交流电机的基础知识

交流电机基础第六章交流电机的共同理论绕组、电势和磁势交流电机绕组构成原则三相单层绕组*三相双层绕组交流电机绕组磁势交流电机绕组电势交流电机的共同理论绕组、电势和磁势本章要求：掌握交流电机三相绕组构成原则。能够绘制三相单层同心式分布绕组展开图。

掌握基波磁场下集中、分布绕组线圈组电势计算。熟悉基波磁场下双层、短距分布绕组相电势计算。掌握单相绕组产生脉振磁势及其主要结论。熟练掌握单相绕组产生脉振磁势基波可以分解为两个转向相反的旋转磁势。掌握三相绕组产生旋转磁势的条件、性质及其主要结论。熟练掌握三相对称绕组产生圆形旋转磁势基波的大小、转向、速度。交流电机

同步发电机同步电动机同步电机异步发电机(性能较差）异步电动机异步电机同步电机异步电机异步电机特点：结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉，但它是感性负载，使电网功率因数变坏，调速性能差。

两种型式的交流电机在涉及的理论、基本结构原理方面具有下面三个共同部分：

◆交流绕组的基本结构◆交流绕组中感应的电动势◆交流绕组产生的磁动势

一、同步发电机工作原理定子绕组如图排列；转子磁极在外力作用下旋转，定子绕组切割气隙磁场，产生电势。上下第一节交流电机ZCBYXANSn电势频率fN=50Hzn转子每分钟的转速，p极对数p=1,n=3000rpm;p=2,n=1500rpm;p=3,n=1000rpm;AnN1S1N2S2上下或同步发电机定子结构上下二、异步电动机的工作原理n有功i2SNn1e2femT原理视频第二节三三相交流流电机的的定子绕绕组异步电动动机的工工作磁场场（主磁磁场）是是一种旋旋转磁场场，是依依靠定子子绕组中中通以交交流电流流来建立立的。因因此，定定子上的的三相绕绕组必须须保证当当它通以以三相交交流电流流后，其其所建立立的旋转转磁场具具有一定定的极数数、一定定的大小小，并且且在空间间的分布布波形接接近正弦弦波形，，而且由由该旋转转磁场在在绕组本本身中所所感应的的电动势势也是对对称的。。这种旋旋转磁场场由旋转转磁动势势来建立立，那么么对磁场场的要求求，也就就是对磁磁动势的的要求。。交流电机机包含异异步机和和同步机机。其定定子结构构相同，，都由定定子铁芯芯和定子子绕组组组成；它它们的绕绕组、电电势、磁磁势都相相同。一、交流流绕组构构成原则则1、每相相绕组产产生的相相电势应应为正弦弦，且数数值尽可可能大。。2、各相相绕组的的电势、、电阻和和电抗在在数值上上尽可能能相等，，感应电电势在相相位上也也要对称称，即在在时间上上互差120ºº电角度度。上下3、端接接线尽可可能短，，节约铜铜线，减减小损耗耗。4、元件件制造方方便，嵌嵌线工艺艺方便，，便于保保证质量量和节约约制造工工时。二、绕组组基本知知识极距是指每一一磁极所所占定子子内圆周周的距离离，即有有节距y是指线线圈两有有效边之之间的距距离。单单层绕组组是整距距绕组，，即有y=τ每极每相相槽数q是指一个个磁极下下一相绕绕组所占占有的槽槽数，即即有：相带：是指一一相绕组组在一个个磁极下下连续所所占的范范围。机械角：电机圆圆周空间间角度为为360°或为为2π弧弧度，称称这种角角度为机机械角。。对于一一对磁极极由N→→S→N变化一一周相当当于360°电电角度或或为2ππ电弧度度。当电电机有p对磁极时时，电角角度=p×机械角角。分析：每一磁磁极占180°°电角度度，三相相绕组的的每相绕绕组在一一个极下下只占三三分之一一，即60°相相带。P=2时，绕组组的排列列A1每对磁极极下，都应有有一个ABC三三相绕组组，其排排列顺序序在一对对磁极下下应对称称。B1Z1X1C1Y1A2Z2B2X2C2Y2结论：三相绕组排排列顺序为为：每对磁极下下，六个绕组边边在空间沿沿转子转向向排列顺序序为：A、、Z、B、、X、C、、Y；且互互差60ºº电角度。上下电角度=机机械角度pA1X1每相绕组不不可能放在在一个槽中中，应均匀匀放在相邻邻的几个槽槽中，串联联在一起。。每极每相槽数q=总槽数Z2pmP：极对数数；m：相相数。上下线圈节距Y1:一个线圈圈的两个有有效边之间间的距离。。