2-交流电机理论的共同部分

第二部分交流电机理论的共同部分1.传统交流绕组的基本要求(1)绕组产生的电动势（磁动势）接近正弦波。(2)三相绕组的基波电动势（磁动势)必须对称。(3)在导体数一定时能获得较大的基波电动势（磁动势）。图示为一台交流发电机定子槽内导体沿圆周分布情况，定子槽Z＝36，磁极数2p＝4，已励磁的磁极由原动机拖动以转速nl逆时针旋转。假设磁场在空间正弦分布。2.槽电动势星形图（2）槽距电角——相邻两槽之间的电角度导体每转过一对磁极，电动势变化一个周期。（1）槽距角——相邻两槽之间的机械角度o360Z11p在一对磁极范围内，电气角度等于。对于p对磁极，电气角度等于。因此o360o360p上例：oo1221020ooo3603601036Z上例：槽1导体电动势相量用相量1表示，槽2导体电动势相量2比相量1滞后20°电角度。相量3比相量2滞后20°电角度，依次类推，可以给出36个槽导体的电动势相星，组成一个星形，称为槽电动势星形图。显然，各槽导体感应电动势大小相等，在时间相位上彼此相差20°电角度。最简单的办法就是将星形图圆周分三等分，每等分l20°(称为120°相带）。将每个相带内的所有导体电动势相量正向串联起来，得到相电动势，显然三相绕组的相电动势是对称的。利用槽电动势星形图分相可以保证三相绕组电动势的对称性。•采用120°相带虽然能保证三相绕组对称。但在一个相带内的所有相量分布比较分散，各相量相加后的合成相量较小，即合成电动势较小。因此一般不采用120°相带。•工程上通常采用60°相带。60°相带这样来分相：将槽电动势星形分为6等分，每等分60°相带。A、B、C三个相带中心线依次相距120°，X相带中心线与A相带中心线相距180°。同样，Y相带中心线与B相带中心线相距180°，Z相带中心线与C相带中心线相距180°。采用60°相带可获得较大的基波电势。槽电动势星形图（60°相带）3.绘制电机绕组展开图时的术语（1）极距τ:一个极在电机定子圆周上所跨的距离，一般以槽数计。（2）节距y1：一个线圈的两边在定子圆周上所跨的距离，一般以槽数计。y1＝τ称为整距；y1＜τ称为短距；y1＞τ称为长距。2Zp（3）每极每相槽数q：整个电机定子中每相在每个极下所占有的槽数，亦称为极相组。2Zqpm当q为整数时，称为整数槽绕组。当q非整数时，称为分数槽绕组。4.绘制电机绕组展开图的步骤(1)绘槽电动势星形图；(2)分相，即分相带（一般为60°相带）；(3)绘制电机绕组展开图。绘绕组展开图就是根据星形图上分相的结果，把用于各相的导体按一定规律连接起来，组成三相绕组。绘展开图时，把电枢从上面齿中心沿抽向剖开，展成一平面，磁极在上面。由于原来编号是沿反时针编的，故展开后按自左至右编号。编号的原则是线圈和线圈的上层边所在的槽编为同一号码。4.单层绕组•单层绕组每槽只有一个线圈边，所以线圈数等于槽数的一半。•单层绕组每槽只有一个线圈边、结构和嵌线较简单，适用于10kW以下的小型交流电机。•当各相所属的槽号(即所分得相带圈边)确定后，只要按电动势相加的原则进行连接，连接的先后次序和各圈边之间的相互搭配并不影响合成电动势大小，实际中圈边之间不同的连接组成的绕组形式也不同。•单层绕组通常有链式、交叉式、同心式和等元件。•采用何种绕组形式，与极对数p和每极每相槽数q有关，要有利于节省用铜量、并使嵌线方便等。（1）等元件单层绕组（实际中不用）Z＝24，m＝3，2p＝4，q=2（2）链式单层绕组Z＝24，m＝3，2p＝4，q=2（3）交叉式单层绕组Z＝36，m＝3，2p＝4，q=3（4）同心式单层绕组Z＝24，m＝3，2p＝2,q=45.双层绕组•双层绕组的线圈数等于槽数。每个槽有上下两层。