电机原理与拖动(一)新教材——第3章

1、电机原理与拖动（一）电机原理与拖动（一）东北大学东北大学边春元2015.03内容介绍变压器交流电机基础及三相异步电动机电磁理论基础知识绪论三相异步电动机的电力拖动第第3 3章章 交流电机基础及三相异步交流电机基础及三相异步电动机电动机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步电机交流电机 第一节 异步机用途、结构、简单原理l 用途（无用途（无 处不在）处不在）优点优点：简单、可靠、维护少缺点缺点：调速性能差（已克服，但控制复杂）一一结构结构1轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；

2、6定子铁心；7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇 定子：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：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？绕线型转子与外加变阻器的连接1集电环；2电刷；3变阻器 三、关于旋转磁场 旋转磁场的基本知识 电流正方向定义：尾入为正。电流正方向定义：尾入为正。tIimAcos120costIimB240costIimCXXXABCXYZNSl 旋转磁场的分析0t当 mAIimCBI

3、ii21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 120tmACIii21l 旋转磁场与定子极对数的关系0t当 mAIimCBIii21当 mBIi 120tmACIii21XXXABCXYZNSXXXAZBXCYNS磁场旋转机械空间角度60=1/p*120l 讨论与结论p=1：电流完成1个周期；磁场转过1圈（机械空间角度360）；静止转子导体感应电动势变化1个周期。p=2：电流完成1个周期；磁场转过1/2圈（机械空间角度 1/p * 360），即转过1对磁极；静止转子导体感应电动势变化1个周期。（空间）电角度的定义：1对极对应的空间角度称为360的电角度。即： 电

4、角度 = p 机械（空间）角度角位移（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：pfn1160四、简单原理 运行原理 异步电动机运行示意图(图5-2) n1：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） 同步转速：60 f1/p 旋转磁场的速度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/m

5、in 滑差的定义 转速差：n=n1-n 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，（？） 电磁转矩T 方向：与磁场同向 大小：取决于负载（负载决定实际滑差） 四象限运行（对比直流机？） s=0：理想空载 s1：反接制动 0s1：电动 异步机铭牌 额定功率PN：轴输出的机械功率（kW） UN、IN：线 f1：50/60Hz；nN：1020 r/min (?)第二节 交流电机的绕组及其电势 交流电机的共同问题: 绕组结构 绕组的电势 绕组的磁势 研究的方法

6、电势绕组磁势一、绕组的电势（以同步发电机为例） 方法： 导体电势元件电势整距（短距）电势元件组电势（分布） 相电势（元件组的组合） 线电势（Y/） 同步发电机：p=1，n=3000 r/min；问：定子电势f1=? 导体电势 导体电动势(图5-5) 频率 f1=pn1/60 导体电势波形 e=Blv B为导体所处的气隙磁密（图5-6），l、v为常量。 e波形（图5-7）与B波形相似。 谐波分析 B=f () （空间） e= f (t) （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： 原则：力图使e=f() 正弦 措施：短距、分布 目标：消除谐波 导体电势

7、幅值（只看基波，谐波不用考虑？） eu1=E1msint E1m=B1mlv=B1ml2pn1/60 Bav=B1m2/ m=Bavl E1m=mf1 有效值：E=2.22f1m 比较：变压器电势（4.44N f1m ） 线圈 =2个有效导体边 匝电势及元件电势 节距（y）与极距（）的关系：整距、短距和长距（）。 y与均以槽数度量。 匝电势（图5-10） 整距（有效值）：EU1U2=2EU1=4.44f1m 整距元件电势 E =4.44Ny f1m2121UUUUEEE 短距元件电势（图5-11） Ey =4.44Ny Ky f1m Ky的推导： =（y/）180 Ey=2EU1sin（/2）

8、 短距系数： Ky =sin （y/）90 ）次谐波磁场在线匝中产生的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 ） 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。 元件组电势 q个元件串联而成的元件组示意图（图5-13） 元件组电动势相量图（图5-14） 槽距角（电角度）： =2p/Z （Z 为槽数 ） 绕组的分布系数 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

9、）（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（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。二、三相单层对称绕组 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

10、槽电势星分析、设计绕组。 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）返回返回28返回返回25返回返回291、三相定子绕组概述 绕组组成原则 电势波形正弦，一般采用短距、分布绕组 三相对称，互差120度 低成本，用铜少 工艺简单、结构合理 分类 相数：单相、两相（绕组不对称、民用（电冰箱）、三相（*）、多相（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（叠绕组（*）、波绕组（转子采用）2、绕组 特点：单层一般整距（短距

11、困难，少用 ） 分析方法：槽电势星为依据 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） 举例：Z=24、p=2、y=、a=1或2（并联支路数）、 60相带；画单层U相绕组展开图。 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（图5-15（b） 步骤三：分相带（图5-15（b） A-(1-7)-(2-8)-(13-19)-(14-20)-X B-(5-1

