电机与电力拖动(交流电机的共同理论).ppt

交流电机基础,第六章,交流电机的共同理论绕组、电势和磁势,交流电机绕组构成原则,三相单层绕组,*三相双层绕组,交流电机绕组磁势,交流电机绕组电势,交流电机的共同理论绕组、电势和磁势,本章要求：,掌握交流电机三相绕组构成原则。能够绘制三相单层同心式分布绕组展开图。,掌握基波磁场下集中、分布绕组线圈组电势计算。熟悉基波磁场下双层、短距分布绕组相电势计算。,掌握单相绕组产生脉振磁势及其主要结论。熟练掌握单相绕组产生脉振磁势基波可以分解为两个转向相反的旋转磁势。掌握三相绕组产生旋转磁势的条件、性质及其主要结论。熟练掌握三相对称绕组产生圆形旋转磁势基波的大小、转向、速度。,同步发电机,同步电动机,异步发电机(性能较差）,异步电动机,同步电机,异步电机,异步电机特点：结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉，但它是感性负载，使电网功率因数变坏，调速性能差。,两种型式的交流电机在涉及的理论、基本结构原理方面具有下面三个共同部分：,交流绕组的基本结构,交流绕组中感应的电动势,交流绕组产生的磁动势,一、同步发电机工作原理,定子绕组如图排列；转子磁极在外力作用下旋转，定子绕组切割气隙磁场，产生电势。,上,下,第一节交流电机,电势频率,fN=50Hz,n转子每分钟的转速，p极对数,p=1,n=3000rpm;,p=2,n=1500rpm;,p=3,n=1000rpm;,A,n,N1,S1,N2,S2,上,下,或,同步发电机定子结构,上,下,二、异步电动机的工作原理,原理视频,第二节三相交流电机的定子绕组,异步电动机的工作磁场（主磁场）是一种旋转磁场，是依靠定子绕组中通以交流电流来建立的。因此，定子上的三相绕组必须保证当它通以三相交流电流后，其所建立的旋转磁场具有一定的极数、一定的大小，并且在空间的分布波形接近正弦波形，而且由该旋转磁场在绕组本身中所感应的电动势也是对称的。这种旋转磁场由旋转磁动势来建立，那么对磁场的要求，也就是对磁动势的要求。,交流电机包含异步机和同步机。其定子结构相同，都由定子铁芯和定子绕组组成；它们的绕组、电势、磁势都相同。,一、交流绕组构成原则,1、每相绕组产生的相电势应为正弦，且数值尽可能大。,2、各相绕组的电势、电阻和电抗在数值上尽可能相等，感应电势在相位上也要对称，即在时间上互差120电角度。,上,下,3、端接线尽可能短，节约铜线，减小损耗。,4、元件制造方便，嵌线工艺方便，便于保证质量和节约制造工时。,二、绕组基本知识极距是指每一磁极所占定子内圆周的距离，即有节距y是指线圈两有效边之间的距离。单层绕组是整距绕组，即有y=每极每相槽数q是指一个磁极下一相绕组所占有的槽数，即有：,相带：是指一相绕组在一个磁极下连续所占的范围。机械角：电机圆周空间角度为360或为2弧度，称这种角度为机械角。对于一对磁极由NSN变化一周相当于360电角度或为2电弧度。当电机有p对磁极时，电角度=p机械角。分析：每一磁极占180电角度，三相绕组的每相绕组在一个极下只占三分之一，即60相带。,P=2时，绕组的排列,每对磁极下，都应有一个ABC三相绕组，其排列顺序在一对磁极下应对称。,结论：,三相绕组排列顺序为：每对磁极下，六个绕组边在空间沿转子转向排列顺序为：A、Z、B、X、C、Y；且互差60电角度。,上,下,电角度=机械角度p,每相绕组不可能放在一个槽中，应均匀放在相邻的几个槽中，串联在一起。