交流电机的感应电动势和旋转磁场.

《交流电机的感应电动势和旋转磁场.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交流电机的感应电动势和旋转磁场.（130页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、交流电机可分为同步电机和异步电机两大类，其中感应电 机是一种最主要的异步电机。 两类电机的转子结构、工作原理、励磁方式和性能虽有所 不同，但是定子中所发生的电磁过程以及机电能量转换的 机理和条件却是相同的，可以采用统一的理论来研究。 本章首先简述三相同步发电机和三相感应电动机的基本工 作原理，之后重点将研究交流绕组的连接规律，正弦磁场 下交流绕组的感应电动势，感应电动势中的高次谐波，通 有正弦电流时单相绕组的磁动势，通有对称三相电流时三 相绕组的磁动势，以及不对称或非正弦电流下三相绕组的 磁动势。 第四章 交流电机的感应电动势和旋转磁场 本章内容 第1节 三相交流电机的基本工作原理 第2节 三

2、相交流绕组 第3节 正弦磁场下交流绕组的的感应电动势 第4节 交流绕组中的高次谐波电动势 第5节 通有正弦电流时单相绕组的磁动势 第6节 通有正弦电流时三相绕组的磁动势 思考题与习题 第四章 交流电机的感应电动势和旋转磁场 知识点 1三相交流电机绕组的结构原理 2三相交流电机绕组的感应电动势 3正弦电流下三相交流电机绕组的磁动势和旋转磁场 学习要求 1具备三相交流电机绕组的结构特点和原理分析能力 2具备三相交流电机绕组展开图的绘制能力 3具备三相交流电机绕组感应电动势的分析计算能力 第四章 交流电机的感应电动势和旋转磁场 4.1.1 三相感应电动机的工作原理 三相感应电动机结构 三个完全相同的

3、线圈空间彼此互隔1200 ，分布在定子铁芯内圆的圆周上，构成 了三相对称定子绕组。当三相对称绕组 接上三相对称电源时，在绕组中将流过 三相对称电流。 若各相电流的瞬时表达式为 第1节 三相交流电机的基本工作原理 当三相对称电流通过三相对称绕组时，必然产生一个大小不 变，转速一定的旋转磁场。 第1节 三相交流电机的基本工作原理 4.1.1 三相感应电动机的工作原理 流入三相定子绕组的电流是按ABC的 相序达到最大值的，产生旋转磁场的旋转 方向也是从A相绕组轴线转向B相绕组轴线 ，再转向C相绕组轴线的，即按ABC的 顺序旋转，与三相交流电的变化顺序一致 。 结论：在三相定子绕组空间排序不变的条 件

4、下，旋转磁场的转向取决于三相电流的 相序，即从电流超前相转向电流滞后相。 若要改变旋转磁场的方向，只需将三相电 源进线中的任意两相对调即可。 第1节 三相交流电机的基本工作原理 4.1.1 三相感应电动机的工作原理 p=1时，电流变化一次，旋转磁场转过 一周。 如果在定子铁芯上放置p套三相绕组， 每套绕组占据的定子内圆1/p，将属于 同相的线圈串联或并联，即成为2p极三 相感应电动机。三相绕组流入三相对称 电流时所建立的合成磁场，仍然是一个 旋转磁场，不过当电流变化一次，旋转 磁场仅转过1/p转。由此可知旋转磁场 的转速为 (4-5） 第1节 三相交流电机的基本工作原理 4.1.1 三相感应电

5、动机的工作原理 在电机的气隙中形成的空间旋转磁场转 速只取决于电源的频率和电机的极对数 ，因此把这个转速称为交流电机的同步 转速： 旋转磁场切割转子导体，在转子导体中 产生感应电动势并在闭合的转子导体中 形成感应电流。 有电流流过的转子导体将在旋转磁场中 受电磁力并在转子轴上形成电磁转矩， 其作用方向与旋转磁场方向一致，拖着 转子顺着旋转磁场的旋转方向旋转，将 输入的电能变成旋转的机械能。 第1节 三相交流电机的基本工作原理 4.1.1 三相感应电动机的工作原理 感应电动机的转子转速恒小于旋转磁场 转速，因为只有这样，转子绕组才能“ 切割”产生感应电动势和感应电流，从 而产生电磁转矩，使电动机

