電機原理與拖動基礎(chǔ) 課件 第6章－交流電機基礎(chǔ)

第6章交流電機基礎(chǔ)交流電機主要分為同步電機和感應(yīng)電機兩大類，它們的工作原理和運行性能都有很大差別。同步電機主要用作發(fā)電機，目前交流發(fā)電機幾乎都是采用同步發(fā)電機。感應(yīng)電機則主要用作電動機。本篇主要分析討論三相感應(yīng)電動機并結(jié)合討論交流電機中的一般問題。關(guān)于同步電機將在第四篇中討論。第六章交流電機基礎(chǔ)

6.1三相異步電動機的繞組及感應(yīng)電動勢

6.2三相單層繞組分析

6.3

繞組的磁動勢

6.1三相異步電動機的繞組及感應(yīng)電動勢三相交流繞組的基本要求和分類一、對三相交流繞組的基本要求1）每相繞組的阻抗要求相等，即每相繞組的匝數(shù)、形狀都是相同的。2）在一定數(shù)目的導(dǎo)體下，能獲得較大的電動勢和磁動勢。3）電動勢和磁動勢的波形力求接近正弦波，為此要求電動勢和磁動勢中的諧波分量應(yīng)盡可能小。4）對基波而言，三相電動勢和磁動勢必須對稱。5）用銅少，絕緣性能可靠，制造、維修方便。二、三相交流繞組的分類同心式繞組鏈?zhǔn)嚼@組交叉式繞組集中式繞組交流繞組單層繞組雙層繞組雙層疊繞組雙層波繞組三、關(guān)于交流繞組的一些基本量除了極距τ，線圈節(jié)距y1等的意義和直流電樞繞組是一樣外。在交流繞組中，還需要知道：相帶。由于三相繞組在空間彼此要相距120°電角度，所以相帶的劃分沿定子內(nèi)圓應(yīng)依次為U1、W2、V1、U2、W1、V2，如圖。60。相帶三繞組2極4極繞組的感應(yīng)電動勢一、導(dǎo)體電動勢當(dāng)磁場在空間正弦分布，并以恒定轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)體感應(yīng)的電動勢亦為一正弦波，其最大值為導(dǎo)體電動勢有效值為

因為磁通密度作正弦分布，所以每極磁通量

代入上式得，式中Bm1——作正弦分布的氣隙磁通密度的幅值二、整距線圈的電動勢對于整距線圈，如果一個有效邊在N極的中心底下，則另一個有效邊就剛好處在S極的中心底下，可見兩有效邊內(nèi)的電動勢瞬時值大小相等而方向相反。但就一個線匝來說，兩個電動勢正好相加。在一個線圈內(nèi)，每一匝電動勢在大小和相位上都是相同的，所以整距線圈的電動勢每個線匝的電動勢：有效值：有效值：三、短距線圈的電動勢短距線圈的電動勢：匝電動勢：有效值：匝電動勢計算式中Ky1為短距因數(shù)是線圈節(jié)距y1所對應(yīng)的電角度:線圈的感應(yīng)電動勢電氣性能上，一個單層繞組都相當(dāng)于一個等元件的整距繞組。所以組圈組的電動勢應(yīng)為q個線圈電動勢的相量和，即由于這q個相量大小相等，依次位移α角，所以它們依次相加便構(gòu)成了一個正多邊形的一部分，如圖所示（以q=3為例）。圖中O為正多邊形外接圓的圓心，于是便可求得線圈組的電動勢Eq1為：代入上式而所以Kq1——分布因數(shù)式中：得：式中——繞組因數(shù)相電動勢相電動勢等于每一條并聯(lián)支路的電動勢。一般情況下，每條支路中所串聯(lián)的幾個線圈組的電動勢都是大小相等，相位相同的，因此，可以直接相加。對于雙層繞組，每條支路由個線圈組串聯(lián)而成。對于單層繞組，每條支路由個線圈組串聯(lián)而成每相繞組電動勢：

雙層繞組

單層繞組

式中分別表示雙層繞組和單層繞組每條支路的串聯(lián)匝數(shù)N，這樣就可寫出繞組相電動勢的一般公式：式中N——每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)。短距因數(shù)與分布因數(shù)

