电机与电力拖动第6章(交流电机的共同理论).ppt

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1、 交流电机基础交流电机基础第第 六六 章章2021/9/211交流电机的共同理论交流电机的共同理论 绕组、电势和磁势绕组、电势和磁势交交 流流 电电 机机 绕绕 组组 构构 成成 原原 则则三三 相相 单单 层层 绕绕 组组*三三 相相 双双 层层 绕绕 组组交交 流流 电电 机机 绕绕 组组 磁磁 势势 交交 流流 电电 机机 绕绕 组组 电电 势势 2021/9/212交流电机的共同理论交流电机的共同理论 绕组、电势和磁势绕组、电势和磁势本章要求：掌握交流电机三相绕组掌握交流电机三相绕组构成原则构成原则。能够绘制三相单层同心式分布绕组展开图。能够绘制三相单层同心式分布绕组展开图。掌握基波磁

2、场下集中、分布绕组线圈组掌握基波磁场下集中、分布绕组线圈组电势计算电势计算。熟悉基波磁场下双层、短距分布绕组熟悉基波磁场下双层、短距分布绕组相电势计算相电势计算。2021/9/213掌握单相绕组产生掌握单相绕组产生脉振磁势脉振磁势及其主要结论。及其主要结论。熟熟练练掌掌握握单单相相绕绕组组产产生生脉脉振振磁磁势势基基波波可可以以分分解解为为两两个转向相反的旋转磁势。个转向相反的旋转磁势。掌掌握握三三相相绕绕组组产产生生旋旋转转磁磁势势的的条条件件、性性质质及及其其主主要要结论。结论。熟练掌握三相对称绕组产生熟练掌握三相对称绕组产生圆形旋转磁势基波的大圆形旋转磁势基波的大小、转向、速度小、转向、

3、速度。2021/9/214交流电机交流电机 同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机同步电机同步电机异步发电机异步发电机(性能较差）性能较差）异步电动机异步电动机异步电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，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。但它是感性负载，使电网功率因数变坏，调速性能差。2021/9/215 两种型式的交流电机在涉及的理论、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：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的基本结构交流

4、绕组中感应的电动势交流绕组中感应的电动势交流绕组产生的磁动势交流绕组产生的磁动势 2021/9/216一、一、同步发电机工作原理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。旋转，定子绕组切割气隙磁场，产生电势。上上 下下第一节第一节 交交 流流 电电 机机ZCBYXANSn2021/9/217电势频率电势频率fN=50Hzn转子每分钟的转速，转子每分钟的转速，p极对数极对数p=1,n=3000rpm;p=2,n=1500rpm;p=3,n=1000rpm;AnN1S1N2S2上上 下下或或2021/9/2

5、18同步发电机定子结构同步发电机定子结构上上 下下2021/9/219二、异步电动机的工作原理二、异步电动机的工作原理n有功有功i2SNn1e2femT原理视频原理视频2021/9/2110 第二节第二节 三相交流电机的定子绕组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。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、流电流后，其所建立的旋转磁场具有一定的极数、一定

6、的大小，并且在空间的分布波形接近正弦波形，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。么对磁场的要求，也就是对磁动势的要求。2021/9/2111 交流电机包含异步机和同步机。其定子结构相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、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。电势、磁势都相同。一、交流绕组构成原则一、交流绕组

7、构成原则 1、每相绕组产生的相电势应为正弦，且数值尽可、每相绕组产生的相电势应为正弦，且数值尽可能大。能大。2、各相绕组的电势、电阻和电抗在数值上尽可能相、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，即在时间上互差等，感应电势在相位上也要对称，即在时间上互差120电角度。电角度。上上 下下 3、端接线尽可能短，节约铜线，减小损耗。、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、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。于保证质量和节约制造工时。2021/9/2112二、绕组基本知识二、绕组基本知识极距极距是指每一磁极所占定子内

8、圆周的距离，即有 节距节距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：2021/9/2113相带相带：是指一相绕组在一个磁极下连：是指一相绕组在一个磁极下连续所占的范围。续所占的范围。机械角机械角：电机圆周空间角度为：电机圆周空间角度为360或或为为2弧度，称这种角度为机械角。对弧度，称这种角度为机械角。对于一对磁极由于一对磁极由NSN变化一周相当变化一周相当于于360电角度或为电角度或为2电弧度。当电机电弧度。当电机有有p对磁极时，电角度对磁极时，电角度=p机械角。机械角。分析分析：每一磁极占：每一磁极占180