12、1)-(6-12)-(17-23)-(18-24)-Y C-(9-15)-(10-16)-(21-3)-(22-4)-Z 步骤四：画一相绕组展开图 U相绕组展开图（ a=1 ）（图5-16-1） U相绕组展开图（ a=2 ）（图5-16-2）3、绕组电势的计算 相电势： Ep=(元件组电势) p/a 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）三、三相双层对称绕组 优点：元件短距容易（消谐波） 举例：Z=24、p=2、y=5/6、a=1、 60（*）或120

13、相带；画双层U相绕组展开图。 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：画元件电势星（图5-15（b） 步骤三：分相带（图5-15（b） 60相带 U1-(1、2)-(7、8)-(13、14)-(19、20)-U2 V1-(5、6)-(11、12)-(17、18)-(23、24)- V2 W1-(9、10)- (15、16)-(21、22)-(3、4)- W2 120相带 U1-(1、2、3、4)-(13、14、15、16)-U2 V1-(5、6、7、8)-(17、18、19、

14、20) -V2 W1-(9、10、11、12)-(21、22、23、24)- W2 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） 绕组系数的计算)120(837.0/)60(966.02sin2sin qqKp 绕组系数：绕组系数：K=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。 相电势的计算 Ep=(元件组电势) 2p/a四、相电势讨论 单层：(1-7)-(2-8)-(13-19)-

15、(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）第三节 交流绕组的磁动势 磁势 单相绕组通入交流电流产生脉振磁势 多相对称绕组通入多相对称电流产生（圆）旋转磁势 磁势为时空函数既是空间位置的函数，又是时间的函数 ；其决定着电机的原理。 在空间的分布 随时间的运动分析方法 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（实际：短距、分布 可用绕组系数去反映） 假定条件：气隙均匀、铁芯不饱和一、单相绕组的脉振磁势 全距集中绕组磁势在空间的分布 全距

16、集中绕组磁势（图5-23） 磁力线分布 电流正方向：尾入为正 磁势正方向：符合右螺旋 定则 磁动势波形 时间起点：相电流达到+Im时刻 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 磁动势的空间谐波 ：空间位置的函数（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）： Ci tIicos2 单相绕组的脉振磁势 tINfcoscos242 考虑短距、分布 tF

17、tIpNktIpNktfmcoscoscoscos9 . 0coscos422,11IpNkIpNkFm119 . 0422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（5-25）：波幅在U1U2绕组轴线上；波结在U1、U2点；f=f1（绕组电流）FFtFtFtFtfmmmcos5 . 0cos5 . 0coscos,分解为行波方程（图5-26）：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。 脉振磁势的分解 单相绕组磁动

18、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。二、三相绕组的合成旋转磁势 分析方法 解析法 几何作图法（瞬时波形法） 空间矢量法 解析法 坐标： A相电流达到+Im时刻为t=0，A相电流正轴线处=0 三相电流：240cos120coscostIitIitIimCmBmA 三相脉振： 240co

19、s240cos,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。

20、 三相对称绕组通入对称电流磁动势的性质 瞬时波形法 一对磁极全距集中绕组电机模型（图5-27 ） 分时画磁势在空间的分布波 （图5-28 ） 磁势的空间矢量表示法 IF：时间相量（时间正弦量）：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 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

21、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 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：为旋转磁动势。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

22、解：脉振磁势的分解： 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。 课堂练习：分析电机在以下情况下的磁动势状态？ 星接： 缺相 搭相 角接： 缺相 内部断相 缺相对电机运行的影响 电机转着：转但有振动

23、；静止：振动但不转。第四节 转子不转时的异步电动机 概述 异步机工作原理（复杂：电、磁、机械） 定子绕组接到电源上，吸收电功率 功率传到转子（电磁耦合，类似于变压器） 定、转子磁势相互作用产生电磁转矩，转换为机械能 转子“不转”： 转子开路（绕线式）：研究定子 转子堵转：研究“磁势平衡”（不用考虑机械功率） 分析方法： 转子开路（定子电磁关系）转子堵转（旋转磁势平衡；变压器为脉振磁势平衡） 转子转动（机械功率与转矩）一、转子开路时的异步电动机（绕线式） 电磁状况 假定定、转子“代表相”同轴：即AX与ax同轴。（教材图5-34） 定子电流只是励磁电流 电磁关系11202101001)()(EUE

24、EFrIIU开路端电压三相合成m 主磁通引起的电势 mkNfjE111144. 4mkNfjE222244. 4（转子不转，且感应来的）12ff 1k2k为定、转子基波绕组系数。、l 电势变比（转子不转时）电势变比（转子不转时） 221121kNkNEEke 基本相矢图 Fe1E2EBm0F0IBFe磁通密度， 铁损角 漏磁通引起的电势 dtdiLdtdNe011101xI jE 等效电路、基本方程、相量图 分析：10111rIEEU 基本方程： 110110111jxrIErIEEU 等效电路： 1r1x0I1E1f1f2E20U1U1E 励磁阻抗：mmmjxrIZIE001 漏阻抗：111

