第4章交流绕组的理论 2013

第4章交流电机理论的基本问题交流绕组基本概念交流绕组的电动势交流绕组的磁动势交流电机的共同问题•交流电机：产生或使用交流电能的旋转电机。•两大类：同步电机(synchronousmachines)——转子速度等于同步速异步电机(asynchronousmachines)——转子速度不等于同步速(synchronousspeed)同步速——旋转磁场的转速交流电机异步电机同步电机两类交流电机的定子绕组结构形式是相同的，主要区别在于其转子结构不同，工作原理、励磁方式和性能也有所不同。交流电机的共同问题但定子绕组的构成、定子感应电动势和磁动势的性质相同，分析方法也是相同.这就是交流电机的共同问题。交流电机定子冲片与铁心定子线圈4.1交流绕组的构成原则和分类（1）绕组产生的电动势（磁动势）接近正弦，且幅值要大幻灯片7。（2）三相绕组的各相基波电动势（磁动势）和磁动势必须对称，电阻、电抗要平衡。（3）绕组的铜耗要小，用铜量要省；（4）绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。交流绕组的构成原则在一个主极下，气隙磁密呈正弦分布导体中的感应电动势导体在定子上，固定不动，磁场随转子而旋转每根导体感应的电动势是正弦所有导体的感应电动势幅值相等，但在时间上相差一个相位角cmeBcoslv相邻两根导体之间相差一个角度例：三相同步电机（p=1)•定子、转子、空气隙(airgap)定子上嵌放有对称的三相绕组a-x、b-y、c-z，转子绕组通以直流电流形成分布磁场，匝链定子上的各相绕组。对称是指各相绕组的匝数相等，空间位置彼此相距(apart)120°•设转子以恒定速度旋转,设磁场在气隙中按正弦分布;•定子绕组中所匝链的磁通(magneticflux)按正弦规律变化，其感应电势按正弦规律变化。•由于各相匝数(turnnumber)相等，从而各相电势的大小相等，由于各相绕组空间分布彼此相距120°，从而三相电势时间相位差120°——满足了三相电势对称要求。交流绕组的分类•按相数分：单相和多相绕组；•按槽内层数分：单层和双导绕组；•按每极每相槽数：整数槽和分数槽；•按绕法：单层绕组可分为同心式、链式和交叉式绕组，双层绕组分为叠绕组和波绕组。交流绕组的构成原则均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等。对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开120电角度。电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。•如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。•绕组：按一定规律排列和连接的线圈的总称元件element(线圈coil)交流绕组的基本概念术语1：电角度(electricaldegree)•磁场每转过一对磁极，电势变化一个周期，称为（一个周期）360°电角度。在电机中一对磁极所对应的角度定义为360°电角度。（几何上，把一圆周所对应的角度定义为360°机械角度。）•磁极对数为p圆周机械角度为360°电角度为p*360°术语2：相带(phasedomain)•为了三相绕组对称，在每个极面下每相绕组应占有相等的范围——相带。•每个极对应于180°电角度，如电机有m相，则每个相带占有电角度。•三相电机m＝3，其相带为60°，按60°相带排列的绕组称为60°相带绕组。m180•另一种方法是把每对极面所占范围均匀分为三等分，使每个相带占有,称为120度相带。•一般采用60度相带。术语2：相带0360120360°相带绕组把每对极所对应的定子槽等分为六个等分。依次称为a、c‘、b、a’、c、b‘相带，各相绕组放在各自的相带范围内。术语3：每极每相槽数q(numberofslotperphaseandpole)•每个极面下每相占有的槽数。已知总槽数Q、极对数p和相数m为，则•q1——分布绕组(distributedwinding)•整数槽绕组——q为整数(integer)•分数槽绕组——q为分数(fraction)2Qqpm术语4：槽距角(slotpitchangle)•相邻两槽中心线之间的电角度•已知总槽数Z、极对数(polepairs)p圆周的电角度*360pQ()()p电角度机械角度术语5：极距(polepitch)τ•相邻两磁极对应位置两点之间的圆周距离几何尺寸——每极所对应的定子内圆弧长设D为定子内圆直径。•槽数表示极距：pD22Qp术语6：节距y(跨距spanpitch)•表示元件的宽度。元件放在槽内，其宽度可用元件两边所跨越的槽数表示。槽导体电势星形图：把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电势分别用矢量表示，构成一辐射星形图导体1、2分别与13、14相距360度电角度，导体电势时间上同相位（重合）导体1、2分别与7、8相距180度，导体电势在时间上反相位。有p对极，就有p个星形相量图相重合！60º相带把定子圆周六等分，把每一等分中的导体正向串联，形成一个线圈组。把两个相差180º电角度的线圈组反向串联，形成一相。分相——在电动势星形图上划分各相所属的槽号分相的原则：每相电动势最大，且三相对称。120º相带把定子圆周三等分，把每一等分中的导体正向串联，形成一相。每相电动势大小相等，相位相差120º，因此是三相对称的。每等分占定子圆120º，因此叫120º相带。120º相带与60º相带比较采用60º相带可得到较大的相感应电动势4.2三相双层绕组(two-layerswinding)•双层——每槽中有两个元件边，分为上下两层放置。靠近槽口的为上层，靠近槽底部为下层。每个元件均有一个边放在上层，一个边放在另一槽的下层，相隔距离取决于节距。•元件的总数等于槽数，每相元件数即为槽数的1/3。•双层绕组的主要优点是（1）可以选择最有利的节距，同时采用分布绕组，来改善电动势和磁动势的波形；（2）所有线圈具有相同的尺寸，便于制造；（3）端部形状排列整齐，有利于散热和增加机械强度。