9、电角度，三相电角度，三相绕组的每相绕组在一个极下只占三分绕组的每相绕组在一个极下只占三分之一，即之一，即60相带。相带。2021/9/2114P=2时，绕组的排列时，绕组的排列A1 每对磁极下每对磁极下，都应，都应有一个有一个ABC三相绕组，三相绕组，其排列顺序在一对磁极其排列顺序在一对磁极下应对称。下应对称。B1Z1X1C1Y1A2Z2B2X2C2Y2结论：结论：三相绕组排列顺序为：三相绕组排列顺序为：每对磁极下，每对磁极下，六个绕组边六个绕组边在空间沿转子转向排列顺序为：在空间沿转子转向排列顺序为：A、Z、B、X、C、Y；且互差；且互差60电角度电角度。上上 下下电角度电角度=机械角度机械

10、角度 p2021/9/2115A1X1 每相绕组不可能每相绕组不可能放在一个槽中，应均放在一个槽中，应均匀放在相邻的几个槽匀放在相邻的几个槽中，串联在一起。中，串联在一起。每极每相槽数每极每相槽数q=总槽数总槽数Z2pmP：极对数；：极对数；m：相数。：相数。上上 下下2021/9/2116 线圈节距线圈节距Y1:一个线圈的两个有效边之间的距离。一个线圈的两个有效边之间的距离。上上 下下2021/9/2117绕组编绕方法有：同心式和叠绕绕组编绕方法有：同心式和叠绕AX同心式同心式AX叠绕叠绕上上 下下单匝单匝2021/9/2118二、二、三三 相相 单单 层层 交交 流流 绕绕 组组 一交流机

11、：一交流机：Z=24，P=2，m=3，画出单层同，画出单层同心式绕组展开图。心式绕组展开图。1、画出结构图，标出槽号、画出结构图，标出槽号A1B1Z1X1C1Y1A2Z2B2X2C2Y21234567891011121314151617181920212223242、标出、标出AZBXCY的位置的位置上上 下下2021/9/2119 每相绕组由两个每相绕组由两个线圈组组成。如线圈组组成。如:A1X1，A2X2；组成；组成A相。其中相。其中A1X1，A2X2感应的电势相感应的电势相同。同。每个线圈组由两个线每个线圈组由两个线圈组成，圈组成，1，2；7，8；组；组成成A1X1线圈组。线圈组。上上

12、下下3、画出绕组展开图、画出绕组展开图13，14；19，20；组成；组成A2X2线圈组。线圈组。A1B1Z1X1C1Y1A2Z2B2X2C2Y21234567891011121314151617181920212223242021/9/2120A1B1Z1X1C1Y1A2Z21234567891011121314151617181920212223241 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20A1X1A2X2AX绕组展开图绕组展开图上上 下下2021/9/2121 当定子每相绕组当定子每相绕组AX、BY、CZ匝数相同，匝数相同，六个绕组

13、端在空间沿转子转向排列顺序为：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；且互差60电角度时，三相电角度时，三相电势为对称电势。电势为对称电势。电角度电角度=机械角度机械角度 p上上 下下2021/9/2122第三节第三节 交交 流流 定子绕定子绕 组组 的的 电电 动动 势势气隙磁场分布气隙磁场分布 增加增加B A气隙磁场可分解为正弦波气隙磁场可分解为正弦波上上 下下2021/9/2123一、导体电势一、导体电势b A导体导体A中电势为：中电势为：L：导体：导体A的有效长度；的有效长度；v：导体：导体A相对于磁场的运动速度。相对于磁场的运动速度。B 是旋转的，旋转的

