电机学 ch3 共同理论

《电机学》

第三章

交流电机的基本理论1本章内容3.1

交流电机的工作原理3.2交流电机的绕组、电动势3.3交流绕组的磁动势23.1

交流电机的工作原理3.1.2、同步电机的工作原理3.1.3、异步电机的工作原理序交流电机的基本结构电枢旋转磁场3定子与转子两大部分+气隙定子固定不动的部分铁芯、绕组、机坐(1)定子铁芯希望较强的磁场导磁好、损耗小硅钢片内表面开槽：放绕组交流电机的基本结构4(2)定子绕组线圈按一定规律放单层绕组、双层绕组(3)机坐交流电机的基本结构5定子铁心交流电机的基本结构6定子绕组交流电机的基本结构7转子同步机与异步机转子不一样铁芯外表面开槽绕组交流电机的基本结构8三相笼型异步电动机的结构交流电机的基本结构转子定子风扇

冷空气流

罩壳（非驱动端）端盖（驱动端）9同步发电机：定子绕组：对称三相绕组（电枢绕组）转子绕组：励磁绕组（产生磁场）交流电机的基本结构10U1U2V1V2W2W1U1V1

W1U2V2

W2

流出

流入横截面电枢旋转磁场11U←V←W←U1U2V1V2W2W1i1=Imsin

ti2=Imsin(

t－120O)i3=Imsin(

t＋120O)i1

i2

i3

t=0O

时i1=0，i2＜0，i3

＞0××NSIm

tOi1电枢旋转磁场12

t=0O

时i1=0，i2＜0，i3＞0U1U2V1V2W2W1NS

t=120O

时i1＞0，i2=

0，i3＜

0U1U2V1V2W2W1NS电枢旋转磁场13U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NS

t=240O

时i1＜

0，i2＞0，i3=0

t=360O

时i1=0，i2＜0，i3＞0NS电枢旋转磁场14i

变化一周i每秒钟变化50周i每分钟变化(50×60)周→旋转磁场转一圈→旋转磁场转50圈→旋转磁场转3000圈旋转磁场的转速n0——同步转速n0

=3000=60f1(r/min)

同步转速n0的大小怎样改变？电枢旋转磁场15U1U2V1V2W2W1每相绕组由一个线圈组成U1V1W1U2V2

W2U3V3

W3U4V4

W4U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相绕组由两个线圈串联组成电枢旋转磁场16U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××

t=0O

时

i1=0，i2＜0，i3

＞0NSNS

磁极对数p

p=2

电流变化一周→旋转磁场转半圈

n0

=1500

当磁极对数p=3时

n0

=100060f12=60f13=60f1pn0=电枢旋转磁场17原理：励磁绕组＝＞通入直流电＝＞外力使转子旋转＝＞转子旋转磁场＝＞穿过气隙＝＞切割定子绕组＝＞三相感应电势＝＞当接负载＝＞电流＝＞电能输出3.1.1、同步电机的工作原理结构示意图电动势波形向量图右手定则18转子转向决定定子绕组电动势相序感应电动势的周期感应电动势频率同步电机的转速n1和电网频率f之间有严格不变的关系。3.1.1、同步电机的工作原理pn160f=191.静止起动三相电流=>三相绕组=>旋转磁场B1=>B1切割转子导条（因为转子静止）=>感应电势E2=>感应电流I2（因为转子闭合）=>B1与I2作用=>电磁转矩T=>当T＞T0＋TL时，转子从静止开始起动其中：T0空载转矩TL负载转矩3.1.2、异步电机的工作原理左手定则202.平衡转动：n增加=>转差减小：“切割”速度下降=>E2↓=>I2↓=>T↓=>当T＝T0＋TL时，转子匀速转动3.干扰：若TL↑=>T0＋TL＞T时，失去平衡=>转速n↓=>转差↑=>“切割”速度↑=>E2↑=>I2↑=>T↑=>直到T＝T0＋TL，自动重新平衡4.特点：转速差（转差）/感应3.1.2、异步电机的工作原理（感应电机）异步电机21交流电机异步电机同步电机同步与异步旋转磁场：定子三相定子绕组流过三相电流，形成旋转磁场。电机实际转速n=同步转速n0：同步电机电机实际转速n≠同步转速n0：异步电机3.1、交流电机的工作原理—总结223.2

