电机原理与拖动第5章课件(一).ppt

电机原理及拖动 下 东北大学 内容介绍 第五章三相异步电动机原理 转子转速与旋转磁场转速的关系 异步机何时同步 第一节异步机用途 结构 简单原理 用途 无处不在 优点 简单 可靠 维护少缺点 调速性能差 已克服 但控制复杂 结构定子 铁心三相对称绕组 空间相差120 电角度 通入三相对称电流 时间相差120 电角度 转子 铁心绕组 三 关于旋转磁场 旋转磁场的基本知识电流正方向定义 尾入为正 旋转磁场的分析 当 磁场旋转机械空间角度120 交流电机的旋转磁场 图5 1 当 旋转磁场与定子极对数的关系 当 磁场旋转机械空间角度60 1 p 120 当 讨论与结论 p 1 电流完成1个周期 磁场转过1圈 机械空间角度360 静止转子导体感应电动势变化1个周期 p 2 电流完成1个周期 磁场转过1 2圈 机械空间角度1 p 360 即转过1对磁极 静止转子导体感应电动势变化1个周期 空间 电角度的定义 1对极对应的空间角度称为360 的电角度 即 电角度 p 机械 空间 角度角位移 电角度 的推导 交流电机的同步转速 定子旋转磁场速度 n1 四 简单原理 运行原理异步电动机运行示意图 图5 2 n1 定子旋转磁场的转向相对定子磁场的旋转 转子导体切割磁力线的方向与n1相反 感应电势与感应电流的方向基本同向 电流稍滞后 右手 转子受力 即转子旋转方向 左手 同步转速 60f1 p旋转磁场的速度与电源频率严格同步 f1 50Hz p 1 n1 3000r minp p1 n1 3000 p1 60f1 pr min 滑差的定义转速差 n n1 n转差率 滑差 s n1 n n1sN 0 03 0 08 标幺值 nN 1440r min sN nN 570r min sN nN 920r min 电磁转矩T方向 与磁场同向大小 取决于负载 负载决定实际滑差 四象限运行s 0 理想空载s1 反接制动0 s 1 电动异步机铭牌额定功率PN 轴输出的机械功率 kW UN IN 线f1 50 60Hz nN 920r min 第二节交流电机的绕组及其电势 交流电机的共同问题 绕组结构绕组的电势绕组的磁势研究的方法电势 绕组 磁势 一 绕组的电势 以同步发电机为例 方法 导体电势 元件电势 整距 短距 电势 元件组电势 分布 相电势 元件组的组合 线电势 Y 同步发电机 p 1 n 3000r min 问 定子电势e1 导体电势导体电动势 图5 5 频率f1 pn1 60 导体电势波形e B lvB 为导体所处的气隙磁密 图5 6 l v为常量 e波形 图5 7 与B 波形相似 谐波分析B f 空间 e f t 时间 二者波形相似 均可按傅立叶级数分解为基波和3 5 7 高次谐波 绕组设计 原则 力图使e f 正弦措施 短距 分布目标 消除谐波 导体电势幅值 只看基波 谐波不用考虑 eu1 E1msin tE1m B1mlv B1ml 2p n1 60Bav B1m 2 m Bavl E1m m f1有效值 比较 变压器电势 4 44Nf1 m 线圈 2个有效导体边 匝电势及元件电势节距 y 与极距 的关系 整距 短距和长距 y与 均以槽数度量 匝电势 图5 10 整距 有效值 EU1U2 2EU1 4 44f1 m整距元件电势E 4 44Nyf1 m 短距元件电势 图5 11 Ey 4 44NyKyf1 mKy的推导 y 180 Ey 2EU1sin 2 短距系数 Ky sin y 90 次谐波磁场在线匝中产生的感应电势 次谐波电动势相量图 图5 12 次谐波电势的短距系数Ky sin y 90 次短距消谐作用 令Ky 0 注意 短距消谐是时间量ey 没有或减弱了 但空间量B 依然存在 三次谐波在三相电机中不起作用 元件组电势q个元件串联而成的元件组示意图 图5 13 元件组电动势相量图 