現(xiàn)代車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理和控制理論 課件 1導(dǎo)論、車用三相交流感應(yīng)電機(jī)-4.2.3 三相電壓型逆變電路_第1頁
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現(xiàn)代車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理和控制理論“十四五”普通高等教育本科國家級(jí)規(guī)劃教材1導(dǎo)論目錄Contents2車用三相交流感應(yīng)電機(jī)3車用三相交流永磁同步電機(jī)4永磁同步電機(jī)控制原理5新能源汽車典型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理6車用整流和DC/DC電源技術(shù)7車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理11導(dǎo)論車用電機(jī)分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統(tǒng)和基本原理4車用電源系統(tǒng)和基本原理5車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)6車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理汽車發(fā)展史工業(yè)文明的推進(jìn)器——蒸汽車時(shí)代早期蒸汽機(jī)模型詹姆斯·瓦特(1736—1819)18世紀(jì)80年代,瓦特改良蒸汽機(jī)使人類進(jìn)入蒸汽時(shí)代。它曾推動(dòng)了機(jī)械工業(yè)甚至社會(huì)的發(fā)展,解決了大機(jī)器生產(chǎn)中最關(guān)鍵的問題,推動(dòng)了交通運(yùn)輸空前的進(jìn)步。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理汽車發(fā)展史現(xiàn)代交通的新星——電動(dòng)車時(shí)代1821年法拉第發(fā)明了第一臺(tái)電動(dòng)機(jī),這是第一臺(tái)使用電流將物體運(yùn)動(dòng)的裝置。雖然裝置簡陋,但它卻是今天世界上使用的所有電動(dòng)機(jī)的祖先。10年后法拉第又發(fā)明了第一臺(tái)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)。法拉第發(fā)電機(jī)模型邁克爾·法拉第(1791-1867)車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理汽車發(fā)展史近、現(xiàn)代交通的中流砥柱——燃油車時(shí)代19世紀(jì)70年代到90年代,德國人奧托、戴姆勒、狄塞爾先后發(fā)明了以煤氣、汽油為燃料的內(nèi)燃機(jī),引起了這一領(lǐng)域的革命性變革。汽車、內(nèi)燃機(jī)車、遠(yuǎn)洋輪船、裝甲車、飛機(jī)等工業(yè)迅速發(fā)展起來。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理汽車發(fā)展史21世紀(jì)新發(fā)展理念的產(chǎn)物——新能源汽車時(shí)代21世紀(jì)20年代,新能源汽車的崛起引領(lǐng)人類進(jìn)入清潔能源時(shí)代。它不僅推動(dòng)了汽車工業(yè)的綠色變革,解決了傳統(tǒng)汽車尾氣排放和能源依賴問題,為全球范圍內(nèi)的城市空氣污染和氣候變化問題提供了有效的解決方案。同時(shí),它也推動(dòng)了電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和充電基礎(chǔ)設(shè)施的飛速發(fā)展,為未來可持續(xù)出行和生活提供了無限可能。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理1.1.1電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹初期電動(dòng)汽車動(dòng)力系電動(dòng)汽車(EV)采用電動(dòng)機(jī)作為牽引裝置,并以化學(xué)蓄電池組、燃料電池組、超級(jí)電容器組或飛輪組作為其相應(yīng)的能源,具有零排放、效率高等特點(diǎn)。左圖為初期電動(dòng)汽車的動(dòng)力系,主要采用了電驅(qū)動(dòng)裝置和蓄電池組以替代內(nèi)燃機(jī)和燃油箱,配置較為簡單。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理1.1.1電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹通用EV結(jié)構(gòu)的概念圖示現(xiàn)代電驅(qū)動(dòng)系包括三個(gè)主要的子系統(tǒng):電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、能源子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)。1)如左圖所示,電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由車輛控制器、電力電子變換器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)輪組成。2)能源子系統(tǒng)由能源、能量管理單元和能量供給單元組成。3)輔助子系統(tǒng)由功率控制單元、車內(nèi)溫度控制單元和輔助電源組成。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理1.1.2混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹多種EV結(jié)構(gòu)形式1)左圖展示了EV(電動(dòng)汽車)不同種類的動(dòng)力結(jié)構(gòu)形式以及從內(nèi)燃機(jī)向純電系統(tǒng)過渡的演變過程。比較傳統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中電驅(qū)動(dòng)裝置替代了傳統(tǒng)車輛的內(nèi)燃機(jī),它由電動(dòng)機(jī)、離合器、變速器和差速器組成,如圖(a)所示。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理1.1.2混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系概念圖示為回收傳統(tǒng)ICE車輛中以熱形式消耗的制動(dòng)能量,常見的混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系含有一個(gè)可雙向能量流的動(dòng)力系,而另一類,則不是雙向的、就是單向能量流的動(dòng)力系。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理1.1.2混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分類(a)串聯(lián)式(電耦合)(b)并聯(lián)式(機(jī)械耦合)(c)混聯(lián)式(機(jī)械與電氣耦合)(d)復(fù)合式(機(jī)械和電氣的耦合)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車傳統(tǒng)意義上可分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種形式。后續(xù)出現(xiàn)了混聯(lián)式和復(fù)合式等新結(jié)構(gòu)。如圖a、b、c、d所示。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理11導(dǎo)論車用電機(jī)分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統(tǒng)和基本原理4車用電源系統(tǒng)和基本原理5車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)6車用電機(jī)分類和基本特征目前,車用電機(jī)主要分為感應(yīng)電機(jī)(異步電機(jī))、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)三種形式。車用電機(jī)分類和基本特征1.2.1直流電機(jī)直流電機(jī)物理模型圖直流電機(jī)橫剖面示意圖1)直流電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成,物理模型如左圖所示。2)直流電機(jī)定子由主磁極、換向極機(jī)座、電刷裝置組成,轉(zhuǎn)子則包含電樞鐵芯、電樞繞組、換向器和轉(zhuǎn)軸等部件,如右圖所示。車用電機(jī)分類和基本特征1.2.2感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1)感應(yīng)電機(jī)也稱“異步電機(jī)”,具體結(jié)構(gòu)如左圖所示,其主要結(jié)構(gòu)分為定子和轉(zhuǎn)子。2)感應(yīng)電機(jī)其轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之間存在一定的轉(zhuǎn)差率,因此其調(diào)速性能相對較差。車用電機(jī)分類和基本特征1.2.3永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1、永磁同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)類似,但轉(zhuǎn)子部分主要由永磁體和導(dǎo)磁部件構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如左圖所示。2、與感應(yīng)電機(jī)相比,永磁同步電機(jī)無需無功勵(lì)磁電流,功率因素顯著提升。在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗。車用電機(jī)分類和基本特征1.2.4開關(guān)磁阻電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單,其定子和轉(zhuǎn)子形成雙凸極結(jié)構(gòu),且轉(zhuǎn)子上沒有繞組,而定子裝有簡單的集中繞組,具體結(jié)構(gòu)如左圖所示。開關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲,這成為制約其發(fā)展的重要因素。車用電力電子器件和基本特性(c)Power-MOSFET(a)GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)(b)BJT(雙極型晶體管)電力電子技術(shù)常用器件常見車用電力電子器件如上圖所示。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理11導(dǎo)論車用電機(jī)分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統(tǒng)和基本原理4車用電源系統(tǒng)和基本原理5車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)6車用電力電子器件和基本特性1.3.1MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和工作原理(a)多種N溝道增強(qiáng)型MOSFET的基本結(jié)構(gòu)(b)N溝道增強(qiáng)型MOSFET的縱向剖面圖(c)N溝道耗盡型MOSFET的縱向剖面圖基本結(jié)構(gòu):圖(a)為N溝道增強(qiáng)型MOSFET的基本結(jié)構(gòu)。場效應(yīng)管常常采用縱向剖面圖展示其結(jié)構(gòu),如圖(b)所示。N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型相似,如圖(c)所示。車用電力電子器件和基本特性1.3.1MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和工作原理(a)P溝道增強(qiáng)型MOSFET的縱向剖面圖(b)P溝道耗盡型MOSFET的縱向剖面圖基本結(jié)構(gòu)P型MOS管也分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種,如圖(a)和圖(b)所示。上述四種MOS管中,最常用的車用電力電子器件MOSFET多為N溝道增強(qiáng)型MOS管。車用電力電子器件和基本特性1.3.1MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理:VGS<Vth,沒有導(dǎo)電溝道時(shí)(a)VGS=0,N溝道增強(qiáng)型MOSFET的基本工作原理(b)VGS<0,N溝道增強(qiáng)型MOSFET的基本工作原理如圖(a)所示,當(dāng)柵極與源極短接(即VGS=0),P型襯底會(huì)與源極和漏極形成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)二極管。在柵極和源極之間加一個(gè)正電壓VGG,如圖(b)所示。即柵源電壓VGS等于VGG。由于絕緣層的存在,此電壓會(huì)在柵極和襯底之間形成一個(gè)電場。車用電力電子器件和基本特性1.3.1MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理:

