西南交大电机与运动控制系统教案-交流电机-1

第三章交流电机原理电机与运动控制系统交流电机原理•交流电机基本工作原理•异步电机的共同问题•异步电机原理•同步电机原理第一节交流电机基本工作原理电机与运动控制系统1、感应电机基本原理电机与运动控制系统感应电机基本原理•定子磁场以速度n0旋转•转子导体与定子磁场相对转速Δn•转子导体感生电动势•转子导体形成回路，产生感应电流•转子导体受电磁力，形成电磁转矩•推动转子以转速n顺n0方向旋转异步电动机模型0电机与运动控制系统2、感应电机原理特点•必须有一个旋转的磁场(实现能量转换的前提)•旋转磁场与转子导体存在转速差，即Δn≠0（必要条件，异步）•转子导体形成回路（e→i≠0，产生电流）•建立转矩的电流由感应产生（称为感应电机）•感应电机最重要的参数：转差率000nnnnns电机与运动控制系统•问题如何使定子磁场旋转起来？NSAXBYCZMAIIt，0AXBYCZNSMBIIt，32NSAXBYCZMCIIt，34电机与运动控制系统同步发电机模型n0n03.同步电机基本原理•原动机拖动转子磁场以速度n0旋转（相对定子）•定子导体与转子磁场相对转速为n0•定子导体感生电动势,定子带负载则有电流流过•定子电流产生旋转磁场，速度为n0•转子导体受电磁力，形成电磁转矩，和拖动转矩平衡电机与运动控制系统4、同步电机原理特点•转子直流励磁，磁场的旋转由原动机拖动实现，此转速决定电机的电动势频率•转子磁场与定子绕组的转速差为n，在定子绕组中感应电动势•定子绕组带负载时形成回路，有电流流过，此电流产生旋转磁场，转速和转子磁场转速相同（同步，称为同步电机）•建立电磁转矩和拖动转矩平衡电机与运动控制系统交流电机共同问题同步发电机模型n0n0异步电动机模型0共同问题：绕组的布置、旋转磁场的产生、感应电势电机与运动控制系统二、异步电机的结构•定子：–定子铁心：0.5mm硅钢片叠压而成,磁路的一部分；–定子绕组：电磁线制而成,电路一部分；–机座：铸铁或钢板焊接而成；•转子：–转子铁心：0.5mm硅钢片叠压而成,磁路一部分；–转子绕组：笼型绕组（铸铜或铜条）；绕线式绕组（电磁线制而成，Y接，滑环引出，外接电阻）；–转轴：支撑转子；•气隙：磁路一部分（中小型电机约0.2~1.5mm左右）。电机与运动控制系统电机与运动控制系统电机与运动控制系统电机与运动控制系统采用铸铝的鼠笼式转子电机与运动控制系统电机与运动控制系统电机与运动控制系统三、定子绕组（交流绕组）•两个考虑因素：运行、设计制造•构成原则：–一定的导体数目下，绕组合成电势和磁势幅值大、波形接近正弦；–保证三相对称；–节省材料、工艺方便。1.交流绕组构成原则电机与运动控制系统2.交流绕组分类•按相数分：–单相、两相、三相、多相•按绕组层数分：–单层、双层•按每极下每相所占槽数分：–整数槽、分数槽电机与运动控制系统1）线圈（绕组元件）:构成绕组的基本单元。2）节距y1:一个线圈两条边之间相隔槽数。y1=整距、y1短距、y1长距2、交流绕组相关基本概念（认识交流绕组）电机与运动控制系统3）极距:每极所占槽数(=Q/2p)。4）槽距角：铁心相邻两槽间的电角度(＝360ºp/Q）。5）每极每相槽数q:每极下每相所占槽数(q=Q/(2pm)）。电机与运动控制系统6）电角度与机械角度电角度=p机械角度7）相带:每极下每相所占宽度，以电角度表示。60º相带，120º相带。电机与运动控制系统单层绕组电机与运动控制系统双层绕组电机与运动控制系统例：单层绕组构成：3,2,24mpQ122pQ22pmQqNS相ac’ba’cb’第一对极1，23，45，67，89，1011，12第二对极13，1415，1617，1819，2021，2223，24电机与运动控制系统分极、分相、划分相带→组成线圈组A1X1A2X2B1Y1B2Y2C1Z1C2Z2电机与运动控制系统按极性对电流方向的要求构成相绕组(A)电机与运动控制系统按同样的方法构成另外两相绕组(B、C)电机与运动控制系统计算计算q划分相带组成线圈组构成相绕组电机与运动控制系统8、绕组构成中的特别处理•为消除电动势和磁动势中的谐波，在绕组构成中应采用短距方法和分布方法。–分布方法：一个槽中的集中绕组，分别按一定的规律放于多个槽中；–短（长）距方法：要消除的谐波为ν次时，绕组的节距值为：)11(1y电机与运动控制系统第二节交流电机共同问题一、单相绕组磁动势电机与运动控制系统1.整距集中绕组磁动势•绕组匝数Ny•通过电流iy•气隙中磁势处处相等SNAXyyNiH2:安培环路定理yyyNiF21电机与运动控制系统2.整距集中绕组的磁势波形0yImNSFxNAXAmiy=Im瞬间磁势波形t11cos22yyymyFiNINtcosymiIt电机与运动控制系统3.磁势波形随时间变化情况myIi0yimyIiymym电机与运动控制系统磁势波形特点•磁势空间位置固定•幅值随电流改变•瞬间波形为空间矩形波•空间脉振磁势电机与运动控制系统4、空间矩形波磁势分解1222312222cos()()(,)()yyyyyiItiNxfxtiNx令02211(,)(coscos3cos5...)cos35(1)0.9coscos2i1yiyifxtINxxxtINtx，其中＝＋傅立叶分解电机与运动控制系统5、磁势分解波形x0-2232FymFy1Fy3Fy5Fym(x)矩形磁通势波的基波及3，5次谐波分量电机与运动控制系统问题•整距集中绕组产生的磁势存在奇次谐波•问题：如何消除磁势谐波？