Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电机及拖动基础,第,6,章 交流电机基础,交流电机基础,章,交流电机基础章,交流电机的共同理论,绕组、电势和磁势,交流电机的共同理论,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,。,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,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,。,掌握单相绕组产生脉振磁势及其主要结论。,交流电机,同步发电机,同步电动机,同步电机,异步发电机,(,性能较差）,异步电动机,异步电机,同步电机,异步电机,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。,交流电机 同步发电机同步电动机同步电机异,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,两种型式的交流电机在涉及的理论、交流绕,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旋转，定子绕组切割气隙磁场，产生电势。,上,下,第一节 交 流 电 机,Z,C,B,Y,X,A,N,S,n,一、 同步发电机工作原理 定子绕组如图排列；转,电势频率,f,N,=50Hz,n转子每分钟的转速，p极对数,p=1,n=3000rpm;,p=2,n=1500rpm;,p=3,n=1000rpm;,A,n,N,1,S,1,N,2,S,2,上,下,或,电势频率fN=50Hzn转子每分钟的转速，p极对数p=1,n,同步发电机定子结构,上,下,同步发电机定子结构上下,二、异步电动机的工作原理,n,有功,i,2,S,N,n,1,e,2,f,em,T,原理视频,二、异步电动机的工作原理n有功i2SNn1e2femT原理视,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。,第二节 三相交流电机的定子绕组,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,120,电角度。,上,下,3,、端接线尽可能短，节约铜线，减小损耗。,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。,交流电机包含异步机和同步机。其定子结构相同，都,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,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,=,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：,二、绕组基本知识,相带,：是指一相绕组在一个磁极下连续所占的范围。,机械角,：电机圆周空间角度为,360,或为,2,弧度，称这种角度为机械角。对于一对磁极由,NSN,变化一周相当于,360,电角度或为,2,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。,相带：是指一相绕组在一个磁极下连续所占的范围。,P=2时，绕组的排列,A,1,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。,B,1,Z,1,X,1,C,1,Y,1,A,2,Z,2,B,2,X,2,C,2,Y,2,结论：,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,60,电角度,。,上,下,电角度,=,机械角度,p,P=2时，绕组的排列A1 每对磁极下，都应有一,A,1,X,1,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。,每极每相槽数,q=,总槽数Z,2pm,P,：极对数；,m,：相数。,上,下,A1X1 每相绕组不可能放在一个槽中，应均匀放,线圈节距,Y,1,:,一个线圈的两个有效边之间的距离。,上,下,线圈节距Y1:一个线圈的两个有效边之间的距离,绕组编绕方法有：同心式和叠绕,A,X,同心式,A,X,叠绕,上,下,单匝,绕组编绕方法有：同心式和叠绕AX同心式AX叠绕上下单匝,二、 三 相 单 层 交 流 绕 组,一交流机：,Z=24,，,P=2,，,m=3,，画出单层同心式绕组展开图。,1,、画出结构图，标出槽号,A,1,B,1,Z,1,X,1,C,1,Y,1,A,2,Z,2,B,2,X,2,C,2,Y,2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,2,、标出,AZBXCY,的位置,上,下,二、 三 相 单 层 交 流 绕 组,每相绕组由两个线圈组组成。如,: A1X1,，,A2X2,；组成,A,相。其中,A1X1,，,A2X2,感应的电势相同。,每个线圈组由两个线圈组成，,1,，,2,；,7,，,8,；组成,A1X1,线圈组。,上,下,3,、画出绕组展开图,13,，,14,；,19,，,20,；组成,A2X2,线圈组。,A,1,B,1,Z,1,X,1,C,1,Y,1,A,2,Z,2,B,2,X,2,C,2,Y,2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,每相绕组由两个线圈组组成。