图5 14 槽距角 电角度 2p Z Z为槽数 绕组的分布系数推导 元件组电动势为q个元件电动势的相量和 E 分布 相量和 集中 算术和 绕组系数 K KyKp短距分布元件组电势 次谐波的分布系数 采用元件组分布安放的作用 消谐波表面利用率高 相 线电势实际电机绕组为三相 每相以元件组为基本单元 或并或串 分析元件组即可计算相 线电势 例5 1一台异步电机定子三相绕组的数据为槽数Z 18 极数2p 2 元件组串联元件数q 3 元件节距y 7 1 8槽下线 试求绕组的ky1 kp1 kw1 ky5 kp5 kw5 二 三相单层对称绕组 槽电势星 槽电势向量星形图 研究元件在电空间的向量图的目的 利用槽电势星分析 设计绕组 依据 各槽导体 或元件边 感应的电动势幅值相等 相临两槽电动势的相位差等于两槽之间所夹槽距角 依次画出所有槽中导体的电动势相量图正好形成对称星形图 4极 24槽电机模型及其槽电势星图 图5 15 返回28 返回25 返回29 1 三相定子绕组概述 绕组组成原则电势波形正弦 一般采用短距 分布绕组三相对称 互差120度低成本 用铜少工艺简单 结构合理分类相数 单相 两相 绕组不对称 民用 电冰箱 三相 多相 特殊 层数 单层 小容量 等元件式 同心式 链式和交叉链式 双层 叠绕组 波绕组 转子采用 2 绕组 特点 单层一般整距 短距困难 少用 分析方法 槽电势星为依据名词槽距角 p 360 Z Z为槽数 每极每相槽数 q Z 2pm m为相数 相带 q60 和120 相带 A Z B X C Y 举例 Z 24 p 2 y a 1或2 并联支路数 60 相带 画单层U相绕组展开图 步骤一 求参数 Z 2p 24 4 6y 6 p 360 Z 2 360 24 30 q Z 2pm 24 2 2 3 2相带 q 60 相带步骤二 画槽电势星 图5 15 b 步骤三 分相带 图5 15 b A 1 7 2 8 13 19 14 20 XB 5 11 6 12 17 23 18 24 YC 9 15 10 16 21 3 22 4 Z 步骤四 画一相绕组展开图U相绕组展开图 a 1 图5 16 1 U相绕组展开图 a 2 图5 16 2 3 绕组电势的计算 相电势 Ep 元件组电势 p a元件组电势 绕组系数 K KyKp 线电势根据接线确定 Y 三 三相双层对称绕组 优点 元件短距容易 消谐波 举例 Z 24 p 2 y 5 6 a 1 60 或120 相带 画双层U相绕组展开图 步骤一 求参数 Z 2p 24 4 6y 5 p 360 Z 2 360 24 30 q z 2pm 24 2 2 3 2 q 60 相带步骤二 画元件电势星 图5 15 b 步骤三 分相带 图5 15 b 60 相带U1 1 2 7 8 13 14 19 20 U2V1 5 6 11 12 17 18 23 24 V2W1 9 10 15 16 21 22 3 4 W2120 相带U1 1 2 3 4 13 14 15 16 U2V1 5 6 7 8 17 18 19 20 V2W1 9 10 11 12 21 22 23 24 W2步骤四 画一相绕组展开图U相绕组展开图 短距 60 相带 图5 18 1 U相绕组展开图 整距 60 相带 图5 18 2 U相绕组展开图 短距 120 相带 图5 19 绕组系数的计算 绕组系数 K KyKp 比较 60 相带好于120 相带 基波电势下降小 相电势的计算Ep 元件组电势 2p a例题 例5 2 自己看 作业 5 6 5 7 四 相电势讨论 单层 1 7 2 8 13 19 14 20 双层 1 2 7 8 13 14 19 20 第三节交流绕组的磁动势 磁势单相绕组通入交流电流 产生脉振磁势多相对称绕组通入多相对称电流 产生 圆 旋转磁势磁势为时空函数 既是空间位置的函数 