《电机学 第2版 教学课件 ppt 作者 王秀和 第四章 交流电机的共同问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机学 第2版 教学课件 ppt 作者 王秀和 第四章 交流电机的共同问题（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章：交流电机的共同问题,第1节：交流绕组的基本概念 第2节：三相双层绕组 第3节：三相单层绕组 第4节：正弦磁场下交流绕组的感应电动势 第5节：感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 第6节：正弦电流下单相绕组的磁动势 第7节：正弦电流下对称三相绕组的旋转磁动势 第8节：非正弦电流下交流绕组的磁动势,主要内容： 交流绕阻的构成，即绕组连接规律及电动势和磁动势 交流电机： 包括同步电机和感应电机。这两类电机在转子结构、工作原 理、励磁方式和性能有所不同，但是定子中所发生的电磁过 程以及机电能量转换的机理和条件却相同，可以采用统一的 观点研究。,4-1交流绕组的构成和分类,交流绕组的功能和直流电机
2、绕组的功能相同，是进行机电能量转换的关键部件，绕组构成了电机的电路部分，是电机的核心。交流电机中所发生的电磁过程均与绕组有关，所以要分析交流电机的原理和运行，必须先对交流绕组的构成和连接规律有基本的了解。 本节介绍交流绕组的连接方法。,交流绕组有多种分类方法。 按相数: 单相、两相、三相和多相绕组； 按槽内层数: 单层、双层绕组、单双层绕组和混合绕组; 双层绕组: 迭绕组和波绕组 单层绕组: 交叉式、同心式和链式等； 按每极每相槽数: 整数槽和分数槽绕组。,一、交流绕组概述,4-1交流绕组的构成和分类,二、交流绕组的基本知识,1、电角度与机械角度,电机圆周在几何上分为3600，这个角度称为机械
3、角度。若磁场在空间按正弦波分布，则经过N、S一对磁极即为3600。,若电机有p对极 电角度=p3600 =p机械角度,4-1交流绕组的构成和分类,4-1交流绕组的构成和分类,4-1交流绕组的构成和分类,对于10kw以上的三相交流电机，其定子绕组一般均采用双层绕组。,4-2 三相双层绕组,绕组的线圈数等于槽数,一、双层绕组的特点,双层绕组,例：一台三相四极36槽电机，试绘出槽电势星形图及划 分相带。,当把各槽内导体感应的电势分别用矢量表示时，这些矢量构成一个辐射星形图，称为槽电势星形图。 每个极下每相所占有的区域称为相带。 下面用具体例子说明槽电势星形图和相带划分 。,二、槽电势星形图和相带划分
4、,4-2 三相双层绕组,1、绘槽电势 星形图,4-2 三相双层绕组,2、划分相带,以A相为例， A相在每极下应占有3个槽，整个定子中A相共有12个槽，为使合成电势最大，在第一个N极下取1、2、3三个槽作为A相带，在第一个S极下取10、11、12三个槽作为X相带，1、2、3三个槽相量间夹角最小，合成电势最大，而10、11、12三个槽分别于1、2、3三个槽相差一个极距，即相差1800电角度，这两个线圈组（极相组）反接以后合成电势代数相加，其合成电势最大。,同理将19、20、21和28、29、30也划为A相，然后把这些槽里的线圈按一定规律连接起来，即得A相绕组。,4-2 三相双层绕组,在第一个N极下
5、取1、2、3三个槽作为A相带，在第一个S极下取10、11、12三个槽作为X相带,第二对极下6、7、8作为A相带，25、26、27作为X相带。,4-2 三相双层绕组,也可采用1200相带绕组。因1200相带合成电势较600相带合成电势小，所以一般采用600相带绕组。,4-2 三相双层绕组,绘制绕组展开图的步骤是： a、绘槽电势星形图 b、划分相带 c、把各相绕组按一定规律连接成对称三相绕组。,四、绘制绕组展开图,根据线圈的形状和连接规律，双层绕组可分为叠绕组和波绕组两种,4-2 三相双层绕组,叠绕组线圈,波绕组线圈,1、叠绕组,两个相邻的线圈后一个叠在前一个上面称为叠绕组。,例：绘制四极三相36
6、槽的双层叠绕组展开图。,绘制槽电势星形图和相带划分同上，按y1=8绘制,各个相带槽号分布,4-2 三相双层绕组,4-2 三相双层绕组,叠绕组展开图,按相邻极下电流必须相反的原则，将各极相组连接起来，构成相绕组，图中实线为上层边，虚线为下层边。 由于N极下的极相组A与S极下的极相组X的电动势方向相反，电流方向也相反，应将极相组A和极相组X反相串联。,由于每相的极相组数等于极数，所以双层叠绕组的最多并联支路数等于2P 如上例中有4极4个极相组，所以最多并联支路数 a=4 实际支路数通常小于2P，且2P必须是a的整数倍。,4-2 三相双层绕组,4-2 三相双层绕组,叠绕组的优点是:短距时能节省端部用
