电气 第四章 交流电机理论的共同问题

1、1,第四章 交流电机理论的共同问题,4.1 交流绕组的构成原则和分类,4.2 三相双层绕组,4.3 三相单层绕组,4.4 正弦磁场下交流绕组的感应电动势,4.5 感应电动势中的高次谐波,4.6 通有正弦交流电时单相绕组的磁动势,4.7 通有对称的三相电流时三相绕组的磁动势,背景介绍,交流旋转电机分两大类： 同步电机：主要用作发电机 异步电机（感应电机）：主要用作电动机,背景介绍,同步电机与异步电机的区别主要体现在励磁方式和运行特性两个方面。两类电机虽然存在着很大差别，但是电机内部发生的电磁现象和机电能量转换的原理却基本上是相同的，因此存在许多共性的问题，可以统一起来进行研究。 本章主要讨论交流

2、电机电枢绕组、电动势及磁动势等问题。这些问题对以后分别研究异步电机和同步电机的运行性能有着重要的意义。,旋转电机的基本结构,旋转电机的结构 转子 定子 空气隙,铁芯：构成磁的通路 绕组：构成电的通路 励磁绕组：通产生磁场的电流 电枢绕组：通传递能量的电流,电枢绕组是电机中机电能量转换的关键部分，直流电机的电枢指转子部分，交流电机的电枢是指定子部分。,本章主要介绍交流电机的电枢绕组（交流绕组）,1.交流绕组产生的合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦波形，幅值要大。 2.三相绕组对称，即其产生的三相感应电动势对称，三相感应电动势幅值相等，相位互差120电角度。 3.绕组的铜耗要小，用铜量要省。

3、4.绝缘要可靠、机械强度高、散热条件好、制造方便。,1、构成原则,4.1 交流绕组的构成原则和分类,按相数分为：单相、三相、多相 按槽内层数分为：单层（同心式、链式、交叉式）、双层（叠绕组、波绕组）、单双层 每极每相槽数q：整数槽、分数槽,2、交流绕组的分类,3、基本概念,一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。,整距绕组 =，短距绕组 1 的小型交流电机,以三相四极24槽说明链式绕组结构组成(A相),A相带：1，2 7,8 X相带（A负相带）： 13,14 19,20,以三相四极36槽说明交叉式绕组结构组成, 交叉式,由线圈个数和节距都不同的两种线圈组构成,适用于q 1，且q为奇数

4、的四极或六极三相小型感应电动机定子中。,A相带：1，2，3 19，20，21 X相带（A负相带）： 10，11，12 28，29，30,4.4 正弦磁场下交流绕组的感应电动势,引：交流电机基本工作原理, 同步电机： 常做发电机 异步电机： 常做电动机,同步发电机的基本原理,结构 定子：嵌有三相对称绕组（匝数相同，空间位置互差120）。 转子：装有励磁绕组，通上直流电后可以产生恒定磁场，该磁场在气隙中按正弦规律分布（转子的极弧制造成特殊形状）。,工作原理：原动机带动转子以恒定的转速旋转，则气隙中的磁场也随转子恒速旋转，相当于定子绕组反向切割磁力线，定子绕组中会产生正弦波形的感应电动势（发电）。,

5、转子转过一对磁极，既转子转一周，感应电势就变化一个周期， 设转子每分钟转 转，若转子有P对磁极，则每分钟内感应 电动势变化 个周期。,电动势在1s内所变化的周期数就是电动势的频率,电动势频率和转速之间保持严格不变的关系，这就是同步发电机的特点。,异步电动机的基本原理,结构：异步电动机定子结构与同步机相同，转子绕组是一个闭合的绕组。 工作原理：定子三相对称绕组通入三相对称交流电时，会在空间产生一个旋转磁场，该磁场的转速称为同步转速,旋转磁场与转子之间有相对运动，该磁场会在转子绕组内感应出电动势及电流，转子的感应电流与气隙旋转磁场相互作用产生电磁转矩，该转矩将驱动转子旋转。将电能转变为机械能。,转

6、子转速 与旋转磁场的转速 不同， 既 否则不会产生电磁转矩。这就是“异步”的特点,一、一根导体的感应电动势,上图为一台两极交流发电机，定子上放有一根导体，当转子由原动机拖动 以后，形成一旋转磁场。定子导体切割该旋转磁场产生感应电势。,设主极磁场在气隙内按正弦规律分布，则：,：离开原点的电角度,感应电动势有效值,二、线圈的感应电动势, 整距线圈的电动势,若有Nc匝线圈：, 短距线圈的电动势,既 两导体中的感应电势在相位上差 度,若有Nc匝线圈：,短矩系数（基波节距因数）：,采用短距线圈后对基波电动势的大小稍有影响，但当主磁场 中含有谐波时，它能有效地抑制谐波电动势，所以一般交流 绕组大多采用短距

7、绕组。, 基波节距 因数,三、线圈组的电动势,每极下每相有一个线圈组，线圈组由q个线圈组成，且 每个线圈互差电角度，如q=3, q个线圈组成集中绕组,q个线圈集中放置在相同的槽内,三相双层整距分布绕组, q个线圈分布在不同槽内,输入端对应边放上层，输出端放下层；,R,R,R,联立短距绕组线圈电动势方程, 基波分布 因数,其中：, 基波绕组 因数,是即考虑短距又考虑绕组分布是，整个绕组的合成 电动势的绕组系数,四、相电动势和线电动势,a为并联支路数， N为单层绕组每相 串联总匝数, 双层绕组相电动势, 单层绕组相电动势,（1）相电动势,（2）线电动势,星形连接时,三角形连接时,例4-1,因为磁场

8、波形相对于磁极中心线左右对称，所以谐波磁场中无偶次谐波（见P134图4-14），故=3，5，7，9，11,4.5 感应电动势中的高次谐波 （了解）,一、高次谐波电动势,谐波的弊害 使电动势波形变坏，发电机本身能耗增加，从而影响用电设备的运行性能 干扰临近的通讯线路,因为 所以通过减小 或 可降低 1.采用短距绕组 2.采用分布绕组。 3.改善主磁场分布 4.斜槽或斜极,二、消除谐波电动势的方法,4.6 通有正弦交流电时单相绕组的磁动势,交流绕组_ 定子绕组,为简化分析所做的假设 定转子之间的气隙为均匀; 槽内电流集中于槽中心处,槽开口的影响忽略不计. 定转子铁心的磁导率Fe=,即认为铁心内的磁

9、位降可以忽略不计;,交流绕组中通过电流时，将产生磁动势和磁场。,首先看线圈圈内通有正弦电流时， 单相绕组的磁动势。,通有单相交流电的单匝线圈定子 取某一时刻 进行研究 电流流向 线圈所产生的磁场 磁场的极数:2极 定子的磁极性,t,i,定子,一、整距线圈的磁动势,（1）p=1,图 4-20 一个整距线圈的磁动势,结论：波形：矩形波； 脉动磁动势：空间位置固定、幅值大小和方向随时间而变化的磁动势。,利用傅里叶级数，分解上式得：,基波磁动势的幅值：,基波磁动势:,傅里叶分解,说明： 该磁场只与电流位置(分布)有关,与哪几个导体构成一个线圈无关. 有时为了研究方便,可认为A1与X2为一个线圈.,（2）p=2,整距线圈的磁动势,矩形波的分解 基波磁动势 谐波,谐波磁动势可以通过采取措施对其进行抑制,故今后将不再考虑谐波磁动势,单层整距分布绕组,二、分布绕组的磁动势,用 表示,双层分布短距绕组_磁动势合