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第六章 交流电机电枢绕组的电动势与磁通势6.1交流电机电枢绕组的电动势6.1.1导体电动势常用物理量的计算1.机械角度b与电角度a的关系机械角度b是空间实际角度， 电机转一圈，b=360o；电角度a=pb； 2极电机p=1电机转一圈a=b=360o 4极电机p=2电机转一圈a=2b=720o2.电动势频率f（每秒基波电动势变化的周波数） Hz （周/秒）3.电角速度w 与机械角速度W 的关系 （每秒钟转过的孤度或电角度）4.电动势频率f与电角速度w的关系w=2pf rad/s也是导体A感应基波电动势变化的角频率。6.1.2整距线匝电动势6.13整距线圈电动势6.14短距线圈电动势线圈节距 , 短距:，整距: 基波短距系数 ，整距kp=16.1.5整距分布线圈组的电动势相邻线圈的槽距角（电角度） 若有q个线圈分布，基波分布系数为 , 每极每相槽数 绕组基波系数 相绕组的感应电动势- N为每相绕组的串联匝数对于单层绕组 , 对于双层绕组 , a为绕组并联支路数例题6-4（Pg182）一台三相异步电动机，定子采用双层短距分布绕组。已知定子总槽数Z=36，极对数P=3，线圈的节距y1=5，每个线圈串联的匝数Ny=20，并联支路数a=1，频率f=50Hz，基波每极磁通量f=0.00398Wb， 求：(1)导体基波电动势； （2）线匝基波电动势；（3）线圈基波电动势；(4)极相绕组基波电动势；(5)相绕组基波电动势。解:（1）导体基波电动势： （2）线匝基波电动势: 基波短距系数:; 短距线匝基波电动势: （3）线圈基波电动势: （4）极相组基波电动势， ，； 极相组基波电动势: （5）相绕组基波电动势习题6.4已知某三相四级交流电机采用双层分布短距绕组，Z=36，y1=7/9，定子Y接，线圈串联匝数Ny=2，气隙基波每极磁通量=0.73Wb，并联支路a=1,求：（1）基波绕组系数（2）基波相电动势（3）基波线电动势解：基波绕组系数的计算。槽距角：每极每相槽数：基波分布系数：基波短距系数：基波绕组系数：（2）基波相电动势。每相绕组串联匝数基波相电动势（3）基波线电动势6.3交流电机电枢单相绕组产生的磁通势绕组中流过电流后将产生磁通势和磁场。6.3.1整距线圈的磁通势6.3.2短距线圈的磁通势6.3.3.单层分布线圈组产生的磁通势6.3.4单相绕组磁通势 基波磁通势幅值: 是每相绕组串联的匝数。单相绕组磁通势小结：l 单相绕组通以正弦交变电流，产生脉振磁通势；l 脉振磁通势的空间位置是固定的，幅值随时间变化，脉振频率决定于电流变化的频率；l 脉振磁通势的基波表达式；(幅值)l 基波磁通势幅值的位置与绕组轴线重合。6.4三相电枢绕组产生的磁通势条件：三相对称电流通入三相对称绕组。三相对称电流：, , A、B、C三相电流幅值相等，在时间相位上互差电角度。三相对称绕组: 三相绕组的匝数相等，三相绕组的轴线在空间相位上互差电角度。l 幅值：；l 三相合成基波磁通势是个行波，亦称旋转磁通势。l 行波角速度，朝着方向以大小的角速度旋转。 三相合成基波磁通势幅值位置l 时，能使，得三相合成基波磁通势幅值位置。l 当时，三相合成基波磁通势的幅值在的位置，即相绕组的轴线；而此刻，相电流为正最大值；当A相电流为最大值时，三相合成基波磁通势幅值的位置正好位于A相绕组的轴线。l 随着时间的推移，当时，相电流为正最大值；三相合成基波磁通势幅值的位置正好位于相绕组的轴线；l 当时，相电流为正最大值；三相合成基波磁通势幅值的位置正好位于相绕组的轴线；相绕组的轴线；相绕组的轴线；相绕组的轴线。, 时；三相合成基波磁通势幅值的位置正好位于相绕组的轴线。三相六个旋转磁通势的合成。