1、下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页11-1交流电机的基本概念交流电机的基本概念1、交流电机的基本工作原理、交流电机的基本工作原理 一般同步电机作为发电机使用，现在国内外工农业生产中一般同步电机作为发电机使用，现在国内外工农业生产中所用的交流电能，几乎全都是同步发电机发出的。所用的交流电能，几乎全都是同步发电机发出的。某些大型而又不要求调速的生产机械，例如空气压缩机某些大型而又不要求调速的生产机械，例如空气压缩机等多采用同步电动机来拖动，它的突出优点是能够调节电等多采用同步电动机来拖动，它的突出优点是能够调节电动机的励磁电流来改善电网的功率因数动机的励磁电流来改善电网的功
2、率因数 异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，应用在各异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，应用在各行各业，成为在电力系统中的主要负载行各业，成为在电力系统中的主要负载 异步电机作为发电机使用较少，一般只在特殊场合下才用异步电机作为发电机使用较少，一般只在特殊场合下才用它作为发电机运行它作为发电机运行第十一章第十一章 交流电机的共同问题交流电机的共同问题下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页(1)同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理简单的交流发电机模型简单的交流发电机模型 定子：定子是一个圆筒形的铁心，在靠近铁心内表面的槽里定子：定子是一个圆筒形的铁心，在靠
3、近铁心内表面的槽里嵌放了导体把这些导体按一定的规律连接起来，叫定子绕嵌放了导体把这些导体按一定的规律连接起来，叫定子绕组。组。转子：圆筒形铁心的中间是旋转的转子，转子上装了主磁转子：圆筒形铁心的中间是旋转的转子，转子上装了主磁极主磁极可以是永久磁铁，也可以是电磁铁。极主磁极可以是永久磁铁，也可以是电磁铁。链接同步发电机模型工作动画链接同步发电机模型工作动画同步电机下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页原动机主要有两种：一种是汽轮机；一种是水轮机原动机主要有两种：一种是汽轮机；一种是水轮机 假设由原动机拖着主磁极以恒定转速假设由原动机拖着主磁极以恒定转速n1相对于定子逆时针方
4、相对于定子逆时针方向旋转，放在定子铁心槽里的导体与主磁极之间就有了相对运向旋转，放在定子铁心槽里的导体与主磁极之间就有了相对运动，这种相对运动还可以看成主磁极不动、导体以恒定的转速动，这种相对运动还可以看成主磁极不动、导体以恒定的转速n1向相反方向旋转，即按顺时针方向旋转，既然导体与主磁向相反方向旋转，即按顺时针方向旋转，既然导体与主磁极之间有了相对运动，根据电磁感应定律知道，导体中就要感极之间有了相对运动，根据电磁感应定律知道，导体中就要感应出电动势应出电动势。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页P对磁极同步发电机，当电机的对磁极同步发电机，当电机的转子每转一圈，就有转
5、子每转一圈，就有p对主磁极对主磁极经过定子上的导体经过定子上的导体A，于是，在，于是，在导体导体A中感应电动势变化了中感应电动势变化了p个周个周期期 感应电势的频率感应电势的频率f为：为：160pnf 一般都把同步发电机的定子绕组设计成三相绕组，发出三一般都把同步发电机的定子绕组设计成三相绕组，发出三相交流电，供用户使用相交流电，供用户使用 两极电机的情况下，主磁极每旋转一周，导体两极电机的情况下，主磁极每旋转一周，导体A里感应电里感应电动势的瞬时实际方向交变一次。动势的瞬时实际方向交变一次。链接感应电势频率动画链接感应电势频率动画下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页如果
6、是一台三相同步电机作电动机运行，就必须在电机的如果是一台三相同步电机作电动机运行，就必须在电机的定子三相绕组里通入三相交流电三相交流电流流过定子定子三相绕组里通入三相交流电三相交流电流流过定子的三相绕组，会在电机里产生旋转磁场，当给同步电机的的三相绕组，会在电机里产生旋转磁场，当给同步电机的励磁绕组通入励磁电流；转子主磁极就像是一个磁铁，旋励磁绕组通入励磁电流；转子主磁极就像是一个磁铁，旋转磁场吸着转子磁铁，按旋转磁场的旋转方向旋转转磁场吸着转子磁铁，按旋转磁场的旋转方向旋转 160 fnp 同步电机无论作为发电机运行，还是作为电动机运行，当主同步电机无论作为发电机运行，还是作为电动机运行，当
