电机学交流电机ch3s1课件

第三部分第三部分 交流电机及拖动交流电机及拖动z第三章第三章 异步电机（一、基本原理）异步电机（一、基本原理）z第四章第四章 异步电机（二、运行原理）异步电机（二、运行原理）z第九章第九章 三相异步电动机的机械特性及各三相异步电动机的机械特性及各种运转状态种运转状态z第十章第十章 三相异步电动机的起动及起动设三相异步电动机的起动及起动设备的计算备的计算z第十一章第十一章 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速第三章第三章 异步电机（一基本原理）异步电机（一基本原理）z第一节 工作原理及结构工作原理及结构z第二节 铭牌数据铭牌数据z第三节 定子绕组定子绕组z第四节 定子磁通势和磁场定子磁通势和磁场z第五节 定子绕组的电动势定子绕组的电动势物理模型物理模型实物模型实物模型第四章第四章-数学模型数学模型第三章第三章 三相异步电动机三相异步电动机 的基本原理的基本原理交流电机交流电机：同步电机同步电机(凸极、隐极)发电机用；电动机、调相机。异步电机异步电机(鼠笼、绕线式、换向器式)电动机、发电机。单相异步、三相异步。第一节第一节 交流电机的工作原理及交流电机的工作原理及结构结构z同步发电机的工作原理同步发电机的工作原理z三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理z三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构一、三相同步发电机的工作原理三相同步发电机的工作原理：定子上三相对称绕组互差120度电角度。转子上直流励磁。ACBSN顺时针旋转1、若磁极磁场的气隙磁密沿圆周按正弦分布正弦分布，则导体电势随时间按正弦变化：2、三相定子绕组对称，因此三相电势大小相等，相位互差120度。设Em为电势最大值，A相初相角为0，则：若每分钟转速为n，则电势频率为f=Pn/60赫。当f=50赫，气轮机：n=3000转/分P1；n=1500转/分P2；水轮机：n=100转/分P30。同步电机的转速与电网频率有严格不变关系。同步电机的转速与电网频率有严格不变关系。即当电网频率一定时，电机转速就一定即当电网频率一定时，电机转速就一定。3、电势的频率电势的频率：当P1，转子转一周，电势交变一次当P对极，转子转一周，电势交变P次二、三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的基本工作原理以鼠笼式转子鼠笼式转子为例：转子槽内有导条，导条两端用短路环连接，形成闭合绕组。CAB对称定子绕组上加对称三相交流电压对称三相交流电压，定子绕组内有对称三相电流对称三相电流，它们联合产生以同步速旋转的定子旋转磁场定子旋转磁场，转子导条将感应电势感应电势，从而有电流有电流，则转子导条将受到电磁力受到电磁力f，从而产生电磁转矩电磁转矩，使转子顺顺旋转磁场的方向旋转，若转子轴上有负载，电动机将输出机械功率。异步电机的异步电机的n小于同步转速。若二者相等，小于同步转速。若二者相等，异步机就不能旋转异步机就不能旋转。(一)、旋转磁场的产生旋转磁场的产生：旋转磁场：极性、大小不变、且有一定转速旋转磁场：极性、大小不变、且有一定转速定子三相电流瞬时表达式：当选择0度，120度，240度，360度四个旋转瞬时分析，规定电流为正时：从首端ABC流出 ；电流为负时，从首端ABC流入 。ABCABCABCABC(1)(2)(3)(4)0度120度240度360度紫色为流入红色为流出磁场转速的确定磁场转速的确定：当三相交流电流随时间变化一周期T，磁场转过一周，因此，电流每秒钟变化 次，旋转磁场每秒钟转过 转；当磁场为一对极时，转速为：当P2时，电流变化一次，磁场转过1/2转；则极对数为P的旋转磁场的转速为：称为同步转速同步转速。