電機(jī)學(xué) 第3章 共同理論

《電機(jī)學(xué)》

第三章

交流電機(jī)的共同理論12/27/20231河海大學(xué)電氣學(xué)院第二篇

交流電機(jī)的共同理論3.1

交流電機(jī)的工作原理3.2交流電機(jī)的繞組、電動勢3.3交流繞組的磁動勢12/27/20232河海大學(xué)電氣學(xué)院3.1

交流電機(jī)的工作原理3.1.1同步電機(jī)的工作原理3.1.2異電機(jī)的工作原理序12/27/20233河海大學(xué)電氣學(xué)院序交流電機(jī)：異步電機(jī)同步電機(jī)同步與異步旋轉(zhuǎn)磁場：定子三相定子繞組流過三相電流，形成旋轉(zhuǎn)磁場（后面將詳細(xì)討論）。電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n＝同步轉(zhuǎn)速n0：同步電機(jī)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n≠同步轉(zhuǎn)速n0：異步電機(jī)12/27/20234河海大學(xué)電氣學(xué)院一、基本結(jié)構(gòu)定子與轉(zhuǎn)子兩大部分1

定子固定不動的部分鐵芯、繞組、機(jī)坐(1)定子鐵芯希望較強(qiáng)的磁場導(dǎo)磁好、損耗小硅鋼片內(nèi)表面開槽：放繞組12/27/20235河海大學(xué)電氣學(xué)院(2)定子繞組線圈按一定規(guī)律放單層繞組、雙層繞組(3)機(jī)坐12/27/20236河海大學(xué)電氣學(xué)院

定子鐵心12/27/20237河海大學(xué)電氣學(xué)院定子繞組對稱三相繞組。3.2三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)12/27/20238河海大學(xué)電氣學(xué)院2.轉(zhuǎn)子同步機(jī)與異步機(jī)轉(zhuǎn)子不一樣鐵芯外表面開槽繞組12/27/20239河海大學(xué)電氣學(xué)院3.1三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

三相籠型異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子定子風(fēng)扇冷空氣流罩殼（非驅(qū)動端）端蓋（驅(qū)動端）12/27/202310河海大學(xué)電氣學(xué)院二、同步電機(jī)工作原理基本概念：定子繞組：對稱三相繞組（電樞繞組）轉(zhuǎn)子：勵(lì)磁繞組（產(chǎn)生磁場）原理：勵(lì)磁繞組＝＞通入直流電＝＞外力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)＝＞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場＝＞穿過氣隙＝＞切割定子繞組＝＞三相感應(yīng)電勢＝＞當(dāng)接負(fù)載＝＞電流＝＞電能輸出12/27/202311河海大學(xué)電氣學(xué)院橫截面U1U2V1V2W2W1U1V1

W1U2V2

W2流出流入三、電樞旋轉(zhuǎn)磁場12/27/202312河海大學(xué)電氣學(xué)院U←V←W←U1U2V1V2W2W1i1=Imsin

ti2=Imsin(

t－120O)i3=Imsin(

t＋120O)i1

i2

i3

t=0O

時(shí)i1=0，i2＜0，i3

＞0××NSIm

tOi112/27/202313河海大學(xué)電氣學(xué)院

t=0O

時(shí)i1=0，i2＜0，i3＞0U1U2V1V2W2W1NS

t=120O

時(shí)i1＞0，i2=

0，i3＜

0U1U2V1V2W2W1NS12/27/202314河海大學(xué)電氣學(xué)院U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NS

t=240O

時(shí)i1＜

0，i2＞0，i3=0

t=360O

時(shí)i1=0，i2＜0，i3＞0NS12/27/202315河海大學(xué)電氣學(xué)院i

變化一周i每秒鐘變化50周i每分鐘變化(50×60)周→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)一圈→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)50圈→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)3000圈(2)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0——同步轉(zhuǎn)速

n0

=3000=60f1(r/min)

