天津大学电机拖动之交流电机基础

1、l基本概念和结构基本概念和结构l交流电机电枢绕组电动势交流电机电枢绕组电动势l交流电机电枢绕组交流电机电枢绕组l交流电机电枢绕组磁通势交流电机电枢绕组磁通势1 1、定子、定子2 2、转子、转子3 3、气隙、气隙1 1、同步电机和异步电机、同步电机和异步电机异步电机同步电机pfnpfn116060电机极对数率绕组感应电势基波频电机转速pfn12 2、交流电机电枢：定子绕组为电枢绕组，定子为电枢、交流电机电枢：定子绕组为电枢绕组，定子为电枢NSB02NSAXn3 3、机械角度、机械角度 ：电机定子内圆两点间对应的圆心角。：电机定子内圆两点间对应的圆心角。4 4、空间电角度、空间电角度 ：一对主磁极

2、对应的磁场为一个周期：一对主磁极对应的磁场为一个周期 两点间对应这个周期的角度。两点间对应这个周期的角度。5 5、基波磁密与谐波磁密：、基波磁密与谐波磁密：B02l导体电动势导体电动势l整距线匝电动势整距线匝电动势l整距线圈电动势整距线圈电动势l短距线圈电动势短距线圈电动势l整距分布线圈组电动势整距分布线圈组电动势l短距分布绕组电动势短距分布绕组电动势l谐波电动势谐波电动势一、导体电动势（以发电机模型为例）一、导体电动势（以发电机模型为例）NSA1n1 A6021npANSB02At1xBttBBmxsintEtEtlvBlvBemmxxsin2sinsin基波最大值基波最大值基波有效值基波有

3、效值导体有效长度导体有效长度11260222fnpvlBBBBBavavmmav线速度：每极磁通：即：每极平均磁密：pfnpnfpnfex111111606060时：极对数的频率：1111122.22212222ffEEffllflBlvBEmavmm二、整距线匝电动势二、整距线匝电动势NSAXnNSB02AXTel144. 42fEEEEEeeeATXATXAT有效值：AEXETE三、整距线圈电动势三、整距线圈电动势线圈是线圈是Wy匝串联，两边之间的距离匝串联，两边之间的距离y1叫节距叫节距用空间电角度表示，整距时用空间电角度表示，整距时1yyyWfE144. 4四、短距线圈电动势四、短距线

4、圈电动势101yyyAEXEyEB02AXyelyy 1yyAykWfyEE144. 42sin22sinyky基波短基波短距系数距系数五、整距分布线圈组电动势五、整距分布线圈组电动势NSA1nXq槽距角分布线圈个数yqyyqEEEE212sin2yER1yE2yE3yE1yE2yE3yEqE2qR2sin2sin2sin2qEqREyqqyWqykkkqqkyk谐波绕组系数：谐波分布系数：谐波短距系数：2sin2sin2sin基波分布系数2sin2sinqqkqqyyqqkqWfEqkE144. 4六、短距分布绕组电动势六、短距分布绕组电动势WyqyykqWfkkqWfE1144.444.4

5、基波绕组系数qyWkkk七、谐波系数七、谐波系数一、三相单层绕组一、三相单层绕组AYXBCZ二、三相单层分布绕组二、三相单层分布绕组AYXBCZ三、三相双层绕组三、三相双层绕组1、每个槽分上下两层；、每个槽分上下两层；2、线圈的一个边在上层，另一个边在下层；、线圈的一个边在上层，另一个边在下层；3、最大、最大a=2p；l本节讲述旋转磁场产生的基本原理；本节讲述旋转磁场产生的基本原理；l通俗地讲：对称的三相绕组通以三相对称电流，通俗地讲：对称的三相绕组通以三相对称电流，产生圆形旋转磁势，从而在气隙中形成旋转磁产生圆形旋转磁势，从而在气隙中形成旋转磁场；场；l推而广之：对称的推而广之：对称的m相绕