短距因數(shù)Ky1和分布因數(shù)Kq1，都小于1的數(shù)，因此短距分布繞組的電動勢將小于整距集中繞組的電動勢。繞組中除了感應(yīng)有基波電動勢外，同時也感應(yīng)有高次諧波電動勢。高次諧波電動勢對相電動勢的大小的影響一般不是很大，主要是影響電動勢的波形，而采用短距繞組可以消除一部分高次諧波電動勢右圖表示采用短距繞組消除5次諧波磁場在線圈兩個有效邊中感應(yīng)的電動勢大小相等、方向相反，沿線圈回路，兩個電動勢正好相加。采用短距繞組消除5次諧波電動勢對三相繞組，不論采用星形聯(lián)接還是采用三角形聯(lián)接，線電壓中都不存在3次或3的倍數(shù)次諧波。因此在選擇線圈節(jié)距時，主要考慮削弱5次和7次諧波電動勢，通常采用左右，這時5次和7次諧波電動勢約只有整距時的1/4左右，至于更高次諧波電動勢，由于幅值很小，影響已不大。從電動勢波形的角度看：單層繞組的性能要比雙層短距組差。采用分布繞組，同樣可以起到削弱高次諧波的作用q增加時，基波的分布因數(shù)減小不多，而諧波的分布因數(shù)卻顯著減小。但是隨著q的增大，電動機的槽數(shù)也增多，使電動機的成本提高。事實上，當(dāng)?shù)貢r間q＞6時，高次諧波分布因數(shù)的下降已不太顯著，因些一般交流電動機的每極每相槽數(shù)q均在2-6之間，小型感應(yīng)電動機的q一般為2-4。6.2三相單層繞組分析一、2p=2，q=1定子鐵心內(nèi)圓上共有Z1=2m1pq=6個槽，每個相帶中只有一個槽，其中U1、U2的線圈邊構(gòu)成一相繞組。V1、V2和W1、W2構(gòu)成另外兩組繞組。顯然，它們在空間互差120°電角度，如下圖。三相感應(yīng)電動機的接線板二、2p=4，q=1定子槽數(shù)Z1=12，每對極下有6個槽，每對極下三相繞組的排列完全相同，這樣每相繞組就有兩個圈，它們可以并聯(lián)聯(lián)接，也可以串聯(lián)聯(lián)接。下圖是串聯(lián)聯(lián)接的情況。q=1的繞組稱為集中繞組，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但電氣性能較差（電動勢和磁動勢的波形不是正弦波），且定子鐵心的內(nèi)圓沒有得到充分利用，散熱也困難，因此實際上并不采用。三相4極交流繞組展開圖三、2p=4，q=2設(shè)有一臺4極電動機，定子槽數(shù)Z1=24，則每極每相槽數(shù)，槽距角。若繞組采用60°相帶，則每個相帶包含兩個槽（即等于q）。相帶與槽號對應(yīng)表

相帶

槽號U1W2V1U2W1V2第一對極1，23，45，67，89，1011，12第二對極13，1415，1617，1819，2021，2223，24U相繞組的4個線圈，依次串聯(lián)起來，構(gòu)成了一相繞組，其形狀、大小是完全一樣的，稱為等元件繞組，展開圖如圖所示這就使端接部分縮短，節(jié)省了材料。也減少了端接部分的重疊現(xiàn)象，使端接部分的排列更加合理?？梢?，導(dǎo)體電流方向未變，因而產(chǎn)生的磁動勢情況不變，每相繞組的電動勢大小也未變。但改變接法后，每個線圈的節(jié)距y1由原來的整矩（y1=6）變?yōu)槎叹啵▂1=5<τ），單層鏈U相繞組展開圖把上圖的展開圖改接成下圖所示的情況，改變接法后，為了維持導(dǎo)體中的電流方向不變，導(dǎo)體電動勢仍是相加而不是相減，則線圈間的聯(lián)接應(yīng)由上圖的“頭-尾”相聯(lián)接成下圖的“尾-尾”相聯(lián)、“頭-頭”相聯(lián)。這種聯(lián)接方式的繞組稱為鏈?zhǔn)嚼@組。鏈?zhǔn)嚼@組的線圈雖然是短距的，但在電氣性能方面和整距繞組一樣。從電氣性能來看，鏈?zhǔn)嚼@組仍然是一種整距繞組。用同樣的方法，可以得到另外兩相繞組的聯(lián)接規(guī)律。一般當(dāng)q=2時，三相單層繞組都采用鏈?zhǔn)嚼@組。下圖為三相單層鏈?zhǔn)嚼@組的展開圖。四、2p=4，q=3設(shè)一臺4極電動機，定子槽Z1=36，則，槽距角若采用60°相帶，每個相帶包含三個槽。相帶與槽號對應(yīng)表

