物理電機學交流電機的理論的共同問題學習教案

1、會計學1物理電機學交流電機的理論物理電機學交流電機的理論(lln)的共同問的共同問題題第一頁，共70頁。交流繞組(roz)的構(gòu)成原則也可以解釋為均勻(jnyn)原則：每個極域內(nèi)的槽數(shù)（線圈數(shù)）要相等，各相繞組在每個極域內(nèi)所占的槽數(shù)應相等每極槽數(shù)用極距表示(biosh)每極每相槽數(shù)對稱原則：三相繞組的結(jié)構(gòu)完全一樣，但在電機的圓周空間互相錯開120電角度。如槽距角為，則相鄰兩相錯開的槽數(shù)為120/。電勢相加原則：線圈兩個圈邊的感應電勢應該相加；線圈與線圈之間的連接也應符合這一原則。如線圈的一個邊在N極下，另一個應在S極下。第1頁/共70頁第二頁，共70頁。 二、分類二、分類(fn li)按相數(shù)按相

2、數(shù) ：單相：單相(dn xin)和多相繞組；和多相繞組；按槽內(nèi)層按槽內(nèi)層(ni cn)數(shù)：單層和雙層；數(shù)：單層和雙層； 按每極下每相槽數(shù)：按每極下每相槽數(shù)：整數(shù)槽和分數(shù)槽； 按繞法：按繞法：疊繞組和波繞組。等第2頁/共70頁第三頁，共70頁。kwPN10（1）可以選擇最有利的節(jié)距，并同時采用(ciyng)分布繞組， （3）端部形狀排列整齊，有利于散熱和增強(zngqing)機械（2）所有線圈具有相同的尺寸，便于制造；主要優(yōu)點：主要優(yōu)點：特點：特點：繞組的線圈數(shù)等于槽數(shù)。 4 4.2 .2 三相雙層繞組三相雙層繞組雙層繞組。（雙層繞組和單層繞組的比較、交流繞組的模型）以改善電動勢和磁動勢的波形；

3、強度。第3頁/共70頁第四頁，共70頁。3m42p36Q 體（槽號）是如何體（槽號）是如何(rh)分配的。分配的。 現(xiàn)以一臺相數(shù)現(xiàn)以一臺相數(shù) ，極數(shù)，極數(shù) ，槽數(shù)，槽數(shù) 的定子來說明槽內(nèi)導體的感應的定子來說明槽內(nèi)導體的感應(gnyng)電動勢和屬于各相的電動勢和屬于各相的導導第4頁/共70頁第五頁，共70頁。1 1、概念、概念(ginin)(ginin)定子定子(dngz)每極每相槽數(shù)：每極每相槽數(shù)： 3322362pmQq式中， Q 定子(dngz)槽數(shù)； p 極對數(shù)； m 相數(shù)。相鄰兩槽間電角度： 20363602360Qp此角亦是相鄰槽中導體感應電動勢的相位差。第5頁/共70頁第六頁，共

4、70頁。電角度(jiod)磁場每轉(zhuǎn)過一對磁極，電勢變化一個(y )周期，稱為（一個(y )周期）360電角度。在電機中一對磁極所對應的角度定義為360電角度。（幾何上，把 一 圓 周 所 對 應 的 角 度 定 義 為 360 機 械 角度。）磁極(cj)對數(shù)為p圓周機械角度為360電角度為 p*360 第6頁/共70頁第七頁，共70頁。把每對極所對應的定子槽等分為六個等分。依次(yc)稱為a、c、b、a、c、b相帶，各相繞組放在各自的相帶范圍內(nèi)通常三相(sn xin)繞組都是60相帶繞組相帶為了三相繞組對稱(duchn)，在每個極面下每相繞組應占有相等的范圍。第7頁/共70頁第八頁，共70頁

