电机与电力拖动基础教程第5章(2).ppt

宁波工程学院 电机原理与拖动基础 下页 主讲人 包蕾 第5章 第5章三相异步电动机 下页 上页 第5章 本章教学基本要求 熟悉鼠笼式和绕线式异步电动机的基本构造及主要结构部件的作用 掌握三相异步电动机的基本工作原理 了解交流电机绕组的构成原则及其基本知识 了解短距系数 分布系数及绕组系数的物理意义 掌握三相交流绕组的类别及常用三相绕组的连接规律和特点 了解单相绕组磁动势性质 理解三相绕组磁动势性质及特点 理解交流电机绕组的感应电势公式 掌握感应电势的计算 了解异步电动机空载运行的物理过程 了解异步电动机负载运行的物理过程 了解三相异步电动机的工作特性 理解异步电动机空载运行时的基本方程式 等值电路 理解转差率对转子回路各物理量的影响 理解异步电动机负载运行时的基本方程式 等值电路 理解异步电动机负载运行时的功率 转矩平衡关系 理解电磁转矩表达式及其物理意义 掌握异步电动机功率 转矩计算 掌握三相异步电动机的参数测定方法 下页 上页 返回 第5章 本章教学重点和难点 重点 1 旋转磁场 三相异步电动机的基本工作原理 2 交流电机绕组构成 感应电势计算 三相绕组磁动势性质及特点 3 转差率对转子回路各物理量的影响 等值电路 功率 转矩计算 4 三相异步电动机参数测定 难点 旋转磁场的产生原理 三相绕组的连接规律 三相绕组磁动势性质及特点 感应电势 功率及转矩计算 下页 上页 返回 第5章 本次课程内容 重点和难点 内容 单相绕组的脉振磁动势 三相绕组的旋转磁动势 电动机的相电动势和线电动势重点 电动机磁动势大小 性质及特点 感应电动势计算难点 三相绕组磁动势性质及特点 下页 上页 返回 第5章 对于交流电机来说 无论是发电机还是电动机 当电枢绕组流过电流时 都要产生磁动势 三相交流电机的每相绕组在定子上的空间位置不一样 它们流过的交流电流的相位也不相同 产生的磁动势的大小 波形和性质等 都需要分析 分析过程 先讨论简单的一个线圈产生的磁动势 接着依次讨论线圈组 单相绕组和三相绕组的磁动势 5 4三相异步电动机的磁动势 下页 上页 返回 第5章 交流电机模型图 A相集中绕组 5 4 1整距线圈的磁动势 单层集中绕组 1 整距集中绕组的磁动势空间分布 整距绕组通入电流 产生两极磁场 线圈磁动势在某瞬间的分布如图 由全电流定律得 下页 上页 返回 第5章 在定子内圆表面建立空间坐标 以A相绕组轴线与定子内表面的交点作为空间坐标的原点 用空间电角度 表示 把气隙圆周展成直线 让横坐标表示沿气隙圆周方向的空间距离 下页 上页 返回 第5章 正磁势规定 磁感应线方向是出转子进定子为负值 由于空气隙的磁阻远远大于定 转子铁芯中的磁阻 可认为磁势全部降落在两个气隙上 即作用在每个空气隙的磁势为全部磁势的一半 iyNy 2 结论 通入电流的线圈 它所产生的气隙磁动势沿圆周分布是一个矩形波 在通电流的线圈处 气隙磁动势发生突跳 下页 上页 返回 第5章 用傅里叶级数分解矩形波磁动势 2 磁动势的空间谐波 设A相电流表达式 结论 通入电流的线圈 它所产生的气隙磁动势沿圆周空间分布是一个矩形波 轴线固定不动 幅值的大小和方向随时间按正弦规律变化 变化频率为电流频率 在通电流的线圈处 气隙磁动势发生突跳 空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁动势 下页 上页 返回 第5章 线圈磁场模拟分布图 下页 上页 返回 第5章 B相与C相电流建立的脉振磁场 下页 上页 返回 第5章 结论 1 单个线圈当通入交流电流时所产生的磁动势波是一个在空间按矩形波分布 波的位置在空间不动 但波幅的大小和正负随时间在变化的脉振磁势 2 线圈磁势除包含基波磁势外 还包含有3 5 7等谐波磁势分量 下页 上页 返回 第5章 3 谐波分析 对周期性变化的矩形波分布的磁势 用傅氏级数进行谐波分析 可分解成为 式中v 1 3 5 为谐波系数 系数Cv为 下页 上页 返回 第5章 下页 上页 返回 第5章 基波磁势为 为基波磁势最大幅值 三次谐波磁势为 为三次谐波磁势最大幅值 下页 上页 返回 第5章 五次谐波磁势为 五次谐波磁势最大幅值 还有七次 九次 十一次等高次谐波磁势 五次谐波和高次谐波 