1、交流电机的主要型式 交流电机的绕组 交流绕组的电势 交流绕组中的谐波电势 交流电机电枢绕组的磁势,第四章 交流电机基础,4.1 交流电机的主要型式,同步电机,异步电机,同步是指转子的转速 n 与电网频率 f 之间保持着一个严格的 比例关系，即,同步电动机,同步发电机,异步发电机,异步电动机,交流电机,电站的主要设备,可以改善电网的功率因数,广泛应用在各行各业,极少使用,同步电机的转子转速,异步电机的转子转速,将 称为同步转速，常用 n1 表示。,.,三相笼形异步电机,三相绕线式异步电机,4.2 交流电机的定子绕组,4.2.1交流绕组的一些基本知识与基本量 1、定子绕组的构成要求 （1）通入三相
2、电流，能产生所需磁极数的旋转磁场。 （2）所产生的磁场在定子圆周上分布尽量接近正弦波，以保 证旋转磁场切割定、转子导体产生的电势为正弦波。 2、定子绕组分类 按相数分：单相、两相和三相绕组。 按槽内线圈数分：单层、双层和单双层混合绕组。双层有叠绕组和波绕组。 按每极每相槽数分：整数槽、分数槽绕组。,异步电动机定子,异步电动机定子2,3.交流绕组的一些基本量 (1)电角度与机械角度 电机圆周在几何上分成 360，这个角度称为机械角度 若电机磁场在空间按正弦规律分布 当有导体经过 N、S 一对磁极时 导体中所感应（正弦）电动势的变化为一个周期，即经过 360 电角度 这样，电机若有 p 对磁极 电
3、机圆周按电角度计算就为p*360，而机械角度仍为 360 故： 电角度 = p * 机械角度,(2)线圈 线圈由一匝或多匝串联而成，两个引出线分别叫首端和末端 (3)节距 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用 y1 表示 一般用槽数计 (4)极距线圈可分为： 整距绕组: y1 = t 短距绕组: y1 t,(5)槽距角a 相邻槽之间的电角度叫槽距角 a 如Z1为定子槽数,单匝绕组,多匝绕组,y1,(6)每极每相槽数 q 每一个极下每相绕组所占的槽数,用符号 q 表示m1 定子相数,(7)相带 三相绕组在槽内安放的次序为U1-W2-V1-U2-W1-V2-U1，彼此相差,，称为 相带
4、,1,U1,V1,W1,U2,V2,W2,4.2.2三相单层绕组,一个槽内只有一个元件边，一个元件占用两个槽。即全部 绕组的线圈数只有总槽数的一半。,1. 三相单层分布绕组,即每极每相占两个槽。,这就是分布绕组。,绕组连接方式,串联,并联,(1)计算极距,如z1=24、2p=4、m1=3,（2)划分相带,（3）组成线圈组 U相的线圈组应由线圈边 1、7，2、8、13、19 和 14、20 分别组成的四个线圈 ，每极每相由两个线圈组成一个线圈组， 首尾串联而构成 ，共有两个线圈组。,（4）组成一相绕组 每相绕组由两个线圈组串联或并联组成,2. 单层绕组的其它连接方式, 链式绕组,连接时要求头与头
5、相连，尾与尾相连。构成一相绕组。,单层绕组实质上是整距绕组。,y1=5, 交叉式绕组,它组成两种不同的节距，并串联成一相绕组。, 同心式绕组,连接时也是头与尾相连。,y1大=7 y1小=5,4.2.3三相双层绕组,在交流绕组中，为了抑制谐波电势， 不采用整距绕组，而采用短距绕组。,双层绕组每个槽内有上下两个线圈边 整个绕组的线圈数等于槽数 这种线圈形式便于绕制，端接部分形状排列整齐， 有利于散热和增强机械强度， 可以选择最有利的节距 y1，以改善磁通势和电动势波形,双层绕组的嵌放,下面以一台三相四极 24 槽的双层叠绕组为例 说明三相双层绕组的排列和联接,（1）计算每极每相槽数,（2）计算极距
