第六七章 交流电机基础
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交流电机简介1 概述交流电机是一种用来实现电能和机械能相互转换的旋转电磁机械。
能量形式的转换依赖于定子和转子之间的气隙磁场。
电机的作用原理,基于电磁感应定律和电磁力定律。
电磁感应定律:表示导体在磁场中作切割磁力线运动时,将产生感应电动势。
磁场方向、导体运动方向和感应电动势方向,三者之间的关系可用右手定则表示。
它们的关系是:伸开右手手掌,使拇指和其它四指相垂直,以手心对准磁场的北极(N极),使拇指指向导体运动的方向,那么四指的指向便是导体内感应电动势的方向,如图1所示。
实际可以用它来判断:导体在磁场中运动时,其感应电动势(或感应电流)的方向,因此也把它叫做发电机定则,也就是发电机的工作原理。
电磁力定律:表示载流导体在磁场中受力作用时,磁场方向、电流方向和载流导体受力方向,三者之间的关系可用左手定则表示。
它们的关系是:伸开左手手掌,使拇指和其它四指相垂直,以手心对准磁场的北极(N极),使四指指向电流的方向,那么拇指的指向便是导体受力的方向,如图2所示。
实际上,可用它来判断载流导体在磁场中的运动方向,所以也把它叫做电动机定则,也就是电动机的工作原理。
电动机的旋转方向就是根据这个定则判定的。
电机进行能量转换时,必须具备能做相对运动的两大部件:一是建立磁场的部件;二是产生感应电动势并流过工作电流的被感应部件。
这两个部件中,静止不动的部分称为定子,建立磁场的部件就是定子绕组;做旋转运动的部分称为转子,被感应部件就是转子绕组。
定、转子之间有空气隙,以便转子旋转。
旋转电磁转矩由气隙中旋转磁场与被感应部件中电流所建立的磁场相互作用产生。
通过电磁转矩的作用,发电机从机械系统接收机械功率,向电系统输出电功率,向国民经济各部门及广大城乡提供电能。
电动机从电系统接收电功率,向机械系统输出机械功率,作为驱动机械设备的动力。
旋转电磁机械:就是我们所见到和所使用的电机是一种包含着三种结构部件、三种物理作用的机器。
一种是导电部件(也就是定子线圈)它从电网接收电功率——三相交流电,在空气隙中产生一个旋转磁场。
1.2、通用交流电动机三相鼠笼式交流电机是感应电机中最常见的一种,其构造及特性如下:1.3.1 感应电机的构造示意图:1.3.2、交流感应电动机原理:1.3.2.1 定子、转子构造图12 交流电机定子和转子定子构造:图13 交流感应电机定子绕组图14 定子硅钢片截面三相交流感应电动机由定子和转子构成。
转子由铸铝等铁磁材料整体铸造而成,绕组首尾短路。
定子由很多铁磁性硅钢片组成磁极,磁极旁边的卡槽里安装绕组转子结构:图15 交流感应电机转子结构图16 转子剖面图图17 转子硅钢片剖面1.3.2.2 交流电动机原理:三相交流电动机的运行基于法拉第电磁感应定律和罗伦茨力的原理。
假设有一组长度为L的导体,头尾短路,一个永磁体放在这些导体的上方,永磁体以速度V向右快速的移动,接下来会发生以下事件:1每根导体中都会因为切割了磁力线产生了感生电压E = BLV;2感生电压马上产生一个电流,从导体出发,再回到导体;3这些带电的导体因为处在磁场中,所以,导体受到力的作用;4在力的作用下,导体被磁场“拖着”运动。
如果把这些导体组成一个圆圈,运动的永磁体换成一个旋转的磁场,我们就建立了一个简化的交流电动机的模型。
1.3.2.3 旋转磁场的建立如果在定子三相绕组中通入三相交流电,则会在气隙中产生一个同步旋转的磁场。
以下图示显示了同步旋转磁场的建立过程:起始阶段当给三相交流感应电动机的定子接通三相交流电时,会在气隙中产生一个同步旋转的磁场,此时相对于不动的转子,转子绕组正在切割磁力线。
由此产生了转子电流,此电流又形成了转子磁场。
在磁场的相互作用下,转子就旋转起来了。
由于转子中的电流是感生出来的,所以这种电机也叫做感应电动机。
图11 旋转磁场示意图磁场同步转速:转差率:由于异步电动机必须形成转子和同步磁场的速度差才可以运行,所以形成了转差。
异步交流电动机的转子速度与同步速度之差占同步速度的百分比被称为转差率。
当电机理想空载时,电机转子速度与同步速度相同,此时转差为0。
交流电机理论从电磁观点看,交流电机可看作一些相互耦合的线圈。