三相合成基波磁通势的特点：l 三相对称绕组通以三相对称电流，产生的合成磁通势的幅值不变，是圆形旋转磁通势，其幅值 :。l 瞬间位置: 当三相电流中某相电流值达正最大值时，三相合成基波磁通势的正幅值正好位于该相绕组的轴线处。l 转向：由电流相序决定，从领先相绕组轴线向落后相绕组轴线转。在三相绕组中通以对称 正序电流，三相合成磁通势的轴线依次与相绕组轴线重合；通以对称 负序电流，三相合成磁通势的轴线依次与 相绕组轴线重合。习题6.5六极交流电机定子每相总串联匝数N=125，基波绕组系数，每相基波感应电动势=230V，求气隙每极基波磁通。解：气隙每极基波磁通习题6.8三相交流电机电枢绕组示意图见图，三相电流为，。求：（1）合成基波磁通势的幅值；（2）画出，三个瞬间磁通势矢量图，标出合成基波磁通势的位置和转向。解：（1）合成基波磁通势的幅值计算。该三相交流电机极数为2，电枢绕组为整距、集中形式。设每相绕组串联总匝数为N，则合成基波磁通势的幅值（2），三个瞬间磁通势矢量图及磁通势的位置如下所示。第七章 异步电动机原理7.1异步电动机结构、额定数据与工作原理7.1.2三相异步电动机的结构三相鼠笼式转子异步电动机的结构气隙：定子铁芯内表面与转子外表面的空隙， 气隙大励磁电流大，从而影响功率因数。为提高功率因数，气隙尽量小一些。在中小型电机中，气隙一般为。7.1.4异步电动机的铭牌数据2.额定值(1)额定功率: 指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是。(2)额定电压: 指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为。(3)额定电流: 指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为。(4)额定频率：我国规定工业用电的频率是50Hz。异步机定子边的量加下标1表示，转子边的量加下标2表示。(5)额定转速：指电动机定子加额定频率的额定电压，转轴端输出额定功率时电机的转速，单位为rmin。(6)额定功率因数：指电动机在额定负载时，定子边的功率因数。额定值之间的相互关系： 输入电功率：额定功率(输出机械功率): 额定效率：额定转矩(额定输出机械转矩):,(),()7.1.5异步电动机的工作原理1. 若转子导条与磁场没有相对运动，转子导条内的感应电动势和电流为零。2. 转子导条与磁场之间就有相对运动（异步），产生转子电动势、电流与电磁转矩；因此称为异步电动机。同步电动机。7.2三相异步电动机转子不转、转子绕组开路时的电磁关系7.3三相异步电动机转子堵转时的电磁关系7.3.3转子绕组的折合（磁/电变换）异步电动机定转子之间没有直接电路上的联系，是通过磁路平衡关系将异步电动机定转子联系起来 为简化分析用折合算法，折合方法与变压器二次侧绕组向以次侧绕组折合的方法类似，即磁/电变换。磁/电变换：把定、转子之间磁的耦合等效地变换成电路上的联系。转子绕组向定子绕组折合的原则为：保持不变。7.4三相异步电动机转子旋转时的电磁关系（）7.4.1转差率转差率定义： 制动状态电动机状态发电机状态转子转速转差率 正常运行的异步电动机 接近于 ，。7.4.2转子电动势1.转子回路的电压方程式转子转速为时，转子绕组的相电动势；转子转速为时，转子绕组的相电流；转子转速为时，转子一相绕组的漏电抗；转子一相绕组的电阻。2. 转子电流的变化频率 正常运行的异步电动机，转子频率 。3、 转子旋转时的感应电动势 转子不转时的感应电动势。设转子转速，旋转磁场转速，转子相对旋转磁场的转速；4.转子旋转时的转子漏抗 转子不转时的转子漏抗， 正常运行的异步电动机 接近于 ，；。