电机拖动第六章.ppt

交流电机,交流电机主要分为同步电机和异步电机；两类电机在励磁方式和运行特性上有很大差别；两类电机的定子绕组的结构形式是相同的。,概述,1.定子绕组的主要作用(1)交流电动机：产生旋转磁场带动转子转动，同时在自身感应出交流电动势；(2)交流发电机：产生交流电动势和电流输出，同时产生旋转磁场。因此，定子绕组是交流电机中电磁能量转换的关键部件，即电枢。,2.普通交、直流电机主要结构的区别,3.交流电机定子绕组的基本理论(1)定子绕组中的感应电动势；(2)定子绕组产生的磁场或定子绕组磁通势。,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,交流电机正常运行时，交流电机三相对称绕组中会有三相对称感应电动势（三相对称感应电流）产生，空间有旋转磁通（磁通势）产生，两者的作用是相互的。假设旋转磁场已产生，且在空间呈正弦分布，研究绕组电动势。,6.1.1导体电动势,定子,转子,导体中感应的基波电动势随时间变化的波形，决定于气隙中磁密的分布波形。,则有：,(1)空间电角度和空间机械角度,空间电角度（）：在电机里，我们把一对主磁极表面所占的空间距离，用空间电角度表示，定为360度（或2弧度）机械角度（）：电机整个转子表面所占的空间几何角度，也定为360度（或2弧度）,(2)气隙磁密的空间变化规律和电动势的时间变化规律相同,气隙磁密的空间电角度=电动势的时间电角度,转子（磁场）旋转的电角速度=基波电动势的角频率,(3)转子(磁场)转速n与电枢绕组电动势频率f的关系,若当磁场转速为n时，可知电枢绕组中感应电动势的频率为f；若当已知电枢三相对称绕组中电流频率为f时，产生的旋转磁场转速为n，称为同步转速。,(4)单根导体感应电动势的有效值,结论：空间相距电角度的两根导体，感应电动势的相位也相差时间电角度，超前滞后关系与磁场转向有关。,(5)空间相距电角度的两根导体的电动势,6.1.2整距线匝电动势,一个线匝的两条边相距一个极距（180度空间电角度或弧度空间电角度）时，称为整距线匝。,头,尾,6.1.3整距线圈的电动势,一个线圈由Wy匝串联而成。线圈两边的距离y1叫节距，用空间电角度表示；y1=(即y1=)的线圈是整距线圈；y1(即y1)的线圈是长距线圈。,结论：一个线圈与一个磁密为空间正弦分布的磁场相切割时，产生的切割电动势和线圈环链正弦变化的磁场产生的感应电动势完全一样。说明切割电动势也是线圈环链一个交变的磁通的结果。,6.1.4短距线圈电动势,头,尾,基波短距系数,6.1.5整距分布线圈组的电动势,为了充分利用电机定子内圆空间，定子上不止放一个线圈，而是放n个线圈，且均匀地分布在定子内表面的槽里。这些线圈的匝数彼此相等，按头尾互相串联起来，称为线圈组。这些线圈可以是整距线圈，也可以是短距线圈。,分布线圈组,整距分布线圈组基波电动势：短距分布线圈组基波电动势：,八极交流电机电枢绕组中有两根导体，相距45空间机械角，这两根导体中感应电动势的相位差多少？,六极电机电动势频率为50Hz，主磁极旋转转速是多少？,四极交流电机电枢线匝的两个边相距80空间机械角，画出这两个线匝边感应电动势相量图，并通过相量简单合成的方法计算短距系数。,六极交流电机电枢绕组有54槽，一个线圈的两个边分别在第1槽和第8槽，这两个边的电动势相位差多少？两个相邻的线圈的电动势相位差多少？画出基波电动势相量图，并在相量图上计算合成电动势，从而算出绕组短距系数。,6.2交流电机电枢绕组,从发电机的角度出发，安排定子三相绕组，使得三相绕组感应电动势大小相等，相位互差120。