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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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