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交流电机原理 1 第5章 交流电机原理 5.1 交流电机基本结构和基本工作原理 5.1.1反映交流电机工作原理的两个实验模型 5.1.2 交流电机的基本类型和基本结构 5.1.3 交流电机绕组简介 5.2交流电机电枢绕组的电动势与磁通势 5.2.1交流电机电枢电流建立`````的磁场和磁动势 5.2.2交流电机电枢绕组的感应电动势 第5章 交流电机原理(续) 5.3 交流异步电动机原理 5.3.1 异步电动机的工作原理 5.3.1.1 转子静止转子绕组开路时的电磁关系 5.3.1.2转子堵转的电磁过程 5.3.1.3 ...

交流电机原理
1 第5章 交流电机原理 5.1 交流电机基本结构和基本工作原理 5.1.1反映交流电机工作原理的两个实验模型 5.1.2 交流电机的基本类型和基本结构 5.1.3 交流电机绕组简介 5.2交流电机电枢绕组的电动势与磁通势 5.2.1交流电机电枢电流建立`````的磁场和磁动势 5.2.2交流电机电枢绕组的感应电动势 第5章 交流电机原理(续) 5.3 交流异步电动机原理 5.3.1 异步电动机的工作原理 5.3.1.1 转子静止转子绕组开路时的电磁关系 5.3.1.2转子堵转的电磁过程 5.3.1.3 转子旋转时的电磁关系 5.3.2 三相异步电机的功率与转矩 5.3.3 三相异步电动机的机械特性 5.4 *交流同步电机 5.4.1 同步电动机的电磁关系 5.4.2 同步电动机的功率、转矩与矩角特性 5.4.3 同步电动机的起动方法介绍 本章要点: • 交流电机旋转磁场产生机理及其特点。包括交流电机的基 本结构;旋转磁场产生的机理;旋转磁场的特点基波磁场 的矢量表示;削弱谐波磁场的措施。 • 交流电机实现机电能量转换的条件。主要包括:交流电枢 绕组的感应电势及时空矢量图;交流电机电磁转矩产生的 机理;交流电机运行的可逆性。 • 异步电机运行分析。主要包括:异步电机的气隙磁场及感 应电势;异步电机的基本方程(与变压器的类比,绕组归 算与频率归算);异步电机的等效电路;异步电机的机械 特性;异步电机的起动、制动和调速。 • 同步电机运行分析。同步电机的气隙磁场和感应电势;隐 极同步电机的基本方程;凸极同步电机的双反应理论及基 本方程;同步电机的功角特性及运行稳定性;同步电机的 启动和调速。 5.1 交流电机基本结构和基本工作原理 5.1.1反映交流电机工作原理的两个实验模型 5.1.2 交流电机的基本类型和基本结构 5.1.3 交流电机绕组简介 2 5.1.1反映交流电机工作原理的两个实验模型 5.1.1 同步电机原理模拟装置 图 5.1.2 异步电动机原理模拟装置图 a) b) 图 5.1.3 鼠笼式异步电机的转子导体部分示意图 5.1.2交流电机的主要类型及基本结构 1 主要类型 按能量转换:电动机,发电机 按供电:单相、三相 按原理:同步、异步(感应)电机 2 基本结构 (1) 同步电机 主要结构 (动画); 运行原理(电动机动画) (2) 异步电机 主要结构(动画); 运行原理(运行动画) 定子:相同。三相绕组在空间位置上互差120度电角度。 (3) 结构的异同 图 5.1.6 同步电机和异步电机的定子铁心和定子绕组 a) 同步电机的转子 b) 异步电机的转子 c) 鼠笼 图5.1.7 同步电机和鼠笼式异步电机的转子 图 5.1.8 异步电机的绕线式转子 转子铁心滑环 电刷 转轴 转子绕组 星接中性点 转子;各不相同。 3 3 同步电机的额定值 (1) 额定容量 SN或额定功率 PN: 发电机: 指出线端的额定视在功率(KVA)(MVA)。 电动机: 指轴上输出的有效机械功率(KW)(MW) 同步调相机: 线端的额定无功功率表示其容量,千乏(KVar)和兆乏(MVar)。 (2) 额定电压 UN :指额定运行状态下,定子绕组上的线电压(V) (3) 额定电流 IN:指电机额定运行时定子的线电流(A) (4) 额定功率因数 Nϕcos :电机额定运行时的功率因数; (5) 额定效率 Nη :电机额定运行时的效率。 4 异步电动机的主要额定值 (1) 额定功率 PN:额定运行时,转轴输出的机械功率,单位是 kW; (2) 额定电压 UN:指额定运行状态下,定子上的线电压,单位为 V; (3) 额定电流 IN:在额定电压、转轴输出额定功率时,定子绕组中的线电流, 单位为 A; (4) 额定转速 nN: 额定电压,且轴端输出额定功率时电机的转速(r/min) (5) 额定功率因数 Nϕcos :额定负载时,定子边的功率因数 (6) 额定效率 Nη :电机额定运行时的效率。 5.1.3 交流电机绕组 1 交流绕组的作用 (1) 流入定子电流,建立旋转磁场。 (2) 产生感应电动势。只要电机中存在旋转磁场,它必然 会切割固定不动的定子绕组,于是在其中产生感应电动 势。