14、角频率是旋转的，旋转的角频率为为，则，则导体导体A相对磁密的空间电相对磁密的空间电角度角度=t。上上 下下2021/9/21241、导体中基波电势、导体中基波电势导体中基波幅值导体中基波幅值b AB 1 B P将正弦基波磁场等效为矩形波：将正弦基波磁场等效为矩形波：每极基波磁通平均值：每极基波磁通平均值：导体中基波有效值导体中基波有效值上上 下下2021/9/21252、导体中谐波电势、导体中谐波电势上上 下下3、导体感应电势与磁通的相量关系、导体感应电势与磁通的相量关系+A+j 2021/9/2126二、线圈电势和短距系数二、线圈电势和短距系数1、整距匝电势、整距匝电势该匝基波电势：该匝基波

15、电势：一匝线圈由两个导体边，相距一匝线圈由两个导体边，相距。设电势出为正，两个基波电势设电势出为正，两个基波电势的大小相等，相位差的大小相等，相位差180。该匝谐波电势：该匝谐波电势：上上 下下2021/9/21272、整距线圈电势、整距线圈电势AXNy 设线圈由设线圈由Ny匝组成，则线匝组成，则线圈电势为一匝电势的圈电势为一匝电势的Ny倍。倍。基波电势：基波电势：谐波电势：谐波电势：上上 下下2021/9/21283、短距匝电势、短距匝电势线圈的两个导体边相距线圈的两个导体边相距y1 。设短距比设短距比=y1/则两个基波电势大小相等，相位差则两个基波电势大小相等，相位差 180。+j该匝基波

16、电势：该匝基波电势：Ky1=sin/2:基波短距系基波短距系数数短距短距Ny匝线圈基波电势：匝线圈基波电势：谐波电势：谐波电势：nXASN上上 下下2021/9/2129谐波短距系数：谐波短距系数：结论：结论：为了消除第为了消除第 次谐波电势，使次谐波电势，使线圈节距线圈节距缩短缩短 次谐波次谐波的一个极距，即的一个极距，即y1=(1-1/)。如：要消除第如：要消除第3次谐波电势，则次谐波电势，则y1=(1-1/3)=(2/3)上上 下下2021/9/2130三、线圈组（极相组）电势和分布系数：三、线圈组（极相组）电势和分布系数：线圈组由线圈组由q个槽中线圈串联而成。个槽中线圈串联而成。设设q

17、=3，三个线圈基波电势分别为：，三个线圈基波电势分别为：R线圈组电势应是线圈组电势应是q个线圈电势的相量和。个线圈电势的相量和。A1X1相量合成时有一个外接圆。相量合成时有一个外接圆。上上 下下2021/9/2131R 同在一个槽中总电势同在一个槽中总电势上上 下下2021/9/2132基波绕组系数基波绕组系数上上 下下四、消弱谐波电势不良影响的方法四、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。）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）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。次及其倍数次

18、奇次谐波。（3）采用短距绕组来消弱高次谐波电动势。）采用短距绕组来消弱高次谐波电动势。2021/9/2133 每相绕组根据极相组串联或并联关系，可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计算出总等效匝数为N，则相电势为：，则相电势为：单层绕组：单层绕组：极对数极对数并联支路数并联支路数双层绕组：双层绕组：上上 下下2021/9/2134第四节第四节 脉振磁动势与旋转磁动势脉振磁动势与旋转磁动势磁场由磁动势产生，磁场大小、性质由磁场由磁动势产生，磁场大小、性质由F决定。决定。当交流绕组中有电流通过时，其会产生磁动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。势，在空间

19、，形成磁场。上上 下下异步电动机工作时三相对称绕组流过三相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。对称电流产生旋转磁场。2021/9/2135 旋转磁场由旋转磁动势决定，这个旋转磁动势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。所产生的磁动势。一、单相绕组的脉振磁动势一、单相绕组的脉振磁动势集中绕组集中绕组AX通入电流通入电流i 当时间当时间t确定，确定，F=Ni，在空间应为在空间应为方波方

20、波。it0AXfyF=Ni上上 下下1.整距集中绕组的磁动势整距集中绕组的磁动势2021/9/2136oo o单单 相相整整距距集集中中绕绕组组的的脉脉振振磁磁势势ooe0oiAXF=Nit06090120180上上 下下2021/9/2137整距线圈所产生的磁动势在空间分布波形是整距线圈所产生的磁动势在空间分布波形是一个矩形波一个矩形波,其周期是两个极距其周期是两个极距,其幅值等于其幅值等于磁回路所包围全电流的一半（磁回路所包围全电流的一半（iNy/2）。）。上上 下下2021/9/2138转子转子定子定子2.2.用傅里叶级数分解矩形波磁动势用傅里叶级数分解矩形波磁动势 3次谐波5次谐波上上