在电机电枢表面上相距空间电角度的两根导体也好，或者两个线圈也好，它们感应的基波电动势在时间相位上，也必然相差时间电角度。,6.2.1三相单层绕组,1、三相单层集中整距绕组(p=1),缺点：感应电动势波形不好，电枢表面的空间没有充分利用。于是，采用下面的分布绕组进行改进。,2、三相单层整距分布绕组已知一台电机，定子上总槽数Z=24，极对数p=2，转子逆时针方向旋转，转速为n（r/min），试连接成三相单层分布绕组。,第二步：画槽基波电动势星形相量图,第一步：计算定子相邻两槽之间的槽距角(空间电角度)和每极每相槽数q,第三步：按60相带法分相根据基波电动势星形相量图，把有关槽里的导体分配到三个相里，连成三相对称绕组。方法：把基波电动势星形相量图分成六等份，每一等份为60时间电角度。这60时间电角度内的相量对应着定子空间60电角度范围内的槽，这些槽在定子内表面上所占的地带叫相带。这种分法叫60相带法。,分布线圈个数=每极每相槽数q,特点：(1)每相每对极下有一个线圈组（每相有p个线圈组）；(2)每个线圈组分布线圈个数为q,第四步：画绕组的连接图,每相在每极下的槽数（或线圈数）,第五步：确定绕组并联的路数单层绕组最多可并联的支路数为a=p（p为极对数）第六步：计算相电动势,6.2.2三相双层绕组,双层绕组是定子上每个槽里放两条线圈边，电机线圈的总数等于定子总槽数。双层绕组的优点是线圈能够任意短距（可以改善电动势波形）。,已知三相电机定子总槽数Z=36，极对数p=2，节距y1=7(槽)，并联支路数a=1，连接成三相双层短距分布绕组。,第一步：计算槽距角和每极每相槽数q,第二步：画槽基波电动势星形相量图（注意：每个相量代表一个短距线圈的电动势，而不是导体电动势）,第三步：按60相带法分相,第四步：画绕组连接图,特点：(1)每相每极下有一个线圈组(每相有2p个线圈组极相组)；(2)每个线圈组分布线圈个数为q,第五步：确定绕组并联支路数双层绕组的并联支路数最多是a=2p。,第六步：计算相电动势,短距线圈基波电动势,极相组基波电动势,相绕组基波电动势,四极交流电机，电枢绕组采用双层短距分布绕组，电枢有36槽，槽距角大小应为，相邻两个线圈电动势相位差。若线圈两个边分别在第1、第9槽中，绕组短距系数等于，绕组分布系数等于，绕组系数等于。,例：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槽，每个线圈串联的匝数Wy=20，并联支路数a=1，频率f=50Hz，基波每极磁通量=0.00398Wb，求：,导体基波电动势；线匝基波电动势；线圈基波电动势；极相组基波电动势；相绕组基波电动势。,解：(1)导体基波电动势,(2)极距为,线匝基波电动势,由于线圈节距为y1=5槽，则短距系数为,(3)线圈基波电动势,(4)每极每相槽数(分布线圈数),基波分布系数,槽距角为,极相组基波电动势为,(5)每相串联的总匝数,绕组系数为,相绕组基波电动势,6.2.3绕组的谐波电动势,电机气隙中的磁密分布除了基波之外，还有诸如三次、五次、七次等奇数次谐波。当绕组采用了短距、分布以及三相连接时，则可以使各次谐波电动势大大削弱，甚至为零。,一.谐波短距系数和分布系数及短距、分布对谐波的削弱,基波磁密p=1三次谐波磁密p=3五次谐波磁密p=5,电角度关系次谐波电角度等于乘以基波电角度。=,例：上例中，一台三相异步电动机，定子采用双层短距分布绕组，p=3。5次谐波每极磁通量5=0.00004Wb，7次谐波每极磁通量7=0.00001Wb，求：五、七次谐波绕组感应电动势。