电机学第4章交流电机的理论的共同问题.ppt

1、4.1 交流绕组的构成原则和分类4.2 三相双层绕组4.3 三相单层绕组4.4 交流绕组的感应电动势4.5 感应电动势中的谐波4.6 通有正弦时单相绕组的磁动势4.7 通有对称三相电流时三相绕组的磁动势4.8 三相交流绕组所产生的气隙磁场和相应的电抗4.9 交流电机的电磁转矩,李艳,第4章 交流电机的共同问题,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,(2)、对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，,弦形、幅值要大；,电阻、电抗要平衡；,(3)、绕组的铜耗要小，用铜量要省；,(4)、绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，,制造要方便。,绕组：

2、按一定规律排列和连接的线圈的总称,交流绕组的构成原则也可以解释为,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,每极槽数用极距表示 每极每相槽数,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。,如槽距角为，则相邻两相错开的槽数为120/。 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。,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。等,的三相交流电机，其定子绕组大多采

3、用,（1）可以选择最有利的节距，并同时采用分布绕组，,（3）端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械,（2）所有线圈具有相同的尺寸，便于制造；,主要优点：,特点：绕组的线圈数等于槽数。,4.2 三相双层绕组,双层绕组。（双层绕组和单层绕组的比较、交流,绕组的模型）,以改善电动势和磁动势的波形；,强度。,一、槽电动势星形图和相带划分,体（槽号）是如何分配的。,现以一台相数 ，极数 ，槽数 的定子来说明槽内导体的感应电动势和属于各相的导,1、概念,定子每极每相槽数：,式中，,Q 定子槽数；,p 极对数；,m 相数。,相邻两槽间电角度：,此角亦是相邻槽中导体感应电动势的相位差。,电角度,磁场每转过一对

4、磁极，电势变化一个周期，称为 （一个周期）360电角度。在电机中一对磁极 所对应的角度定义为360电角度。（几何上， 把 一 圆 周 所 对 应 的 角 度 定 义 为 360 机 械 角 度。）,磁极对数为p,圆周机械角度为360 电角度为 p*360 ,把每对极所对应的定子槽等分为六个等分。依次 称为a、c、b、a、c、b相带，各相绕组放在各 自的相带范围内,通常三相绕组都是60相带绕组,相带为了三相绕组对称，在每个极面下每相绕组应 占有相等的范围。,2、槽电动势的星形图,如图41表示36槽内导体感应电动势的相量图，,亦称为槽电动势星形图。,以A相位例，由于 ，故A相共有12个槽,相带：每

5、极下每相所占的区域。,A相带： 1、2、3线圈组（ ）,与19、20、21（ ）,X相带：,10、11、12 （ ）,与28、29、30（ ）,将四个线圈组按照一定的规律连接，即可得到A相绕组。,图41 三相双层绕组的槽电动势星形图,相带,槽号,极 对,A,B,C,X,Y,Z,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,第一对极下,（1槽18槽）,第二对极下,（19槽36槽）,表4-1 各个相带的槽号分布,1,3,5,7,9,11,13,15

6、,17,19,21,23,25,27,29,31,33,35,1,2,3,10,11,12,19,20,21,28,29,30,图4-2 三相双层叠绕组的A绕组的展开图,-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）,123,192021,101112,282930,图4-3 A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）,4.3三相单层绕组,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pl,2,3,4,单层绕组通常有链式、交

7、叉式和同心式等三种 不同排列方式,单层绕组：构造方法和步骤,分极分相:,将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。 将每个极的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。,连线圈和线圈组：,将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？） 将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？） 以上连接应符合电势相加原则,连相绕组：,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。,连三相绕组：,将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 Y接法或者接法。,例如：相数m3，极数2p,4，槽数

8、Z24,槽距角,极距=Z/2p=24/4=6,Z 每极每相槽数q 2 2 pm,p * 360 =30 Z,* 连成三相绕组,1.同心式绕组,y = 5 = 6,2.链式绕组,y=8,y=7,3.交叉式绕组,4.4正弦磁场下交流绕组的感应电动势,一、导体的感应电动势,1、电动势的波形,2、正弦电动势的频率,感应电动势的频率：,同步转速：,导体的感应电动势,气隙磁通密度分布图,基波电动势,电动势频率:,电动势大小:,谐波电动势,3、导体电动势的有效值,将 代入上式得导体电动势 为,二、整距线圈的电动势,匝电势,单匝线圈电动势的有效值,线圈有 匝，则线圈电动势为,三、短距线圈的电动势，节距因数,短

9、距线圈的节距 ，用电角度表示时， 节距为,单匝线圈的电动势为,据相量图中的几何关系，得单匝线圈电动势的,为线圈的基波节距因数，表示线圈短距时感应 电动势比整距时应打的折扣，,有效值 为,四、分布绕组的电动势，分布因数和绕组因数,个线圈的合成电动势 为,式中， 外接圆的半径。,把 代入上式，得,绕组线电动势计算、分布因数 基波电动势,式中， 个线圈电动势的代数和；, 绕组的基波分布因数，,的意义：由于绕组分布在不同的槽内，使得,个分布线圈的合成电动势 小于 个集中线圈的,合成电动势 ，由此所引起的折扣 。,一个极相组的电动势为,式中， 个线圈的总匝数；, 绕组的基波绕组因数。,的意义：既考虑绕组

