电气 第四章 交流电机理论的共同问题

1第四章交流电机理论的共同问题§4.1交流绕组的构成原则和分类§4.2三相双层绕组§4.3三相单层绕组§4.4正弦磁场下交流绕组的感应电动势§4.5感应电动势中的高次谐波§4.6通有正弦交流电时单相绕组的磁动势§4.7通有对称的三相电流时三相绕组的磁动势背景介绍交流旋转电机分两大类：1.同步电机：主要用作发电机2.异步电机（感应电机）：主要用作电动机背景介绍同步电机与异步电机的区别主要体现在励磁方式和运行特性两个方面。两类电机虽然存在着很大差别，但是电机内部发生的电磁现象和机电能量转换的原理却基本上是相同的，因此存在许多共性的问题，可以统一起来进行研究。本章主要讨论交流电机电枢绕组、电动势及磁动势等问题。这些问题对以后分别研究异步电机和同步电机的运行性能有着重要的意义。旋转电机的基本结构旋转电机的结构转子定子空气隙铁芯：构成磁的通路绕组：构成电的通路•励磁绕组：通产生磁场的电流•电枢绕组：通传递能量的电流电枢绕组是电机中机电能量转换的关键部分，直流电机的电枢指转子部分，交流电机的电枢是指定子部分。本章主要介绍交流电机的电枢绕组（交流绕组）1.交流绕组产生的合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦波形，幅值要大。2.三相绕组对称，即其产生的三相感应电动势对称，三相感应电动势幅值相等，相位互差120°电角度。3.绕组的铜耗要小，用铜量要省。4.绝缘要可靠、机械强度高、散热条件好、制造方便。1、构成原则§4.1交流绕组的构成原则和分类按相数分为：单相、三相、多相按槽内层数分为：单层（同心式、链式、交叉式）、双层（叠绕组、波绕组）、单双层每极每相槽数q：整数槽、分数槽2、交流绕组的分类3、基本概念1y1y1y一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。整距绕组=τ，短距绕组τ。1.线圈和线圈节距:2.极距τ：22DQpp或3.电角度：从电磁角度看，一对N、S极构成一个磁场周期，即一对磁极为电角度，如果电机的极对数为p，则整个定子内圆电角度为：03600360p电角度计量电磁关系的角度称为电角度（电气角度）。电机圆周在几何上占有角度为360°，称为机械角度。而从电磁方面看，一对磁极占有空间电角度为360°。一般而言，对于p对极电机：电角度＝p×机械角度4.每极每相槽数q:2Qqpm每一个极面下每相所占的槽数为Q为槽数，p为极对数，m为相数5.槽距角α：0360pQ相邻两个槽之间的电角度：6.相带：如：60度相带——将一个磁极分成m份，每份所占电角度。120度相带——将一对磁极分成m份，每份所占电角度每个磁极下每相绕组连续占有的电角度qα称为绕组的相带。m为相数每极每相槽数q分析：把每极下的电枢表面分为三等分，每相占一等分，故称每一等分为一个相带。由于一对磁极的范围是360°电角度，每个磁极的范围便是180°电角度，每一相带相当于180°/m=180°/3=60°电角度，故称为60°相带。7.极相组（线圈组）——将一个磁极下属于同一相（即一个相带）的q个线圈，按照一定方式串联成一组，称为极相组。8.线圈组数=线圈个数/q9.并联支路数a10.槽电动势星形图：画出所有槽内导体电动势相量图，这些相量构成一个辐射星形图，既是槽电动势星形图。由于交流绕组内的感应电动势通常为正弦交流电动势，故可用相量来表示和运算。当把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电动势分别用相量来表示。相邻两个槽在空间上互差α电角度，则相邻两槽在时间上互差α电角度。对于三相双层绕组，电动势星形图一根相量代表一个线圈的电动势；对于三相单层绕组，电动势星形图一根相量代表一根导体的电动势。