,解：由上例的求解，=30，q=2，y=5/6，W=240,通常选择y1=(5/6)以同时削弱5、7次谐波电动势；通常一般交流电机选择1q7，削弱5、7次谐波电动势。,例：某交流电机极距按定子槽数计算为10，若希望线圈中没有五次谐波电动势，计算线圈应取多大节距。,解：利用绕组短距消除五次谐波，令五次谐波短距系数,由于是短距，则：n=1或n=2，此时，y=0.4或y=0.8,y=0.4时的基波短距系数为:,y=0.8时的基波短距系数为:,因此，取y=0.8，线圈节距为0.8空间电角度。,二.绕组三相连接对谐波的抑制作用,3.三相绕组星形接法时，三次谐波线电动势为：,1.三相绕组基波相电动势大小相等，相位互差120电角度；,2.三相绕组三次谐波相电动势互差1203=360。因此，三次谐波相电动势。,4.三相绕组三角形接法时，内部会有三次谐波的循环电流：,结论：三相绕组无论是星形接法还是三角形接法，线电压里都不会出现三次谐波或三的倍数次谐波电压。,但三次谐波线电压为：,6.3交流电机电枢单相绕组产生的磁通势,当电流流过绕组时就会产生磁通势。所谓磁通势，指的是绕组里的全电流，或安培数，其方向用右手螺旋定则来确定，无损耗时，的方向与其相同。假定：槽内导体集中于槽中心处线圈中电流为正弦波铁心不饱和，即磁通势全部降在气隙上。,6.3.1整距线圈的磁通势分布,1、整距线圈的磁通势,定子,正方向规定：电流从线圈X端流进，A端流出；磁通势从定子到转子的方向为正方向。,整距线圈磁通势总磁通势大小为：fy=iWy作用在上下两段气隙的磁通势为：(1/2)iWy；形成的每个磁极的磁通势为：(1/2)iWy。,假定已知线圈里流的电流随时间按余弦变化，即,矩形分布的磁通势表达式为：,2、磁通势傅立叶展开,磁通势傅立叶展开式为：,其中：,特点：谐波次数越高，该谐波磁通势的最大幅值越小。,其中，磁通势的最大幅值为Fy：,特点：基波及各谐波磁通势的极对数关系为p=p1,特点：基波及各谐波磁通势幅值随时间按正弦规律变化,例如：基波磁通势为,单个线圈磁通势性质：脉振磁通势，脉振频率=电流频率,3、基波脉振磁通势的分解把整距线圈的基波磁通势进行如下变换：,例如：基波磁通势向量图,4、磁通势的空间向量表示,一个在空间按余弦分布的磁通势波，可以用一个空间向量来表示：向量的长度等于该磁通势的幅值，向量的位置就在该磁通势波正幅值所在的位置。,例如，基波磁通势行波分量的空间向量图,则，两个磁通势分量的空间向量在空间以电角速度以相反方向旋转。,结论：一个脉振磁通势向量可以分为两个波长与脉振磁通势完全一样，朝相反方向旋转的旋转磁通势向量，其幅值是原脉振向量最大幅值的一半。当脉振磁通势向量振幅为最大值时，两个旋转磁通势向量正好重叠在一起。,6.3.2双层短距线圈的磁通势,由前例，当p=2时双层短距绕组单相展开图如图所示，则在一对极下有两个短距分布绕组(极相组)。下面先讨论每对极下的两个线圈产生的磁通势，再讨论q对分布线圈的合成磁通势，即单相绕组的磁通势。,将上例简化为p=1时两个短距线圈的情况。,也可将合成磁通势波形进行傅立叶展开，无直流量及各次正弦量和偶次谐波分量，只含有奇次的余弦量。,傅立叶展开式为：,特点：双层短距线圈与整距线圈磁通势幅值关系为F双=2Fyky在每个线圈匝数相同时，双层绕组每极磁通势要大。,6.3.3分布线圈组产生的磁通势,无论是整距分布线圈还是短距分布线圈，在空间相距电角度，通以相同的电流时，各线圈产生的磁通势向量在空间相差电角度。,分布线圈组,磁通势幅值最大值为：,6.3.4双层短距分布绕组单相磁通势,双层短距分布绕组单相磁通势幅值最大值为,又因为双层短距线圈磁通势表达式为,则，单相绕组磁通势表达式为,其中,结论：单相绕组的基波磁通势特点,单相绕组产生的基波磁通势为脉振磁通势。