5、。2 2、槽電動勢的星形圖、槽電動勢的星形圖 如圖41表示(biosh)36槽內(nèi)導體感應電動勢的相量圖，亦稱為(chn wi)槽電動勢星形圖。 以A相位例，由于(yuy) ，故A相共有12個槽 相帶：每極下每相所占的區(qū)域。1A2AA相帶： 1、2、3線圈組（ ） 與19、20、21（ ）X相帶： 10、11、12 （ ）1X 與28、29、30（ ） 2X 將四個線圈組按照一定的規(guī)律連接，即可得到A相繞組。3q第8頁/共70頁第九頁，共70頁。第9頁/共70頁第十頁，共70頁。第10頁/共70頁第十一頁，共70頁。AZBNoImageXCY圖圖4 41 1 三相三相(sn xin)(sn xi

6、n)雙層繞組的槽電動雙層繞組的槽電動勢星形圖勢星形圖(36,24)Qp第11頁/共70頁第十二頁，共70頁。相帶相帶槽號槽號極極 對對ABCXYZ1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,1819,20,2122,23,2425,26,2728,29,3031,32,3334,35,36第一第一(dy)對極下對極下（1槽槽18槽）槽）第二第二(d r)對極下對極下（19槽槽36槽）槽）表4-1 各個(gg)相帶的槽號分布 第12頁/共70頁第十三頁，共70頁。1357911131517192123252729313335123101112192021282930

7、N NN NS SS S圖4-2 三相雙層疊(cn di)繞組的A繞組的展開圖第13頁/共70頁第十四頁，共70頁。 -1-2-3-10-11-12-19-20-21-28-29-30-圖：圖：A相繞組相繞組(roz)線圈的連接圖（一條并聯(lián)支路）線圈的連接圖（一條并聯(lián)支路）123192021101112282930圖4-3 A相繞組(roz)線圈的連接圖（兩條并聯(lián)支路）1A1X2A2XXXAA1A1X2A2X第14頁/共70頁第十五頁，共70頁。4.3三相(sn xin)單層繞組單層每槽中只放置一層元件邊，元件數(shù)等于槽數(shù)的一半，無需層間絕緣，結(jié)構(gòu)(jigu)和嵌線較簡單單層繞組(roz)只適用

8、于10kW以下的小型異步電動機，其極對數(shù)通常是pl,2,3,4單層繞組通常有鏈式、交叉式和同心式等三種不同排列方式第15頁/共70頁第十六頁，共70頁。單層繞組(roz)：構(gòu)造方法和步驟分極分相:將總槽數(shù)按給定的極數(shù)均勻分開（N,S極相鄰(xin ln)分布）并標記假設的感應電勢方向。將每個極的槽數(shù)按三相均勻分開。三相在空間錯開120電角度。連線圈(xinqun)和線圈(xinqun)組：將一對極域內(nèi)屬于同一相的某兩個圈邊連成一個線圈（共有q個線圈，為什么？）將一對極域內(nèi)屬于同一相的q個線圈連成一個線圈組（共有多少個線圈組？）以上連接應符合電勢相加原則連相繞組：將屬于同一相的p個線圈組連成一相

9、繞組，并標記首尾端。串聯(lián)與并聯(lián)，電勢相加原則。連三相繞組：將三個構(gòu)造好的單相繞組連成完整的三相繞組Y接法或者接法。第16頁/共70頁第十七頁，共70頁。極 對相 帶acbacb第一對極1,23,45,67,89,1011,12第二對極13,14 15,16 17,18 19,20 21,22 23,24例如(lr)：相數(shù)m3，極數(shù)2p4，槽數(shù)Z24槽距角極距=Z/2p=24/4=6Z每極每相槽數(shù)q 22 pmp * 360=30Z第17頁/共70頁第十八頁，共70頁。第18頁/共70頁第十九頁，共70頁。* 連成三相連成三相(sn xin)繞組繞組第19頁/共70頁第二十頁，共70頁。1.同心

