交流电动机及拖动.ppt

第三篇交流电动机及拖动第十章交流电机理论的共同问题,10.1；2；3交流电机的绕组,10.4交流电机绕组的电动势,10.6交流电机绕组的磁动势,河南理工大高职学院,10.1交流电机的绕组,一、构成原则1.合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦形（基波、谐波）2.三相绕组对称（节距、匝数、线径相同、空间互差电角度）（即保证各相电动势磁动势对称，电阻电抗相同）3.铜耗减小，用铜量减少。4.绝缘可靠、机械强度高、散热条件好、制造方便,二、交流绕组的分类按相数分为：单相、三相、多相按槽内层数分为：单层（同心式、链式、交叉式）、双层（叠绕组、波绕组）、单双层每极每相槽数q：整数槽、分数槽,10.1交流绕组的基本知识,三、基本概念1.极距：2.线圈节距y：整距y=；短距y1的且为奇数的小型三相异步电动机。,二、单层链式绕组,由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于q=2的4、6、8极小型三相异步电动机。,三、单层同心式绕组,几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。,同心式绕组端部连线较长，适用于q=4、6、8等偶数的2极小型三相异步电动机。,三相单层绕组的优缺点,10.2三相单层绕组,10.3三相双层绕组一、特点：每个槽内放置上下两个线圈边线圈个数等于槽数Q1（定子）线圈组个数=Q1/q每相线圈组数,每个线圈匝数为=每槽导体数/2每个线圈组的匝数为*q每相串联匝数N（即每极每条支路的匝数）,每个槽内放上下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相距一个节距y的另一槽的下层。构成原则、排列方法和联接步骤与单层绕组基本相同。,二、优点：可采用短距，改善电动势、磁动势的波形线圈尺寸相同，便于绕制端部排列整齐，利于散热机械强度高三、分类叠绕组相邻两个串联绕组中，后一个绕组叠加在前一个线圈上波绕组两个相连接的线圈成波浪式前进,叠绕组展开图,10.4三相双层绕组.2交流电机绕组的电动势一、一根导体的电动势1.电动势频率：2.电动势波形：由e=BLV可知，由气隙磁密沿气隙分布的波形决定；3.基波电动势大小：二、线匝电动势及短矩系数,，短矩系数：；三、线圈电动势设线圈为Nc匝数，则有：,四、线圈组电动势及分布系数q个线圈组成，集中绕组：分布绕组：分布系数：绕组系数：,五、相电动势和线电动势设一相绕组的串联匝数为N，则一相的感应电动势对于单层绕组，因为每相有p个线圈组所以每相串联匝数对于双层绕组，因为每相有2p个线圈组所以每相串联匝数式中:a为并联支路数,若已知定子槽数为，每槽导体数为Z，则电机总导体数为，电机总匝数为每相全部线圈串联匝数为，每相支路串联匝数N=线电动势星接时角接时,六、感应电动势中的高次谐波因为磁场波形相对于磁极中心线左右对称，所以谐波磁场中无偶次谐波，故=3，5，7，9，111、高次谐波电动势谐波磁场的极对数：p=pp基波磁场的极对数谐波磁场的极距：=/基波磁场的极距谐波磁场的槽距角：d=d,谐波磁场的转速：nr=ns主磁极的转速（同步转速）谐波感应电动势的频率：fv=pv*nv/60=vpns/60=vf1谐波感应电动势的节距因数kpv谐波感应电动势的分布因数kdv谐波感应电动势的绕组因数kwv=kpvkdv谐波电动势（相值）Ev=4.44fNRwrr,2、齿谐波电动势齿谐波谐波次数v与一对极下的齿数Q1/p具有特定关系的谐波，即v=Q1/p1=2mq1的谐波齿谐波的特点kWV（V=2mq1）=kW13、谐波的相电动势和线电动势E=ELEL中三次及3的倍数次谐波。因为3k次谐波电动势同相位、幅值相同，所以星接时线电动势为零角接时产生环流，环流产生的压降恰好被抵消。,4、谐波的弊害,使电动势波形变坏，发电机本身能耗增加，下降，从而影响用电设备的运行性能干扰临近的通讯线路,七、消除谐波电动势的方法Ev=4.44fNRwvv，所以通过减小KWr或r可降低Er1.采用短距绕组;2.采用分布绕组，降低Kqv;3.改善主磁场分布;4.斜槽或斜极.,10.6交流电机绕组的磁动势一、整距集中绕组的磁动势设气隙均匀，通以正弦交流电流，匝数为Nc，则每个气隙上的磁动势为：,结论：波形：矩形波；脉动磁动势：空间位置固定、幅值大小和方向随时间而变化的磁动势。分解：式中：为用电角度表示的空间距离。,次谐波磁势的幅值：基波磁动势的性质：按正弦规律变化的脉动磁动势。二、分布绕组的磁势1.整距分布绕组的磁势（q个）2.双层短矩分布绕组的基波磁动势,基波磁动势的幅值：,三、单相绕组的磁动势相电流为I、每相串联匝数N、绕组并联支路数a、则单相磁动势为：,单相脉动磁动势的分解,结论：两个磁动势的性质：圆形旋转磁动势；幅值为单相磁动势幅值的一半；转速：,四、三相绕组的磁动势1.圆形旋转磁动势数学法分解后相加的三相合成磁动势为：,图解法不同时刻三相合成磁动势,合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电流的相。,结论：三相对称绕组流过三相对称电流产生的合成基波磁动势为圆形旋转磁动势；性质：幅值：转速：转向：从载有超前电流相转到载有滞后电流相；某相电流达最大值时，合成磁动势的幅值恰好在该相绕组轴线上。,2.椭圆形旋转磁动势当其中一个不对称时，便为椭圆形旋转磁动势。