电机学-交流绕组

1、（1）交流绕组基本概念和构成原理,（2）交流绕组的感应电动势的波形、频率、大小,（3）交流绕组磁动势的时空概念,（1）电角度概念 （2）交流绕组磁势的时空概念,难点内容：,第四章 交流绕组,重点内容：,4.1 交流绕组的构成原则和分类,4.2 三相双层绕组,4.4 交流绕组的感应电动势,4.6 单相绕组的磁动势,4.7 三相绕组的磁动势,第四章 交流绕组,4.3 三相单层绕组,3,第四章 交流绕组及其电动势和磁动势,主要内容：交流绕组的构成，绕组连接规律及电动势和磁动势。,同步电机和异步电机虽然激磁方式和运行特性有很大差别，但电机定子中发生的电磁现象和机电能转换的原理却基本上是相同的，因此存在

2、许多共性问题，可统一进行研究。本章就是研究交流电机的绕组、电动势、磁动势问题。这些问题对于分别研究异步电机和同步电机的运行性能有着重要意义。,4.1 交流绕组的构成原则和分类,一、构成原则,(1)合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦形、幅值要大；,(2)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；,(3)绕组的铜耗要小，用铜量要小；,(4)绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。,5,本章主要介绍三相整数槽绕组。,二、交流绕组的分类,定子铁心,定子绕组,定子铁心和绕组,交流电机的简单工作原理,同步发电机原理结构示意图,导体感应电动势,大小 波形 频率 三相对称性,导体

3、 交流绕组,4.2 交流三相绕组,一、基本术语,二、三相单层绕组,（6）单层绕组的不同端接方式,例：三相四极36槽定子，绘制交叉式绕组展开图,三、三相双层绕组,波绕组,4.4 交流绕组的感应电动势,一、空间坐标的建立及气隙磁密的分布,二、导体中的电动势,三、线圈的电动势及节距因数,四、线圈组的电动势及分布因数,五、相电动势及线电动势,六、基波电动势与磁通链间的相位关系,54,本节讨论主极磁场非正弦分布时所引起的谐波电动势。,以上我们假定主极磁场在气隙内为正弦分布，实际上，主极磁场并非完全按正弦规律分布，此时将磁场波进行谐波分析，可得基波和一系列高次谐波，相应的交流绕组中感应电动势除基波外还有一

4、系列高次谐波电动势。本节讨论非正弦磁场分布所引起的谐波电动势及其削弱的方法。,4.5 感应电动势中的高次谐波,55,一、高次谐波电动势,交流电机中气隙磁场分布一般呈平顶波如右图所示，应用富氏级数可将其分解为基波和一系列谐波的合成。因主极磁场分布与磁极中心线相对称，故偶次谐波为零，所以磁场中仅存在奇次谐波（1，3，57），为清楚起见，图中只画出1，3，5，次谐波，且次数越高，幅值越小。,56,二、齿谐波电动势,在高次谐波中，有一种次数为 的谐波，称为齿谐波，由该次谐波感应的电动势称为齿谐波电动势。,齿谐波的特点： 1、谐波次数与一对极下的齿数（槽数）之间具有特定关系。 2、 谐波的绕组因数与基波

5、相等。,57,结论：1、齿谐波绕组因数与基波绕组因数相等； 2、除齿谐波外，越高，分布因数及节距因数 越小。,因齿谐波的绕组因数等于基波的绕组因数，使齿谐波电动势较强，而其他高次谐波如5、7次分布因数较基波小得多，所以采用分布和短距绕组可消弱这些高次谐波。,为一对极下的电角度,58,由于齿谐波较强，致使电动势波形出现明显的谐波波纹。,齿谐波电动势比较强的原因，主要是由于电机定子有齿和槽，使得沿电枢圆周各点气隙的磁导不相等，齿下气隙较小，磁导较大，而槽口处气隙较大，磁导较小。若不开槽时气隙中主极磁场为近于正弦分布的曲线，如右图曲线1。开槽以后在正弦曲线上叠加一个与定子齿数相对应的附加周期性磁导分