25、jxrZ10011001ZIZIjxrIjxrIUmmm202UE1r1x0I1Emrmx1f1f2E20U1U 相量图（图5-38） 相当于变压器的空载状态 关于“恒压系统”概念 mkNfEU1111144. 4CE 111ZICf 1CmCF 0（不计（不计）当当时时和和 变压器：005.010ZI 异步机 ：05.002.010ZI二、转子堵转时的异步机 堵转： 转子短路 ；轴上外力堵住n=0 。 定、转子间有能量传递，但不转换成机械功率。 着重分析磁势平衡关系。 电磁状况 转子磁势（ n=0） 转子绕组感应电势频率转子绕组感应电势频率11126060fpnnnpf 转子磁势性质：转子磁

26、势性质： 旋转磁势 转向与定子磁场转向相同 极数：与定子相同 （绕线式：由绕组结构决定相数；笼型：多相，由定子极数决定） 转速（磁场相对于转子转速）11226060npfpfn 结论：结论：定、转子磁势同步、同速，相对静止。（电机的运行基础） 磁势平衡 021FFFF011122221111224222422242IpkNmIpkNmIpkNmIpNkmF1224202111222122IIpkNmpkNmI0211IIkIi021III222111NkmNkmki（异步机定、转子电流比 ） 关于相数： 绕线式：m1=m2=3 笼型：m2=Z2/p（能整除）; m2=Z （不能整除） 定子电流

27、的组成： 磁场分量 负载分量 堵转时电磁关系 电磁关系22222222111111111I rIxI jEFFxI jErIIU210EEFm定子侧定子侧转子侧转子侧 基本方程 （5个，变压器6个： ）LZIU2211111jxrIEUmmjxrIE0121EkEe201III2222jxrIE 等效电路（教材图3-34） 转子绕组的折算 原则与目的 目的：12EE 原则：不变2F 电流的折算（磁势不变）2222211122422242IpkNmIpkNm221IkIi222111NkmNkmki（异步机定、转子电流比 ） 电势的折算（去掉磁的耦合关系） 12221122EEkNkNEkEee

28、ikmmkNkNmmk21221121 阻抗的折算（功率平衡） 2222ZkkIEZie22222221rImrIm222212222212rkrkkrkkmmrIImmrzieii（阻抗的折算）iezkkk2222221112222221112221coscoscosIEmIkNmkNmEkNkNmIEm 保持转子磁势不变，保持了功率关系不变 。即：22coscos222xkxkkxzie T型等效电路 （图5-40） 中间部分为三相合成旋转磁场（变压器为一相） 相当于变压器副侧短路运行 方程式 11111jxrIEUmmjxrIE0121EE201III2222x jrIE 相量图（图5-

29、41）（类似变压器） 研究堵转的意义 分析磁势平衡及绕组折算 应用： 移相器：定、转子绕组同相反相间可调 感应变压器（气隙，转子通过涡轮涡杆旋进旋出调压；自耦变压器（接触、火花）2902FFF01F磁动势向量图Fe2902I0I1I电流相量图Fe第五节 转子转动时的异步机 转子转动 磁势转动：n1 ；转子转动：n n=n1-n6060601112pnfnnpnpf转子频率（转子量：电抗、电势、电流、磁势） 转子电路的物理情况 转子频率 111112606060sfpnnnnnnpnpf120ffn120ffn021fnn同步旋转；转子通直流（固定磁极） 转子电势 不转时：E20 2022212

30、22244. 444. 4sEsEkNsfkNfEmms 大小、频率均是s的函数（方向不变）。22EsEs 转子阻抗 22rrs)( 2022122222sxsxLfsLfxs 转子电流（转子量通常是s的函数） 转动时的磁势平衡关系 证明：定、转子磁势相对静止相对于转子转速：2F11226060snpsfpfn相对于定子转速：1F1n相对于定子转速：2F11121nsnnsnn1F1F与相对静止（同速、同向）。2202202222IjsxrEsjxrEIsss 合成磁势： 021FFFF 电机理想空载 ： 0000222FIEs01FFF 电机理想空载 ： 电机负载： 0222FIEs 011

31、2IIEF m起去磁作用通常： 分析：“恒压系统”概念mkNfEU1111144. 4实际情况：起去磁作用、的加入21012)(FEIIFm负载分量）（励磁分量201III）近似反相（相差、去磁：增磁180:21210IIIII 与变压器极为相似。 转子频率折算 问题：两侧频率不同 （转动时等效电路：教材图5-43） 解决：要把频率f2折算成f1 。 实质：在磁场不变的情况下，用一个不转的假想转子（f1 ）来代替真实转子（ f2）。 要求：折算前、后转子磁势（F2）的转速、转向、幅值与空间相位都保持不变。 12220220202202222ffIjxsrEjsxrEsjxrEIsss右半部：左