電機學(xué)交流電機ch3s1

1、第三部分第三部分 交流電機及拖動交流電機及拖動z第三章第三章 異步電機（一、基本原理）異步電機（一、基本原理）z第四章第四章 異步電機（二、運行原理）異步電機（二、運行原理）z第九章第九章 三相異步電動機的機械特性及各三相異步電動機的機械特性及各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)種運轉(zhuǎn)狀態(tài)z第十章第十章 三相異步電動機的起動及起動設(shè)三相異步電動機的起動及起動設(shè)備的計算備的計算z第十一章第十一章 三相異步電動機的調(diào)速三相異步電動機的調(diào)速第三章第三章 異步電機（一基本原理）異步電機（一基本原理）z第一節(jié) 工作原理及結(jié)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)z第二節(jié) 銘牌數(shù)據(jù)銘牌數(shù)據(jù)z第三節(jié) 定子繞組定子繞組z第四節(jié) 定子磁通勢和磁場定子磁通勢和

2、磁場z第五節(jié) 定子繞組的電動勢定子繞組的電動勢物理模型物理模型實物模型實物模型第四章第四章-數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型第三章第三章 三相異步電動機三相異步電動機 的基本原理的基本原理交流電機交流電機：同步電機同步電機(凸極、隱極)發(fā)電機用； 電動機、調(diào)相機。異步電機異步電機(鼠籠、繞線式、換向器式) 電動機、發(fā)電機。 單相異步、三相異步。第一節(jié)第一節(jié) 交流電機的工作原理及交流電機的工作原理及結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)z同步發(fā)電機的工作原理同步發(fā)電機的工作原理z三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作原理z三相異步電動機的結(jié)構(gòu)三相異步電動機的結(jié)構(gòu)一、三相同步發(fā)電機的工作原理三相同步發(fā)電機的工作原理： 定子上三相對稱繞組

3、互差120度電角度。 轉(zhuǎn)子上直流勵磁。ACBSN順時針旋轉(zhuǎn)1、若磁極磁場的氣隙磁密沿圓周按正弦分布正弦分布，則導(dǎo)體電勢隨時間按正弦變化：tBtElvBemcmacsinsin)240sin()120sin(sintEetEetEemCmBmA2、三相定子繞組對稱，因此三相電勢大小相等， 相位互差120度。設(shè)Em為電勢最大值，A相初相角為0，則：若每分鐘轉(zhuǎn)速為n，則電勢頻率為f=Pn/60赫。當f=50赫，氣輪機： n=3000轉(zhuǎn)/分P1； n=1500轉(zhuǎn)/分P2；水輪機： n=100轉(zhuǎn)/分P30。同步電機的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率有嚴格不變關(guān)系。同步電機的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率有嚴格不變關(guān)系。即當電網(wǎng)頻率一定時

4、，電機轉(zhuǎn)速就一定即當電網(wǎng)頻率一定時，電機轉(zhuǎn)速就一定。3、電勢的頻率電勢的頻率：當P1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，電勢交變一次當P對極，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，電勢交變P次二、三相異步電動機的基本工作原理三相異步電動機的基本工作原理以鼠籠式轉(zhuǎn)子鼠籠式轉(zhuǎn)子為例：轉(zhuǎn)子槽內(nèi)有導(dǎo)條，導(dǎo)條兩端用短路環(huán)連接，形成閉合繞組。CAB對稱定子繞組上加對稱三相交流電壓對稱三相交流電壓，定子繞組內(nèi)有對稱三相電流對稱三相電流，它們聯(lián)合產(chǎn)生以同步速旋轉(zhuǎn)的定子旋轉(zhuǎn)磁場定子旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條將感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢，從而有電流有電流，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)條將受到電磁力受到電磁力f，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子順順旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，若轉(zhuǎn)子軸上有負載，電動機將輸出機

