電動機械L21補充教材高立圖書交流電機基本原理課件

1、3Chapter3Chapter交流電機基本原理第三章交流電機基本原理3-1在均勻磁場中的簡單迴路3-2旋轉(zhuǎn)磁場3-3交流電機的磁動勢及磁通分佈3-4交流電機感應(yīng)電壓3-5交流電機的感應(yīng)轉(zhuǎn)矩3-6交流電機之繞組絕緣3-7交流電機功率流程及損失3-8電壓調(diào)整率與速度調(diào)整率3-9總結(jié)問題習(xí)題參考文獻(xiàn)流電機包含將機械能轉(zhuǎn)換成交流電能的發(fā)電機， 以及將交流電能轉(zhuǎn)換成機械能的馬達(dá)。交流電機基本上可以分成同步電機與感應(yīng)電機兩類，同步電機發(fā)電機或馬達(dá)的激磁場電流是由獨立的直流電源來供應(yīng)，而感應(yīng)電機的激磁場電流是藉由感應(yīng)的方式感應(yīng)到場繞組線圈上。 3-1在均勻磁場中的簡單迴路圖3-1在均勻磁場中的簡單旋轉(zhuǎn)迴路

2、。(a) 前視圖；(b) 線圈。圖3-2 線圈迴路的各邊相對於磁場的速度及方位；(b) ab邊相對於磁場的移動方向；(c) cd邊相對於磁場的移動方向。 一個簡單旋轉(zhuǎn)迴路的感應(yīng)電壓 1.ab線段 這個線段的感應(yīng)電壓是 2.bc線段 線段的感應(yīng)電壓等於零。 3.cd線段 這個線段的感應(yīng)電壓是 4.ab線段 這線段的感應(yīng)電壓也等於零。整個迴路的感應(yīng)電壓 等於每一線段感應(yīng)電壓之 和。 注意 ，應(yīng)用三角等式 ，因此感應(yīng)電壓變成圖3-3 eind 與的關(guān)係圖假如迴路是以固定角速度旋轉(zhuǎn)，則迴路的角度將隨時間線性地增加，而迴路邊緣的切線速度可以表示成 這裡r是由迴路轉(zhuǎn)軸中心到迴路邊緣的距離，而是迴路的角速度

3、，將這些表示式代入 (3-6) 式，可以得到 由圖3-1(b) 可以知道迴路的面積剛好等於2rl，因此磁通量恰等於迴路表面積乘上通過迴路的磁通密度。 因此，電壓方程式最後的型式是 通常在任何實際電機上，電壓與三個因素有關(guān)： 1.電機內(nèi)部磁通； 2.旋轉(zhuǎn)速度； 3.電機結(jié)構(gòu)常數(shù) ( 迴路數(shù)目等 )。 一個載有電流迴路的感應(yīng)轉(zhuǎn)矩 圖3-4在均勻磁場中載有電流的迴路。(a) 前視圖；(b) 線圈。圖3-5(a) 推導(dǎo)線段ab上的力及轉(zhuǎn)矩；(b) 推導(dǎo)線段bc上的力及轉(zhuǎn)矩；(c) 推導(dǎo)線段cd上的力及轉(zhuǎn)矩；(d) 推導(dǎo)線段da上的力及轉(zhuǎn)矩 1.線段ab 這一段導(dǎo)線感應(yīng)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 2.線段bc 這一

4、個線段所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為0，因為向量r及l(fā)平 行 ( 都是進入紙面 )，而其角度 是0。 3.線段cd 這一個線段導(dǎo)線產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 4.線段cd 這一個線段，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為0，因為向量r與l 平行 ( 都指向離開紙面方向 )，而角度為0。整個迴路的感應(yīng)轉(zhuǎn)矩 是每一邊轉(zhuǎn)矩之和 因為 ，所以感應(yīng)轉(zhuǎn)矩變?yōu)?3-17)圖3-6感應(yīng)轉(zhuǎn)矩 與角度關(guān)係圖圖3-7感應(yīng)轉(zhuǎn)矩方程式推導(dǎo) 線圈迴路電流產(chǎn)生磁通密度Bloop垂直於線圈平面；(b) Bloop與BS幾何關(guān)係圖。參閱圖3-7，假如線圈上電流如圖上所示，這電流所產(chǎn)生的磁通密度 將是 這裡G是線圈的幾何形狀參數(shù)。同時，請注意到線 圈迴路面積A恰好等於2rl。將這

