第5章 交流电机控制技术

1、 哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所交流电机的基本类型和基本结构反应交流电机工作原理的两个试验模型交流电机基本结构和工作原理交流电机绕组介绍交流电机的共同问题异步交流电动机一、交流电机基本结构和工作原理同步电动机工作原理：1）定子形成旋转磁场2）转子为磁铁（或永磁铁、或励磁）p 原理：一个磁铁拉着另一个磁铁旋转；p 特点：磁极转动的角速度总是等于外部磁铁旋转的角速度（同步），但可以有角度差。n 反应交流电机工作原理的两个实验模型同步电动机原理模拟装置一、交流电机基本结构和工作原理异步电机原理模拟装置异步（笼型）电动机工作原理：1）定子形成旋转磁场2）转子为“鼠笼”：笼型导体的圆柱形软磁铁心构成

2、。 只有在转子转速不等于磁场转速的情况下（异步），当外部磁场旋转时，其磁力线才能切割转子导条，并因而在导条中产生感应电动势及感生电流；感生电流进而受到电磁力的作用，转子才能旋转。正是因为两者转速有差异才能工作，所以这种电机称为“异步异步”电机电机。一、交流电机基本结构和工作原理 两个模拟实验描绘了两个主要类型的交流电机：同步电机和异步电机的基本工作原理。实验一： 转子随磁铁以同一角速度旋转，即两者同步，描述了同步电机的工作原理。实验二： 鼠笼转子的转速小于外磁极转速。只有在两者不相等的情况下，转子中才会产生感应电势和感生电流，进而产生电磁力矩使转子持续旋转。一、交流电机基本结构和工作原理n 交

3、流电机的主要类型及基本结构1、主要类型 按能量转换方向：电动机、发电机 按原理：同步、异步电机。各发电厂所用发电机都是同步电机，而在工农业生产及居民生活中所用电动机，大部分都是异步电动机。 交流电动机按供电电源的相数：单相、两相和三相电动机。一、交流电机基本结构和工作原理同步电机主要部件2、基本结构 （1）同步电机的主要结构部件一、交流电机基本结构和工作原理鼠笼式异步电机主要结构部件2、基本结构 （1）异步电动机的主要结构部件与直流电机的比较 1）定子磁场不旋转，由换向器得到“被整流”后的脉动电压电流； 2）采用左、右手定则就可分析原理。一、交流电机基本结构和工作原理（3）同步电机和异步电机主

4、要结构部件的对比在交流电机部件中对能量转换起主要作用的部件是：p 定子铁心p 定子绕组：空间上相差120度的三相绕组p 转子：同步电机和异步电机完全不同三相交流电机的定子铁心和定子绕组一、交流电机基本结构和工作原理同步电机和异步电机的转子铁心和转子绕组的简化结构图：同步电机的转子异步电机的转子鼠笼同步电机和异步鼠笼式电机转子 同步电机的转子有两个突起的磁极，这种结构成为凸极转子。一、交流电机基本结构和工作原理异步电动机的转子按结构不同可分为鼠笼型和绕线型两种：异步电机的绕线式转子转轴滑环转子铁心电刷星接中性点转子绕组异步电机的鼠笼式转子 绕线式的转子：铁心槽内常嵌放三相绕组，绕组引出线接到固定

5、在转轴上并与轴绝缘的滑环上，利用固定不动的电刷装置与滑环的滑动使绕组与外部电路相连接。一、交流电机基本结构和工作原理n 交流电机绕组简介1、交流电机绕组的基本作用以定子绕组为例：（1）流入定子电流，建立旋转磁场；（2）产生感应电动势：无论是定子电流建立的旋转磁场，还是同步电机中转子磁极的旋转，其磁力线都必然会切割固定不动的定子绕组，于是在其中产生感应电动势。电动机：正是由于感应电动势出现，电能才转换成机械能；发电机：正是由于感应电动势出现，机械能才转换成电能；一、交流电机基本结构和工作原理2、最简单的三相绕组(1) 三相绕组的外观图和基本特点 构成：线圈边：嵌入定子铁心的槽中那一部分（有效部分

6、）；端接部分； 特点：空间位置及其对应出线端的位置彼此错开120度。一、交流电机基本结构和工作原理W1V1U1W2U2V2ABCW1V1U1W2U2V2ABC(a)(b)YY三相定子绕组的接法(2) 定子三相绕组的模型BCAYXZAZYCXB一、交流电机基本结构和工作原理(3) 三相绕组的简化模型定子三相绕组简化模型（发电机用）YZYCAZXBACBXUA 在该模型中，由电压和电流的正方向所决定的电功率传输方向是由电机向外输出，所以在分析同步发电机时，使用该模型。一、交流电机基本结构和工作原理定子三相绕组简化模型（电动机用）BXCZAYACBUAYCXBZA 在该模型中，由电压和电流的正方向所

