電機學 ch3 共同理論

《電機學》

第三章

交流電機的基本理論1本章內(nèi)容3.1

交流電機的工作原理3.2交流電機的繞組、電動勢3.3交流繞組的磁動勢23.1

交流電機的工作原理3.1.2、同步電機的工作原理3.1.3、異步電機的工作原理序交流電機的基本結(jié)構(gòu)電樞旋轉(zhuǎn)磁場3定子與轉(zhuǎn)子兩大部分+氣隙定子固定不動的部分鐵芯、繞組、機坐(1)定子鐵芯希望較強的磁場導磁好、損耗小硅鋼片內(nèi)表面開槽：放繞組交流電機的基本結(jié)構(gòu)4(2)定子繞組線圈按一定規(guī)律放單層繞組、雙層繞組(3)機坐交流電機的基本結(jié)構(gòu)5定子鐵心交流電機的基本結(jié)構(gòu)6定子繞組交流電機的基本結(jié)構(gòu)7轉(zhuǎn)子同步機與異步機轉(zhuǎn)子不一樣鐵芯外表面開槽繞組交流電機的基本結(jié)構(gòu)8三相籠型異步電動機的結(jié)構(gòu)交流電機的基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子定子風扇

冷空氣流

罩殼（非驅(qū)動端）端蓋（驅(qū)動端）9同步發(fā)電機：定子繞組：對稱三相繞組（電樞繞組）轉(zhuǎn)子繞組：勵磁繞組（產(chǎn)生磁場）交流電機的基本結(jié)構(gòu)10U1U2V1V2W2W1U1V1

W1U2V2

W2

流出

流入橫截面電樞旋轉(zhuǎn)磁場11U←V←W←U1U2V1V2W2W1i1=Imsin

ti2=Imsin(

t－120O)i3=Imsin(

t＋120O)i1

i2

i3

t=0O

時i1=0，i2＜0，i3

＞0××NSIm

tOi1電樞旋轉(zhuǎn)磁場12

t=0O

時i1=0，i2＜0，i3＞0U1U2V1V2W2W1NS

t=120O

時i1＞0，i2=

0，i3＜

0U1U2V1V2W2W1NS電樞旋轉(zhuǎn)磁場13U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NS

t=240O

時i1＜

0，i2＞0，i3=0

t=360O

時i1=0，i2＜0，i3＞0NS電樞旋轉(zhuǎn)磁場14i

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？電樞旋轉(zhuǎn)磁場15U1U2V1V2W2W1每相繞組由一個線圈組成U1V1W1U2V2

W2U3V3

W3U4V4

W4U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相繞組由兩個線圈串聯(lián)組成電樞旋轉(zhuǎn)磁場16U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××

t=0O

時

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

當磁極對數(shù)p=3時

n0

=100060f12=60f13=60f1pn0=電樞旋轉(zhuǎn)磁場17原理：勵磁繞組＝＞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＝＞三相感應電勢＝＞當接負載＝＞電流＝＞電能輸出3.1.1、同步電機的工作原理結(jié)構(gòu)示意圖電動勢波形向量圖右手定則18轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向決定定子繞組電動勢相序感應電動勢的周期感應電動勢頻率同步電機的轉(zhuǎn)速n1和電網(wǎng)頻率f之間有嚴格不變的關(guān)系。3.1.1、同步電機的工作原理pn160f=191.靜止起動三相電流=>三相繞組=>旋轉(zhuǎn)磁場B1=>B1切割轉(zhuǎn)子導條（因為轉(zhuǎn)子靜止）=>感應電勢E2=>感應電流I2（因為轉(zhuǎn)子閉合）=>B1與I2作用=>電磁轉(zhuǎn)矩T=>當T＞T0＋TL時，轉(zhuǎn)子從靜止開始起動其中：T0空載轉(zhuǎn)矩TL負載轉(zhuǎn)矩3.1.2、異步電機的工作原理左手定則202.平衡轉(zhuǎn)動：n增加=>轉(zhuǎn)差減?。骸扒懈睢彼俣认陆?>E2↓=>I2↓=>T↓=>當T＝T0＋TL時，轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動3.干擾：若TL↑=>T0＋TL＞T時，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4.特點：轉(zhuǎn)速差（轉(zhuǎn)差）/感應3.1.2、異步電機的工作原理（感應電機）異步電機21交流電機異步電機同步電機同步與異步旋轉(zhuǎn)磁場：定子三相定子繞組流過三相電流，形成旋轉(zhuǎn)磁場。電機實際轉(zhuǎn)速n=同步轉(zhuǎn)速n0：同步電機電機實際轉(zhuǎn)速n≠同步轉(zhuǎn)速n0：異步電機3.1、交流電機的工作原理—總結(jié)223.2

