交流电机统一问题

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1、交流电机共同问题,电气工程学院 郭冀岭 ,交流电机概述 交流电机工作原理 交流电机电枢绕组概念 交流电机电枢绕组构成 交流电机电枢绕组磁场() 交流电机电枢绕组电势(),电机的基本概念和分类 异步电机简述 同步电机简述,1 交流电机概述,1.1 电机的基本概念和分类,电机是依据电磁感应定律和电磁力定律，由电路和磁路构成的能实现机电能量转换或信号传递与转换的装置。,1 交流电机概述,（1）主要作电动机使用 （2）主要优点 结构简单 制造容易 坚固耐用 运行可靠 价格低廉 有较高的效率 相当好的工作特性（3）缺点 目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速 必须从电网吸收滞后的无功功率,1.2 异步电机

2、简述,（4）分类：,CRH3和谐号动车组,北车唐山厂生产线车间,定子绕组,笼型转子,绕线型异步电动机的转子,（1）主要作发电机使用 （2）常见类型 三相同步发电机 自控式同步电动机 磁阻同步电动机 永磁同步电动机 步进电动机 （3）主要应用场合电力系统：发电机、变压器、输电线,1.3 同步电机简述,火力发电（电能的产生）,热电厂 1 煤传送带 2 加煤机 3 粉碎机 4 锅炉 5 煤渣 6 空气预热器 7 静电除尘 8 烟囱 9 汽轮机 10 冷凝器 11变压器 12 冷却塔 13 发电机 14 输电线,大型汽轮机,感应电机的基本原理 同步电机的基本原理,2 交流电机基本原理,2.1 感应电机

3、基本原理,定子磁场以速度n0旋转 转子导体与定子磁场相对转速n 转子导体感生电动势 转子导体形成回路，产生电流 转子导体受电磁力，形成电磁转矩 推动转子以转速n顺n0方向旋转,2 交流电机基本原理,感应电机原理特点,必须有一个旋转的磁场(实现能量转换的前提) 旋转磁场与转子导体存在转速差，即n0（必要条件，异步） 转子导体形成回路（ei0，产生电流） 建立转矩的电流由感应产生（称为感应电机） 感应电机最重要的参数：转差率,问题如何使定子磁场旋转起来？,2.2 同步电机基本原理,原动机拖动转子磁场以速度n0旋转（相对定子） 定子导体与转子磁场相对转速为n0 定子导体感生电动势 定子绕组带负载，有

4、电流流过 定子电流产生旋转磁场，速度为n0 转子导体受电磁力，形成电磁转矩，和拖动转矩平衡（绕线式转子） 把机械功率转换为电功率,N S,同步电机原理特点,转子励磁电流是直流，磁场的旋转由原动机拖动实现，此转速决定电机的电动势频率 转子磁场与定子绕组的转速差为n，在定子绕组中感应电动势 定子绕组带负载时形成回路，有电流流过，此电流产生旋转磁场，转速和转子磁场转速相同（同步，称为同步电机） 建立电磁转矩和拖动转矩平衡,单线圈集中绕组 4极单线圈绕组 三相绕组接法 交流绕组基本量 三相绕组的排列和联结方法 三相绕组的形式 交流绕组中的特别处理,3 交流电机绕组概念,绕组空间三相对称：任意相旋转12

5、0度整倍数与另一相完全重合 三相2极单线圈绕组U、V、W,3 交流电机电枢绕组概念,(1)单线圈集中绕组,(2) 4极单线圈绕组,由3个线圈增加到6个，依次滞后60度机械角度对称分布,(3) 三相绕组的接法,(4)交流绕组的基本量,线圈 节距：整距、短距、长距 极距,线圈：在电机制造过程中，构成交流绕组的基本单元一般不是导体而是线圈。线圈是串联好的两根导体或多根导体，相应地称为单匝线圈或多匝线圈 。,(a)单匝线圈 (b) 多匝线圈 (c) 多匝线圈简易画法,节距：一个线圈的两个有效边在铁心圆周表面上所跨的距离称为节距，用符号y1表示，一般以槽数计。,极距：一个磁极在铁心圆周表面上所占的范围称