,小结：单相绕组-脉动磁动势；三相绕组-旋转磁动势。,第十一章异步电动机的结构和工作原理,概述：异步电动机的主要用途和分类,一、异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。异步电动机的优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特征。异步电动机的缺点:功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于。二、异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类法：（1）按定子相数分有单相异步电动机；两相异步电动机；三相异步电动机。（2）按转子结构分有绕线式异步电动机；鼠笼式异步电动机。后者又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机。此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。,河南理工大高职学院,11.2异步电动机的主要结构,异步电动机在结构上主要由定子、转子、气隙组成。,一、异步电动机的定子：异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。1、定子铁心：是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆。下图所示为定子槽,其中(a)是开口槽，用于大、中型容量的高压异步电动机中；(b)是半开口槽，用于中型500V以下的异步电动机中；(c)是半闭口槽，用于低压小型异步电动机中。,3、机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此，机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。,2、定子绕组：高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，如图(a)所示。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形或形，如图(b)所示。定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。,三、异步电动机的转子：异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的。1、转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。2、转子绕组：分为笼型和绕线型两类。1）笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个松鼠笼子，如图（a)所示，因此又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也有用铝的。,二、气隙：异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.21.5mm左右。,2）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如图所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小，起动转距大，或需平滑调速的场合使用。,三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等。一、异步电动机的型号：电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成。例如Y系列三相异步电动机表示如下：,铁心长度代号,机座中心高机座长度代号,11、3异步电动机的铭牌数据,我国生产的异步电动机种类很多，下面列出一些常见的产品系列。Y系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。JQ2和JQO2系列是高起动转矩异步电动机，用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。JQ2是防护式和JQO2是封闭式的。JS系列是中型防护式三相鼠笼异步电动机。JR系列是防护式三相绕线式异步电动机。用在电源容量小、不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上。JSL2和JRL2系列是中型立式水泵用的三相异步电动机，其中JSL2是鼠笼式，JRL2是绕线式。JZ2和JZL2系列是起重和冶金用的三相异步电动机，JZ2是鼠笼式，JZL2是绕线式。JD2和JDO2系列是防护式和封闭式多速异步电动机。BJO2系列是防爆式鼠笼异步电动机。JPZ系列是旁磁式制动异步电动机。JZZ系列是锥形转子制动异步电动机。JZT系列是电磁调速异步电动机。其他类型的异步电动机可参阅产品目录。,二、异步电动机的额定值：异步电动机的额定值包含下列内容：（1）额定功率PN指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是kw。（2）额定电压UN指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V。