第四章 交流电机理论的共同问题

第四章交流电机理论的共同问题实现交流电能与机械能转换的装置被称为交流电机。交流电机有两大类：异步电机和同步电机。同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系，异步电机则不然。异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。三相感应电动的结构感应电机的基本工作原理•转子绕组的导体处于旋转磁场中•转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向。•转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。•感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。•电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。·异步电动机定子上的三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；动画1三相同步电动的结构同步发电机的基本工作原理◆载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。◆切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。◆交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。动画2◆主磁场的建立：转子上励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。交流电机的共同问题是交流电机（感应电机和同步电机）的共同问题1.三相交流绕组的结构；2.三相交流绕组产生的磁势分析；3.三相交流绕组产生的感应电势分析；共同之处在于定子铁心和绕组，不同之处在于转子结构和绕组。绕组：按一定规律排列和连接的线圈的总称。交流绕组的基本要求和分类有关交流绕组的几个概念以单层绕组和双层绕组为例理解交流绕组排列及连线的原则交流电机的电枢绕组的电动势交流电机的电枢绕组的磁动势内容提要交流绕组4.1交流绕组的构成原则和分类一、基本要求：★合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦形、幅值要大；▲绕组的铜耗要小，用铜量要省；★对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电抗要平衡；▲绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造方便。•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。•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。•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。基本原则：二、分类按相数：单相和多相绕组；按槽内层数：单层和双层；按每极下每相槽数：整数槽和分数槽；按绕法：叠绕组和波绕组。4.1交流绕组的构成原则和分类三、基本概念：★线圈（绕组元件）：是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈按一定规律的排列和联结。线圈可以区分为多匝线圈和单匝线圈。与线圈相关的概念包括：有效边；端部；线圈节距等绕组基本概念（1）2Dp2Qp用槽数表示24槽4极电机用长度表示★极距（）：沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围；★极对数（）：电机主磁极的对数；p★电角度：•铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360度。•分析已知磁场每转过一对N,S极，电势变化一个周期，在电路理论中认为一个交变周期为3600电角度。•因此在电机理论中把一对主磁极所占的空间距离称为360电角度；绕组基本概念（1）•电机的机对数为p时，气隙圆周的角度数为p×360电角度。绕组基本概念（1）★节距（）：一个线圈两个有效边之间所跨过的槽数称为线圈的节距。yyτ时，线圈称为短距线圈；y=τ时，线圈称为整距线圈；yτ时，线圈称为长距线圈。2Qqpm★槽距角（）：用电角度表示的相邻两个槽间的距离，也即一个槽所占的电角度数；绕组基本概念（1）0360paQ相数用表示m3m★每极每相槽数（）：每个极域内每相所占的槽数。q•单层绕组：一个槽中只放一个元件边；•双层绕组：一个槽中放两个元件边。绕组基本概念（1）思考：以同步发电机为例，若交流电机转子磁极磁场的磁通密度沿电机气隙按正弦规律分布，则当电机转子逆时针旋转时，定子圆周上的导体切割磁力线，感应出电动势。各槽导体在空间电角度上彼此相差一个槽距角α。那么各槽导体感应电动势彼此之间存在的相位差其大小是多少?如何直观的描述出各槽导体感应电动势的相位关系呢？★槽电动势星形图：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表示时，这些相量构成一个辐射星形图，槽电动势星形图是分析交流绕组的有效方法，下面我们用具体例子来说明。分析工具：槽电动势星形图例：右图是一台三相同步发电机的定子槽内导体沿电枢内圆周的分布情况。已知2p=4,电枢槽数Q=36,转子磁极逆时针方向旋转。试绘出槽电动势星形图。(如书图4-2）槽电动势星形图解：已知各槽导体感应电动势彼此之间存在着相位差，其大小等于槽距角α。先计算槽距角：定子每极每相槽数：槽电动势星形图图4－2三相双层绕组的槽电动势星形图(36,24)QpAZBXCY(36,24)Qp将四个线圈组按照一定的规律连接，即可得到A相绕组。相带及其划分★相带：每个极距内属于同一相的槽在圆周上连续所占有的电角度区域。与19、20、21（）A相带：1、2、3线圈组（）X相带：10、11、12（）与28、29、30（）（A相的负相带）★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。以A相位例，由于，故A相共有12个槽3q交流绕组单层绕组双层绕组同心式绕组链式绕组交叉链式绕组等元件式整距叠绕组双层叠绕组双层波绕组交流绕组的形式单层——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单层绕组通常有链式、交叉式和同心式等三种不同排列方式三相单层绕组交流绕组的构成方法现以一台相数，极数，槽数的三相单层等元件式整距叠绕组的构成为例讲解交流绕组的构成方法。