VGS≥Vth,出現(xiàn)導(dǎo)電溝道時(shí)(a)VGS較小時(shí),N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作示意圖(c)VGS≥Vth時(shí),N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作示意圖(b)VGS增大到一定程度時(shí),N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作示意圖VGS≥Vth,N溝道增強(qiáng)型MOSFET的基本工作原理逐漸增大柵源極電壓,電場將逐漸增強(qiáng),如圖(a)所示。當(dāng)柵源極電壓增大到一定程度時(shí),在電場力作用下,半導(dǎo)體中會(huì)出現(xiàn)明顯的變化,如圖(b)所示。形成的N型層,即導(dǎo)電溝道,也叫做感生溝道,如圖(c)所示。車用電力電子器件和基本特性1.3.1MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和工作原理vGS≥Vth,vDS>0,vGD>Vth時(shí),N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作示意圖在漏極和源極之間加入電壓VDD,即漏源電壓VDS=VDD。溝道從源極到漏極有一定的電位梯度,如左圖所示,電位從源極到漏極逐漸升高。車用電力電子器件和基本特性1.3.2MOSFET的基本特性MOSFET的轉(zhuǎn)移特性輸出特性可以分為三個(gè)區(qū)域:截止區(qū)、可變電阻區(qū)和飽和區(qū)。轉(zhuǎn)移特性表示了電力MOSFET的放大功率。不同柵源電壓下N溝道增強(qiáng)型MOSFET的輸出特性曲線輸出特性:轉(zhuǎn)移特性:車用電力電子器件和基本特性1.3.2MOSFET的基本特性(a)平面柵MOSFET(b)溝槽柵MOSFET垂直導(dǎo)電型MOSFET垂直導(dǎo)電型MOSFET包括平面柵MOSFET和溝槽型MOSFET兩種結(jié)構(gòu)。兩者均為垂直安裝漏極,電流自底部漏極垂直向上流動(dòng)。相同電壓等級(jí)下,SiC材料的MOSFET比Si材料MOSFET的厚度薄很多,并且顯著降低了正向壓降以及導(dǎo)通損耗。車用電力電子器件和基本特性1.3.3IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖IGBT的電路符號(hào)基本結(jié)構(gòu):結(jié)構(gòu)上IGBT和垂直導(dǎo)電型MOSFET的結(jié)構(gòu)非常相似,即在靠近集電極C處的N+型高摻雜區(qū)域下方添加了P+型高摻雜集電區(qū)域。阻斷原理:IGBT結(jié)構(gòu)剖面圖車用電力電子器件和基本特性1.3.3IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理正向阻斷:當(dāng)IGBT集電極加正向偏置電壓,發(fā)射極與柵極短路接地,IGBT處于正向阻斷模式。此時(shí)J1結(jié)正偏,J2結(jié)反偏。反向阻斷:當(dāng)IGBT集電極加反向偏置電壓,發(fā)射極與柵極短路接地,IGBT處于反向阻斷模式,此時(shí)J1結(jié)反偏,J2結(jié)正偏。車用電力電子器件和基本特性1.3.3IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT結(jié)構(gòu)剖面圖導(dǎo)通原理正向?qū)ǎ寒?dāng)IGBT集電極加正向偏置電壓,發(fā)射極接地或者加反向偏置電壓,柵電壓大于IGBT內(nèi)部MOSFET的閾值電壓,即VGE≥VTH,VCE>0時(shí),IGBT處于正向?qū)J?。車用電力電子器件和基本特?.3.4IGBT的基本特性不同柵源電壓下N溝道增強(qiáng)型IGBT的輸出特性曲線基本特性輸出特性:IGBT的輸出特性通常表示為在不同柵極-發(fā)射極電壓VGE下,漏極電流iC和集電極-發(fā)射極電壓VGE之間的關(guān)系曲線,如左圖所示。IGBT的輸出特性可以分為三個(gè)區(qū)域:正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。車用電力電子器件和基本特性1.3.4IGBT的基本特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性基本特性:1、IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指在集射極電壓vCE一定時(shí),集電極電流iC與柵射極電壓vGE之間的關(guān)系。2、IGBT的轉(zhuǎn)移特性與電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性大致相同,如左圖所示。車用電力電子器件和基本特性1.3.4IGBT的基本特性有源逆變電路舉例變頻電路有“交-交”變頻和“交-直-交”變頻兩種形式?!敖?直-交變頻”電路的核心部分就是逆變電路。如左圖所示為有源逆變電路示例。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理11導(dǎo)論車用電機(jī)分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統(tǒng)和基本原理4車用電源系統(tǒng)和基本原理5車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)6車用逆變系統(tǒng)和基本原理1.4.1逆變電路的基本原理(a)單相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)(b)單相橋式逆變電路電壓電流波形逆變電路及其波形舉例1)逆變電路組成如圖(a)所示,S1~S4是由電力電子器件及其輔助電路組成的四個(gè)開關(guān)(如MOSFET或IGBT),它們組成了橋式電路的4個(gè)臂。2)逆變電路原理如圖(b)所示。改變兩組開關(guān)的切換頻率,即可改變輸出交流電的頻率?;驹恚很囉媚孀兿到y(tǒng)和基本原理1.4.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路示例1)電壓型逆變電路如左圖所示。2)電壓型逆變電路特點(diǎn):(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容,電壓基本無脈動(dòng);(2)輸出電壓為矩形波,輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同;(3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無功。電壓型逆變電路主要應(yīng)用于各種直流電源。車用逆變系統(tǒng)和基本原理1.4.3電流型逆變電路三相電流型全橋逆變電路示例1)電流型逆變電路如左圖所示?;竟ぷ鞣绞綖椋好總€(gè)橋臂一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通120°,按照S1~S6的順序每60°依次導(dǎo)通。2)電流型逆變電路主要用于中大功率交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng),也可以用于驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理11導(dǎo)論車用電機(jī)分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統(tǒng)和基本原理4車用電源系統(tǒng)和基本原理5車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)6車用電源系統(tǒng)和基本原理1.5.1車用電源系統(tǒng)組成電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理1)電動(dòng)汽車低壓電氣系統(tǒng)主要由DC/DC功率變換器、輔助蓄電池和若干低壓電器設(shè)備組成。2)整車網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的大腦,主要組成部分包括控制器網(wǎng)絡(luò)(CAN)、車載通訊系統(tǒng)和各類電子控制單元(ECU)。車用電源系統(tǒng)和基本原理1.5.2車用電力電子設(shè)備車載充電機(jī)DC-DC變換器類型配電系統(tǒng)1)車載充電機(jī)由輸入端口、控制單元、功率單元、低壓輔助單元和輸出端口組成。2)DC-DC電源包括線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。3)配電系統(tǒng)分為高壓配電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)。常見的車用電力電子設(shè)備包括:車載充電機(jī)、DCDC變換器、配電系統(tǒng)等。車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理11導(dǎo)論車用電機(jī)分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統(tǒng)和基本原理4車用電源系統(tǒng)和基本原理5車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)6車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)1.6.1車載儲(chǔ)能系統(tǒng)車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)1.6.1車載儲(chǔ)能系統(tǒng)車載儲(chǔ)能系統(tǒng)目前面臨的挑戰(zhàn)有:(1)能量密度;(2)成本;(3)安全性;(4)循環(huán)壽命等。車載儲(chǔ)能系統(tǒng)未來發(fā)展前景有:(1)新型電池技術(shù);(2)智能化管理系統(tǒng);(3)回收和再利用;(4)多能源融合等。車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)1.6.2電池管理系統(tǒng)1)電池管理系統(tǒng)(BMS)是電池組的核心管理機(jī)構(gòu),其主要功能是確保電池的安全、可靠和高效運(yùn)行,如左圖所示。2)電池管理系統(tǒng)的目標(biāo)是優(yōu)化電池組的性能,延長電池壽命和確保使用安全。車用儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理技術(shù)1.6.3多動(dòng)力系統(tǒng)能量管理多動(dòng)力系統(tǒng)(HPS)能量管理是在多個(gè)能源之間進(jìn)行協(xié)調(diào)、優(yōu)化和控制,以實(shí)現(xiàn)高效、可靠和經(jīng)濟(jì)的能源利用。交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理12車用三相交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢3交流感應(yīng)電機(jī)繞組的磁動(dòng)勢4交流感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性5交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性6交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.1交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)感應(yīng)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、氣隙三部分組成。定子:感應(yīng)電機(jī)中的靜止部件轉(zhuǎn)子:感應(yīng)電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)部件氣隙:定子、轉(zhuǎn)子之間的間隙,電機(jī)能量主要儲(chǔ)存于氣隙之中。感應(yīng)電機(jī)具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、穩(wěn)定性好和動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)勢,因此在電動(dòng)汽車領(lǐng)域倍受青睞。交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.1交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)(a)梨形槽(b)平底槽梨形槽和平底槽是感應(yīng)電機(jī)中常用的兩種槽形,兩者最大的區(qū)別于槽底形狀的不同。定子繞組通常為三相對稱分布,每個(gè)相位的繞組均勻地分布在定子鐵芯的槽中。每相繞組相隔120°電角度。定子槽型定子繞組定子實(shí)物圖深海異步電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.1交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與定子繞組相似,繞線型轉(zhuǎn)子槽內(nèi)同樣嵌有絕緣線圈組成的三相繞組。繞組通過集電環(huán)和電刷連接到外部電路。鼠籠式轉(zhuǎn)子繞線式轉(zhuǎn)子鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組通常采用鋁或銅制成。鼠籠由多個(gè)平行的導(dǎo)體條組成,導(dǎo)體條之間通過短路環(huán)連接起來,形成閉合的回路。轉(zhuǎn)子硅鋼片示意圖轉(zhuǎn)子實(shí)物圖交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.2三相交流感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行原理額定功率(PN):指電動(dòng)機(jī)在額定方式下運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率。單位為W和kW。額定電壓(UN):指電動(dòng)機(jī)在額定方式下運(yùn)行時(shí),定子繞組應(yīng)加的線電壓。單位為V和kV。額定電流(IN):指電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定功率狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),流入定子繞組的線電流。單位為A。額定頻率(fN):額定狀態(tài)下電源的交變頻率,我國的電網(wǎng)頻率為50Hz。額定轉(zhuǎn)速(nN):指在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。單位為rpm。其他:功率因數(shù)、相數(shù)、接線法、防護(hù)等級(jí)、絕緣等級(jí)與溫升、工作方式等項(xiàng)目。異步電機(jī)銘牌異步電機(jī)銘牌交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.2三相交流感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行原理當(dāng)感應(yīng)電機(jī)定子繞組接到三相電源上時(shí),定子繞組中將流過三相對稱電流;氣隙中將建立基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢,從而產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場;這個(gè)基波旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢;感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是閉合的,感應(yīng)電動(dòng)勢在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的電流;該感應(yīng)電流與氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩;電機(jī)運(yùn)行示意圖深海異步電機(jī)當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與空載轉(zhuǎn)矩之和時(shí),電機(jī)起動(dòng);電機(jī)轉(zhuǎn)速上升,旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組相對運(yùn)動(dòng)速度減小,則轉(zhuǎn)子繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢減小,相應(yīng)的電流減??;當(dāng)