下页 上页 返回 第5章 谐波次数越高 其幅值就越小 为了改善波形 除基波以外 考虑消除三 五 七次谐波 由于三次谐波及三的倍数次谐波在绕组连接成三相对称绕组时就已相互抵消 而五 七次谐波可通过短距和分布绕组来基本消除 因此当连成三相绕组后 只考虑基波磁势就可以了 分析 下页 上页 返回 第5章 幅值随时间按电流的变化规律而变化 基波及各次谐波磁通势的特点 1 基波及各次谐波磁通势的最大幅值 2 基波及各次谐波磁通势的极对数 3 基波及各次谐波磁通势幅值随时间变化的关系 脉振波 讨论 基波脉振磁通势 下页 上页 返回 第5章 结论 一个脉振磁势可以分解为两个幅值相等 转速相同 转向相反的两个旋转磁势 它们的幅值是原脉振磁势最大幅值的一半 下页 上页 返回 第5章 5 4 2整距线圈的线圈组磁动势 下页 上页 返回 第5章 基波磁通势的分布系数 下页 上页 返回 5 4 3短距线圈的线圈组磁动势 短距系数 下页 上页 返回 第5章 第5章 分布短距对气隙磁通势波形的影响 谐波磁通势的绕组系数 1 只要设计得合适 就能够大大削弱各次谐波磁通势 下页 上页 返回 第5章 5 4 4单相绕组磁通势 下页 上页 返回 第5章 单相绕组磁动势的性质 单相绕组的磁动势是一种在空间位置固定 幅值随时间变化的脉振磁动势 基波及所有谐波磁通势的幅值在时间上都以绕组中电流变化的频率脉振 单相绕组基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合 基波磁动势的幅值为 次谐波磁通势的幅值为 所以谐波次数愈高 幅值愈小 下页 上页 返回 第5章 5 4 5三相绕组的磁动势 取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点 并以正相序方向作为x的正方向 同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点 A B C三个相的基波磁通势表达式为 下页 上页 返回 第5章 三相绕组的基波合成磁动势 下页 上页 返回 第5章 三相基波合成磁通势的特性 三相基波合成磁通势是一个旋转磁通势 转速为同步转速n1 60f1 p 旋转方向决定于电流的相序 即从超前电流相转到滞后电流相 幅值F1不变 为各相脉振磁动势幅值的3 2倍 三相电流中任一相电流的瞬时值到达最大值时 三相基波合成磁通势的幅值 恰好在这一相绕组的轴线上 推论 m相对称绕组通以m相对称电流时 所形成的m相合成磁通势 也是圆形旋转磁通势 其幅值为各相脉振磁通势幅值的m 2 其转速仍为同步转速 下页 上页 返回 第5章 三相的高次谐波磁通势 次谐波 合成磁动势均为旋转磁动势 转速为n0 n0 6K 1次谐波的旋转方向与基波合成磁动势相反 6K 1次谐波的旋转方向与基波合成磁动势相同 次谐波 下页 上页 返回 1 2 旋转磁动势中含有高次谐波磁动势 但不包括3次谐波或3的倍数次谐波 第5章 旋转磁动势产生的条件和旋转磁动势特点思考题 P1675 12 5 13 5 14作业 P1675 6 5 15预习 三相异步电动机的电动势 课后复习要点 上页 返回 第5章 5 5三相异步电动机的电动势 5 5 1导体中的感应电动势用旋转磁极模拟气隙中的旋转磁场 4极 以恒定转速n1 r min 顺时针旋转 基波磁密沿气隙圆周正弦分布 用A X表示定子A相绕组中的一个线圈 分析时 从导体电动势开始 逐步引伸到整距匝电动势 短距匝电动势 短距线圈电动势 线圈组电动势和相电动势 式中B 为基波气隙磁密幅值 基波气隙磁密 wt 下页 上页 返回 第5章 1 感应电动势波形 定子导体中感应电动势的瞬时值 式中 l为导体有效长度 m v为切割导体的相对线速度 m s 导体中感应电动势随时间正弦变化 2 感应电动势的频率 在一对磁极情况下 导体A每经过一对主磁极 其中的感应电势经历一个周期 当电机转子上有p对主磁极 电机每旋转一圈 导体A中的基波感应电势变化p周 则导体A中基波感应电势频率为 下页 上页 返回 第5章 3 感应电动势的大小 每极磁通量为 电动势最大值 有效值 下页 上页 返回 第5章 5 5 2线圈的电动势 两导体A X就构成一整距线匝 它们中的感应电势总是大小相等 