6、为极距，用符号表示，通常以用槽数或长度计。,各个线圈的感应电动势有效值相等 相邻线圈的感应电动势相位差为槽距电角1 单层绕组的线圈节距均为整距,(5)三相绕组的形式,单层绕组 同心式 链式 交叉链式 叠式 双层绕组 叠式 波式,同心绕组：,链式绕组：,单层叠绕组,双层叠绕组,双层波绕组,(6)绕组构成中的特别处理,为消除电动势和磁动势中的谐波，在绕组构成中应采用短距方法和分布方法。 分布方法：一个槽中的集中绕组，分别按一定的规律放于多个槽中； 短（长）距方法：要消除的谐波为 次时，绕组的节距值为：,分布绕组,短距绕组,4 交流绕组构成,交流绕组的基本要求 基本物理量和概念 三相单层绕组 三相双

7、层绕组 小结,同步发电机原理结构示意图,导体 交流绕组,4.1 交流绕组的基本要求,交流绕组的基本要求,绕组产生的电动势(磁动势)接近正弦波。 三相绕组的基波电动势(磁动势)必须对称。 在导体数一定时能获得较大的基波电动势(磁动势),4.2 基本物理量和概念,(1)电角度 磁密在空间为正弦分布，一对磁极便对应于一个完整正弦波，相当于360。如果磁极极对数是p，整个圆周有p个完整正弦波，相当于p 360。从几何的观点来看，整个圆周只有360。 圆周的空间几何角度称为机械角度，而圆周上对应于磁场分布的角度称为电工角度，简称为电角度。,电角度p机械角度, 槽距电角1：相邻两槽中导体感应电动势的相位差

8、 。, 槽距角：相邻两槽之间的机械角度。,(2) 槽距角和槽距电角,例图中：Z=36,各槽导体感应电动势大小相等，相邻槽导体电动势相位差相同。将各槽导体电动势相量画在一起，组成一个星形，称为槽电动势星形图。,(3)槽电动势星形图,(4) 相带,120相带 60相带,120相带,60相带,三相双层绕组120相带,三相单层绕组无120相带连接法,三相双层绕组60相带,三相单层绕组60相带,由于60度相带产生的合成电动势要比120度相带产生的合成电动势大，故一般采用60度相带。,60度相带,120度相带,m为交流绕组相数，三相绕组，m3。,(5) 每极每相槽数q,在电机制造过程中，构成交流绕组的基本

9、单元一般不是导体而是线圈。线圈是串联好的两根导体或多根导体，相应地称为单匝线圈或多匝线圈.,(a)单匝线圈 (b) 多匝线圈 (c) 多匝线圈简易画法,一个线圈的两个有效边在铁心圆周表面上所跨的距离称为节距，用符号y1表示，一般以槽数计。,(6)线圈：,(7)节距：,一个磁极在铁心圆周表面上所占的范围称为极距，用符号表示，通常以用槽数或长度计。,各个线圈的感应电动势有效值相等 相邻线圈的感应电动势相位差为槽距电角1 单层绕组的线圈节距均为整距,(8)极距：,单层叠绕组A相展开图，并联支路数a=1。,线圈,线圈组,线圈组,每相绕组中，相邻的线圈串联在一起，称为一个线圈组。一个线圈组中的线圈个数为

10、每极每相槽数q。,(9)线圈组：,每相的各个线圈组的感应电动势有效值相等，相位同相或反相。采用串并联方式形成a条并联支路。,a = 1,a = 2,单层绕组每相最大并联支路数 amax = p (极对数),(10) 并联支路数,(1)三相单层集中整距绕组,三相绕组感应三相对称基波电动势,4.3 三相单层绕组,A B C三绕组等效整距线圈 EA EB EC 互差120时间电角度 A B C三绕组互差120空间电角度 每相只有一个整距线圈，两根引出线A X B Y C Z 星接或三角接,由于每相只有一个集中整距线圈，定子上每个槽里只放一个圈边，因此叫做三相集中单层整距绕组 感应电动势波形不理想，电

11、枢表面空间没有充分利用,【例】一台交流电机定子槽数Z=36，极数2p=4，并联支路数a=1，试绘制三相单层绕组展开图。,步骤： 画槽电动势星形图； 分相； 构成线圈； 构成线圈组； 画绕组展开图。,(2) 三相单层分布绕组,首先计算定子相邻两槽之间的槽距电角1,画基波电动势星形相量图,先假设定子槽里只放一根导体， 并规定导体感应基波电动势的正方 向出纸面为正。,按60相带法分相 根据基波电动势星形相量图，把相关槽里的导体分配到3个相里，从而连接成三相对称绕组 图中每 60相带中有3个槽导体，每相每极下的槽数,画绕组的连接图 将图沿轴剖开，展成一个平面 1， 2， 3槽和19，20，21槽属于A

