电机学(2014)-交流电机理论汇编

1、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院主讲教师主讲教师 尚静尚静Tel:流电机理论的交流电机理论的 共同问题共同问题本章主要内容本章主要内容 交流绕组的构成原则和分类 三相双层绕组 气隙磁场正弦分布时交流绕组的感应电动势 感应电动势中的高次谐波 通有正弦电流时单相绕组的磁动势 通有对称三相电流时三相绕组的磁动势 第一节 交流绕组的构成原则和分类交流绕组的构成原则和分类交流绕组的构成原则：交流绕组的构成原则：（1）合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦形，幅值要大。（2）对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电抗要平衡。（3）绕组

2、的铜耗要小，用铜量要省。（4）绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。交流绕组分类： 单相、多相 单层（同心式绕组、链式绕组、交叉绕组） 多层（双层、多层正弦绕组）重点讲解： 三相整数槽绕组 第二节 三相双层绕组 双层绕组的主要优点：（1）可以选择最有利的节距；（2）所有线圈具有相同尺寸；（3）端部形状排列整齐，有利于散热和增加机械强度；一、槽电动势星形图和相带划分 每极每相槽数：360pqQ 电角度：每对极相当于360度电角度，若电机为2P极，则电角度为2360p 例1： 362433602 3602036QpmPQ相带相带槽号槽号极极 对对ABCXYZ1,2,34,5,67,8,9

3、10,11,1213,14,1516,17,1819,20,2122,23,24 25,26,27 28,29,30 31,32,33 34,35,36第一对极下第一对极下（1槽槽18槽）槽）第二对极下第二对极下（19槽槽36槽）槽）各个相带的槽号分布各个相带的槽号分布 A -1-2-3-10-11-12-19-20-21- -28-29-30-XA1X1A2X2A相绕组线圈的连接图（一条并联支路）相绕组线圈的连接图（一条并联支路）123192021101112282930XAA1X1A2X2A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）相绕组线圈的连接图（两条并联支路）4.3 三相单层绕组 单层绕组每

4、个槽只有一条线圈边，每个绕组的线圈数等于总槽数的1/2。 嵌线方便，没有层间绝缘，槽利用率高，但电势波形和磁势波形较差。包括：同心式绕组 链式绕组 交叉式绕组4.4 气隙磁场正弦分布时交流绕组 的感应电动势1.导体的感应电动势tEtlvBblvesin2sin112.正弦电动势的频率正弦电动势的频率感应电动势的频率：感应电动势的频率： 60pnf 同步转速：同步转速： pfn60lfBflBE11222有效值：有效值： 1122. 2222flBfE二、整距线圈的电动势二、整距线圈的电动势匝电势匝电势11112EEEEc单匝线圈电动势的有效单匝线圈电动势的有效值值11)1(144. 42fEE

5、cNc1144. 4ccfNE三、短距线圈的电动势、节距因数1y1801y采用短距线圈：用电角度表示的节距：单匝线圈的电动势为：单匝线圈的电动势为： 111110EEEEEc据相量图中的几何关系，得单匝线圈电动势据相量图中的几何关系，得单匝线圈电动势1(1)ccNE1111144. 490sin22180cos2pfkyEE90sin1)(1)(1111yEEkycycp1pk 为线圈的基波节距因数，表示线圈为线圈的基波节距因数，表示线圈短距时感应电动势比整距时应打的折扣短距时感应电动势比整距时应打的折扣 四、分布绕组的电动势，分布因数和绕组因数四、分布绕组的电动势，分布因数和绕组因数q个线圈

6、的合成电动势个线圈的合成电动势1qE2sin21qREq2sin21cER 111112sin2sin2sin2sindcccqkqEqqEqEE式中，式中， 1cqE 个线圈电动势的代数和；个线圈电动势的代数和； q绕组的基波分布因数，绕组的基波分布因数， 2sin2sin111qqqEEkcqd1dk的意义：由于绕组分布在不同的槽内，的意义：由于绕组分布在不同的槽内， q个分布线圈的合成电动势个分布线圈的合成电动势 小于小于 q 个集中线个集中线圈的合圈的合 1dk1qE成电动势成电动势 由此所引起的折扣由此所引起的折扣 。 1cqE11dk五、相电动势和线电动势五、相电动势和线电动势设一