轉(zhuǎn)矩平衡時(shí),電機(jī)在該轉(zhuǎn)速下勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.2三相交流感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行原理交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.2三相交流感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行原理由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度

n恒小于同步轉(zhuǎn)速

ns,因此把這種電動(dòng)機(jī)稱為異步電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)速差

ns?n與同步轉(zhuǎn)速

ns的比值稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率,用

s表示。感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下轉(zhuǎn)差率感應(yīng)電勢電流磁場輸入電功率轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩機(jī)械功率負(fù)載平衡式中,f1為定子繞組電流頻率,p表示電機(jī)極對數(shù)。

轉(zhuǎn)差率是決定感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要變量;

感應(yīng)電機(jī)的負(fù)載情況發(fā)生變化;

轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電動(dòng)勢電流和電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變化;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率隨之變化。轉(zhuǎn)差率示意圖交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.2三相交流感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行原理電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速

0<n<n10<s<1發(fā)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速n>n1s<0電磁制動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速反向n<

0s>

1交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.3交流感應(yīng)電機(jī)的基本方程定子電壓方程:

轉(zhuǎn)子電壓方程:式中,N2為轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù),kw2為轉(zhuǎn)子基波繞組因數(shù),Φm為感應(yīng)電機(jī)主磁通。

交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.3交流感應(yīng)電機(jī)的基本方程轉(zhuǎn)子銅耗鐵耗定子銅耗機(jī)械功率輸入功率在空載工況時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)差率s接近于0,轉(zhuǎn)子相當(dāng)于開路,此時(shí)電流幾乎都是激磁電流。在負(fù)載工況時(shí),定子的電流和漏抗壓降增大,E1和主磁通比空載工況略小。感應(yīng)電機(jī)的等效電路圖感應(yīng)電機(jī)的相量圖輸出功率四相量構(gòu)成的多邊形表示了定子電壓關(guān)系;直角三角形代表轉(zhuǎn)子電壓平衡關(guān)系;三個(gè)相量構(gòu)成的平行四邊形代表磁動(dòng)勢的平衡關(guān)系。交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.3交流感應(yīng)電機(jī)的基本方程從電源輸入的電功率為:定子銅損耗:鐵損耗:定轉(zhuǎn)子傳輸?shù)碾姶殴β剩?/p>

從等效電路可知。電磁功率Pe為:轉(zhuǎn)子繞組銅耗:輸出總機(jī)械功率:電機(jī)等效功率圖傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率Pe中,s部分變成轉(zhuǎn)子銅耗PCu2,(1-s)部分轉(zhuǎn)換成總機(jī)械功率PΩ

。

交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理2.1.3交流感應(yīng)電機(jī)的基本方程上述轉(zhuǎn)子輸出功率方程除以機(jī)械角度Ω,