,P：极对数；m：相数。,上,下,线圈节距Y1:一个线圈的两个有效边之间的距离。,上,下,绕组编绕方法有：同心式和叠绕,同心式,叠绕,上,下,单匝,二、三相单层交流绕组,一交流机：Z=24，P=2，m=3，画出单层同心式绕组展开图。,1、画出结构图，标出槽号,A1,B1,Z1,X1,C1,Y1,A2,Z2,B2,X2,C2,Y2,2、标出AZBXCY的位置,上,下,每相绕组由两个线圈组组成。如:A1X1，A2X2；组成A相。其中A1X1，A2X2感应的电势相同。,每个线圈组由两个线圈组成，1，2；7，8；组成A1X1线圈组。,上,下,3、画出绕组展开图,13，14；19，20；组成A2X2线圈组。,A1,X1,A2,X2,A,X,绕组展开图,上,下,当定子每相绕组AX、BY、CZ匝数相同，六个绕组端在空间沿转子转向排列顺序为：A、Z、B、X、C、Y；且互差60电角度时，三相电势为对称电势。,电角度=机械角度p,上,下,第三节交流定子绕组的电动势,气隙磁场分布,增加,气隙磁场可分解为正弦波,上,下,一、导体电势,导体A中电势为：,L：导体A的有效长度；v：导体A相对于磁场的运动速度。,B是旋转的，旋转的角频率为，则导体A相对磁密的空间电角度=t。,上,下,1、导体中基波电势,导体中基波幅值,BP,将正弦基波磁场等效为矩形波：,每极基波磁通平均值：,导体中基波有效值,上,下,2、导体中谐波电势,上,下,3、导体感应电势与磁通的相量关系,二、线圈电势和短距系数,1、整距匝电势,该匝基波电势：,一匝线圈由两个导体边，相距。,设电势出为正，两个基波电势的大小相等，相位差180。,该匝谐波电势：,上,下,2、整距线圈电势,设线圈由Ny匝组成，则线圈电势为一匝电势的Ny倍。,基波电势：,谐波电势：,3、短距匝电势,线圈的两个导体边相距y1。,设短距比=y1/,则两个基波电势大小相等，相位差180。,该匝基波电势：,Ky1=sin/2:基波短距系数,短距Ny匝线圈基波电势：,谐波电势：,谐波短距系数：,结论：,为了消除第次谐波电势，使线圈节距缩短次谐波的一个极距，即y1=(1-1/)。,如：要消除第3次谐波电势，则y1=(1-1/3)=(2/3),三、线圈组（极相组）电势和分布系数：,线圈组由q个槽中线圈串联而成。,设q=3，三个线圈基波电势分别为：,线圈组电势应是q个线圈电势的相量和。,相量合成时有一个外接圆。,同在一个槽中总电势,基波绕组系数,四、消弱谐波电势不良影响的方法,（1）使气隙磁场沿电枢表面的分布尽量接近正弦波。,（2）利用三相对称绕组的连接来消除线电动势中的三次及其倍数次奇次谐波。,（3）采用短距绕组来消弱高次谐波电动势。,每相绕组根据极相组串联或并联关系，可计算出总等效匝数为N，则相电势为：,单层绕组：,极对数,并联支路数,双层绕组：,第四节脉振磁动势与旋转磁动势,磁场由磁动势产生，磁场大小、性质由F决定。,当交流绕组中有电流通过时，其会产生磁动势，在空间，形成磁场。,上,下,异步电动机工作时三相对称绕组流过三相对称电流产生旋转磁场。,旋转磁场由旋转磁动势决定，这个旋转磁动势实际上是由单相绕组磁动势合成的。因此，分析旋转磁动势之前，需先分析单相绕组流过交流电流时所产生的磁动势。,一、单相绕组的脉振磁动势,集中绕组AX通入电流i,当时间t确定，F=Ni，在空间应为方波。,上,下,1.整距集中绕组的磁动势,o,o,o,单相整距集中绕组的脉振磁势,o,o,e,0,o,i,F=Ni,上,下,整距线圈所产生的磁动势在空间分布波形是一个矩形波,其周期是两个极距,其幅值等于磁回路所包围全电流的一半（iNy/2）。