6、,（3）计算节距,(4) 划分相带，,分极分相: 将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向； 将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。,分极分相,（5）连线圈和线圈组： 根据给定的线圈节距连线圈（上层边与下层边合一个线圈） 以上层边所在槽号标记线圈编号。 将同一极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？） 将同一极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？） 以上连接应符合电势相加原则,（6）连相绕组： 将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。 串联与并联，电势相加原则。 按照同样的方法构造
7、其他两相。,4.3 交流绕组的电势,交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。,以 no 速度旋转磁极产生的磁场,磁密波形,4.3.1导体中的电势,假定气隙磁密在空间的分布是正弦波（见图）,一根导体电势：,电角度与距离的关系为,.,交流发电机模型交流,导体电势,ex,感应电势的频率 磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个周期； 磁场旋转一周，转过p（电机的极对数）对磁极； 转速为n（r/min)的电机，每秒钟转过(pn/60)对极； 导体中感应电势的频率f=(pn/60)Hz. 问题：四极电机，要使得导体中的感应电势为50Hz,转速应为多少？,感应电势的波形 感应电势随时间变化的
8、波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致。 只考虑磁场基波时，感应电势为正弦波。,4.3.2电势星形图,将有效值相同、相位不同的每根导体（一个元件边） 用向量图形表示出来，就构成电势星形图。,即相邻两个导体（两个槽）之间的夹角为30。,.,电势星形图,4.3.3线圈电势,1. 单匝整距线圈的电势,一个线圈要获得最大电势，必须让它的两个元件边 相差180相位。即采用整距绕组。,其有效值为,2. 多匝整距线圈的电势,设一个线圈的匝数为Wy,则电势为,.,单匝整距线圈的电势,3. 短距线圈元件的电势,短距绕组,为了缩短端接线的长度，节约铜材。,为了削减绕组中的高次谐波，改善电机性能。,其有效值为,.,
9、.,4.3.4线圈组电势,线圈组由相邻若干个线圈串联组成（见图）。,线圈组中各个线圈分别放在不同的槽内，构成分布绕组。,线圈组电势,线圈组中各个线圈分别放在不同的槽内，构成分布绕组。,由小三角形得,由大三角形得,两式相比，得,.,.,4.3.5相电势,相绕组是由线圈组经串联或并联组成的。,一个整距线圈的电势为,若组成短距线圈，则要乘以短距系数,若绕组不但短距，而且分布，则还要考虑分布系数,对于具有多磁极、多并联支路的双层绕组，其相电势为,式中,.,一相绕组的电势 单层绕组的相电势： 单层绕组每对极每相q个线圈，组成一个线圈组，共p个线圈组。 若p个线圈组全部并联则相电势=线圈组的电势 若p个线
10、圈组全部串联则相电势=p 倍 线圈组电势 实际线圈组可并可串，总串联匝数 相电势：,双层绕组的电势 双层绕组每对极每相有2q个线圈，构成两个线圈组，共2p个线圈组 这2p个线圈组可并可串，总串联匝数,双层绕组要考虑到短距系数 绕组系数 ： kw1=kq1ky1 绕组电势：,例：已知一台电机采用三相双层绕组，其参数为：Z= 36，2p = 6， y1= 5，Wy= 20，a = 1，f1 = 50Hz，基波每极磁通量1 = 4.4310-3 Wb，求相电势 E1= ？,解：,，故为分布绕组,可见，三相双层绕组既短距又分布。,.,.,4.3.6 交流绕组中的谐波电势,1.概述,实际的气隙磁密为平顶