可以得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩方程式中,

Te為電磁轉(zhuǎn)矩,T0為與機(jī)械損耗和雜散損耗相對應(yīng)的阻力轉(zhuǎn)矩,若忽略雜散損耗,其可代表為空載轉(zhuǎn)矩,

T2為電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過整理得電磁轉(zhuǎn)矩、空載轉(zhuǎn)矩及輸出轉(zhuǎn)矩可分別表示為由于總機(jī)械功率PΩ=(1-s)Pe,轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度Ω=(1-s)Ωs,所以電磁轉(zhuǎn)矩Te就等于考慮到電磁功率:交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理12車用三相交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢3交流感應(yīng)電機(jī)繞組的磁動(dòng)勢4交流感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性5交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性6交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2.2.1感應(yīng)電機(jī)繞組的基本參數(shù)槽距角α:相鄰兩槽之間的機(jī)械角度。,Z為電機(jī)槽數(shù)。槽距電角α1:相鄰兩槽之間的電角度。極距τ:一個(gè)極在定子圓周上所跨的距離。,p為極對數(shù)。每極每相槽數(shù)q:整個(gè)電機(jī)定子中每相在每個(gè)極下占有的槽數(shù)。,m為相數(shù)。電機(jī)等效功率圖繞組匝數(shù)和線徑?jīng)Q定電機(jī)的電壓、電流容量及電阻,影響電機(jī)的電動(dòng)勢、轉(zhuǎn)矩和效率;繞組類型和布局(如星形或三角形連接)影響磁場分布、啟動(dòng)特性和運(yùn)行平穩(wěn)性;槽數(shù)和相數(shù)則影響磁場波形、效率、噪音和電機(jī)平穩(wěn)性;節(jié)距設(shè)計(jì)影響電磁性能和轉(zhuǎn)矩波動(dòng);材料選擇影響導(dǎo)電性能和散熱能力。交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2.2.1感應(yīng)電機(jī)繞組的基本參數(shù)合成電動(dòng)勢與合成磁動(dòng)勢的波形要接近于正弦波形且幅值大。三相繞組的布置均勻,確保磁場的對稱性,電阻、電抗平衡。繞組的匝數(shù)和線徑需要根據(jù)電機(jī)的額定電壓和電流進(jìn)行設(shè)計(jì),用銅量最省,降低銅耗。絕緣根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì),機(jī)械強(qiáng)度、散熱良好,制造簡便。交流感應(yīng)電機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的旋轉(zhuǎn)電機(jī),其利用交流電在繞組中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場來驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn),構(gòu)成原則如下:123456789101112131415161718262523242221201927282930313233353436ABC123456789101112131415161718262523242221201927282930313233353436AXBZYC定子圓周三等分,把每一等分中的導(dǎo)體正向串聯(lián),形成一相。相帶定子圓周六等分,把每一等分中的導(dǎo)體正向串聯(lián),形成一個(gè)線圈組。把兩個(gè)相差180o電角度的線圈組反向串聯(lián),形成一相。120°相帶60°相帶交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2.2.2三相單層繞組三相單層繞組示意圖單層繞組在每個(gè)定子槽內(nèi)只放置一層線圈,整個(gè)繞組的線圈數(shù)等于總槽數(shù)的一半。優(yōu)點(diǎn):單層繞組的結(jié)構(gòu)相對簡單,制造工藝容易,生產(chǎn)和維護(hù)都比較方便;改善電機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)散熱,提高散熱性能;整體重量也會(huì)相對較輕,適用于某些需要輕量化的應(yīng)用場合。缺點(diǎn):單層繞組的電磁性能相對較差,電機(jī)的效率和功率因數(shù)較低;磁場分布不如雙層繞組均勻,導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)性能不穩(wěn)定,出現(xiàn)振動(dòng)和噪音的問題;單層繞組的電流密度較高,繞組溫升增加,對絕緣材料和繞組的壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響。A相單層同心式繞組展開圖交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2.2.2三相單層繞組相帶AZBXCY槽號(hào)23,2423,45,67,89,1011,1213,1415,1617,1819,2021,22三相二極24槽電機(jī)槽號(hào)排列表以三相二極24槽的定子同心式繞組為例,其繞組由不同節(jié)距的同心線圈組成。按照最大電動(dòng)勢原則,將定子可以分為6個(gè)相帶,每個(gè)相帶內(nèi)有四個(gè)槽。根據(jù)表內(nèi)的槽號(hào)畫出三相二極24槽的A相繞組展開圖,1?12相連,組成一個(gè)大線圈,2?11相連,組成一個(gè)小線圈,即可得到一個(gè)同心式線圈組。同心式繞組主要用于兩極的小型感應(yīng)電機(jī),端部重疊層數(shù)少,便于散熱。單層繞組常用的線圈組合還有鏈?zhǔn)嚼@組和交叉式繞組,鏈?zhǔn)嚼@組容易大批量生產(chǎn),但缺陷為繞組端部較長,電磁性能一般。交叉式繞組各方面性能均較優(yōu)秀,使其生產(chǎn)成本較高,工藝較難,且因其特殊結(jié)構(gòu),散熱條件較差。交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2.2.3三相雙層繞組三相交流感應(yīng)電機(jī)雙層繞組是指在電機(jī)的定子鐵芯的每個(gè)槽中放置兩層線圈,通過層間絕緣將兩個(gè)線圈分隔開。優(yōu)點(diǎn):雙層繞組的電磁性能較好,可以提供較高的效率和更好的功率因數(shù);雙層繞組能夠?qū)崿F(xiàn)更均勻的磁場分布,減少電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪音,從而提高電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性;雙層繞組在設(shè)計(jì)上可以更好地控制漏磁通和漏抗,提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和過載能力。缺點(diǎn):雙層繞組的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,制造工藝要求高,生產(chǎn)成本較高;繞組層數(shù)增加,電機(jī)的尺寸和重量也相應(yīng)增加,這可能對某些需要輕量化和緊湊設(shè)計(jì)的應(yīng)用場合不利;雙層繞組的散熱性能相對單層繞組較差,尤其是在高功率電機(jī)中,散熱問題更為突出,容易導(dǎo)致繞組溫升過高。相帶AZBXCY槽號(hào)(第一對極下)1、23、45、67、89、1011、1213、1415、1617、1819、2021、2223、24槽號(hào)(第二對極下)25、2627、2829、3031、3233、3435、3637、3839、4041、4243、4445、4647、48相帶AZBXCY三相四極48槽電機(jī)槽號(hào)排列表交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2.2.3三相雙層繞組相帶及其劃分:以A相為例,由于q=4,故每個(gè)極下A相應(yīng)有四個(gè)槽,整個(gè)定子中A相共有16個(gè)槽。把屬于同一相帶內(nèi)的1、2、3、4這四個(gè)槽中的線圈串聯(lián)起來所組成的線圈組,稱為極相組。1、2、3、4四個(gè)槽為相鄰槽,槽內(nèi)相量參數(shù)間的夾角最小,故串聯(lián)以后極相組的合成電動(dòng)勢為最大。繞組接線:上層線圈用實(shí)線表示,下層線圈用虛線表示,每個(gè)線圈都由一根實(shí)線一根虛線組成,線圈頂部的號(hào)碼表示線圈號(hào)。由于線圈的極距為12,節(jié)距為10,所以1號(hào)線圈的一條線圈邊嵌放在1號(hào)槽上層時(shí),另一條線圈邊應(yīng)在11號(hào)槽的下層,其他同理。三相雙層疊繞式繞組接線示意圖三相雙層疊繞式繞組示意圖交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理12車用三相交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢3交流感應(yīng)電機(jī)繞組的磁動(dòng)勢4交流感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性5交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性6交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢2.3.1導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的描述,揭示了電動(dòng)勢的產(chǎn)生與磁場變化之間的關(guān)系。導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢可以通過幾種不同的方式產(chǎn)生:移動(dòng)導(dǎo)體:導(dǎo)體在磁場中移動(dòng)時(shí),導(dǎo)體切割磁場線,導(dǎo)致導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢;變化磁場:穿過導(dǎo)體的磁場強(qiáng)度隨時(shí)間變化時(shí),即便導(dǎo)體靜止不動(dòng),也會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢;變化面積:如果導(dǎo)體回路的面積在磁場中變化,即使磁場強(qiáng)度保持不變,也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢;變化方向:當(dāng)導(dǎo)體相對于磁場的方向改變時(shí),也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。磁場變化示意圖交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢2.3.1導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢對于正弦波磁感應(yīng)強(qiáng)度,每極磁通所以有聯(lián)立以上公式可得當(dāng)電機(jī)以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí),導(dǎo)體中電動(dòng)勢有效值為Bm1為磁感應(yīng)強(qiáng)度的基波幅值,而對于有p對磁極的電機(jī),轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周,任一導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢就交變p次,因此導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢的電頻率為交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢2.3.1導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢導(dǎo)體電動(dòng)勢星形圖以四極36槽三相雙層繞組感應(yīng)電機(jī)為例1號(hào)導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢為相量1,2號(hào)導(dǎo)體和1號(hào)導(dǎo)體電動(dòng)勢相位差20°,磁場的方向決定超前還是滯后,現(xiàn)假定為滯后,3號(hào)導(dǎo)體電動(dòng)勢再滯后20°,依次畫出一對極下18個(gè)槽導(dǎo)體的電動(dòng)勢相量。19號(hào)槽與1號(hào)槽空間差一對極,空間電角度相差360°,故電動(dòng)勢相位差360°,因此1相量和19相量重合。通過星行圖,可以直觀地看到各相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢的相位差和幅值分布。分析電機(jī)的平衡情況、相間電壓、相位差等關(guān)鍵參數(shù),確保電機(jī)在運(yùn)行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)對稱平衡的三相系統(tǒng),從而提高電機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢2.3.2線圈的電動(dòng)勢與節(jié)距因數(shù)

當(dāng)線圈節(jié)距為y1時(shí),線圈兩邊導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢相位差為匝電動(dòng)勢線圈當(dāng)y1=τ

時(shí),線匝為整距ky1為線圈的短距系數(shù)交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢2.3.2線圈的電動(dòng)勢與節(jié)距因數(shù)下圖為一個(gè)短距線圈的兩個(gè)導(dǎo)體電動(dòng)勢的相量關(guān)系式中,Kp1是節(jié)距因數(shù)。匝電動(dòng)勢相量圖當(dāng)一個(gè)線圈有Nc匝時(shí),該線圈的基波感應(yīng)電動(dòng)勢為當(dāng)線圈為整距時(shí),節(jié)距y1=τ,電動(dòng)勢相位差為180°,此時(shí)節(jié)距因數(shù)Kp1=sin90°=1,線圈基波電動(dòng)勢為最大值。若線圈節(jié)距y1

≠τ時(shí),

Kp1<1,即線圈電動(dòng)勢將減小到Kp1倍。因此,節(jié)距因數(shù)代表線圈短距后感應(yīng)電動(dòng)勢與整距時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢的比值。交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢2.3.3分布繞組的電動(dòng)勢與分布因數(shù)電動(dòng)勢矢量和如圖所示,q個(gè)線圈串聯(lián)的電動(dòng)勢矢量和為q個(gè)相量可視作正多邊形的一部分,作正多邊形的外接圓,并以R表示外接圓的半徑,可得線圈組電動(dòng)勢為且線圈電動(dòng)勢Ey1為聯(lián)立上式可得交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢2.3.3分布繞組的電動(dòng)勢與分布因數(shù)上式表明當(dāng)繞組為集中式時(shí),分布因數(shù)為1;當(dāng)繞組為分布式時(shí),分布因數(shù)總是小于1,這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的磁動(dòng)勢波形畸變,降低電機(jī)的效率和性能。在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí),通常會(huì)優(yōu)化繞組布局,提高分布因數(shù),減少波形的畸變。三相交流感應(yīng)電機(jī)的分布因數(shù),是指繞組中每個(gè)匝數(shù)所受到磁通量的影響,其決定了磁通量在繞組中的分布。與理想的集中繞組相比,其產(chǎn)生的磁動(dòng)勢波形會(huì)有所不同。分布式繞組集中式繞組交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢2.3.4相電動(dòng)勢和線電動(dòng)勢相電動(dòng)勢是指電機(jī)單個(gè)繞組兩端的電壓。在三相系統(tǒng)中,有三個(gè)相電動(dòng)勢,彼此之間存在120°的相位差。線電動(dòng)勢是指連接電機(jī)與電源之間兩條線之間的電壓。