5、兩個式子代入 (3- 17)式，則產(chǎn)生下列結(jié)果(3-19)loopsinSkBBq=感應(yīng)轉(zhuǎn)矩的大小與方向可由將 (3-19) 式表示成向量叉積得到 通常，任何實際電機的轉(zhuǎn)矩與四個因素有關(guān)： 1.轉(zhuǎn)子磁場強度； 2.外部磁場強度； 3.兩者夾角的正弦函數(shù)； 4.代表電機結(jié)構(gòu)的常數(shù) ( 幾何結(jié)構(gòu)等 )。為了明瞭旋轉(zhuǎn)磁場的原理，我們供應(yīng)一組電流到圖3-8的定子，觀察在特定的瞬間所發(fā)生的變化，假設(shè)在這三個線圈中的電流如以下方程式所示 3-2旋轉(zhuǎn)磁場在 線圈上，電流由線圈端點a流入，而由端點 流出，它產(chǎn)生的磁場強度 這裡0是磁場強度向量的空間角度，如圖3-8(b) 所示，磁場強度向量 的方向是由右手定則

6、 (right-hand rule) 得到。 的大小是隨時間而呈正弦變化，而 的方 向卻是固定的。同理， 與為圖3-8 一個簡單的三相定子，電流由端點a流入，而由端點 流出，則稱電流方向為正。由每一個線圈產(chǎn)生的磁場強度也 標(biāo)示在圖上。(b) 由流入線圈 電流所產(chǎn)生的磁場強度向量 。 他們是在 ，由線圈 產(chǎn)生的磁場將為 由線圈 產(chǎn)生的磁場將為 而由線圈產(chǎn)生的磁場將為 由三個線圈產(chǎn)生的磁場相加後得到的總磁場為 產(chǎn)生的淨(jìng)磁場如圖3-9(a) 所示。圖3-9(a) 在時間 時，定子上磁場向量。(b) 在時間 時，定子上磁場向量。 旋轉(zhuǎn)磁場原理的證明角度和的三角等式 電源頻率與旋轉(zhuǎn)磁場速度的關(guān)係每一個電

7、源電流週期，磁極都會沿著定子表面旋轉(zhuǎn)一週。因此，磁場每秒的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)等於以赫茲為單位的電機頻率。 圖3-10定子旋轉(zhuǎn)磁場，可以用會移動的N及S極來表示。圖3-11一個簡單的4極定子繞組(b)產(chǎn)生的定子磁極，要注意 的是在定子表面移動的磁極每90就改變極性；(c)由定子內(nèi)部表面所看到的繞線圈，說明定子電流如何產(chǎn)生N極及S極。如圖3-11(b) 所示，在這個繞組，一個磁極在每一個電機週期，只沿著定子表面移動半圈。因為一個電機週期是360度電機角度，而移動的機械角度只有180度，所以在這個定子中，電機角度 與機械角度 的關(guān)係是 因此，對於4極繞組，電流的電機頻率是旋轉(zhuǎn)的機械頻率的兩倍。 假如一個交流電

8、機的極數(shù)是P，則有 個重複的繞組順序 在定子內(nèi)部表面，而電機角與機械角的關(guān)係如下 同時，注意到，所以可以表示以赫茲為單位的電機頻率與每分鐘轉(zhuǎn)動圈數(shù)為單位的磁場機械速度的關(guān)係式如下 旋轉(zhuǎn)磁場的反向在圖3-8中的 相及 相被交換，藉由角度和的三角函數(shù)等式得現(xiàn)在這個磁場的大小相同，但是旋轉(zhuǎn)方向是順時針方向，因此，在交流電機中，將定子中兩相電流交換，則使旋轉(zhuǎn)磁場反向。在實際電機內(nèi)部的磁通，其行為並非如上面假設(shè)這樣簡單。因為有一個磁性材料的轉(zhuǎn)子在電機中央，而在定子與轉(zhuǎn)子之間隔著一層氣隙。轉(zhuǎn)子可以是圓柱形，像如圖3-12(a) 所示一樣，或是它可有由轉(zhuǎn)子表面向外投射狀的極面，如圖3-12(b) 所示。 3