11、波。,由它产生的感应电势中必含有各次谐波电势。,解决方法：, 利用三相电路的特点；, 采用短距、分布绕组。,.,.,设,因为对于基波电角度为,2.三相绕组的线电势,对于基波电势 大小相等，相位互差120， 是一个对称三相电势，相序为ABC。,.,对于三次谐波电势 大小相等，相位互差360， 即完全同相，不论接成星形，还是三角形，线电势中均无 三次谐波电势。,对于七次谐波电势 大小相等，相位互差840， 相当于120，因此七次谐波电势也是一个对称三相电势， 相序同基波电势，为ABC。,同理，九次谐波电势也不会出现在线电势中。,对于五次谐波电势 大小相等，相位互差600， 相当于240，因此五次谐
12、波电势也是一个对称三相电势， 相序为ACB。,十一次以上的谐波电势，由于它们的幅值较小，对线电势 影响不大，故全部略去不计。,谐波分析的重点在五次和七次上。,.,3.采用短距、分布绕组削弱谐波作用,只要缩短 的节距，就能消除 次谐波电势。,次谐波短距系数,次谐波分布系数,次谐波绕组系数,.,解：,例：今有一台电机采用三相双层绕组，其参数为：Z= 36，2p = 6， y1分别取 时，求基波、五次和七次谐波各自的谐波系数。,（缩短 ，削五次谐波）,.,.,（缩短 ，削七次谐波）,.,（同时削五次和七次谐波）,.,4.4 交流电机电枢绕组的磁势,4.4.1单相绕组的磁势,1. 整距线圈的磁势,有一
13、个整距线圈，匝数为 ，通入电流,根据全电流定律，空间磁势是矩形波，其幅值为,矩形波的特点,这是一个空间位置固定不动，但幅值大小和正负随时间 而变化的磁势，称为脉振磁势。,.,矩形波磁势,非正弦波分解,用富氏级数将矩形波进行分解，得,.,非正弦波分解,不论是何种磁势均是脉振波，,它们的极对数等于,我们希望 保持不变，而 被大大地削弱。,.,2、整距分布绕组的磁势 由q个线圈构成的线圈组，由于线圈与线圈之间错开一个槽距角，称为分布绕组。 单个线圈产生矩形脉振磁势，取其基波为正弦脉振磁势； q个正弦脉振磁势在空间依次错开一个槽距角。 线圈组的磁势等于q个线圈磁势在空间的叠加，其叠加方法类似于感应电势
14、的叠加。 结论：线圈组的磁势为： 基波绕组的分布系数：,整距分布绕组的磁势,整距分布绕组的磁势,v 次谐波磁通势的分布系数：,同理得线圈高次谐波磁通势的幅值 Fqv 为,3.双层短距绕组的磁势 在分析磁场分布式时，双层整距绕组可以等效为两个整距单层绕组。 两个等效单层绕组在空间分布上错开一定的角度，这个角度等于短距角。 双层短距绕组的磁势等于错开一个短距角的两个单层绕组的磁势在空间叠加。 基波双层短距绕组的磁势为：,基波绕组的短距系数：,双层整距绕组可以等效为两个整距单层绕组,两个等效单层绕组在空间分布上错开一定的角度，这个角度等于短距角,q=2,y1=5的双层短距绕组,双层短距线圈组的基波合
15、成磁通势,（a）等效的单层全距线圈组,（b）基波磁通势的合成,用矢量求基波合成磁势,同理，v 次谐波合成磁通势的幅值 Fv(p=1) 为其中，谐波磁通势的短距系数,由（c）图可得：,其中：,4. 单相绕组的磁势,单相绕组是既分布又短距的绕组，其磁势变成阶梯波， 比较接近正弦波。,综合关于整距线圈和线圈组磁通势的分析，得出结论 （1）.绕组由集中的改为分布 基波合成磁通势幅值打一个折扣 kq1; （2）.线圈由整距改为短距 基波合成磁通势幅值打一个折扣 ky1, （3）.绕组由集中、整距改为分布、短距的实际绕组以后 基波合成磁通势幅值打一个折扣 kq1ky1 （4）.基波绕组系数 kw1= kq