交流電機繞組和電動勢3.2.2三相雙層繞組3.2.3感應電動勢（正弦磁場下）3.2.4感應電動勢中的諧波3.2.1交流繞組23作用：通入電流→磁場（電動機）磁場與定子繞組切割→電勢→電流（發(fā)電機）分類（類型）相數(shù)：單相、三相層數(shù)：單層：同心式、交叉式、鏈式雙層：疊繞組、波繞組寬度：整距、短距分布性：分布繞組、集中繞組3.2.1

交流繞組24端部有效邊25交流繞組的基本術(shù)語電角度與機械角度機械角度:電機圓周在幾何上分成360°電角度:電勢變化一個周期(360電角度)關(guān)系:相帶：每極面下每相繞組所占范圍（60度）U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W326U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3交流繞組的基本術(shù)語每極每相槽數(shù)：槽距角：相鄰兩槽之間的電角度極距：相鄰兩磁極對應位置兩點之間圓周距離,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27交流繞組的構(gòu)成原則1、對稱原則：三相繞組在電機的圓周空間互相錯開120度（電角度），各相匝數(shù)、線徑、繞組形式均相同（三相對稱繞組）2、均勻原則：每個極域內(nèi)的槽數(shù)（線圈數(shù)）要相等，各相在每個極域內(nèi)所占的槽數(shù)應相等。3、電勢相加原則：線圈兩個邊的電勢要相加，線圈與線圈間的連接也應符合這一原則。4、電勢星形圖是分析交流繞組的有效工具。5、各槽電勢向量構(gòu)成輻射狀的星形圖--電勢星形圖。28U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3××××NSNS電勢星形圖相帶與電勢星形圖相帶AZBXCY123456789101112槽號分配表Z=12p=2

29相帶與電勢星形圖30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提高導線的利用率，提高制造的工藝性。3120ΠШa178131914?2b5111217231824?ΠШ64ΠШc9151621322?10三相單層等元件繞組的原理（p=2）線圈連接順序323.2.2三相雙層繞組每線圈有兩個有效邊線圈數(shù)=槽數(shù)每槽有上下兩個線圈邊（屬于不同的線圈）整距、短距繞組例：Z=24，2p=4τ=24/4=6q=24/(2mp)=24/(2*3*2)=212個相帶A-Z-B-X-C-Y-A-Z-B-X-C-Y1234567891011121314151617181920212223241三相雙層繞組（短距）A1A3X2X4A4A2X1X333NNSS1234567891011121314151617181920212223241三相雙層繞組（短距）ax3435并聯(lián)支路數(shù)條件:不改變和極相組內(nèi)的電流方向36關(guān)于繞組一些概念復習一根導體（一匝線圈的一個有效邊）一匝線圈/一個線圈一個極相組（一個線圈組）相繞組（一相繞組）電機繞組（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)（線圈組）波繞組疊繞組37例：某交流電機定子繞組，Z=36，2p=4，y=8/9τ，a=2，Nc=10，m=3求：一匝線圈有幾個有效邊一相線圈有幾匝；一個極相組有幾個線圈，幾匝線圈一相有幾個極相組，幾個線圈，幾匝線圈并聯(lián)支路數(shù)每相串聯(lián)匝數(shù)一個電機有幾相、幾個極相組、幾個相繞組383.2.3三相定子繞組的電動勢（以三相同步電機為例）導體的感應電動勢線圈電動勢和短距系數(shù)線圈組電動勢和分布系數(shù)相繞組電動勢三相繞組的線電動勢391、導體的感應電動勢頻率：感應電勢：有效值：402、線圈電動勢和短距系數(shù)整矩繞組旋轉(zhuǎn)磁場每極磁通切割定子繞組（以發(fā)電機為例）形成感應電動勢（電勢）(ec或ey)Nc——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動“切割”412、線圈電動勢和短距系數(shù)整矩繞組VS短矩繞組SN