7、铜及得到较多的并联支路，缺点是线圈组间连接线较长，在线圈组较多时浪费铜材，主要用于10千瓦以上的交流电机定子绕组。,4-2 三相双层绕组,波绕组的连接规律是把所有N极下属于同一相的线圈依次串联起来组成一组，再把S极下属于同一相的线圈依次串联起来，组成另一组，根据需要将这两组串联或并联，就构成一相绕组。,2、波绕组,4-2 三相双层绕组,为合成节距,波绕组节距,例：将前述三相四极36槽Y1=8的绕组绕成波绕组。,绘制波绕组展开图的步骤与叠绕组完全相同，该例题槽电势星形图和相带划分与前例完全相同，如右图所示,4-2 三相双层绕组,4-2 三相双层绕组,波绕组展开图,波绕组的优点是:减少线圈组间连接
8、线，绑扎固定比较简单，故多用于多极水轮发电机定子绕组和绕线转子感应电机转子中。,两条并联支路,4-2 三相双层绕组,单层绕组每槽只有一个线圈边线圈数等于槽数的一半。分同心式、链式和交叉式,一、同心式,4-3 三相单层绕组,同心式优点： 下线方便，端部的重叠层数较少，便于布置，散热好。同心式绕组主要用于p=1的小型感应电机中。,缺点：线圈的大小不等、绕制不便，端部亦较长。,4-3 三相单层绕组,同心式绕组展开图,例：三相六极36槽绘制链式绕组展开图,4-3 三相单层绕组,1号向右连，36号向左连，且节距相等，然后用极间连线（红线）按相邻极下电流方向相反的原则将六个线圈反向串联，得A相绕组。,链式
9、绕组展开图,4-3 三相单层绕组,三、交叉式绕组,4-3 三相单层绕组,交叉式绕组展开图,4-3 三相单层绕组,在交流电机中有一以ns转速旋转的旋转磁场，本节讨论旋转磁场在空间正弦分布时，交流绕组中感应电势的公式。,首先求出一根导体中的感应电势，然后导出一个线圈的感应电势，再讨论一个线圈组（极相组）的感应电势，最后推出一相绕组感应电势的计算公式。,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,一、导体的感应电势,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,设,因定子旋转的角频率为，当时间为t时，转子转过，且=t 则导体感应电势为,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,1、正弦电势的频率f,若p=1 ，电角度
10、=机械角度 ，转子转一周感应电势交变一次，设转子每分钟转ns转（即每秒转ns/60转）， 导体中电势交变的频率应为：,若电机为P对极，则转子每旋转一周，导体中感应电势将交变P次，此时电势频率为：,在我国工业用标准频率为50HZ,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,2、导体电势有效值,：一极下磁通量,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,二、整距线圈的感应电动势,，则线圈的一根导体位于N极下最大磁密处时，另一根导体恰好处于S极下的最大磁密处。所以两导体感应电势瞬时值总是大小相等，方向相反，设线圈匝数NC=1，则整距线圈的电势为,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,若线圈有NC匝，则,三、短距
11、线圈的感应电动势,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,若为NC匝,表示线圈采用短距后感应电势较整距时应打的折扣,可见采用短距线圈后对基波电动势的大小稍有影响，但当主磁场中含有谐波时，它能有效地抑制谐波电动势（后述），所以一般交流绕组大多采用短距绕组。,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,节距因数（基波）,四、线圈组的电动势、分布因数和绕组因数,每极下每相有一个线圈组，线圈组由q个线圈组成，且每个线圈互差电角度,如q=3,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,线圈组合成电势,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,基波分布因数,为q个线圈的总匝数,即考虑了短距和分布后整个绕组合成电势所打的折扣