7、主磁极的极对数磁极的极对数p一定时，它的转速一定时，它的转速n1和频率和频率f之间有着严格的之间有着严格的关系，这种关系叫同步关系，关系，这种关系叫同步关系，n1叫同步转速叫同步转速 同步电动机的工作原理：同步电动机的工作原理：下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页(2)异步电机的基本工作原理异步电机的基本工作原理 异步电机下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页NSAB1nff1nn异步电机的定子铁心和定子绕组与同步电机相同异步电机的定子铁心和定子绕组与同步电机相同 转子是由转子铁心和转子绕组组成的转子是由转子铁心和转子绕组组成的 以鼠笼型电机为例，简单
8、说明它的基本工作原理以鼠笼型电机为例，简单说明它的基本工作原理 鼠笼型转子的异步电机，在转子的鼠笼型转子的异步电机，在转子的铁心上，靠近外表面处开槽，槽里铁心上，靠近外表面处开槽，槽里嵌放导体嵌放导体,各个槽内的导体两端伸出各个槽内的导体两端伸出转子铁心以外，用两个端环分别把转子铁心以外，用两个端环分别把两头伸出的导体彼此连接起来，形两头伸出的导体彼此连接起来，形成一个闭路的绕组，大多数异步电成一个闭路的绕组，大多数异步电机定子绕组是三相绕组，当三相绕机定子绕组是三相绕组，当三相绕组流过三相电流时，产生一个旋转组流过三相电流时，产生一个旋转磁场磁场。并假设此旋转的磁极为逆时。并假设此旋转的磁极
9、为逆时 针方向旋转，转速为针方向旋转，转速为n1逆时针方向旋转的磁极就要在转子逆时针方向旋转的磁极就要在转子上的导体里感应电动势，转子绕组是个自己闭合的闭路上的导体里感应电动势，转子绕组是个自己闭合的闭路链接异步电机拆卸动画链接异步电机拆卸动画下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页绕组于是，就会有电流流过转子导体绕组于是，就会有电流流过转子导体，载流导体在磁场载流导体在磁场中产生电磁力，形成电磁转矩，如果电磁转矩能够克服电中产生电磁力，形成电磁转矩，如果电磁转矩能够克服电机转子上的阻转矩，电机就能沿着旋转磁场的旋转起来，机转子上的阻转矩，电机就能沿着旋转磁场的旋转起来，方向
10、旋转起来方向旋转起来。转子的转速转子的转速n是否能转到等于旋转磁场的转速是否能转到等于旋转磁场的转速n1呢呢?转子的转速转子的转速n不等于旋转磁场的转速不等于旋转磁场的转速n1，略小于同步转，略小于同步转速。由此称为速。由此称为“异步异步”。2对交流绕组的要求：对交流绕组的要求：(1)在导体数一定的情况下，能得到较大的基波电动势和基波在导体数一定的情况下，能得到较大的基波电动势和基波磁动势磁动势。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页(2)对于三相电机，要求三相绕组感应的基波电动势是对称对于三相电机，要求三相绕组感应的基波电动势是对称的。所谓对称，是指三相基波电动势的有效值
11、大小彼此相等，的。所谓对称，是指三相基波电动势的有效值大小彼此相等，在时间相位上互差在时间相位上互差120时间电角度时间电角度 (3)三相绕组的阻抗应彼此相等三相绕组的阻抗应彼此相等 (4)电动势与磁动势的波形应尽量接近正弦形，即谐波分量较小电动势与磁动势的波形应尽量接近正弦形，即谐波分量较小(5)运行中有较好的散热性能运行中有较好的散热性能(6)制造简单、维修方便制造简单、维修方便即：对三相交流电机来说：即：对三相交流电机来说：（1）要求三相绕组能感应出波形接近正弦波的三相对称电）要求三相绕组能感应出波形接近正弦波的三相对称电动势；动势；（2）要求当三相绕组中流过三相对称电流时，能产生接近）
12、要求当三相绕组中流过三相对称电流时，能产生接近圆形的旋转磁动势。圆形的旋转磁动势。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页三交流绕组的基本知识和基本量三交流绕组的基本知识和基本量1、电角度与机械角度、电角度与机械角度 机械角度：电机圆周在几何上分成机械角度：电机圆周在几何上分成360，叫机械角度。，叫机械角度。电角度：从电磁观点看，若磁场在空间按正弦波分布，电角度：从电磁观点看，若磁场在空间按正弦波分布，则则N、S一对磁极恰好相当于正弦曲线一个周期。如有导一对磁极恰好相当于正弦曲线一个周期。如有导体去切割这种磁场，经过体去切割这种磁场，经过N、S一对磁极，导体中所感生一对磁极