7、决定的电功率传输方向是由外部电路输送到电机，所以在分析异步电动机时，使用该模型。二、交流电机的共同问题 电机运行时，绕组流过三相对称电流，在电机气隙圆周上产生用磁动势（magneto motive force）表征的旋转磁场，旋转磁场在三相绕组中又感应出三相感应电势（electromotive force）。 各种交流电机的工作原理、转子结构、励磁方式和性能虽有所不同，但是定子结构、定子绕组中产生电动势以及绕组电流在电机气隙圆周上产生旋转磁场的机理却是相同的。这些问题就是交流电机的共同问题。二、交流电机的共同问题p 电机电枢绕组建立的磁场和磁动势 为简化分析，假设： 定、转子铁心不饱和，即磁导

8、率非常大，使得铁心内的磁位降可以忽略不计，同时，铁心中的磁滞以及涡流损耗也忽略不计； 定、转子之间的气隙均匀，且与定子内径相比非常小，因而可认为磁力线沿径向穿过气隙； 槽内电流集中于定子内圆表面上槽中心处，即槽开口的影响忽略不计。二、交流电机的共同问题同时约定： 绕组模型及电流的正方向：主要采用15页PPT所示两极三相绕组模型，即三相六槽绕组模型进行分析。此外，在放置三相六槽绕组模型时，令A相绕组的有效边构成的线圈平面在水平位置。A相电流的正方向则是从右边导体流入纸面、从左边导体流出纸面的方向。绕组轴线的位置与方向+A轴线YCAZXB+A轴线YZYCAZXB二、交流电机的共同问题同时约定： 绕

9、组轴线的位置：在绕组简化模型的二维图中，根据电流正方向，按右手螺旋关系所得到的轴线即为绕组轴线，显然，它与绕组两个线圈边连线垂直，且与定子内圆的一条直径重合。对A相绕组而言，其绕组轴线在过圆心垂直向上的方向。绕组轴线的位置与方向+A轴线YCAZXB+A轴线二、交流电机的共同问题1、单相绕组流过直流电流时建立的气隙磁场和气隙磁动势直流电流建立的磁场+A轴线A相磁场轴线YCAZXBA相绕组流过直流电流I 时： 磁力线：由下向上，其分布如中间图所示； 磁路：磁路包括定子铁心、转子铁心与两段气隙； 因此：定子铁心下部的内圆表面为N极，上部的内圆表面为S极，并且，可以认为磁力线垂直于定子内圆，且均匀分布

10、。 磁场轴线：磁力线分布的对称轴。二、交流电机的共同问题a)b)c)直流电流流过集中整距绕组产生的矩形波磁场（圆弧坐标）p 气隙磁密、磁动势及其基波的气隙磁密、磁动势及其基波的表达式表达式定子内圆的坐标系及其展开 为了描述磁场沿定子内圆圆周的分布情况，在定子内圆圆周上建立一个圆弧坐标系。圆弧坐标系(为电角度)： 以A相绕组轴线反向延长与定子内圆的交点作为原点，逆时针方向为正方向。+A轴线+A轴线二、交流电机的共同问题a)b)c)直流电流流过集中整距绕组产生的矩形波磁场（圆弧坐标） 匝数为Wk的线圈的磁动势Wk I 全部消耗在两段气隙上。每段气隙磁动势为Wk I/2。定子内圆各点的磁动势与坐标的

11、关系如图c)所示。 可以看出，在横坐标从/ 2到/2 的范围里，气隙磁场方向从定子铁心出来进入气隙。规定这个区域里的磁动势为正，于是，整距线圈在气隙内形成一正一负矩形分布的磁动势；矩形波相对于A相轴线对称，高度等于Wk I /2 。 对空间矩形波进行傅里叶级数分解，其基波和三次谐波如下图所示。基波的幅值为矩形波幅值的4/，所以，基波磁动势：114( )coscos2kAAW IfF空间矩形波磁势的基波与谐波式中，FA1代表气隙基波磁动势幅值，且：142kAW IF 气隙磁密的基波:cos4cos)(11BBBAA 式中, 和 分别代表气隙基波磁密及矩形波磁密幅值。显然1ABB2000IWFHB