这些线圈包括定子绕组、转子绕组等。
根据励磁方式的不同,交流电机又分为同步电机、异步电机、永磁电机等。
在下面的分析中,假定交流电机为理想电机,即:1) 忽略铁心磁饱和的影响,导磁系数为常数;2) 电机磁路和绕组完全对称;3) 忽略谐波磁动势,谐波磁通及相应的谐波电动势的影响。
电流产生磁势,磁势产生磁通,磁通感应电压,电压产生电流。
图1 三相交流电机绕组分布示意图特点:三相绕组(无论是定子还是转子)在空间按逆时针排列,转子也按逆时针方向旋转,这样保证了正常运行时abc 的相序。
转子a 相轴线(记为r α轴,与之超前垂直的为r β轴)与定子A 相轴线(记为sD 轴,与之超前垂直的为sQ 轴)的夹角为θr (超前),磁链在空间按正弦规律分布。
电能是传输、使用最为便捷的二次能源!但是往往需要借助“电能——机械能转化装置”才能实现利用电能对负载的驱动!交流电机的空间矢量模型1.1 定子磁势和定子电流的空间矢量(静止坐标系)(space-phasors of stator and stator currents)假定ABC 三相定子绕组是随时间任意变化的电流i SA (t ), i SB (t ), i SC (t ),但满足:i S0(t )=i SA (t )+i SB (t )+i SC (t )=0 (1-1) 假定绕组有效匝数为N se =N s K ws ,N s 为绕组匝数,K ws 为绕组系数,那么三相定子绕组电流产生的空间磁势可表示为:(1-2) 式中:θ是用来表示空间位置的空间角(空间任意一点处与A 相定子绕组轴线之间的夹角) 定义:定子电流空间矢量为(1-3) 定子磁势空间矢量为(1-4) 式中:a =e j2π/3,a 2=e j4π /3 为空间位置算子,()sA f t 、()sB f t 、()sC f t 分别各相磁势空间矢量 注解:方程(1-3)的推导过程如下令 (1-5) 其中s θ为定子A 相电流的初始相位,又(1-6) 将式(1-5) 、(1-6)代入式(1-3),并整理可得(1-7) 所以(1-8) 式(1-3)里面之所以有2/3,是因为此处采用的等幅值变换,使()s i t 的模值与()S i t 的幅值相等,便于后面的计算。
交流电动机学习要点(一)1.电动机的构造电动机都是由定子和转子两部分组成。
三相异步电动机按转子结构的不同,又分为鼠笼式和绕线式两种。
2.三相异步电动机作用原理理解三相异步电动机作用原理的关键是理解旋转磁场及电磁转矩的形成。
(1)旋转磁场旋转磁场是由定子绕组三相电流共同产生的合成磁场,它在空间旋转着,磁场的磁力线通过定子铁心、转子铁心和两者之间的空气隙而闭合。
旋转磁场有转向、极数和转速三个问题。
旋转磁场的转速(同步转速):。
式中,P为磁极对数,为定子电流频率。
旋转磁场的方向与三相电流的相序有关。
旋转磁场的极数与三相绕组的排列布置有关。
(2)电磁转矩的形成过程:转子转速n总是小于同步转速,两者之差与同步转速的比值称为转差率S,即。
电磁转矩的方向与旋转磁场的旋转方向一致,它决定了转子的旋转方向。
因此,改变转子转向的方法是改变定子三相电源的相序。
3.三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的T与s之间的关系称为转矩特性,n与T的关系称为机械特性。
有时也统称为机械特性。
它们大致上可分为固有特性和人为特性。
(1) 在固有特性上,有三个特殊的工作点代表了三种重要的工作状态:(a) 额定状态说明了电动机的长期运行能力。
判断电动机能否长期运行,要看它的额定转矩是否大于或等于负载转矩,若满足,则可以带此负载长期运行。
额定转矩可由下式求得三相异步电动机在额定状态下运行时,定子线电流等于额定电流,输出功率为额定功率,所以和的大小也可以说明电动机在长期运行时带负载的能力。
(b)临界状态说明了电动机的短时过载能力。
判断电动机能否短时运行,要看它的最大转矩是否大于负载转矩,若满足,则可带此负载短时间运行(为保证温度不超过允许值,越大,允许过载的时间越短)。
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(c)起动状态说明了电动机的直接起动能力。