同步轉(zhuǎn)速n0的大小怎樣改變？12/27/202316河海大學(xué)電氣學(xué)院U1U2V1V2W2W1每相繞組由一個(gè)線圈組成U1V1W1U2V2

W2U3V3

W3U4V4

W4U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相繞組由兩個(gè)線圈串聯(lián)組成12/27/202317河海大學(xué)電氣學(xué)院U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××

t=0O

時(shí)

i1=0，i2＜0，i3

＞0NSNS

磁極對數(shù)p

p=2

電流變化一周

→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)半圈

n0

=1500當(dāng)磁極對數(shù)p=3時(shí)

n0

=100060f12=60f13=60f1pn0=12/27/202318河海大學(xué)電氣學(xué)院四、異步電機(jī)工作原理

（可以放在后面討論）1.靜止起動三相電流=>三相繞組=>旋轉(zhuǎn)磁場B1=>B1切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條（因?yàn)檗D(zhuǎn)子靜止）=>感應(yīng)電勢E2=>感應(yīng)電流I2（因?yàn)檗D(zhuǎn)子閉合）=>B1與I2作用=>電磁轉(zhuǎn)矩T=>當(dāng)T＞T0＋TL時(shí)，轉(zhuǎn)子從靜止開始起動其中：T0空載轉(zhuǎn)矩

TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩12/27/202319河海大學(xué)電氣學(xué)院2.平衡轉(zhuǎn)動：n增加=>轉(zhuǎn)差減?。骸扒懈睢彼俣认陆?>E2↓=>I2↓=>T↓=>當(dāng)T＝T0＋TL時(shí)，轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動3.干擾：若TL↑=>T0＋TL＞T時(shí)，失去平衡=>轉(zhuǎn)速n↓=>轉(zhuǎn)差↑=>“切割”速度↑=>E2↑=>I2↑=>T↑=>直到T＝T0＋TL，自動重新平衡12/27/202320河海大學(xué)電氣學(xué)院3.2

交流電機(jī)繞組和電動勢3.2.2三相雙層繞組3.2.3感應(yīng)電動勢（正弦磁場下）3.2.4感應(yīng)電動勢中的諧波3.2.1交流繞組12/27/202321河海大學(xué)電氣學(xué)院3.2.1交流繞組作用：通入電流→磁場（電動機(jī)）磁場與定子繞組切割→電勢→電流（發(fā)電機(jī)）分類（類型）相數(shù)：單相、三相層數(shù)：單層：同心式、交叉式、鏈?zhǔn)诫p層：疊繞組、波繞組寬度：整距、短距分布性：分布繞組、集中繞組12/27/202322河海大學(xué)電氣學(xué)院交流繞組的基本述語電角度與機(jī)械角度機(jī)械角度:電機(jī)圓周在幾何上分成360°電角度:電勢變化一個(gè)周期(360電角度)關(guān)系:相帶：每極面下每相繞組所占范圍（60度）每極每相槽數(shù)：槽距角：相鄰兩槽之間的角度極距：相鄰兩磁極對應(yīng)位置兩點(diǎn)之間圓周距離,定子內(nèi)表面弧長（槽數(shù)）：節(jié)距（跨距）：線圈寬度yу=τ稱為整距，у<τ稱為短距，у>τ稱為長距12/27/202323河海大學(xué)電氣學(xué)院相帶與電勢星形圖