⑴每个槽内放置上下两个线圈边⑵线圈个数等于槽数Q（定子）(3)线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数(4)每相绕组的电动势等于每条支路的电动势特点§4.2三相双层绕组双层绕组常用在10KW以上的三相交流电机中⑴可采用短距绕组，改善电动势、磁动势的波形⑵线圈尺寸相同，便于绕制⑶端部排列整齐，利于散热机械强度高优点⑴叠绕组——相邻两个串联绕组中，后一个绕组叠加在前一个线圈上⑵波绕组——两个相连接的线圈成波浪式前进双层绕组分类以三相、四极、36槽的定子为例，来分析槽内导体的感应电动势及相带划分：0036020pQ槽电动势星形图和相带划分（6步）（1）计算槽距角（2）画电动势星形相量图假定所有线圈以上层边来编号，并与槽号一致，则槽电动势星形图与线圈电动势星形图一致，如下图所示。第一对磁极：1—18槽第二对磁极：19—36槽32Qqpm如图4－2表示36槽内导体感应电动势的相量图，亦称为槽电动势星形图。（3）计算每极每相槽数图4－2三相双层绕组的槽电动势（4）相带及其划分本例中，按60°相带法进行分相。60度相带——将一个磁极分成m份，每份所占电角度。A相带：1，2，319，20，21X相带（A负相带）：10，11，1228，29，30A和X构成A相绕组表4－1各个相带的槽号分配（相带）60o图4－4三相双层叠绕组中的A相绕组的展开图36,24Qp92Qp118yy，短距（5）绘制绕组展开图（A相）三相双层叠绕组A1A2X1X221012极相组A的电动势、电流方向与极相组X的电动势电流方向相反，为避免电动势或电流所形成的磁场互相抵消，串联时应将极相组A和极相X组反向串联.A相绕组线圈的连接图(一条并联支路)（6）确定并联支路数+_+___++A相带：1，2，319，20，21X相带（A负相带）：10，11，1228，29，30A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）§4.3三相单层绕组特点：每槽只有一个线圈边，整个绕组线圈数等于总槽数的1/2嵌线方便，槽的利用率较高不能做成短距（电气性能）波形差单层绕组常用在10KW以下的小型感应电机中单层绕组分类：①同心式②链式③交叉式2412431222QPQmP①同心式同心式绕组由不同节距的同心线圈组成，这些线圈中心重合。244223QqPm以三相两极24槽电机为例说明。适用于q较大的场合。以三相二极24槽定子说明同心式绕组结构组成每极每相槽数：2422223Qqpm0036023603024pQ槽距角：采用60º相带。例：槽数为24槽的3相4极电机单层绕组展开图。②链式链式绕组的线圈具有相同的形状、节距。就整个绕组外形来看，一环套一环，形如长链。链式线圈的节距恒为奇数。极对相带AZBXCY第一对极1，23，45，67，89，1011，12第二对极13，1415，1617，1819，2021，2223，24各相槽号分配如下：可见属于A相的有1、2、7、8、13、14、19、20等8个槽，按照导体电动势相加的原则，由两个导体构成一个线圈，再将一个极面下q个线圈串联，构成一个线圈组，每相有p个线圈组，它们可以串联或并联构成A相绕组。同样的方法可以构成B相和C相绕组。特点：所有线圈都是短距优点：端接部分较短，可以节省铜线较适用于q=2，p1的小型交流电机以三相四极24槽说明链式绕组结构组成(A相)A相带：1，27,8X相带（A负相带）：13,1419,20以三相四极36槽说明交叉式绕组结构组成③交叉式由线圈个数和节距都不同的两种线圈组构成适用于q1，且q为奇数的四极或六极三相小型感应电动机定子中。A相带：1，2，319，20，21X相带（A负相带）：10，11，1228，29，30§4.4正弦磁场下交流绕组的感应电动势引：交流电机基本工作原理①同步电机：常做发电机②异步电机：常做电动机同步发电机的基本原理结构定子：嵌有三相对称绕组（匝数相同，空间位置互差120º）。