电机原理与拖动第5章课件(一)

1、电机原理及拖动（下）电机原理及拖动（下）东北大学东北大学东北大学边春元边春元边春元2007.82007.82007.8 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学内容介绍同步电动机同步电动机控制电机控制电机三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机原理三相异步电动机原理电力拖动系统中电动机的选择电力拖动系统中电动机的选择 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学第五章第五章 三相异步电动机原理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？（感应转子磁势）相对称绕组；电动机：转子闭合，多发电机：性能差异步电机势转子有（恒定）直流磁电动机发电机同

2、步电机交流电机 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学第一节 异步机用途、结构、简单原理一用途（无 处不在）优点：简单、可靠、维护少简单、可靠、维护少缺点：调速性能差（已克服，但控制复杂）调速性能差（已克服，但控制复杂）二结构定子： 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）阻外串电绕线式：滑环、电刷、铸铝笼型（多相）：铜条、转子：铁心绕组绕线式的滑换和电刷：仅用于连接外串电阻，改善运行性能；接触不好，也产生火花。与直流电机的区别？ 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学三、关于旋转磁场l旋转磁场的基本知识旋转磁场的基本知识 电流正方向

3、定义：尾入为正。tIimAcos120costIimB240costIimCXXXABCXYZNS 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学l 旋转磁场的分析0t当 mAIimCBIii21磁场旋转机械空间角度120交流电机的旋转磁场(图5-1)当 mBIi 120tmACIii21XXXABCXYZNS 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学l 旋转磁场与定子极对数的关系0t当 mAIimCBIii21磁场旋转机械空间角度60=1/p*120当 mBIi 120tmACIii21XXXABCXYZNSXXXAZBXCYNS 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学l

4、 讨论与结论 p=1：电流完成电流完成1个周期；磁场转过个周期；磁场转过1圈（机械空间角度圈（机械空间角度360）；静止转子）；静止转子导体感应电动势变化导体感应电动势变化1个周期。个周期。 p=2：电流完成电流完成1个周期；磁场转过个周期；磁场转过1/2圈（机械空间角度圈（机械空间角度 1/p * 360），即），即转过转过1对磁极对磁极；静止转子导体感应电动势变化；静止转子导体感应电动势变化1个周期。个周期。 （空间）电角度的定义：（空间）电角度的定义：1对极对极对应的空间角度称为对应的空间角度称为360的电角度的电角度。即：。即： 电角度电角度 = p 机械（空间）角度机械（空间）角度

5、角位移（电角度）的推导：角位移（电角度）的推导： ttftpntnp1112602602交流电机的同步转速（定子旋转磁场速度）交流电机的同步转速（定子旋转磁场速度）n1：pfn1160 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学四、简单原理l运行原理运行原理 异步电动机运行示意图异步电动机运行示意图(图图5-2) n1：定子旋转磁场的转向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）l同步转速：同步转速：60 f1/p 旋转磁场的速度与电源频率严格同步（旋转磁场的速度

6、与电源频率严格同步（f1=50Hz）; p=1：n1=3000 r/min p=p1：n1=3000/p1 = 60 f1/ p r/min 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学l滑差的定义滑差的定义 转速差：转速差：n=n1-n 转差率（滑差）：转差率（滑差）：s=(n1-n)/n1 sN=0.030.08（标幺值） nN=1440 r/min ，sN=?； nN=570 r/min ，sN=?； nN=1020 r/min，（？） l电磁转矩电磁转矩T 方向：与磁场同向方向：与磁场同向 大小：取决于负载（负载决定实际滑差）大小：取决于负载（负载决定实际滑差） 东北大学东北大学东

7、北大学东北大学东北大学东北大学l四象限运行（对比直流机四象限运行（对比直流机？） s=0：理想空载：理想空载 s1：反接制动：反接制动 0s1：电动：电动l异步机铭牌异步机铭牌 额定功率额定功率PN：轴输出轴输出的机械功率（的机械功率（kW） UN、IN：线线 f1：50/60Hz；nN：1020 r/min (?) 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学第二节 交流电机的绕组及其电势l交流电机的共同问题交流电机的共同问题: 绕组结构绕组结构 绕组的电势绕组的电势 绕组的磁势绕组的磁势l研究的方法研究的方法 电势电势绕组绕组磁势磁势 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学一