6、量，导致气隙磁场的分布发生改变。,可以看出：齿谐波绕组因数与基波绕组因数相等；其他谐波绕组因数较小。,59,三、考虑谐波时相电动势和线电动势的有效值,考虑谐波电动势时， 相电动势的有效值应为 ：,线电动势： （星接法） （角接法）,60,在角接的三相系统中，同相的三次谐波电动势将在闭合的三角中形成环流。,由于 完全降落在绕组阻抗z3上，所以线端不会出现三次谐波电动势。但是三次谐波环流所产生的杂散损耗，会使电机效率下降，温升增高，所以一般采用星形连接。,61,四、谐波的危害,电动势中如存在高次谐波，将使电动势波形变坏，产生很多不良影响： 1、 电机损耗增大，效率下降，温升增加。 2、高次谐波产生

7、的电磁场对邻近的通讯线路 产生干扰。 3、 产生有害附加转距，造成电机运行性能变坏。,利用谐波：1、谐波励磁发电机。 2、利用谐波起动的感应电动机。,62,五、削弱谐波电动势的方法,在设计电机时，应尽可能削弱电动势中的高次谐波分量，国标规定（gb755-81电机基本技术要求）对300kva以上的同步发电机，线电压波形的正弦波畸变率不应超过5%。,正弦波畸变率,下面分别介绍减小谐波电动势和齿谐波电动势的方法。,1、减少谐波电动势的方法,可通过减小kwv和 削弱 。,63,适当地选择线圈的节距，可使某次谐波的节距因数接近或等于零，以达到削弱或消除某次谐波的目的。,（1）选用短距绕组,尽可能接近整距

8、的短距,则,上式表明，要消除v次谐波，只要选用比整距短 的短距线圈即可。,64,如要消除5次谐波 取,比整距短,右图所示采用 可将5次谐波完全消除。,65,线圈节距变化时，基波和谐波节距因数如何变化？,通常选,66,（2）采用分布绕组,当q增加时，基波的分布因数减小不多，但谐波的分布因数显著减小。所以就分布绕组来说，每极每相槽数q越多，抑制谐波电动势的效果越好。,但q增多，必增加电机槽数，使电机成本提高。考虑到q6时，分布因数的下降已不明显，所以一般选6q2，图4-20表示不同q值时，谐波分布因数的变化情况。,67,凸极电机,以上方法均不能削弱齿谐波电动势。,68,2、齿谐波电动势减小的方法,

9、对于齿谐波，由于其绕组因数与基波绕组因数相同，不能采用短距和分布的方法削弱它。 目前采用以下几种方法削弱齿谐波电动势：,（1）采用斜槽,采用斜槽后，同一根导体内的各个小段在磁场中的位置互不相同，所以同一导体各段感应电动势不同，与直槽相比，导体中的感应电动势有所变化，理论分析证明采用斜槽可有效削弱齿谐波电动势，但对基波和其他谐波也有削弱作用，为计及这一影响，在计算电动势时，除了考虑节距因数和分布因数外，还应考虑斜槽因数。,69,为了推导斜槽因数，把斜槽内导体看为无限多根短直导体的串联。相邻直导体间有一微小的相位差（0）短直导体数q，而q=，为整根导体斜过的电弧度，仿照分布因数的推导方法，可导出斜

10、槽因数。 基波的斜槽因数为：,70,若导体斜过的距离用c来表示时，,次谐波的斜槽因数为 ：,71,只要使斜过的距离等于该次空间谐波的波长，谐波电动势相互抵消。所以，要消除齿谐波电动势应取,采用斜槽后，可使齿谐波大大削弱。斜槽主要用于中、小型电机中。,72,(2) 采用分数槽,在多极同步发电机（例如水轮发电机）中，常常采用分数槽绕组来削弱齿谐波。由于每极每相槽数q=分数，所以齿谐波次数 一般为分数或偶数，而主极磁极中仅含有奇次谐波，即不存在齿谐波磁场，也就不存在齿谐波电动势。,(3) 采用半闭口槽和磁性槽楔,在小型电机中采用半闭口槽，中型电机中采用磁性槽楔来减小由于槽开口而引起的气隙磁导变化和齿谐波。但采用半闭口槽工艺复杂。,4.4 单相绕组的磁动势,一、整距线圈的磁动势,一个线圈的磁动势,一个线圈的基波磁动势,二、单层整距线圈组的磁动势,三、双层短距线圈组的磁动势,四、单相绕组的磁动势,五、基