16、1ky1 类似地 绕组由集中、整距改为分布、短距的实际绕组以后， 对其谐波合成磁通势也要打一个折扣 kwv = kqvkyv,极对数为，每极每相槽数为的双层短距绕组， 每个线圈组由个线圈组成， 如每个线圈的匝数为 W， 则一个相绕组每对极下线圈匝数是W 如相绕组的串联总匝数为W1，有下列关系：,一个相绕组的磁通势 是指每对极下这个相绕组的合成磁通势 每一对极的磁通势和磁阻组成一个对称的分支磁路 所以单相绕组基波合成磁通势的幅值 是指相绕组在一对极下线圈中电流所形成磁通势的基波的幅值。,W1/p=2qWy,相绕组的磁势为：,.,由上式知, 单相绕组磁势是时间的脉振磁势，脉振频率与电流的频率相同；
17、,此磁势可以分解为一系列在空间作正弦分布的谐波磁势，都以与电流相同的频率脉振，它们的最大振幅为,采用短距、分布绕组可以使基波绕组系数大于高次谐波 绕组系数，从而大大地削弱高次谐波磁势。, 脉振磁势的振幅在等效相绕组的轴线处。,.,.,.,.,3. 脉振磁势的分解,对于基波脉振磁势可以分解为,它是一个行波。,当时间不变，它沿气隙圆周方向按余弦规律分布。,随着时间的推移，它在空间的位置是变化的。,这种幅值不变，但其空间位置随时间变化的磁势 称为旋转磁势。,.,移动方向是 方向。,磁势移动的角速度等于线圈电流的角频率 。,它也是一个行波。,方向是 方向，以角速度 旋转。,结论：一个脉振磁势可以分解为
18、两个波长与脉振磁势相同，幅值为原脉振磁势最大振幅一半，以相同角速度向相反方向旋转的两个旋转磁势。,其转速为,.,.,4.4.2三相绕组的磁势,三相对称绕组： 三个彼此互隔120分布在定子铁心 内圆的线圈，称为对称三相绕组。,对称三相电流：,三相对称绕组通入三相对称电流时,每相绕组的基波磁势为：,.,将上述各相绕组的脉振磁势分别进行分解，得,三相绕组合成的基波磁势为,它是一个旋转磁势。,.,其主要性质有：, 旋转磁势的幅值大小不变, 旋转磁势的转速恒定, 旋转磁势幅值的位置：当某相电流达到正的最大值时，旋转磁势的幅值就与该相绕组的轴线重合。, 旋转磁势的方向是沿着 方向旋转,从电流引前相绕组的轴
19、线向电流滞后相绕组的轴线旋转。,按电流相序的方向旋转。,由于旋转磁势的幅值恒定不变，其空间向量端点的轨迹 是一个圆，故称为圆形旋转磁势。,.,.,.,.,.,谐波的合成磁势：,三次谐波的合成磁势为零。,五次谐波的合成磁势也为旋转磁势，但旋转方向与基波相反。,七次谐波的合成磁势也为旋转磁势，旋转方向与基波相同。,由于三相绕组是既短距又分布，所以五次和七次谐波的 磁势幅值很小。,在三相电机中，基波旋转磁势占主导地位，高次谐波的 旋转磁势均可以忽略不计。,End,.,旋转磁场的物理解释,三相对称绕组通入三相对称电流时，产生旋转磁场，下面以几个瞬间加以解释：,规定： 电流为正值时，由每相线圈的首端(A
20、、B、C)流出，由线圈末端(X、Y、Z)流入 画出t=0、120、240、360这四个特定瞬间的电流方向与磁力线分布情况,因此可知：对称三相电流通入对称三相绕组后建立的合成磁场，犹如一对磁极旋转，产生的磁场，其大小不变。当时间分别经过 T/3, 2T/3, T 周期时 合成磁场在空间相应地转过 120、240、360 度1.旋转磁场的方向 按 A B C 顺序旋转 2.旋转磁场的转速. (1)对于一台两极电机 当三相电流随时间变化经过一个周期T， 旋转磁场在空间转过 360，即对应电流变化一周。 因此，如果电流每秒钟变化 f1 次， 旋转磁场每秒钟将转过 f1 转，即 转速 = f1 (r/s
21、)= 60f1 (r/m) (2)对于一台四极电机 绕组分布如下图所示：,从瞬间 t =0 到 t =120、240、360，合成磁场在空间相应 转过 60、120、 180。即旋转磁场仅转过 1/2 转 旋转磁场每秒钟将转过 f1/2 转，即 转速 = f1/2 (r/s)= 60f1/2 (r/m) (3)当电机为 p 对极电机时 电流变化一周，旋转磁场转过 1/p 转 极对数为 p 的旋转磁场的转速为 f1/p (r/s)= 60f1/p (r/m) 旋转磁场的这一转速用 n0 表示，称为同步转速,思考题,4-1 一台三相异步电动机PN60 千瓦，nN577转/分，cosN0.77，N8