12/27/202324河海大學(xué)電氣學(xué)院交流繞組基本要求:1三相基波電動勢和磁動勢要對稱.2力求獲得較大的基波電動勢和磁動勢,盡量減小或消除諧波分量.3提高導(dǎo)線的利用率,提高制造的工藝性.12/27/202325河海大學(xué)電氣學(xué)院繞組展開圖表示定子繞組的聯(lián)結(jié)關(guān)系主要兩種：單層、雙層畫法：計(jì)算極距每極每相槽數(shù)計(jì)算相帶數(shù)、分相帶相帶數(shù)=總槽數(shù)/q或=極數(shù)*3即：6p構(gòu)成線圈構(gòu)成線圈組（極相組）構(gòu)成相繞組：反相串聯(lián)（不同極面下線圈組的電流方向相反）12/27/202326河海大學(xué)電氣學(xué)院三相單層繞組（了解）每槽只有一個(gè)線圈邊,結(jié)構(gòu)和嵌線較簡單,適用于10kv以下的小型交流電機(jī).分類：鏈?zhǔn)嚼@組：交叉式繞組：同心式繞組：12/27/202327河海大學(xué)電氣學(xué)院例：Q1=24，2p=4123456789101112131415161718192021222324A1X1A2X2zabcxy12/27/202328河海大學(xué)電氣學(xué)院20ΠШa178131914?2b5111217231824?ΠШ64ΠШc9151621322?10三相單層等元件繞組的原理（p=2）線圈連接順序12/27/202329河海大學(xué)電氣學(xué)院3.2.2三相雙層繞組每繞組兩有效邊每槽有上下兩個(gè)線圈邊（屬于不同的線圈）整距、短距繞組例：Q1=24，2p=4τ=24/4=6q=24/(2mp)=24/(2*3*2)=212個(gè)相帶A-Z-B-X-C-Y-A-Z-B-X-C-Y12/27/202330河海大學(xué)電氣學(xué)院1234567891011121314151617181920212223241A1A3X2X4A4A2X1X3三相雙層繞組（短距）（復(fù)制到畫筆中講，特別是極相組的連接）12/27/202331河海大學(xué)電氣學(xué)院并聯(lián)支路數(shù)條件:不改變和極相組內(nèi)的電流方向12/27/202332河海大學(xué)電氣學(xué)院關(guān)于繞組一些概念復(fù)習(xí)一根導(dǎo)體（一匝線圈的一個(gè)有效邊）一匝線圈一個(gè)線圈一個(gè)極相組（一個(gè)線圈組）相繞組（一相繞組）電機(jī)繞組（三相繞組）并聯(lián)支路數(shù)每相串聯(lián)匝數(shù)極數(shù)極相組數(shù)（每相）12/27/202333河海大學(xué)電氣學(xué)院例：某交流電機(jī)定子繞組，Q1=24,2p=4,y=5/6τ，a=2,Ny=10，m=3求：一匝線圈有幾個(gè)有效邊一相線圈有幾匝；一個(gè)極相組有幾個(gè)線圈，幾匝線圈一相有幾個(gè)極相組，幾個(gè)線圈，幾匝線圈并聯(lián)支路數(shù)每相串聯(lián)匝數(shù)一個(gè)電機(jī)有幾相、幾個(gè)極相組、幾個(gè)相繞組12/27/202334河海大學(xué)電氣學(xué)院3.2.3三相定子繞組的電動勢

（以三相同步電機(jī)為例）

12/27/202335河海大學(xué)電氣學(xué)院1、整距繞組的電動勢旋轉(zhuǎn)磁場每極磁通切割定子繞組（以發(fā)電機(jī)為例）形成感應(yīng)電動勢（電勢）(Ec

或Ey)Ny

——線圈匝數(shù)有效值：比較：與變壓器相同形式區(qū)別：磁通大小變化與相對運(yùn)動“切割”12/27/202336河海大學(xué)電氣學(xué)院2、短距繞組的電動勢SN

y=

Ec'Ec"Ec'Ec"EcSNEc'Ec"

yEc'EcEc"

y

180o12/27/202337河海大學(xué)電氣學(xué)院2、短距繞組的電動勢短距＝＞線圈兩邊切割B產(chǎn)生的E不是正好差180度＝＞合成時(shí)，乘一系數(shù)或：短距＝＞線圈中交鏈的磁通減少＝＞電勢減少。短距系數(shù)短距系數(shù)相當(dāng)于：短距線圈時(shí)的感應(yīng)電動勢與整距時(shí)的感應(yīng)電動勢相比需打的折扣。12/27/202338河海大學(xué)電氣學(xué)院3、線圈組的電動勢分布繞組各個(gè)線圈的感應(yīng)電動勢的大小、波形均相同，只是在時(shí)間上依次相差電角度：相位不同。線圈組的總電動勢為q個(gè)線圈電動勢的和（相量和）則：分布系數(shù)：