6、旋转。 可见nns是感应电动机工作的必要条 件。由于感应电动机的转速与旋转磁场 转速不同步，因此又称为异步电动机。 第1节 三相交流电机的基本工作原理 4.1.1 三相感应电动机的工作原理 4.1.2 三相同步发电机的工作原理 最简单的两极三相同步发电机模型 三个完全相同的线圈空间彼此互隔1200 ，分布在定子铁芯内圆的圆周上，构成 了定子三相对称绕组； 转子磁极上套装着直流励磁绕组。转子 励磁绕组通入励磁直流，在电机内建立 恒定两极磁场，其主磁通穿过气隙同时 铰链定子绕组。 第1节 三相交流电机的基本工作原理 作为发电机，原动机拖动转子旋转，定子 感生交流电动势，此电动势和频率为 (4-1）

7、 (4-2） 式中，b导体所在处的气隙磁密； v导体与气隙磁密的相对线速度； l线圈导体的轴向长度； P电机的极对数； n转子磁极的转速； f1定子感应电动势频率。 可见，当电机的极对数、转速为一定时， 电机发出的交流电动势的频率也是一定的 。 第1节 三相交流电机的基本工作原理 4.1.2 三相同步发电机的工作原理 假设转子励磁电流建立的气隙磁场在转子表面正弦分布。坐 标取在转子上，原点位于极间，为距离原点的电角度，此 处气隙磁密为 。设t=0时A相导体在极间，转子 旋转的角频率为，则时间t时，=t，A相导体感应电动 势为 (4-3） 第1节 三相交流电机的基本工作原理 4.1.2 三相同步

8、发电机的工作原理 由于定子三相绕组在空间依次滞后电角 度，因此和相导体感应电动势为 (4-4） 可见，三相同步发电机中，正弦分布的 转子气隙磁场随着转子旋转时，在定子 三相对称绕组中感应三相对称正弦电动 势。如果定子绕组外加三相对称负载， 发电机将提供三相对称正弦电流。 第1节 三相交流电机的基本工作原理 4.1.2 三相同步发电机的工作原理 定子外加三相对称负载，三相绕组中将 流过频率为f1的对称三相电流，并在电 机气隙中产生转速为ns的正向旋转磁场 。 定子绕组中感应电动势在时间上滞后于 转子磁场在绕组中产生的磁通，因此定 子电流产生的磁场在空间滞后于转子磁 场。 两个磁场之间将产生电磁力

9、的作用，转 子受的电磁转矩是阻力转矩。 第1节 三相交流电机的基本工作原理 4.1.2 三相同步发电机的工作原理 第1节 三相交流电机的基本工作原理 外力持续作功，克服作用在转子上 的阻力转矩，保持转子转速n1不变， 则在定子侧就能得到持续的频率为f1 的交流电能提供给负载，电机将机 械能转换为电能。 此电机转子转速n1和定子电流产生的 旋转磁场转速ns相同，因此称为同步 发电机。 4.1.2 三相同步发电机的工作原理 同步发电机和感应电动机，两类交流电机虽然转子结构、励 磁方式和运行特性有很大区别，但定子结构相同，电机内部 发生的电磁现象和机电能量转换的原理基本上相同。 定子三相绕组和电磁旋

10、转理论是两类交流电机共同的理论。 第1节 三相交流电机的基本工作原理 4.2.1 交流绕组的构成原则和分类 交流绕组的构成主要基于运行和设计制造两方面的考虑。 定子绕组必须保证它通入三相交流电流以后，其旋转磁场具 有一定的极数、大小、在空间的分布波形以及由该旋转磁场 在绕组中感应的电势也是对称的。 交流绕组的型式各异，但构成原则却基本相同，具体要求是 ： 1）合成电动势和合成磁动势的波形力求接近正弦波，数量上 力求获得较大的基波电动势和基波磁动势，并要求电动势和 磁动势中的谐波分量应尽可能小； 2）对三相绕组，各相的电动势和磁动势必须对称，电阻、电 抗要平衡； 3）绕组的铜耗要小，用铜量要省。