方向相反 整距线匝基波感应电势为 1 单匝整距线圈的电动势 用相量表示时 有效值 下页 上页 返回 第5章 基波短距系数 2 单匝短距线圈的电动势 如果线圈的节距y1 t 为短距线圈 设短距线圈的节距y1 yt 其中0 y 1 两个有效边的感应电动势相量大小相等 相位差为 短距系数意义一 线圈短距时电动势比整距时打的一个折扣 下页 上页 返回 第5章 3 多匝线圈的电动势 多匝线圈由Ny个相同的线匝组成 整个线圈的电动势 短距系数意义二 把实际的短距线圈看成是整距线圈 等效匝数为ky1Ny 下页 上页 返回 第5章 5 5 3线圈组的电动势 基波分布系数 若q个线圈放在q个槽内 各线圈电动势大小相同 相位相差 电角度 电动势为 下页 上页 返回 第5章 整距线圈组 短距线圈组 基波绕组系数 绕组系数意义 线圈组电动势由于短距和分布而减少的程度 基波分布系数是一个小于1的数 其含义是 分布放置的线圈要比将各线圈集中放置在一个槽中的基波感应电势小 可以这样认为 把实际q个分布放置的整距线圈 看成是集中放置的 但它们的总等效匝数为qNykq1 下页 上页 返回 第5章 5 5 4相电动势 每相绕组有a条支路 一条支路由若干个线圈组串联组成 一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势 对于双层绕组一共有2p个线圈组 单层绕组则有p个线圈组 当一相的并联支路数为a条时 将一条支路中各个线圈组电势相加起来 便可得到一相电势 基波电动势 对单层绕组 对双层绕组 对比变压器 N为各相串联匝数 单层 双层 Ny为单个线圈匝数 下页 上页 返回 第5章 对v次谐波 5 5 5电动势中的谐波分量 为v次谐波绕组系数 每相绕组v次感应电势有效值 下页 上页 返回 第5章 磁场非正弦分布所引起的谐波电势的削弱方法 改善主磁极磁场的分布 改善磁场分布的目的是使磁密的分布比较接近正弦 采用短距绕组来削弱高次谐波 改善交流绕组的构成 削弱谐波电动势 选择适当的短距绕组 使高次谐波的短距绕组系数远比基波的小 故能在基波电势降低不多的情况下大幅度削弱高次谐波 下页 上页 返回 第5章 采用分布绕组来削弱高次谐波 采用 接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波 当每极每相槽数q增加时 基波的分布系数减小不多 但高次谐波的分布系数却有显著减小 故增加每极每相槽数可削弱高次谐波电势 在三相绕组中 各相的三次谐波电势大小相等 相位也相同 并且三的奇数倍次谐波电势 如9 15次等 也有此特点 当三相绕组接成Y连接时 线电势为两相的相电势之差 故3次谐波电势为零 电机绕组多采用Y形连接 当三相绕组接成 时 回路中产生三次谐波环流 三次谐波电势正好等于三次谐波电流所引起的阻抗压降 所以在线电势中也不会出现三次谐波 但作 连接时会在绕组中产生附加的三次谐波环流 使损耗增加 效率降低 温升变高 故电机绕组很少采用 形连接 下页 上页 返回 第5章 课后复习要点 1 分布 短距和绕组系数的含义及表达式2 绕组感应电势的计算思考题 P1665 5作业 P1675 8预习 异步电动机的电磁分析 上页 返回 第5章 1 某三相异步电动机的转速nN 960r min 则其同步速度n1 1000r min 转差率s 0 04 磁极对数p 3 电网频率50Hz 2 三相异步电动机旋转磁场的转速与 电源频率 成正比 与 电机磁极对数 成反比 3 三相异步电动机改变转向的方法是 将定子绕组端头任意两相对换 改变定子电流相序 4 三相异步电动机按照转子结构不同可分为两大类 鼠笼式 和 绕线式 5 异步电动机的额定功率是指 额定情况下由轴端输出的机械功率 6 异步电动机由静止不动的 定子 和旋转的 转子 组成 7 异步电动机有三种运行状态 它们是 电动机 发电机 和 电磁制动 思考题 第5章 8 异步电动机稳定运行时转子的转速比定子旋转磁动势的转速要 小 有 转差率 的存在是异步电动机旋转的必要条件 9 当0 s 1时 异步电动机运行于 电动机 状态 此时电磁转矩性质为 驱动 电动势性质为 反电动势 10 异步电动机转差率s n1 n n1 作为电动机运行状态 s是在 0 1 范围内变化 