在气隙空间按cos分布，其振幅随时间按cost变化，其中F1为最大振幅。当时间电角度t=0的时候，在空间电角度0的地方，是基波磁通势最大正幅值所在地。我们称此地叫单相绕组的轴线处。,单相绕组基波磁通势表达式为,6.3.5分布短距对气隙磁通势波形的影响,与电动势时情况相同，短距分布对基波磁通势削弱得少，对各次谐波削弱得多。一般情况下都是取y=0.8左右，主要把五、七次谐波磁通势大大削弱。,6.4三相电枢绕组产生的磁通势,现代的交流电机几乎都有三相绕组，绕组又都流过三相电流。若三相绕组结构相同，空间位置互差120电角度，则称为三相对称绕组；三相电流幅值相等，时间相位互差120电角度，则称为三相对称电流。任何复杂的三相对称绕组，每一相都可用一个等效的整距线圈来代替。,6.4.1三相对称绕组基波磁动势,假设三相集中整距绕组的空间分布和所流过的电流的时间分布如下：,每相的轴线即为其正幅值所在位置，如图所示，与空间向量图坐标相对应，定义A相绕组轴线为空间=0点。,三相绕组合成基波磁通势为：,t=0时三相6个旋转磁通势的空间向量合成,(1)每相的两个旋转磁通势分量以该相绕组轴线对称。,(2)合成基波磁通势为圆形旋转磁通势，向量长度为(3/2)F1。,(3)合成基波磁通势转向为+A+B+C(从领先相绕组轴线向落后相绕组轴线旋转)。,(4)合成基波磁通势的转速为n，称为同步转速。,(5)当A相电流达到最大值时，基波圆形旋转磁通势在A相绕组轴线处。,结论：三相合成基波磁通势的性质圆形旋转磁通势,1.幅值,2.转向：决定于电流相序，由领先相绕组轴线向落后相绕组轴线旋转。,3.转速：相对于定子转速为同步转速,4.瞬间位置,某相电流达到最大值时，三相合成基波磁通势的正幅值正好位于该绕组的轴线处。,作出空间相量图，分析合成基波磁通势的转向。,三相对称绕组通入三相对称电流示意图,三相对称绕组：U1、V1、W1为首端，U2、V2、W2为尾端,三相对称电流：i为正，由首端流入，尾端流出；i为负时，由尾端流入，首端流出,iu=Imsintiv=Imsin(t120)iw=Imsin(t120),旋转磁场的转向：领先相绕组(首端)向落后相绕组(首端)旋转。旋转磁场瞬时位置：某相电流为零时，磁场与该相绕组平行；某相电流为最大时，磁场与该相绕组垂直。,已知三个匝数彼此相等的整距线圈AX，BY，CZ在定子的槽内集中地放在一起。若三个整距线圈里流过的电流分别为：,求产生的合成基波磁通势。,思考：若通入单相电流，产生何种磁通势？,已知三个整距线圈匝数彼此相等，按彼此相距120空间电角度放置在电机的定子槽里，若三个线圈里的电流为：,求产生的合成基波磁通势。,思考：若通入三相相位相同，幅值不同的电流产生何种磁通势？三相交流电机若其中一相断线，产生何种磁通势？,6.4.2三相的第三次谐波磁通势,结论：1.三相三次谐波磁通势以及三的倍数次谐波磁通势为零；2.其余奇次谐波，由于短距、分布作用，其值亦趋于零；3.气隙合成磁场，基本上等于基波磁通势。,6.5两相绕组产生的圆形旋转磁通势,交流电机电枢绕组有时是两相绕组组成的，通入两相电流后，也产生磁通势。这里，我们只讨论基波磁通势。,6.5.1两相绕组产生的圆形旋转磁通势,已知电机定子槽内两个空间相距90电角度匝数彼此相等的整距线圈AX、BY（两相对称线圈），分别在AX、BY线圈里通入电流为：,求两相对称整距线圈产生的合成基波磁通势。,空间相距90电角度的两相绕组，通以时间上相差90电角度的两相电流，且每相的磁通势彼此相等，产生的合成基波旋转磁通势有如下特点：,1.