12、相带 10，11，12槽和28，29，30槽属于X相带 A与X相带之间相距180空间电角度 1和10 2和11 3和12连接成整距线圈 由于都属于A相（X也属于A相），可以互相串连，引出线A1X1 同理，得到A2X2,分磁极,标注电动势方向,嵌线圈,构成线圈组,连接头和尾,头,尾,头,尾,A1,A2,X1,X2,单层叠绕组三相展开图，并联支路数a=1。,单层同心式绕组A相展开图，并联支路数a=1。,同心式绕组主要用于二极小型感应电机中 优点：下线方便，端部重叠层数较少，便于布置，散热亦好 缺点：线圈大小不等，绕制不便，端部长,三相单层绕组的线圈数等于总槽数的一半；双层绕组是指定子上每个槽里能放

13、两个圈边，每个圈边为一层，因此电机线圈的总数等于定子总槽数。 优点是线圈能够任意短距，对改善电动势的波形有好处,4.4 三相双层绕组,【例】一台交流电机定子槽数Z=36，极数2p=4，并联支路数a =2， y1=7，试绘制三相双层叠绕组展开图。,步骤： 画槽电动势星形图； 分相； 构成线圈； 构成线圈组； 画绕组展开图。,计算槽距电角,画基波电动势星形相量图注意：双层绕组的基波电动势星形相量图，每个相量代表一个短距线圈的电动势，而不是导体电动势,按60相带法分相 将前图中的相量分成6等分，逆相量旋转方向上分别标注A,Z,B,X,C,Y 每相每极下的槽数,画绕组连接图 36根等长，等距的实线和相

14、应的虚线 实线代表槽内上层的圈边 虚线代表槽内下层的圈边,根据给定线圈的节距，把属于同一线圈的上下层圈边连成线圈 如第1槽上层圈边与第8槽下层圈边相连（中间相隔7个槽），成为第1线圈。 同样，把上层在第2槽的线圈叫做第2线圈，依此类推。 根据图中划分的相带，把属于同一相的线圈串连起来就构成一相的绕组。,双层叠绕组展开图(y1=7, a=2)。,A,X,N,S,N,S,双层叠绕组A相展开图(y1=7, a=2)。,双层叠绕组每相有2p（极数）个线圈组，可串可并 每相最大并联支路数 amax = 2p,首,首,首,首,尾,尾,尾,尾,三相双层波绕组？,1-(8)-19-(26)-2-(9)-20-

15、(27)-3-(10)-21-(28),N1,N1,N1,N2,N2,N2,10-(17)-28-(36)-11-(18)-29-(1)-12-(20)-30-(2),S1,S1,S1,S2,S2,S2,串 或 并,4.5 交流绕组小结,（1）交流绕组与直流绕组的区别 直流绕组：无头无尾闭合绕组，对外通过换向器和电刷连接，各支路在磁场中的位置不变，构成各支路的元件数目不变，但是元件号不断变化 交流绕组：对外连接点是固定的,（2）单层绕组和双层绕组的比较,单层绕组： 线圈数是槽数的一半，绕线和嵌线工作少 每个槽只有一个线圈，无需层间绝缘一般都是整距绕组，不易短距谐波削弱 电噪音和铁损耗较大一般用于10kW小型电动机,双层绕组： 线圈数等于槽数 各线圈尺寸一样，嵌线方便，可以灵活选择线圈节距，改善电磁性能和减少电噪音 一般用于大中型电机,单相绕组磁动势 单层集中相绕组的磁动势 单层分布相绕组的磁动势 双层短距分布相绕组的磁动势 三相绕组合成磁动势基波 三相绕组合成磁动势谐波 圆形和椭圆形旋转磁动势 交流电机主磁通、漏磁通和漏电抗,5 交流绕组磁场,（1） 单层集中相绕组的磁动势,A相通交流电流i后，将产生一个2极磁场。 每根磁力线所构成的磁通闭合回路的磁动势均为iNc。 略去定、转子铁心中的磁阻，该磁动势消耗在两个气隙中，每个气隙中消耗的磁动势为iNc /2。,