10、(tngxn)式繞組第20頁/共70頁第二十一頁，共70頁。y 5 62.鏈式繞組(roz)第21頁/共70頁第二十二頁，共70頁。y=8y=73.交叉(jioch)式繞組第22頁/共70頁第二十三頁，共70頁。 4.4 4.4正弦磁場正弦磁場(cchng)(cchng)下交流繞組的感應電動下交流繞組的感應電動勢勢一、導體(dot)的感應電動勢1 1、電動勢的波形、電動勢的波形(b xn)(b xn)tEtlvBblvesin2sin112 2、正弦電動勢的頻率、正弦電動勢的頻率感應電動勢的頻率： 60pnf 同步轉(zhuǎn)速： pfn60第23頁/共70頁第二十四頁，共70頁。tEtlvBblves

11、in2sin11基波基波(j b)(j b)電電動勢動勢Blve 電動勢頻率電動勢頻率: :60pnf 電動勢電動勢大小大小: :1122. 2fE tEtlvBblvesin2sin11諧波電動勢諧波電動勢fEtEtlvBlvbe22. 2sin2sin第24頁/共70頁第二十五頁，共70頁。3 3、導體、導體(dot)(dot)電動勢的有效值電動勢的有效值 lBlBav12 將將 代入上式得導體代入上式得導體(dot)電動電動勢勢 為為 1122. 2222flBfElfBflBE11222第25頁/共70頁第二十六頁，共70頁。 二、整距線圈二、整距線圈(xinqun)的電動勢的電動勢1

12、1112EEEEc匝電勢(dinsh)11)1(144. 42fEEcNc單匝線圈(xinqun)電動勢的有效值cN1144. 4ccfNE 線圈有 匝，則線圈電動勢為第26頁/共70頁第二十七頁，共70頁。三、短距線圈三、短距線圈(xinqun)的電動勢，節(jié)距因數(shù)的電動勢，節(jié)距因數(shù)短距線圈(xinqun)的節(jié)距 ，用電角度表示時，節(jié)距為 1y1801y單匝線圈(xinqun)的電動勢為 111110EEEEEc據(jù)相量圖中的幾何關(guān)系，得單匝線圈電動勢的第27頁/共70頁第二十八頁，共70頁。1111144. 490sin22180cos2pfkyEE 為線圈的基波節(jié)距因數(shù)為線圈的基波節(jié)距因數(shù)(

13、ynsh)，表示線圈短距，表示線圈短距時感應時感應電動勢比整距時應打的折扣，電動勢比整距時應打的折扣， 1pk90sin1)(1)(1111yEEkycycp有效值 為) 1(1cNcE第28頁/共70頁第二十九頁，共70頁。四、分布四、分布(fnb)繞組的電動勢，分布繞組的電動勢，分布(fnb)因因數(shù)和繞組因數(shù)數(shù)和繞組因數(shù) 個線圈(xinqun)的合成電動勢 為1qE2sin21qREq式中， 外接圓的半徑(bnjng)。2sin21cER R把 代入上式，得 111112sin2sin2sin2sindcccqkqEqqEqEEq第29頁/共70頁第三十頁，共70頁。1y11114.44q

14、 (q= )yE=fqN k第30頁/共70頁第三十一頁，共70頁。 式中，式中， 個線圈個線圈(xinqun)電動勢的代數(shù)電動勢的代數(shù)和；和； 1cqEq 繞組(roz)的基波分布因數(shù)， 2sin2sin111qqqEEkcqd1dk 的意義：由于繞組分布在不同的意義：由于繞組分布在不同(b tn)的槽的槽內(nèi)，使得內(nèi)，使得1dkq1qEq1cqE11dk個分布線圈的合成電動勢 小于 個集中線圈的合成電動勢 ，由此所引起的折扣 。第31頁/共70頁第三十二頁，共70頁。一個(y )極相組的電動勢為111111)(44. 444. 4wcdpcqkqNfkkfNqE式中， 個線圈(xinqun)