5、械功率。異步電機的異步電機的n小于同步轉(zhuǎn)速。若二者相等，小于同步轉(zhuǎn)速。若二者相等，異步機就不能旋轉(zhuǎn)異步機就不能旋轉(zhuǎn)。(一)、旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生：旋轉(zhuǎn)磁場：極性、大小不變、且有一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場：極性、大小不變、且有一定轉(zhuǎn)速定子三相電流瞬時表達式：)240cos()120cos(costIitIitIimCmBmA當選擇0度，120度，240度，360度四個旋轉(zhuǎn)瞬時分析，規(guī)定電流為正時：從首端ABC流出 ； 電流為負時，從首端ABC流入 。ABCABCABCABC(1)(2)(3)(4)0度120度240度360度紫色為流入紅色為流出磁場轉(zhuǎn)速的確定磁場轉(zhuǎn)速的確定：當三相交流電流隨時間變化

6、一周期T，磁場轉(zhuǎn)過一周，因此，電流每秒鐘變化 次，旋轉(zhuǎn)磁場每秒鐘轉(zhuǎn)過 轉(zhuǎn)；當磁場為一對極時，轉(zhuǎn)速為：當P2時，電流變化一次，磁場轉(zhuǎn)過1/2轉(zhuǎn)；則極對數(shù)為P的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為： 稱為同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速。1f1f)/(60)/(110分轉(zhuǎn)秒轉(zhuǎn)PfPfn1f(二)、工作原理工作原理：定子三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子鼠籠條均勻分布，兩端端環(huán)連接成一體。定子三相對稱繞組通以三相對稱交流電流，氣隙中產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)子導(dǎo)條感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中有電流流過載有感生電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在磁場中受電磁力作用，方向由左手定則判定電磁力形成一個定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。轉(zhuǎn)速為 n ，小于同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子上受到的電磁

7、轉(zhuǎn)矩將克服負載轉(zhuǎn)矩而做功，轉(zhuǎn)子上受到的電磁轉(zhuǎn)矩將克服負載轉(zhuǎn)矩而做功，以實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。(三)、異步電機的轉(zhuǎn)速與運行狀態(tài)異步電機的轉(zhuǎn)速與運行狀態(tài)：同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差成為轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差率/10000nnnS10 00Snn，0 0Snn，異步電機有三種運行狀態(tài)三種運行狀態(tài)：1、電動狀態(tài)：電動狀態(tài)：2、發(fā)電狀態(tài)：、發(fā)電狀態(tài)：3、制動狀態(tài)、制動狀態(tài)：Sn0 0，三、三相異步電機的結(jié)構(gòu)三相異步電機的結(jié)構(gòu)： 定子，轉(zhuǎn)子，氣隙定子，轉(zhuǎn)子，氣隙。(一)定子：定子鐵芯，定子繞組，機座。1、定子鐵芯：主磁路的一部分。由0.5mm厚的硅鋼片迭壓而成。2、定子繞組：定子部分的電路。由許多線圈按一定規(guī)

8、律連接而成。3、機座：固定和支撐定子鐵芯。(二)轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組。1、轉(zhuǎn)子鐵芯：主磁路的一部分。 由0.5mm厚的硅鋼片迭壓而成。轉(zhuǎn)子繞組：鼠籠式和繞線式。1)鼠籠式：各相均由單根導(dǎo)條組成，有幾根導(dǎo)條就有幾相。一般采用注鋁轉(zhuǎn)子，銅條轉(zhuǎn)子。（小容量）；2)繞線式：是對稱三相繞組，接成星形，并接到轉(zhuǎn)軸上三個集電環(huán)上，再通過電刷與外電路接通。(三)、氣隙氣隙：中小型電機一般為0.22mm，它與電機性能關(guān)系極大。1)、氣隙大磁阻大產(chǎn)生同樣大小磁場需要較大的勵磁電流使電機的功率因數(shù)減小。2)、氣隙大可減小氣隙磁場中的諧波分量，從而減少附加損耗，改善起動性能。3)、氣隙小裝配困難和運轉(zhuǎn)不安全。 應(yīng)