故得線電動(dòng)勢為分布式繞組電動(dòng)勢在三相系統(tǒng)中,有三個(gè)線電動(dòng)勢,彼此之間同樣存在120°的相位差。交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢2.3.4相電動(dòng)勢和線電動(dòng)勢通常稱節(jié)距系數(shù)與分布系數(shù)的乘積為基波繞組系數(shù),表示考慮短距與分布影響時(shí),線圈組電動(dòng)勢的修正系數(shù),即由電路原理可知,每一并聯(lián)支路電動(dòng)勢相等,而每一支路所串聯(lián)的線圈組電動(dòng)勢都是同大小、同相位,故相電動(dòng)勢有效值為式中,Na為每相串聯(lián)匝數(shù),Nc為每個(gè)線圈的匝數(shù)。由于線圈是每極下一個(gè)相帶q個(gè)線圈串聯(lián)構(gòu)成,所以線圈組也稱為極相組。若電機(jī)每相繞組有a條并聯(lián)支路,相電動(dòng)勢可表示為若干個(gè)線圈組串聯(lián)為一相,因線圈組之間感應(yīng)電動(dòng)勢沒有相位差,因此,只需要將Eq1再乘以串聯(lián)組數(shù)即可得到相電動(dòng)勢。交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理12車用三相交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢3交流感應(yīng)電機(jī)繞組的磁動(dòng)勢4交流感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性5交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性6交流感應(yīng)電機(jī)繞組磁動(dòng)勢2.4.1線圈磁動(dòng)勢1、整距線圈的脈振磁動(dòng)勢(以p=1,q=1為例)整距線圈脈振磁動(dòng)勢整距線圈磁動(dòng)勢分布當(dāng)線圈電流為時(shí),以A、X軸線為中心為例,當(dāng)繞組中某點(diǎn)的位置確定時(shí),其波幅的大小和方向隨時(shí)間變化的磁動(dòng)勢稱為脈振磁動(dòng)勢。整距線圈的基波磁動(dòng)勢幅值交流感應(yīng)電機(jī)繞組磁動(dòng)勢2.4.1線圈磁動(dòng)勢2、短距線圈的脈振磁動(dòng)勢(以極距τ,節(jié)距y1為例)短距線圈脈振磁動(dòng)勢短距線圈磁動(dòng)勢分布短距線圈磁動(dòng)勢波形幅值與整距線圈相同,但在分布上需乘以基波的節(jié)距因數(shù)kp1,kp1的表達(dá)式與計(jì)算電動(dòng)勢時(shí)相同。以線圈軸線處作為坐標(biāo)原點(diǎn)短距線圈的基波磁動(dòng)勢幅值交流感應(yīng)電機(jī)繞組磁動(dòng)勢2.4.2分布繞組磁動(dòng)勢1、整距分布繞組磁動(dòng)勢(以q=3為例)將三個(gè)矩形波合成,得到一個(gè)階梯形波,合成磁動(dòng)勢如圖中粗紅線所示。將這三個(gè)線圈的基波磁動(dòng)勢逐點(diǎn)疊加,即可得到極相組的基波合成磁動(dòng)勢。分布線圈基波磁動(dòng)勢的合成與基波電動(dòng)勢的合成相似。為了考慮線圈分布的影響,需要引入基波分布因數(shù)kd1。單個(gè)整距線圈矩形波q個(gè)整距線圈階梯波幅值相同空間相差α電角度單層整距分布繞組基波合成磁動(dòng)勢整距分布繞組磁動(dòng)勢圖(a)圖(b)圖(c)交流感應(yīng)電機(jī)繞組磁動(dòng)勢2.4.2分布繞組磁動(dòng)勢2、短距分布繞組磁動(dòng)勢(以q=3、y1=8、τ=9為例)由于線圈為短距分布繞組,故屬于同一相的上層導(dǎo)體和下層導(dǎo)體之間會(huì)錯(cuò)開ε角,此ε角就是短距線圈的節(jié)距比整距時(shí)線圈節(jié)距縮短的電角度。在計(jì)算基波磁動(dòng)勢的幅值時(shí),對于短距繞組,需要引入基波的節(jié)距因數(shù)kp1來準(zhǔn)確反映其影響;對于分布繞組,則必須考慮基波分布因數(shù)kd1的影響。kw1為基波磁動(dòng)勢的繞組因數(shù)kw1=kd1kp1雙層短距分布繞組基波磁動(dòng)勢短距分布繞組磁動(dòng)勢交流感應(yīng)電機(jī)繞組磁動(dòng)勢2.4.3單相繞組磁動(dòng)勢前面已經(jīng)推導(dǎo)出雙層短距分布繞組的基波磁動(dòng)勢fq1,單相繞組基波磁動(dòng)勢與其相等,即1、單相繞組基波磁動(dòng)勢2、單相繞組諧波磁動(dòng)勢整距線圈所產(chǎn)生的矩形磁動(dòng)勢波中,除基波磁動(dòng)勢外,還有一系列奇次的高次空間諧波磁動(dòng)勢。按照對基波磁動(dòng)勢相同的處理方法,把q個(gè)線圈以及雙層繞組上、下層線圈所產(chǎn)生的同次諧波磁動(dòng)勢疊加。單相繞組基波磁動(dòng)勢通入電流v次諧波分量諧波磁動(dòng)勢交流感應(yīng)電機(jī)繞組磁動(dòng)勢2.4.4三相繞組合成磁動(dòng)勢在三相繞組中通以對稱的正序電流:各相的基波磁動(dòng)勢分別為將A、B、C三相的基波脈振磁動(dòng)勢疊加,得:利用積化和差將將三相磁動(dòng)勢相加得其中1、三相繞組基波合成磁動(dòng)勢交流感應(yīng)電機(jī)繞組磁動(dòng)勢2.4.4三相繞組合成磁動(dòng)勢2、三相繞組合成磁動(dòng)勢高次諧波同理,把A、B、C三相繞組所產(chǎn)生的v次諧波磁動(dòng)勢相加,可得三相的ν次諧波合成磁動(dòng)勢fv(θs,t)為(1)當(dāng)v=3k(k=1,3,5,…),也即v=3,9,15,…時(shí)(2)當(dāng)v=6k+1(k=1,2,3,…),也即v=7,13,19,…時(shí)(3)當(dāng)v=6k?1(k=1,2,3,…),也即v=5,11,17,…時(shí)這說明對稱三相繞組的合成磁動(dòng)勢中,不存在3次及3的倍數(shù)次諧波磁動(dòng)勢。此時(shí)諧波合成磁動(dòng)勢是一個(gè)正向旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速為ns

/v、幅值為的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢波。此時(shí)諧波合成磁動(dòng)勢是一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速為ns

/v、幅值為的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢波。交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理12車用三相交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢3交流感應(yīng)電機(jī)繞組的磁動(dòng)勢4交流感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性5交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性6交流感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性2.5.1三相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率特性T=f(s)稱為異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線,簡稱T-s曲線,又稱為機(jī)械特性曲線,它是異步電動(dòng)機(jī)最主要的特性。異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式描述了電磁轉(zhuǎn)矩與主磁通、轉(zhuǎn)子有功電流的關(guān)系。電磁轉(zhuǎn)矩為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢為,考慮到,于是:式中,

m、I2

和cosφ2都是轉(zhuǎn)差率s的函數(shù),故可定性分析出機(jī)械特性曲線的大致形狀。交流感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性2.5.1三相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率特性電磁功率:其中:s>1時(shí),電機(jī)處于電磁制動(dòng)狀態(tài);0<s<

1時(shí),電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài);s<0時(shí),電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率特性轉(zhuǎn)矩最大點(diǎn)Tmax啟動(dòng)點(diǎn)Tst額定運(yùn)行點(diǎn)TN交流感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性2.5.2三相感應(yīng)電機(jī)工作特性感應(yīng)電機(jī)工作特性在電動(dòng)機(jī)的定子繞組加額定電壓,電壓的頻率又為額定值,這時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、定子電流I1、功率因數(shù)cosφ1、電磁轉(zhuǎn)矩Te、效率η等與輸出功率P2的關(guān)系。工作特性可以通過直接在異步電動(dòng)機(jī)上施加負(fù)載測得,也可以利用等效電路計(jì)算而得。工作特性感應(yīng)電機(jī)隨著輸出功率的增加,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降,轉(zhuǎn)差率增大;隨著輸出功率的增加,轉(zhuǎn)子電流增大,定子電流也增大;隨著輸出功率的增加,功率因數(shù)先增大后減??;隨著輸出功率的增加,輸出轉(zhuǎn)矩增大;隨著輸出功率的增加,效率先增大后減?。唤涣鞲袘?yīng)電機(jī)運(yùn)行特性2.5.2三相感應(yīng)電機(jī)工作特性1、轉(zhuǎn)速特性三相異步電機(jī)在空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n接近于同步轉(zhuǎn)速n1。隨著負(fù)載的增加,轉(zhuǎn)速n會(huì)略有下降,這時(shí)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢E2s及轉(zhuǎn)子電流I2s均會(huì)增大,以產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩來平衡增加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。因此,隨著P2的增加,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n下降,轉(zhuǎn)差率s增大。2、定子電流特性當(dāng)電動(dòng)機(jī)在空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子電流接近為零,定子電流等于勵(lì)磁電流I0。隨著負(fù)載的增加,轉(zhuǎn)速下降,轉(zhuǎn)子電流增大,定子電流也增大。3、定子側(cè)功率因數(shù)特性三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),必須從電網(wǎng)中吸取滯后性無功功率,它的功率因數(shù)永遠(yuǎn)小于1??蛰d時(shí),定子從電網(wǎng)吸收的主要是勵(lì)磁電流所需要的無功功率,因此功率因數(shù)cosφ1很低,一般不超過0.2。隨著負(fù)載的增加,定子電流中的有功電流會(huì)相應(yīng)增加,從而提高了功率因數(shù)。接近額定負(fù)載時(shí),cosφ1達(dá)到最高值。然而,如果負(fù)載進(jìn)一步增大,由于轉(zhuǎn)差率s的增大,

φ2角增大,但cosφ1開始減小。4、電磁轉(zhuǎn)矩特性穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為T=T2+T0。由于輸出功率P2=T2