7、相绕组的总串联匝数设一相绕组的总串联匝数 为，则一相的电动为，则一相的电动势应势应 为为 N1E11144. 4wfNkE4.5 感应电势中的高次谐波1. 高次谐波电动势sppnn16060sp npnff4.442wwpdEf NkBlkk k 2. 削弱谐波电动势的方法采用短距绕组：1111sin (90 )0(90 )1802(1,2,3.)1(1)pykykkyky或 4.6 4.6 通有正弦电流时单相绕组的磁动势通有正弦电流时单相绕组的磁动势1、线圈的磁动势为、线圈的磁动势为整距线圈的磁动势整距线圈的磁动势42c cN i2c cN i整距线圈的基波磁动势14cos2c ccsN i

8、f4.6 4.6 通有正弦电流时单相绕组的磁动势通有正弦电流时单相绕组的磁动势一相绕组的磁动势为一相绕组的磁动势为swipNkfcos2411则单相绕组的基波磁动势为则单相绕组的基波磁动势为tFtIpNktfsswscoscoscoscos224),(111式中，式中， 单相绕组基波磁动势的幅值，单相绕组基波磁动势的幅值，1FpNkIpNkFww11119 . 0224单相绕组的基波磁动势在空间随角按单相绕组的基波磁动势在空间随角按 单相绕组的基波磁动势为脉振磁动势，单相绕组的基波磁动势为脉振磁动势，其脉振频率取决于电流的频率。其脉振频率取决于电流的频率。 余弦规律分布，在时间上随按余弦规律脉

9、振。余弦规律分布，在时间上随按余弦规律脉振。4.5 4.5 通有三相电流时三相绕组的磁动势通有三相电流时三相绕组的磁动势三相绕组基波合成磁动势为三相绕组基波合成磁动势为)cos(),(11sstFtf式中，式中， 三相绕组基波磁动势的幅值三相绕组基波磁动势的幅值1FIpNkIpNkFFww111135. 19 . 02323 性质：是一个沿着气隙圆周连续推移的旋转磁动势波。性质：是一个沿着气隙圆周连续推移的旋转磁动势波。a) 转速：转速： snrpfsrpfpn)min(60)(2，即，即 。 snn b) 幅值位置：幅值位置：当某相电流达到交流的最大值时，当某相电流达到交流的最大值时， 基波

10、合成旋转磁动势波的幅值基波合成旋转磁动势波的幅值c) 方向方向： 取决于交流电流的相序。取决于交流电流的相序。就将与该相绕组的轴线重合。就将与该相绕组的轴线重合。电动机的应用领域电动机的应用领域工农业生产自动化工农业生产自动化 日常生活及家用电器自动化日常生活及家用电器自动化 军事自动化领域军事自动化领域 其它自动化领域其它自动化领域 什么是电机？ 电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。 什么是电机学？ 研究电机基本电磁关系与原理的学说。是法拉第电磁学经典应用。 新能源领域新能源领域 新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等。 又推出与之相

11、对应的发电机机组2kw 500w50kw Harbin Institute of Technology Harbin Institute of Technology三峡电机转子三峡电机转子三峡水电站装机总容量为三峡水电站装机总容量为18201820万万kWkW，年均发电量年均发电量847847亿亿kWhkWh三峡水电站若电价暂按三峡水电站若电价暂按0.180.180.21/0.21/（kWh)kWh)计算，每年售电收入可达计算，每年售电收入可达181181亿亿219219亿元亿元 三峡水库发电机组三峡水库发电机组电机的分类电机的分类分类方法之一分类方法之一: 从能量转换角度，分为从能量转换角度