•分极分相:应符合均匀原则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。连线圈和线圈组：应符合电势相加原则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q个线圈连成一个线圈组——极相组。构造方法和步骤（举例：Z1=24,2p=4,整距,m=3)每相有2p个极相组，总共2m*p个极相组。连相绕组（电势相加原则）：将属于同一相的2p个线圈组通过串联或并联连成一相绕组，并标记首尾端。按照同样的方法构造其他两相。•连三相绕组：△接法或者Y接法将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组。以叠绕组为例画出三相双层绕组展开图已知一交流电机定子槽数Q=36，极数2p=4，并联支路a=2（1）计算节距双层绕组都采用短距绕组Z92p1y7（2）绘制槽电动势星形图三相双层绕组有叠绕组和波绕组之分，叠绕组和波绕组的连接规律与直流电机中的一样。交流电机叠绕组和直流电机叠绕组的区别在于：交流电机需要分相，即将同一个极下的线圈分成三相，然后将属于同一相同一个极下的线圈串联起来形成一个极相组。另外，直流电机的线圈是通过换向片连接起来的，而交流电机的线圈端部是通过并头套连接起来的。AZBXCY图4－2三相双层绕组的槽电动势星形图(36,24)Qp相带槽号极对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第一对极下（1槽~18槽）第二对极下（19槽~36槽）各个相带的槽号分布（3）分相-1-2-3--10-11-12--19-20-21--28-29-30-图：A相绕组线圈的连接图（一条并联支路）1—2—319—20—2110—11—1228—29—30A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）1A1X2A2XXXAA1A1X2A2X（4）确定并联支路1357911131517192123252729313335123101112192021282930NNSS图4-4三相双层叠绕组的A绕组的展开图4.3三相单层绕组(singlelayerwinding)•单层——每槽中只放置一层元件边，元件数等于槽数的一半，无需层间绝缘，结构和嵌线较简单•单层绕组只适用于10kW以下的小型异步电动机，其极对数通常是p＝l,2,3,4•单层绕组通常有等元件、链式、交叉式和同心式等四种不同排列方式单层绕组：构造方法和步骤(steps)•分极分相:符合均匀原则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。将每个极的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。•连线圈和线圈组：接应符合电势相加原则将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组。单层绕组：构造方法和步骤•连相绕组：电势相加原则将属于同一相的p个线圈组通过串联或并联，连成一相绕组，并标记首尾端。•连三相绕组：△接法或者Y接法将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组极对相带ac’ba’cb’第一对极1,23,45,67,89,1011,12第二对极13,1415,1617,1819,2021,2223,24例如：相数m＝3，极数2p＝4，槽数Q＝24•每极每相槽数q＝＝2•槽距角＝=30°•极距=Z/2p=24/4=62QpmZp360**连成三相绕组说明•属于a相8个槽，即l、2、7、8、13、14、19、20；2对极，每相每对极下一个元件组，1—7—2—8，13一19一14—20。•根据槽导体电势星形图，按电势相加原则构成元件，每相每对极可以连接成一个元件组。•元件组之间可串联或并联形成不同并联支路数•单层绕组每相有p个元件组，如串联方式连接，则并联支路a＝1，相电势E=pEq，相电流I＝Ic。每相功率P＝EI＝pEqIc。其它绕组形式•由以上分析可知：各相所属的槽号（即线圈边）确定后，只要按电动势分相中的原则进行连接，其连接的先后次序和各圈边之间的相互搭配并不影响其电动势大小。•实际情况中，圈边之间不同的连接组成的绕组形式也不相同，单层绕组有链式、交叉式、同心式和等元件。•采用何种绕组形式，与极对数p和每相每极槽数q有关，并有利于节省用铜量、并使嵌线方便等。1、链式绕组：适用于q=2，p＞1的小型异步电机。例如m＝3，p＝2，Q=24，q＝2，a=30°65y•属于a相8个元件l、2、7、8、13、14、19、20组成的4个线圈接成2-7，8-13，14-19，20-1，与上述等元件的相电动势或磁动势的性质和大小相同，但链式绕组的端部接线较短，可节省铜线。•链式绕组的每个元件都是短距。从相电势和磁势角度看——具有整距性质2、交叉式绕组(crosswinding)•交叉式绕组适用于q＝3的小型异步电机例如：m＝3，p=2，q＝3。定子槽数Q=2mpq=2*3*2*3＝36槽距角a=p*360/Q=20°•属于a相的元件有第一对极下的1、2、3、10、ll、12，第二对极下的19、20、21、28、29、30共12个元件边y=8y=7•2—10，3—11相连，是节距为8的（大）线圈•12—19相连，节距为7的（小）线圈•20—28，21—29相连，节距为8的大线圈•30—1相连，节距为7的小线圈。依次二大一小交叉布置为交叉式绕组•属于a相的元件有第一对极下的1、2、3、10、ll、12，第二对极下的19、20、21、28、29、30共12个元件边•b相和c相的连接规律与a相完全一样，a=20°，相间相差6个槽。如第2槽为a相首端，则b相首端是第8槽，c相首端是第14槽。三、同心式绕组•对于p＝l的小型三相异步电动机和单相异步电动机，每极每相槽数q较大，采用同心式绕组嵌线。•例如：m＝3，p=2，q＝2。则定子槽数Q=2mpq＝2*3*2*2＝24，槽距角a＝30°•属于a相的有8个元件边1、2、7、8、13、14、19、20，