6、组通以相绕组通以m相对称电流，相对称电流，产生圆形旋转磁势，在气隙中形成旋转磁场；产生圆形旋转磁势，在气隙中形成旋转磁场；l旋转磁场的产生可以从物理上分析，也可进行旋转磁场的产生可以从物理上分析，也可进行数学分析，二者结论一致，我们从物理概念上数学分析，二者结论一致，我们从物理概念上对其进行分析。对其进行分析。l整距线圈的磁势整距线圈的磁势l三相绕组的磁势三相绕组的磁势l旋转磁场的形成旋转磁场的形成l同步电机的工作原理同步电机的工作原理一、整距线圈的磁势一、整距线圈的磁势NSAXOFXAA2223yiW21232cos2222cos22cos2tIWtIWftIiyy前式用傅氏级数展开，基波磁

7、势为前式用傅氏级数展开，基波磁势为coscos2243coscos31224coscos2241tIWftIWtIWfyyy短距分布绕组的基波磁势短距分布绕组的基波磁势coscoscoscos2241111tFtIpkWfW基波绕组系数每相串联总匝数其中：121WykapqWW 脉振磁势脉振磁势111111cos21cos21coscosfftFtFtFf1f0t1f1f1f3t1f1f1f2t1f1f0 1f1fFXAA2223yiW210动画联接动画联接1动画联接动画联接2二、三相交流电机的旋转磁场二、三相交流电机的旋转磁场240cos120coscostIitIitIimcmbma时）当

8、（01tNSXBACYZmcmbmaIiIiIi21210t1Af1Af1Af1Bf1Bf1Bf1Cf1Cf1CfF时）当（32tNSXBACYZmcmbmaIiIiIi2121A3t1Af1Bf1Cf1Af1Bf1CfFBC时）当（323t连接动画连接动画4连接动画连接动画3三相电流的时间相位变化了多大角度，其合成三相电流的时间相位变化了多大角度，其合成磁势也在空间上旋转了多大电角度，合成磁势磁势也在空间上旋转了多大电角度，合成磁势的幅值不变；的幅值不变；电流变化一个周期电流变化一个周期合成磁势旋转一周；合成磁势旋转一周；磁场转速磁场转速 ，旋转方向由相序确定；，旋转方向由相序确定； 时时1

9、160 fn 2pNSXBACYZ A BCXYZSN连接动画连接动画5NSSNn1nNSSNn1npfnn1160连接动画连接动画7连接动画连接动画6l三相异步电动机的结构、工作原理、铭牌数据；l三相异步电动机的电磁关系；l三相异步电动机的转矩。一、特点、分类1 1、特点：、特点： 结构简单、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、结构简单、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、 运行效率较高、具有较好的工作特性；运行效率较高、具有较好的工作特性； 功率因数较差、调速性能相对直流机较差。功率因数较差、调速性能相对直流机较差。2 2、分类：、分类： （1 1）按定子相数分类：二相、三相）按定子相数分类：二相、三

10、相 （2 2）按转子结构分类：绕线式、鼠笼式）按转子结构分类：绕线式、鼠笼式 （3 3）绕线式按结构分类：有换向器、无换向器）绕线式按结构分类：有换向器、无换向器 另外：高压、低压、高起动转矩等。另外：高压、低压、高起动转矩等。二、结构 1 1、定子、定子2 2、转子、转子3 3、气隙、气隙三、工作原理（以鼠笼式电机为例）1 1、三相定子绕组接三相交流电，气、三相定子绕组接三相交流电，气隙中产生旋转磁场。隙中产生旋转磁场。逆时针同步转速；逆时针同步转速；pfn1160NS1n2 2、相对转子，有旋转的磁极；、相对转子，有旋转的磁极；3 3、转子导体中将产生感应电势和感、转子导体中将产生感应电势