如: A1X1，A,A,1,B,1,Z,1,X,1,C,1,Y,1,A,2,Z,2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,A1,X1,A2,X2,A,X,绕组展开图,上,下,A1B1Z1X1C1Y1A2Z212345678910111,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60电角度时，三相电势为对称电势。,电角度,=,机械角度,p,上,下,当定子每相绕组AX、BY、CZ匝数相同，六个,第三节 交 流 定子绕 组 的 电 动 势,气隙磁场分布,增加,B,A,气隙磁场可分解为正弦波,上,下,第三节 交 流 定子绕 组 的 电 动 势气隙磁场分布,一、导体电势,b,A,导体,A,中电势为：,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,相对磁密的空间电角度,= t。,上,下,一、导体电势b A导体A中电势为：L：导体A的有效长度；,1,、导体中基波电势,导体中基波幅值,b,A,B,1,B,P,将正弦基波磁场等效为矩形波：,每极基波磁通平均值：,导体中基波有效值,上,下,1、导体中基波电势导体中基波幅值b AB 1B P将,2,、导体中谐波电势,上,下,3,、导体感应电势与磁通的相量关系,+A+j,2、导体中谐波电势上下3、导体感应电势与磁通的相量关系+A+,二、线圈电势和短距系数,1,、整距匝电势,该匝基波电势：,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,180,。,该匝谐波电势：,上,下,二、线圈电势和短距系数1、整距匝电势该匝基波电势：一匝线圈由,2,、整距线圈电势,A,X,N,y,设线圈由,N,y,匝组成，则线圈电势为一匝电势的,N,y,倍。,基波电势：,谐波电势：,上,下,2、整距线圈电势AXNy 设线圈由Ny匝组成，,3,、短距匝电势,线圈的两个导体边相距,y,1, ,。,设短距比,=,y,1,/,则两个基波电势大小相等，相位差,180,。,+j,该匝基波电势：,K,y1,=sin,/2:,基波短距系数,短距,N,y,匝线圈基波电势：,谐波电势：,n,X,A,S,N,上,下,3、短距匝电势线圈的两个导体边相距y1 。设短距比=,谐波短距系数：,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,y,1,=(1-1/ ),。,如：要消除第,3,次谐波电势，则,y,1,=(1-1/3)=(2/3),上,下,谐波短距系数：结论：为了消除第次谐波电势，使线圈节距缩短,三、线圈组（极相组）电势和分布系数：,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：,R,线圈组电势应是q个线圈电势的相量和。,A,1,X,1,相量合成时有一个外接圆。,上,下,三、线圈组（极相组）电势和分布系数：线圈组由q个槽中线圈串联,R,同在一个槽中总电势,上,下,R同在一个槽中总电势上下,基波绕组系数,上,下,四、消弱谐波电势不良影响的方法,（,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。,基波绕组系数上下四、消弱谐波电势不良影响的方法（1）使气隙磁,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：,单层绕组：,极对数,并联支路数,双层绕组：,上,下,每相绕组根据极相组串联或并联关系，可计算出总,第四节 脉振磁动势与旋转磁动势,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,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。,第四节 脉振磁动势与旋转磁动势磁场由磁动势产生，磁场大,旋转磁场由旋转磁动势决定，这个旋转磁动势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,集中绕组,AX,通入电流,i,当时间,t,确定，,F=Ni,，在空间应为,方波,。,i,t,0,A,X,f,y,F=Ni,上,下,1.,整距集中绕组的磁动势,旋转磁场由旋转磁动势决定，这个旋转磁动势实际,o,o,o,单 相整距集中绕组的脉振磁势,o,o,e,0,o,i,A,X,F=Ni,t,0,60,90,120,180,上,下,ooo单 相整距集中绕组的脉振磁势ooe0oiAXF=N,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（,iN,y,/2,）。,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,转子,定子,2.,用傅里叶级数分解矩形波磁动势,3,次谐波,5,次谐波,上,下,转子定子2. 用傅里叶级数分解矩形波磁动势 3次谐波5次谐波,结论,:,1,.,基波磁动势的幅值为,4/f,k,，是矩形波磁动势的,4/,倍；,谐波磁动势幅值为基波幅值的,1/,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/,，极对数为基波的,倍。,上,下,结论: 上下,磁动势的空间谐波,3.,单相绕组基波脉振磁动势,设,AX,中通入交流电为：,则每极磁势表达式为：,上,下,磁动势的空间谐波 上下,3.,谐波分析,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：,式中,v,=1,，,3,，,5,为谐波系数，系数,C,v,为,上,下,3.谐波分析 对周期性变化的矩形波分布的磁势，,基波磁势为：,为基波磁势最大幅值。,三次谐波磁势为：,三次谐波磁势最大幅值。,上,下,基波磁势为：为基波磁势最大幅值。三次谐波磁势为：三次谐波磁势,五次谐波和高次谐波,五次谐波磁势为：,五次谐波磁势最大幅值,。,还有七次、九次、十一次等高次谐波磁势。