又是时间的函数 其决定着电机的原理 在空间的分布随时间的运动分析方法分析一对极即可一对极范围内分布着三相绕组 等效成集中 整距去分析 实际 短距 分布可用绕组系数去反映 假定条件 气隙均匀 铁芯不饱和 一 单相绕组的脉振磁势 全距集中绕组磁势在空间的分布全距集中绕组磁势 图5 23 磁力线分布电流正方向 尾入为正磁势正方向 符合右螺旋定则磁动势波形时间起点 相电流达到 Im时刻空间起点 该相绕组正轴线处全电流定律 磁动势 磁压降 两段气隙磁压降 假设i I C 则气隙磁动势沿空间分布的波形为矩形波 磁动势的空间谐波 空间位置的函数 图5 24 依据磁动势傅立叶分解表达式 只考虑基波 分布 短距消谐作用 单相绕组的脉振磁势 考虑短距 分布 图 5 25 波幅在U1U2绕组轴线上 波结在U1 U2点 f f1 绕组电流 分解为行波方程 图5 26 两个分别在电机气隙圆周上向前和反向的圆形旋转磁动势 脉振磁势的分解 单相绕组磁动势的性质 随时间脉动的空间矩形波 可分解为一系列的空间谐波 各谐波脉振频率相同 均为电流频率 绕组的短距与分布对空间高次谐波有很大的消减作用 消减程度由绕组系数kw决定 基波脉振磁动势是物理学中的驻波 即是时间的余弦函数又是空间的余弦函数 可分解为两个转向相反 转速相同 幅值相等的旋转磁动势 幅值等于脉振磁动势最大幅值的1 2 二 三相绕组的合成旋转磁势 分析方法解析法 三角函数法 几何作图法 瞬时波形法 空间矢量法解析法坐标 A相电流达到 Im时刻为t 0 A相电流正轴线处 0三相电流 三相脉振 分解 合成 合成磁势在电机气隙圆周上是旋转的 其幅值恒定 为单相脉振磁势幅值的1 5倍 其转速为n1 60f p 旋转方向取决于电流的相序 电流相序 如 U V W 与磁势旋转方向 也为 U V W 相同 任意对调两相绕组的接线 即可改变磁势旋转方向 合成磁势的幅值出现在电流达到最大值的绕组的轴线上 三相对称绕组通入对称电流磁动势的性质 瞬时波形法一对磁极全距集中绕组电机模型 图5 27 分时画磁势在空间的分布波 图5 28 磁势的空间矢量表示法 空间正弦量的矢量表示法 图5 29 脉振把电流随时间变化这一因素考虑进去 即空间任一位置磁动势是时间的函数 空间矢量的合成与分解 合成 把两个线圈等效为一个线圈的作用 图5 31 分解 把一个矢量分解成两个线圈的作用 三相绕组的磁势矢量合成 图5 32 空间旋转矢量的表示方法把一个沿空间正弦分布并以恒定的速度向前旋转的磁动势 称为旋转磁动势 如 脉振磁势的分解 三相磁动势的合成 磁动势与产生它的电流成正比 比例系数与匝数 绕组系数 极对数等有关 交流调速课 电流空间矢量 概念 实质是与之对应磁动势空间矢量 作业 5 15 5 16 课堂练习 分析电机在以下情况下的磁动势状态 星接 缺相搭相角接 缺相内部断相缺相对电机运行的影响电机转着 转但有振动 静止 振动但不转 课堂练习 分析电机在以下情况下的磁动势状态 星接 缺相搭相角接 缺相内部断相缺相对电机运行的影响电机转着 转但有振动 静止 振动但不转 第四节转子不转时的异步电动机 概述异步机工作原理 复杂 电 磁 机械 定子绕组接到电源上 吸收电功率 功率传到转子 电磁耦合 类似于变压器 定 转子磁势相互作用产生电磁转矩 转换为机械能转子 不转 转子开路 绕线式 研究定子转子堵转 研究 磁势平衡 不用考虑机械功率 分析方法 转子开路 定子电磁关系 转子堵转 旋转磁势平衡 变压器为脉振磁势平衡 转子转动 机械功率与转矩 一 转子开路时的异步电动机 绕线式 电磁状况假定定 转子 代表相 同轴 即AX与ax同轴 教材图5 34 定子电流只是励磁电流电磁关系 2 主磁通和漏磁通主磁通 由基波旋转磁动势产生的通过气隙并与定子绕组和转子绕组同时交链的磁通为主磁通 它是电机进行机电转换的媒介 路径 从定子轭经定子齿 空气