21、 下下2021/9/2139结论结论:1.基波磁动势的幅值为基波磁动势的幅值为4/f4/fk k，是矩形波磁动势的，是矩形波磁动势的4/4/倍；倍；谐波磁动势幅值为基波幅值的谐波磁动势幅值为基波幅值的1/1/倍；倍；2.2.基波磁动势波长与原矩形波长一样，磁极对数亦相基波磁动势波长与原矩形波长一样，磁极对数亦相同；同；谐波的波长为基波的谐波的波长为基波的1/1/，极对数为基波的，极对数为基波的倍。倍。上上 下下2021/9/2140磁动势的空间谐波磁动势的空间谐波 3.单相绕组基波脉振磁动势单相绕组基波脉振磁动势设设AX中通入交流电为：中通入交流电为：则每极磁势表达式为：则每极磁势表达式为：上

22、上 下下2021/9/21413.谐波分析谐波分析 对周期性变化的矩形波分布的磁势，用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：傅氏级数进行谐波分析，可分解成为：式中式中v=1，3，5为谐波系数，系数为谐波系数，系数Cv为为上上 下下2021/9/2142基波磁势为：基波磁势为：为基波磁势最大幅值。为基波磁势最大幅值。三次谐波磁势为：三次谐波磁势为：三次谐波磁势最大幅值。三次谐波磁势最大幅值。上上 下下2021/9/2143五次谐波和高次谐波五次谐波和高次谐波n五次谐波磁势为：五次谐波磁势为：n 五次谐波磁势最大幅值五次谐波磁势最大幅值。n还有七次、九次、十一次等高次

23、谐波磁势。还有七次、九次、十一次等高次谐波磁势。上上 下下2021/9/2144 fyfy1fy3oxfy5/3/5 矩形磁势曲线分解为一系列谐波矩形磁势曲线分解为一系列谐波it0AX上上 下下2021/9/2145 谐波次数越高，其幅值就越小。谐波次数越高，其幅值就越小。为了改善波形，除基波以外，考为了改善波形，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三相对称绕组时就已相互抵消(参看邱参看邱关源电路关源电路P330,13-5)，而五、七次谐，而五、七次谐波可通

24、过波可通过短距和分布绕组短距和分布绕组来基本消除。来基本消除。因此当连成三相绕组后，只考虑基波因此当连成三相绕组后，只考虑基波磁势就可以了。磁势就可以了。分析分析：上上 下下2021/9/2146脉振磁动势的分解推导：脉振磁动势的分解推导：根据三角函数的和差与积的关系：根据三角函数的和差与积的关系：上上 下下2021/9/2147结论结论：一个脉振磁势可以分解为两一个脉振磁势可以分解为两个幅值相等，转速相同，转向相个幅值相等，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。是原脉振磁势最大幅值的一半。上上 下下2021/9/2148x0 单相

25、脉振基波磁势的时空关系图单相脉振基波磁势的时空关系图Fym1x0Fym1/2x0-Fym1x0fa1fa1fa1fa1fa1fa1=Fm1fa1fa1fa1fa1fa1vv 正转及反转的旋转磁势正转及反转的旋转磁势上上 下下脉振磁势动画脉振磁势动画2021/9/2149结论：结论：1、单相绕组的磁动势是一种在空间位置固定、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幅值随时间变化的脉振磁动势磁动势；幅值位置始终在绕；幅值位置始终在绕组的轴线处。组的轴线处。FAXXAFA1+-2、F1可分解为两个可分解为两个转向相反的旋转波，幅值转向相反的旋转波，幅值为为F1一半。一半。上上 下下