12、KA24010101IWFHBKAAA 气隙磁场的谐波磁动势：( )sin()cos()2AvAvfFvv 其中，谐波磁动势的幅值：1412kAvAW IFFvv v =3、5、7，代表谐波次数。谐波的物理意义:1）气隙磁场的轴线位置也是基波磁密或基波磁动势幅值的位置；2）在基波为一个N极、一个S极，极数为2的情况下，三谐波包括3个N极和3个S极，亦即极数等于6。I基波和三次谐波磁密的N、S极区域SNN1S1S3N3S2N2显然: 在均匀气隙的情况下，气隙磁密总是具有与同阶次的气隙磁动势相同的波形，只要将任意一点的气隙磁动势乘以 ，就可以得到相应的气隙磁密。 考虑到气隙磁动势是“因”，而气隙磁

13、密是“果”。在以后的分析中，只需要讨论各种情况下气隙磁动势的表达式。02 单相绕组流过交流电流时建立的脉振磁动势1）A相电流建立的脉振磁动势脉振磁场的示意图由式（1）和（2）可得到基波磁动势的表达式为)1(cos24cos)(11IWFfkAA)2(2cos2cos2ftItIi 所以，在任意瞬间，定子内圆的气隙磁密与气隙磁动势在空间仍然是矩形波，但是，矩形波的高度是随着电流的变化而不断变化的；同时，各点气隙磁密与气隙磁动势的正负也是随着电流方向的变化而交替变化的，所以，它是大小连续变化、正负交替变化的矩形波，即脉振矩形波。 对脉振矩形波磁动势进行谐波分析，就得到脉振的基波和谐波磁动势。根据前

14、面分析可得到基波磁动势的表达式为：极对数为np的情况：pkpkmnIWnIWF9.0cos2241 定子内圆的基波磁动势一方面随定子内圆各点的坐标呈余弦分布（cos），另一方面，随着电流瞬时值的变化，各点的磁动势的大小也随着时间变化（cos t）。1420.92mkkFW IW I。幅值为：coscoscos2)cos2(4),(11tFtIWtfmkA谐波磁动势的表达式为：11( , )sin()coscos(),2AvmvmvmftFvtvFFv 将基波和谐波磁动势的公式对比可知，它们以同一个频率脉振，其脉振频率等于电流的频率。2）B相与C相电流建立的脉振磁场 根据下图可知，B相磁场的对称

15、轴在=120的位置，与A相磁场的对称轴在=0相对比，参照A相电流所建立的脉振磁场的表达式，所以可以得到B相的基波脉振磁动势为：11( , )cos(120 )cos(120 )BmftFtiB 相应可以得到C相电流所建立的基波脉振磁动势为:)240cos()240cos(),(11tFtfmC3、对称三相绕组流过对称三相电流所建立的旋转磁场1）认识旋转磁场(b)(c)(a)(d)(f)(e)旋转磁场示意图 所谓旋转磁场实际上是磁场分布状况随时间的变化,表现为磁场分布图中磁力线的旋转效应。不同时刻的电流方向及磁力线分布（一个周期）根据三相电流不同时刻的实际方向理解旋转磁场的产生机理+A轴线+A轴

16、线+A轴线+A轴线00.50.5AmBmCmtiIiIiI / 200.8660.866ABmCmtiiIiI 0.50.5AmBmCmtiIiIiI 3/ 200.8660.866ABmCmtiiIiI 不同时刻的电流方向及磁力线分布2）旋转磁场产生机理的数学模型)240cos()240cos()120cos()120cos(coscos111111tFftFftFfmCmBmA 在不计铁心的饱和效应时，可以用叠加原理求取三个电流共同作用时的磁场。这就表明，在三相电流共同作用时定子内圆的磁动势，等于三相电流单独作用时所建立的基波脉振磁动势之和，即)240cos()240cos()120cos

17、()120cos(coscos),(111111tFtFtFffftfmmmCBA 将上式右端中的每一项利用“余弦函数积化和差”的规则分解为两项，可得11111111( , )cos()cos()2211cos()cos(240 )2211cos()cos(120 )22mmmmmmftFtFtFtFtFtFt 由于包括 的三项之和为零，故上式可改写成 120-240-ttt、)1()cos(),(1tFtf 式中F1的值，对6槽模型为 11330.91.3522mkkFFW IW I 对极数为np的情况，如果每相绕组串联总匝数等于W1，不难求得 pnIWF11135. 1 式中，W1为每相绕

