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1、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,2,3.1 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
2、,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,10,流出,流入,横截面,电枢旋转磁场,11,U V W,i1 = Imsin t i2 = Imsin( t120O) i3 = Imsin( t120O),i1 i2 i3, t = 0O 时 i1 = 0，i2 0， i3 0,N S,电枢旋转磁场,12,t = 0O 时 i1 = 0，i2
3、 0， i30,N S,t = 120O 时 i10，i2 = 0，i3 0,电枢旋转磁场,13,N S,t = 240O 时 i1 0，i20，i3 = 0,t = 360O 时 i1= 0，i2 0，i30,N S,电枢旋转磁场,14,i 变化一周 i 每秒钟变化 50 周 i 每分钟变化 (5060) 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 = 60 f1 (r / min) 同步转速 n0 的大小怎样改变？,电枢旋转磁场,15,每相绕组由 一个线圈组成,每相绕组由两个 线圈串联组成,电枢旋转磁场,16,t
4、 = 0O 时 i1 = 0，i2 0， i3 0,N,S,N,S,磁极对数 p p = 2 电流变化一周 旋转磁场转半圈 n0 = 1 500,当磁极对数 p = 3 时 n0 = 1 000,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,19,1. 静止起动 三相电流=三相绕组
5、 =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,左手定则,20,2. 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： 若TL = T0TLT时，失去平衡= 转速n =转差 = “切割”速度 =E2 =I2 =T =直到TT0TL，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
6、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,22,3.2 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,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,
7、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）,26,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 y =称为整距， 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
8、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。,28,电势星形图,相带与电势星形图,槽号分配表,Z=12 p=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。,31,20,三相单层等元件绕组的原理（p=2） 线圈连接顺序,32,3.2.2 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
9、线圈） 整距、短距绕组 例：Z=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-Y,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,1,三相双层绕组（短距）,A1,A3,X2,X4,A4,A2,X1,X3,33,N,N,S,S,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,1,三相双层绕组（短距）,a,x,34,35,并联支路数,条件:不改变和极相组内
10、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=8/9，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,38,3.2.3 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
11、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,39,1、导体的感应电动势,频率：,感应电势：,有效值：,40,2、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”,41,2、线圈电动势和短距系数,整矩绕组 VS 短矩绕组,极距 =节距 E大小相等 方向相反 （相位差 180 电角度）,极距 节距 E大小相等 相位差 电角度,42,2、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
12、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。,43,3、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：,44,4、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：,45,5、三相绕组的线电动
13、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,46,3.2.4 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：,47,3.2.4 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）,48,3.2.4 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
14、性能变坏 电磁干扰 并联谐振 过电流 过电压,49,3.2.4 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：E1100，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： kw10.96，kw3=0.3，kw5=0.2，kw7=0.1 则对应的电动势分别为： E196，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,51,52,3.3.1 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