线圈的一个边放在一个槽的上层，另外一个边则放在相隔y1槽的下层。•双层绕组有叠绕和波绕两种，只讨论三相双层叠绕组的构成。•在双层绕组中，上层线圈边的电动势星形图与槽电动势星形图完全相同。下层线圈边的位置取决于线圈的节距y1。若把各个线圈的上层边电动势矢量与下层边电动势矢量相减，便得各线圈的电动势矢量，它们也构成一个电动势星形图，相邻两矢量间相位差也是。所以在双层绕组里，槽电动势星形图中的每一个矢量既可以假定为槽内上层线圈边的电动势矢量，也可以假定为一个线圈的电动势矢量。在下面的分析中就是把它看成一个线圈的电动势矢量，如矢量l是上层边嵌于槽1的线圈的电动势矢量。1双层叠绕组Z＝36，m＝3，2p＝4,q=3，y1＝7，a＝26.在正弦分布磁场下的绕组电动势讨论励磁磁动势在气隙中形成正弦波磁场的情况。（1）导体电动势1()sinmBθBθ1112cmEBlv1260nvpτ160pnf11012sindavmmBBθθB1avΦBτl112mΦBτl11122.222cEfΦfΦ1cE（2）匝电动势、短距系数1tE1yk111211yjtcccEEEEe1112sin2tcyEE1112|ytcEE1111sin22tycEykE11111124.44yctcycyENENkfΦNkfΦNc匝线圈基波电动势单层绕组是整距绕组对于单层绕组来说，如链式、同心式、交叉式绕组实际端部短距了，但只是改变了各相绕组所分得相带的导体的先后连接的次序。它们仍然属于整距绕组1yk（3）线圈组电动势•1112(-1)111jjjqqyEEeee（5）绕组系数111111111sinsin22sinsin22qyyyqqqEEqEqEkq111sin2sin2qqkq1111114.444.44qcyqcNEqNkkfΦqNkΦ111Nyqkkk（4）分布系数（6）相电动势电机每相绕组有a条并联支路、每条支路有c个极相组串联而成。由于每个极相组的感应电动势相量相等，故相电动势的有效值为11qEcE114.44NfNkΦcNcqNN代表一相绕组中一条支路串联的匝数，称为相绕组的串联匝数。N＝(整个电机绕组总匝数)/(3a)•双层电机整个电机绕组总匝数＝•单层电机整个电机绕组总匝数＝cZN12cZN()cNpaqN(2)cNpaqN7.相电动势与相磁通的相位关系同样满足电磁感应定律ddΦet8.在非正弦分布磁场下电动势中的高次谐波在同步电机中，磁极磁场沿电枢表面得分布一般呈平顶波。磁密波对磁极中心线对称，磁密的空间谐波中就只有奇次谐波，即v=1、3、5、7、9……,pp1,,nn1ff4.44ΦNENkfΦNyqkkk1sin2yyk11sin2sin2qqkq2222235135122114.44,1ΦΦΦNΦΦΦΦΦΦΦEEENkfΦEEEEEEE＝9.在非正弦分布磁场下电动势中的高次谐波削弱方法(1)使气隙中磁场分布尽可能接近正弦波。(2)采用对称的三相绕组。三相3次谐波电动势之间在相位上彼此相差3×l20O＝360O。若三相绕组接成星形，则线电动势中3次谐波被抵销。若三相绕组接成三角形，则三相绕组中3次谐波电动势同相位、同大小，在闭合的三角形回路中产生环流，相当于短路，仅在各相绕组中产生短路压降。(3)采用短距绕组(4)采用分布绕组•10.齿谐波电动势对同步发电机空载电动势进行谐波分析表明，电动势的高次谐波中以次数为的谐波较强。特别是在每极每相槽数q为整数的、气隙较小的小型同步发电机中，这种谐波电动势比较强，致使电动势波形出现锯齿形。次数为次谐波有一个突出特点，就是这种谐波的绕组系数正好与基波的绕组系数相等。121Zpmq1Zp111(21)11sin(21)sinsin222ymqyyyykmqyk111(21)1111sinsin21sin222sin21sinsin222qmqqqqqqmqkkqmqqqq1(1)ZNNkpkk11.