判断电动机能否直接起动,要看它的起动转矩是否大于负载转矩,若满足,则有可能带此负载直接起动(此外还要看起动电流是否在允许范围内)。
交流电机的工作原理一、同步电机下面以同步发电机为例说明同步电机的工作原理。
同步发电机由定子和转子两部分组成,定子、转子间有气隙,其结构模型如图2-1所示。
定子上嵌放一组三相对称绕组AX、BY和CZ,每相绕组的匝数相等,空间位置互差120°电角度,为方便计算,图中每相绕组仅由一个线圈构成。
转子磁极装有励磁绕组,由直流励磁。
正确选择磁极形状,可使气隙磁通密度沿定子内圈按正弦分布,转子磁场波形图如图2-2所示。
图2-1 同步发电机的结构模型图2-2 转子磁场波形图在图2-2中,以A相绕组为例,横坐标α为应转子位置角,纵坐标B为气隙磁通密度幅值,ω1为转子旋转角速度,Bx为任意位置处的A相绕组对应的气隙磁通密度幅值。
当原动机带动电机转子顺时针方向恒速旋转时,在气隙中形成一个正弦旋转磁场,磁场的幅值保持不变,但其所在空间位置随转子的旋转而旋转。
该旋转磁场不断切割定子每相绕组,并在其中感应电动势,电动势的大小按e=Blv确定,方向按右手定则确定。
以A相为例,在图2-1所示位置,导体位于磁极轴线上,感应电动势最大,其方向如图2-1所示。
当转子转过90°,磁极轴线位于水平位置,A相绕组不再切割磁场,感应电动势为零。
转子继续旋转,连接首端A的线圈边切割S极,感应电动势的方向也随之改变。
由于旋转的气隙磁通密度在定子内周按正弦规律分布,则定子绕组中感应电动势随时间按正弦规律变化。
由于三相绕组对称,在空间互差120°,当旋转磁场依次切割A相、B相和C 相绕组时,所产生的感应电动势也对称,即各相电动势的幅值大小相等,时间相位差120°,波形图如图2-3所示。
若把X、Y、Z三个线端接在一起成为中点,在A、B、C三个出线端之间就可得到三相对称交变电动势,这就是三相同步发电机空载时的基本原理。
如果在三个出线端接上三相对称负载,就引出三相对称交流电流,实现电能输出,此时,电枢绕组的三相电流与励磁绕组电流生成的气隙磁场相互作用,产生电磁转矩,发电机状态下该转矩方向与转子转向相反,原动机必须不断地提供给转子机械转矩才能维持电机转速,这样发电机就实现了将机械能转换为电能。
第七章交流电动机、填空题:对运动产生的,所以称为“异步”。
9 .定子三相绕组中通过三相对称交流电时在空间会产生旋转磁场 11.鼠笼型电动机的起动方法有 直接 起动和 降压起动两种。
1.由于三相异步电动机的转矩是由转子导条 与磁场 之间的相2 •某三相异步电动机工作时转速为 n = 980r/min ,则其磁极对数p=___ 3 旋转磁场转速n —1000 r/min ,转子相对于旋转磁场的转速为 n 2 = _30___r/min ,转子电流频率为f 2=__1.5Hz 。
3.某三相异步电动机起动转矩 T st = 10N ・m 最大转矩T m = 18N ・m 若电网电压降低了 20%,则起动转矩T st = ___6.4 _N ・m 最大转矩T 尸—11.52.N- m.5.用丫-△降压起动时,起动电流为直接用△接法起动时的1/3但启动转矩也只有直接用△接法启动时6.反接制动时,当电机转速接近于1/3—,因此只适用于空载或轻载启动。
_0 ______ 时,应及时 断电 ,防止电机反转 。
&交流异步电动机的转子绕组有鼠笼式 两种。
12.异步电动机的调速有 变频调速 变极调速、变转差率调速。
13.当 s 在 0-1范围内,三相异步电动机运行于电动状态,此时电磁转矩 性质为驱动性质;在 大于1范围内运行于发电机状态, 此时电磁转矩性质为制动性质。
14. 一台6极三相异步电动机接于50h Z 的三相对称电源;其s=0.05,则此时转 子转速为 950 r/min ,定子旋转磁势相对于转子的转速为50 r/min 。
15.三相异步电动机的电磁转矩是由_旋转磁场_ 和_转子电流—共同作用产生的。
16. 一台三相异步电动机带恒转矩负载运行, 若电源电压下降,则电动机的转速降低,定子电流 增加.,最大转矩 较小,临界转差率不变17.三相异步电动机电源电压一定,当负载转矩增加,则转速 较小,定子电流 增大19.三相异步电动机在额定负载运行时,其转差率 s 一般在 0-1 范围内。
