电机与电力拖动第6章(交流电机的共同理论)

交流电机包含异步机和同步机。其定子结构相 同，都由定子铁芯和定子绕组组成；它们的绕组、 电势、磁势都相同。
一、交流绕组构成原则
1、每相绕组产生的相电势应为正弦，且数值尽可 能大。
2、各相绕组的电势、电阻和电抗在数值上尽可能相 等，感应电势在相位上也要对称，即在时间上互差 120º电角度。
3、端接线尽可能短，节约铜线，减小损耗。
C2 21
22
Y2 23 24
X2 2019 181B72
16 Z2 15
A相。其中A1X1， A2X2感应的电势相
A1
1 2
14 13 A2
同。
y1 Z 6
2p
每个线圈组由两个线
3
12
Z1 4
11 Y1
5 B1
6
78 X1
10 9 C1
圈组成，1，2；7，8；组
成A1X1线圈组。
13，14；19，20；组成A2X2线圈组。
每对磁极下，都应 有一个ABC三相绕组， 其排列顺序在一对磁极 下应对称。
结论：
C2
X2
Y2
A1
Z1
B1
X1
B2 Z2
A2
Y1 C1
三相绕组排列顺序为：每对磁极下，六个绕组边 在空间沿转子转向排列顺序为：A、Z、B、X、C、Y； 且互差60º电角度。 电角度=机械角度p
上下
每相绕组不可能 放在一个槽中，应均 匀放在相邻的几个槽 中，串联在一起。
掌握单相绕组产生脉振磁势及其主要结论。
熟练掌握单相绕组产生脉振磁势基波可以分解为两 个转向相反的旋转磁势。
掌握三相绕组产生旋转磁势的条件、性质及其主要 结论。
熟练掌握三相对称绕组产生圆形旋转磁势基波的大 小、转向、速度 。
交流电机
同步电机 异步电机
同步发电机
同步电动机 异步电动机 异步发电机(性能较差）
2
)
上下
2. 用傅里叶级数分解矩形波磁动势
A f
.
A
0
22
1 2
iN1k 2
iN
k
4
1 2
iN k
转子
X
22
3 . 3A a
2 定2 子
5次谐波
3次谐波
f (a)
4
f
k
cos(
a
)
4
1 3
f
k
cos(3a)
4
1 5
fk cos(5a)
上下
f (a) 4
ຫໍສະໝຸດ Baidu
fk
cos(a)
4
1 3
f
k
cos(3a)
第六章 交流电机基础
交流电机的共同理论 绕组、电势和磁势
交流电机绕组构成原则 三相单层绕组 *三 相 双 层 绕 组
交流电机绕组电势 交流电机绕组磁势
交流电机的共同理论 绕组、电势和磁势 本章要求：
掌握交流电机三相绕组构成原则。 能够绘制三相单层同心式分布绕组展开图。 掌握基波磁场下集中、分布绕组线圈组电势计算。 熟悉基波磁场下双层、短距分布绕组相电势计算。
4、元件制造方便，嵌线工艺方便，便 于保证质量和节约制造工时。
上下
二、绕组基本知识
• 极距是指每一磁极所占定子内圆周的 距离，即有 Z1
2p
• 节距y是指线圈两有效边之间的距离。 单层绕组是整距绕组，即有y=τ
• 每极每相槽数q是指一个磁极下一相绕
组所占有的槽数，即有： q
Z1
2 pm1
• 相带：是指一相绕组在一个磁极下连 续所占的范围。
将正弦基波磁场等效为矩形波：
A
| Bp 1
B1 sin d
1
(B1 cos
)
2
B1
0 每极基波磁通平均值：1
BpS
2
0
B1l
B1 1 v n 2p f 2
2l
60
E1m 1lf 2 f1 2l
导体中基波有效值 E1 E1m f1 2.22 f1
2
2
上下
2、导体中谐波电势
2
3
5
对周期性变化的矩形波分布的磁势，用
傅氏级数进行谐波分析，可分解成为：
f y ( ,1t) C cos cos1t 1,3,5
式中v=1，3，5…为谐波系数，系数Cv为
Cv
1
4
2 2
IN y
sin
v
2
上下
基波磁势为：
f y1
4
2 2
IN y
cos
cos1t
Fy1
cos
cos1t
Fy1
4
上下
绕组展开图
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
A1
X1 2221
23
A2 2019 181716Z2
X2
24
15
A
1 A1
2
14A2
X
13
Z1
3 4
12 11Y1
5B1 6 7
8
9
10
C1
X1
上下
当定子每相绕组AX、BY、CZ匝数相同， 六个绕组端在空间沿转子转向排列顺序为：A、 Z、B、X、C、Y；且互差60º电角度时，三相 电势为对称电势。
单层绕组：
