电机学 第3章 共同理论

《电机学》

第三章

交流电机的共同理论3/26/20241河海大学电气学院第二篇

交流电机的共同理论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3/26/20242河海大学电气学院3.1

交流电机的工作原理3.1.1同步电机的工作原理3.1.2异电机的工作原理序3/26/20243河海大学电气学院序交流电机：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（后面将详细讨论）。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3/26/20244河海大学电气学院一、基本结构定子与转子两大部分1

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3/26/20245河海大学电气学院(2)定子绕组线圈按一定规律放单层绕组、双层绕组(3)机坐3/26/20246河海大学电气学院

定子铁心3/26/20247河海大学电气学院定子绕组对称三相绕组。3.2三相异步电动机的基本结构3/26/20248河海大学电气学院2.转子同步机与异步机转子不一样铁芯外表面开槽绕组3/26/20249河海大学电气学院3.1三相异步电动机的基本结构

三相笼型异步电动机的结构转子定子风扇冷空气流罩壳（非驱动端）端盖（驱动端）3/26/202410河海大学电气学院二、同步电机工作原理基本概念：定子绕组：对称三相绕组（电枢绕组）转子：励磁绕组（产生磁场）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3/26/202411河海大学电气学院横截面U1U2V1V2W2W1U1V1

W1U2V2

W2流出流入三、电枢旋转磁场3/26/202412河海大学电气学院U←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

tOi13/26/202413河海大学电气学院

t=0O

时i1=0，i2＜0，i3＞0U1U2V1V2W2W1NS

t=120O

时i1＞0，i2=

0，i3＜

0U1U2V1V2W2W1NS3/26/202414河海大学电气学院U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NS

t=240O

时i1＜

0，i2＞0，i3=0

t=360O

时i1=0，i2＜0，i3＞0NS3/26/202415河海大学电气学院i

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(2)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？3/26/202416河海大学电气学院U1U2V1V2W2W1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3/26/202417河海大学电气学院U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××

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=3/26/202418河海大学电气学院四、异步电机工作原理

（可以放在后面讨论）1.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3/26/202419河海大学电气学院2.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3/26/202420河海大学电气学院3.2

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3/26/202421河海大学电气学院3.2.1交流绕组作用：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3/26/202422河海大学电气学院交流绕组的基本述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）每极每相槽数：槽距角：相邻两槽之间的角度极距：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3/26/202423河海大学电气学院相带与电势星形图

3/26/202424河海大学电气学院交流绕组基本要求: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.3/26/202425河海大学电气学院绕组展开图表示定子绕组的联结关系主要两种：单层、双层画法：计算极距每极每相槽数计算相带数、分相带相带数=总槽数/q或=极数*3即：6p构成线圈构成线圈组（极相组）构成相绕组：反相串联（不同极面下线圈组的电流方向相反）3/26/202426河海大学电气学院三相单层绕组（了解）每槽只有一个线圈边,结构和嵌线较简单,适用于10kv以下的小型交流电机.分类：链式绕组：交叉式绕组：同心式绕组：3/26/202427河海大学电气学院例：Q1=24，2p=4123456789101112131415161718192021222324A1X1A2X2zabcxy3/26/202428河海大学电气学院20ΠШa178131914І2b5111217231824ІΠШ64ΠШc9151621322І10三相单层等元件绕组的原理（p=2）线圈连接顺序3/26/202429河海大学电气学院3.2.2三相双层绕组每绕组两有效边每槽有上下两个线圈边（属于不同的线圈）整距、短距绕组例：Q1=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-Y3/26/202430河海大学电气学院1234567891011121314151617181920212223241A1A3X2X4A4A2X1X3三相双层绕组（短距）（复制到画笔中讲，特别是极相组的连接）3/26/202431河海大学电气学院并联支路数条件:不改变和极相组内的电流方向3/26/202432河海大学电气学院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（每相）3/26/202433河海大学电气学院例：某交流电机定子绕组，Q1=24,2p=4,y=5/6τ，a=2,Ny=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3/26/202434河海大学电气学院3.2.3三相定子绕组的电动势

（以三相同步电机为例）

3/26/202435河海大学电气学院1、整距绕组的电动势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)Ny

——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”3/26/202436河海大学电气学院2、短距绕组的电动势SN

y=

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

yEc'EcEc"

y

180o3/26/202437河海大学电气学院2、短距绕组的电动势短距＝＞线圈两边切割B产生的E不是正好差180度＝＞合成时，乘一系数或：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。3/26/202438河海大学电气学院3、线圈组的电动势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：