交流绕组的构成方法叠绕组：绕组嵌线时，相邻得两个串联线圈中，后一个线圈紧“叠”在前一个线圈上。单层叠绕组的构成1.计算相关参数：实例：绘制Q＝24（槽）、m＝3（相）、2p＝4（极）的单层等元件式整距叠绕组展开图基本步骤：2422223Qqpm每极每相槽数槽距角124624Qp极距2.画出槽电动势星形图：3、分极分相:▲分极：将总槽数均匀分开（N,S极相邻分布），并标记假设的感应电势方向；▲分相：将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相错开120电角度。4.连线圈和线圈组：•根据给定的线圈节距，将一对极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线圈。（共有几个线圈）？•将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组；•以上连接应符合电势相加原则。连线圈和线圈组将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。•串联与并联：电势相加原则。•最大并联支路数a＝p。连相绕组•将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组；•接法或Y接法；连三相绕组o△接法或者Y接法以上是等元件式整距叠绕组，同心式绕组、链式绕组、交叉链式绕组如下：总结三相绕组排列和联接的一般方法为:②计算每极每相槽数；③划分相带；④组成线圈组；⑤按极性对电流方向的要求分别构成各相绕组。pQ21pmQq21①计算极距；•结构特点：双层绕组的每个槽内都有上下两个线圈边，•上下层边放置的位置：每个线圈的一个边放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距y1的另一个槽的下层。•槽数与线圈数的关系为：整个绕组的线圈数等于槽数。•以下用3相4极36槽的双层叠绕组为例，说明3相双层绕组的排列和联接。三相双层绕组的三相交流电机，其定子绕组大多采用双层绕组1、计算参数极距：943621pQ选择节距选择短节距81y计算每极每相槽数32323621mpQq槽距角2060q2.画出槽电动势星形图：3、分极分相相带槽号AZBXCY第一对极1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二对极19,20,2122,23,2425,26,2728,29,3031,32,3334,35,36按每极每相槽数划分相带4、组成线圈136136136＊根据给定的线圈节距连线圈（上层与下层边合一个线圈）＊将同一极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线圈（q个）以上层边所在槽号标记线圈编号。136A136＊将同一极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组136AX1＊将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。136XA-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—30图A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）1A1X2A2XXXAA1A1X2A2X三相Y连接三相连接连三相绕组•最大并联支路数a＝2p。旋转磁场是交流电机工作的基础。在交流电机理论中有两种旋转磁场：(1)机械旋转磁场通过原动机拖动磁极旋转可以产生机械旋转磁场；(2)电气旋转磁场三相对称的交流绕组通入三相对称的交流电流时会在电机的气隙空间产生电气旋转磁场；交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。§4－4交流绕组的感应电动势电气旋转磁场机械旋转磁场旋转磁场•交流绕组的构成：导体--线圈--线圈组--一相绕组--三相绕组。一、相绕组中的基本电动势•感应电势随时间变化的波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致。•只考虑磁场基波时，感应电势为正弦波。lvBtexx)(1、导体中的感应电势•感应电势的波形•磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个周期；•磁场旋转一周，转过p（电机的极对数）对磁极；•转速为n（r/min)的电机，每秒钟转过(pn/60)对极；•导体中感应电势的频率f=(pn/60)Hz.•问题：四极电机，要使得导体中的感应电势为50Hz,转速应为多少？感应电势的频率感应电势的大小•导体感应电势•导体与磁场的相对速度：lvBEnmax602n/pv•磁感应强度峰值和平均值之间的关系：•感应电势最大值：•感应电势的有效值：;2pBB1max22.22fEEnn)(22maxflfflBEpn绕组中均匀分布着许多导体，这些导体中的感应电势有效值，频率，波形均相同；但是他们的相位不相同。导体感应电势小结：等元件式整距单层叠绕组同心式绕组链式绕组交叉链式绕组双层叠绕组整距线圈中的感应电势2、线圈中的感应电势•线圈的两个有效边处于磁场中相反的位置，其感应电势相差180电角度。1212nnnyEEEE•整距线圈的感应电势：•考虑到线圈的匝数后：144.4yyfNE•线圈的两个有效边在磁场中相距为y1,其感应电势相位差是180-β电角度。短距线圈中的感应电势•短距角：01180y•短距线圈的感应电势：11144.42cos2yynykfNEE•短距系数：)90sin(2cos22cos201111yEEknny＝整距线圈电势短距线圈电势•短距系数小于1，故短距线圈感应电势有所损失；但短距可以削弱高次谐波.•每对极下属于同一相的q个线圈，构成一个线圈组。图中q=3•每个线圈的感应电势由两个线圈边的感应电势矢量相加而成。•整个线圈组的感应电势由所有属于该组的导体电势矢量相加。线圈组的感应电势•矢量式321yyyyzEEEE•分布系数：2sin2sin1qqqEEkyqq＝集中绕组的感应电势分布绕组的感应电势•线圈组的电势：q11k44.4yqqNfE线圈组的感应电势3、一相绕组的电势单层绕组的相电势•单层绕组每对极每相q个线圈，组成一个线圈组，共p个线圈组。•若p个线圈组全部并联则相电势=线圈组的电势•若p个线圈组全部串联则相电势=p倍线圈组电势•实际线圈组可并可串，总串联匝数apqNNy＝并联支路数每相总匝数1111444qk