电机学Word下载.docx
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(二)三相异步电动机的工作原理
对称三相绕组接到对称三相电源
1.产生旋转磁场
在定子、转子之间的气隙建立了以同步转速n0旋转的旋转磁场
2.产生感应电动势
根据电磁感应定律,转子导条内会感应产生感应电动势
感应电动势产生(图3-4)
3.产生电磁转矩
当导条端接部分短接时,
(如不考虑导条中电流与电动势的电位差),
电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向
根据电磁力定律,
因导条载有感应电流,必然会受到电磁力作用
电磁力的方向用左手定则决定
所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的电磁转矩
转子跟着旋转磁场方向旋转
(三)三相异步电动机的转速与运行状态
1.异步电动机名称的由来
一般情况下,异步电动机的转速不能达到旋转磁场的同步转速n0
因为
若旋转磁场与转子导条之间没有相对运动,
就不可能有感应电动势,
因此就不会产生电磁转矩
所以转子转速n与旋转磁场必定“异步”
异步电动机由此而命名
2.转差率
定义转差率:
一般情况下,异步电动机运行时转差率变化不大
空载转差率在0.5%以下
满载转差率在5%以下
3.异步电动机三种运转状态:
异步电动机的三种运转状态(图3-5)
异步电动机三种运转状态的动画表示
1).发电机状态
即n>
n0,s<
0
电磁转矩方向和旋转磁场及转子的旋转方向相反
异步电机通过电磁感应由定子向电网输送电功率,
电机处在发电机状态
2).电动机状态
3).电磁制动状态即n<
0,s>
1
电磁转矩方向与旋转磁场方向一致,但与外转矩方向相反
异步电机同时从转子输入机械功率、从定子输入电功率
两部分功率一起变为电机内部的损耗
第一节三相异步电动机的工作原理和结构
*定子
*转子
*气隙
二.异步电动机结构
三相鼠笼电动机剖面图(图3-6a)
三相饶线电动机剖面图(图3-6)
(一)定子
1.定子铁心
由导磁性能较好的0.5mm厚且冲有一定槽形的硅钢片叠压而成
定子槽(图3-6d)
2.定子绕组
异步电机定子部分的电路是许多线圈按一定规律联接而成
定子绕组(图3-6e)
3.机座
主要是固定和支撑定子铁心
中小型异步电动机一般采用铸铁机座
大中型异步电动机一般采用钢板焊接的机座
三相饶线电动机装配结构图(图3-6b)
三相鼠笼电动机装配结构图(图3-6c)
(二)转子
1.转子铁心
主磁通磁路的一部分
由0.5毫米厚冲槽的硅钢片叠成,
固定在转轴或转子支架上,外表面成圆柱形
2.转子绕组
a.笼型绕组
笼型绕组由插入每个转子中的导条和两端的环形端环组成
鼠笼转子(图3-8)
b.绕线型绕组
与定子绕组一样也是一个对称三相绕组,
这个对称三相绕组接成星形,接到转轴上三个集电环,
再通过电刷使转子绕组与外电路接通
饶线转子示意图(图3-10)
(三)气隙
中小型电机一般为0.2~2mm
三相饶线电动机装配结构图(图3-6b)
第二节三相异步电动机的铭牌数据
异步电动机铭牌(p3-3)
1.额定功率:
额定运行时的输出的机械功率,单位为kw
2.额定电压:
额定运行状态下,加在定子绕组的线电压,单位为V
3.额定电流:
额定电压下使用,输出额定功率时,定子绕组中的线电流,单位为A
4.额定频率:
我国标准工业用电频率为50HZ
5.额定转速:
额定电压、额定功率及额定频率下的转速,单位为r/min
第三节三相异步电动机的定子绕组
旋转磁场由旋转磁通势来建立,
所以对磁场的要求,也就是对磁通势的要求