8、、绕组的电势（以同步发电机为例）l方法：方法： 导体电势导体电势元件电势元件电势整距（短距）电势整距（短距）电势元件组电势（分元件组电势（分布）布） 相电势（元件组的组合）相电势（元件组的组合） 线电势（线电势（Y/）同步发电机：p=1，n=3000 r/min；问：定子电势f1=?l导体电势导体电势 导体电动势导体电动势(图图5-5) 频率频率f1=pn1/60 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学 导体电势波形导体电势波形 e=BlvvB为导体所处的气隙磁密（图5-6），l、v为常量。ve波形（图5-7）与B波形相似。 谐波分析谐波分析 B=f () （空间） e= f (t)

9、 （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：v原则：力图使B=f() 正弦v措施：短距、分布v目标：消除谐波 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学 导体电势幅值（只看基波，谐波不用考虑导体电势幅值（只看基波，谐波不用考虑？）eu1=E1msintvE1m=B1mlv=B1ml2pn1/60vBav=B1m2/ m=BavlE1m=mf1有效值：E=2.22f1m v 比较：变压器电势（4.44N f1m ） v线圈 =2个有效导体边 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学l匝电势及元件电势匝电势及元件电势 节距（节距（y）与极距

10、（）与极距（）的关系：整距、短距和长距）的关系：整距、短距和长距（）。 y与均以槽数度量。 匝电势（匝电势（图图5-10） 整距（有效值）：EU1U2=2EU1=4.44f1m 整距元件电势整距元件电势 E =4.44Ny f1m2121UUUUEEE 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学 短距元件电势（短距元件电势（图图5-11） Ey =4.44Ny Ky f1m Ky的推导：v=（y/）180 v Ey=2EU1sin（/2） 短距系数： Ky =sin （y/）90 ） 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学次谐波磁场在线匝中产生的感应电势次谐波磁场在线匝中产生的

11、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 ）次谐波电势Ey = 2EU1 Ky = 4.44Ny Ky f1m 定次短距消谐作用：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。 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学 l元件组电势元件组电势 q个元件串联而成的元件组示意图（个元件串联而成的元件组示意图（图图5-13） 元件组电动势相量图（元件组电动势相量图（图图5-14） 槽距角（电角度）：槽距角（电角度）： =2p/Z （Z 为槽数为槽数 ） 绕组的分布系数绕组的

12、分布系数 推导：元件组电动势为q个元件电动势的相量和E2sin2qRE（分布、相量和）（分布、相量和）2sin21REy2sin2RqE（集中、算术和）（集中、算术和）2sin2sinqqEEKp 绕组系数：绕组系数：K=KyKp 短距分布元件组电势：短距分布元件组电势：mypyypyppKqKNfEqKKqEKEKE144. 4 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学次谐波的分布系数次谐波的分布系数 采用元件组分布安放的作用采用元件组分布安放的作用： 消谐波消谐波 表面利用率高表面利用率高2sin2sinqqKpl 相、线电势相、线电势 实际电机绕组为三相，每相以元件组为基本单元（

13、或并或串），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。分析元件组即可计算相、线电势。 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学二、三相单层对称绕组l槽电势星（槽电势向量星形图）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。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） 东北大学东北大学东北大学

14、东北大学东北大学东北大学返回返回28返回返回25返回返回29 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学1、三相定子绕组概述l绕组组成原则绕组组成原则 电势波形正弦，一般采用短距、分布绕组电势波形正弦，一般采用短距、分布绕组 三相对称，互差三相对称，互差120度度 低成本，用铜少低成本，用铜少 工艺简单、结构合理工艺简单、结构合理 l分类分类 相数：相数：单相、两相单相、两相（绕组不对称、民用（电冰箱）、三相（绕组不对称、民用（电冰箱）、三相（*）、多）、多相（特殊）相（特殊） 层数：单层（小容量：等元件式、同心式、链式和交叉链式）、双层层数：单层（小容量：等元件式、同心式、链式和交叉链

15、式）、双层（叠绕组（叠绕组（*）、波绕组（转子采用）、波绕组（转子采用） 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学2、绕组l特点：单层一般整距（短距困难，少用特点：单层一般整距（短距困难，少用 ）l分析方法：槽电势星为依据分析方法：槽电势星为依据 名词名词槽距角： =p360/Z （Z 为槽数 ） 每极每相槽数：q=z/(2pm) （m为相数） 相带：q 60（*）和120相带 （A-Z-B-X-C-Y）l举例：举例：Z=24、p=2、y=、a=1或或2（并联支路数）、（并联支路数）、 60相带；相带；画单层画单层U相绕组展开图。相绕组展开图。 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学