实际上,正是由于在电动机中有感应电动势出现,电 能才能转换为机械能。在发电机中,正是由于有感应电动 势出现,机械能才能转换为电能。 图 5.1.9 三相绕组的外观图 2 最简单的交流绕组 (1)构成特征 1) 在一定导体数下,获得较大的基波电动势和基波磁动势, 合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦波; 2) 对三相绕组、对基波而言,各相的电动势和磁动势要对 称,即三相感应电势大小相等、相位上互差120º时间电角 度、三相阻抗相等; 3) 绕组的铜耗要小,用铜量要省;绝缘要可靠,机械强度、 散热条件要好,制造要方便。 a) b) 图 5.1.10 定子三相绕组的模型 A B C X Y Z A B C X Y Z 4 (2)三相绕组的模型和简化模型 a) Y Z iA A B C uA X a) b) c) 图 5.1.11 定子三相绕组简化模型(发电机用) A B C X Z Y Z Y A X B C A B C X Z Y iA (a) (b) (c) 图 5.1.12 定子三相绕组简化模型(电动机用) iA A B C uA X 3 关于交流绕组的更多的知识(了解) (1) 多极绕组与电角度 从机械结构看,电机圆周对应的角度为 360°机械角;两极电机 N、S 极 中心线之间跨越的角度是 180°机械角度,而 4 极电机的相邻的 N、S 极中心 线之间的角度为 90°机械角度。如果从电磁的角度来看,相邻 N 极、S 极中 心线之间跨越的角度永远是 180°。于是定义相邻 N、S 极的角度为 180°电 角度。两极电机的机械角等于电角度。 4 极电机的电角度为机械角的 2 倍。 对 pn 对极的电机而言,其电角度等于机械角的 pn 倍。 用电角度可以十分方便地统一地描述绕组的分布。例如,对于上述两极 和四极绕组,两个线圈边在定子内圆跨越的角度都是 180 度电角度;对于任 意极数的电机,为了构成三相对称绕组,A、B、C 三相绕组依次隔开的角 度都是 120 度的电角度。 a) 两极电机 b) 四极电机 图 5 1 13 两极电机与四极电机的磁极与绕组 (2) 极距τ :相邻两个磁极的中心线在定子铁心内圆所隔开的距离,称为 极距,通常用τ 代表。τ 可用圆弧长度或定子槽数或电角度表示为, 2 p D n πτ = (弧长) (5.1-1) 或 360 180 2 p p n n τ = = D D(电角度), 或 1 2 p z n τ = (槽数) 式中, D为定子铁心内径; 1z 为定子铁心槽数。 a) Y Z a) b) A B C X Z Y (3) 节距 y :一个线圈的两个有效边所跨定子内圆上的圆弧为节距。一 般节距 y用槽(距)数表示,也可以用电角度表示。 当 τ=y 时,称为整距绕组;显然,在本节前面介绍过的绕组都是 整距绕组,图 5.1.14a)则为两极 12 槽的整距绕组,其极距与节距均为 6。 当 τy 时,称为长距绕组。长距绕组端部较长,浪费铜,故 一般不采用。 (4) 槽距角 1α :相邻两槽之间的电角度称为槽距角 1α 。 1 1 360pn z α = D (5.1-4) (5) 每极每相槽数 q:每相绕组在每一个极下所占有的槽数称为每极每 相槽数。 1 12 p zq m n = (5.1-5) 式中, 1m 为定子绕组的相数。 5 a) b) 图 5.1.14 整距绕组与短距绕组 a) b) 图 5.2.15 双层短距分布绕组的示意图 a) b) 图 5.2.15 双层短距分布绕组的示意图 (6) 集中绕组和分布绕组 每极每相槽数q等于 1 的绕组称为集中绕组。q大于 1 的绕组称为分布 绕组。显然,前面介绍的 6 槽 3 相两极绕组模型,以及图 5.1.13 中的 4 极电 机的绕组,均为集中整距绕组,而且,它们都属于单层绕组,即在一个槽内 只有一个线圈边的绕组。实际的电机一般都采用分布绕组或短距分布绕组, 而且,功率达到十千瓦以上的电机,多采用双层绕组,即在槽内的上层与下 层各有一个线圈边。图 5.1.15a)是一个十分简单的双层短距分布绕组的原理 性结构图。图 b)是对应的绕组展开图。 a) b) 图 5.2.15 双层短距分布绕组的示意图 该绕组的极对数 Pn :1 相数 1m :3 极距τ :180o,或 12/(2*1)=6 槽 节距 y:5 槽 每极每相槽数q:12/(2*3*1)=2 (12/3/2=2) 槽距角 1α :1*360o/12=30o 与集中整距相比,采用双层短距分布绕组一个主要作用是可以有效削弱 气隙磁场和感应电势的谐波,在本章的后续部分将对此进行分析。 a) b) 图5.2.15 双层短距分布绕组的示意图 线圈的匝数为 kW 极相组 每相绕组串联总匝数为 1W 图 5.2.12 整距分布绕组示例
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