ω,故Te=P2/ω+T0。5、效率特性鐵損和機(jī)械損耗稱為不變損耗。定、轉(zhuǎn)子銅損被稱為可變損耗。當(dāng)不變損耗與可變損耗相等時(shí),電動(dòng)機(jī)的效率達(dá)最大。交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理12車用三相交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)繞組的構(gòu)成原則和分類2交流感應(yīng)電機(jī)繞組的電動(dòng)勢3交流感應(yīng)電機(jī)繞組的磁動(dòng)勢4交流感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性5交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性6交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.1三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)三相感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)直接啟動(dòng)降壓啟動(dòng)定子串接電抗器啟動(dòng)Y-△啟動(dòng)自耦變壓器啟動(dòng)三相反并聯(lián)晶閘管啟動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中,磁通經(jīng)過定轉(zhuǎn)子鐵芯及氣隙形成閉合回路。感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)大體上分為直接啟動(dòng)和降壓啟動(dòng)兩種。通入電流定子繞組產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生電動(dòng)勢閉合回路產(chǎn)生電流轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定但無法達(dá)到同步轉(zhuǎn)速啟動(dòng)過程交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.1三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)1、直接啟動(dòng)直接啟動(dòng)也就是全壓啟動(dòng),是最簡單的啟動(dòng)方式,將電機(jī)直接連接到帶有額定電壓的電網(wǎng)上。降低轉(zhuǎn)子啟動(dòng)電流的有效方法包括減小電源電壓、增大定子電阻或電抗、以及增大轉(zhuǎn)子電阻或電抗;增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法只有適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子電阻,且如果增加過大還可能導(dǎo)致啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小。啟動(dòng)電流啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩1—電流特性;2—固有機(jī)械特性感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率特性如果在額定電壓下直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī),啟動(dòng)瞬間的主磁通將減小到額定值的一半左右,功率因數(shù)很低,會(huì)造成堵轉(zhuǎn)電流(啟動(dòng)電流)很大而堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩)較小的情況。一般來說,定子啟動(dòng)電流為額定電流的5~7倍,定子啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的0.8~1.2倍。固有機(jī)械特性交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.1三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)2、定子串接電抗器啟動(dòng)三相感應(yīng)電機(jī)定子串接電抗器啟動(dòng)是一種常用的啟動(dòng)方式,主要用于限制啟動(dòng)電流。(a)直接啟動(dòng)(b)定子串入電抗器啟動(dòng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路在電動(dòng)機(jī)的定子電路中串聯(lián)一個(gè)電感(即電抗器),以在啟動(dòng)過程中控制電流的大小,啟動(dòng)后則切除電抗器,進(jìn)入正常運(yùn)行。直接啟動(dòng)時(shí),電源電壓直接施加在電動(dòng)機(jī)短路阻抗Zk=Rk+jXk上。定子側(cè)串入電抗X啟動(dòng)時(shí),電源電壓加在(jX+Zk)上,由電抗X分擔(dān)一部分電壓后作用在Zk上的電壓是

。啟動(dòng)過程交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.1三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)2、定子串接電抗器啟動(dòng)假設(shè)串電抗為X時(shí),電動(dòng)機(jī)定子電壓降為

與直接啟動(dòng)時(shí)額定電壓UN比值為λ,則因此,三相異步電機(jī)定子串接電抗器啟動(dòng)的方式雖然能夠有效降低啟動(dòng)電流,但是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的降低程度要大于啟動(dòng)電流的降低程度,所以這種啟動(dòng)方法只能用于電動(dòng)機(jī)的空載或輕載啟動(dòng)。(a)直接啟動(dòng)(b)定子串入電抗器啟動(dòng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.1三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)3、Y-△啟動(dòng)Y-△啟動(dòng),即啟動(dòng)時(shí),定子繞組Y接法,啟動(dòng)后,換成△接法。對于額定電壓運(yùn)行時(shí)定子繞組接成△型的鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī),為了減小啟動(dòng)電流,在啟動(dòng)過程中,可以采用Y-△降壓啟動(dòng)方法。Y-△啟動(dòng)接線圖開關(guān)K1閉合接通電源之后,開關(guān)K2與下方連通,電動(dòng)機(jī)定子繞組Y接法,電動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng);當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一定程度后,開關(guān)K2從下邊斷開合向上邊,定子繞組△接法,電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行。啟動(dòng)過程交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.1三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)3、Y-△啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí),定子繞組為△接法,每一相繞組加的是額定電壓UN,相電流為

,線電流為

。采用Y-△啟動(dòng),啟動(dòng)時(shí)定子繞組為Y接法每相電壓降為

,每相啟動(dòng)電流為

,所以啟動(dòng)電流及轉(zhuǎn)矩間關(guān)系式為Y-△啟動(dòng)接線圖(a)直接啟動(dòng)(b)Y-△啟動(dòng)Y-△啟動(dòng)的相電壓和相電流比直接啟動(dòng)時(shí)降低了

;Y-△啟動(dòng)對供電變壓器造成沖擊的啟動(dòng)電流降低到直接啟動(dòng)的1/3。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)電流降低的倍數(shù)都是直接啟動(dòng)的1/3所以這種啟動(dòng)方式只能用于輕負(fù)載啟動(dòng)。交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.1三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)4、自耦變壓器啟動(dòng)自耦變壓器啟動(dòng)接線圖開關(guān)K先被調(diào)至啟動(dòng)位置,此時(shí)電動(dòng)機(jī)的定子繞組通過自耦變壓器接到三相電源上。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一定程度后,開關(guān)K被調(diào)至運(yùn)行位置,此時(shí)自耦變壓器被切除,電動(dòng)機(jī)定子直接接在電源上,電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。啟動(dòng)過程自耦變壓器降壓啟動(dòng)常用于啟動(dòng)較大容量的三相交流電動(dòng)機(jī),自耦變壓器設(shè)有50%.65%和80%線路電壓的抽頭,對應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流分別為全壓起動(dòng)電流的25%、42%和64%。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與其端電壓的平方成比例降低,相同的啟動(dòng)電流,電動(dòng)機(jī)能獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。自耦變壓器特點(diǎn)交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.1三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)4、自耦變壓器啟動(dòng)根據(jù)變壓器原理可知:電動(dòng)機(jī)定子繞組施加額定電壓UN直接啟動(dòng),其啟動(dòng)電流為Is;若施加降壓后的電壓