本章以三相单层和双层绕组为例说明绕组的排列和联接
一.交流绕组的一些基本知识与基本量
(一)电角度与机械角度
电机圆周在几何上分成360°
,这个角度称为机械角度
若电机磁场在空间按正弦规律分布
当有导体经过N、S一对磁极时
导体中所感应(正弦)电动势的变化为一个周期,即经过360电角度
这样,电机若有p对磁极
电机圆周按电角度计算就为p*360°
,而机械角度仍为360°
故:
电角度=p*机械角度
(二)线圈(图3-11a)
线圈由一匝或多匝串联而成,两个引出线分别叫首端和末端
(三)节距
一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距,用y1表示
一般用槽数计
线圈可范围分为:
整距绕组:
y1=τ
短距绕组:
y1<
τ
长距绕组:
y1>
(四)槽距角a
相邻槽之间的电角度叫槽距角α
如Q1为定子槽数
(五)每极每相槽数q
每一个极下每相绕组所占的槽数,用符号q表示
m--相数
*极距的计算
*线圈中的电流方向
*确定相带
*画定子槽的展开图
二.交流绕组的排列和连接
举例:
给定电机的极数2p=4,槽数Q1=24
(一)极距的计算
异步电动机形成磁极效应
要在对称三相绕组中通入对称三相电流后才显示出来
因此必须根据给定的定子槽数Q1和极数2p来确定极距
(二)线圈中的电流方向
在相邻极距内属于一个相绕组,而相隔一个极距的线圈边,
有相反方向电流时,才能建立极数符合给定要求的磁通势和磁场
磁极的形成取决于流过线圈边的电流(图3-11)
(三)确定相带
每个极距内属于每相的槽所占有的区域称为“相带”
每个相绕组所有相带均需相隔一个极距
因为一个极距为180°
电角度,
三相电机一个极距内有三个相带(ABC或XYZ)
所以三相绕组每个相带为60°
一般三相异步电动机都采用60度相带的三相绕组
(四)画定子槽的展开图
将槽编号,分相带,并确定各相的相带
下面将用实例进行说明
三.三相单层绕组
分析一台槽数24的四极三相电动机绕组构成
(一)计算极距
(二)计算每极每相槽数
(三)划分相带
相带
A
Z
B
X
C
Y
第一对极
1,2
3,4
5,6
7,8
9,10
11,12
13,14
15,16
17,18
19,20
21,22
23,24
(四)组成线圈组
A相的线圈组应由线圈边1、7,2、8、13、19和14、20
分别组成的四个线圈,并分两组串联而构成
相绕组的构成(图3-12)
四.三相双层绕组
双层绕组每个槽内有上下两个线圈边
双层绕组的嵌放(图3-15)
整个绕组的线圈数等于槽数
这种线圈形式便于绕制,端接部分形状排列整齐,
有利于散热和增强机械强度,
可以选择最有利的节距y1,以改善磁通势和电动势波形
以一台三相四极36槽的双层叠绕组为例
说明三相双层绕组的排列和联接
(一)计算极距
(二)选择节距
采用短节距y1=8槽
(三)计算每极每相槽数
(四)划分相带,画展开图
相带
A
Z
B
X
C
Y
第一对极
1,2,3
4,5,6
7,8,9
10,11,12
13,14,15
16,17,18
19,20,21
22,23,24
25,26,27
28,29,30
31,32,33
34,35,36
三相双层叠绕组展开图(图3-16.a)
(五)组成线圈
作出电机的圆形接线图如下:
圆形接线图(图3-16.b)
正相带A、B、C和负相带X、Y、Z,
各线圈组间的联接均为反向联接,方能产生要求的磁极对数。
*A相一路串联的连接顺序
一路串联的连接顺序(图3-18)
圆形接线图表示(图3-18b)
*A相两路并联的连接顺序
两路并联的连接顺序(图3-19)