转子：装有励磁绕组，通上直流电后可以产生恒定磁场，该磁场在气隙中按正弦规律分布（转子的极弧制造成特殊形状）。工作原理：原动机带动转子以恒定的转速旋转，则气隙中的磁场也随转子恒速旋转，相当于定子绕组反向切割磁力线，定子绕组中会产生正弦波形的感应电动势（发电）。转子转过一对磁极，既转子转一周，感应电势就变化一个周期，设转子每分钟转转，若转子有P对磁极，则每分钟内感应电动势变化个周期。npn电动势在1s内所变化的周期数就是电动势的频率f60pnf电动势频率和转速之间保持严格不变的关系，这就是同步发电机的特点。异步电动机的基本原理结构：异步电动机定子结构与同步机相同，转子绕组是一个闭合的绕组。工作原理：定子三相对称绕组通入三相对称交流电时，会在空间产生一个旋转磁场，该磁场的转速称为同步转速160fnp旋转磁场与转子之间有相对运动，该磁场会在转子绕组内感应出电动势及电流，转子的感应电流与气隙旋转磁场相互作用产生电磁转矩，该转矩将驱动转子旋转。将电能转变为机械能。转子转速与旋转磁场的转速不同，既否则不会产生电磁转矩。这就是“异步”的特点n1n1nn一、一根导体的感应电动势a)二极交流发电机b)主极磁场在空间的分布c)导体中感应电动势的波形图4-10气隙磁场正弦分布时导体内的感应电动势NSe1bB1t0e1N01800360bne1定子上图为一台两极交流发电机，定子上放有一根导体，当转子由原动机拖动以后，形成一旋转磁场。定子导体切割该旋转磁场产生感应电势。设主极磁场在气隙内按正弦规律分布，则：1sinBBα：离开原点的电角度111sin2sineBlVBtlVEt112BlvE感应电动势有效值226060nnVDPfQ11012sinavBBdB1112.222fEf二、线圈的感应电动势①整距线圈的电动势1y1111124.44CEEEEf若有Nc匝线圈：114.44CcEfN②短距线圈的电动势1y01180y01111011111802cos22sin904.44CPEEEEyEfK既两导体中的感应电势在相位上差度若有Nc匝线圈：1114.44CcPEfNKy短矩系数（基波节距因数）：0111111()sin90()CPCEyyKEy采用短距线圈后对基波电动势的大小稍有影响，但当主磁场中含有谐波时，它能有效地抑制谐波电动势，所以一般交流绕组大多采用短距绕组。①基波节距因数三、线圈组的电动势每极下每相有一个线圈组，线圈组由q个线圈组成，且每个线圈互差α电角度，如q=3①q个线圈组成集中绕组11qCEqEq个线圈集中放置在相同的槽内34S22N29252324262728323031331820198131221S16171514n236351N67435911103353621827N2223262524202119S34302829313233111213151617S148n4N6751091三相双层整距分布绕组②q个线圈分布在不同槽内输入端对应边放上层，输出端放下层；1112sin22sin2CCERERQ12sin2ADqR12sin2qqERRRR1111sin2sin2qccdqEqEqEKq1114.44CcPEfNK联立短距绕组线圈电动势方程1111114.44qCdCdPEqEKqNfKK②基波分布因数1111114.44qCdCdPEqEKqNfKK111dPKKK其中：③基波绕组因数是即考虑短距又考虑绕组分布是，整个绕组的合成电动势的绕组系数1K11114.44qpEEfNkacpqNNa2cpqNNa四、相电动势和线电动势a为并联支路数，N为单层绕组每相串联总匝数②双层绕组相电动势①单层绕组相电动势111124.44qpEEfNka（1）相电动势11EEL113EEL（2）线电动势星形连接时三角形连接时例4-1因为磁场波形相对于磁极中心线左右对称，所以谐波磁场中无偶次谐波（见P134图4-14），故γ=3，5，7，9，11……§4.5感应电动势中的高次谐波（了解）一、高次谐波电动