《电机技术》课件-2.2. 3交流绕组的电动势

3/9/20251《电机技术》

（交流绕组的电动势）

3/9/2025水职院电机教研室2第二节交流绕组的电动势在同步发电机中，定子绕组（即交流绕组）切割励磁磁场产生感应电动势，将机械能转换成电能，本节即讨论这个电动势。具体的内容包括这个感应电动势的大小、频率、波形即三相的对称性。一、正弦磁场下绕组的电动势首先假设励磁磁场在电机气隙上的分布为正弦磁场分布，这样在绕组的每一根导体上产生的感电动势就一定是正弦电动势。按照前面对交流绕组结构的分析，每相绕组是由导体构成线匝、线匝联成线圈、线圈构成线圈组、线圈组构成一相绕组，见下图示：3/9/2025水职院电机教研室3因此，按此顺序从一根导体开始分析电动势的大小，到每一相总的电动势的大小。3/9/2025水职院电机教研室4（一）线圈导体电动势Edt由于气隙磁场的分布为正弦分布，因此导体中产生的感应电动势也就是正弦波。图8-14表示一台二极的同步发电机，转子直流励磁磁密B沿电机气隙空间按正弦波规律分布，并在原动机的拖动下以n的转速逆时针旋转，定子铁芯槽中的线圈导体U1或U2切割旋转的转子励磁磁场而产生的交变感应电动势为：3/9/2025水职院电机教研室5对电动势需要的是有效值，经推导可得：式中各参数的含义——（二）线圈电动势EC11、整距线匝（单匝）电动势Et1(y=t)其中：即这两个电动势大小相等、相位相反，利用相量进行运算，见图示得：3/9/2025水职院电机教研室62、短距线匝电动势Et1(y<t)线匝电动势与导体电动势的关系见相量图：仍然有：，见图示：根据相量关系，各参数计算如下：3/9/2025水职院电机教研室7式中，ky1为绕组的（基波）短距系数。3、线圈电动势kC1根据绕组结构，线圈是由线匝串接而成，线圈电动势为线匝电动势的N倍，即：（三）线圈组电动势Eq1线圈组的构成见右图示，即由每极下每相的q个线圈串接而成。根据绕组结构的分析可知，相邻槽的电角度差为a（即槽距角），同极下线圈组中每个线圈中的感应电动势在相位上也就相差槽距角a