N p qNy a
并联支路数
双层绕组：
N
2p qNy
a
上下
第四节 脉振磁动势与旋转磁动势
异步电动机工作时三相对称绕组流过三相 对称电流产生旋转磁场。 磁场由磁动势产生，磁场大小、性质由F决定。 当交流绕组中有电流通过时，其会产生磁动 势，在空间，形成磁场。
上下
旋转磁场由旋转磁动势决定，这个旋转磁动势
谐波电势：Ey j4.44fNy ky
上下
谐波短距系数： ky sin 2
结论： 为了消除第次谐波电势，使线圈节距缩短次谐波 的一个极距，即y1 =(1-1/ )。
如：要消除第3次谐波电势，则y1 =(1-1/3)=(2/3)
32 ky 3 sin 3 sin 0
2
上下
三、线圈组（极相组）电势和分布系数：
• 机械角：电机圆周空间角度为360°或 为2π弧度，称这种角度为机械角。对 于一对磁极由N→S→N变化一周相当 于360°电角度或为2π电弧度。当电机 有p对磁极时，电角度=p×机械角。
• 分析：每一磁极占180°电角度，三相 绕组的每相绕组在一个极下只占三分 之一，即60°相带。
P=2时，绕组的排列
2 2
IN y
0.9IN y
为基波磁势最大幅值。
三次谐波磁势为：
f
y3
1 3
4
2 2
IN y
cos 3
cos1t
Fy 3
cos 3
cos1t
14 2
Fy3 3 2 IN y 0.3IN y
4
1 5
fk cos(5a)
结论: 1.基波磁动势的幅值为4/πfk，是矩形波磁动势的
4/π倍； 谐波磁动势幅值为基波幅值的1/ν倍； 2.基波磁动势波长与原矩形波长一样，磁极对数亦 相同； 谐波的波长为基波的1/ν，极对数为基波的ν倍。
上下
磁动势的空间谐波
f ( ) N yi 4 (cos 1 cos 3 1 cos 5 )
n
设短距比=y1/
则两个基波电势大小相等，相位差 180º。
N S
A X
该匝基波电势：
.
.
Et1
.
EA
.
EX
2EA
sin
2
j4.44f
.
1
sin
j4.44f
.
1 ky1
2
+j EA
.
Ky1=sin /2:基波短距系数
EX
.
.
短距Ny匝线圈基波电势： Ey1 j4.44fNy 1 ky1
.
.
.
.
该匝谐波电势： Et j4.44f
.
EA
.
.
EA EX
.
EX
上下
2、整距线圈电势
设线圈由Ny匝组成，则线 圈电势为一匝电势的Ny倍。
.
.
.
基波电势：Ey1 Ny Et1 j4.44fNy 1
.
.
谐波电势：Ey j4.44fNy
Ny AX
上下
3、短距匝电势 线圈的两个导体边相距y1< 。
2R sin q 2
2
Ey1
sin q 2
sin
R
sin q
2
Eq1
qEy1
q
2 sin
qEy1 • kq1
2
sin q
kq1
2 q sin
叫基波分布系数
2
同在一个槽中总电势
上下
Eq1 qEy1 • kq1 4.44fqNy1ky1kq1 4.44fqNy1kw1
sin q
谐波分布系数 kq
N
n1
T
n
S
e2 有功i2
fem
原理视频
第二节 三相交流电机的定子绕组
异步电动机的工作磁场（主磁场）是一种旋转 磁场，是依靠定子绕组中通以交流电流来建立的。 因此，定子上的三相绕组必须保证当它通以三相交 流电流后，其所建立的旋转磁场具有一定的极数、 一定的大小，并且在空间的分布波形接近正弦波形， 而且由该旋转磁场在绕组本身中所感应的电动势也 是对称的。这种旋转磁场由旋转磁动势来建立，那 么对磁场的要求，也就是对磁动势的要求。
q sin
2
2
四、消弱谐波电势不良影响的方法
基波绕组系数
（1）使气隙磁场沿电枢表面的分布尽量接近正弦波。
（2）利用三相对称绕组的连接来消除线电动势中的三 次及其倍数次奇次谐波。
（3）采用短距绕组来消弱高次谐波电动势。
上下
每相绕组根据极相组串联或并联关系，可 计算出总等效匝数为N，则相电势为：
E1 4.44fN1kw1 极对数
2
3
5
3.单相绕组基波脉振磁动势
设AX中通入交流电为： i 2I cos1t
则每极磁势表达式为：
f (，t)
2N y I 4 (cos 1 cos3 1 cos5 ) cost
2
3
5
上下
3.谐波分析
f (，t)
2N y I 4 (cos 1 cos 3 1 cos 5 ) cost
Em f E 2.22 f
3、导体感应电势与磁通的相量关系
+A+j
E1 j2.22 f 1
.