上下绕组编绕方方法有：同同心式和叠叠绕AX同心式AX叠绕上下单匝二、三三相相单层层交流流绕组组一交流机：：Z=24，P=2，m=3，画出单单层同心式式绕组展开开图。1、画出结结构图，标标出槽号A1B1Z1X1C1Y1A2Z2B2X2C2Y21234567891011121314151617181920212223242、标出AZBXCY的位置置上下每相绕组由由两个线圈圈组组成。。如:A1X1，，A2X2；组成A相。其中中A1X1，，A2X2感应的电电势相同。。每个线圈组组由两个线线圈组成，，1，2；；7，8；；组成A1X1线圈圈组。上下3、画出绕绕组展开图图13，14；19，，20；组组成A2X2线圈组组。A1B1Z1X1C1Y1A2Z2B2X2C2Y2123456789101112131415161718192021222324A1B1Z1X1C1Y1A2Z21234567891011121314151617181920212223241234567891011121314151617181920A1X1A2X2AX绕组展开图图上下当定子每相相绕组AX、BY、、CZ匝数数相同，六六个绕组端端在空间沿沿转子转向向排列顺序序为：A、、Z、B、、X、C、、Y；且互互差60ºº电角度时时，三相电电势为对称称电势。电角度=机机械角度p上下第三节交交流流定子子绕组的的电动动势气隙磁场分分布增加BA气隙磁场可可分解为正正弦波上下一、导体电电势bA导体A中电电势为：L：导体A的有效长度度；v：导体A相对于磁磁场的运动动速度。B是旋转的，，旋转的角角频率为，则导体A相对对磁密的空空间电角度度=t。上下1、导体中中基波电势势导体中基波波幅值bAB1BP将正弦基波波磁场等效效为矩形波波：每极基波磁磁通平均值值：导体中基波波有效值上下2、导体中中谐波电势势上下3、导体感感应电势与与磁通的相相量关系+A+j二、线圈电电势和短距距系数1、整距匝匝电势该匝基波电电势：一匝线圈由由两个导体体边，相距距。设电势出为为正，两个个基波电势势的大小相相等，相位位差180º。该匝谐波电电势：上下2、整距线线圈电势AXNy设线圈由Ny匝组成，则线线圈电势为一一匝电势的Ny倍。基波电势：谐波电势：上下3、短距匝电电势线圈的两个导导体边相距y1<。设短距比=y1/则两个基波电电势大小相等等，相位差180º。+j该匝基波电势势：Ky1=sin/2:基波短距系数数短距Ny匝线圈基波电电势：谐波电势：nXASN上下谐波短距系数数：结论：为了消除第次谐波电势势，使线圈节距缩短次谐波波的一个极距距，即y1=(1-1/)。。如：要消除第第3次谐波电势，，则y1=(1-1/3)=(2/3)上下三、线圈组（（极相组）电电势和分布系系数：线圈组由q个槽中线圈圈串联而成。。设q=3，三个个线圈基波电电势分别为：：R线圈组电势应应是q个线圈电势势的相量和。。A1X1相量合成时有有一个外接圆圆。上下R同在一个槽中中总电势上下基波绕组系数数上下四、消弱谐波波电势不良影影响的方法（1）使气隙隙磁场沿电枢枢表面的分布布尽量接近正正弦波。（2）利用三三相对称绕组组的连接来消消除线电动势势中的三次及及其倍数次奇奇次谐波。（3）采用短短距绕组来消消弱高次谐波波电动势。每相绕组根据据极相组串联联或并联关系系，可计算出出总等效匝数数为N，则相相电势为：单层绕组：极对数并联支路数双层绕组：上下第四节脉脉振磁动动势与旋转磁磁动势磁场由磁动势势产生，磁场场大小、性质质由F决定。。当交流绕组中中有电流通过过时，其会产产生磁动势，，在空间，形形成磁场。上下异步电动机工工作时三相对对称绕组流过过三相对称电电流产生旋转转磁场。旋转磁场由旋旋转磁动势决决定，这个旋旋转磁动势实实际上是由单单相绕组磁动动势合成的。。因此，分析析旋转磁动势势之前，需先先分析单相绕绕组流过交流流电流时所产产生的磁动势势。一、单相绕组组的脉振磁动动势集中绕组AX通入电流i当时间t确定定，F=Ni，在空间应应为方波。it0AXfyF=Ni上下1.