相帶

槽號U1W2V1U2W1V2第一對極1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二對極19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36聯(lián)成一個等元件的整距繞組，下圖是U相繞組展開圖因為導(dǎo)體12與導(dǎo)體30處于相同的磁場位置，U相繞相也可改接如下：將2-10，3-11構(gòu)成兩個節(jié)距y1=8的大線圈；1-30構(gòu)成一個y1=7的小線圈。同理，20-28，21-29構(gòu)成兩個大線圈，19-12構(gòu)成一個小線圈，形成兩對極下依次出現(xiàn)兩大一小的交叉布置，如圖所示。單層交叉式U相繞組展開圖為了保持導(dǎo)體的電流方向不變，每相繞組的電動勢不變，線圈之間的聯(lián)接規(guī)律如下：兩個相鄰的大線圈之間應(yīng)按“頭-尾”相聯(lián)，大線圈和小線圈之間應(yīng)按“尾-尾”相聯(lián)，小線圈與大線圈之間應(yīng)按“頭-頭”相聯(lián)。這種聯(lián)接方式的繞組為交叉式繞組。交叉式繞組不是等元件繞組，線圈的平均節(jié)距小于極距，因此端接部分較等元件繞組短，所以當(dāng)q=3時，一般均采用交叉式繞組。從電氣性能來看，交叉式繞組仍然屬于整距繞組。另外兩相繞組也可按同樣的方法聯(lián)接。下圖是三相交叉式繞組的展開圖。五、2p=2，q=4設(shè)2極電動機，Z1=24，則，槽距角α=15°。相帶U1W2V1U2W1V2槽號1，23，45，67，89，1011，1213，1415，1617，1819，2021，2223，24相帶與槽號對應(yīng)表可繪出等元件整距繞組的展開圖。為了減小端接部分長度和重疊現(xiàn)象，以利于散熱，當(dāng)q=4時，一般采用如下的聯(lián)接方法。同心式U相繞組展開圖同心式繞組從電氣性能方面來看，也仍然屬于一種整距繞組。把3-14構(gòu)成一個大線圈，4-13構(gòu)成一個小線圈，它們“頭-尾”相聯(lián)，組成一個同心式線圈組，再把15-2、16-1構(gòu)成另一個同心式線圈組。兩個線圈組之間串聯(lián)，即“尾-尾”相聯(lián)，兩個線圈組的首端作為一相繞組的兩個端點，如下圖。

6.3繞組的磁動勢單相繞組的磁動勢——脈振磁動勢一、整距線圈的磁動勢相繞組是由線圈所組成的，為此在分析繞組磁動勢前，先分析單個線圈所產(chǎn)生的磁動勢。磁力線穿過轉(zhuǎn)子鐵心，定子鐵心和兩個氣隙相對于氣隙而言，由于鐵心磁導(dǎo)率極大，其上消耗的磁勢降可以忽略不計。根據(jù)全電流定律，每根磁力線所包圍的全電流均為：

式中Nc——線圈匝數(shù)，也就是線圈每一有效邊的導(dǎo)體數(shù)。若線圈中的電流為一交流電流，，則磁動勢矩形波幅值的一般表達(dá)式為：隨時間的變化而作正弦變化，當(dāng)電流為最大值時，矩形波的高度也為最大值，當(dāng)電流改變方向時，磁動勢也隨之改變方向，如右圖：矩形波脈振磁勢的分解：對一個空間按矩形規(guī)律分布的磁動勢用傅氏級數(shù)進(jìn)行分解，可得到如下圖所示的一系列諧波。因為磁動勢的分布既對橫軸對稱又對縱軸對稱，所以諧波中無偶次項，也無正弦項。這樣按傅氏級數(shù)展開的磁動勢可寫成：其中基波磁動勢的幅值為矩形波幅值的，即而次諧波的幅值則為基波的。式中的表示諧波次數(shù)；來表示該項前的符號。每個線圈組都是可以看成是由q個線圈構(gòu)成的線圈組，線圈與線圈之間錯開一個槽距角。二、整距線圈組的磁動勢

線圈組基波合成磁動勢的矢量可以用q個依次相差α電角度的基波磁動勢矢量相加求得：式中Kq1——基波的分布因數(shù)對高次諧波磁動勢，由于次諧波磁動勢的極數(shù)為基波極數(shù)的倍，因此，對次諧波來說，槽距角為電角度，所以次諧波的分布因數(shù)為