11、和感生电流；生电流；nMf4 4、导体中的电流受力，产生转矩，、导体中的电流受力，产生转矩，使转子按旋转磁场的方向旋转；使转子按旋转磁场的方向旋转；5 5、转子转速能否达到同步转速？、转子转速能否达到同步转速？1n6 6、转差率：、转差率：同步转速同步转速 ，转子转速，转子转速 ，转差转差 ，转差率，转差率 。nnnn11nns05. 001. 0s正常电动运行时时，电磁制动状态即当时，发电状态即当时，电动状态即当01001011nsnnsnns1n7 7、转差率的含义：、转差率的含义：当同步转速当同步转速 是确定的时候，是确定的时候， 与与 一一对应。一一对应。ns 等，NNNNNNNrnH

12、zHzfAIVUkWPcosmin50四、额定数据例题：例题： 三相异步电动机，三相异步电动机， 求：同步转速求：同步转速 ，极对数，极对数 ， 额定负载时的效率额定负载时的效率 和转差率和转差率 。AIVUkWPNNN11938055，。，89. 0cosmin570NNrn1npNNs解：解：05.079.0cos325min60060min57011112111nnnsIUPPPprnpfnrnNNNNNNNN）（）（l以绕线式异步电机为例以绕线式异步电机为例l分析步骤：分析步骤： （1 1）转子不转，且转子绕组开路；）转子不转，且转子绕组开路； （2 2）转子堵转，且转子绕组短路；）转

13、子堵转，且转子绕组短路； （3 3）转子旋转，正常运行。）转子旋转，正常运行。l分析内容：分析内容： （1 1）惯例；）惯例； （2 2）电磁平衡关系式；）电磁平衡关系式； （3 3）折算与等值电路；）折算与等值电路； （4 4）向量图。）向量图。1 1、惯例（、惯例（1 1）1A1Y1X1B1C1Z2A2Y2X2B2C2Z ）气隙磁密（同步转速1nB 1nB电磁转矩MM转速nn沿定子内表面的角度11沿转子外表面的角度22方向均以进入转子方向为正、磁势、磁通磁密FB惯例（惯例（2 2）1A1B1C2A2B2C1U电枢绕组相电压1U1E电枢绕组相电势1E1I电枢绕组相电流1I1sE电枢绕组相漏电

14、势1sE2U2E2sE2I转子绕组相电压2U转子绕组相电势2E转子绕组相电流2I转子绕组相漏电势2sE2 2、电磁关系、电磁关系（与变压器空载运行相似）（与变压器空载运行相似）01F、磁势）磁通（0000FIIICBA空间合成磁势为、定子通以三相对称电流210211110102min60224231FFFFFdsradfrpfncACBAbIpkWFaW转子磁势定子磁势、，、转速：时，逆时针，、转向：电流相序决定、幅值：）感应电势（22020111201212011212011119044. 444. 42121EEkEdBEEckWkWEEkbkWfEkWfEaWWeWW、同相位与，滞后于、

15、相位：、变压比：，、大小：FeIII03）励磁电流（）电压、电势平衡方程（42020101110111011EUzIEjxrIEErIEUs3 3、向量图与等值电路、向量图与等值电路（与变压器空载运行相似）（与变压器空载运行相似）m21 EE1E0IIFeI1U10rI10 xIj0功率因数角功率因数角0I1U1r1jx1Emrmjx4 4、电磁关系示意图、电磁关系示意图（同变压器空载运行）（同变压器空载运行）21110111001EExI jErIIUss1U20U5 5、功率关系示意图、功率关系示意图（同变压器空载运行）（同变压器空载运行）输入功率输入功率P1FeCuppIUP10011c

16、os0I1U1r1jx1EmrmjxkEE121201rIpCumFerIp201 1、惯例、惯例1A1Y1X1B1C1Z2A2Y2X2B2C2Z 1nBMn121A1B1C2A2B2C1U1E1I1sE2E2sE2I2 2、磁势、磁通、磁势、磁通（1 1）磁势）磁势1122222111111min60602242322min6022423121nrpfpfncACBAbIpkWFasradfrpfncACBAbIpkWFaWW、转速：时，逆时针，、转向：电流相序决定、幅值：）转子磁势，、转速：时，逆时针，、转向：电流相序决定、幅值：）定子磁势210213FFFFF转子磁势定子磁势）合成磁势（