15、的總匝數(shù)； cqN 繞組(roz)的基波繞組(roz)因數(shù)。111dpwkkk 的意義：既考慮繞組短距、又考慮繞組分布時，1wkq整個繞組的合成電動勢所須的總折扣。第32頁/共70頁第三十三頁，共70頁。 設一相繞組設一相繞組(roz)的總串聯(lián)匝數(shù)為的總串聯(lián)匝數(shù)為 ，則一相的，則一相的電動電動勢應勢應 為為 N1E11144. 4wfNkE第33頁/共70頁第三十四頁，共70頁。短距繞組(roz)、分布繞組(roz)對電動勢波形的影響090224 44ksin()sinksinE.fNkkyqpyqyqq對V次諧波(xi b)：1pp nn p nff604.5感應感應(gnyng)電動勢中的

16、高次諧波電動勢中的高次諧波第34頁/共70頁第三十五頁，共70頁。第35頁/共70頁第三十六頁，共70頁。第36頁/共70頁第三十七頁，共70頁。第37頁/共70頁第三十八頁，共70頁。第38頁/共70頁第三十九頁，共70頁。 一臺兩極氣隙均勻的交流電機一臺兩極氣隙均勻的交流電機, ,一個整距繞組一個整距繞組通入交流電流通入交流電流, ,線圈磁動勢在某瞬間的分布線圈磁動勢在某瞬間的分布(fnb)(fnb)如圖如圖, ,由全電流定律得由全電流定律得: :iNiHdly4.64.6通有正弦通有正弦(zhngxin)(zhngxin)電流時單相繞組的電流時單相繞組的磁動勢磁動勢第39頁/共70頁第四

17、十頁，共70頁。第40頁/共70頁第四十一頁，共70頁。 忽略鐵心磁阻忽略鐵心磁阻, ,磁動勢完全降落磁動勢完全降落(jinglu)(jinglu)在兩個氣隙上在兩個氣隙上. .每個氣隙的磁每個氣隙的磁動勢為動勢為: :ttyyyyycosFcosIN21iN21fm 空間分布空間分布(fnb)(fnb)為矩形波為矩形波, ,隨時間按正弦隨時間按正弦規(guī)律變化規(guī)律變化. .變化頻率為電流頻率。變化頻率為電流頻率。 空間空間(kngjin)位置不變而幅值和方向隨時間變化的磁動勢稱為脈動磁位置不變而幅值和方向隨時間變化的磁動勢稱為脈動磁動勢。動勢。第41頁/共70頁第四十二頁，共70頁。矩形矩形(j

18、xng)(jxng)波磁通勢分解波磁通勢分解成基波及諧波分量成基波及諧波分量第42頁/共70頁第四十三頁，共70頁。第43頁/共70頁第四十四頁，共70頁。一相繞組(roz)的磁動勢為swipNkfcos2411則單相繞組(roz)的基波磁動勢為tFtIpNktfsswscoscoscoscos224),(111式中， 單相繞組(roz)基波磁動勢的幅值，1F111119 . 0224IpNkIpNkFww一相繞組的磁動勢為第44頁/共70頁第四十五頁，共70頁。 單相繞組的基波磁動勢在空間隨角按余弦單相繞組的基波磁動勢在空間隨角按余弦(yxin)規(guī)規(guī)律律 單相繞組的基波單相繞組的基波(j b

19、)磁動勢為脈振磁動勢，其脈振頻磁動勢為脈振磁動勢，其脈振頻率率 取決于電流(dinli)的頻率。分布，在時間上隨按余弦規(guī)律脈振。第45頁/共70頁第四十六頁，共70頁。第46頁/共70頁第四十七頁，共70頁。矩形矩形(jxng)(jxng)波磁動勢可能分解為基波和一系列高次波磁動勢可能分解為基波和一系列高次諧波諧波: :133yyyyftFtFtFt( , )coscoscoscos.coscos.基波基波(j (j b)b)磁動勢為磁動勢為: :1420 92yyyFN I. N I 11yyftFt( , )coscos基波基波(j b)(j b)磁動勢磁動勢最大值為最大值為: : 整距繞