交流电机绕组和电动势3.2.2三相双层绕组3.2.3感应电动势（正弦磁场下）3.2.4感应电动势中的谐波3.2.1交流绕组23作用：通入电流→磁场（电动机）磁场与定子绕组切割→电势→电流（发电机）分类（类型）相数：单相、三相层数：单层：同心式、交叉式、链式双层：叠绕组、波绕组宽度：整距、短距分布性：分布绕组、集中绕组3.2.1

交流绕组24端部有效边25交流绕组的基本术语电角度与机械角度机械角度:电机圆周在几何上分成360°电角度:电势变化一个周期(360电角度)关系:相带：每极面下每相绕组所占范围（60度）U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W326U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3交流绕组的基本术语每极每相槽数：槽距角：相邻两槽之间的电角度极距：相邻两磁极对应位置两点之间圆周距离,定子内表面弧长（槽数）：节距（跨距）：线圈宽度yу=τ称为整距，у<τ称为短距，у>τ称为长距27交流绕组的构成原则1、对称原则：三相绕组在电机的圆周空间互相错开120度（电角度），各相匝数、线径、绕组形式均相同（三相对称绕组）2、均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相在每个极域内所占的槽数应相等。3、电势相加原则：线圈两个边的电势要相加，线圈与线圈间的连接也应符合这一原则。4、电势星形图是分析交流绕组的有效工具。5、各槽电势向量构成辐射状的星形图--电势星形图。28U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××NSNS电势星形图相带与电势星形图相带AZBXCY123456789101112槽号分配表Z=12p=2

29相带与电势星形图30交流绕组基本要求:1三相基波电动势和磁动势要对称。2力求获得较大的基波电动势和磁动势，尽量减小或消除谐波分量。3提高导线的利用率，提高制造的工艺性。3120ΠШa178131914І2b5111217231824ІΠШ64ΠШc9151621322І10三相单层等元件绕组的原理（p=2）线圈连接顺序323.2.2三相双层绕组每线圈有两个有效边线圈数=槽数每槽有上下两个线圈边（属于不同的线圈）整距、短距绕组例：Z=24，2p=4τ=24/4=6q=24/(2mp)=24/(2*3*2)=212个相带A-Z-B-X-C-Y-A-Z-B-X-C-Y1234567891011121314151617181920212223241三相双层绕组（短距）A1A3X2X4A4A2X1X333NNSS1234567891011121314151617181920212223241三相双层绕组（短距）ax3435并联支路数条件:不改变和极相组内的电流方向36关于绕组一些概念复习一根导体（一匝线圈的一个有效边）一匝线圈/一个线圈一个极相组（一个线圈组）相绕组（一相绕组）电机绕组（三相绕组）并联支路数每相串联匝数极数极相组数（线圈组）波绕组叠绕组37例：某交流电机定子绕组，Z=36，2p=4，y=8/9τ，a=2，Nc=10，m=3求：一匝线圈有几个有效边一相线圈有几匝；一个极相组有几个线圈，几匝线圈一相有几个极相组，几个线圈，几匝线圈并联支路数每相串联匝数一个电机有几相、几个极相组、几个相绕组383.2.3三相定子绕组的电动势（以三相同步电机为例）导体的感应电动势线圈电动势和短距系数线圈组电动势和分布系数相绕组电动势三相绕组的线电动势391、导体的感应电动势频率：感应电势：有效值：402、线圈电动势和短距系数整矩绕组旋转磁场每极磁通切割定子绕组（以发电机为例）形成感应电动势（电势）(ec或ey)Nc——线圈匝数有效值：比较：与变压器相同形式区别：磁通大小变化与相对运动“切割”412、线圈电动势和短距系数整矩绕组VS短矩绕组SN