(二)、工作原理工作原理：定子三相对称绕组，转子鼠笼条均匀分布，两端端环连接成一体。定子三相对称绕组通以三相对称交流电流，气隙中产生一个以同步转速旋转的旋转磁场转子导条感应电势转子导条中有电流流过载有感生电流的转子导条在磁场中受电磁力作用，方向由左手定则判定电磁力形成一个定方向的电磁转矩，使转子旋转起来。转速为 n，小于同步转速。转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而做功，转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而做功，以实现能量的转换以实现能量的转换。(三)、异步电机的转速与运行状态异步电机的转速与运行状态：同步转速与转子转速n之差成为转差。转差率异步电机有三种运行状态三种运行状态：1、电动状态：电动状态：2、发电状态：、发电状态：3、制动状态、制动状态：三、三相异步电机的结构三相异步电机的结构：定子，转子，气隙定子，转子，气隙。(一)定子：定子铁芯，定子绕组，机座。1、定子铁芯：主磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片迭压而成。2、定子绕组：定子部分的电路。由许多线圈按一定规律连接而成。3、机座：固定和支撑定子铁芯。(二)转子：转子铁芯，转子绕组。1、转子铁芯：主磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片迭压而成。转子绕组：鼠笼式和绕线式。1)鼠笼式：各相均由单根导条组成，有几根导条就有几相。一般采用注铝转子，铜条转子。（小容量）；2)绕线式：是对称三相绕组，接成星形，并接到转轴上三个集电环上，再通过电刷与外电路接通。(三)、气隙气隙：中小型电机一般为0.22mm，它与电机性能关系极大。1)、气隙大磁阻大产生同样大小磁场需要较大的励磁电流使电机的功率因数减小。2)、气隙大可减小气隙磁场中的谐波分量，从而减少附加损耗，改善起动性能。3)、气隙小装配困难和运转不安全。应综合考虑。第二节 三相异步电动机的铭牌三相异步电动机的铭牌数据数据额定功率额定功率：轴上输出的机械功率。千瓦。额定电压额定电压：定子绕组的线电压，伏。额定电流额定电流：电机在额定电压和功率下，定子绕组中的线电流，安。额定频率额定频率：50赫。额定转速额定转速：电机在额定电压、频率和功率下的转速，转/分。还有绕组的相数与接法，绝缘等级及允许温升等；对绕线式转子，还标明转子的额定电势及额定电流。第三节 三相异步电动机的三相异步电动机的定子绕组定子绕组z交流绕组的一些基本知识和基本量z三相单层绕组z三相双层绕组z波绕组 定子绕组定子绕组对定子绕组的要求要求：必须保证在通以三相交流电流后，能建立必须保证在通以三相交流电流后，能建立具有一定的极数，一定的大小，且波形接近于具有一定的极数，一定的大小，且波形接近于正弦波的旋转磁场；正弦波的旋转磁场；定子绕组分类：按相数：单相，二相，三相；按槽内层数：单层，双层，单双层混合；按绕组端接部分的形状：单层有同心式，交叉式和链式；双层有迭绕组，波绕组。一、交流绕组的一些基本知识和基本量交流绕组的一些基本知识和基本量：(一)、电角度和机械角度电角度和机械角度：电角度P机械角度。(二)、线圈线圈：组成交流绕组的单元是线圈，它由一匝或多匝串联而成，有两个引出线，一个称为首端，一个称为末端。(三)、节距节距：一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距Y1。一般用槽数表示。极距 。