Ey1Ey2Ey3

Ey3Ey1Ey2

R3/26/202439河海大学电气学院4.相电势

(1)并联支路数与每相串联匝数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Ny匝线圈2pqNy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：3/26/202440河海大学电气学院(2)相电势双层绕组P100例3/26/202441河海大学电气学院1.谐波系数电机的磁场并不完全为正弦分布（空间）付氏分解：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：

3.3.4谐波电动势*2sinsinaavqqvkqv=3/26/202442河海大学电气学院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）3/26/202443河海大学电气学院3.谐波电势的减小1.波形畸变率：2.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）3/26/202444河海大学电气学院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。3/26/202445河海大学电气学院例：E1＝100,E3=30,E5=20,E7=10则谐波系数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则谐波系数为3/26/202446河海大学电气学院思考题：6－4，6－5，6－6习题：6－2，6－3，6－73/26/202447河海大学电气学院3.3磁动势、磁场

3/26/202448河海大学电气学院一、单相绕组的磁势-脉振磁势1、整距绕组磁势不计铁芯磁阻、气隙均匀磁势为方波，当线圈中电流为正弦交流电则：3/26/202449河海大学电气学院一、单相绕组的磁势-脉振磁势傅立叶分解：3/26/202450河海大学电气学院一、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3/26/202451河海大学电气学院2、线圈组的磁势集中绕组与分布绕组q个线圈，相位不同：其中：分布系数3/26/202452河海大学电气学院3、短距绕组双层绕组常采用短距绕组等效成两个单层整距绕组，但相距一个角：短距角两磁势相位不同，则其中：短距系数短距角3/26/202453河海大学电气学院4、相绕组磁势最后得：相绕组磁势：对一相绕组，线圈组的磁势就是相磁势，不同空间位置的F不能相互迭加。

其中：每相串连匝数：绕组系数3/26/202454河海大学电气学院谐波磁势（了解）类似得谐波磁势其中2sinsinaavqqvkqv=3/26/202455河海大学电气学院空间位置固定、幅值随时间变化且以绕组中电流变化的频率脉振。所以称脉振磁场幅值的位置与绕组的轴线相重合基波磁通势的幅值：

ν次谐波磁通势的幅值：

谐波次数越高，幅值越小。单相绕组的磁通势的性质3/26/202456河海大学电气学院脉振磁势可分解为两个旋转磁势因为：所以：脉振磁势可分解为两个旋转磁势每个的幅值为均为原来的1／2转速相同、转向相反3/26/202457河海大学电气学院二、三相绕组的磁势单相绕组通入单相电流＝＞脉振磁场三相绕组中流过三相电流＝＞三个脉振磁场三相共六个旋转磁势：3/26/202458河海大学电气学院六个旋转磁势合成三个正向磁势相加为原来的三倍；三个反向磁势彼此相差120度，相加（合成）为零。基波：幅值：（积化和差增加一个系数：1/2）3/26/202459河海大学电气学院旋转磁势的性质由知：是旋转磁势既是空间函数、又是时间函数转速：幅值大小不变某相电流达最大，旋转磁势幅值将转到该相绕组轴线处。改变电流序，转向相反。3/26/202460河海大学电气学院如B、C相对调：即：所以：

关于：改变电流相序，转向相反3/26/202461河海大学电气学院幅值：但2k次谐波磁势幅值为零（空间互差120度）转速：转向：

关于谐波磁势（一般了解）3/26/202462河海大学电气学院第四节不对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势3/26/202463河海大学电气学院不对称电流分析：＋、－、0正序电流＝＞正向旋转磁势:f+序序电流＝＞反向旋转磁势:f－星形绕组：相电流中无I0，所以无f0f+与f-：大小不一定相等；转速相同；转速相等椭圆形旋转磁势3/26/202464河海大学电气学院当F＋＝F_时，脉振磁势当F＋、F_之一为零时，园形旋转一般情况：F＋≠F_，但均不为零，椭圆形旋转磁势3/26/202465河海大学电气学院习题教程中的重点习题3/26/202466河海大学电气学院本篇要点：1.磁动势及磁场一个整距线圈的磁势分解：基波磁动势、谐波磁动势（了解）短距、分布的影响：空间矢量相加＝＞乘相短距系数、分布系数短距、分布的作用：削弱谐波基波分量虽略有减少，但谐波磁通势可大大削弱。脉振磁通势：单相绕组磁通势为脉振磁通势旋转磁通势：三相绕组磁通势为旋转磁通势3/26/202467河海大学电气学院2.旋转磁通势三相绕组磁通势为旋转磁通势脉振磁势可以分解为两个大小相等、旋转方向相反的旋转磁通势