Ey1Ey2Ey3

Ey3Ey1Ey2

R12/27/202339河海大學(xué)電氣學(xué)院4.相電勢

(1)并聯(lián)支路數(shù)與每相串聯(lián)匝數(shù)2p個(gè)極(雙層繞組)每相有2p個(gè)線圈組，每個(gè)線圈組有q個(gè)線圈2pq個(gè)線圈，每個(gè)線圈有Ny匝線圈2pqNy匝線圈2p個(gè)線圈組可串聯(lián)、并聯(lián)（視需要）并聯(lián)支路數(shù)：a每相串聯(lián)匝數(shù)：單層繞組：12/27/202340河海大學(xué)電氣學(xué)院(2)相電勢雙層繞組P100例12/27/202341河海大學(xué)電氣學(xué)院1.諧波系數(shù)電機(jī)的磁場并不完全為正弦分布（空間）付氏分解：基波與各次諧波相電動勢中次諧波電動勢有效值：對應(yīng)的諧波繞組系數(shù)為：

3.3.4諧波電動勢*2sinsinaavqqvkqv=12/27/202342河海大學(xué)電氣學(xué)院2.線電勢由三角形、星形接法決定（基波）注意：線電勢中不含3k次諧波電勢（因同相位）12/27/202343河海大學(xué)電氣學(xué)院3.諧波電勢的減小1.波形畸變率：2.諧波電勢的減小氣隙磁場接近正弦波短距繞組分布繞組Y連接（線電勢中不含有3K次諧波）12/27/202344河海大學(xué)電氣學(xué)院4.采用短距、分布繞組的目的交流繞組采用短距和分布的結(jié)構(gòu)，可削弱每相電動勢中的諧波分量，使電動勢波得到改善。雖短距系數(shù)、分布系數(shù)均不大于1，使基波電勢減小因?yàn)閷χC波來說：對應(yīng)的更小，所以具有明顯的抑制作用。12/27/202345河海大學(xué)電氣學(xué)院例：E1＝100,E3=30,E5=20,E7=10則諧波系數(shù)為若各諧波電動勢的繞組系數(shù)分別為：kw1＝0.96,kw3=0.3,kw5=0.2,kw7=0.1則對應(yīng)的電動勢分別為：E1＝96,E3=9,E5=4,E7=1則諧波系數(shù)為12/27/202346河海大學(xué)電氣學(xué)院思考題：6－4，6－5，6－6習(xí)題：6－2，6－3，6－712/27/202347河海大學(xué)電氣學(xué)院3.3磁動勢、磁場

12/27/202348河海大學(xué)電氣學(xué)院一、單相繞組的磁勢-脈振磁勢1、整距繞組磁勢不計(jì)鐵芯磁阻、氣隙均勻磁勢為方波，當(dāng)線圈中電流為正弦交流電則：12/27/202349河海大學(xué)電氣學(xué)院一、單相繞組的磁勢-脈振磁勢傅立葉分解：12/27/202350河海大學(xué)電氣學(xué)院一、單相繞組的磁勢-脈振磁勢傅立葉分解：得式（3-11）其中基波分量幅值12/27/202351河海大學(xué)電氣學(xué)院2、線圈組的磁勢集中繞組與分布繞組q個(gè)線圈，相位不同：其中：分布系數(shù)12/27/202352河海大學(xué)電氣學(xué)院3、短距繞組雙層繞組常采用短距繞組等效成兩個(gè)單層整距繞組，但相距一個(gè)角：短距角兩磁勢相位不同，則其中：短距系數(shù)短距角12/27/202353河海大學(xué)電氣學(xué)院4、相繞組磁勢最后得：相繞組磁勢：對一相繞組，線圈組的磁勢就是相磁勢，不同空間位置的F不能相互迭加。