20、組基波磁動勢在空間按余弦分布，幅值位于繞組軸線，空間整距繞組基波磁動勢在空間按余弦分布，幅值位于繞組軸線，空間每一點的磁動勢大小按正弦規(guī)律變化每一點的磁動勢大小按正弦規(guī)律變化仍然為仍然為脈動磁動勢脈動磁動勢。第47頁/共70頁第四十八頁，共70頁。單相(dn xin)脈動磁動勢的分解即一個脈動磁動勢可以分解成兩個幅值大小即一個脈動磁動勢可以分解成兩個幅值大小(dxio)相等的磁動勢。相等的磁動勢。ttt1111111122+-f ( ,t) F coscosF cos()F cos()= f ( ,t)+ f ( ,t)先分析)cos(21),(11tFtf取幅值點分析2t;22,0?t; 0

21、,2?t;22, ?txt)(x,f1p22第48頁/共70頁第四十九頁，共70頁?？梢?kjin)(1)(1)單相繞組的基波磁動勢為脈動單相繞組的基波磁動勢為脈動, ,它可以分解為大小它可以分解為大小(dxio)(dxio)相相等、轉(zhuǎn)速相同而轉(zhuǎn)向相反的兩個旋轉(zhuǎn)磁場。等、轉(zhuǎn)速相同而轉(zhuǎn)向相反的兩個旋轉(zhuǎn)磁場。(2)(2)反之反之(fnzh),(fnzh),滿足上述性質(zhì)的兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢的合滿足上述性質(zhì)的兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢的合成即為脈動磁動勢。成即為脈動磁動勢。（3）由于正方向或反方向的旋轉(zhuǎn)磁動勢在旋轉(zhuǎn)過程中，大）由于正方向或反方向的旋轉(zhuǎn)磁動勢在旋轉(zhuǎn)過程中，大小不變，兩矢量頂點的軌跡為一圓形，所以這兩個磁

22、動勢為小不變，兩矢量頂點的軌跡為一圓形，所以這兩個磁動勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。第49頁/共70頁第五十頁，共70頁。+jI第50頁/共70頁第五十一頁，共70頁。三相三相(sn xin)的合成的合成磁動勢：磁動勢： 取取A A相繞組軸線位置作為相繞組軸線位置作為(zuwi)(zuwi)空間坐標原點、以相序的方向作空間坐標原點、以相序的方向作為為(zuwi)x(zuwi)x的參考方向、的參考方向、A A相電流為零時作為相電流為零時作為(zuwi)(zuwi)時間起點，則時間起點，則三相基波磁動勢為：三相基波磁動勢為：)34cos(21)cos(21)32cos()32cos()34c

23、os(21)cos(21)32cos()32cos()cos(21)cos(21coscos111111111111tFtFtFftFtFtFftFtFtFfCBA11132f (,t) =Fcos(t-) = F cos(t-)可見可見(kjin)：三相合成磁動勢也是一個圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢：三相合成磁動勢也是一個圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。 交流電機三相對稱繞組交流電機三相對稱繞組, , 通入三相對稱電流，磁動勢是三相的合通入三相對稱電流，磁動勢是三相的合成磁動勢。成磁動勢。 4.7 4.7 通有三相電流時三相繞組的磁動勢通有三相電流時三相繞組的磁動勢第51頁/共70頁第五十二頁，共70頁。 產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁

24、動勢的條件：一是三相(sn xin)或多相對稱繞組；二是三相(sn xin)或多相對稱電流。兩個條件有一個不滿足，即產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。 三相對稱繞組通入三相對稱電流，產(chǎn)生的基波(j b)合成磁動勢是一個幅值恒定不變的圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，它有以下主要性質(zhì)(1)(1)幅值是單相幅值是單相(dn xin(dn xin) )脈動磁動勢最大脈動磁動勢最大幅值的幅值的3/23/2倍。倍。(2)(2)轉(zhuǎn)向由電流相序決定轉(zhuǎn)向由電流相序決定, ,從載有超前電流相轉(zhuǎn)到載有滯后電流相從載有超前電流相轉(zhuǎn)到載有滯后電流相. .(3)(3)轉(zhuǎn)速決定于電流的頻率和電機的磁極對數(shù)轉(zhuǎn)速決定于電流的頻率和電機的磁極對數(shù)pfn60