11 三相单层绕组的总线圈数 1 2 槽数 三相双层绕组的总线圈数 1 槽数 12 交流电机的电角度与机械角度的关系是 电角度 p 机械角度 13 有一四极24槽的三相交流电机 则该电机的极距t 6 每极每相槽数q 2 槽距角a 30 14 一个整距线圈的两个有效边 在空间相距电角度为 180 如果电机为p对磁极 在空间相距的机械角度为 180 p 15 一三相六极双层短距叠绕组 定子槽数Z 36 节距y 8 则其ky1 0 866 kq1 0 966 16 交流电机绕组基波相电动势的表达式EF1 4 44f1NkW1F1 其大小取决于 电源频率 每相串联匝数 绕组系数 和 每极磁通 17 单相绕组流过单相交流时 产生的磁势是 脉振 磁势 三相对称绕组流过三相对称交流电流时 产生的磁势是 圆形旋转 磁势 18 将三相异步电动机接到三相对称电源上 现任意对调两相 电动机将会 反转 19 三相异步电动机的 异步 是指 旋转磁场的转速与转子转速不同步 20 要改变三相异步电动机的转向 方法是 将定子绕组端头任意两相对换 改变定子电流相序 21 交流绕组如用q表示每极每相槽数 用a表示槽距角 则绕组的分布系数kq1 第5章 22 改变电流相序 可以改变三相旋转磁通势的转向 23 异步电动机转速下降时 转子电流产生的转子基波磁动势相对于定子绕组的转速也会随之下降 24 不管异步电机转子是旋转还是静止 定 转子磁通势都是相对静止的 25 异步电动机的转子绕组必须是闭合短路的 26 一个整距线圈的两个有效边 在空间相距电角度为90 27 异步电动机工作时转子的转速总是小于同步转速 28 绕线式三相异步电动机可在转子回路开路后继续运行 29 三相单层绕组的总线圈数等于槽数 30 三相异步电动机定子磁动势相对转子磁动势的转速就是同步转速 第5章 31 三相异步电动机空载时 气隙磁通的大小主要取决于 A A 电源电压 B 气隙大小 C 定 转子铁心材质 D 定子绕组的漏阻抗 32 绕线式异步电动机 定子绕组通入三相交流电流 旋转磁场正转 转子绕组开路 此时电动机会 C A 正向旋转 B 反向旋转 C 不会旋转 D 不定 33 一台异步电动机 其 s 1 此时电动机运行状态是 C A 发电机 B 电动机 C 电磁制动34 异步电动机空载电流比同容量变压器大 其原因是 C A 异步电动机的损耗大 B 异步电动机是旋转的 C 异步电动机气隙较大 D 异步电动机漏抗较大 35 某三相交流电机定子槽数为36 极对数为3 双层短距分布绕组相邻两槽内导体基波电动势的相位差a为 B A 15 B 30 C 45 D 60 第5章 36 交流绕组的绕组系数通常为 A A 小于1 B 大于1 C 等于137 一台异步电动机 其0 s 此时电动机运行状态是 A A 发电机 B 电动机 C 电磁制动38 一台50三相感应电动机的转速为n 720r min 该电机的极数和同步转速为 C A 4极 1500r min B 6极 1000r min C 8极 750r min D 10极 600r min 39 三相异步电动机气隙增大 其他条件不变 则空载电流 A A 增大 B 减小 C 不变 D 不能确定40 当异步电动机转速下降时 转子电流产生的转子基波磁动势相对于定子绕组的转速 C A 增大 B 减小 C 不变 D 不定 第5章 41 当线圈的节距y t时 其短距系数 B A 大于1 B 小于1 C 等于1 D 小于或等于142 一台三相四极异步电动机 额定转差率是0 04 若电源频率是50Hz 则电动机的转速为 B A 1450r min B 1440r min C 960r min D 950r min43 三相绕组的相带应按 A 的分布规律排列 A A Z B X C Y B A B C X Y Z C A X B Y C Z D A C B X Z Y44 UN IN hN cosjN分别是三相异步电动机额定数据 则三相异步电动机额定功率PN为 A A B C D 第5章 45 异步电动机的转速能否达到同步转速 为什么 答 异步电动机的转速不能达到同步转速 因为若两者速度相等 就没有相对运动 不能在异步电动机转子绕组产生感应电动势和电流 也产生不了电磁转矩使转子转动 所以电机转速