啟動(dòng),其啟動(dòng)電流為,則若UN施加在自耦變壓器一次繞組上,二次繞組電壓

接入異步電動(dòng)機(jī),這時(shí)供電變壓器提供的電流為

,則采用自耦變壓器啟動(dòng),與直接啟動(dòng)相比,電壓降低至原來的N2/N1,啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低至原來的(N2/N1)2自耦變壓器啟動(dòng)一相電路交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.1三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)5、三相反并聯(lián)晶閘管啟動(dòng)三相反并聯(lián)晶閘管軟結(jié)構(gòu)啟動(dòng)電機(jī)時(shí),可以通過改變反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角,即所謂相控,減少其輸出電壓,限制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流,故名軟啟動(dòng)。實(shí)際上,這種啟動(dòng)器并不改變輸出電壓的頻率,輸出電壓頻率與電源電壓頻率保持一致,僅改變輸出電壓的波形。受晶閘管相控影響,輸出電壓偏離正弦型。啟動(dòng)過程三相反并聯(lián)晶閘管降壓啟動(dòng)的啟動(dòng)器也稱軟啟動(dòng)器,其結(jié)構(gòu)由反并聯(lián)晶閘管及其控制器組成。這些反并聯(lián)晶閘管被串聯(lián)在三相交流電源與被控電機(jī)之間關(guān)系如圖。結(jié)構(gòu)軟啟動(dòng)器從原理上看,屬于降壓啟動(dòng)異步電機(jī),其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓從小到大連續(xù)可調(diào),即啟動(dòng)電流大小可控,避免了其他降壓啟動(dòng)下啟動(dòng)電流對電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊。特點(diǎn)交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速三相感應(yīng)電機(jī)調(diào)速鼠籠式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入電阻調(diào)速雙饋電機(jī)調(diào)速晶閘管串級(jí)調(diào)速降電壓調(diào)速變極對數(shù)調(diào)速變頻調(diào)速三相反并聯(lián)晶閘管啟動(dòng)繞線式感應(yīng)電機(jī)三相異步電機(jī)分為鼠籠式電機(jī)和繞線式電機(jī)兩種,對于兩種形式的電機(jī)分別有不同的調(diào)速方式。交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速三相感應(yīng)電機(jī)降低電源電壓后,其機(jī)械特性表現(xiàn)為同步轉(zhuǎn)速保持不變,電磁轉(zhuǎn)矩T∝U2。1、降壓調(diào)速(鼠籠式異步電機(jī))一般鼠籠式感應(yīng)電機(jī)不采用降壓調(diào)速方式。三相感應(yīng)電機(jī)降壓調(diào)速1-恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載;2-風(fēng)機(jī)負(fù)載降低電源電壓可以降低轉(zhuǎn)速,A點(diǎn)為固有機(jī)械特性曲線上的運(yùn)行點(diǎn),B點(diǎn)為降低電壓后的運(yùn)行點(diǎn),分別對應(yīng)轉(zhuǎn)速nA和nB,可以看出調(diào)速范圍很窄。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在調(diào)壓過程中,C、D、E三個(gè)運(yùn)行點(diǎn)的轉(zhuǎn)速雖然相差較大,但應(yīng)注意電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)存在的過電流及功率因數(shù)低的問題。風(fēng)機(jī)負(fù)載交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速2、變極對數(shù)調(diào)速(鼠籠式異步電機(jī))鼠籠式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極數(shù)取決于定子的磁極數(shù),變極運(yùn)行時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極數(shù)不必進(jìn)行改動(dòng)。繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子極數(shù)不能自動(dòng)隨定子極數(shù)變化,如果同時(shí)改變定、轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)又比較麻煩,因此不采用變極調(diào)速。AX繞組為A1X1與A2X2頭尾相連后串聯(lián)四極磁場AX繞組為A1X1與A2X2尾尾串聯(lián)或頭尾相連后并聯(lián)二極磁場四極三相感應(yīng)電機(jī)A相繞組二極三相感應(yīng)電機(jī)A相繞組交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速3、變頻調(diào)速(鼠籠式異步電機(jī))三相異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速因此,改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)電源頻率f1,可以改變旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢的同步轉(zhuǎn)速,達(dá)到調(diào)速的目的。額定頻率稱為基頻,變頻調(diào)速時(shí)可以從從基頻向下調(diào),也可以基頻向上調(diào)。(1)基頻向下調(diào)三相異步電機(jī)每相電壓:基頻向下調(diào)時(shí)需要同步降低電源電壓,降低電源電壓有兩種方法:保持E1/f1為常數(shù),或者保持U1/f1為常數(shù)。保持E1/f1為常數(shù)時(shí),頻率是可以連續(xù)調(diào)節(jié)的,因此該調(diào)速方式為無級(jí)調(diào)速。在高頻高速時(shí),保持U1/f1為常數(shù)與保持E1/f1為常數(shù)兩種調(diào)速方法,機(jī)械特性相差無幾。但在低頻低速時(shí),保持U1/f1為常數(shù)的方法,會(huì)使得電機(jī)機(jī)械特性迅速下降。保持E1/f1為常數(shù)保持U1/f1為常數(shù)交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速3、變頻調(diào)速(鼠籠式異步電機(jī))(2)基頻向上調(diào)調(diào)速時(shí)不允許升高電源電壓,所以升高頻率進(jìn)行調(diào)速時(shí)只能保持電壓不變,頻率越高,磁通越低,類似于弱磁控制的調(diào)速方式,當(dāng)f1升高時(shí),Tm及sm都會(huì)下降,機(jī)械特性曲線如圖所示,其運(yùn)行段近似平行,近似為恒功率調(diào)速方式。保持電源電壓不變聲頻調(diào)速電磁轉(zhuǎn)矩從基頻向下調(diào)速,為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式;從基頻向上調(diào)速,近似為恒功率調(diào)速模式;頻率f1可以連續(xù)調(diào)節(jié),變頻調(diào)速為無級(jí)調(diào)速;調(diào)速范圍大;運(yùn)行時(shí)s小,效率高。變頻調(diào)速特點(diǎn)交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速4、轉(zhuǎn)子回路串入電阻調(diào)速(繞線式異步電機(jī))當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組串入不同電阻值時(shí)(Ra1<Ra2<Ra3),其機(jī)械特性曲線如圖所示。該調(diào)速方式屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,調(diào)速范圍相對有限,通常僅能達(dá)到2~3倍的調(diào)速范圍,當(dāng)負(fù)載較小時(shí)調(diào)速范圍就更小。如果想要擴(kuò)大調(diào)速范圍,就必須要增加轉(zhuǎn)差率,使轉(zhuǎn)子回路中的銅損增加,降低電機(jī)效率。由于轉(zhuǎn)子回路電流很大,導(dǎo)致電阻的體積較大,因此調(diào)速的平滑性不好,基本上屬于有級(jí)調(diào)速。繞線式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子串入電阻在額定負(fù)載工況下,串入電阻阻值逐漸增大時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)差率由sN變?yōu)閟1、s2、s3,串入電阻越大則轉(zhuǎn)速越低。當(dāng)電源電壓一定時(shí),主磁通ΦM基本是定值,轉(zhuǎn)子電流I可以維持在額定值工作,其大小如下:機(jī)械特性交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速5、雙饋電機(jī)調(diào)速(繞線式異步電機(jī))在分析前需要對各物理量正方向進(jìn)行定義,如圖所示。定子端施加額定電壓轉(zhuǎn)子有功電流有效值為了簡化分析,暫時(shí)忽略轉(zhuǎn)子漏電抗X2σ的影響,當(dāng)定子電源電壓及負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變的條件下,I2a應(yīng)為常數(shù)。對轉(zhuǎn)子外接電壓和轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢之間的夾角需要分情況討論。定、轉(zhuǎn)子物理量正方向(a)定子物理量正方向(b)轉(zhuǎn)子物理量正方向電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組分別連接到兩個(gè)獨(dú)立的三相對稱電源上。定子繞組連接到恒頻的工業(yè)電源,轉(zhuǎn)子電源的頻率必須與轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動(dòng)勢保持同頻,在任何運(yùn)行狀態(tài)下都要保持高度精準(zhǔn)的頻率調(diào)節(jié)。雙饋調(diào)速2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性5、雙饋電機(jī)調(diào)速(繞線式異步電機(jī))(1)轉(zhuǎn)子外接電壓和轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢反相施加合成電動(dòng)勢轉(zhuǎn)子電流電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)速感應(yīng)電動(dòng)勢轉(zhuǎn)子電流不變此時(shí)的相量圖如(a)所示,當(dāng)轉(zhuǎn)子外接電壓時(shí),感應(yīng)電機(jī)達(dá)到新平衡的過程如下:此時(shí),感應(yīng)電機(jī)在新轉(zhuǎn)差率下運(yùn)行,。繞線式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子接轉(zhuǎn)差頻率電壓調(diào)速(a)(b)(c)(d)2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性5、雙饋電機(jī)調(diào)速(繞線式異步電機(jī))(2)轉(zhuǎn)子外接電壓和轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢同相此時(shí)的相量圖如(b)所示,當(dāng)轉(zhuǎn)子外接電壓時(shí),感應(yīng)電機(jī)達(dá)到新平衡的過程與反向時(shí)各物理量的變化基本相反。此時(shí),感應(yīng)電機(jī)在新轉(zhuǎn)差率下運(yùn)行,。當(dāng)時(shí),僅靠U2的作用即可產(chǎn)生I2a,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速,為0,如圖(c)所示。當(dāng)時(shí),在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下,電機(jī)轉(zhuǎn)速可以超過同步轉(zhuǎn)速,,如圖(d)所示。電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)差率繞線式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子接轉(zhuǎn)差頻率電壓調(diào)速(a)(b)(c)(d)轉(zhuǎn)子電流2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性5、雙饋電機(jī)調(diào)速(繞線式異步電機(jī))(3)轉(zhuǎn)子外接電壓和轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢相位差90°

當(dāng)領(lǐng)先90°時(shí),轉(zhuǎn)子回路合成電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)子電流同相,其中有功電流,無功電流。無功電流與氣隙磁密同相,起到勵(lì)磁的作用。為簡化分析,忽略定子側(cè)漏電抗電感,各相量關(guān)系如圖(a)所示。從圖中可以看出,當(dāng)施加外接電壓增大時(shí),定子電流與定子電壓間的夾角縮小,定子側(cè)功率因數(shù)得到改善。繞線式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子接轉(zhuǎn)差頻率電壓調(diào)速定子電流(a)各參數(shù)相量關(guān)系(b)與相差某一角度當(dāng)與相差為某一角度時(shí),如圖(b)所示,可以將分解為兩個(gè)分量及,分別按照相同的方法進(jìn)行分析可得:電機(jī)運(yùn)行于次同步速,此時(shí)既能調(diào)速,也能提高功率因數(shù)。2.6.2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速交流感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性6、晶閘管串級(jí)調(diào)速(繞線式異步電機(jī))當(dāng)整流器、逆變器都為三相橋式電路時(shí),轉(zhuǎn)差率為通過改變逆變角β的大小就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s,這種調(diào)速方法適合于對調(diào)速性能要求不高的場合。串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路感應(yīng)電動(dòng)勢交流量直流量(頻率為0)外加電壓交流量直流量(頻率為0)雙饋電機(jī)調(diào)速串級(jí)調(diào)速同頻率整流橋把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差電動(dòng)勢和電流變成直流,逆變器的作用是給轉(zhuǎn)子回路提供直流電動(dòng)勢,同時(shí)給轉(zhuǎn)子電流提供通路,并把轉(zhuǎn)差功率sPM(扣除轉(zhuǎn)子繞組銅損耗)通過電動(dòng)機(jī)的反饋繞組反送回交流電源。運(yùn)行過程永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理13車用三相交流永磁同步電機(jī)永磁材料的性能和主要參數(shù)2永磁同步電機(jī)磁路和電磁參數(shù)3永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和常用極槽配合4永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性和電樞反應(yīng)5永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性6永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理3.1.1結(jié)構(gòu)組成——特點(diǎn)同步電機(jī)是交流電機(jī)的一種,主要用作發(fā)電機(jī),也可用作電動(dòng)機(jī),其定子結(jié)構(gòu)與異步電機(jī)相同,區(qū)別主要在轉(zhuǎn)子側(cè)。SNnebecIf