而次諧波磁動勢的幅值為

采用分布繞且可以削弱磁動勢的高次諧波，改善磁動勢波形，使之接近于正弦波。三、短距線圈的磁動勢線圈組可以用兩個單層繞組的線圈組來等效。如下圖a所示。這兩個線圈組在空間相差β電角度。不難看出，β角即節(jié)距縮短所對應(yīng)的電角度，即用求整距分布線圈磁動勢的方法，求得基波和高次諧波。顯然這兩個線圈組的基波磁動勢勢Eq1上和Fq1下，彼此相差β電角度，如圖b所示。用矢量相加的方法，可求得兩個線圈組的合成基波磁動勢，式中同理，對次諧波而言和采用短距繞組能改善電動勢波形一樣，采用短距繞組也可以改善磁動勢波形。采用分布短距繞組會使基波磁動勢有所減小，但諧波磁動勢卻大大削弱，使總的磁動勢波形更接近于正弦形，這也是在容量稍大的電動機中一般都采用雙層分布短距繞組的原因。三、相繞組的磁動勢一個相繞組的磁動勢并不是指整個相繞組的總安匝數(shù)，而是指消耗在一個氣隙中的合成磁動勢一般在公式中用相電流I和每相串聯(lián)匝數(shù)N1來代替線圈電流Ic和線圈匝數(shù)Nc。若繞組的并聯(lián)支路數(shù)為α，則。對單層繞組對雙層繞組式中Kω1——繞組因數(shù)，Kω1=Ky1Kq1。

整個脈振磁動勢的方程式為次諧波磁動勢的幅值為式中三相繞組的磁動勢——旋轉(zhuǎn)磁動勢

三相繞組是由三個單相繞組U、V、W所構(gòu)成，這三個單相繞組結(jié)構(gòu)完全相同，只是在空間互差120°電角度而已。把三個單相繞組所產(chǎn)生的磁動勢波逐點相加，就得到了三相繞組的合成磁動勢。單相繞組的磁動勢是一個脈振磁動勢磁動勢可以分解為基波和一系列高次諧波，其中基波磁動勢是主要分量?？偟暮铣纱艅觿輵?yīng)是基波和高次諧波磁動勢的疊加。一、三相繞組的基波合成磁動勢則由脈振磁動勢即可寫出U、V、W三相基波磁動勢的表達(dá)式三個等式右邊第二項之和為零三相基波合成磁動勢：式中F1——三相合成基波磁動勢的幅值1)當(dāng)ωt=0時，瞬時基波磁動勢的分布曲線是一幅值恒定，沿空間作正弦分布的行波。沿圓周的連續(xù)推移就成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。2）旋轉(zhuǎn)磁動勢波的旋轉(zhuǎn)速度可以由波上任意一點的推移速度確定。設(shè)取波幅點進(jìn)行考慮，其值恒為F1，由三相基波合成磁動勢方程式可知這時相當(dāng)于上式說明每當(dāng)電流變化一周，磁動勢波就沿圓周移動了2τ的距離，也就相當(dāng)于轉(zhuǎn)過了圈。x對時間t求導(dǎo)，就可以求出波幅點的移動速度。

n1稱為同步轉(zhuǎn)速，它僅與電流頻率f和電動機的極對數(shù)p有關(guān)，其單位為轉(zhuǎn)/秒（r/s）或轉(zhuǎn)/分（r/min）。旋轉(zhuǎn)磁動勢波的轉(zhuǎn)速：

已制成的電動機，極對數(shù)p是一定的，當(dāng)電源頻率不同時，電動機就有不同的同步速。反之，若電源頻率一定，則不同極數(shù)的電動機，其同步速也不同。我國的工頻頻率為50Hz2極電動機（2p=2）的同步速為3000r/min；4極電動機（2p=4）的同步速為1500r/min；6極電動機（2p=6）的同步速為1000r/min等。3）三相基波合成磁動勢的振幅始終與電流達(dá)到最大值時的一相繞組的軸線重合。同理當(dāng)ωt=240°時，W相電流達(dá)最大值，這時幅值F1將位于W相繞組的軸線上。當(dāng)ωt=120°時，V相電流達(dá)最大值，此時，說明幅值F1應(yīng)在電角度處，即位于V相繞組的軸線上。當(dāng)ωt=0時U相電流達(dá)最在值，此時，在說明此時幅值在U相繞組軸線上。4）根據(jù)上述結(jié)論，說