－分布绕组－短距绕组电机与运动控制系统6、分布绕组磁势AXBCZY整距集中绕组234567891011121314151617181AX整距分布绕组（1）分布绕组结构电机与运动控制系统电机与运动控制系统（2）分布绕组磁势合成R0qFFFF112131qm1FFF112131q：每极每相槽数：槽距角2sin21qRFqm2sin21RFy电机与运动控制系统（3）分布绕组系数•线圈组：由q个分布绕组串联构成•线圈组合成磁势：yvqvyvqmvqFKvqqvqFF2sin2sin12sin2sinvqqvKqv绕组分布系数：v1357kqv0.95980.66670.2176-0.177电机与运动控制系统（4）分布绕组特点•采用分布绕组后，线圈组基波、谐波磁势幅值均下降，下降比例等于分布系数•谐波磁势下降比例远大于基波•合成磁势较接近正弦波电机与运动控制系统7、短距绕组磁势y11上1'22'极距fy0232qe32qe2fy0iNy单相双层短距线圈产生的磁通势1下1下1y电机与运动控制系统短距绕组磁势合成:Fqm1上Fqm1下Fqy1ey11上1'22'极距1下等效为整距绕组Fqm1下Fqm1上Fqy1e)1(1ey短距角：电机与运动控制系统短距系数:)2sin(1ykyvFqm1上Fqm1下Fqy1e)2sin(2)22cos(22cos2111111eyFyFFFqmqmqmqy)1(1ey短距角：电机与运动控制系统问题•基波和谐波均被消弱，基波损失小于谐波•问题:–若消除5次谐波y1应为多少？–普通三相电机y1应取多少合适？0)25sin(15yky541y0)27sin(17yky761y651y电机与运动控制系统8.相绕组磁势yyyqyyqNIKqKFKqKF11111129.02111yqwkkkpINKNIqKFyy1w1w19.029.00(1)(,)0.9coscosiwiNIfxtwtkxp(脉振磁势）绕组系数:22yNpqN每相串联匝数二、三相绕组磁动势电机与运动控制系统电机与运动控制系统数学分析：三相次谐波磁势：(,)cos()cos()AmfxtFxt22(,)cos()cos()33BmfxtFxt22(,)cos()cos()33CmfxtFxt电机与运动控制系统三相合成磁势：11(,)cos()cos()22AvmvmvfxtFxtFxt1212(,)cos[(1)]cos[(1)]2323BvmvmvfxtFxtFxt1212(,)cos[(1)]cos[(1)]2323CmvmvfxtFxtFxt),(),(),(),(txftxftxftxfCvBvAvv电机与运动控制系统（1）ν=6n+1的合成磁势•ν=6n+1，n=0,1,2,3,……时的合成磁势：11(,)cos()cos()22AvmvmvfxtFxtFxt112(,)cos()cos()223BvmvfxtFxtxt112(,)cos()cos()223CmvmvfxtFxtFxt3(,)cos()2vmvfxtFxt电机与运动控制系统（2)ν=6n-1，n=1,2,3,……的合成磁势3(,)cos()2vmvftFt（3）ν=3n的合成磁势0),(tfv电机与运动控制系统问题•三相对称绕组通入三相对称电流后，每次谐波的两个旋转分量中被抵消一个•三次及3的整数倍谐波恒为0•次谐波幅值为基波幅值的1/•问题–能否将除基波外的其他谐波全部消除？–如何消除？–有无其他方法建立旋转磁场？电机与运动控制系统结论：旋转磁场•三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波磁势为：)sin(23),(11txFtxfm•此合成磁场旋转，每一电源周期旋转360电角度（一对极）；•某相绕组中电流达到最大值时，磁极轴线恰好旋转到该相绕组轴线上。电机与运动控制系统三相对称绕组通以不对称三相电流产生的磁势电机与运动控制系统三交流绕组的感应电势•波形•频率•有效值•气隙磁密的大小及分布•导体有效长度•导体切割磁力线的速度dlBve)(电机与运动控制系统电机与运动控制系统11ceBlvNNSS电机与运动控制系统电机与运动控制系统１、导体感应电势•气隙磁场：)sin(),(tBtB1m1pfn106001160226060anDfvpfp•磁场旋转速度:•指定位置0处导体切割磁场速度11ceBlv电机与运动控制系统)sin(201111tflBlvBemc1112flBEmmc112mmBl11111122.222mmmccffEE感应电势有效值:电机与运动控制系统２、线圈感应电势一个整距线圈感应电势•线圈匝数Ny•线圈两元件边感应电势相位差：180电角度•一个整距线圈感应电势有效值mycyyNfENE11144.42电机与运动控制系统一个短距线圈感应电势电机与运动控制系统一个短距线圈感应电势:•线圈匝数Ny•同一线圈两条元件边感应电势相位差：•线圈感应电势01180y111cycyEEE电机与运动控制系统•有效值:m1y11c1y90yNf4442180E2E)*sin(.)cos()90sin(011ykymyyykNfE11144.4短距线圈感应电势有效值:•短距系数:电机与运动控制系统３、一个线圈组感应电势•每极每相槽数q，槽距电角α•线圈组由q个线圈串联组成•合成电势qiiyqEE111R0qEEEE112131qm1EEE112131q：每极每相槽数：槽距角2qR2E1qmsin2R2E1ysin电机与运动控制系统•有效值m1