（3）额定电流IN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A。（4）额定频率f指我国规定工业用电的频率是50Hz。（5）额定转速n指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为r/min。（6）额定功率因数指电动机定子加额定负载时，定子边的功率因数。,转子受力，产生转矩T，为电磁转矩，方向与旋转磁动势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转后，转速为n，只要nn1（n1为旋转磁动势同步转速），转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力，电磁转矩T仍旧为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行在T=TL情况下。,转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,转子未转动时，,电机理想空载时，,作为电动机，转速在,范围内变化，转差率在01范围内变化。,负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：,额定运行时，转差率一般在0.010.06之间，即电机转速接近同步转速。,s,n,),n,n,(,n,n,为转差率,的比值称,与同步转速,之差,和转子转速,同步转速,1,1,1,-,异步电机的三种运行状态,根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态,状态,电动,电磁制动,发电,实现,第十二章异步电动机的运行原理,12.1三相异步电动机转子不转、转子绕组开路时的电磁关系,正常情况下，电机转子总是旋转的，但是为了分析问题的方便，在这里我们首先从转子静止出发进行分析。,一、正方向的规定：,二、磁通及磁动势：1、励磁磁动势：我们给异步电动机通入对称的三相交流电时，将会在气隙中会产生一个旋转的气隙磁场，这个旋转的磁场会同时切割定转子绕组，这样，在两个绕组内会产生相应的感应电动势，但是由于转子绕组是开路的所以，没有电流，即没有磁动势，由此可见，在这种情况下，整个气隙磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流产生，为此，定子磁动势又叫励磁磁动势，定子电流亦叫励磁电流。,而由于整个分析过程是完全对称的，所以我们在分析时仅以A相为例来进行讲解。可见，由电流产生的旋转磁场的磁动势的特点是：1）幅值：2）转向：逆时针转向。A1B1C13）转速：相对于定子绕组以角频率旋转。4）瞬间位置：正如前面所分析的，当A相电流达到正最大时，他所对应的磁动势也达到正最大。,转子不转的三相异步电机，相当于一台副边开路的三相变压器，其中定子绕组是原绕组，转子绕组是副绕组，只是在磁路中，异步电机定、转子铁心中多了一个空气隙磁路而已。,2、主磁通和漏磁通：主磁通：同时交链定子、转子、气隙构成闭和回路的磁通，气隙里每极主磁通量用1表示；漏磁通：只交链定子绕组就形成闭合回路，用表示。,由于气隙是均匀的，励磁磁动势F0产生的主磁通1所对应的气隙磁密是一个在气隙中旋转、在空间按正弦分布的磁密。用空间向量表示为，的位置载其最大值处，为是气隙磁密的最大值。气隙里每极主磁通为：气隙磁密和励磁磁动势同方向，这是因为磁动势达到最大值时，该处的磁密也为最大。（不考虑磁滞、涡流的影响）,三、感应电动势:旋转磁场同时切割定转子绕组,在定、转子绕组内将会产生感应电动势E1、E2。定子、转子每相电动势之比叫电压变比，用ke表示，即:,四、励磁电流：和前面分析变压器的情况是一样的，励磁电流也是由IFe和I两分量组成。,有功分量IFe很小，因此领先一个不大的角度。在时间空间向量图上，与相位相同，与相位一样，和领先一个不大的角度。,五、电压方程式：从前面的图中，我们可以得到相应的电动势平衡方程式，但是在这里需要注意的一点是：定子绕组的漏磁通在定子绕组内也会产生一个电动势，我们称之为定子漏电动势，用表示，所以，电压方程式为：,式中Z1=R1+j为定子一相绕组的漏阻抗。,六、等值电路：与三相变压器空载时一样，异步电动机也能找出并联或串联的等值电路。已知：于是，电压平衡方程为,所以，可得等值电路如右图示：,转子回路电压方程为：,一、磁动势和磁通:1、磁动势:异步电动机转子被短路的情况和变压器副边短路的情况类似。由于转子被短路,所以,当在定子绕组内通入三相对称电流后,产生的沿逆时针方向旋转的磁场,不仅在定子绕组内产生磁动势,在转子绕组内也会产生磁动势。,12.1三相异步电动机转子静止时的电磁关系,在三相对称的转子绕组里流过三相对称电流时，产生的转子空间旋转磁动势的特点：1）幅值：2）转向：假设气隙旋转磁密是逆时针方向旋转，在转子绕组内感应产生的电动势及电流的相序就应为A2B2C2。,3）转速：相对于转子绕组为注意：现在定转子被同一个磁通所交链，所以产生的电流的频率是相等的。,可见，转子绕组短路的三相异步电机，作用在磁路上的磁动势有两个：一为定子旋转磁动势；一为转子旋转磁动势。由于它们的旋转方向相同，转速又相等，只是一前一后地旋转着，我们称它们为同步旋转。既然它们是同步旋转，又作用在同一个磁路上，把它们按向量的关系加起来，得到合成的磁动势仍用表示。