12、，分为电动机电动机（M）和和发电机（发电机（G）两大类。两大类。 绪论绪论电机机电能量转换图电机机电能量转换图发电机发电机: 将机械能转化为电能的装置。将机械能转化为电能的装置。机械能：机械能： 通过原动机将各类一次能源转化为通过原动机将各类一次能源转化为机械能，然后通过发电机将机械能转化机械能，然后通过发电机将机械能转化为电能。为电能。一次能源：一次能源： 燃料、水位能、原子能、风能等。燃料、水位能、原子能、风能等。 绪论绪论 绪论绪论 根据一次能源不同又可以分为不同的根据一次能源不同又可以分为不同的发电机：发电机：一次能源为水能一次能源为水能 水轮发电机水轮发电机一次能源为燃料一次能源为燃

13、料 汽轮发电机汽轮发电机一次能源为风能一次能源为风能 风力发电机风力发电机 电机的分类方法之二：电机的分类方法之二：电机的分类方法之三：电机的分类方法之三：电动机可以根据电源性质进行分类： 根据选用电源类型不同分为不同电动机：根据选用电源类型不同分为不同电动机：直流电源直流电源-直流电动机直流电动机交流电源交流电源-交流电动机交流电动机-交流同步电动机交流同步电动机 交流异步电动机交流异步电动机 (感应电动机感应电动机) 电动机电磁型电动机非电磁型 （超声波电动机、压电控制电动机、磁滞控制、静电控制）电动机直流电动机电磁型直流电动机永磁直流电动机有刷直流电动机无刷直流电动机交直两用电动机通用型

14、电动机交流电动机感应电动机三相IM笼型绕线型二相IM单相IM分相启动电动机电容启动电动机反发启动电动机罩极启动电动机同步电动机永磁型电磁型磁阻磁滞步进电动机（VR型、PM型、HB型、齿极型）电机的分类方法之四：电机的分类方法之四： 也是电机学的分类方法也是电机学的分类方法四大机种四大机种: : 直流电机直流电机 变压器变压器 感应电机感应电机 同步电机同步电机电磁力的种类：电磁力的种类： （1）洛伦兹力洛伦兹力 强制电磁力强制电磁力 （同步电机、直流电机）（同步电机、直流电机） （2）感应电磁力感应电磁力 （感应电机、开关磁阻（感应电机、开关磁阻电机、步进电机）电机、步进电机） 绪论绪论 第二

15、节 电机发展简史一、直流电机的产生和形成时期 1821年，法拉第发现了载流导体在磁场内受力现象； 1831年，法拉第发现了电磁感应定律； 1882年，是电机发展史上的一个转折点， Deprez把米斯巴哈水电站发出的 2KW直流电，用一条57Km的输电线将电能输送到慕尼黑。二、交流电机的形成和发展时期 早在1832年，单相交流发电机就已出现。 交流感应电机的发明，与产生旋转磁场关系密切。 1894年前后，Potier又建立了交轴磁场理论。 1899年，凸极同步电动机的电枢反应，并提出了双反应理论。三、电机理论、设计和制造工艺逐三、电机理论、设计和制造工艺逐步达到完善化的时期步达到完善化的时期 2

16、0世纪是电机发展史中的一个新时期。 20世纪40年代前后，由于第二次世界大战的影响，出现了一系列新的控制电机。 1954年，柯伐煦提出了空间矢量法。 20世纪70年代，电力电子器件的发展达到了最快的发展速度，带动控制电机的快速发展。第三节 我国电机工业发展概况 相继研制出125MW，250MW，550MW，700MW的水轮发电机； 电力变压器的最大容量已经做到840MVA，电压最高为750kV。 中小型电机的生产产量已经达到4000KW, 我国已经成为世界中小型电机生产基地。 第第4节节电机学课程的任务以及学习方法电机学课程的任务以及学习方法 主要学习要求：掌握四大机种主要学习要求：掌握四大机种基本基本电磁原理、基本平衡方程、等效电电磁原理、基本平衡方程、等效电路、相量图及参数、性能运算方