7.4.3定、转子磁通势及磁通势关系1. 定子磁通势其特点与转子堵转、转子绕组短接情况相同。旋转方向由定子电流相序所决定。定子电流相序 逆时针旋转，则定子磁通势相序逆时针旋转。转速: 是相对于定子绕组的转速。2. 转子磁通势(1)幅值：(2)转向：气隙旋转磁密逆时针旋转， 转子电流相序逆时针旋转，转子磁通势相序逆时针旋转。(3) 转速: ，相对于转子绕组的转速。(4) 瞬间位置：哪相电流达最大值时，正好位于该相绕组的轴线上。3. 合成磁通势 (1)转向：与相同；(2)转速：相对定子；相对转子，相对定子；Pg259 思考题15与相对定子来说，都是同转向，以相同的转速一前一后旋转，称为同步旋转。例题74(Pg.230)一台三相异步电机，定子绕组接到频率为的三相对称电源上，已知它运行在额定转速。问：(1)该电动机的极对数是多少？(2)额定转差率是多少？(3)额定转速运行时，转子电动势的频率是多少？解(1)求极对数已知异步电动机额定转差率较小，现根据电动机的额定转速，便可判断出同步转速； (2)额定转差率: (3)转子电动势的频率: 7.4.4转子绕组频率的折合（动/静变换）用一静止不转的转子来替代旋转的转子；，这样定、转子频率相同后，便于用等值电路来分析。将异步电动机转子旋转时，转子相绕组的 等效变换为转子不转时，转子相绕组的动/静变换过程中:l 转子电流与的有效值不变，转子电路的功率因数角不变；l 频率从，称为频率变换；l 用一个静止电阻为的等效转子代替实际旋转电阻为的实际转子；l 等效转子与实际转子具有同样的转子磁通势（同空间转速、同幅值、同空间相位）。等值电路图的区别与转子旋转相比：, 转子本身的电阻； 转子产生机械功率的等效电阻。7.4.5 基本方程式、等值电路和时间空间向量图异步电动机转子旋转时的基本方程式为：异步电动机转子旋转时的等值电路为：7.5三相异步电动机的功率与转矩7.5.1功率关系输入功率定子铜耗铁耗 传递给转子回路的电磁功率 转子回路全部电阻上的损耗； 转子铜耗 机械功率 输出功率, or ；电磁功率、转子铜耗和机械功率三者之间的定量关系：7.5.2转矩关系电磁转矩, -同步角速度输出转矩空载转矩例题7-7(Pg.236)已知一台三相50Hz线绕式异步电动机，额定电压，额定功率，额定转速，在额定转速下运行时，机械摩擦损耗，忽略附加损耗。求额定运行时：(1)额定转差率，(2)电磁功率，(3)转子铜耗，(4)额定电磁转矩，(5)额定输出转矩，(6)额定运行时的空载转矩。解：(1)额定转差率(2)电磁功率(3)额定运行时的转子铜耗(4)额定电磁转矩(5)额定输出转矩(6)额定运行时的空载转矩习题7.3设有一台额定容量PN=5.5kW,频率的三相四级异步电动机，在额定负载运行情况下，由电源输入的功率为6.32kW,定子铜耗为341W，转子铜耗为237.5W，铁损耗为167.5W，机械损耗为45W，附加损耗为29W。（1）画出功率流程图，标明各功率及损耗（2）在额定运行的情况下，求电动机的效率、转差率、转速、电磁转矩以及转轴上的输出转矩格式多少？解（2）额定运行时习题7.4一台三相六级异步电动机，额定数据为：PN=28kW，额定负载时定子边的功率因数,定子铜损、铁耗共为2.2kW，机械损耗为1.1kW，忽略附加损耗。在额定负载时，求：（1）转差率；（2）转子铜耗；（3）效率；（4）定子电流;(5)转子电流的频率。解：（1）转差率：（2）转子铜耗（3）效率: （4）定子电流;：(5)转子电流的频率7.6三相异步电动机的机械特性1. 理想空载点:额定运行点:2. 最大电磁转矩点最大电磁转矩对应的转差率(临界转差率):l 最大电磁转矩正比于定子电压，反比于漏电抗；l 临界转差率正比于转子电阻，反比于漏电抗。电机过载能力（最大电磁转矩与额定电磁转矩之比）: 3. 