16、东北大学 步骤一：求参数步骤一：求参数=Z/2p=24/4=6 y=6 =p360/Z=2360 /24=30 q=z/(2pm)=24/(223)=2 相带 （q=） 60相带 步骤二：画槽电势星（步骤二：画槽电势星（图图5-15（b） 步骤三：分相带（步骤三：分相带（图图5-15（b） A-(1-7)-(2-8)-(13-19)-(14-20)-X B-(5-11)-(6-12)-(17-23)-(18-24)-Y C-(9-15)-(10-16)-(21-3)-(22-4)-Z 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学 步骤四：画一相绕组展开图步骤四：画一相绕组展开图U相绕组展开

17、图（ a=1 ）（图5-16-1）U相绕组展开图（ a=2 ）（图5-16-2） 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学3、绕组电势的计算l相电势：相电势： Ep=(元件组电势元件组电势) p/a 元件组电势元件组电势mypyKqKNfE144. 42sin2sinqqKp 绕组系数：绕组系数：K=KyKp 1)90sin(yKyl 线电势线电势 根据接线确定（根据接线确定（/Y/Y） 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学三、三相双层对称绕组l优点：元件短距容易（消谐波）优点：元件短距容易（消谐波）l举例：举例：Z=24、p=2、y=5/6、a=1、 60（*）或）或12

18、0 相带；画双相带；画双层层U相绕组展开图。相绕组展开图。 步骤一：求参数步骤一：求参数=Z/2p=24/4=6 y=5 =p360/Z=2360 /24=30 q=z/(2pm)=24/(223)=2 （q=） 60相带 步骤二：画步骤二：画元件元件电势星（电势星（图图5-15（b） 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学 步骤三：分相带（步骤三：分相带（图图5-15（b） 60相带vU1-(1、2)-(7、8)-(13、14)-(19、20)-U2vV1-(5、6)-(11、12)-(17、18)-(23、24)- V2vW1-(9、10)- (15、16)-(21、22)-(3

19、、4)- W2 120相带vU1-(1、2、3、4)-(13、14、15、16)-U2vV1-(5、6、7、8)-(17、18、19、20) -V2vW1-(9、10、11、12)-(21、22、23、24)- W2 步骤四：画一相绕组展开图步骤四：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） 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学l绕组系数的计算绕组系数的计算)120(837. 0/)60(966. 02sin2sin qqKp 绕组系数：绕组系数：K

20、=KyKp )90sin(yKy 比较：比较： 60相带好于相带好于120相带，基波电势下降小。相带，基波电势下降小。l相电势的计算相电势的计算 Ep=(元件组电势元件组电势) 2p/al例题：例例题：例5-2（自己看自己看） 作业：作业：5-6、5-7（下周同一时间交下周同一时间交） 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学四、相电势讨论l 单层：单层：(1-7)-(2-8)-(13-19)-(14-20)mypkqNfapapE144. 4元件组电势mypkqNfapapE144. 422元件组电势l双层：（双层：（1、2）-（7、8）-（13、14）-（19、20） 东北大学东北

21、大学东北大学东北大学东北大学东北大学第三节 交流绕组的磁动势 l磁势磁势 单相绕组通入交流电流单相绕组通入交流电流产生脉振磁势产生脉振磁势 多相对称绕组通入多相对称电流多相对称绕组通入多相对称电流产生（圆）旋转磁势产生（圆）旋转磁势 磁势为时空函数磁势为时空函数既是空间位置的函数，又是时间的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；其决定着电机的原理。理。 在空间的分布 随时间的运动l分析方法分析方法 分析一对极即可分析一对极即可 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（实际：短距、分布 可用绕组

22、系数去反映）可用绕组系数去反映） 假定条件：气隙均匀、铁芯不饱和假定条件：气隙均匀、铁芯不饱和 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学一、单相绕组的脉振磁势 l全距集中绕组磁势在空间的分布全距集中绕组磁势在空间的分布 全距集中绕组磁势（全距集中绕组磁势（图图5-23） 磁力线分布v电流正方向：尾入为正v磁势正方向：符合右螺旋 定则 磁动势波形v时间起点：相电流达到+Im时刻 v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。 )232(21)22(21NINIf 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东

