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1、 双馈异步发电机双馈异步发电机基本原理讲义基本原理讲义1.电机种类电机种类2.交流发交流发电机特点电机特点3.交流电机交流电机的共同理论的共同理论4.双馈发电双馈发电机基本原理机基本原理 主要内容主要内容1.电机的种类电机的种类 2.交流发电机的特点交流发电机的特点 3.交流电机的共同理论交流电机的共同理论 4.双馈发电机的基本原理双馈发电机的基本原理 1.1.电机的分类电机的分类1.11.1概述概述 从广义上讲，电机是电能的变换装置，包括旋转电机和静止电机。旋转电机是根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置；静止电机是根据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁
2、装置，也称其为变压器。静止电机旋转电机信号电机位置信号电机:直流电动机,异步电机,同步电机步进电动机;伺服电机,步进电机,力矩电机,开关磁阻电动机,无刷直流电动机旋转变压器、感应同步器和自整角机 速度信号电机 功率电机 变压器控制电机 2.1 概述概述 2.2.交流发电机特点交流发电机特点 实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80
3、年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。2.2分类及特点分类及特点 交流电机按其功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机几大类。由于电机工作状态的可逆性,同一台电机既可作发电机又可作电动机。把电机分为发电机与电动机并不很确切，只是有些电机主要作发电机运行，有些电机主要作电动机运行。交流电机按品种分有同步电机、异步电机两大类。同步电机转子的转速ns与旋转磁场的转速相同，称为同步转速。ns与所接交流电的频率(f)、电机的磁极对数(P)之间有严格的关系.ns60f/P 异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10
4、以内。交流电机（不管是同步还是异步）的转速都受电源频率的制约。因此,交流电机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率，而以往要改变电源频率是比较复杂的。所以70年代以前，在要求调速的场合，多用直流电机。随着电力电子技术的发展，交流电动机的变频调速技术已开始得到实用。交流电机一般采用三相制，因为三相交流电机与单相电机相比，无论在性能指标，原材料利用和价格等方面均有明显的优越性。同样功率的三相电机比单相电机体积小，重量轻，价格低。三相电动机有自起动能力。单相电机没有起动转矩，为解决起动问题，需采取一些特殊的措施(见单相异步电动机)。单相电机的转矩是脉动的，噪声也比较大，但所需的电源比较简单，特别
5、是在家庭中使用十分方便。因此小型家用电机和仪用电机多采用单相电机。2.32.3异步发电机异步发电机 异步发电机是指异步电机处于发电的工作状态，从其激励方式有电网电源励磁发电（他励）和并联电容自励发电（自励）两种情况。工作原理如下：对称3相绕组通入对称3相电流，产生旋转磁场，磁场线切割转子绕组，根据电磁感应原理，转子绕组中产生e和i，转子绕组在磁场中受到电磁力的作用，即产生电磁转矩，使转子旋转起来，转子输出机械能量，带动机械负载旋转起来。转子转速nn0，所以称为异步电机。s=（n0-n）/n0，称为转差率，是异步电（动）机的对重要的一个参数。sN为额定转差率。同步电机和感应电机一样是一种常用的交
6、流电机。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又不变得关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。2.42.4同步发电机同步发电机工作原理工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向
7、按周期性变化的三 相 对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。4.4.双馈发电机的基本原理双馈发电机的基本原理4.14.1概述概述 双馈发电机又被人们称之为交流励磁发电机.由于转子方采用交流电压励磁,使其具有灵活的运行方式,在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电、抽水蓄能电站电动-发电机组的调速等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。交流励磁发电机主要的运行方式有以下三种:1)运行于变速恒频方式;2)运行于无功大范围调节的方式;3)运行于发电-电动方式。4.24.2双馈发电
8、机运行原理双馈发电机运行原理 在稳态运行时,任何旋转电机的定转子磁势都是相对静止的,对于异步电机来说,如果将转子绕组开路,单独在定子绕组侧同以频率为fs的三相交流电,则会形成一个相对于定子其旋转电角度为s=2fs的旋转磁场,而转子不动;同样若将定子开路,转子绕组通以频率为fsl的三相交流电,则会形成一个相对于转子转速为sl=2fsl旋转磁场。如果将定、转子绕组中同时通以fs=fsl的三相交流电，并使方向相同，则两者将象同步电机定、转子一样，两者相互吸引相对静止（参见异步电机原理）。逐步将fsl降低到零，则转子转速r将达到同步转速；如果将电源频率调为负值，即改变转子磁场旋转方向，则转子转速将超过
