第七章_交流电机的共同理论

2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作1第七章交流电机的共同理论7-1交流绕组的基本概念7-2三相单层绕组7-3三相双层绕组7-4绕组的感应电动势7-5单相绕组的磁势7-6三相绕组的磁势第七章交流电机的共同理论7-1交流绕组的基本概念7-2三相单层绕组7-3三相双层绕组7-4绕组的感应电动势7-5单相绕组的磁势7-6三相绕组的磁势2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作2本章基本要求1.掌握交流绕组的概念和绕组展开图的画法，特别是单层绕组。2.掌握交流电势的计算、绕组系数的计算。3.掌握单相绕组和三相绕组磁势的特点。4.了解单相和三相绕组磁势的计算。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作3概述交流电机主要分异步电机和同步电机两大类。差别：同步电机的转速与所接电源频率之间存在着严格不变的关系；而异步电机的转速虽然与电源频率有关，但总不等于同步转速，故称为异步电机。用途：同步电机主要用作发电机，异步电动机主要用作电动机，有时也用作发电机但性能较差。同步电机和异步电机虽然励磁方式和运行特性有很大区别，但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。在本篇中首先讨论交流电机的共同理论，然后讨论异步电机。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作47-1交流绕组的基本概念一、三相交流绕组的基本要求交流绕组虽然也可以做成闭合式的，但几乎全部采用开启式绕组。即各相绕组都有自己的始端和终端，并通过外接线接成星形或三角形。与直流电机一样，交流电机绕组的功用也是感应电势，流过电流和产生电磁转矩，以达到进行机电能量转换的目的。所以它是电机的重要部件。直流电机的电枢绕组必须是闭合绕组，即从电枢绕组中任意点出发顺着绕向前进，最后仍回到原来的出发点；2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作5交流绕组的基本概念异步电动机的磁场是旋转磁场，它是通过定子绕组中通以交流电流来建立的。因此定子绕组必须保证它通入三相交流电流以后，其旋转磁场具有一定的极数、大小、在空间的分布波形以及由该旋转磁场在绕组中感应的电势也是对称的。1.每相绕组的阻抗要求相等，即每相绕组的匝数、形状都是相同的。2.在一定数目的导体下，能获得较大的电势和磁势。3.电动势和磁动势的波形力求接近正弦波，为此要求电动势和磁动势中的谐波分量应尽可能小。4.对基波而言，三相电动势和磁动势必须对称。5.用铜少，绝缘性能可靠，制造、维修方便。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作6交流绕组的基本概念二、交流绕组的分类交流电机的绕组按相数、槽内层数、每极每相槽数可分类：1.按相数分为单相、两相、三相和多相绕组。2.按槽内层数分为单层和双层绕组；双层绕组又分为迭绕组和波绕组，单层绕组又分为等元件、交叉式、和同心式、链式绕组等。单层绕组与双层绕组相比，电气性能稍差，但槽利用率高，制造工时少，因此小容量(PN≤10kW)的电动机中，一般都采用单层绕组。3.按每极每相槽数是整数还是分数，分为整数槽和分数槽绕组。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作7交流绕组的基本概念三、关于交流绕组的一些基本量除了极距τ，线圈节距y1等的意义和直流电枢绕组是一样外，在交流绕组中，还需要知道：从电磁观点来看，若电动机的极对数为p，则经过一对磁极，磁场变化一周，相当于360º电角度。因此，电动机圆周按角度计算p×360º，即1.电角度电角度=p×机械角度=p×360º2.槽距角电动机圆周在几何上分成360º，这称为机械角度。相邻两个槽之间的电角度称为槽距角。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作8交流绕组的基本概念360pZ因为定子槽在定子内圆上是均匀分布的，所以若定子槽数为Z，电机极对数为p，则每一个极下每相所占有的槽数称为每极每相槽数q，若绕组相数为m，则3.每极每相槽数q2Zqmp若q为整数，称为整数槽绕组。若q为分数，称为分数槽绕组。分数槽绕组一般用在大型、低速的水轮同步发电机中。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作9交流绕组的基本概念4.相带每相绕组在一对极下所连续占有的宽度（用电角度表示）称为相带。为了使绕组对称，一般每个磁极面下每相所占有的槽数相等。因为每个磁极占有的电角度是180º，对三相绕组而言，每相占有60º的电角度，称为60º相带。由于三相绕组在空间彼此要相距120º电角度，所以相带的划分在一对磁极下沿定子内圆应依次为A、Z、B、X、C、Y。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作107-2三相单层绕组单层绕组，即指在一个槽中只放一层线圈。线圈的组成应遵循电势相加的原则，即在同极下的导体不能组成线圈，只允许在异极下面属于同一相的导体组成线圈，因在同一极下，电势方向相同，若两导体组成线圈，则线圈电势为零或近似为零。绕组的排列原则：就是将属于同一相的所有的导体用适当地方式联接起来，组成一个相绕组。单层绕组分等元件绕组、同心式、交叉式和链式绕组（属于电气等距绕组、但线圈节距短距）。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作11三相单层绕组单层和双层绕组2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作12三相单层绕组一、等元件单层绕组这种绕组每个线圈的节距是相等的，下面用具体例题说明。已知：Z＝36，2p＝4，q＝3，试给出三相等元件单层绕组展开图。