18、组串联总匝数，I1为相电流的有效值。 由于定子内腔为圆柱形,所以实质上 是一个沿着气隙圆周连续旋转推移的旋转磁动势波,根据式(1)不难求得,磁势曲线上某一点旋转的速度如下： 以电角度表示的旋转速度 ,以机械角表示 ，将机械角速度变换为每分钟旋转圈数：),(1tfdtd/pn/pnfn602601 其中, 是所施加的交流电流的频率。 旋转磁场 的转速n1，就是同步电机转子的转速，称为同步速。f),(1tf 在对称三相绕组流过对称三相电流后，所产生的气隙磁动势 的性质为： 每一相绕组产生脉振磁动势，但三相合成后产生旋转磁动势； 三相合成基波磁动势波长与单相一样； 每相的脉振磁动势，它们的振幅大小随

19、时间不同而变化的；三相合成基波磁动势幅值 不变，是基波脉振磁动势最大振幅的3/2倍； 合成基波磁动势的旋转方向顺着A、B、C三相电流的正序方向，旋转速度 ； 当某相电流达到最大值时，三相合成基波磁动势的正幅值正好位于该相绕组的轴线处。),(1tf1F1n三、三相异步电动机p 三相异步电动机的旋转磁场1、旋转磁场的产生 三相异步电动机的定子绕组对称放置在定子槽中，即三相绕组首端U1、V1、W1（或末端U2、V2、W2）的空间位置互差120。 若三相绕组连接成星形，末端U2、V2、W2相连，首端U1、V1、W1接到三相对称电源上，则在定子绕组中通过三相对称的电流iU、iV、iW（习惯规定电流参考方

20、向由首端指向末端）。sinUmiItsin (- 1 2 0 )VmiItsin (1 2 0 )WmiIt三、三相异步电动机(1)t=0瞬间（iU=0，iV为负值，iW为正值）：此时，U相绕组（U1U2绕组）内没有电流；V相绕组（V1V2绕组）电流为负值，说明电流由V2流进，由V1流出；而W相绕组（W1W2绕组）电流为正，说明电流由W1流进，由W2流出。运用右手螺旋定则， 可以确定合成磁场如图 (a)所示，为一对极(两极)磁场。 三、三相异步电动机(2)t=T/6瞬间（iU为正值，iV为负值，iW=0）：U相绕组电流为正，电流由U1流进，由U2流出；V相绕组电流未变；W相绕组内没有电流。合成

21、磁场如图（b）所示，同t=0瞬间相比，合成磁场沿顺时针方向旋转了60。 三、三相异步电动机(3)t=T/3瞬间（iU为正值；iV=0；iW为负值）：合成磁场沿顺时针方向又旋转了60，如图（c）所示。(4)t=T/2瞬间（iU=0；iV为正值；iW为负值）：与t=0瞬间相比，合成磁场共旋转了 180。 三、三相异步电动机2、旋转磁场的转速 由以上分析可以看出，旋转磁场的转速与磁极对数、定子电流的频率之间存在着一定的关系。一对极的旋转磁场， 电流变化一周时，磁场在空间转过360（一转）；两对极的旋转磁场，电流变化一周时，磁场在空间转过180（1/2转）；由此类推，当旋转磁场具有p对磁极时，电流变化

22、一周，其旋转磁场就在空间转过1/p转。 通常转速是以每分钟的转数来表示的，所以旋转磁场转速的计算公式为：1160fnp三、三相异步电动机 由上式可得，旋转磁场的转速n1取决于电源频率f和磁极对数p。我国工频50Hz,可得不同磁极对数旋转磁场的转速如下：异步电动机转速和极对数的对应关系异步电动机转速和极对数的对应关系磁极对数p123456转速n1/r(min)-1 300015001000750600500 旋转磁场转向与通入定子绕组的电流相序一致。若使旋转磁场反向，只需把三根电源线的任意两根对调。p 三相异步电动机的转动原理三、三相异步电动机 当电动机的定子绕组通以三相交流电时，便在气隙中产生

23、旋转磁场。设旋转磁场以n1的速度顺时针旋转，相当于磁场不动，转子导体逆时针方向切割磁力线，产生感应电动势、感应电流，其方向可根据右手定则判断（假定磁场不动， 导体以相反的方向切割磁力线）。由于转子电路为闭合电路， 在感应电动势的作用下，产生了感应电流，由于载流导体在磁场中要受到力的作用，因此，可以用左手定则确定转子导体所受电磁力的方向如图所示。这些电磁力对转轴形成一电磁转矩，其作用方向同旋转磁场的旋转方向一致。这样，转子便以一定的速度沿旋转磁场的旋转方向转动起来。 三、三相异步电动机 转子转速n2与旋转磁场n1同向，转子转速n2不可能达到同步转速n1（若n1n2，转子和旋转磁场不存在相对运动，