交流电机的基础知识1. 介绍交流电机是一种常见的电动机,它能够将电能转换为机械能,广泛应用于工业和家庭设备中。
交流电机具有结构简单、动力强劲、运行稳定等优点,因此被广泛采用。
本文将介绍交流电机的基础知识,包括其工作原理、分类、特点以及应用领域等内容。
2. 工作原理交流电机的工作原理基于电磁感应现象。
当交流电通过电机绕组时,会在绕组中产生磁场。
磁场与电流方向有关,当电流方向发生变化时,磁场的方向也会发生变化。
根据洛伦兹力定律,当有导电体置于磁场中时,导体上就会受到力的作用。
交流电机通过不断变化的磁场方向,使得电机中的导体产生旋转运动。
主要有同步电机和异步电机两种类型。
3. 分类根据交流电机的结构和工作方式,可以将其分为以下几种常见的类型:3.1 同步电机同步电机的转子和磁场同步运行,转子的转速与磁场的旋转速度完全一致。
同步电机通常由电磁铁芯和绕组组成,绕组通电后会产生磁场,使得转子在磁场作用下旋转。
同步电机具有运行稳定、起动方便、精度高等特点,适用于精密仪器、钟表、航空航天等领域。
3.2 异步电机异步电机的转子和磁场之间有相对滑动,转子的转速略低于磁场的旋转速度。
异步电机通常由定子和转子两部分组成,定子绕组通电产生的磁场与转子磁场之间产生旋转力矩,推动转子旋转。
异步电机具有结构简单、成本低廉等优点,广泛应用于家用电器、工业设备等领域。
3.3 无刷直流电机无刷直流电机是一种采用电子换向器来实现转子换向的电机,它通过电子元件控制绕组通电时机和电流方向,从而实现电机转子的转动。
无刷直流电机具有高效率、低噪音、寿命长等优点,常用于无人机、电动车、机器人等领域。
3.4 万能电机万能电机是一种结构复杂、功能多样的交流电机,具有正反转、调速等特点。
万能电机结构包括电枢、绕组和换向器等部分,能够根据外部信号实现多种功能。
万能电机广泛应用于家电、工业设备以及汽车等领域。
4. 特点交流电机具有以下几个特点:•高效率:交流电机具有较高的能量转换效率,能够将大部分电能转换为机械能。
交流电机基础理论常用的交流电动机有三相异步电机(感应电机)和同步电机。
异步电机可用于一般场所和无特殊性能要求的各种机械设备;同步电机既可作发电机使用,也可作电动机使用。
Y 系列三相异步电机三相稀土永磁同步电机4.1 交流电机基础理论 电磁场理论4.1.1 交流电机的基本工作原理原理:基于定子旋转磁场(定子绕组内三相电流所产生的合成磁场)和转子电流(转子绕组内的感应电流)的相互作用。
工作原理定子绕组与电源的连接4.1.2 交流电机的基本电路分析由于转子转速不等于同步转速,把转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率,用S表示,即三相异步电动机的结构按结构分类:鼠笼式异步电动机:结构简单,坚固,成本低。
绕线式异步电动机:通过外串电阻改善电机的起动,调速等性能。
4.2.1 三相异步电动机的基本结构定子定子由铁心、绕组与机座三部分组成。
定子铁心是电动机磁路的一部分,它是由0.5mm的硅钢片叠压而成,片与片之间是绝缘的。
定子绕组是电动机的电路部分由许多线圈连接而成,每个线圈有两个有效边分别放在两个槽里。
三相对称绕组AX,BY,CZ可连接成星型或三角形。
机座主要用于固定与支撑定子的铁心。
转子转子有铁心与绕组组成。
异步电动机的转子绕组有鼠笼式、线绕式。
4.3.1 定子电路分析定子由铁心、绕组与机座三部分组成;定子铁心是电动机磁路的一部分,它是由0.5mm的硅钢片叠压而成,片与片之间是绝缘的。
定子绕组是电动机的电路部分,由许多线圈连接而成,每个线圈有两个有效边分别放在两个槽里。
三相对称绕组AX,BY,CZ可连接成星型或三角形。
定子每相绕组中产生的感应电动势为:有效值为:定子电动势或电流的频率:漏磁电动势:定子每相绕组上的电压为:式中,R1和X1(X1=2πf1LL1)——定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。
4.4.1 三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的转矩:三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I2相互作用而生成的。