,上,下,五次谐波和高次谐波五次谐波磁势为：上下,f,y,f,y1,f,y3,o,x,f,y5,/3,/5,矩形磁势曲线分解为一系列谐波,i,t,0,A,X,上,下,fyfy1fy3oxfy5/3/5 矩形磁势曲线分解为,谐波次数越高，其幅值就越小。,为了改善波形，除基波以外，考,虑消除三、五、七次谐波，由于三次,谐波及三的倍数次谐波在绕组连接成,三相对称绕组时就已相互抵消,(,参看邱关源电路,P330,13-5),，而五、七次谐波可通过,短距和分布绕组,来基本消除。因此当连成三相绕组后，只考虑基波磁势就可以了。,分析,：,上,下,谐波次数越高，其幅值就越小。分析：上下,脉振磁动势的分解推导：,根据三角函数的和差与积的关系：,上,下,脉振磁动势的分解推导： 根据三角函数的和差与积的关系,结论,：,一个脉振磁势可以分解为两个幅值相等，转速相同，转向相反的两个旋转磁势，它们的幅值是原脉振磁势最大幅值的一半。,上,下,结论： 一个脉振磁势可以分解为两个幅值相等，转,x,0,单相脉振基波磁势的时空关系图,F,ym1,x,0,F,ym1,/2,x,0,-F,ym1,x,0,f,a1,f,a1,f,a1,f,a1,f,a1,f,a1,= F,m1,f,a1,f,a1,f,a1,f,a1,f,a1,v,v,正转及反转的旋转磁势,上,下,脉振磁势动画,x0 单相脉振基波磁势的时空关系图Fym1x0Fym1/2,结论：,1,、单相绕组的磁动势是一种在空间位置固定、幅值随时间变化的脉振,磁动势,；幅值位置始终在绕组的轴线处。,F,A,X,X,A,F,A1,+,-,2,、,F,1,可分解为两个转向相反的旋转波，幅值为,F,1,一半。,上,下,i,t,0,A,X,3,、基波磁动势的幅值最大，谐波次数愈高，幅值愈小。,结论： 1、单相绕组的磁动势是一种在空间位置固,2,、线圈组（极相组）磁动势和分布系数：,线圈组由q个槽中线圈串联而成。,设q=3，三个线圈基波磁动势分别为：,R,线圈组磁动势应是q个线圈电势的相量和。,A,1,X,1,相量合成时有一个外接圆。,上,下,2、线圈组（极相组）磁动势和分布系数：线圈组由q个槽中线圈串,R,同在一个槽中总磁动势,上,下,R同在一个槽中总磁动势上下,二、三相绕组的基波磁势,Z,C,B,Y,X,A,i,A,= I,m,cost ,i,B,= I,m,cos(t-120) ,i,C,= I,m,cos (t-240),三个脉振磁势,F,A,、,F,B,、,F,C,相在空间合成。,F,A,F,B,F,C,上,下,t,0,120,240,i,i,A,i,B,i,C,二、三相绕组的基波磁势ZCBYXAiA= Imcost ,1),t=0时，,i,A,= I,m,cost =I,m, F,A,=F,m,i,B,= I,m,cos(t-120) = -1/2I,m, F,B,= -1/2F,m,i,C,= I,m,cos (t-240) = -1/2I,m, F,C,= -1/2F,m,Z,C,B,Y,X,A,+F,C,+F,B,Z,C,B,Y,X,A,+F,A,t,0,120,240,i,i,A,i,B,i,C,下,上,1)t=0时，ZCBYXA+FC+FBZCBYXA+FAt,2),t=120时，,i,A,= I,m,cost = -1/2I,m, F,A,= -1/2F,m,i,B,= I,m,cos(t-120) =I,m, F,B,=F,m,i,C,= I,m,cos (t-240) = -1/2I,m, F,C,= -1/2F,m,+F,C,+F,B,Z,C,B,Y,X,A,Z,C,B,Y,X,A,+F,A,t,0,120,240,i,i,A,i,B,i,C,下,上,2)t=120时，+FC+FBZCBYXAZCBYXA+,3),t=240时，,i,A,= I,m,cost = -1/2I,m, F,A,= -1/2F,m,i,B,= I,m,cos(t-120) = -1/2I,m, F,B,= -1/2F,m,i,C,= I,m,cos (t-240) = I,m, F,C,= F,m,X,C,A,Y,+F,C,+F,B,Z,B,Z,C,B,Y,X,A,+F,A,4,）,t=360时，回到t=0时状态。,t,0,120,240,i,i,A,i,B,i,C,下,上,3)t=240时，XCAY+FC+FBZBZCBYXA+,三相基波合成磁动势,其中：,这是一个振幅为单相基波磁势振幅的,3/2,倍，在空间按正弦规律分布且随时间向,+x,方向前进的旋转磁势波。,三相基波合成磁动势其中：这是一个振幅为单相基波磁势振幅的3/,结论：,1,、三相对称绕组通入对称交流电流，在空间产生基波磁势合成,F,1,是旋转磁势，振幅为单相脉振磁势的,3/2,倍。,2,、,F,1,的旋转方向与通电相序一致：顺序转向为：,A,B,C,3,、,F,1,的转速：,电流频率,极对数,上,下,4,、三相电流哪相电流最大时，合成基波磁势的振幅也恰好位于该相绕组的轴线处。,结论：1、三相对称绕组通入对称交流电流，在空间产生基波磁势合,三、产生圆形磁势的条件,端点轨迹为圆的空间磁势。,产生圆形磁势的条件：,1,、对称绕组通入对称交流电流，产生旋转圆形磁势；旋转方向与通电相序一致。,常见：三相对称绕组通入三相对称电流（互差,120,）；或两相对称绕组通入两相对称电流（互差,90,），产生旋转圆形磁势。,上,下,三、产生圆形磁势的条件端点轨迹为圆的空间磁势。产生圆形磁势,2,、对称绕组通入有相位差的,非对称交流电流,；或,非对称绕组,通入对称交流电流，产生,椭圆,旋转磁势。,3,、绕组通入,无相位差的交流电流,产生脉振磁势。,A,B,C,i,A,i,B,i,C,脉振磁势,A,B,C,i,A,i,B,i,C,圆形磁势,上,下,2、对称绕组通入有相位差的非对称交流电流；或,A,B,电容,i,A,i,B,u,旋转磁势，若电流差,90,为圆形磁势。,上,下,AB电容iAiBu 旋转磁势，若电流差90,