(四)、槽距角槽距角：（电角度）相邻槽之间的电角度：(五)、每极每相槽数每极每相槽数q：每极下每相所占的槽数：(六)、槽电势星形图槽电势星形图：假设气隙磁密在圆周上按正弦规律分布，转子反时针方向旋转定子各槽内导体的感应电势也将随时间按正弦规律变化。当把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电势分别用矢量表示时，这些矢量构成一个辐射星形图。各槽内导体感应电势在时间相位上互差电角度。例如：2P4，Z24的槽电势星形图为：一般说，当P和Z有最大公约数t时，则有t个重合的槽电势星形图。1,132,143,154,1617,518,619,720,821,922,1011,2312,24ABC(七)、相带划分相带划分：每个极距内属于每相的槽数所占有的区域称为相带，用电角度表示，q相带。二、三相单层绕组三相单层绕组：每一槽内只有一个线圈边，绕组的线圈数等于总槽数的一半。以Z12，2P2为例：1、极距：2、每极每相槽数：q=2槽；3、槽电势星形图：123456789101112AXBYCZ4、划分相带：q60度；5、组成线圈组：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12BYCZAXNS三、三相双层绕组三相双层绕组：有迭绕组和波绕组。以2P4，Z36，双层迭绕组为例：1、极距为9槽；2、节距：短距Y18槽；3、每极每相槽数：q3槽，20度；4、槽电势星形图：1231920211,2,3;10,11,1219,20,21;28,29,307,8,9;16,17,1825,26,27;34,35,3613,14,15;4,5,631,32,33;22,23,24AXBYCZ1011122829305、绕组连接图(A相)：AXNSNS四、波绕组波绕组：波绕组的相带划分和槽号分配与迭绕组完全相同。连接规律与直流电机的波绕组相似，即将同一极性下属于同一相的线圈按照一定次序串联起来，组成一组；再将另一极性下属于同一相的线圈按照一定次序串联起来，组成另一组，最后将这两组线圈按需要串联或并联，构成一相绕组。第四节 三相异步电动机的 定子磁势及磁场z单相绕组的磁势脉振磁势z三相绕组的磁势旋转磁势z三相异步电动机的定子磁场第四节 三相异步电动机的 定子磁势及磁场 旋转磁场的大小、波形及一些属性如何？三相绕组的磁势和磁场单相绕组的磁势和磁场一个线圈一线圈组(q个线圈)一相绕组一、单相绕组的磁势：脉振磁势(一)、单个线圈的磁势：1、性质：线圈匝数为 ，通以电流 ，以两极电机为例：在直流机中，线圈产生的磁势在空间分布波形 是矩形波，周期为两个极距，幅值等于磁力线 所包围的全电流的一半。在异步电机中，线圈产生的磁势在空间分布也是一个矩形波，周期为2T，幅值为 若为整距线圈，幅值为 。用方程表示为由于电流为交流电，因而矩形波幅值随电流变化而变化，是时间的函数，即：整距线圈矩形波的高度随时间按正弦规律变化，变化的频率与电流交变的频率相同。结论：单个线圈所产生的磁势在任何瞬时，其空间分布总是一个矩形波。而空间任意一点的大小是随电流而变化的，即矩形波的高度是时间的函数。这种在空间位置不动，波幅的大小和正负随时间而变化的磁势称为脉振磁势。当磁场极对数为P时，分布波的周期增加为P倍。2、磁势的分解：引入短距系数。几个空间位置不同，幅值变化的矩形波的叠加很不方便，将矩形波分解成基波和一系列谐波，然后分别对各次谐波进行分析，综合考虑后可得到一相绕组的总磁势的大小和性质。利用付氏级数，取x为横坐标，坐标原点在线圈的中心线上，单个线圈的磁势分解为：这里引入了短距系数 。当考虑到电流按正弦规律变化时，单个线圈所产生的脉振磁势表达式为：结论：交流电流通过单个线圈产生的矩形波磁势包括极对数为1、2、3、等一系列谐波。整距线圈只有1、3、5奇数次谐波。