极数比基波多2个极或4个极，因此其同步转速必定低于基波，这说明从起动开始到额定转速附近的全过程中必定要经过副谐波的同步转速点，而越过这一点后，副谐波产生的转矩便变为负的，因此产生消弱电动机起动转矩的负作用。上述副谐波的负作用，使起动过程中的转矩-转速曲线下陷，严重时则出现凹坑，出现最小转矩（凹坑之底）。在此情况下，若起动时所带负载的阻力矩大于上述最小转矩，则出现起动中途转速无法继续上升的“爬行”现象，而造成起动失败。由此可见，采用副谐波时要特别慎重。副谐波太弱了，起动转矩提不高，但太强了则起动过程可能出现凹坑，因而有发生“爬行”的危险。克服副谐波负作用的有效途径有：1）调整副谐波的幅值；2）加强基波和主谐波；3）调节转子绕组对各谐波的等效电阻。2第4章 谐波起动感应电动机定子绕组设计定子绕组是谐波起动感应电动机的主体，谐波起动就是依靠定子绕组产生的谐波磁场来实现的。因此，要使谐波起动电动机具有优良的起动特性和运行性能，首要的任务就在于定子绕组的优化设计。4.1 定子绕组设计的基本要求谐波起动电动机的定子绕组采用“运行方式”和“起动方式”两种联结方式。对这两种联结方式的基本要求如下：（1）对“运行方式”除双波起动中的一些特殊情况（有些绕组段串联的线圈匝数不同）外，要求运行时严格等效于正规60相带绕组。正规60相带绕组运行时的磁动势谐波含量最少，只存在非3倍数的奇数整数次谐波，即5次、7次、11次、13次等，其他的一切谐波皆不存在，因此由谐波引起的附加损耗最小，使电动机具有高的效率和运行稳定。由于传统电动机必须兼顾“起动电流太大”问题，而不敢把定、转子漏抗设计得很小。但谐波起动电动机则不同，由于把“运行”和“起动”两种工况截然分开，因此可完全不考虑起动电动机是否太大而把定、转子漏电抗设计得很小，从而获得特别大的过载能力。由此可见，满足这基本要求将使谐波起动电动机在运行性能上超过传统电动机。只要符合下列3点，便必定等效于正规60相带绕组。1）运行时三相所占槽号按基波极数相位排列时，分别位于互差120的三个60的区域内。2）如果各相所占槽号具体连接时，有若干支路并联在一起，则并联个支路由基波磁场感应的电动势应严格地同相位、同大小，因此不产生环流。3）无论各相所占槽号具体如何连接，要求运行时三相电流对称，每相所占各槽号代表的线圈匝数与通过该线圈的电流的相乘积（槽号的安匝数）都相等，因此符合“等安匝定理”。（2）对“起动方式”要求起动时能产生足够强的起动谐波磁动势。这是由于起动所需谐波越强，则起动转矩越大，并且起动电流越小，因此起动品质因数显著提高。具体要求，视采用哪一种起动方法而定。对“三波起动”，由于有两个起动谐波，情况比较复杂。由于起动是短时过程，因此其他条件可以放宽，如起动时对基波和对谐波的三相对称性，就不要求三相严格对称。但不宜偏离三相对称太大，因为绕组的磁动势谐波是按三相电流对称进行分析的，若实际电流三相很不对称，则谐波分析结果与实际情况差别很大，导致电磁计算不可靠。因此对三相不对称程度应有限制。一般，对基波来说，因三相不对称而出现的负序分量应不超过5%，对谐波来说则应不超过10%。（3）对“起动方式”与“运行方式”之间的转换