电机分析-3_机电能量转换_图文

1、 （2）可运行条件 z 频率约束 凸极电机 （2）可运行条件 z 频率约束 凸极电机 2 2 2 pLs2 ia sin 2 + ib sin(2 + 120° + ic sin(2 120° m3、n1时（定子三相绕组，转子为凸极） 2 2 2 sin 2 + ib sin(2 + 120° + ic sin(2 120° Tm = pLs2 ia + 2ia ib sin(2 120° + 2ibic sin 2 + 2icia sin(2 + 120° + 2ia ib sin(2 120° + 2ibic sin 2

2、 + 2icia sin(2 + 120° pM sfd ifd ia sin + ib sin( 120° + ic sin( + 120° 主电磁转矩 定、转子电流相互作用产生，各项具有与隐极电 Kisir sin( p t + 机相同的形式： 频率约束也相同： ± (s ± r = p 61 磁阻转矩 由于气隙各向磁阻不等引起，倾向于使系统的磁 阻变为最小。 仅与定子电流有关，即转子不加激励时也存在。 为凸极电机所特有。 2 + 2is2is3 sin(2 p t + 各项有相同的形式： K (is1 （1, 2, 3a, 或b, 或c）

3、 62 （2）可运行条件 z 频率约束 凸极电机 （2）可运行条件 z 频率约束 凸极电机 磁阻转矩 2 K (is1 + 2is2is3 sin(2 p t + ±s ± r = p ， ± s = p 定子电流频率通常相同，故磁阻转矩具有平均值的 唯一可能是 频率约束的实质仍是定、转子磁极要相对静止。 第一式，表示定、转子电流的相互作用；只有在 任一对定、转子磁动势相对静止时才产生平均主 电磁转矩。 第二式，表示非凸极方电流与其自身的相互作 用；在任一非凸极方旋转磁动势与磁极相对静止 时，才会有凸极效应而产生的平均电磁转矩。 64 is = A cos p t

4、 + B sin p t （A、B不同时为零） ±s = p 总之，对于凸极转子、定子和转子两边都有激励 的电机，若要求主电磁转矩和磁阻转矩的平均值均 不为零，则定、转子电流的频率约束应为 ± (s ± r = p ， ± s = p 63 （2）可运行条件 z 频率约束 在各种电机中的体现 在各种电机中的体现 （2）可运行条件 z 频率约束 在各种电机中的体现 在各种电机中的体现 ±s ± r = p ， ± s = p ±s ± r = p ， ± s = p 直流电机 同步电机 可把电枢看

5、作定子，电枢线圈电流为交流， fs pn/60， s2fsp ；把主磁极看作转子，绕组中 通以直流励磁电流， r0。满足定子为凸极时的频 率约束。 电枢线圈电流频率随转速变化自动变化，因此任 何转速下均能进行机电能量转换。 65 对“旋转磁极式 ”同步电机，r 0， s 2f1，故仅在 同步转速下才能满足频率约束而实现机电能量转换。 变频调速或独立运行时， f1变，则任何转速下均可。 由±sp 可知，存在一种转子d、q轴磁阻不等，但 无励磁，定子接在交流电网上的电机，仅借助平均磁阻 转矩来运行。这种同步电机称为反应式同步电机或磁阻 同步电机。 66 （2）可运行条件 z 频率约束 在

6、各种电机中的体现 在各种电机中的体现 （2）可运行条件 z 频率约束 讨论1 ±s ± r = p ， ± s = p ±s ± r = p ， ± s = p 凸极同步电机定子也能采用凸极结构吗？ 若采用双凸极结构，则转子绕组电感也将近似随cos2 变化。磁阻转矩中还将包含与转子激励有关的分量，仅 在±rp 时平均值0。此时电机有第二个同步转速。 实际电机只能在某一转速下运行，磁阻转矩两个分量 中必有一个成为平均值等于零的脉振转矩。 因此，在实用中，以正弦电流供电的 “旋转磁场式”电 机很少采用双凸极结构。 67 68 异

7、步电机 定子电流频率为电源频率f1，s2f1； 转子电流频率为转差频率f2sf1， rss ； (1s1 ， p p1 (1s s r 。 转子电流是感应产生的，其频率随转速自动变化，因 此任何转速下都能满足频率约束而实现机电能量转换。 双馈异步电机：定、转子双边激励（转子边电源频率 为转差频率f2）。改变f2 即改变r ，即可改变 。 （2）可运行条件 z 频率约束 讨论2 （2）可运行条件 ±s ± r = p ， ± s = p z 频率约束 讨论3 ±s ± r = p ， ± s = p 凸极同步电机转子能通以交流电流吗？

8、在双边激励的凸极电机中，若凸极边电流角频率 r0，则频率约束的两个式子不能同时成立。 通常以主电磁转矩为主，即在满足第一式的条件下运 行。此时若 r0，则第二式不成立，平均磁阻转矩为零。 若 r0，则电机中增加了因凸极引起的脉振转矩，产 生振动、噪声，增加损耗、发热。 在定、转子双边激励的电机中，只有使凸极边电流频率 为零且转子同步旋转，凸极效应引起的磁阻转矩才能增加 电机的总平均电磁转矩；否则，凸极效应是有害无益的。 异步电机能采用凸极结构吗？ 异步电机必须在异步转速下运行，才能感应产生 r0 的转子电流，从而产生主电磁转矩。即异步电机正常运 行时不可能满足频率约束的第二式。 平均磁阻转矩为