即:,这个合成的旋转磁动势，才是产生气隙每极主磁通的磁动势。主磁通在定、转子相绕组里感应电动势和。,2、漏磁通：这种情况下,除定子侧的漏磁通外,转子侧也要产生漏磁通,表现为注意：变压器中的主磁通是脉振的，是它的最大振幅。在异步电动机中，气隙里主磁通的却是旋转的，它对应的磁密波沿气隙圆周方向是正弦分布的，以同步转速相对于定子旋转，表示气隙里每极的磁通量。,二、定转子回路方程:,1、定子回路的电压方程：,2、转子回路的方程：,根据前面的分析可知:式中:为转子绕组的一相漏阻抗。转子相电流为:,式中：为转子绕组回路的功率因数角。显然，上式中的转子侧的感应电动势和电流、电抗等的频率都是，转子电流在相位上滞后与电动势时间电角度。根据定、转子磁动势合成关系，有：或改写成：,可见，当转子侧电流不为零时，它也会产生一个磁动势，而此时定子侧的磁动势此时变成了，这就可以认为定子旋转磁动势里包含着两个分量：一个分量是大小等于，而方向与相反，用表示，它的作用是抵消转子旋转磁动势对主磁通的影响；另一个分量就是励磁磁动势。它是用来产生气隙旋转磁密的。由于这种情况下定子磁动势已变为了，定子绕组里的电流也就变为了。,三、转子绕组的折合（折算）：从前面的分析我们可以看出，分别对定转子进行分析太过麻烦，异步电动机定、转子之间没有电路上的联结，只有磁路的联系，这点和变压器的情况相类似，所以在这里我们仍采用折算的方法，把转子折算到定子侧，用一个新转子，它的相数、每相串联匝数以及绕组系数都分别和定子的一样（三相、）。,但是关键的一点是：要保证转子侧在折算前后对整个磁场的影响不能发生改变，即折算前后转子的总视在功率、有功功率、转子的铜耗和漏磁场储能均保持不变。简单的说就是转子侧的磁动势没有改变，不影响定子边。根据定、转子磁通势的关系：可以写成,可得：,令,可简化为：,而折算前后的电流的关系为：,称为电流变比。,式中是转子绕组的相数，只有绕线式三相异步电动机转子绕组是三相，鼠笼式异步电动机转子绕组一般不是三相，而是相。经过折算，从表面上看，好像定、转子之间真的在电路上有了联系。,这样就可以对相关的量进行折算，折算后的量我们全部用“”来表示。转子回路的电压方程：,折合后转子漏阻抗与折合前转子漏阻抗的关系为：,折合前后的功率关系（转子铜耗、无功功率）不变。,四、基本方程式、等值电路和相量图：,整理可得基本方程式为：,由此可画出其等值电路、相量图为：,11.2三相异步电动机转子旋转时的电磁关系,一、转差率：,当转子以转速开始旋转时，气隙磁场不再以同步转速切割转子绕组，同步转速和转子转速之间有一个同方向的相对运动，即此时的气隙磁场是以一个切割转子绕组：,s是一个没有量纲的数，它的大小也能反映电动机转子的转速。,二、转子电动势：当异步电动机转子以转速恒速运转时，此时一些相应的物理量将要结合转差率发生相应的变化转子回路的电压方程式为：,上式表明：当转子旋转时，每相感应电动势与转差率s成正比。转子漏抗是对应转子频率时的漏电抗。它与转子不转时转子漏电抗(对应于频率Hz)的关系为：=s,正常运行的异步电动机，,三、定、转子磁动势及磁动势关系：下面对转子旋转时，定、转子绕组电流产生的空间合成磁动势进行分析。1、定子磁动势：同前2、转子旋转磁动势：（1）幅值：,（2）转向：由于现在的气隙磁场在切割转子绕组时仅是切割速度发生了变化，而它的旋转方向并没有发生改变，所以此时是以的速度沿逆时针方向切割转子绕组，因此产生电流的相序仍然是，由转子电流入产生的三相合成旋转磁动势的转向，相对于转子绕组而言，仍为逆时针方向旋转。（3）转速：,（4）瞬间位置：当转子绕组哪相电流达正最大值时，正好位于该相绕组的轴线上。,3、合成磁动势：（1）幅值：关于定、转子磁势的幅值，不因站在定子上看而有什么改变，仍为前面分析的结果。（2）转向：二者的转向相对于定子都为逆时针方向旋转。,（3）转速：相对与定子绕组而言，定子磁动势的转为，而转子我们分开看，首先转子磁动势相对于转子的转速为，而转子本身又是以转速n旋转，为此站在定子上看转子旋转磁动势的转速则为于是，转子旋转磁动势相对于定子绕组的转速为：,可见，转子磁动势和定子磁动势的转速在空间总是等于同步转速，始终保持相对静止，即定、转子磁势之间没有相对运动！所以，感应电机在任何异步转速下均能产生恒定的电磁转矩，并实现机电能量转换。所以，合成的总磁动势仍用来表示。即,四、转子绕组频率的折合:通过对转子旋转的分析可知,转子旋转后,转子频率的大小仅仅影响转子旋转磁动势相对于转子本身的转速,转子旋转磁动势相对于定子的转速永远为同步转速,与转子电流的频率无关,另外,定转子之间是通过磁动势相联系的,所以只要保持转子旋转磁动势的大小不变,至于电流的频率是多少无所谓.根据这个概念,我们对下式进行变换:,同时，在频率变换的过程中，除了电流有效值保持不变外，转子电路的功率因数角也没有发生任何变化。即,由此可见,频率折算是用一个静止的电阻为的等效转子去代替电阻为r2的实际旋转的转子,等效转子将与实际转子具有相同的转子磁动势。,而把上式得到的电阻的形式再进行变形，分解成，很明显和转子不转时相比，转子侧多了一个电阻。,此时，转子电路虽然经过这种变换，但是从定子边看转子旋转磁通势并没有发现任何不同，两个情况下产生的磁通势的幅值大小是完全一样的，这就是转子电路的频率折算，即：把转子旋转时实际频率为f2的电路，变成了转子不转、频率为f1的电路。