9、-3交流電機的磁動勢及磁通分佈圖3-12一個圓柱形或非凸極式轉(zhuǎn)子的交流電機；(b) 一個凸極式轉(zhuǎn)子的交流電機。圖3-13 具有弦波變化氣隙磁通密度的圓柱形轉(zhuǎn) 子；(b) 氣隙磁動勢或磁場強度是角度的函數(shù)；(c) 氣隙磁通密度是角度的函數(shù)。 圖3-14一個具有弦波分佈定子繞組的 交流電機，被設(shè)計用來產(chǎn)生弦波分佈磁通密度，每個槽的導(dǎo)體數(shù)標(biāo)示在圖上；(b)由線圈產(chǎn)生的磁動勢，與理想分佈相比較。 圖3-14(a) 展示這種型式的繞組，而3-14(b) 展示這種繞組產(chǎn)生的磁動勢。每個槽的導(dǎo)體數(shù)，可以由下式得到 這裡 是在角度為0時導(dǎo)體數(shù)目，如圖3-14(b) 所示，這種分佈式的導(dǎo)體產(chǎn)生近乎弦波分佈的磁動

10、勢。 3-4交流電機感應(yīng)電壓 一個兩極定子線圈的感應(yīng)電壓圖3-15展示 ，假如角度是由轉(zhuǎn)子磁通的峰值處開始計數(shù)，則在轉(zhuǎn)子四周的任一點的磁通密度可以得到轉(zhuǎn)子是在定子內(nèi)部以角速度 旋轉(zhuǎn)，則在定子上任意角度的磁通密度向量B為 圖3-15在靜止定子線圈內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子磁場，線圈的詳圖；(b)在線圈邊上的磁通密度及速度，這速度是以磁場固定不動來討論；(c)氣隙磁通密度分佈。整個線圈的感應(yīng)電壓是四個線圈邊感應(yīng)電壓之和，這些電壓可由下述方法得到： 1.ab線段 2.bc線段 3.cd線段 4.da線段 因此，線圈的總電壓將為 因為，最後，通過線圈的磁通可以被表示為 ，對於兩極定子而言 ，所以感應(yīng)電壓可以被表示

11、為 方程式 (3-44) 描述單匝線圈的感應(yīng)電壓，假如定子線圈匝數(shù)是 ，則整個線圈的感應(yīng)電壓將為(3-44) 三相線圈的感應(yīng)電壓假如三個線圈，每一個皆為 匝，如圖3-16所示，放置在轉(zhuǎn)子磁場周圍，則每一個線圈的感應(yīng)電壓，大小將相同，但相位相差120。每一個線圈的感應(yīng)電壓為 圖3-16由相距120的三個線圈產(chǎn)生三相電壓 三相定子感應(yīng)電壓的有效值三相定子中的任一相的電壓峰值為 因為，這個方程式也可以寫成 因此，三相定子中的任一相的電壓有效值為圖3-17顯示一個具有弦波分佈定子磁場的簡化的交流電機，磁通峰值在正上方，而轉(zhuǎn)子上只裝設(shè)一個線圈，電機定子上的磁通分佈為 整個轉(zhuǎn)子迴路的轉(zhuǎn)矩為 3-5交流電機

12、的感應(yīng)轉(zhuǎn)矩(3-52)圖3-17一個具有弦波定子磁通分佈，而且轉(zhuǎn)子上裝設(shè)單一線圈的簡化交流電機圖3-18圖3-17電機內(nèi)部的磁通密度分量藉由參閱圖3-18，可將 (3-52) 式表示成更方便的型式，而且注意到兩項事實： 1.轉(zhuǎn)子線圈電流i 自己產(chǎn)生了一個磁場，磁場峰值 的方向可由右手定則來得到，而磁場強度 大 小是直接正比於流入轉(zhuǎn)子的電流。 2.是定子磁通密度 與轉(zhuǎn)子磁場強度最大值 的夾角。此外， 藉由將上述兩項整合，線圈迴路上之轉(zhuǎn)矩可以表示為 這裡K是依電機結(jié)構(gòu)而定的常數(shù)，值得注意的是包 括轉(zhuǎn)矩的大小及方向均可由下列方程式來表示 最後，因為 ，方程式可以被表示為(3-58) 藉由參閱圖3-1