9、綜合考慮。第二節(jié) 三相異步電動機的銘牌三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)額定功率額定功率：軸上輸出的機械功率。千瓦。額定電壓額定電壓：定子繞組的線電壓，伏。額定電流額定電流：電機在額定電壓和功率下，定子繞組中的線電流，安。額定頻率額定頻率：50赫。額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速：電機在額定電壓、頻率和功率下的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分。還有繞組的相數(shù)與接法，絕緣等級及允許溫升等；對繞線式轉(zhuǎn)子，還標明轉(zhuǎn)子的額定電勢及額定電流。第三節(jié) 三相異步電動機的三相異步電動機的定子繞組定子繞組z交流繞組的一些基本知識和基本量z三相單層繞組z三相雙層繞組z波繞組 定子繞組定子繞組對定子繞組的要求要求：必須保證在通以三相交流電流后，能建立必須保

10、證在通以三相交流電流后，能建立具有一定的極數(shù)，一定的大小，且波形接近于具有一定的極數(shù)，一定的大小，且波形接近于正弦波的旋轉(zhuǎn)磁場；正弦波的旋轉(zhuǎn)磁場；定子繞組分類：按相數(shù)：單相，二相，三相；按槽內(nèi)層數(shù)：單層，雙層，單雙層混合；按繞組端接部分的形狀：單層有同心式，交叉式和鏈式；雙層有迭繞組，波繞組。一、交流繞組的一些基本知識和基本量交流繞組的一些基本知識和基本量：(一)、電角度和機械角度電角度和機械角度：電角度P機械角度。(二)、線圈線圈：組成交流繞組的單元是線圈，它由一匝或多匝串聯(lián)而成，有兩個引出線，一個稱為首端，一個稱為末端。(三)、節(jié)距節(jié)距：一個線圈的兩個邊所跨定子圓周上的距離稱為節(jié)距Y1。一

11、般用槽數(shù)表示。 極距 。pZ21長距，短距整距；,111yyy(四)、槽距角槽距角：（電角度）相鄰槽之間的電角度：為定子槽數(shù)。11 360ZZP(五)、每極每相槽數(shù)每極每相槽數(shù)q： 每極下每相所占的槽數(shù)：為相數(shù)。，為定子槽數(shù)mZPmZq 211 (六)、槽電勢星形圖槽電勢星形圖：假設(shè)氣隙磁密在圓周上按正弦規(guī)律分布，轉(zhuǎn)子反時針方向旋轉(zhuǎn)定子各槽內(nèi)導(dǎo)體的感應(yīng)電勢也將隨時間按正弦規(guī)律變化。當把電樞上各槽內(nèi)導(dǎo)體按正弦規(guī)律變化的電勢分別用矢量表示時，這些矢量構(gòu)成一個輻射星形圖。各槽內(nèi)導(dǎo)體感應(yīng)電勢在時間相位上互差電角度。例如：2P4，Z24的槽電勢星形圖為： 一般說，當P和Z有最大公約數(shù)t時，則有t個重合的

12、槽電勢星形圖。1,132,143,154,1617,518,619,720,821,922,1011,2312,24ABC(七)、相帶劃分相帶劃分：每個極距內(nèi)屬于每相的槽數(shù)所占有的區(qū)域稱為相帶，用電角度表示，q相帶。二、三相單層繞組三相單層繞組：每一槽內(nèi)只有一個線圈邊，繞組的線圈數(shù)等于總槽數(shù)的一半。以Z12，2P2為例：1、極距：2、每極每相槽數(shù)：q=2槽；整距，槽，,30610y3、槽電勢星形圖：123456789101112AXBYCZ4、劃分相帶：q60度；5、組成線圈組：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12BYCZAXNS三、三相雙層繞組三相雙層繞組：有迭繞組和波繞組。