第四节三相异步电动机的定子磁通势及磁场
*整距线圈的磁通势
*线圈组的磁通势
*相绕组的磁通势
分析方法:
1.一个线圈的磁通势
2.一个线圈组以及一个相绕组的磁通势
3.三个相绕组的磁通势叠加得出合成磁通势
一.单相绕组的磁通势--脉振磁通势
(一)整距线圈的磁通势
对一台两极电机进行分析
这种整距线圈所产生的磁通势在空间分布波形是一个矩形波,
其周期为两个极距,
其幅值等于磁力线所包围的全电流的一半
整距线圈的磁通势(图3-21)
ωt=0,i=√2I时,整距线圈磁通势用方程式表示为
(3-8)
磁通分布一般表达式为:
(3-9)
应用傅氏级数,把(图3-21)中ωt=0时的矩形波进行分解
对矩形波进行傅氏展开(图3-24)
这样,整距线圈所产生的脉振磁通势表达式为:
(二)线圈组的磁通势
组成线圈组的线圈(或者是等效的线圈组的线圈)
相互隔一个槽距角α,且串联
下面按整距线圈和短距线圈两种情况,分析线圈磁通势。
1、整距线圈的线圈组磁通势
以一个q=3的整距线圈组为例,
整距线圈的线圈组磁通势(图3-25)
这三个矩形磁通势波形的幅值都相同,
在空间彼此相隔α电角度
将矩形磁通势分解成基波及一系列谐波
对三个幅值相等在空间互差α电角度的整距线圈
基波磁通势Fy1、Fy2、Fy3相加
可得出线圈组的基波合成磁通势Fq1
(3-12)
由(图3-25)可得:
(3-13)
(3-14)
由式(3-13)和式(3-14)可得:
(3-15)
其中基波磁通势的分布系数:
(3-16)
同理得线圈高次谐波磁通势的幅值Fqv为
(3-17)
其中,v次谐波磁通势的分布系数:
(3-18)
2、短距线圈的线圈组磁通势
以q=2,τ=6,y1=5的双层短距叠绕组为例
其一对极下属同一相的两个线圈组
可等效为相差一个α角的上层和下层整距线圈组
双层短距叠绕组(图3-26)
双层短距叠绕组合成磁通势(图3-27)
其中
(3-19)
上层和下层整距线圈组的合成磁通势中
基波磁通势的幅值均为Fq1,
两个线圈组的基波合成磁通势的幅值FØ
1(p=1)
(3-20)
(3-21)
称为基波磁通势的短距系数
同理,v次谐波合成磁通势的幅值FØ
v(p=1)为
(3-22)
其中,谐波磁通势的短距系数
(3-23)
(三)相绕组的磁通势
综合关于整距线圈和线圈组磁通势的分析,得出结论
1.绕组由集中的改为分布
基波合成磁通势幅值打一个折扣kq1;
2.线圈由整距改为短距
基波合成磁通势幅值打一个折扣ky1,
3.绕组由集中、整距改为分布、短距的实际绕组以后
基波合成磁通势幅值打一个折扣kq1ky1
4.基波绕组系数
kw1=kq1ky1
类似地
绕组由集中、整距改为分布、短距的实际绕组以后,
对其谐波合成磁通势也要打一个折扣kwv=kqvkyv
一个相绕组的磁通势
是指每对极下这个相绕组的合成磁通势
每一对极的磁通势和磁阻组成一个对称的分支磁路
所以单相绕组基波合成磁通势的幅值
是指相绕组在一对极下线圈中电流所形成磁通势的基波的幅值
极对数为p,每极每相槽数为q的双层短距绕组,
每个线圈组由q个线圈组成,
如每个线圈的匝数为Ny,
则一个相绕组每对极下线圈匝数是2qNy
如相绕组的串联总匝数为N,有下列关系:
(3-26)
那么基波合成磁通势幅值FØ
1为
(3-27)
v次谐波磁通势的幅值FØ
v为:
(3-28)
单相绕组的磁通势方程式为
单相绕组的磁通势的性质可归纳几点:
1.单相绕组的磁通势是一种在空间位置固定、幅值随时间变化的脉振磁通势
2.单相绕组基波磁通势幅值的位置与绕组的轴线相重合,其幅值为
3.单相绕组脉振磁通势中v次波磁通势的幅值为
可见谐波次数愈高,幅值愈小
4.单相绕组的磁势方程式