起动点: 起动转矩正比于定子电压与转子电阻，反比于漏电抗。起动能力（起动转矩与额定电磁转矩之比）: , 一般三相异步7.6.3人为机械特性1. 降低定子绕组端电压的人为机械特性l 理想空载点不变l 临界转差率点不变l2. 转子回路串三相对称电阻的人为机械特性l 理想空载点不变l 最大转矩不变l 临界转差率点: 当时，；继续增大转子电阻， 。7.6.4 机械特性的实用公式 2.应用实用公式计算三相异步电动机的机械特性，过载能力和额定转矩查产品目录，如何得到？(1)已知额定工作点由 ，解得 (2)已知机械特性上某一点由 ，解得 例题：7-10（P246）已知一台三相异步电动机，额定功率，额定电压，额定转速，过载倍数（能力）。求取转矩的实用公式（转子不串电阻）。解：额定转矩:最大转矩：同步转速：额定转差率：临界转差率：转矩实用公式为：例题：7-11（P246） 已知一台三相线绕式异步电动机，额定功率，额定电压，额定频率，额定转速，过载倍数。求电动机的转差率时的电磁转矩及拖动恒转矩负载时电动机的转速。解：同步转速：额定转差率：临界转差率：额定转矩:当时的电磁转矩：设电磁转矩为时转差率为，则转矩实用公式为：，根据稳定运行范围:，这一解不合理，舍去。电动机转速：第八章 三相异步电动机的起动与控制8.2三相鼠笼式异步电动机降压起动定子串接电抗器降压起动，起动，自耦变压器（起动补偿器）降压起动。起动时， ；，电流线性关系下降，转矩成平方关系下降；故降压起动，只适用于空载起动或轻载起动。8.2.1定子串接电抗器起动，；由此可见：串电抗后，降低了起动电流，但大大降低了起动转矩；只适用于空载起动或轻载起动。8.2.2 起动适用条件：定子绕组联接的三相鼠笼式异步电动机。为了减小起动电流，定子绕组联接的三相鼠笼式异步电动机，可以采用降压起动方法。l 起动时，定子绕组接，起动后换成接；l 起动转矩与起动电流降低的倍数一样，都是直接起动的。起动方法简单，起动器价格便宜，在轻载起动条件下应优先考虑。8.2.3自耦变压器（起动补偿器）降压起动三相鼠笼式异步电动机降压起动与直接起动的性能比较：起动方法起动电压相对值（电动机相电压）起动电流相对值（供电变压器线电流）起动转矩相对值起动设备直接起动111最简单串电抗起动一般起动简单，只适用于联接电机自耦变压器较复杂，有三种抽头可选降压起动方法，在减小起动电流的同时，又都程度不同地降低了起动转矩，因此只适合空载或轻载起动。增大转子电阻起动方法，在减小起动电流的同时，又都加大起动转矩，因此适合于重载起动，或要求起动过程较快的应用场合。l 对于绕线式异步电动机，则可在转子回路内串电阻；l 对于鼠笼式异步电动机，加大鼠笼转子的电阻值。8.3高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机8.3.1转子电阻值较大的鼠笼式异步电动机鼠笼异步电动机采取特殊的转子结构以实现起动时转子电阻自动增大，正常运行时转子电阻自动变小，这就是深槽式和双鼠笼异步电动机。8.3.2深槽式鼠笼异步电动机转子漏磁通分布导条内电流密度分布深槽式异步电动机是利用转子槽漏磁在导条内所引起的电流集肤效应l 起动时,转子频率较高,转子电流集中到导条上半部,使得转子的有效电阻增大,改善起动性能。l 正常运行时,转子频率很低,电流集肤效应基本消失,转子的有效电阻近似为直流电阻,电动机的工作特性接近于普通鼠笼电动机的特性。8.5三相异步电动机的各种运行状态8.5.1电动运行特点：与相同方向，为拖动性转矩。8.5.2能耗制动1.能耗制动基本原理为了分析异步电动机能耗制动性能，用三相交流电流产生的旋转磁通势等效替代。为什么引入等效替代？等效替代后，可以直接引用电动运行状态的分析方法与结论。