10、短距、又考虑绕组分布时，,整个绕组的合成电动势所须的总折扣。,五、相电动势和线电动势,设一相绕组的总串联匝数为 ，则一相的电动 势应 为,短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响,对V次谐波：,4.5感应电动势中的高次谐波,谐波的弊害 使电动势波形变坏，发电机本身能耗增加，从而影响用电设备的运行性能 干扰临近的通讯线路 消除谐波电动势的方法 因为Ev=4.44fNRwvv所以通过减小KWr或r可降低Er 1.采用短距绕组 2.采用分布绕组，降低。 3.改善主磁场分布 4.斜曹或斜极,1单层集中整距绕组的磁动势,一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如图,由全

11、电流定律得:,4.6通有正弦电流时单相绕组的磁动势,整距线圈磁通势的空间分布,忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙上.每个气隙的磁动势为:,空间分布为矩形波,随时间按正弦规律变化.变化频率为电流频率。,空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁动势。,整距线圈的每极磁通势方程式为 fc（x，t）=(1/2 )icNc =(2/2)IcNccost =Fcmcost 这种空间位置固定不动而大小 和极性随电流交变的磁通势和磁场, 称为脉振磁通势和脉振磁场。 （2）矩形波磁通势的分解 整距线圈每极磁通势瞬时值的表达式为 fc（x，t）=0.9INc（cos(/)x-1/3 cos3(/)

12、x +1/5 cos5(/)x+）sint,矩形波磁通势分解 成基波及谐波分量,2.线圈组的磁通势 （1）整距分布线圈组的磁通势 整距分布线圈组的基波磁通势为 Fqm1 =qFcm1 kp1 =0.9（qINc）kp1 （2）短距分布线圈组的磁通势 短距分布线圈组的基波磁通势的最大幅值为 Fym1 =0.9（2qINc）kp1k d1=0.9（2qIN c）kw1 3.单相绕组的磁通势 相绕组每极磁通势的瞬时值表达式为 fp1（x，t）=Fpm1costcos(s),一相绕组的磁动势为,则单相绕组的基波磁动势为,式中， 单相绕组基波磁动势的幅值，,一相绕组的磁动势为,单相绕组的基波磁动势在空间

13、随角按余弦规律,单相绕组的基波磁动势为脉振磁动势，其脉振频率,取决于电流的频率。,分布，在时间上随按余弦规律脉振。,矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:,基波磁动势为:,基波磁动势最大值为:,整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化仍然为脉动磁动势。,单相脉动磁动势的分解,即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。,先分析,取幅值点分析,可见,(1)单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相等、转速相同而转向相反的两个旋转磁场。,(2)反之,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势。,（3）由于正方向或反方向的旋转

14、磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为圆形旋转磁动势。,磁动势的矢量表示法,长度代表磁动势幅值，位置代表磁动势正幅值所在的位置。,+j,三相的合成磁动势：,取A相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为x的参考方向、A相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：,可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。,交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相的合成磁动势。,4.7 通有三相电流时三相绕组的磁动势,产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。,三相对称绕组通

15、入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质,(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/2倍。,(2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电流相.,(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数,(4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相绕组的轴线位置上,三相绕组基波合成磁动势为,式中， 三相绕组基波磁动势的幅值。,为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：,用图解法分析不同时刻三相合成磁动势,合成磁动势的转向是从载有超前

16、电流的相转到载有滞后电流的相。,空间矢量图,取A相电流为最大值时,+j,+A,+B,+C,三相绕组的合成r次谐波磁动势 由谐波磁动势在气隙中建立各自的谐波磁场为： 对称三相系统中不存在3的奇数次倍谐波磁动。,三相双层分布短距绕组的磁动势,1、整距分布线圈组的磁动势,r次谐波脉振磁动势的最大振幅为：,每个绕组由q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和：,2.双层短距分布绕组的磁动势,双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：,3.双层分布短距一相绕组产生的磁动势,一相双层分布短距绕组在每对

17、极下，由分布着的q对这样的线圈组成，因此一相双层分布短距绕组的基波磁动势为： 一相r次双层分布短距绕组的谐波磁动势为：,4.三相双层分布短距绕组产生的磁动势,三相合成基波磁动势 3次及3的整数倍谐波，三相合成磁动势为零。 r=6k-1次谐波，三相合成磁动势 r=6k+1次谐波，三相合成磁动势,交流电机的基本工作原理，对交流绕组的要求,1交流电机的基本工作原理 交流电机分为同步电机与异步电机 同步发电机：交流电能几乎都来自于同步发电机 同步电动机：大型不需要调速的生产机械，优点调节励磁电流来改善电网的功率因数。 异步电动机：电力系统的主要负载。 异步发电机：电压和频率随负载变化不易控制。 电力电子技术的引进使得同步电动机与异步发电机得到了越来越多的应用。,同步电机的基本工作原理,同步发电机的基本工作原理,大小：,频率：,励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 .,