9、零，由此产生上述一系列有害作用。 所以，异步电机通常采用隐极结构。 少数微型异步电机，为了简化制造工艺而采用凸极结 构（罩极），此时通常要采取措施来减小凸极效应。 69 70 （2）可运行条件 z 频率约束 讨论4 （2）可运行条件 ±s ± r = p ， ± s = p z 频率约束 讨论4 ±s ± r = p ， ± s = p 为什么广泛应用的交流电机是三相，而不是单相？ 单相绕组产生的是脉振磁动势，可分解为两个向相反 方向旋转的磁动势。反映在上式中，同频率的角频率前 的符号有正有负。 单相绕组电机正常运行时，有同步旋转的定

10、、转子磁 动势，产生平均电磁转矩；此外，还有不同转速旋转的 定、转子磁动势，产生周期性脉振转矩。 单相绕组电机不可能消除脉振转矩。它引起的振动、 噪声和损耗、发热总存在，使效率较低，性能较差。 71 为什么广泛应用的交流电机是三相，而不是单相？ 三相绕组产生的基波磁动势是圆形旋转磁动势，反 映在上式中，某一频率的对称三相（或多相）电流角 频率前面只有一种符号。 在电机正常运行时，可消除单相时的多余的磁动 势，避免单相引起的一系列有害作用，从而改善电机 的运行性能。 这是广泛采用三相电机和三相交流制的理由之一。 72 2.4 产生恒定电磁转矩的条件 为了减小振动、噪声和功率波动，电磁转矩最好 是

11、一个单向的、非时变的恒定转矩。 z z 产生恒定电磁转矩，还要满足 9 9 9 气隙合成磁场与定子（转子）磁动势相对静止 （可以是都静止或都旋转） 气隙合成磁场与定子（转子）磁动势轴线在空间 必须有相位差 气隙合成磁场与定子（转子）磁动势幅值在一定 负载下应始终为常量 要满足 9 9 定、转子极对数必须相等 电流的频率约束 根据以上条件可知： 此外， 2 p Fs sin s 2 Tm = p 2 Fr sin r 2 Tm = 73 三相（或多相）对称交流电机和直流电机的电磁转 矩，在稳态对称运行时都是恒定的。 单相交流电机的气隙磁场和定子（转子）磁动势是脉 振的或椭圆形旋转的，其电磁转矩是

12、随时间脉振的。 电机瞬态过程中的电磁转矩，一般都是脉振的。 74 3. 总 结 研究了机电能量转换的原理、能量转换过程、耦合场的 作用，推导出了机电能量转换的条件，说明了该条件在各 种电机中的具体体现。 （1）机电装置要实现机电能量转换，需要 有耦合场和与之相连的电系统及机械系统（实用的电机 都以磁场作为耦合场）。 耦合场须具备特定的性质，即耦合场的储能变化时，能 在所连接的电系统和机械系统中产生机电耦合项（感应 电动势、电磁转矩或电磁力）。 确定磁场储能、感应电动势和电磁转矩（电磁力），是 研究机电能量转换过程的先导。 3. 总 结 （ 2）须建立一个无损耗的磁储能系统模型，以导出耦合 场的

13、磁能公式和电磁转矩公式 无损耗磁储能系统中，磁能是状态变量磁链和转 角 的单值函数，是表征系统状态的状态函数。 状态函数的值与到达该状态的路径无关，因此可以选择 最简单的路径来导出磁能公式。 根据能量守恒原理 dWm dWe dWmec 和 dWm是全微分这 一性质，导出以 和 为自变量时的电磁转矩公式。 ，并导 以电流i 和转角 为自变量时，可引入磁共能 Wm 出相应的电磁转矩公式；对于多激励的装置，这样做通 常比较简便。 76 75 3. 总 结 3. 总 结 （3）机电能量转换的过程 / 确定电磁转矩，是一种无需考虑 用 Wm / 或 Wm 电磁力具体分布、直接求电磁转矩总体值的通用方法

14、； 该方法在难以用传统公式来确定电磁转矩的场合很有 用；对于线性系统，只要设法求得各绕组的电感随转角 的变化规律，就可确定给定电流下的电磁转矩。 对于电动机，输入定子的净电能先转换为耦合场（气隙） 内的磁能，再从磁能转换为机械能由转子输出；发电机 的情况正好相反。 一般情况下，一方面磁链变化，另一方面转子转动。转 子转动引起的磁能变化将产生电磁转矩，并使部分磁能 释放出来变为机械能；磁链变化引起的磁能变化，将通 过绕组中的感应电动势从电源输入等量的电能而不断得 到补充。这样，通过耦合磁场的作用，电能不断转换为 机械能或反之。 78 77 3. 总 结 （4）机电能量转换的条件 3. 总 结 无论哪种型式的旋转电机，其机电能量转换和电磁转矩 产生的机制都是相同的；只是由于激励的方式不同、转