由于q＝3，采用60º相带，即每相带包含有3个槽，相带划分如下：相带槽号AZBXCY第一对极1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，362020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作13三相单层绕组联成一个等元件的整距绕组，下图是三相绕组展开图123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536ZABCXYA相绕组的连接顺序为：A-1-10-2-11-3-12-19-28-20-29-21-30-X2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作14三相单层绕组123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536AX二、单层绕组的其它连接方式1.交叉式绕组A相绕组的连接顺序为：A-2-10-3-11-19-12-20-28-21-29-1-30-X2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作15三相单层绕组123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536AZBCXYA相绕组的连接顺序为：A-1-12-2-11-3-10-19-30-20-29-21-28-X2.同心式绕组2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作16三相单层绕组例已知2p=4，q=2，Z=24，若采用60º相带，则每相带有两个槽，相带的划分如下:相带槽号AZBXCY第一对极1，23，45，67，89，1011，12第二对极13，1415，1617，1819，2021，2223，24由于导体互相串联，因此流经每个导体的电流都是相等的，显然，改变导体的联接次序，将不会影响每相电势的大小和电流的大小。由以上三种绕组展开图可见：所以，交叉式、同心式绕组每相电势的大小与等元件绕组相同。3.链式绕组2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作17三相单层绕组联成一个等元件的整距绕组，下图是三相绕组展开图123456789101112131415161718192021222324ZABCXY如对上图进行改进，联成链式绕组。下图为A相绕组展开图2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作18三相单层绕组123456789101112131415161718192021222324AX改变接法后，为了维持导体中的电流方向不变，导体电动势仍是相加而不是相减，则线圈间的联接应由上图的“头-尾”相联接成下图的“尾-尾”相联、“头-头”相联。这种联接方式的绕组称为链式绕组。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作19三相单层绕组比较以上等元件和链式绕组可见，虽然每相电势、电流大小、方向和产生磁势的情况不变，但改变接法后，线圈的节距y1由原来的整距（y1=6）变为短距（y1=5），这样使端部长度减少，同时也减少了端接部分的重迭情况，使端部分布更加合理。q=2时的同心式绕组展开图如图所示。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作20三相单层绕组由交叉式、同心式和链式绕组等元件绕组比较：这几种绕组只是改变了同一相中各线圈边电势相加的先后次序，并不影响电势的大小。同时每相都有相等数目的不同节距的线圈（交叉式和同心式），所以各相绕组的阻抗也相等，因此它们是对称三相绕组。在前述等元件绕组中，y1＝τ是整距绕组，而交叉式和同心式绕组中各线圈的y1不相等；在链式绕组中，y1τ，但每相电势大小与整距线圈是一样的。所以当q等于整数时，从电势计算来看，单层交叉式、同心式、链式绕组仍属于整距绕组。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作21三相单层绕组三、单层绕组的应用同心式绕组主要用于10kW以下的两极异步电机中，因为在这种情况下，同心式绕组的平均端接长度缩短了，而且重迭层数减少，便于布置；交叉式绕组的端部排列比较均匀，便于制造和散热，常用于10kW以下的q=3的四、六、八极异步电机中；链式绕组各个线圈的尺寸虽然相同，但嵌线较困难，一般用于q＝2的四、六、八极异步电机。单层绕组的优点是：槽内无需层间绝缘，槽利用率较高，同时线圈的个数仅为双层绕组的一半，嵌线也比较方便，提高了劳动生产率。主要缺点：不能制成短距绕组，对削弱高次谐波不利。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作227-3三相双层绕组交流电机应用双层绕组较多。和直流电枢绕组相似，这时槽内导体分上下两层，线圈的一个边放在某一槽的上层，另一边则放在相隔一定槽数的另一槽的下层。双层绕组的线圈个数等于电机的槽数，如线圈的跨距和极距相等，称为整距绕组，如跨距较极距为小，则为短距绕组。双层绕组相带的划分与单层绕组相同，现用一具体例子说明双层迭绕组的构成。设一台4极电机，Z＝24，q＝2，采用60º相带，画出双层迭绕组展开图。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作23三相双层绕组1.双层整距叠绕组本例中，极距τ=6，如果线圈是整距的话，那么1号线圈的下层边应在第7号槽内。2号线圈的一个有效边在2号槽的上层，另一有效边则应在2+6=8号槽的下层。相带槽号AZBXCY第一对极1，23，45，67，89，1011，12第二对极13，1415，1617，1819，2021，2223，24相带的划分与单相绕组相同，每一相带占有两槽。2020年2月8日星期六山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作24三相双层绕组因为A相带与X相带相差180º电角度，可以将X带相看是A相。其它两相绕组变可按同样方法构成。下图是一个三相双层整距叠绕组的展开图。1号线圈和2号线圈按“头-尾”相联，串联成一“极相组”，同理，每个相带都有由q个线圈（本例q=2）串联组成的极相组。在组成三相绕组时，A相带的极相组与X相带的极相组应反向串联，即“尾-尾”相联。而X相带与下一个A相带极相组应“