y=

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

yEc'EcEc"

y

180o極距τ

=節(jié)距уE大小相等方向相反（相位差180

電角度）極距τ

≠節(jié)距уE大小相等相位差電角度422、線圈電動勢和短距系數(shù)短矩繞組電動勢短距＝＞線圈兩邊切割B產(chǎn)生的E不是正好差180度＝＞合成時，乘一系數(shù)（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)相當于：短距線圈時的感應電動勢與整距時的感應電動勢相比需打的折扣。433、線圈組電動勢和分布系數(shù)分布繞組各個線圈的感應電動勢的大小、波形均相同，只是在時間上依次相差電角度：相位不同。線圈組的總電動勢為q個線圈電動勢的和（相量和）則：分布系數(shù)：

Ec1Ec2Ec3

Ec3Ec1Ec2

R444、相繞組電動勢2p個極(雙層繞組)每相有2p個線圈組，每個線圈組有q個線圈2pq個線圈，每個線圈有Nc匝線圈2pqNc匝線圈2p個線圈組可串聯(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：雙層繞組：455、三相繞組的線電動勢相電勢：線電勢：P95例電動勢頻率每極每相槽數(shù)槽距角節(jié)距因數(shù)、分布因數(shù)、繞組因數(shù)相電勢與線電勢463.2.4諧波電動勢1.諧波繞組系數(shù)電機的磁場并不完全為正弦分布（空間）傅氏分解：基波與各次諧波相電動勢中次諧波電動勢有效值：對應的諧波繞組系數(shù)為：473.2.4諧波電動勢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）483.2.4諧波電動勢3.諧波電勢的減小波形畸變率：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）危害：損耗增加溫升提高效率降低性能變壞電磁干擾并聯(lián)諧振過電流過電壓493.2.4諧波電動勢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，使基波電勢減小因為對諧波來說：對應的更小，所以具有明顯的抑制作用。50例：E1＝100，E3=30，E5=20，E7=10則波形畸變率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則對應的電動勢分別為： E1＝96，E3=9，E5=4，E7=1則波形畸變率為3.3

交流繞組的磁動勢3.3.1概述3.3.2單相--脈振磁動勢3.3.3

三相--旋轉(zhuǎn)磁動勢3.3.4氣隙磁場與勵磁電抗51523.3.1概述1、氣隙磁場是關(guān)鍵同步電機：空載/負載異步電機2、既是時間函數(shù)、又是空間函數(shù)3、簡化分析的假設：繞組電流正弦變化，不考慮高次諧波槽內(nèi)電流集中于槽中心，不考慮齒槽影響定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，氣隙磁阻是常數(shù)鐵心不飽和，略去鐵心磁壓降533.3.2單相繞組的磁勢-脈振磁勢1、整距繞組磁勢--脈振磁勢不計鐵芯磁阻、氣隙均勻磁勢為方波，當線圈中電流為正弦交流電則：xt543.3.2單相繞組的磁勢-脈振磁勢傅立葉分解：553.3.2單相繞組的磁勢-脈振磁勢傅立葉分解：得式（3-11）其中基波分量幅值奇諧奇函數(shù)563.3.2單相繞組的磁勢-脈振磁勢2、線圈組的磁勢（分布繞組）整矩分布時q個線圈，相位不同：其中：分布系數(shù)采用分布繞組可以改善磁動勢波形573.3.2單相繞組的磁勢-脈振磁勢2、線圈組的磁勢（分布繞組）短距繞組時雙層繞組常采用短距繞組等效成