为圆形旋转磁通势，其幅值为：,2.转向是由电流领先相向电流滞后相方向旋转；3.转速为：,4.哪相电流达正的最大值时，合成基波磁通势的正幅值正好位于该相绕组的轴线处。,6.5.2椭圆磁通势,例如：当两相绕组通过的电流幅值不等时：,绕组产生的合成磁通势共有三种情况：(1)正、反转合成基波旋转磁通势、中有一个为零，即为圆磁通势；(2)正、反转合成基波旋转磁通势，是椭圆磁通势；(3)正、反转合成基波旋转磁通势，是脉振磁通势。,圆形旋转磁通势：(1)三相对称绕组通入三相对称电流；(2)两相对称绕组通入两相对称电流。,脉振磁通势：(1)单相绕组通入单相电流；(2)三相对称绕组通入大小不等相位相同的三相电流；(3)两相对称绕组通入单相电流。,椭圆旋转磁通势：两相(三相)对称绕组通入两相(三相)电流时，电流大小不等或电流相位不对称的情况。,不同绕组磁通势情况小结,某交流电机电枢只有两相对称绕组，通入两相电流。若两相电流大小相等，相位相差90，电机中产生的磁通势性质是什么？若两相电流大小相等，相位差60，磁通势性质是？若两相电流大小不等，相位差90，磁通势性质为？在两相电流相位相同的情况下，不论各自电流大小如何，磁通势性质为？（三相电流不同大小，同相位）,电枢绕组若为两相绕组，匝数相同，但空间相距120度，A相流入。若要求产生圆形旋转磁通势，且其转向为从+A轴经120到+B轴方向，写出电流iB的瞬时表达式。,交流电机电枢绕组的线圈电动势,磁场旋转的空间电角度导体感应电动势的时间电角度磁场旋转的空间电角速度导体感应电动势的角频率感应电动势频率f与磁场转速n的关系：fpn/60空间相距电角度的导体（线圈、绕组），感应电动势也相差时间上的电角度,交流电机电枢绕组的感应电动势,1.空间电角度与空间机械角度：=p，=p2.感应电动势频率：f=pn/603.感应电动势的相位：空间相距电角度的导体（线圈、绕组），感应电动势也相差时间上的角度,交流电机电枢绕组,交流电机电枢绕组结构的几个基本概念,三相单层分布绕组,线圈整距；线圈组个数（最大并联支路数）为p或每对极下有一个极相组，每个极相组有q个分布线圈；相电动势表达式,三相双层分布绕组,线圈短距；极相组个数（最大并联支路数）为2p或每对极下有两个极相组，每个极相组有q个分布线圈；相电动势表达式,交流电机定子绕组感应电动势,一.交流电机定子绕组单相基波感应电动势1.感应电动势频率：f=pn/602.感应电动势的相位：空间相距电角度的导体（线圈、绕组），感应电动势也相差时间上的角度相位3.感应电动势大小：,二.交流电机定子绕组谐波感应电动势1.绕组的短距和分布可以抑制5次和7次谐波电动势2.三相绕组的Y型联结和型联结可以抑制线电压3次谐波,整距线圈磁通势,脉振磁通势空间分布为矩形波周期函数，矩形波的幅值随交流电流脉振，脉振频率f=/2。,基波磁通势表达式,基波磁通势向量的分解分解为两个旋转磁通势向量，以相反的方向旋转，空间转速为电角速度，即转速为n=60f/p,单相绕组磁通势特点脉振磁通势,三相单层分布绕组单相绕组磁通势：,三相双层分布绕组单相绕组磁通势：,单相绕组基波磁通势特点,单相绕组产生的基波磁通势为f1=F1costcos，为脉振磁通势。在气隙空间按cos分布，其振幅随时间按cost变化，其中F1为最大振幅，脉振的方向就在单相绕组的轴线方向。,三相对称绕组通入三相对称电流基波磁通势特点,三相对称绕组通入三相对称电流产生的基波磁通势为f1=3/2F1cos(-t)，为圆形旋转磁通势。在气隙空间（相对于定子）以同步转速n旋转。转向由领先相绕组轴线转向落后相绕组轴线。瞬时位置,三相对称绕组通入三