23、北大学l磁动势的空间谐波磁动势的空间谐波 ：空间位置的函数（：空间位置的函数（图图5-24） xxxNIxf5cos513cos31cos42 5cos513cos31cos42NIf 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）：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）： Ci tIicos2l单相绕组的脉振磁势单相绕组的脉振磁势 tINfcoscos242 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学 考虑短距、分布考虑短距、分布 tFtIpNktIpNktfmcoscoscoscos9 . 0coscos422,11pNkpNkFm119 . 04

24、22磁动势等效匝短距分布绕组产生的匝全距集中绕组与pNpNk1的匝数：一对磁极下一相绕组pN的等效匝数：一对磁极下一相绕组pNk1：基波绕组系数1k变化。分布，大小随时间正弦驻波方程：在空间正弦：时空函数； ,tf图（图（5-25）：波幅在：波幅在U1U2绕组轴线上；波结在绕组轴线上；波结在U1、U2点；点；f=f1（绕组电流）（绕组电流） 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学FFtFtFtFtfmmmcos5 . 0cos5 . 0coscos,分解为行波方程（分解为行波方程（图图5-26）：两个分别在电机气隙圆周上向前和反向）：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

25、。的圆形旋转磁动势。 脉振磁势的分解脉振磁势的分解 单相绕组磁动势的性质：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。 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学二、三相绕组的合成旋转磁势l分析方法分析方法 解析法解析法 几何作图法（瞬时波形法）几何作图法（瞬时波形法） 空间矢量法空间矢量法l解

26、析法解析法 坐标：坐标： A相电流达到相电流达到+Im时刻为时刻为t=0，A相电流正轴线处相电流正轴线处=0 三相电流：三相电流：240cos120coscostIitIitIimCmBmA 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学 三相脉振：三相脉振： 240cos240cos,120cos120cos,coscos,tFtfFtFtfFtFtfFmCCmBBmAA 分解： 120cos5 . 0cos5 . 0240cos5 . 0cos5 . 0cos5 . 0cos5 . 0tFtFFtFtFFtFtFFmmCmmBmmA 合成： tFFmcos5 . 1合成磁势在电机气隙圆周

27、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 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学l瞬时波形法瞬时波形法 一对磁极全距集中绕组电机模型（一对磁极全距集中绕组电机模型（图图5-27 ） 分时画磁势在空间的分布波分时画磁势在空间的分布波 （图图5-28 ） l磁势的空间矢量表示法磁势的空间矢量表示法 IF：时间相量（时间正

28、弦量）：空间矢量（沿空间分布的正弦波） 空间正弦量的矢量表示法（空间正弦量的矢量表示法（图图5-29） cosmmFF 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学 脉振脉振 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。 tFmcos 空间矢量的合成与分解空间矢量的合成与分解 合成：合成： 把两个线圈等效为一个线圈的作用把两个线圈等效为一个线圈的作用 （图图5-31） 分解：分解： 把一个矢量分解成两个线圈的作用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三相绕组的磁势矢量合成 （图图5-32） tFFmcos5 . 1 东北大学东北大学东北大学东北大学东

29、北大学东北大学 空间旋转矢量的表示方法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：磁动势。如： tFFmcos5 . 1tjtetjsincostjtjeet 5 . 05 . 0cos， tje 引入旋转算子：引入旋转算子：120jea 和和1202402jjeea13aaa 4012aaFFeFeFtFtFtFtFFtjmtjmmmmmA5 . 05 . 0cos5 . 0cos5 . 0coscoscos 脉振磁势的分解：脉振磁势的分解： 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大

30、学东北大学三相磁动势的合成： cos120cosmmaFFcos240cos2mmFaFcosmmFF tjmtjmAeFeFF5 . 05 . 0tjmtjmBeFaeFF5 . 05 . 02tjmtjmCeFaeFF5 . 05 . 0tjmtjmtjmeFaaeFeFF5 . 1)1 (5 . 05 . 12v 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。 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学作业：5-15、5-16 （下周同一时间交）l课堂练习：分析电机在以下情况下的磁动势状态？课堂练习：分析电机在以下情况下的磁动势状态？ 星接：星接： 缺相 搭相 角接：角接： 缺相 内部断相 缺相对电机运行的影响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。l课堂练习：分析电机在以下情况下的磁动势状态？课堂练习：分析电机在以下情况下的磁动势状态？ 星接：星接： 缺相 搭相 角接：角接： 缺相 内部断相 缺相对电机运行的影响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。 东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学东北大学第四节 转子不转时的异步电动机 l概述概述 异