电机学 ch3 共同理论 jp.

1、电机学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 定子定子* 固定不动的部分* 铁芯、绕组、机坐* (1) 定子铁芯定子铁芯 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) 定子绕组定子绕组 线圈 按一定规律放 单层绕组、双层绕组* (3) 机坐机坐交流电机的基本结构5* 定子铁心定子铁心交流电机的基本结构6* 定子绕组定子绕组交

2、流电机的基本结构7 转子转子* 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三相笼型异步电动机的结构交流电机的基本结构转子转子 定子定子 风扇风扇 冷空气流冷空气流 罩罩 壳（非驱动端）壳（非驱动端） 端盖（驱动端）端盖（驱动端）9 同步发电机：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10U1U2V1V2W2W1U1 V1 W1U2 V2 W2 流出流出 流入流入 横截面横截面电枢旋转磁场11U V WU1U2V1V2W2W1i1 = Imsin ti2 = Imsin( t12

3、0O) i3 = Imsin( t120O)i1 i2 i3 t = 0O 时时i1 = 0，i2 0， i3 0NSIm tOi1电枢旋转磁场12 t = 0O 时时i1 = 0，i2 0， i30U1U2V1V2W2W1NS t = 120O 时时i10，i2 = 0，i3 0U1U2V1V2W2W1NS电枢旋转磁场13U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NS t = 240O 时时i1 0，i20，i3 = 0 t = 360O 时时i1= 0，i2 0，i30NS电枢旋转磁场14i 变化一周变化一周i 每秒钟变化每秒钟变化 50 周周i 每分钟变化每分钟变化 (5060)

4、周周 旋转磁场转一圈旋转磁场转一圈旋转磁场转旋转磁场转 50 圈圈旋转磁场转旋转磁场转 3000 圈圈 旋转磁场的转速旋转磁场的转速 n0 同步转速同步转速 n0 = 3000 = 60 f1 (r / min) 同步转速同步转速 n0 的大小怎样改变？的大小怎样改变？电枢旋转磁场15U1U2V1V2W2W1每相绕组由每相绕组由一个线圈组成一个线圈组成U1 V1 W1U2 V2 W2U3 V3 W3U4 V4 W4U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相绕组由两个每相绕组由两个线圈串联组成线圈串联组成电枢旋转磁场16U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3 t = 0O 时

5、时 i1 = 0，i2 0， i3 0 NSNS 磁极对数磁极对数 p p = 2 电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转旋转磁场转半半圈圈 n0 = 1 500 当磁极对数当磁极对数 p = 3 时时 n0 = 1 000 60 f1 2= 60 f1 3=60 f1pn0 =电枢旋转磁场17原理：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Blve 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* 同步电机的转速同步电机的转速 n1和电网频率和电

6、网频率 f 之间有严格之间有严格不变的关系。不变的关系。3.1.1、同步电机的工作原理pn160f =pfn/601191. 静止起动静止起动* 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TT0TL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BilF 左手定则20 2. 平衡平衡* 转动：n增加=转差减小：“切割”速度下降=E2 =I2 =T =当TT0TL时，转子匀速转动 3. 干扰：干扰：* 若TL = T0TLT时，失去平衡=转速n =转差

7、= “切割”速度=E2 =I2 =T =直到TT0TL，自动重新平衡 4. 特点：转速差（转差）特点：转速差（转差）/感应感应3.1.2、异步电机的工作原理（感应电机）异步电机21 交流电机交流电机* 异步电机* 同步电机 同步与异步同步与异步* 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：作用：* 通入电流

8、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）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 y* =称为整距， 称为长距pmZq2Zp 360pZ2

9、mep25U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3交流绕组构成原则: 构成原则 1、均匀原则均匀原则：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。 2、对称原则对称原则：三相绕组在电机的圆周空间互相错开120度，各相匝数、线径、绕组形式均相同 3、电势相加原则电势相加原则：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。26相带与电势星形图27U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3NSNS电势星形图相带与电势星形图 28交流绕组基本要求:

10、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。2930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* 计算相带的数量、分相带 相带数=总槽数/q 或 =极数*3 即：6p* 槽号分配表* 构成线圈* 构成线圈组（极相组）* 构成相绕组31三相单层绕组（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：* 等元件式绕组：* 链式绕组：* 交叉式绕组：* 同心式绕组：32* 例：Q1=24，2p=41 2 3 4 5 6

11、 7 8 9 101112131415161718192021222324A1X1A2X2z abcxy3320a1781319 142b511121723 182464c915162132210三相单层等元件绕组的原理（p=2）线圈连接顺序343.2.2 三相双层绕组 每绕组两有效边 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：Q1=24，2p=4 =24/4=6 q=24/(2mp)=24/(2*3*2)=2 12个相带 A-Z-B-X-C-Y-A-Z-B-X-C-Y3512 34 567 89 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

12、 21 22 23 24 1A1A3X2X4A4A2X1X3三相双层绕组（短距）（复制到画笔中讲，特别是极相组的连接）（复制到画笔中讲，特别是极相组的连接）（复制到画笔中讲，特别是极相组的连接）36并联支路数 条件:不改变和极相组内的电流方向37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）38 例：某交流电机定子绕组，Q1=24,2p=4,y=5/6，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