13、8，可將 (3-52) 式表示成更方便的型式，而且注意到兩項事實： 1.轉(zhuǎn)子線圈電流i 自己產(chǎn)生了一個磁場，磁場峰值 的方向可由右手定則來得到，而磁場強度 大 小是直接正比於流入轉(zhuǎn)子的電流。 2.是定子磁通密度 與轉(zhuǎn)子磁場強度最大值 的夾角。此外， 電機淨(jìng)磁場是轉(zhuǎn)子磁場及定子磁場的向量和 ( 假設(shè)沒有飽和 )： 因為任何向量與本身的叉積為零，所以簡化為 所以感應(yīng)轉(zhuǎn)矩可以被表示成為 與 的叉積，而使用相同的常數(shù)k，這個表示式的大小為 這裡是 與 的夾角。圖3-19一個簡化的同步電機用來說明轉(zhuǎn)子及定子磁場電機設(shè)計最重要部分之一是它的繞組絕緣的設(shè)計。假如一個馬達(dá)或發(fā)電機的絕緣破壞，則電機將發(fā)生短路。

14、 為了預(yù)防繞組因過熱而絕緣破壞，則必須限制繞組溫度。限制溫度，部分可藉由提供冷空氣循環(huán)來解決，但是線圈最高溫度限制了電機可連續(xù)供應(yīng)的最大功率。 3-6交流電機之繞組絕緣圖3-20不同絕緣等級的平均絕緣壽命與繞組溫度關(guān)係圖3-7交流電機功率流程及損失交流電機效率定義為 電機輸入功率與輸出功率的差異是發(fā)生在電機內(nèi)部的損失，因此 交流電機的損失交流電機內(nèi)部損失可分為四類： 1.電損失或銅損 ( 損失 )； 三相交流電機的定子銅損 (SCL) 可由下式得到 這裡 是電樞每相電流， 是電樞每相電組。 交流同步電機轉(zhuǎn)子銅損 (RCL) 可以由下式得到 這裡 是場繞組電流， 是場繞組電阻。 2.鐵心損失：鐵

15、心損失是發(fā)生在馬達(dá)內(nèi)部鐵質(zhì)材 料部分的磁滯損失及渦流損失。 3.機械損失 機械損失有兩種基本類型：摩擦與風(fēng)損，摩擦損 失是起因於電機軸承摩擦的損失，而風(fēng)損則是起 因於電機內(nèi)部可動的部分與電機內(nèi)部空氣的摩 擦。 4.雜散損失：雜散損失是無法歸類到上述分類的 損失。無論如何小心地計算損失，總 有一些損失不在上述損失分類之中， 這些損失稱為雜散損失。 功率流程圖功率流程圖一種用來計算電機功率損失最方便的技術(shù)，圖3-21(a) 所示是一部交流發(fā)電機的功率流程圖。在圖中，機械功率是輸入功率，而雜散損失、機械損失、鐵損是損失，扣除這些損失，標(biāo)示 就是理想上由機械功率轉(zhuǎn)換而來的電功率，這被轉(zhuǎn)換的機械功率為在交流馬達(dá)的情形，功率流程圖可以簡單地反向。馬達(dá)之功率流程如圖3-21(b) 所示。圖3-21(a) 三相交流發(fā)電機功率流程圖；(b) 三相交流馬達(dá)功率流程圖電壓調(diào)整率通常用來比較發(fā)電機之優(yōu)劣，電壓調(diào)整率 (VR) 是一部發(fā)電機當(dāng)負(fù)載改變時保持穩(wěn)定電壓輸出的能力，它可由以下方程式定義為 這裡 是發(fā)電機無載端電壓， 是發(fā)電機滿載端電壓，它是一種概略性的方式描述發(fā)電機電壓與電流的