13、，导体中所感生的正弦电势的变化也为一个周期，变化一个周期即经过的正弦电势的变化也为一个周期，变化一个周期即经过 电角度。电角度。360电角度电角度=P机械角度机械角度2、线圈、线圈：一匝或多匝串联而成，一个首端和一个末端。：一匝或多匝串联而成，一个首端和一个末端。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页3、节距节距 一个线圈两边所跨定子圆周上的距离，用一个线圈两边所跨定子圆周上的距离，用y1表表示示。一般以槽数计。一般以槽数计。pQ21节距应近似等于极距节距应近似等于极距 1y时为整距时为整距；1y时为短距时为短距 4、槽距角、槽距角 相邻两槽之间的电角度相邻两槽之间的电角度
14、 1360Qp5、每级每相槽数、每级每相槽数q 每一个极下每相绕组所占的槽数每一个极下每相绕组所占的槽数pmQq21下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页一、单层绕组一、单层绕组单层绕组：每个槽内只放一个线圈边。线圈数目等于槽数的单层绕组：每个槽内只放一个线圈边。线圈数目等于槽数的一半。一半。（一）计算极距和节距（一）计算极距和节距6222421pQ61y（二）计算每极每相槽数（二）计算每极每相槽数例：例：一台电机的绕组为三相单层等距式绕组，极对数一台电机的绕组为三相单层等距式绕组，极对数p=2，槽，槽数数Z=24，每相并联支路数，每相并联支路数a=1，试绘出其绕组展开图。
15、，试绘出其绕组展开图。单层绕组有：叠式、同心式、链式等。单层绕组有：叠式、同心式、链式等。11-2 三相单层绕组三相单层绕组下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页22322421pmQq（三）绘制绕组展开图（三）绘制绕组展开图 1画画24根并行短线，代表根并行短线，代表24个槽，编上槽号个槽，编上槽号 2按按2q进行分相；进行分相；相带：每个极下属于同一相的槽所占的区域称为相带。相带：每个极下属于同一相的槽所占的区域称为相带。060相带：每个极距内有相带：每个极距内有3个相带。每一极距为个相带。每一极距为180度电角度。度电角度。相带分配：相带分配：A、z、B、x、C、y
16、下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页第一对极区相带AZBXCY槽号1、23、45、67、89、1011、12第二对极区相带AZBXCY槽号13、1415、1617、1819、2021、2223、243 3按按A A相的所有线圈相的所有线圈。16y 4按按q=2连出连出A相绕组的相绕组的p个线圈组。个线圈组。5按所需并联支路数按所需并联支路数a，将，将p个线圈组串联、并联或串并个线圈组串联、并联或串并联，连成一相（联，连成一相（A相）绕组。相）绕组。6按同样方法连出按同样方法连出B相和相和C相绕组。相绕组。组成一个线圈，而后以同样方法组成属于组成一个线圈，而后以同样方法组成
17、属于下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页三相绕组的排列和联结方法：三相绕组的排列和联结方法：1、计算极距；、计算极距；2、计算每极每相槽数；、计算每极每相槽数；、划分相带；、划分相带；、组成线圈组；、组成线圈组；、按极性对电流方向的要求分别构成相绕组。、按极性对电流方向的要求分别构成相绕组。第一对极区相带AZBXCY槽号1、23、45、67、89、1011、12第二对极区相带AZBXCY槽号13、14 15、16 17、18 19、20 21、22 23、24下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页AX下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页