整距集中中绕组的磁动动势ooo单相整整距集中绕组组的脉振磁势势ooe0oiAXF=Nit06090120180上下整距线圈所产产生的磁动势势在空间分布布波形是一个个矩形波,其其周期是两个个极距,其幅幅值等于磁回回路所包围全全电流的一半半（iNy/2）。上下转子定子2.用傅里里叶级数分解解矩形波磁动动势3次谐波5次谐波上下结论:1.基波磁动势势的幅值为4/πfk，是矩形波磁磁动势的4/π倍；谐波磁动势幅幅值为基波幅幅值的1/νν倍；2.基波磁动动势波长与原原矩形波长一一样，磁极对对数亦相同；；谐波的波长为为基波的1/ν，极对数数为基波的νν倍。上下磁动势的空间间谐波3.单相绕组组基波脉振磁磁动势设AX中通入入交流电为：：则每极磁势表表达式为：上下3.谐波分析析对周期性变化化的矩形波分分布的磁势，，用傅氏级数数进行谐谐波分析析，可分分解成为为：式中v=1，3，5……为谐波波系数，，系数Cv为上下基波磁势势为：为基波磁磁势最大大幅值。。三次谐波波磁势为为：三次谐波波磁势最最大幅值值。上下五次谐波波和高次次谐波五次谐波波磁势为为：五次谐波波磁势最最大幅值值。还有七次次、九次次、十一一次等高高次谐波波磁势。。上下fyfy1fy3oxfy5/3/5矩形磁势曲线分解为一系列谐波it0AX上下谐波次数数越高，，其幅值值就越小小。为了改善善波形，，除基波波以外，，考虑消除三三、五、、七次谐谐波，由由于三次次谐波及三三的倍数数次谐波波在绕组组连接成成三相对称称绕组时时就已相相互抵消消(参看看邱关源源电路P330,13-5)，而五五、七次次谐波可可通过短距和分分布绕组组来基本消消除。因因此当连连成三相相绕组后后，只考考虑基波波磁势就就可以了了。分析：上下脉振磁动动势的分分解推导导：根据三角角函数的的和差与与积的关关系：上下结论：一个脉振振磁势可可以分解解为两个个幅值相相等，转转速相同同，转向向相反的的两个旋旋转磁势势，它们们的幅值值是原脉脉振磁势势最大幅幅值的一一半。上下x0单相脉振基波磁势的时空关系图Fym1x0Fym1/2x0-Fym1x0f’’a1f’a1fa1f’’a1f’a1fa1=Fm1f’’a1f’a1f’’a1f’a1fa1vv正转及反转的旋转磁势上下脉振磁势势动画结论：1、单相相绕组的的磁动势势是一种种在空间间位置固固定、幅幅值随时时间变化化的脉振振磁动势；幅值位位置始终终在绕组组的轴线线处。FΦAXXAFA1+-2、F1可分解为为两个转转向相反反的旋转转波，幅幅值为F1一半。上下it0AX3、基波波磁动势势的幅值值最大，，谐波次次数愈高高，幅值值愈小。。2、线圈圈组（极极相组））磁动势势和分布布系数：：线圈组由由q个槽中中线圈串串联而成成。设q=3，，三个线线圈基波波磁动势势分别为为：R线圈组磁磁动势应应是q个线圈圈电势的的相量和和。A1X1相量合成成时有一一个外接接圆。上下R同在一个个槽中总总磁动势势上下二、三相相绕组的的基波磁磁势ZCBYXAiA=Imcost,iB=Imcos(t-120º),iC=Imcos(t-240º)三个脉振振磁势FA、FB、FC相在空间间合成。。FAFBFC上下t0120240iiAiBiC1)t=0时，iA=Imcost=Im,FA=FmiB=Imcos(t-120º)=-1/2Im,FB=-1/2FmiC=Imcos(t-240º)=-1/2Im,FC=-1/2FmZCBYXA+FC+FBZCBYXA+FAt0120240iiAiBiC下上2)t=120º时，iA=Imcost=-1/2Im,FA=-1/2FmiB=Imcos(t-120º)=Im,FB=FmiC=Imcos(t-240º)=-1/2Im,FC=-1/2Fm+FC+FBZCBYXAZCBYXA+FAt0120240iiAiBiC下上3)t=240º时，iA=Imcost=-1/2Im,FA=-1/2FmiB=Imcos(t-120º)=-1/2Im,FB=-1/2FmiC=Imcos(t-240º)=Im,FC=FmXCAY+FC+FBZBZCBYXA+FA4）t=360º时，回到t=0ºº时状态。。t0120240iiAiBiC下上三相基波合合成磁动势势其中：这是一个振振幅为单相相基波磁势势振幅的3