y=

Ec'Ec"Ec'Ec"EcSNEc'Ec"

yEc'EcEc"

y

180o极距τ

=节距уE大小相等方向相反（相位差180

电角度）极距τ

≠节距уE大小相等相位差电角度422、线圈电动势和短距系数短矩绕组电动势短距＝＞线圈两边切割B产生的E不是正好差180度＝＞合成时，乘一系数（短距＝＞线圈中交链的磁通减少＝＞电势减少。）短距系数短距系数相当于：短距线圈时的感应电动势与整距时的感应电动势相比需打的折扣。433、线圈组电动势和分布系数分布绕组各个线圈的感应电动势的大小、波形均相同，只是在时间上依次相差电角度：相位不同。线圈组的总电动势为q个线圈电动势的和（相量和）则：分布系数：

Ec1Ec2Ec3

Ec3Ec1Ec2

R444、相绕组电动势2p个极(双层绕组)每相有2p个线圈组，每个线圈组有q个线圈2pq个线圈，每个线圈有Nc匝线圈2pqNc匝线圈2p个线圈组可串联、并联（视需要）并联支路数：a每相串联匝数：单层绕组：双层绕组：455、三相绕组的线电动势相电势：线电势：P95例电动势频率每极每相槽数槽距角节距因数、分布因数、绕组因数相电势与线电势463.2.4谐波电动势1.谐波绕组系数电机的磁场并不完全为正弦分布（空间）傅氏分解：基波与各次谐波相电动势中次谐波电动势有效值：对应的谐波绕组系数为：473.2.4谐波电动势2.线电势由三角形、星形接法决定（基波）注意：线电势中不含3k次谐波电势（因同相位）483.2.4谐波电动势3.谐波电势的减小波形畸变率：谐波电势的减小气隙磁场接近正弦波短距绕组分布绕组Y连接（线电势中不含有3k次谐波）危害：损耗增加温升提高效率降低性能变坏电磁干扰并联谐振过电流过电压493.2.4谐波电动势4.采用短距、分布绕组的目的交流绕组采用短距和分布的结构，可削弱每相电动势中的谐波分量，使电动势波得到改善。虽短距系数、分布系数均不大于1，使基波电势减小因为对谐波来说：对应的更小，所以具有明显的抑制作用。50例：E1＝100，E3=30，E5=20，E7=10则波形畸变率为若各谐波电动势的绕组系数分别为： kw1＝0.96，kw3=0.3，kw5=0.2，kw7=0.1则对应的电动势分别为： E1＝96，E3=9，E5=4，E7=1则波形畸变率为3.3

交流绕组的磁动势3.3.1概述3.3.2单相--脉振磁动势3.3.3

三相--旋转磁动势3.3.4气隙磁场与励磁电抗51523.3.1概述1、气隙磁场是关键同步电机：空载/负载异步电机2、既是时间函数、又是空间函数3、简化分析的假设：绕组电流正弦变化，不考虑高次谐波槽内电流集中于槽中心，不考虑齿槽影响定转子气隙均匀，气隙磁阻是常数铁心不饱和，略去铁心磁压降533.3.2单相绕组的磁势-脉振磁势1、整距绕组磁势--脉振磁势不计铁芯磁阻、气隙均匀磁势为方波，当线圈中电流为正弦交流电则：xt543.3.2单相绕组的磁势-脉振磁势傅立叶分解：553.3.2单相绕组的磁势-脉振磁势傅立叶分解：得式（3-11）其中基波分量幅值奇谐奇函数563.3.2单相绕组的磁势-脉振磁势2、线圈组的磁势（分布绕组）整矩分布时q个线圈，相位不同：其中：分布系数采用分布绕组可以改善磁动势波形573.3.2单相绕组的磁势-脉振磁势2、线圈组的磁势（分布绕组）短距绕组时双层绕组常采用短距绕组等效成