24、转子部切割磁力线转子受电磁力F=0），有n1大于n2 。故称为异步电动机。 电动机不带机械负载的状态称为空载。这时负载转矩是由轴与轴承之间的摩擦力及风阻力等造成的，称为空载转矩， 其值很小。这时电动机的电磁转矩也很小，但其转速n0（称空载转速）很高，接近于同步转速。三、三相异步电动机转差率转差率 异步电动机的转子转速n低于同步转速n1，两者的差值(n1-n)称为转差。转差就是转子与旋转磁场之间的相对转速。 转差率就是相对转速（即转差）与同步转速之比，用s表示， 即 转差率是分析异步电动机运转特性的一个重要参数。在电动机起动瞬间，n=0，s=1；当电动机转速达到同步转速（为理想空载转速，电动机实

25、际运行中不可能达到）时， n=n1，s=0。由此可见，异步电动机在运行状态下，转差率的范围为0s1；在额定状态下运行时，s=0.020.06。11nnsn三、三相异步电动机p 三相异步电动机的运行 异步电动机之所以能够转动，是因为转子绕组中产生感应电动势，从而产生转子电流，此电流同旋转磁场的磁通作用产生电磁转矩之故。 图中，启动转矩为Tst为启动时对应的电磁转矩；额定转矩TN为电动机带动额定负载时的电磁转矩；最大转矩Tm是电动机在运行中具有的最大转矩。TABnTNTmTstDOCn1三相异步电机的机械特性曲线n2TABnTNTmTstDOCn1三相异步电机的机械特性曲线n2TL三、三相异步电动

26、机根据机械特性曲线分析如下：（1）当电动机的启动转矩Tst大于负载阻力矩TL时，电机旋转，并在电磁转矩的作用下加速，此时电磁转矩随转速增加而逐渐增大（沿曲线DC段上升），直到最大转矩Tm。而后，随着转速的继续增加电磁转矩反而下降（沿曲线CA段下降），最终当电磁转矩等于负载转矩TL时，电机以某一转速匀速稳定旋转。三、三相异步电动机 （2）异步电动机一经启动很快进入曲线的AC段，并在某一点稳定运行。在AC段如果负载加重，负载力矩大于电磁转矩，转速下降，同时电磁转矩随转速的下降而增大，与负载力矩达到新的平衡，使电机以比原来稍低的转速运行。TABnTNTmTstDOCn1三相异步电机的机械特性曲线n2

27、TL三、三相异步电动机 （3）若负载的阻力矩超过了最大转矩Tm，负载力矩则一直大于电磁转矩，再也不存在新的平衡点使T=TL，电动机转速很快下降直到停止，处于堵转状态。定子电流加大可达47倍，时间长损害电机。TABnTNTmTstDOCn1三相异步电机的机械特性曲线n2TL三、三相异步电动机（4）机械特性曲线AC段为电动机的稳定运行区。从空载到满载转速下降很少，只要负载力矩介于AC区间，均可找到稳定点运行。AC段称电动机的硬机械特性，适合大多数生产机械对拖动的要求。 （5）过载能力 电动机的最大电磁转矩Tm与转矩TN之比称过载能力，一般为1.92.2。电动机的启动转矩Tst与TN之比称启动能力，

28、一般为1.72.2。TABnTNTmTstDOCn1n2TL三、三相异步电动机2）、转矩与功率的关系 电动机运行中若带动负载转动的转矩为T2，轴上输出的机械功率为P2 ，转子转速为n2。电动机载额定状态下运行：TN 为输出的额定转矩PN 为输出的额定功率nN 为输出的额定转矩2229 5 5 0PTn9 5 5 0NNNPTn三、三相异步电动机3）、电磁转距与电源电压的关系 电磁转矩与电动机定子绕组上所加电压U的平方成正比：2TU0T2nU1U2U3 当电动机负载的阻力矩TL一定时，又有电压降低，电磁转矩T下降，将使电机可能带不动原有负载，于是转速下降，电流加大。电压下降过低，以致最大转矩也低于负载转矩时，电机停转。三、三相异步电动机p 三相异步电动机的启动 鼠笼式电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种。 1) 直接起动 直接起动就是利用闸刀开关将电动机直接接入电网使其在额定电压下起动，如图所示。这种方法最简单，设备少，投资小，起动时间短，但起动电流大，起动转矩小，一般只适用于小容量电动机（10kW以下）的起动。UV WQS1FUM3三、三相异步电动