齿谐波电动势的削弱方法①采用磁性槽楔或半闭口槽减小由于槽开口而引起的气隙磁导变化。②采用斜槽削弱齿谐波电动势。此法用在中小型感应电机及小型同步电机中，一般斜一个定子齿距。斜槽以后，同一根导体内各点所感应的齿谐波电动势相位不同，可以大部分互相抵消而使导体总电动势中的齿谐波大为削弱。同理，斜槽对基波电动势和其它谐波电动势也起削弱作用，只是削弱程度有所不同。为计及这一影响，计算电动势时还应乘以斜槽系数。对于中、大型电机斜槽导致工艺困难，在凸极同步电机中，也可采用斜极或把极靴分段错位。③采用分数槽绕组是一种很有效的削弱齿谐波电动势的方法，在水轮发电机和低速同步电机中得到了广泛的应用。其作用原理与斜槽相似。对整数槽绕组，q等于整数，这时每个线圈组在磁极下处于相同的相对位置，各个线圈组中的齿谐波电动势同相位，它们直接相加，使相电动势中有很强的齿谐波。但对分数槽绕组，q不等于整数，磁极下各相带所占槽数不同，有的多一个槽，有的少一个槽，因此各线圈组在磁极下处于不同的相对位置，各个线圈组内的齿谐波电动势不同相位，各线圈组的齿谐波电动势是矢量相加，可以大部分互相抵消，从而使相绕组中的齿谐波电动势大为削弱。12.分数槽绕组在大容量低速电机中，极数很多，由于槽数的限制，每极每相槽数q不可能太多。这时，若采用较小的q值，一方面不能利用分布效应来削弱由于磁极磁场的非正弦分布所感应的谐波电动势，另一方面也使齿谐波电动势的次数较低而幅值较大。在这种情况下，若采用每极每相槽数q等于分数的绕组，即分数槽绕组，便能得到较好的电动势波形。式中b为整数，c/d为不可约的。事实上，每相在每极下所占的槽数只能是整数，不能是分数，因此，分数槽绕组实际上是每相在每极下所占的槽数不相等，有的多一个槽，有的少一个槽，而q是一个平均值。2Zcqbpmd分数槽绕组的连接法例：Z＝30，2p＝4，m＝3，y1＝6，双层绕组。2Zqpm3012223201360pZ0023602430按60o相带分相Z＝30，2p＝4，m＝3，y1＝6，双层分数槽绕组与Z＝30，2p’＝2，m＝3，双层整数槽绕组等效。0112242q，＝''3052213Zqpm0036012pZ''1＝结论任何一个m相对称的双层分数槽绕组在计算基波电动势时，它和具有同样槽数，但q’等于原来分数q的分子（即q’＝N），极对数p’等于用原来分数q的分母去除原来的极对数（即p’＝p/d）的整数槽绕组是等效的。cNqbdd''1''sinsin22sinsin22qqmkNqmNsin2sin2qmkNmN因Nq，所以在分数槽绕组中，虽然实际上每极每相槽数q很小，但却有很大的分布作用。如q＝2时，实际上每极每相槽数不到3，而在分布效果上却相当于q’＝bd＋c＝2×17＋16＝50，因此，能有效地削弱由空间谐波磁场所引起的高次谐波电动势。由于对称关系，磁极磁场不存在偶次和分数谐波。因此只需注意奇次谐波。在整数槽绕组中，2mqk1都等于奇数，所有的齿谐波电动势都存在，当然以2mq1次最强。但在分数槽绕组中，d/m整数，可以证明2mq1奇数，因此把最强的齿谐波电动势消除了。这时只有k＝d才能使2mqk1＝奇数，因此把存在的齿谐波电动势的阶次提高到k＝d阶，即2mqd1次，而阶次越高则相应的齿谐波磁场越弱，q的分母d越大，削弱效应越强。161713.交流绕组的磁动势图是交流电机定子电流建立的磁场及其磁路。由图可见，磁通可分成两部分，一部分与定、转子绕组同时相交链，称为气隙磁通，是电机进行机电能量转换的媒介。另一部分仅与定子绕组相交链，称为漏磁通。气隙磁通的路径是：从定子磁轭经过定子齿、空