22、8.5 %,试求在额定线电压为380伏时的额定电流。 4-2 八极异步电动机电源频率f50 赫，额定转差率sN0.04，试求： (1) 额定转速； (2) 在额定工作时，将电源相序改变，求反接瞬时的转差率。4-3 一台三相异步电动机铭牌上标明了f50 赫，额定转速nN960 转 / 分，该电动机的极数是多少？ 4-4 异步电动机的定、转子铁芯如用非磁性材料制成，会出现什么后果？ 4-5 如果将绕线转子三相异步电动机的定子绕组短接，而把转子绕组联接于电压为转子额定电压，频率为50 赫的对称三相交流电源会发生什么现象？ 4-6 异步电动机中的空气隙为什么必须做得很小？ 4-7 电势的频率与旋转磁场
23、的极数及转速有什么关系？在异步电机中，为什么旋转磁场切割定子绕组的感应电势的频率总是等于电网频率？,4-8 有一个三相同心式绕组，极数2p4，定子槽数Z136 ，支路数a1，画出绕组展开图。并计算绕组系数。 4-9 有一个三相双层迭绕组，极数2p6，定子槽数Z136，节距y15/6，支路数a2，试画出绕组展开图。 4-10 试比较单相交流绕组、三相交流绕组所产生的磁势有何区别，与直流绕组磁势又有何区别？ 4-11 一台三相异步电动机，如果把转子抽掉，而在定子绕组上加三相额定电压，会产生什么后果？ 4-12 拆换异步电动机的定子绕组时，若把每相的匝数减少，当定子绕组加额定电压时气隙中每极磁通及磁
24、密数值将怎样变化？ 4-13 一台三相异步电动机接于电网工作时，其每相感应电势为350伏，定子绕组的每相串联匝数N1312匝，绕组系数kw10.96，试问每相磁通为多大？,电机与拖动基础解题提示 4-1提示： PN=sqrt(3)UNINhN cosjN 4-2提示： (1)n0=60f/p ;nN=n0(1-sN) (2)此时n0=-750rpm、n不变 4-3提示： 请考虑： (1)n0=60f/p (2)n0稍大于nN 4-4提示： 如定子、转子铁芯用非磁性材料制成，则主磁路的磁阻将急剧增加，而励磁电抗大为减小，若要产生同样大小的旋转磁场，必须大大增加励磁电流，甚至超过额定电流好多倍，以
25、致电动机在运行时，有可能烧坏绕组。 4-5提示： 此时，转子绕组产生旋转磁场，同步转速为n0，（假设为逆时针方向），那么定子绕组便产生感应电势和感应电流（因定子绕组短路），此电流在磁场的作用下又会产生电磁转矩（逆时针方向），但因定子不能转动，故反作用于转子。使得转子向顺时针方向旋转。,4-6提示： 因为异步电机的励磁电流是由电网供给的，气隙大时磁阻增加，所需励磁电流将增加，从而降低电机的功率因素。所以一般异步电机的空气隙做得很小。4-7提示： 若旋转磁场的极对数为p，转速为n0,则感应电势频率f为： f=pn0/60 而旋转磁场转速n0与电网频率f1的关系为： n0=60f/p,4-8提示：,
26、4-9提示：略,4-10提示： 单相交流绕组产生的磁势为脉振磁势，三相交流绕组产生的磁势为旋转磁势。脉振磁势在空间的位置是固定的，而大小随时间变化，旋转磁势的幅值不变，但在空间随时间而旋转。而直流绕组产生的磁势不仅在空间的位置固定不变，且其大小也不随时间而变，即为恒定磁势。4-11提示： 如果把转子抽掉，则磁路中的气隙将大大增加，即磁阻增大，因为在定子绕组上加三相额定电压，那么所产生的磁通也为额定，这样就需要增加很多励磁电流，以致烧毁定子绕组。4-12提示： 因为电压不变，故感应电势基本不变，由： E=4.44f1Nkw1F 知，每相的匝数N下降，则气隙中每极磁通与磁密增加。4-13提示： 由 E = 4.44f1Nkw1F 知： F = E/（4.44f1Nkw1）=.,