9、同步转速。数学表达式为：s=r sl 式中“+”用于亚同步速运行，“-”用于超同步速运行 转差率：s=(s-r)/s 双馈感应电机可以从定、转子双方馈电；双馈感应电机转子由外电源励磁，具有同步电机性质；双馈感应电机使转子电压和电流有足够数值，从而使定转子间吸力能够克服负载转距，而后改变转子电源的频率来调速，转子转速只随转子电源的频率变化而变化，负载变化时，只要在电机的过载能力的允许范围内，电机转速不发生变化；双馈感应电机的功率因数可已通过改变转子磁场的方法进行调整。3.1 3.1 交流绕组的构成原则和分类交流绕组的构成原则和分类一、构成原则一、构成原则 (1)、合成电动势和合成磁动势的波形要接
10、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；二、分类二、分类按相数按相数：单相和多相绕组；按槽内层数：按槽内层数：单层和双层；按每极下每相槽数：按每极下每相槽数：整数槽和分数槽；按绕法：按绕法：叠绕组和波绕组。(4)、绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，(3)、绕组的铜耗要小，用铜量要省；制造要方便。的三相交流电机，其定子绕组大多采用（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强度。（2）所有线圈具有相同的尺寸，便于制造；主要优点：主要优点：特点：特点：绕组的线圈数等于槽数。3.2 3.2 三相双层绕
11、组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；一、槽电动势星形图和相带划分一、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 1、概念、概念定子每极每相槽数：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。2 2、槽电动势的星形图、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：每极下每相所占的区域。A相带：1、2
12、、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。同理，B相距离A相 电角度处，C相距离A相 电角度处，可按(图41)所划分的相带连成B、C相带绕组：每个相带各占 电角度。各个相带的槽号分布。（表4-1）两相绕组。由此可得到一个三相对称绕组。二、叠绕组二、叠绕组 叠绕组：叠绕组：绕组嵌线时，相邻得两个串联线圈中，串联时应将极相组和极相组反向串联，即首首相 为避免电动势或电流所形成的磁场互相抵消，极相组的电动势、电流方向与极相组的电动势（图4-3）后一个线圈紧“叠”在前一个线圈上。（图4-2）电流方向相反。连把
13、尾端引出，或尾尾相连把首端引出。3.3 3.3 正弦磁场下交流绕组的感应电动势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 1、电动势的波形、电动势的波形2 2、正弦电动势的频率、正弦电动势的频率感应电动势的频率：同步转速：3 3、导体电动势的有效值、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，节距因数三、短距线圈的电动势，节距因数短距线圈的节距 ，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（图44）为线圈的基波节距因数，
14、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（图45）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
15、3.4 3.4 通有正弦电流时单相绕组的磁动势通有正弦电流时单相绕组的磁动势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，单相绕组的基波磁动势在空间随角按余弦规律 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。（图46）3.5 3.5 通有三相电流时三相绕组的磁动势通有三相电流时三相绕组的磁动势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。性质：性质：是一个沿着气隙圆周连续推移的旋转磁动势波。a)转速：即 。b)幅值位置：当某相电流达到交流的最大值时，基波c)方向：取决于交流电流的相序。的轴线重合。合成旋转
16、磁动势波的幅值就将与该相绕组图图4 41 1 三相双层绕组的槽电动势星形图三相双层绕组的槽电动势星形图相带相带槽号槽号极极 对对ABCXYZ1,2,34,5,67,8,910,11,12 13,14,15 16,17,1819,20,2122,23,24 25,26,27 28,29,30 31,32,33 34,35,36第一对极下第一对极下（1槽槽18槽）槽）第二对极下第二对极下（19槽槽36槽）槽）表4-1 各个相带的槽号分布 1 35 7 9 11 13151719 21232527 293133351 2 310 11 1219 20 2128 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：图：A相绕组线圈的连接图（一条并联支路）相绕组线圈的连接图（一条并联支路）123192021101112282930图4-3 A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）图4-5 极相组的合成电动势图4-6 不同瞬间时单相绕组的基波脉振磁动势