ea轉(zhuǎn)子裝有磁極具有確定的極性定轉(zhuǎn)子磁場同步由于定、轉(zhuǎn)子磁場必須保持相對靜止,因此轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度必須嚴(yán)格和定子磁場同步,同步電機(jī)因此得名。同步電機(jī)異步電機(jī)永磁同步電機(jī)具有高效高功率密度的突出優(yōu)點(diǎn)永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理3.1.1結(jié)構(gòu)組成永磁同步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、及端蓋等各部件組成定子鐵芯繞組定子轉(zhuǎn)子鐵芯永磁體轉(zhuǎn)子端蓋端蓋永磁體:一種能夠持續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定磁場的材料,也被稱為硬磁體,不易失磁,也不易被磁化。定子:電機(jī)中靜止不動(dòng)的部分,由定子鐵芯和定子繞組兩部分組成。轉(zhuǎn)子:電機(jī)中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部分。轉(zhuǎn)子主要包括永磁體和轉(zhuǎn)子鐵芯,永磁體通常貼在轉(zhuǎn)子鐵芯表面或嵌入其中。永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理3.1.1結(jié)構(gòu)組成——定子定子:電機(jī)中靜止不動(dòng)的部分,由定子鐵芯和定子繞組兩部分組成。定子繞組定子鐵芯徑向磁通內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)軸向磁通環(huán)形繞組永磁同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理3.1.1結(jié)構(gòu)組成——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子:電機(jī)中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部分。轉(zhuǎn)子主要包括永磁體和轉(zhuǎn)子鐵芯。永磁體轉(zhuǎn)子鐵芯軸向磁通表貼式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)軸向磁通內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理3.1.1結(jié)構(gòu)組成——分類按永磁體在轉(zhuǎn)子鐵芯中的位置分類內(nèi)置式表面式徑向式切向式混合式表插式表貼式表插式&內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度增大易于實(shí)現(xiàn)弱磁控制存在磁阻轉(zhuǎn)矩安裝制造工藝復(fù)雜表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單制造成本較低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小無磁阻轉(zhuǎn)矩機(jī)械強(qiáng)度有限根據(jù)不同的特征,永磁同步電機(jī)有多種分類方法。永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理3.1.1結(jié)構(gòu)組成——分類按工作主磁場的方向分類徑向磁場式軸向磁場式橫向磁場式按轉(zhuǎn)子上有無起動(dòng)繞組分類有起動(dòng)繞組無起動(dòng)繞組按電樞繞組的位置分類內(nèi)轉(zhuǎn)子式外轉(zhuǎn)子式根據(jù)不同的特征,永磁同步電機(jī)有多種分類方法。永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理3.1.1結(jié)構(gòu)組成——分類按運(yùn)動(dòng)方向分類旋轉(zhuǎn)電機(jī)直線電機(jī)球形電機(jī)平面電機(jī)根據(jù)不同的特征,永磁同步電機(jī)有多種分類方法。永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理3.1.2運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式:發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、補(bǔ)償機(jī)三相電流通入定子三相對稱繞組圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢FF為圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(T·m),F(xiàn)φl為單相磁動(dòng)勢的最大幅值(T·m),kw1為基波繞組系數(shù),p為電機(jī)極對數(shù),Nc為每個(gè)線圈的串聯(lián)匝數(shù),I為線圈中流過電流的有效值(A)。定子圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢轉(zhuǎn)子主磁場合成磁場相對靜止、相互作用在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙電磁轉(zhuǎn)矩TeTe為電磁轉(zhuǎn)矩(N·m),θ為功率角(rad),BR為轉(zhuǎn)子主磁場(T),Bnet為氣隙合成磁場(T)。3.1.2運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理3.1.2運(yùn)行原理當(dāng)功率角大于0時(shí),氣隙合成磁場滯后于轉(zhuǎn)子主磁場,產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反,這時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài);當(dāng)功率角小于0時(shí),氣隙合成磁場超前于轉(zhuǎn)子主磁場,產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同,這時(shí)電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)功率角等于0時(shí),氣隙合成磁場同步于轉(zhuǎn)子主磁場,產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為0,這時(shí)電機(jī)處于補(bǔ)償狀態(tài)。發(fā)電機(jī):機(jī)械能電能電動(dòng)機(jī):電能機(jī)械能補(bǔ)償機(jī):沒有有功功率的轉(zhuǎn)換,專門用來發(fā)出或吸收無功功率、調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率數(shù)。電機(jī)運(yùn)行處于哪一種狀態(tài),主要取決于:定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主磁場的夾角(功率角)永磁同步電機(jī)分類和運(yùn)行原理13車用三相交流永磁同步電機(jī)永磁材料的性能和主要參數(shù)2永磁同步電機(jī)磁路和電磁參數(shù)3永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和常用極槽配合4永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性和電樞反應(yīng)5永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性6永磁材料的性能和主要參數(shù)3.2.1磁性能永磁材料的主要磁性能指標(biāo)包括:剩磁、矯頑力、內(nèi)稟矯頑力、磁能積。矯頑力矯頑力是指磁性材料在飽和磁化后,當(dāng)外磁場退回到零時(shí)其磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不退到零,只有在原磁化場相反方向加上一定大小的磁場才能使磁感應(yīng)強(qiáng)度退回到零,該反向磁場稱為矯頑磁場,又稱矯頑力。

剩磁剩余磁化強(qiáng)度,即剩磁,符號(hào)為Br,是指磁體經(jīng)磁化至飽和以后,撤去外磁場,在原來外磁場方向上仍能保持的磁化強(qiáng)度。剩磁的極限值為飽和磁化強(qiáng)度,永磁材料的剩磁主要受材料中各個(gè)晶粒取向和磁疇結(jié)構(gòu)的影響。永磁材料的性能和主要參數(shù)3.2.1磁性能磁能積退磁曲線上任何一點(diǎn)的B和H的乘積,即BH,被稱為磁能積,而BH的最大值稱之為最大磁能積,為磁能積曲線上的頂點(diǎn)。磁能積是衡量磁體所儲(chǔ)存能量大小的重要參數(shù)之一。在磁體使用時(shí),相同體積的磁體能夠儲(chǔ)存的能量越大,磁體的性能越好。內(nèi)稟矯頑力使磁體內(nèi)部微觀磁偶極矩矢量和降為0時(shí)施加的反向磁場強(qiáng)度,稱為內(nèi)稟矯頑力(Hcj)。內(nèi)稟矯頑力區(qū)別于矯頑力(Hc)。當(dāng)反向磁場H=Hc時(shí),雖然對外磁感應(yīng)強(qiáng)度表現(xiàn)為零,但此時(shí)磁體本身的剩余磁化強(qiáng)度(Br)并不為零,只是所加的反向磁場與Br的作用相互抵消。而當(dāng)反向磁場H=Hcj時(shí),磁體的剩余磁化強(qiáng)度降為0。內(nèi)稟矯頑力的大小與稀土永磁體的溫度穩(wěn)定性密切相關(guān),內(nèi)稟矯頑力越高,溫度穩(wěn)定性越好。

永磁材料的其他磁性能指標(biāo)還有:可工作溫度、剩磁及內(nèi)稟矯頑力的溫度系數(shù)、回復(fù)磁導(dǎo)率、退磁曲線方形度等。永磁材料的性能和主要參數(shù)3.2.2常用永磁材料根據(jù)永磁材料的磁性強(qiáng)弱以及發(fā)展階段,永磁材料可被分為金屬永磁、鐵氧體和稀土永磁三類。目前常用的永磁體主要有:鋁鎳鈷(AlNiCo)永磁鐵氧體釤鈷1:5型(SmCo5)釤鈷2:17型(Sm2Co17)燒結(jié)釹鐵硼(NdFeB)黏結(jié)釹鐵硼(NdFeB)橡膠磁不同類型的永磁體,其磁性能及其他各參數(shù)均有所不同。永磁材料的性能和主要參數(shù)3.2.2常用永磁材料常用永磁體特點(diǎn)綜合磁性能最大磁能積(MG·Oe)最高使用溫度(℃)抗氧化和腐蝕性能可加工性鋁鎳鈷(AlNiCo)中等偏低1-13600較強(qiáng)非常好永磁鐵氧體較低0.8-5.2300無氧化問題一般釤鈷1:5型(SmCo5)中等偏上15-24250很強(qiáng)一般釤鈷2:17型(Sm2Co17)中等偏上22-32550很強(qiáng)一般燒結(jié)釹鐵硼(NdFeB)最高30-52230很差一般黏結(jié)釹鐵硼(NdFeB)穩(wěn)定3-13150極強(qiáng)好橡膠磁

很低0.6

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