13、以2P4，Z36，雙層迭繞組為例：1、極距為9槽；2、節(jié)距：短距Y18槽；3、每極每相槽數(shù)：q3槽，20度；4、槽電勢星形圖：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、繞組連接圖(A相)：AXNSNS四、波繞組波繞組：波繞組的相帶劃分和槽號分配與迭繞組完全相同。連接規(guī)律與直流電機的波繞組相似，即將同一極性下屬于同一相的線圈按照一定次序串聯(lián)起來，組成一組；再將另一極性下屬于同一相的線圈按

14、照一定次序串聯(lián)起來，組成另一組，最后將這兩組線圈按需要串聯(lián)或并聯(lián)，構(gòu)成一相繞組。第四節(jié) 三相異步電動機的 定子磁勢及磁場z單相繞組的磁勢脈振磁勢z三相繞組的磁勢旋轉(zhuǎn)磁勢z三相異步電動機的定子磁場第四節(jié) 三相異步電動機的 定子磁勢及磁場 旋轉(zhuǎn)磁場的大小、波形及一些屬性如何？三相繞組的磁勢和磁場單相繞組的磁勢和磁場一個線圈一線圈組(q個線圈)一相繞組一、單相繞組的磁勢：脈振磁勢(一)、單個線圈的磁勢：1、性質(zhì)：線圈匝數(shù)為 ， 通以電流 ，以兩極電機為例： 在直流機中，線圈產(chǎn)生的磁勢在空間分布波形 是矩形波，周期為兩個極距，幅值等于磁力線 所包圍的全電流的一半。yNtIicos2在異步電機中，線圈產(chǎn)

15、生的磁勢在空間分布也是一個矩形波，周期為2T，幅值為 若為整距線圈，幅值為 。2 )2111yyINyINy和（yIN5 . 0用方程表示為由于電流為交流電，因而矩形波幅值隨電流變化而變化，是時間的函數(shù)，即：xyyxINyxFyxyINyxFyymyym2 2 22)(22 2)21 ()(11 1111和，tINiNtxfyyycos2221),（整距線圈矩形波的高度隨時間按正弦規(guī)律變化，變化的頻率與電流交變的頻率相同。結(jié)論：單個線圈所產(chǎn)生的磁勢在任何瞬時，其空間分布總是一個矩形波。而空間任意一點的大小是隨電流而變化的，即矩形波的高度是時間的函數(shù)。這種在空間位置不動，波幅的大小和正負隨時間而

16、變化的磁勢稱為脈振磁勢。當磁場極對數(shù)為P時，分布波的周期增加為P倍。2、磁勢的分解：引入短距系數(shù)。幾個空間位置不同，幅值變化的矩形波的疊加很不方便，將矩形波分解成基波和一系列諧波，然后分別對各次諧波進行分析，綜合考慮后可得到一相繞組的總磁勢的大小和性質(zhì)。利用付氏級數(shù)，取x為橫坐標，坐標原點在線圈的中心線上，單個線圈的磁勢分解為：2sin 2sin1 2sin2243cos2coscos)(111111321ykykFFyINFxFxFxFxfyyyyyyyyyy這里引入了短距系數(shù) 。當考慮到電流按正弦規(guī)律變化時，單個線圈所產(chǎn)生的脈振磁勢表達式為：txxINtxxINtxFtxfyyyycos3

17、cos31cos9 . 0cos3cos31cos22cos)(),（結(jié)論：交流電流通過單個線圈產(chǎn)生的矩形波磁勢包括極對數(shù)為1、2、3、等一系列諧波。整距線圈只有1、3、5奇數(shù)次諧波。諧波的幅值與電流和諧波的短距系數(shù)成正比，與諧波的次數(shù)成反比，正負取決于短距系數(shù)的正負。yvk(二)、線圈組的磁勢：引入分布系數(shù) 。構(gòu)成線圈組的每個線圈的磁勢的諧波含量和大小是完全相同的。只是在空間上錯開一個角度。因而個諧波磁勢在空間上的位置存在相位差，對基波是一個槽距角，v次諧波是v倍槽距角。用空間矢量表示，將所有矢量相加就可得v次諧波的幅值。2sin2sin9 . 02211qqkkPqINkqkPINkqFF