18、上一页AX同心式绕组同心式绕组下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页同心式绕组优点：下线方便，端部互相错开，重叠层数同心式绕组优点：下线方便，端部互相错开，重叠层数较少，散热较好。较少，散热较好。缺点：线圈大小不等，工艺不便。缺点：线圈大小不等，工艺不便。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页单层绕组的优点是线圈数少，嵌线方便，无层间绝缘，槽单层绕组的优点是线圈数少，嵌线方便，无层间绝缘，槽的利用率高。缺点是磁通势和电动势的波形较差，影响电的利用率高。缺点是磁通势和电动势的波形较差，影响电动机的性能，一般用于功率在动机的性能，一般用于功率在10KW以下的
19、小型电机。以下的小型电机。三、双层绕组三、双层绕组双层绕组：每个槽内放两个线圈边，一个边放在上层，一双层绕组：每个槽内放两个线圈边，一个边放在上层，一个放下层。线圈数等于槽数。个放下层。线圈数等于槽数。例例2：现以一台三相双层叠绕组电机，极数现以一台三相双层叠绕组电机，极数2p=4，槽数，槽数Z=36，支路数支路数a=1为例，试绘出其绕组展开图。为例，试绘出其绕组展开图。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页943621pQ极距：极距：绕组节距：绕组节距：81y每极每相槽数每极每相槽数：33223621pmQq槽距角：槽距角：002060q1、参数计算：、参数计算：下一页下
20、一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页、划分相带、划分相带 第一对极区相带AZBXCY槽号1、2、34、5、67、8、910、11、1213、14、1516、17、18第二对极区相带AZBXCY槽号19、20、2122、23、2425、26、2728、29、3031、32、3334、35、36、画绕组展开图、画绕组展开图 2、画基波电动势星形相量图、画基波电动势星形相量图每一个相量代表一个短距线圈每一个相量代表一个短距线圈的基波电动势。的基波电动势。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页AX下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页.单层绕组端部
21、连接规律（以单层绕组端部连接规律（以A相为例）相为例）并联支路并联支路a=1时，属于时，属于A相的所有线圈组按电势相加原则相的所有线圈组按电势相加原则反相串联。即首端与首端相连，尾端与尾端相连反相串联。即首端与首端相连，尾端与尾端相连.并联支路并联支路a=2时，时，A1相带和相带和X1相带线圈组按电势相加原则反相带线圈组按电势相加原则反向串联，；向串联，；A2相带和相带和X2相带线圈组按电势相加原则反向串联；相带线圈组按电势相加原则反向串联；再把两支路并联。再把两支路并联。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页3-3 定子绕组的电动势定子绕组的电动势三相异步电动机运行时，气
22、隙中总存在旋转磁通势建立的三相异步电动机运行时，气隙中总存在旋转磁通势建立的旋转磁场，同时切割定、转子绕组，分别在定、转子绕组旋转磁场，同时切割定、转子绕组，分别在定、转子绕组中感应电动势。基波旋转磁场感应产生基波电动势，谐波中感应电动势。基波旋转磁场感应产生基波电动势，谐波旋转磁场感应产生谐波电动势。旋转磁场感应产生谐波电动势。三相绕组线圈组的圆形接线图三相绕组线圈组的圆形接线图 三相绕组线圈组联结的圆形接三相绕组线圈组联结的圆形接线图：线图：用一段圆弧表示一个线用一段圆弧表示一个线圈组，圆弧箭头表示相带的正圈组，圆弧箭头表示相带的正负。负。作业作业:S11-1,11-2下一页下一页总目录总
23、目录 章目录章目录返回返回上一页上一页一、线圈的感应电动势一、线圈的感应电动势用简单的同步发电机的模型来分析。在图中的转子表面建用简单的同步发电机的模型来分析。在图中的转子表面建立直角坐标系，纵坐标代表气隙磁通密度场立直角坐标系，纵坐标代表气隙磁通密度场 的大小，的大小，横坐标表示磁极表面各点距坐标原点的距离，横坐标表示磁极表面各点距坐标原点的距离，b11sinmbBwt1111sinsinAmmeb lvBlvwtEwt1、导体的感应电动势导体的感应电动势112avmBB112mavBB22226060npnDpvwf下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页1112222.