26、it0AX3、基波磁动势的幅值最大，、基波磁动势的幅值最大，谐波次数愈高，幅值愈小。谐波次数愈高，幅值愈小。2021/9/21502、线圈组（极相组）磁动势和分布系数：、线圈组（极相组）磁动势和分布系数：线圈组由线圈组由q个槽中线圈串联而成。个槽中线圈串联而成。设设q=3，三个线圈基波磁动势分别为：，三个线圈基波磁动势分别为：R线圈组磁动势应是线圈组磁动势应是q个线圈电势的相量和。个线圈电势的相量和。A1X1相量合成时有一个外接圆。相量合成时有一个外接圆。上上 下下2021/9/2151R 同在一个槽中总磁动势同在一个槽中总磁动势上上 下下2021/9/2152二、三相绕组的基波磁势二、三相绕

27、组的基波磁势ZCBYXAiA=Imcos t,iB=Imcos(t-120),iC=Imcos(t-240)三个脉振磁势三个脉振磁势FA、FB、FC相在空间合成。相在空间合成。FAFBFC上上 下下t0120240iiAiBiC2021/9/21531)t=0时，时，iA=Imcos t=Im,FA=FmiB=Imcos(t-120)=-1/2Im,FB=-1/2FmiC=Imcos(t-240)=-1/2Im,FC=-1/2FmZCBYXA+FC+FBZCBYXA+FAt0120240iiAiBiC下下上上2021/9/21542)t=120时，时，iA=Imcos t=-1/2Im,FA=

28、-1/2FmiB=Imcos(t-120)=Im,FB=FmiC=Imcos(t-240)=-1/2Im,FC=-1/2Fm+FC+FBZCBYXAZCBYXA+FAt0120240iiAiBiC下下上上2021/9/21553)t=240时，时，iA=Imcos t=-1/2Im,FA=-1/2FmiB=Imcos(t-120)=-1/2Im,FB=-1/2FmiC=Imcos(t-240)=Im,FC=FmXCAY+FC+FBZBZCBYXA+FA4）t=360时，回到时，回到 t=0时状态。时状态。t0120240iiAiBiC下下上上2021/9/2156三相基波合成磁动势三相基波合成

29、磁动势其中：其中：这是一个振幅为单相基波磁势振幅的这是一个振幅为单相基波磁势振幅的3/2倍，倍，在空间按正弦规律分布且随时间向在空间按正弦规律分布且随时间向+x方向方向前进的旋转磁势波。前进的旋转磁势波。2021/9/2157结论：结论：1、三相对称绕组通入对称交流电流，在空间产生基波、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磁势合成F1是旋转磁势，振幅为单相脉振磁势的是旋转磁势，振幅为单相脉振磁势的3/2倍。倍。2、F1的旋转方向与通电相序一致：顺序转向为：的旋转方向与通电相序一致：顺序转向为：ABC3、F1的转速：的转速：电流频率电流频率极对数极对数上上 下下4、三相电流哪相电

30、流最大时，合成基波磁势的振幅、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。也恰好位于该相绕组的轴线处。2021/9/2158三、产生圆形磁势的条件三、产生圆形磁势的条件 端点轨迹为圆的空间磁势。端点轨迹为圆的空间磁势。产生圆形磁势的条件：产生圆形磁势的条件：1、对称绕组通入对称交流电流，、对称绕组通入对称交流电流，产生旋转圆形磁势；旋转方向与通产生旋转圆形磁势；旋转方向与通电相序一致。电相序一致。常见：三相对称绕组通入三相对称电流常见：三相对称绕组通入三相对称电流（互差（互差120）；或两相对称绕组通入两相对称）；或两相对称绕组通入两相对称电流（互差电流（互差90），产生旋转圆形磁势。），产生旋转圆形磁势。上上 下下2021/9/2159 2、对称绕组通入有相位差的、对称绕组通入有相位差的非对称交流电非对称交流电流流；或；或非对称绕组非对称绕组通入对称交流电流，产生通入对称交流电流，产生椭椭圆圆旋转磁势。旋转磁势。3、绕组通入、绕组通入无相位差的交流电流无相位差的交流电流产生脉振产生脉振磁势。磁势。ABCiAiBiC脉振磁势脉振磁势ABCiAiBiC圆形磁势圆形磁势上上 下下2021/9/2160AB电容电容iAiBu 旋转磁势，若电旋转磁势，若电流差流差90为圆形磁势。为圆形磁势。上上 下下2021/9/2161