谐波的幅值与电流和谐波的短距系数成正比，与谐波的次数成反比，正负取决于短距系数的正负。(二)、线圈组的磁势：引入分布系数 。构成线圈组的每个线圈的磁势的谐波含量和大小是完全相同的。只是在空间上错开一个角度。因而个谐波磁势在空间上的位置存在相位差，对基波是一个槽距角，v次谐波是v倍槽距角。用空间矢量表示，将所有矢量相加就可得v次谐波的幅值。磁势性质：线圈组磁势也包含所有极对数为整数的谐波，幅值随时间而脉振。仍是脉振磁势。(三)、相绕组磁势：将构成相绕组的各线圈组的v次谐波磁势按其空间位移和电流方向用矢量法相加，即得到相绕组的v次谐波磁势。1、基波磁势：无论单层或双层绕组，构成相绕组的所有线圈组的基波磁势在空间上同相位，直接相加得到相绕组基波磁势幅值：N为每相绕组串联总匝数。2、谐波磁势幅值：只有3、5、7、等奇数次谐波存在，这样，合成单相绕组的磁势为：为基波槽距角。(四)、单相绕组磁势的性质：1、是脉振磁势。该磁势沿气隙圆周按梯形波分布，可分解为一系列谐波，每一谐波均是空间位置不变，波幅按同一频率交变的脉振波。2、正常接法的绕组，相绕组磁势的基波幅值必在相绕组的轴线(构成相绕组的线圈组的中心线)上，而各高次谐波则必有一个波幅落在相绕组轴线上。3、基波磁势幅值为：v次谐波幅值为：可见，谐波次数越高，谐波磁势幅值越小。分布和短距均能削弱谐波。二、三相绕组的磁势旋转磁势：在分析了单相绕组磁势的基础上，把A、B、C三个单相绕组所产生的磁势波逐点相加，就可得到三相绕组的合成磁势。这种方法麻烦。分各次谐波逐一分析：1、基波：当对称三相绕组通以对称三相交流电流时，A、B、C三相绕组各自产生的脉振磁势基波表达式为：利用三角公式可写成三相合成磁势为：令则：通过0，120度，240度几个时刻的波幅点，可分析出旋转磁势波幅旋转的角速度和转速。从上边的分析知：当某相电流达最大值，旋转磁势的幅值就转到该相绕组的轴线处。即基波合成磁势的旋转方向就是电流相序方向。三相旋转磁势基波的性质：1、旋转磁势，转速为同步转速，转向与电流相序相同。2、幅值F1不变，为各相脉振磁势幅值的1.5倍，旋转磁场为圆形旋转磁场。3、某相电流达最大值时，三相基波合成磁势幅值恰好在这一相绕组的轴线上。2、谐波磁势：次数为5、11、17、23等的合成磁势为转向与基波相反的旋转磁势；次数为7、13、19、25等的合成磁势为转向与基波相同的旋转磁势；次数为3、9、15、21等的合成磁势为零；谐波波长为基波的1/v，转速为基波的1/v，极对数为vP。谐波在电机中引起附加损耗，振动和噪音等。三、三相异步电动机的定子磁场：三相对称交流电源定子电流气隙主磁场基波磁场 端部漏磁场槽内漏磁场漏磁场谐波磁场？气隙基波磁场和谐波磁场均在定子、转子绕组内感应电势。由于谐波磁场的极对数和转速与基波磁场的不同，其在转子绕组内感应电势的频率与主磁通所感应的电势的频率就不同；因而它与转子电流作用产生无效的转矩。但谐波磁场在定子绕组内感应电势的频率为它影响定子电流，所以归为漏磁场。第五节 三相异步电动机 定子绕组的电势z导体电势线圈电势线圈组电势相电势第五节 三相异步电动机 定子绕组的电势气隙磁场按正弦规律分布时，同步速旋转的磁场在定子绕组中感应电势。导体电势线圈电势线圈组电势相电势。一、先考虑基波：1、导体电势Ec1：在正弦分布磁场下，导体电势为一正弦波。电势用有效值表示。2、线圈电势Ey1：4、相电势E：将一相所串联的线圈组电势相加得一相电势。3、线圈组电势Eq1：二、谐波电势：计算方法与基波类似。V次谐波磁场的极对数为基波的v倍，极距为基波的1/v倍。定子绕组感应电势的频率为基波频率的v倍。谐波电势有效值为：三、总的相电势有效值为：气隙磁场在转子绕组内也感应电势，分为主磁通感应电势 和漏磁通感应电势 ，其计算的方法与定子内感应电势的计算相同。