,上,下,2.用傅里叶级数分解矩形波磁动势,上,下,结论:1.基波磁动势的幅值为4/fk，是矩形波磁动势的4/倍；谐波磁动势幅值为基波幅值的1/倍；2.基波磁动势波长与原矩形波长一样，磁极对数亦相同；谐波的波长为基波的1/，极对数为基波的倍。,上,下,磁动势的空间谐波,3.单相绕组基波脉振磁动势设AX中通入交流电为：则每极磁势表达式为：,上,下,3.谐波分析,对周期性变化的矩形波分布的磁势，用傅氏级数进行谐波分析，可分解成为：式中v=1，3，5为谐波系数，系数Cv为,上,下,基波磁势为：,为基波磁势最大幅值。,三次谐波磁势为：,三次谐波磁势最大幅值。,上,下,五次谐波和高次谐波,五次谐波磁势为：五次谐波磁势最大幅值。还有七次、九次、十一次等高次谐波磁势。,上,下,上,下,谐波次数越高，其幅值就越小。为了改善波形，除基波以外，考虑消除三、五、七次谐波，由于三次谐波及三的倍数次谐波在绕组连接成三相对称绕组时就已相互抵消(参看邱关源电路P330,13-5)，而五、七次谐波可通过短距和分布绕组来基本消除。因此当连成三相绕组后，只考虑基波磁势就可以了。,分析：,上,下,脉振磁动势的分解推导：,根据三角函数的和差与积的关系：,上,下,结论：,一个脉振磁势可以分解为两个幅值相等，转速相同，转向相反的两个旋转磁势，它们的幅值是原脉振磁势最大幅值的一半。,上,下,上,下,脉振磁势动画,结论：,1、单相绕组的磁动势是一种在空间位置固定、幅值随时间变化的脉振磁动势；幅值位置始终在绕组的轴线处。,2、F1可分解为两个转向相反的旋转波，幅值为F1一半。,上,下,3、基波磁动势的幅值最大，谐波次数愈高，幅值愈小。,2、线圈组（极相组）磁动势和分布系数：,线圈组由q个槽中线圈串联而成。,设q=3，三个线圈基波磁动势分别为：,线圈组磁动势应是q个线圈电势的相量和。,相量合成时有一个外接圆。,上,下,同在一个槽中总磁动势,上,下,二、三相绕组的基波磁势,iA=Imcost,iB=Imcos(t-120),iC=Imcos(t-240),三个脉振磁势FA、FB、FC相在空间合成。,FA,FB,FC,上,下,1)t=0时，iA=Imcost=Im,FA=FmiB=Imcos(t-120)=-1/2Im,FB=-1/2FmiC=Imcos(t-240)=-1/2Im,FC=-1/2Fm,下,上,2)t=120时，iA=Imcost=-1/2Im,FA=-1/2FmiB=Imcos(t-120)=Im,FB=FmiC=Imcos(t-240)=-1/2Im,FC=-1/2Fm,下,上,3)t=240时，iA=Imcost=-1/2Im,FA=-1/2FmiB=Imcos(t-120)=-1/2Im,FB=-1/2FmiC=Imcos(t-240)=Im,FC=Fm,4）t=360时，回到t=0时状态。,下,上,三相基波合成磁动势,其中：,这是一个振幅为单相基波磁势振幅的3/2倍，在空间按正弦规律分布且随时间向+x方向前进的旋转磁势波。,结论：,1、三相对称绕组通入对称交流电流，在空间产生基波磁势合成F1是旋转磁势，振幅为单相脉振磁势的3/2倍。,2、F1的旋转方向与通电相序一致：顺序转向为：,A,B,C,3、F1的转速：,电流频率,极对数,上,下,4、三相电流哪相电流最大时，合成基波磁势的振幅也恰好位于该相绕组的轴线处。,三、产生圆形磁势的条