17、2 2）磁通）磁通2110EEF和主磁通均不饱和表现为表现为漏磁通222111jxIjxIss3 3、定、转子回路方程、定、转子回路方程02222222211111zIEjxrIEUjxrIEU转子：定子：4 4、转子绕组的折合（类似变压器的折算）、转子绕组的折合（类似变压器的折算）（1 1）原则与思路）原则与思路通常异步电机转子的相数通常异步电机转子的相数m2与定子的相数与定子的相数m1并不相同。并不相同。原则：保持折算前后转子绕组的磁势不变。原则：保持折算前后转子绕组的磁势不变。思路：用假想的转子思路：用假想的转子m1、W1、kW1代替实际的代替实际的m2、W2、kW2（2 2）结论：）结

18、论：222222221222221212211222121zkkkIEkIEzEEkEkIIkWkWEEkkWmkWmIIkieieeiWWeWWi电压变比电流变比（3 3）折合前）折合前后功率关系后功率关系不变不变5 5、基本方程、等值电路、向量图、基本方程、等值电路、向量图（类似变压器副边短路）（类似变压器副边短路）mzEIIIIEEzIEUzIEU100212122221111m21EE1E1U11rI11xI j1I0IIFeI2I2I22rI22xI j0Imrmjx1I1U1r1jx21EE2I2r2jx11nnns转差率：1 1、转子电势、转子电势sssjxrIE2222转速转速

19、n时的时的相电动势相电动势转速转速n时的时的相电流相电流转速转速n时的时的相漏电抗相漏电抗22fnnB率，此时转子绕组电势频的相对速度为与22212221111122244.4606060sxxEskWfEsfnnnpnnnppnfsWs2 2、定、转子磁势、定、转子磁势（1 1）定子磁势）定子磁势 （由（由 产生）不再讨论产生）不再讨论（2 2）转子磁势）转子磁势 （由（由 产生）产生）相对于转子外表面、转速：时，逆时针，、转向：电流相序决定、幅值：min6022422222222rpfncACBAbIpkWmFasW相对于定子内表面12nn 1F2F1IsI2（3 3）合成磁势）合成磁势2

20、10FFF3 3、转子绕组的折合、转子绕组的折合（1 1）频率折合）频率折合目的：转子和定子绕组中的电流频率不同，计算不方便目的：转子和定子绕组中的电流频率不同，计算不方便原则：保持转子磁势相对于定子的位置、大小、转速不变原则：保持转子磁势相对于定子的位置、大小、转速不变思路：以频率为思路：以频率为 的的假想的假想的转子电势、电流、漏抗、电阻转子电势、电流、漏抗、电阻 替换频率为替换频率为 的的实际的实际的转子电势、电流、漏抗、电阻转子电势、电流、漏抗、电阻 即用静止的等效转子代替旋转的实际转子。即用静止的等效转子代替旋转的实际转子。1f2f222222222222222IjxsrEjsxrE

21、sjxrEIjxrIEssssss22s22fEs22fIs2rsjx212fE12fIsr22jx12fE12fI2r2jx21rss21rss的含义分析的含义分析在转子堵转时转子绕组中传入一个电阻在转子堵转时转子绕组中传入一个电阻 后，可以等效旋转的转子后，可以等效旋转的转子srs212221rssI电阻上的功率电阻上的功率 为有功功率，转子旋转的总机械功率为有功功率，转子旋转的总机械功率（2 2）绕组折算）绕组折算22IIa、电流折算：iWWkIIIpkWmIpkWmFF2222221122224222422122EEb、电势折算：22222221EkEIEmIEme22zzc、阻抗折算：222222xkkxrkkrzkkzieieie4 4、基本方程和等值电路、基本方程和等值电路1222222220212101