其中：每相串連匝數(shù)：繞組系數(shù)12/27/202354河海大學(xué)電氣學(xué)院諧波磁勢（了解）類似得諧波磁勢其中2sinsinaavqqvkqv=12/27/202355河海大學(xué)電氣學(xué)院空間位置固定、幅值隨時(shí)間變化且以繞組中電流變化的頻率脈振。所以稱脈振磁場幅值的位置與繞組的軸線相重合基波磁通勢的幅值：

ν次諧波磁通勢的幅值：

諧波次數(shù)越高，幅值越小。單相繞組的磁通勢的性質(zhì)12/27/202356河海大學(xué)電氣學(xué)院脈振磁勢可分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢因?yàn)椋核裕好}振磁勢可分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢每個(gè)的幅值為均為原來的1／2轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反12/27/202357河海大學(xué)電氣學(xué)院二、三相繞組的磁勢單相繞組通入單相電流＝＞脈振磁場三相繞組中流過三相電流＝＞三個(gè)脈振磁場三相共六個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢：12/27/202358河海大學(xué)電氣學(xué)院六個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢合成三個(gè)正向磁勢相加為原來的三倍；三個(gè)反向磁勢彼此相差120度，相加（合成）為零。基波：幅值：（積化和差增加一個(gè)系數(shù)：1/2）12/27/202359河海大學(xué)電氣學(xué)院旋轉(zhuǎn)磁勢的性質(zhì)由知：是旋轉(zhuǎn)磁勢既是空間函數(shù)、又是時(shí)間函數(shù)轉(zhuǎn)速：幅值大小不變某相電流達(dá)最大，旋轉(zhuǎn)磁勢幅值將轉(zhuǎn)到該相繞組軸線處。改變電流序，轉(zhuǎn)向相反。12/27/202360河海大學(xué)電氣學(xué)院如B、C相對調(diào)：即：所以：

關(guān)于：改變電流相序，轉(zhuǎn)向相反12/27/202361河海大學(xué)電氣學(xué)院幅值：但2k次諧波磁勢幅值為零（空間互差120度）轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)向：

關(guān)于諧波磁勢（一般了解）12/27/202362河海大學(xué)電氣學(xué)院第四節(jié)不對稱三相電流流過對稱三相繞組的基波磁勢12/27/202363河海大學(xué)電氣學(xué)院不對稱電流分析：＋、－、0正序電流＝＞正向旋轉(zhuǎn)磁勢:f+序序電流＝＞反向旋轉(zhuǎn)磁勢:f－星形繞組：相電流中無I0，所以無f0f+與f-：大小不一定相等；轉(zhuǎn)速相同；轉(zhuǎn)速相等橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢12/27/202364河海大學(xué)電氣學(xué)院當(dāng)F＋＝F_時(shí)，脈振磁勢當(dāng)F＋、F_之一為零時(shí)，園形旋轉(zhuǎn)一般情況：F＋≠F_，但均不為零，橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢12/27/202365河海大學(xué)電氣學(xué)院習(xí)題教程中的重點(diǎn)習(xí)題12/27/202366河海大學(xué)電氣學(xué)院本篇要點(diǎn)：1.磁動勢及磁場一個(gè)整距線圈的磁勢分解：基波磁動勢、諧波磁動勢（了解）短距、分布的影響：空間矢量相加＝＞乘相短距系數(shù)、分布系數(shù)短距、分布的作用：削弱諧波基波分量雖略有減少，但諧波磁通勢可大大削弱。脈振磁通勢：單相繞組磁通勢為脈振磁通勢旋轉(zhuǎn)磁通勢：三相繞組磁通勢為旋轉(zhuǎn)磁通勢12/27/202367河海大學(xué)電氣學(xué)院2.旋轉(zhuǎn)磁通勢三相繞組磁通勢為旋轉(zhuǎn)磁通勢脈振磁勢可以分解為兩個(gè)大小相等、旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁通勢。