25、1(4)(4)當某相電流達最大值時當某相電流達最大值時, ,旋轉(zhuǎn)磁動勢的波幅位置剛好轉(zhuǎn)到該相旋轉(zhuǎn)磁動勢的波幅位置剛好轉(zhuǎn)到該相繞組的軸線位置上繞組的軸線位置上第52頁/共70頁第五十三頁，共70頁。三相繞組基波(j b)合成磁動勢為)cos(),(11sstFtf式中， 三相繞組(roz)基波磁動勢的幅值。1FIpNkIpNkFFww111135. 19 . 02323第53頁/共70頁第五十四頁，共70頁。 為了分析旋轉(zhuǎn)為了分析旋轉(zhuǎn)(xunzhun)(xunzhun)磁動勢的旋轉(zhuǎn)磁動勢的旋轉(zhuǎn)(xunzhun)(xunzhun)方方向，設三相對稱電流按余弦規(guī)律變化，向，設三相對稱電流按余弦規(guī)律變

26、化，U U 相電流最大時為計時相電流最大時為計時點，電流取首進尾出為正，電流波形和各時刻旋轉(zhuǎn)點，電流取首進尾出為正，電流波形和各時刻旋轉(zhuǎn)(xunzhun)(xunzhun)磁動勢的位置如圖所示：磁動勢的位置如圖所示：U2U1W2V1W1V21n第54頁/共70頁第五十五頁，共70頁。用圖解法分析用圖解法分析不同時刻不同時刻(shk)三相合成磁三相合成磁動勢動勢 合成磁動勢的轉(zhuǎn)向合成磁動勢的轉(zhuǎn)向(zhunxing)是從載有超前電流的相轉(zhuǎn)到載有滯后是從載有超前電流的相轉(zhuǎn)到載有滯后電流的相。電流的相。第55頁/共70頁第五十六頁，共70頁。CI+jBIAI+A0+B+C第56頁/共70頁第五十七頁，

27、共70頁。三相繞組的合成r次諧波(xi b)磁動勢由諧波(xi b)磁動勢在氣隙中建立各自的諧波(xi b)磁場為：對稱三相系統(tǒng)中不存在3的奇數(shù)次倍諧波(xi b)磁動。cos()fFt( , )cos()mBtBt)240cos()240cos()120cos()120cos(coscostFftFftFfCBA第57頁/共70頁第五十八頁，共70頁。第58頁/共70頁第五十九頁，共70頁。第59頁/共70頁第六十頁，共70頁。11qqkF1qFy1q11qkqFFy1 1、整距分布、整距分布(fnb)(fnb)線圈組的線圈組的磁動勢磁動勢 r r次諧波次諧波(xi b)(xi b)脈振磁動

28、勢的最大振幅為：脈振磁動勢的最大振幅為： 每個繞組由每個繞組由q q 個線圈串聯(lián)構(gòu)成，依次在定子圓周空間錯開槽距個線圈串聯(lián)構(gòu)成，依次在定子圓周空間錯開槽距角角,繞組的基波磁動勢為繞組的基波磁動勢為q q個線圈基波磁動勢的空間矢量和：個線圈基波磁動勢的空間矢量和：2sin2sinqqkq第60頁/共70頁第六十一頁，共70頁。2.2.雙層短距分布雙層短距分布(fnb)(fnb)繞組的磁動勢繞組的磁動勢 雙層短距分布繞組的基波雙層短距分布繞組的基波(j b)磁動勢為兩個等效繞組基波磁動勢為兩個等效繞組基波(j b)磁磁動勢的相量和，用短距系數(shù)計及繞組短距的影響：動勢的相量和，用短距系數(shù)計及繞組短距的影響：Ikk)qN2(0.9kF2F1q1y