18、qyqyyqyqqvk磁勢性質(zhì)：線圈組磁勢也包含所有極對數(shù)為整數(shù)的諧波，幅值隨時間而脈振。仍是脈振磁勢。 1122kPINF(三)、相繞組磁勢：將構(gòu)成相繞組的各線圈組的v次諧波磁勢按其空間位移和電流方向用矢量法相加，即得到相繞組的v次諧波磁勢。1、基波磁勢：無論單層或雙層繞組，構(gòu)成相繞組的所有線圈組的基波磁勢在空間上同相位，直接相加得到相繞組基波磁勢幅值：N為每相繞組串聯(lián)總匝數(shù)。2、諧波磁勢幅值：只有3、5、7、等奇數(shù)次諧波存在，這樣，合成單相繞組的磁勢為： 為基波槽距角。kPINkPINF9 . 022tkkNIPtxFtxfcos3cos31cos 9 . 0cos)(),1311（1(四

19、)、單相繞組磁勢的性質(zhì)：1、是脈振磁勢。該磁勢沿氣隙圓周按梯形波分布，可分解為一系列諧波，每一諧波均是空間位置不變，波幅按同一頻率交變的脈振波。2、正常接法的繞組，相繞組磁勢的基波幅值必在相繞組的軸線(構(gòu)成相繞組的線圈組的中心線)上，而各高次諧波則必有一個波幅落在相繞組軸線上。3、基波磁勢幅值為：v次諧波幅值為：可見，諧波次數(shù)越高，諧波磁勢幅值越小。分布和短距均能削弱諧波。1122kPINFkPINkPINF9 . 022二、三相繞組的磁勢旋轉(zhuǎn)磁勢：在分析了單相繞組磁勢的基礎(chǔ)上，把A、B、C三個單相繞組所產(chǎn)生的磁勢波逐點相加，就可得到三相繞組的合成磁勢。這種方法麻煩。分各次諧波逐一分析：1、基

20、波：當對稱三相繞組通以對稱三相交流電流時，A、B、C三相繞組各自產(chǎn)生的脈振磁勢基波表達式為：)32cos()32cos(),()32cos()32cos(),(coscos),(111111111tFtftFtftFtfCBA利用三角公式可寫成)32cos()cos(21)32cos()cos(21)cos()cos(21111111111111ttFfttFfttFfCBA三相合成磁勢為：)cos(23),(111111tFffftxfCBA11135. 123kPINFF)cos(),(111tFtxf令則：通過0，120度，240度幾個時刻的波幅點，可分析出旋轉(zhuǎn)磁勢波幅旋轉(zhuǎn)的角速度和轉(zhuǎn)速

21、。從上邊的分析知：當某相電流達最大值，旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值就轉(zhuǎn)到該相繞組的軸線處。即基波合成磁勢的旋轉(zhuǎn)方向就是電流相序方向。三相旋轉(zhuǎn)磁勢基波的性質(zhì)： 1、旋轉(zhuǎn)磁勢，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速， 轉(zhuǎn)向與電流相序相同。 2、幅值F1不變，為各相脈振磁勢幅值的1.5倍，旋轉(zhuǎn)磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 3、某相電流達最大值時，三相基波合成磁勢幅值恰好在這一相繞組的軸線上。2、諧波磁勢：次數(shù)為5、11、17、23等的合成磁勢為轉(zhuǎn)向與基波相反的旋轉(zhuǎn)磁勢；次數(shù)為7、13、19、25等的合成磁勢為轉(zhuǎn)向與基波相同的旋轉(zhuǎn)磁勢；次數(shù)為3、9、15、21等的合成磁勢為零；諧波波長為基波的1/v，轉(zhuǎn)速為基波的1/v，極對數(shù)為vP。諧波在電機中引起附加損耗，振動和噪音等。三、三相異步電動機的定子磁場：三相對稱交流電源