11、 4）绝缘性能要可靠，机械强度、散热条件要好、制造、维修 要方便。 第2节 三相交流绕组 4.2.1 交流绕组的构成原则和分类 交流电机交流绕组的种类很多，可按相数、槽内绕组层数、 每极下每相槽数和绕法来分类。 从相数分，绕组可分为单相和多相绕组； 按槽内层数分，有单层、双层和单双层混合绕组； 按每极下每相所占的槽数等于整数或分数，分为整数槽和分 数槽绕组； 按线圈连接时的绕法分，双层绕组又分为叠绕组和波绕组， 单层绕组又分为链式、交叉式和同心式。 第2节 三相交流绕组 4.2.2 交流绕组的基本知识 1）线圈 线圈也称绕组元件，是构成绕组的最基本的元件，它可由一 匝或多匝串联而成； 多个线圈

12、连接成一组就称为线圈组； 由多个线圈或线圈组按照一定的规律连接在一起就形成一相 绕组，三相交流电机定子有三相绕组。 第2节 三相交流绕组 4.2.2 交流绕组的基本知识 2）极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁芯内表面的距离称为极距 ，极距一般用每个极面下所占的槽数来表示。定子槽数为Q， 磁极对数为p，则 (4-6) 第2节 三相交流绕组 4.2.2 交流绕组的基本知识 3）线圈节距 一个线圈的两个有效边之间所跨过的距离称为线圈的节距y1 。节距一般用线圈跨过的槽数来表示。 为使每个线圈获得尽可能大的电动势或磁动势，节距y1应等 于或接近于极距。 y1=的绕组称为整距绕组，常用; y1的绕组称为

13、长距绕组，不用。 第2节 三相交流绕组 4.2.2 交流绕组的基本知识 4）机械角度和电角度 电动机圆周在几何上分成3600，这称为机械角度。从电磁观 点来看，若电动机的极对数为p，则经过一对磁极，磁场变化 一周，相当于电角度3600。因此，电动机圆周按电角度计算 就有p3600，即 电角度=p机械角度 (4-7） 第2节 三相交流绕组 4.2.2 交流绕组的基本知识 5）槽距角 相邻两个槽之间的电角度称为槽距角。 因为定子槽在定子内圆上是均匀分布的，所以若定子槽数为Q ，电机极对数为p，则 (4-8） 第2节 三相交流绕组 4.2.2 交流绕组的基本知识 6）每极每相槽数q 每一个极下每相所

14、占有的槽数称为每极每相槽数q，若绕组相 数为m1，则 (4-9） 若q为整数称为整数槽绕组。 若q为分数称为分数槽绕组。分数槽绕 组一般用在大型、低速的同步电机中 。 对于三相电机，上式中的m1取3； 对于单相电机，上式中的m1取2。 第2节 三相交流绕组 4.2.2 交流绕组的基本知识 7）相带 每相绕组在一对极下所连续占有的宽度(用电角度表示)称为 相带。 在三相交流电机中，每个磁极下每相占有600的电角度，称为 600相带。 由于三相绕组在空间彼此要相距120电角度，所以相带的划 分沿定子内圆应依次为A1、Z1、B1、X1、C1、Y1等，如图4-8所 示。 第2节 三相交流绕组 4.2.

15、3 交流绕组展开图的绘制方法 要掌握三相交流绕组结构，还必须能够正确绘制其展开图： 画槽：用槽内的线圈边表示槽，每一个槽都由一根实线和 一根虚线表示。 分极：即根据公式 计算极距，然后在图上标出， 每一个磁极的极性可以任意假设。 分相：根据公式 计算每极每相槽数，然后在图上 从左向右对每一个磁极下的槽进行分段，每段即为一个极相 组，有q个连续分布的槽。 为保证三相绕组之间120的空间相位差，将每一对磁极下的 每个极相组按 分相。 第2节 三相交流绕组 4.2.3 交流绕组展开图的绘制方法 确定电动势方向：确定电动势方向的原则是每个极相组(一 个)的电动势方向一致，相邻极相组的电动势方向相反。 连线：根据节距y1和绕组的具体结构要求连接端线及引线 ，绕组的首端从A、B和C引出，尾端从X、Y和Z引出。 第2节 三相交流绕组 4.2.4 双层绕组槽电动势星形图和相带划分 现代10kW以上的三相交流电机，其定子绕组一般均采用双层 绕组。 双层绕组的每个槽内有上、下两个线圈变。线圈的一条边放 在某一槽的上层，另一条边则放在相隔y1槽的下层，整个绕 组的线圈数恰好等于槽数。 双层绕组的主要优点为： （1）可以选择最有利的节距、 并同时采用分布绕组，来改善电 动势和磁动势的波形； （2）所有线圈具有同样的