，线圈组电动势与线圈电动势的关系见下页相量图。3/9/2025水职院电机教研室83/9/2025水职院电机教研室9根据相量关系，各参数计算如下：首先推算出等效外接圆半径R：再根据等效外接圆半径R推算出线圈组电动势：几个系数的名称及含义——公式的理解——3/9/2025水职院电机教研室10（四）相电动势EF1和线电动势El将各极下同一相的线圈组，按照并联支路数2a连接成的整体，就是一相绕组。（1）对于双层绕组，若电机有p对极，则每相有2p个线圈组，根据需要可串联或并联组成2a条支路，因此绕组基波相电动势为：式中——双层绕组每相每条支路的串联匝数。3/9/2025水职院电机教研室11（2）对于单层绕组，若电机有p对极，则每相有p个线圈组，根据需要可串联或并联组成a条支路，因此相电动势为：式中——单层绕组每相每条支路的串联匝数。上述说明，同步发电机在额定频率下运行时，其相电动势的大小与转子的每极磁通量成正比。若要调节同步发电机的感应电动势（机端输出电压），可以调节转子的励磁电流，即改变转子每极磁通量F1。3/9/2025水职院电机教研室12注：这里讨论的是电机气隙磁场的分布为正弦磁场情况下绕组的电动势，所以式（8-16）是相绕组的基波电动势，频率是基波频率，磁通量是基波的磁通量，绕组系数是基波的绕组系数。基波的概念紧接着要讲。三相交流电机的绕组一般为Y或Δ接法(发电机均为Y接法,电动机为Y或Δ接法。)，知道了相电动势，则线电动势为：对三相绕组为Y接法时，线电动势；对三相绕组为△接法时，线电动势。下面举例对交流绕组的感应电动势进行计算：见例题8-1：3/9/2025水职院电机教研室13例8-1已知参数及需要求取的内容见书——解：确定同步发电机的额定转速3/9/2025水职院电机教研室14（2）相电动势（2）相电动势（2）线电动势3/9/2025水职院电机教研室15一台4极，Z=36的三相交流电机，采用双层迭绕组，并联支路数2a=1，，每个线圈匝数NC=20，每极气隙磁通=7.5×10-3韦，试求每相绕组的感应电动势？解：极距节距每极每相槽数槽距角用空间电角度表示节距基波短距系数基波分布系数每条支路匝数基波相电动势3/9/2025水职院电机教研室17二、高次谐波电动势及削弱方法同步发电机内部气隙磁场并不是按正弦规律分布的，如汽轮发电机（隐极机）的气隙磁场分布如下：3/9/2025水职院电机教研室18水轮发电机（凸极机）的气隙磁场分布如下：可见，发电机的气隙磁场分布都不是标准的正弦分布，显然在这种情况下，定子导体切割气隙磁场产生的感应电动势也就不是标准的正弦波电动势，这是不符合要求的，如何才能使同步发电机输出的电动势（电压）为正弦波呢？3/9/2025水职院电机教研室19通过数学分析可知，对任何一个非正弦的周期变量，都可分解为一系列周期不一样的正弦量，这些正弦量包括基波分量和一系列高次谐波分量，见书上图8-16示。3/9/2025水职院电机教研室20基波即周期与非正弦量周期相同的正弦波，高次谐波即周期小于基波的正弦量。在交流电机中，包括3、5、7、……及所有奇数次倍高次谐波。3次谐波指其周期是基波周期的三分之一，5次谐波指其周期是基波周期的五分之一，以此类推…….。相应，当非正弦分布的气隙磁场切割定子导体时所产生的感应电动势也可分解为基波和高次谐波电动势。3/9/2025水职院电机教研室21基波与高次谐波有以下关系：（1）基波磁场与气隙磁场的极数p、极距t、转速n、切割定子导体感应电动势的频率f是一样的。若非正弦分布磁场的波形越接近正弦波，则高次谐波磁场的幅值就越小，起主要作用的就是基波磁场，特别是9次以上谐波的影响可忽略。（2）从图8-16可见，n次谐波磁场的极对数p是基波的n倍，槽距电角度也是基波的n倍，而极距为基波的1/n，但谐波磁场转速nn仍是转子转速n，所以n次谐波磁场的频率ƒn是基波频率的n倍即：3/9/2025水职院电机教研室22那么对于一相绕组的n次谐波相电动势其表达式应为：

式中：kwn=kynkqn

——n次谐波绕组系数；

kyn

——n次谐波短距系数；

kqn

——n次谐波分布系数。由于谐波磁场的存在，就会在电枢绕组（定子绕组）中感应高次谐波电动势。谐波电动势在很多方面会产生危害，如影响感应电动势及发电机输出电压的波形，影响电器设备的性能，引起附加损耗、产生噪音、对通讯造成干扰等。因此，必需对高次谐波电动势采取措施加以削弱或消除，特别是对影响较大的3、5、7次谐波，应作为削弱或消除的重点。3/9/2025水职院电机教研室23（二）高次谐波的削弱方法

为了改善电动势的波形，必须设法削弱高次谐波电动势，特别是影响较大的3、5、7次谐波电动势，常用的方法有如下几种。（1）改善主极（励磁）磁场分布，让气隙磁场颁布尽可能接近正弦分布。（2）将三相绕组接成Y形接法，可消除线电动势中的3次及其奇数次倍的奇次谐波，如3、9、15、21、27……等谐波。在相电动势中，各相的三次谐波电动势大小相等、相位相同。采用Y形接法时，线电动势中的三次谐波电动势互相抵消，同理也不存在3的奇数次倍数的高次谐波电动势。3/9/2025水职院电机教研室24（3）采用短距绕组来削弱谐波电动势。3/9/2025水职院电机教研室25高次谐波的短距系数为若让kyn=0，则EFn=0，消除了高次谐波。要让kyn=0，y应取多少？分析如下：3/9/2025水职院电机教研室26采用短距绕组后，基波感应电动势比整距绕组的小，基波的短距系数ky1=0.966，可见对基波电动势的削弱很小。采用短距绕组后，牺牲了一点基波感应电动势，却换来了良好的感应电动势波形。3/9/2025水职院电机教研室27（4）采用分布式绕组来削弱谐波电动势。采用分布式绕组后，高次谐波的绕组系数极大减小，相应削弱了高次谐波电动势。采用分布式绕组后，基波的绕组系数也会有所减小，也会削弱基波波电动势，但减小的量很小。3/9/2025二、消除谐波电动势的方法因为EΦv=4.44fυNRwvΦv所以通过减小KWr或Φr可降低