24、2222 2mavEBlvB lff114.44TEf114.44KKEfN2、整距线匝的电动势：、整距线匝的电动势：3、短距线圈的电动势、短距线圈的电动势 整距线圈的电动势整距线圈的电动势短距线匝的电动势：短距线匝的电动势：1.1()yyAXEEE11()1114.44yypKEf k N11()112cos4.442yyApEEf k下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页基波电动势的短距系数基波电动势的短距系数 4、线圈组的感应电动势、线圈组的感应电动势p2单层绕组，每相绕组线圈组的数目等于单层绕组，每相绕组线圈组的数目等于p双层绕组，每相线圈组数目等于双层绕组，每相线
25、圈组数目等于线圈组中每个线圈的电动势大小相等，线圈组中每个线圈的电动势大小相等，只是时间相位上互差一个槽距角只是时间相位上互差一个槽距角12 sin2qqER12 sin2yER1111coscos(180)sin9022pyyk12 sin2yER下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页111sin2sin2qdyqEkqEq111qydEqE k1sin2sin2dqkq基波电动势的分布系数基波电动势的分布系数1dk线圈组的基波电动势线圈组的基波电动势111114.44qKpdEf qN k k下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页5、一相绕组的基波电
26、动势、一相绕组的基波电动势对于单层绕组，对于单层绕组，a条并联支路，共有条并联支路，共有p个线圈组，故有个线圈组，故有 111114.44KpdpEf qN k ka11114.44KpdpfqN k ka1114.44dpf NkKpNqNa为每相串联匝数，即一条支路串联的匝数。为每相串联匝数，即一条支路串联的匝数。111dppdKk k下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页1111124.44KpdpEf qN k ka111124.44KpdpfqN k ka1114.44dpf NK对于双层绕组，对于双层绕组，a条并联支路，共有条并联支路，共有2p个线圈组个线圈组2
27、KpNqNa每相串联匝数每相串联匝数下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页同理，可得一相绕组谐波电动势有效值的计算公式同理，可得一相绕组谐波电动势有效值的计算公式4.444.44dpdpEf NKfNK 1sincos22pyksin2sin2dqkq设计绕组时，可以采用适当的分布短距绕组，设计绕组时，可以采用适当的分布短距绕组，使使接近于接近于1 1，接近于零，就能明显削弱谐波，从而接近于零，就能明显削弱谐波，从而改善电动势的波形改善电动势的波形dpdpkk k1dpkdpk下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 例：有一台三相同步发电机，例：有一台三
28、相同步发电机，电枢槽数，绕组为双层绕组，每相串联电枢槽数，绕组为双层绕组，每相串联匝数匝数 ，气隙基波每极磁通，气隙基波每极磁通 ，试求：试求：（）基波电动势的频率、整距时基波的绕组因（）基波电动势的频率、整距时基波的绕组因数和相电势；数和相电势；（2）整距时）整距时5次谐波的绕组因数；次谐波的绕组因数；（3）如要消除）如要消除5次谐波，绕组节距应选多少？此次谐波，绕组节距应选多少？此时基波电动势变为多少？时基波电动势变为多少？22,3000/min,pr60Q 120N 11.505Wb 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 例题例题2、一台三相异步电动机，定子采用双层
29、分布、一台三相异步电动机，定子采用双层分布短距绕组，已知定子槽数短距绕组，已知定子槽数 ，极对数，极对数 ，线圈节距线圈节距 ，每个线圈串联匝数，每个线圈串联匝数 ，并联支路数并联支路数 ，频率，频率 ，基波每极，基波每极磁通量磁通量 ，5 次谐波每极磁通次谐波每极磁通量量 ，7次谐波每极磁通次谐波每极磁通量量 ，求相绕组中基波、，求相绕组中基波、5次、次、7次次谐波电动势的有效值各为多少？谐波电动势的有效值各为多少？36Q 3p 15y 20KN 1a 50fHz10.00398Wb 50.00004Wb 70.00001Wb 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页三相交
30、流电机线电压中是否有三相交流电机线电压中是否有3次谐波次谐波?为什么为什么?三相三相交流发电机的定子绕组为什么一般都用星形联结交流发电机的定子绕组为什么一般都用星形联结?答答:三相电动势的三相电动势的3次谐波的相位相差次谐波的相位相差360度，即同相度，即同相位，三相绕组采用星形联结位，三相绕组采用星形联结,线电动势中的线电动势中的3次谐次谐波电动势互相抵消，因此不存在三次谐波线电动波电动势互相抵消，因此不存在三次谐波线电动势和线电压。势和线电压。三相绕组采用三角形联结，三次谐波电动势会在三相绕组采用三角形联结，三次谐波电动势会在三角形联结的闭合回路中产生三角形联结的闭合回路中产生3次谐波环流，但次谐波环流，但3次谐波相电动势与次谐波相电动势与3次谐波环流在次谐波环流在3次谐波阻抗上次谐波阻抗上产生的压降相等，因此在线电压中不出现产生的压降相等，因此在线电压中不出现3的整数的整数倍次谐波。倍次谐波。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页采用三角形联结时，三相绕组的闭合回路中产生采用三角形联结时，三相绕组的闭合回路中产生3次次谐波环流，将引起附加损耗，使发电机的温升增谐波环流，将引起附加损耗，使发电机的温升增加、效率降低，因此一般采用星形联结加、效率降低，因此一般采用星形联结