13、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393.2.3 三相定子绕组的电动势（以三相同步电机为例） 401、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”tNeyyysin111144. 421yyyyNfNEtcos12、短距绕组的电动势SN y = EcEcEcEcEcSNEcEc yEcEcEc y 180o412、短距绕组的电动势 短距短距线圈两边切割B产生的E不是正好

14、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：短距短距线圈时的感应电动势与整距整距时的感应电动势相比需打的折扣。1111144. 421yyyyyykNfkNE90sin2cos11yKy423、线圈组的电动势2sin2sin111aqqaqEEKcqq11111111111144. 444. 4wyyqyyyqyqyqqkNfkkNfEqkEEqkE 分布绕组分布绕组 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：) 1(01111qEEEEy

15、yyq Ey1Ey2Ey3 Ey3Ey1Ey2 R434 .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：apqNNy2apqNNy44(2) 相电势 双层绕组 P95例111)( 1144. 4221wyyqkqNfapEapE11111144. 4244. 4wwqNkfkapqNf效值计算公式为变压器感应电动势有时当11wk451. 谐波系数 电机的磁场并不完全为正弦分布（空间） 付氏分解

16、：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： vwvvvNkfE44.4v3.3.4 谐波电动势*qvyvwvKKK2cosvkyv2sinsinvqqvkqv462022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院472.线电势 由三角形、星形接法决定（基波） 注意注意：线电势中不含3k次谐波电势（因同相位）2112725213EEEEEl2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院483.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

17、）12242322UUUUUKNu2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院494.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。2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院50 例：E1100,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： kw10.96,kw3=0.3,kw5=0.2,kw7=0.1 则对应的电动势分别为： E196,E3=9,

18、E5=4,E7=1 则谐波系数为%4 .37100102030%1002221272523EEEEk%31.1096149%1002221272523EEEEk2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院51 思考题： 64，65，66 习题： 62，63，672022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院523.3 磁动势、磁场 2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院53一、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：tINiNtxfyyysin222

19、1,tIisin22022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院54一、单相绕组的磁势-脉振磁势 傅立叶分解：2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院55一、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txxxINtxxxINtINiNtxfyyyyysin5sin513sin31sin9 . 0sin5sin513sin31sin422sin2221,ININFyyy9 . 04221txINtxfyysinsin9 . 0,12022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院56 2、线圈组的磁势

20、集中绕组与分布绕组 q个线圈，相位不同： 其中：分布系数111qyqKqFF 2sin2sin111aqqaqFFKcqq2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院57 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90sin2cos11yKy1112yqKFF2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院58 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111qywKKKI

21、pNkKFFwyq11119 . 02aqpNNy22022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院59谐波磁势（了解） 类似得谐波磁势 其中极安匝IpNkvIpNkvFwvwvv19 . 01224qvyvwvKKK2cosvkyv2sinsinvqqvkqv2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院60 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： 次谐波磁通势的幅值： 谐波次数越高，幅值越小。 IpNkFw119 . 0IpNkvFwvv19 . 0wvvkvF1单相绕

22、组的磁通势的性质2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院61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12 转速相同、转向相反FFxtFxtFxFfA)cos(21)cos(21coscos11112022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院62二、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：)240cos()240cos()120cos()120cos(coscos111111txFftxFftxFfcBA)120cos(21)co

23、s(21)240cos(21)cos(21)cos(21)cos(21111111111xtFxtFfxtFxtFfxtFxtFfCBA2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院63 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）IpNkIpNkFFww111135. 1239 . 023xtFffftxfCBAcos,111112022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院64旋转磁势的性质 由 知：* 是旋转磁势* 既是空间函数、又是时间

24、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。xtFtxfcos,11pfn10602022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院65如B、C相对调：即：所以： )240cos()120cos()120cos()240cos(coscos111111xtFfxtFfxtFfCBA关于：改变电流相序，转向相反)cos(),(11111xtFffftxfCBA)120cos(21)cos(21)120cos(21)cos(21)cos(21)cos(21111111111xtFxtFfxtFxtFfxtFxtFfC

25、BA2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院66 幅值：* 但2k次谐波磁势幅值为零（空间互差120度） 转速： 转向： 合成磁通势为零通势相同旋转方向与基波合成磁通势相反旋转方向与基波合成磁势，合成磁通势为一种磁通:36:16:16:1600kvkvkvvnnkvv关于谐波磁势（一般了解）vnnv00IpNkvFwvv19 . 02022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院67 第四节 不对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院68 不对称电流分析：、0 正序电流正向旋转磁势: f

26、+ 序序电流反向旋转磁势: f 星形绕组：相电流中无 I0，所以无f0 f+与f-：* 大小不一定相等；* 转速相同；* 转速相等 椭圆形旋转磁势FFF2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院69 当FF_时，脉振磁势 当F、F_之一为零时，园形旋转 一般情况： FF_，但均不为零，椭圆形旋转磁势tFFtFtFvtFFtFtFucoscoscoscoscoscos短轴：长轴：2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院70 习题教程中的重点习题2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院71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2022-6-17河海大学电气学院河海大学电气学院河海大学电气学院72 2. 旋转磁