,我们知道在转子旋转时有机械能产生，在经过了频率折算后，得到转子侧的频率和定子侧的频率相等，而我们知道在转子静止转子短路的情况下，我们得到两侧的频率相等的情况，能量是不能凭空消失的，所以，显然，此时我们是用一个静止的转子电阻来代替旋转的转子电阻，即用在静止的转子上消耗的电功率来等值代替旋转的时候产生的机械能。,再考虑把转子绕组的相数、匝数以及绕组系数都折合到定子边，转子回路的电压方程式则变为：,当异步电动机转子电路进行了频率折合后，转子旋转磁通势的幅值可写成:,再考虑转子绕组的相数、匝数折合，又可写成:,这样一来，由定、转子旋转磁动势的关系又可得到:,五、基本方程式、等值电路和时-空相量图:1、异步电动机转子旋转时的基本方程式与异步电动机转子绕组短路并把转子堵住不转时相比较，在基本方程式中，只有转子绕组回路的电压方程式有所差别，其他几个方程式都一样。于是得到异步电动机转子旋转时的基本方程式为:,2、异步电动机转子旋转时的等值电路:,从等值电路图上可以看出，转子电路中多了一个表征机械负载的等效电阻而在这个电阻上消耗的电功率在数值上刚好和转子旋转时的机械功率相等。,异步电动机空载时，转子的转速接近同步转速，转差率s很小，/s趋于，电流可认为等于零,这时定子电流就是励磁电流,电动机的功率因数很低。当电动机运行于额定负载时，转差率，/s约为的20倍左右，等值电路里转子边呈电阻性，功率因数COS较高。这时定子边的功率因数COS也比较高，可达0.80.85.,由于异步电动机定子漏阻抗不大,异步电动机从空载到额定负载运行时，由于定于电压不变，主磁通1基本上也是固定的数值。因此励磁电流也差不多是个常数。但是，当异步电动机刚起动时，转速n0（s=1），这时定子电压全部降落在定、转子的漏阻抗上，已知定、转子漏阻抗，这样，定、转子漏阻抗上的电压降近似为定子电压一半左右。也就是说，近似是的一半左右，气隙主磁通1也将变为空载时的一半左右,这样,根据上述五个基本方程式画出的异步电动机时-空相量图，与三相变压器带纯电阻负载运行时的相量图相似。,3、异步电动机时-空相量图,13.1三相异步电动机的机械特性,5.3.1三相异步电动机的功率与转矩一、功率关系:三相异步电动机以转速n稳定运行时，从电源输入的电功率为：定子铜损耗为:,正常情况下，转子转速接近与同步转速，转子回路铁耗很小，可忽略，因此只计定子回路的铁耗：,从等值电路看，传输给转子回路的电磁功率等于转子回路全部电阻的消耗。电磁功率也可表示为：,转子绕组中的铜损耗为：这样电磁功率减去转子铜耗，剩下的就是等效电阻上的损耗，而此损耗实际上是电机转轴上总的机械功率，用表示，即：电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，把这部分功率叫做机械损耗，用表示，当然除了这些损耗外，还有一些附加损耗等，因此，输出功率为：,所以整个功率传递过程中的功率关系为：,从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的关系是：,功率流程图：,二、转矩关系：机械功率除以轴的角速度就是电磁转矩，即：,式中1为同步角速度（用机械角表示），故对功率表达式进行变形可得：,T0为空载转矩，,三、电磁转矩的物理表达式：电磁功率除以同步机械角速度可得电磁转矩的物理表达式为：,式中：是一常数，叫转矩系数。,13.2三相异步电动机的机械特性,三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速（或转差率）之间的函数关系。一、机械特性的参数表达式:,异步电机等值电路中，由于励磁阻抗比定、转子漏阻抗大很多，把T型等值电路中励磁阻抗这一段电路前移来计算，误差很小,故有:,由前所述，,可得，,这就是机械特性的参数表达式。固定U1、f1及阻抗等参数，画成曲线便为Ts曲线。,三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变，定、转子回路不串入任何电路元时的机械特性称为固有机械特性。,二、固有机械特性:1、固有机械特性曲线:,固有机械特性曲线,从图上可以看出相异步电动机固有机械特性不是一条直线，它具有以下特点：（1）在0S1，即n1n0的范围内，特性在第象限，电磁转矩T和转速n都为正，从正方向规定判断，T与n同方向。电动机工作在这范围内是电动状态。,（2）在S0范围内，nn1，特性在第象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态，机械特性在S0和S0两个范围内近似对称。,（3）在S1范围内，nO，特性在第象限，T0，也是一种制动状态，在第象限电动状态的特性上，B点为额定运行点，其电磁转矩与转速均为额定值。A点，n=n1，T=0,为理想空载运行点；C点是电磁转矩最大点，D点n=0，转矩为TS，为起动点（见图）。,2、最大电磁转矩:正、负最大电磁转矩可以从参数表达式求得，令:得到最大电磁转矩:最大转矩对应的转差率称为临界转差率,一般地，值不超过的5%，可忽略，则有:也就是说，异步发电机状态和电动机状态的最大电磁转矩绝对值可近似认为相等，临界转差率也近似认为相等，机械特性具有对称性。,13.7单相异步电动机,一、结构：定子为单相绕组（起动和工作绕组）；转子为鼠笼式。二、工作原理单相交流绕组通入单相交流电流产生脉动磁动势，其可分解为F+、F-，建立起正转和反转磁场+、-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩T+、T-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩T。