1
.
E1
上下
二、线圈电势和短距系数
1、整距匝电势
一匝线圈由两个导体边，相距。
设电势出为正，两个基波电势
的大小相等，相位差180º。
.
..
.
该匝基波电势： Et1 EA EX j4.44f 1
A1
X1 总槽数Z
每极每相槽数q= 2pm
P：极对数；m：相数。
上下
线圈节距Y1:一个线圈的两个有效边之间的距离。
y1 Z 2p
槽距角
p
360 Z
总电角度 总槽数
上下
绕组编绕方法有：同心式和叠绕
A
X
同心式
AX 叠绕
单匝
上下
二、 三 相 单 层 交 流 绕 组
一交流机：Z=24，P=2，m=3，画出单层同
磁
势
o0 e
t 0o
A
X
t 60o
t 90o t 120o
F=Ni
i
90120 180 0 60
t 180o
t
上下
整距线圈所产生的磁动势在空间分布波形是 一个矩形波,其周期是两个极距,其幅值等于 磁回路所包围全电流的一半（iNy/2）。
f
(
)
1
2
Nyi( 2
1 2
N
y
i(
2
)
2
3
异步电机特点：结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉， 但它是感性负载，使电网功率因数变坏，调速性能差。
同步电机
异步电机
两种型式的交流电机在涉及的理论、 基本结构原理方面具有下面三个共同部分：
◆交流绕组的基本结构 ◆交流绕组中感应的电动势 ◆交流绕组产生的磁动势
第一节 交 流 电 机
一、 同步发电机工作原理 定子绕组如图排列；转子磁极在外力作用下
线圈组由q个槽中线圈串联而成。
设q=3，三个线圈基波电势分别为：
.
.
.
Ey1, Ey2, Ey3, 大小相等, 相位差一个槽距角.
.
Ey1
线圈组电势应是q个线圈电势的相量和
.
Ey 2
。
.
.
.
.
Eq1 Ey1 Ey 2 Ey 3
.
Ey 3
相量合成时有一个外接圆。
A1
R X1 上 下
R
Ey1
Eq1
2 sin /
1,3,5
L：导体A的有效长度； v：导体A相对于磁场的运动速度。
B 是旋转的，旋转的角频率 为，则导体A相对磁密的空间电
b
角度= t。
eA B sin t lv
A
1, 3,5
上下
1、导体中基波电势
b B 1
eA1 l v B1 sin t E1m sin t B P
导体中基波幅值 E1m B1lv
心式绕组展开图。
1、画出结构图，标出槽号 C2
21
2、标出AZBXCY的位置
q Z 24 2
22
Y2 23 24
X2 2019 181B72
16 Z2 15
2pm 2 2 3
A1
1 2
14 13
A2
3
12
Z1 4
11 Y1
5 B1
6
78 X1
10 9 C1
上下
3、画出绕组展开图
每相绕组由两个 线圈组组成。如: A1X1，A2X2；组成
实际上是由单相绕组磁动势合成的。因此，分析旋 转磁动势之前，需先分析单相绕组流过交流电流时 所产生的磁动势。
一、单相绕组的脉振磁动势
1.整距集中绕组的磁动势
集中绕组AX通入电流i i Im cost
i
当时间t确定，F=Ni，
在空间应为方波。
A
X0
t
fy
F=Ni
上下
单
o
相
整
距
集
o
中
绕
组
o
的
脉
振
oo
旋转，定子绕组切割气隙磁场，产生电势。
Y
C
N
An
X
S
Z
B
上下
电势频率 f n p 或 n 60 f
60
p
n转子每分钟的转速，p极对数
fN=50Hz p=1,n=3000rpm; p=2,n=1500rpm;
p=3,n=1000rpm;
N1
n
A
S1
S2
N2
上下
同步发电机定子结构
上下
二、异步电动机的工作原理
.
EAX
.
ECZ
.
EBY
电角度=机械角度p
上下
第三节 交 流 定子绕 组 的 电 动 势 气隙磁场分布
B
A
增加
气隙磁场可分解为正弦波
B ( ) B 1sin B 3 sin 3 ... B sin
1,3,5
上下
一、导体电势
导体A中电势为：
eA Blv
B sin lv