等效替代条件：(1)磁通势幅值不变，；(2)磁通势与转子之间相对转速不变，。重要结论：l 电磁转矩是转子相对转差和转子电路参数的函数；l 能耗制动时的电磁转矩决定于定子等效交流电流(平方关系)；l 电动运行时的电磁转矩决定子绕组供电电压(平方关系)。能耗制动机械特性曲线特点：l 与电动运行机械特性曲线相似，正、负最大值对称且过原点；l 改变直流励磁电流的大小来调节制动转矩的大小；l 改变线绕式异步电动机转子电阻值来调节机械特性斜率和最大转矩点位置。5.能耗制动过程异步电动机拖动反抗性恒转矩负载（皮带运输机等由摩擦力产生负载转矩的机构），；l 正向电动运行状态，电动机机械特性曲线1与负载转矩特性曲线交于A点。l 切断电源，在定子绕组内通入直流电流，点，不能突变；l 准确停在处这是能耗制动停车过程。6.能耗制动运行异步电动机拖动位能性恒转矩负载（如起重机），；l 从，能耗制动停车过程；l 0点，开始反转;l 点， 能耗制动稳定运行。改变直流励磁电流或转子回路电阻可以调节能耗制动运行的转速。7.能耗制动功率流程的讨论l 能耗制动过程与能耗制动运行的功率流程的过程是相同的，把机械功率转换成转子电阻能耗制动功率，不同点在于机械功率的输入方式。l 能耗制动过程: 机械功率的输入是靠反抗性负载减少动能贮存来提供。l 能耗制动运行: 机械功率的输入是靠位能性负载减少位能贮存来提供。8.5.3反接制动1.反接制动与能耗制动的不同点是：反接制动停车是把正向运行的异步电动机的两相定子绕组电源突然反接，同时在转子回路串入较大电阻R来实现的。2.拖动反抗性恒转矩负载，反接制动停车的过程：l 正向电动运行状态，电动机机械特性曲线1与负载转矩曲线交于A点；l 定子两相绕组反接，同时在转子回路串入较大制动电阻R，;l C点，制动停车过程结束。曲线1固有机械特性曲线2电源相序为负序、转子串电阻的人为机械特性3.反接制动过程的功率流程:反接制动过程中，电动机相序为负序，同步转速，转速时，相应的转差率。，机械功率：，负载系统向电动机内输入机械功率。机械功率那里来？机械功率的输入是靠减小负载系统的动能贮存来提供。从定子边传递到转子边的电磁功率：转子回路铜损耗：与都转化为转子铜损耗，因此转子回路铜损耗很大，容易引起电机过热而损坏。4.反接制动后接着反向起动:对于拖动位能性恒转矩负载和较小反抗性恒转矩负载，如果在C点，不即时切断电源，那么电动机反向起动，进入第III象限，。讨论：7.反转制动停车的制动电阻计算：依据所要求的最大制动转矩进行。自学Pg.289例题8-4习题8.6某绕线式异步电动机的数据为：，,定子绕组Y接法，。拖动恒转矩负载，要求制动停车时最大转矩为1.8。现采用反接制动，求每相串入的制动电阻值。解：额定转差率临界转差率转子每相电阻负载运行时的转差率s计算，由得反接制动时转差率反接制动转子串电阻时临界转差率：则反接制动每相转子串入的电阻8.5.4倒拉反转运行l 异步电动机转子回路串入较大电阻R拖动运行，斜率大，曲线2与位能性恒转矩负载曲线交点B在第IV象限；l ；T与n方向相反，此刻这种制动运行状态称为倒拉反转运行或限速反转运行。讨论：l 倒拉反转运行与反接制动过程的功率流程的过程是相同的，；l 不同点在于机械功率的输入方式；反接制动过程: 机械功率的输入是靠负载释放动能来提供。倒拉反转运行: 机械功率的输入是靠位能性负载减少来提供。4.反向回馈制动运行异步电动机拖动位能性恒转矩负载l 当定子绕组正序供电时，机械特性曲线1与负载特性曲线交于第I象限A点，正向电动运行状态；l 当定子绕组负序供电时，机械特性曲线2与负载特性曲线交于工作点在第IV象限B点；l 位能性恒转矩负载是拖动性转矩，使得；称为反向回馈制动运行；转差率，发电机状态；l 重要结论