(3-29)
二.三相绕组的磁通势-旋转磁通势
从数学推导方面进行,首先考虑三相基波合成磁通势,
取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点,
空间坐标的选取(图3-tem10)
并以正相序方向作为x的正方向;
同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点,
则A、B、C三个相的基波磁通势表达式为
1.三相绕组的基波合成磁通势
由此表达式知f1(x,t)表示一个幅值恒定、正弦分布的行波。
即是一个沿气隙圆周旋转的旋转磁通势波。
2.三相合成基波磁通势的性质
(1)三相绕组的基波合成磁通势的幅值
(3-33)
三相绕组的基波合成磁通势可表示为
(3-34)
(2)三相绕组合成磁通势的转速
可以通过对磁通势波上特殊点(例如波幅这一点)的转速来确定
对于波幅这一点,其幅值始终为F1,
因此只要满足cos(ϖt-πx/t)=1,则f1(x,t)=F1
而波幅这点始终满足
所以当时间t增大以后,要使cos(ϖt-πx/t)=1,
波幅所在点随时间而变的空间位移x必须增大。
这个距离如以长度计算为x,以空间位移角度计算即为πx/t
所以,将磁通势波任意点的空间位移角θ=πx/t对时间t求导数
可求出波幅旋转的角速度
(3-36)
可得转速n0(r/min)
(3-37)
当某相电流达到最大值,旋转磁通势的幅值就将转到该相绕组的轴线处
例如:
当ωt=0时,A相电流达到最大值,A相的磁通势为
而旋转磁通势为
可见f1与fA1在空间同一位置上,即位于A相绕组的轴线上.
对称三相绕组中通以对称三相电流时,三相基波合成磁通势具有下列特性:
1、三相基波合成磁通势是一个旋转磁通势,
转速为同步转速n0=60f1/p,旋转方向决定于电流的相序.
2、幅值F1不变.为各相脉振磁通势幅值的3/2倍.
3、三相电流中任一相电流的瞬时值达到最大值时,
三相基波合成磁通势的幅值在这一相绕组的轴线上.
第四节三相异步电动机的定子磁通势及磁场
第五节三相异步电动机定子绕组的电势
*导条的电势
*线圈电势
分析方法:
1.线圈的感应电动势
2.线圈组的感应电动势
3.相绕组的感应电动势----相电势
*物理上正弦分布形状磁极以no速度旋转产生的磁场
*基波旋转磁势所产生的磁场
对定子绕组产生的磁效应是相同的,为直观计,下面以前者为例进行分析
一.线圈的感应电势
(一)导条的电势
1.感应电势的频率
一对极时
磁极转一周,感应电势交变一次
P对极时
磁极转一周,感应电势交变P次
所以导体中感应电势频率
2.感应电势波形和大小
以no速度旋转磁极产生的磁场(图3-tem5)
由于
式中Bδ为气隙磁密,
所以eA瞬时值取决于导体切割气隙磁密时所在空间Bδ的大小
若气隙磁密在空间按正弦波规律分布,
同时考虑电动机气隙均匀,
即电机磁路沿径向各处磁阻相等且为Rm
(磁路经由转子-气隙-定子-气隙-转子闭合)
则气隙磁密Bδ可表述为
选适当坐标使导条A所在处x=0,则
Bδ=B1mcosωt
所以
感应电势波形随时间按正弦规律变化
按正弦规律分布磁密波幅与平均值的关系(图3-tem6)
考虑到
则可以得到:
其中Ø
m为一个磁极下的磁通量
单根导条的感应电势有效值
(二)线圈电势
1.整距线圈
整距线圈的电势的计算(图3-tem7)
EA=E1mcosωt
EX=E1mcos(ωt-180°
)=-E1mcos(ωt)
È
AX=È
A-È
X=2È
整距单匝线圈电势有效值:
EAX=4.44f1Ø
m
2.短距线圈
短距线圈的电势的计算(图3-tem8)
显然有
短距单匝线圈电势有效值