12、。,五、相电动势和线电动势,设一相绕组串联总匝数为N， 则：,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,1、对单层绕组,每对极具有一个线圈组，P对极时每相有P个线圈组，即Pq个线圈，若并联支路数为a，每个线圈为NC匝，则每条支路串联匝数为,2、对双层绕组,P对极有2P个线圈组，即2Pq个线圈,求出相电势后，根据“星”或“角”的接法，可求出线电势,4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电势,对星形连接：线电势=,对角形连接：线电势=,本节讨论磁场非正弦分布时所引起的谐波电动势及其削弱方法,4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱方法,一、主极磁场非正弦分布引起的高次谐波电
13、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。,V次谐波磁场的性质为：,即谐波频率为基波频率的v倍,除基波磁场在绕组中感应电势外，各次谐波也将在绕组中感应电势。谐波电势的计算方法与基波电势计算方法类似,极对数,极距,转速,每极磁通,谐波磁通幅值,根据基波感应电势公式 类似的推导得：,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。,齿谐波电动势比较强的主要原因是定子开槽引起的气隙磁导不均匀。如不开槽时的气隙中主极磁场为近于正弦分布的曲线，开槽后在正弦曲线上叠加一个与定子齿数相应的附
14、加周期性磁导分量，致使电动势波形出现明显的谐波波纹,考虑谐波电势时， 相电势的有效值应为 ：,线电势：,对星接因在对称三相系统中，各相的三次谐波在时间上同相位，大小相等。3次谐波互相抵消。,三、相电势和线电势的有效值,（星接法）,（角接法）,由于 完全消耗于环流的电压降 , 所以线端不会出现三次谐波电势。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。,对于线电势无论是角接还是星接，均无3及3的倍数次 谐波。,四、削弱谐波电动势的方法,由于谐波电势对电机的危害，所以，在设计电机时，应尽可能削弱电势中高次谐波分量，国标规定对300KVA以上的同步发电机，线电压
15、波形的正弦波畸变率不应超过5%。,正弦波畸变率,1、削弱谐波电动势的方法,适当地选择线圈的节距，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,可通过减少Kwv和 的方法削弱,如要消除V次谐波，只要使,y1应尽可能接近极距,要消除V次谐波，只要选用比整距短 的线圈即可。,v为奇数，所以 2k v,右图表示线圈节距变化时，谐波节距因数的变化情况。,通常选,用短距消除5次谐波,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,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，,3）改
16、善主极极靴外形,改善磁极极靴外形（凸极同步电机）或励磁绕组的分布（隐极同步电机）使磁极磁场沿电枢表面分布接近于正弦波。,隐极电机安放励磁绕组部分与极距之比为0.700.80,凸极电机最大气隙与最小气隙之比为1.52.0；极靴宽度与极距 之比为0.700.75.,2、削弱齿谐波电动势的方法,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，若采用分布和短距则基波电势将按相同比例缩小。,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，其感应电势不同， 与直槽相比，导体中的感应电势有所变化， 理论证明采用斜槽后对齿谐波大为削弱， 对基波和其它谐波也起削弱作用， 为了计及这一影响，在计算各次谐波电势 时，除了考虑节距因数和分布因数外， 还应考虑斜槽因数。,结论：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。,2）采用分数槽,在多极
