电机学-交流绕组课件

第四章 交流绕组理论（1 1）交流绕组基本概念和构成原理）交流绕组基本概念和构成原理（2 2）交流绕组的感应电动势的波形、频率、大小）交流绕组的感应电动势的波形、频率、大小 （3 3）交流绕组磁动势的时空概念）交流绕组磁动势的时空概念（1 1）电角度概念）电角度概念（2 2）交流绕组磁势的时空概念）交流绕组磁势的时空概念 难点内容：难点内容：第四章第四章 交流绕组交流绕组重点内容：重点内容：第四章 交流绕组理论4.1 4.1 交流绕组的构成原则和分类交流绕组的构成原则和分类4.2 4.2 三相双层绕组三相双层绕组4.4 4.4 交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势4.6 4.6 单相绕组的磁动势单相绕组的磁动势4.7 4.7 三相绕组的磁动势三相绕组的磁动势第四章第四章 交流绕组交流绕组4.3 4.3 三相单层绕组三相单层绕组第四章 交流绕组理论3第四章第四章 交流绕组及其电动势和磁动势交流绕组及其电动势和磁动势主要内容：交流绕组的构成，主要内容：交流绕组的构成，绕组连接绕组连接规律及规律及电动势电动势和和磁动势磁动势。交流电机同步电机：主要作为发电机，也可作为电动机和补偿机。感应电机：主要作为电动机，有时也作发电机。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绕组组、电电动动势势、磁磁动动势势问题。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。第四章 交流绕组理论4.1 4.1 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)(1)合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正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；弦形、幅值要大；(2)(2)对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，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；电阻、电抗要平衡；(3)(3)绕组的铜耗要小，用铜量要小；绕组的铜耗要小，用铜量要小；(4)(4)绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。制造要方便。第四章 交流绕组理论5本章主要介绍三相整数槽绕组。二、交流绕组的分类二、交流绕组的分类按相数分单相三相按每极每相槽数分整数槽分数槽按槽内层数分单层双层同心式交叉式链式叠绕波绕第四章 交流绕组理论定子铁心定子铁心第四章 交流绕组理论定子绕组定子绕组第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论定子铁心和绕组定子铁心和绕组第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论 交流电机的简单工作原理 同步发电机原理结构示意图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 导体导体交流绕组交流绕组第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论4.2 4.2 交流三相绕组交流三相绕组一、基本术语第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论二、三相单层绕组二、三相单层绕组第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论（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 第四章 交流绕组理论三、三相双层绕组三、三相双层绕组第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论 波绕组第四章 交流绕组理论 4.4 4.4 交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势一、空间坐标的建立一、空间坐标的建立及及气隙磁气隙磁密密的分布的分布第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论二、导体中的电动势二、导体中的电动势第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论三、线圈的电动势三、线圈的电动势及及节距因数节距因数第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论四、线圈组的电动势四、线圈组的电动势及及分布因数分布因数第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论五五、相电动势、相电动势及及线电动势线电动势第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论六六、基波电动势与磁通链间的相位关系、基波电动势与磁通链间的相位关系第四章 交流绕组理论54 本节本节讨讨论论主主极磁场极磁场非非正弦分布时所引起的谐波电动势。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 4.5 感应电动势中的感应电动势中的高高次谐波次谐波 第四章 交流绕组理论55一、一、高次谐波电动势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。第四章 交流绕组理论56二、二、齿谐波电动势齿谐波电动势 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相等。第四章 交流绕组理论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第四章 交流绕组理论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。第四章 交流绕组理论59三、考虑谐波时三、考虑谐波时相电动势和线电动势的有效值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）对于线电动势无论是角接还是星接，均无对于线电动势无论是角接还是星接，均无3及及3的倍数次谐波。的倍数次谐波。在星形接法的三相系统中，因各相的三次谐波大小相等，相位相同，互相抵消，所以线电动势中不存在三次谐波电动势。注：注：第四章 交流绕组理论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。第四章 交流绕组理论61四、谐波的危害四、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。第四章 交流绕组理论62五、削弱谐波电动势的方法五、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减少谐波电动势的方法可通过减小KWV和 削弱。第四章 交流绕组理论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）选用短距绕组如要消除v次谐波，只要使即尽可能接近整距的短距则上式表明，要消除v次谐波，只要选用比整距短的短距线圈即可。第四章 交流绕组理论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。第四章 交流绕组理论65线圈节距变化时，基波和谐波节距因数如何变化？由于三相绕组采用了星形或角形的连接，线电压中已不存在3及3的倍数次谐波，所以选节距时主要考虑削弱5、7次谐波。通常选第四章 交流绕组理论66（2）采用分布绕组）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。第四章 交流绕组理论67（3）削弱谐波磁场）削弱谐波磁场凸极同步电机改善磁极极靴外型，隐极同步电机励磁绕组合理的分布，使磁极磁场沿电枢表面分布接近于正弦波。（4）三次和三的倍数次谐波的消除）三次和三的倍数次谐波的消除三相绕组可接成三角形或星形。凸极电机以上方法均不能削弱齿谐波电动势。第四章 交流绕组理论682、齿谐波电动势减小的方法、齿谐波电动势减小的方法对于齿谐波，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。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，还应考虑斜槽因数斜槽因数。第四章 交流绕组理论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，可导出斜槽因数。基波的斜槽因数为：第四章 交流绕组理论70若导体斜过的距离用c来表示时，次谐波的斜槽因数为：从以上可见，如用斜槽消除 次谐波，应使即第四章 交流绕组理论71取 为了使 ，这两个齿谐波都得到削弱。2mq：为一对极下的槽数，tZ：齿距。即斜过的距离等于一个齿距。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。第四章 交流绕组理论72(2)采用分数槽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。第四章 交流绕组理论 4.4 4.4 单相绕组的磁动势单相绕组的磁动势第四章 交流绕组理论一、整距线圈的磁动势一、整距线圈的磁动势第四章 交流绕组理论一个线圈的磁动势第四章 交流绕组理论一个线圈的基波磁动势第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论二、单层整距线圈组的磁动势二、单层整距线圈组的磁动势第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论三、双层短距线圈组的磁动势三、双层短距线圈组的磁动势第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论四、单相绕组的磁动势四、单相绕组的磁动势第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论五五、基波、基波脉振脉振磁动势的分解磁动势的分解第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论单相脉振磁势分解为两个旋转磁势单相脉振磁势分解为两个旋转磁势第四章 交流绕组理论 4.5 4.5 三相绕组的合成磁动势三相绕组的合成磁动势一、基本概念一、基本概念及及分分析析方法方法第四章 交流绕组理论二、三相绕组的基波合成磁动势二、三相绕组的基波合成磁动势第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论三、三相合成磁动势中的三、三相合成磁动势中的高高次谐波次谐波第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论四、四、矢矢量作图法求取基波合成磁动势量作图法求取基波合成磁动势第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论五五、三相绕组的磁动势波形图、三相绕组的磁动势波形图1 1、问题问题的的提提出出2 2、理论、理论依据依据第四章 交流绕组理论3 3、作图步、作图步骤及骤及其应该其应该注注意的意的问题问题第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论3 3、举举例说明例说明第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论六六、磁动势求解、磁动势求解举举例例第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论第四章 交流绕组理论