3.线圈基波电势
若线圈匝数为Ny,则线圈基波电势有效值为
Ey=4.44f1NyKy1Ø
第五节三相异步电动机定子绕组的电势
二.线圈组感应电势
分布式线圈组(图3-tem9)
线圈相隔槽距角α
线圈组电势:
和对磁势分析类似,可得q个线圈构成线圈组电势为
Eq1=
q·
Ey1Kq1=
4.44f1·
q·
NyKy1Kq1Ø
=
4.44f1·
NyKw1Ø
二.线圈组感应电势
相电势由定子绕组中构成某支路的线圈组个数决定
以3.4节中的三相四极36槽双层叠线圈为例,
对A相绕组来说:
共有四个线圈组分别由线圈
(1,2,3)、(10,11,12)、(19,20,21)和(28,29,30)组成。
*A相绕组并联支路数为1时
其联接顺序为
A-(1,2,3)-(12,11,10)-(19,20,21)-(30,29,28)-X
的1条支路构成
*A相绕组并联支路数为2时
A-(1,2,3)
-(12,11,10)-X和
A-(19,20,21)-(30,29,28)-X
的2条支路的并联构成
*A相绕组并联支路数为4时
A-(1,2,3)-X
A-(12,11,10)-X
A-(19,20,21)-X
A-(30,29,28)-X
的4条支路的并联构成
当考虑电机每条支路的串联匝数为N
基波电势有效值为EØ
1=4.44f1NKw1Ø
第九章三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
第一节三相异步电动机机械特性的三种表达式
一.异步电动机机械特性的物理表达式
1.异步电动机电磁转矩表达式:
2.转矩常数表达式:
3.转子电流表达式:
4.转子电路功率因数表达式:
可以看出:
转差与电流、功率因数的关系及异步电动机机械特性(图9-1)
1.电流与转差关系(图9-1)
I2'
最初与s成正比地增加,
s较大时,I2'
增加逐步减缓
2.功率因数与转差关系(图9-1)
s=0,cosϕ'
2=1
随着n的逐步下降,s增加,cosϕ'
2
将逐步下降
3.合成曲线
两条曲线相乘,并乘以常数CTJΦm,即得n=f(T)的曲线,
称为异步电动机的机械特性。
(图9-1)
反映了不同转速时T与Φm及转子电流的有功分量I2'
cosϕ'
2间的关系
在物理上,这三个量的方向遵循左手定则
二.异步电动机机械特性的参数表达式
采用参数表达式可直接建立异步电动机工作时转矩和转速关系并进行定量分析
(9-5)
(9-6)
(9-7)
(9-8)
(9-9)
(9-10)
由异步电动机的近似等效电路:
(9-14)
1.异步电动机的机械特性参数表达式:
(9-15)
2.异步电动机的机械特性
异步电动机的机械特性(图9-2)
因为异步电动机机械特性为二次方程式,
所以在某一转差率sm时,转矩有一最大值Tm,
该值称为异步电动机的最大转矩
求出生产Tm时的转差sm
(9-16)
3.对应异步电动机的最大转矩Tm为
(9-17)
正号对应于电动机状态,而负号则适用于发电机状态
考虑R1<
<
(X1+X2'
),可得:
(9-18)
(9-19)
可以看出:
4.几点规律
1)当电动机各参数及电源频率不变时,
Tm与UX2成正比,sm
因与UX无关而保持不变
2)当电源频率及电压不变时,
sm与Tm近似地与(X1+X2'
)成反比
3)Tm与R2'
之值无关,sm与R2'
成正比
5.电动机过载倍数KT
(9-21)
一般异步电动机的KT约等于1.8~3.0
起重冶金机械用的电动机,KT可达3.5
过载倍数KT是电动机
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- 电机