,第十四章同步电机,第四篇同步电机及微控电机,第十五章控制电机,河南理工大高职学院,第十四章同步电机的基本工作原理及其分类,14、1、三相同步发电机的基本工作原理,大小：,频率：,励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势。,相序：由转子的转向决定。,波形：由可知，波形取决于的空间分布。,一、同步电机的分类,按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。,按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。,旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。,按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。,汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。,同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。,按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷,二、同步电机的主要结构,1、定子：同步电机的定子有时也称为电枢，由定子铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成。,与异步电机一样，同步电机也是由定子及转子两大部分所组成，定子上有三相交流绕组；转子上则有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。,同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。当大型同步电机冲片外圆的直径大于1m时，由于材料标准尺寸的限制，必须做成扇形冲片，然后按圆周拼合起来叠装而成。,2、转子：同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极，,1）凸极式：转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。2）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别：对于高速旋转的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水轮发电机：转速低，采用凸极式。,对同步发电机额定值之间关系为：,额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。,指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机用KVA或Kvar表示。,在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.,四、同步电机的额定值,14、3同步发电机的运行,一、同步发电机的电枢反应,同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，称为同步发电机的空载运行。,励磁电流If单独建立的励磁磁动势Ff产生的主、漏磁通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势；漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换。电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化，这种影响称为电枢反应。,电枢反应的性质取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波之间的相对位置，即与空载电动势和电枢电流之间的夹角有关。,1、=0时的电枢反应,这里需要注意：我们习惯上称转子磁极轴线为直轴，用d来进行表示，而N，S极之间的中线为交轴，用q来进行表示。所以，由于交轴磁势的存在，使合成磁势的轴线的位置产生一定的位移，幅值发生一定的变化。,电枢磁动势与转子磁势相加后才是气隙中的合成磁动势。,2、=90时的电枢反应：,显然，此时的电枢磁势和气隙磁势方向相反，电枢反应是去磁效果。,3、=-90时的电枢反应：,显然，此时的电枢反应是增磁的，所以电枢磁势称之为直轴增磁电枢磁势。,4、=任意角度时的电枢反应：在这里要注意是电流滞后电动势还是超前电动势。电流滞后电动势时，产生直轴电枢磁势，对主磁极起去磁作用。与同相位，起交磁作用；电流超前电动势时，直轴分量电流产生的直轴磁势对主极磁势起增磁作用。交轴分量电流产生的交轴磁势对主极磁势起交磁作用。总之，当同步发电机供给滞后电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴去磁电枢反应；当电电机供给超前电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴增磁电枢反应。这个结论十分重要，它对发电机性能产生影响。,四、同步电抗,同步电抗是同步电机中一个重要参数，它的大小对同步电机的性能有很大影响。隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙是均匀分布的。其中的称为电枢反应电抗。在同样大小电流情况下,如果越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此的大小可以说明电枢反应的强弱。当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生一定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对应产生电动势。,所以在三相对称电流通过电枢绕组后，所产生的匝链定子绕组的磁通为（），两者在电枢绕组中所产生的全部电势为式中：称为隐极同步电机的同步电抗。,五、隐极同步发电机的负载运行,一、负载电流对端电压的影响：一台同步发电机，保持励磁电流和电机的转速不变，给发电机带上负载，则发电机的端电压将随着负载电流的变化而变化。不同性质负载下，其变化规律也不同。在电阻负载时，负载电流增大端电压下降；在电感负载时，负载电流增大端电压下降的更厉害；在电容负载时，负载电流增大时，端电压不但不下降反而会上升。这说明发电机端电压的变化，不但与负载电流的大小有关，还与负载电流的性质有关。,二、隐极同步发电机的电势方程式：同步发电机在对称负载下运行，气隙中存在着两种磁势，即定子上的电枢磁势和转子的磁极磁势。在不考虑磁路的饱和现象时，应用迭加原理，认为它们各自独立地产生相应磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。,凸极同步发电机的负载运行,当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势和定子上电枢磁势。由于凸极电机中，转子直轴和交轴上的气隙不等，在分析电枢磁势影响时，必须按照式前面我们所分析的将磁动势分解成直轴和交轴两个分量，然后和处理隐极电机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。,可得：,六、同步发电机的运行运行,一、空载特性,定义：,空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。,实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组有无故障等。,二、短路特性,定义：,短路时的等效电路,1、短路特性,2.同步电抗的求取,根据公式,求xd不饱和值时,首先给定一励磁电流If，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应If的E0值，然后在短路特性曲线上确定对应If的短路电流Ik的值,则,求取xd饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压UN的励磁电流If0，再从短路特性上取出对应If0的短路电流Ik，则,交轴同步电抗,第三篇同步电机,三、外特性,定义：,外特性曲线,当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。,为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流。,四、调节特性,定义：,调整特性曲线,在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。,在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,使系统中无功功率的分配更合理一些。,14、6同步电动机无功功率的调节,同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和发电机一样决定于励磁状态。1、过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流；2、欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流。,显然，电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来进行调节的。因此，如将同步电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。这是它最可贵的优点。,第十五章微控电机,微控电机由驱动微电机和控制电机构成，简称为微控电机。在本质上和前面所讲的普通电机并没有区别,只是他们的侧重点不同而已。普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。,驱动微电机：用来拖动各种小型负载，功率一般都在750W以下，最小的不到1W，外形尺寸较小，功率也小。控制电机：在自动控制系统中对信号进行传递和变换，用做执行元件或信号元件。要求有较高的控制性能，如：反应快、精度高、运行可靠等等。主要有伺服电动机、步进电动机、旋转变压器、自整角机和测速发电机等。,15.2伺服电动机,伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1100瓦。,一、直流伺服电动机直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