第4章-交流绕组课件

第五、六章第五、六章 交流绕组交流绕组电动势电动势 磁动势磁动势1 交流绕组的交流绕组的构成原则和分构成原则和分类类2 三相三相双双层绕组层绕组3 正弦磁正弦磁场下交流场下交流绕组的感绕组的感应电动势应电动势4 通有正弦通有正弦电流时单相绕电流时单相绕组的磁动势组的磁动势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 本章主要内容本章主要内容1.交流绕组的连接规律交流绕组的连接规律 2.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 3.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 4.通有对称三相电流时的磁动势通有对称三相电流时的磁动势 导体感应电动势导体感应电动势大小波形频率三相对称性 导体导体导体导体交流交流交流交流绕组绕组绕组绕组同步发电机结构示意图同步发电机结构示意图同步发电机结构示意图同步发电机结构示意图交流绕组的要求交流绕组的要求交流绕组的基本要求绕组产生的电动势绕组产生的电动势绕组产生的电动势绕组产生的电动势(磁动势磁动势磁动势磁动势)接近正弦波。接近正弦波。接近正弦波。接近正弦波。三相绕组的基波电动势三相绕组的基波电动势三相绕组的基波电动势三相绕组的基波电动势(磁动势磁动势磁动势磁动势)必须对称。必须对称。必须对称。必须对称。在导体数一定时能获得较大的基波电动势在导体数一定时能获得较大的基波电动势在导体数一定时能获得较大的基波电动势在导体数一定时能获得较大的基波电动势(磁动势磁动势磁动势磁动势)。有足够的绝缘和机械强度、较好的散热。有足够的绝缘和机械强度、较好的散热。有足够的绝缘和机械强度、较好的散热。有足够的绝缘和机械强度、较好的散热。分类分类按相数按相数：单相和多相绕组；：单相和多相绕组；按槽内层数：单层和双层；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；按每极下每相槽数：整数槽和分数槽；按绕法：叠绕组和波绕组。按绕法：叠绕组和波绕组。Z为电机槽数为电机槽数 2.槽槽距距角角：相相邻邻两两槽槽中中导导体体感感应应电电动动势势的的相相位位差差。例图中：例图中：Z=363.槽电动势星形图槽电动势星形图 各槽导体感应电动势大小相等，相邻槽导体电动势相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。星形，称为槽电动势星形图。4.电角度电角度 磁密在空间为正弦分布，一对磁极便对应于一个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，相当于完整正弦波，相当于360。如果磁极极对数是。如果磁极极对数是p，整个，整个圆周有圆周有p个完整正弦波，相当于个完整正弦波，相当于p 360。从几何的观。从几何的观点来看，整个圆周只有点来看，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。应于磁场分布的角度称为电工角度，简称为电角度。电角度电角度p机械角度机械角度5.相带120相带 60相带120相带60相带m为交流绕组相数，为交流绕组相数，三相绕组，三相绕组，m3。6.每极每相槽数q三相单层绕组 例：一台交流电机定子槽数例：一台交流电机定子槽数Z=36，极数，极数2p=4，并联，并联支路数支路数a=1，试绘制三相单层绕组展开图。，试绘制三相单层绕组展开图。步骤：步骤：画槽电动势星形图；画槽电动势星形图；分相；分相；构成线圈；构成线圈；构成线圈组；构成线圈组；画绕组展开图。画绕组展开图。线圈线圈：在电机制造过程中，构成交流绕组的基本单在电机制造过程中，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)单匝线圈单匝线圈 (b)多匝线圈多匝线圈 (c)多匝线圈简易画法多匝线圈简易画法 节距节距：一个线圈的两个有效边在铁心圆周表面上所跨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，用符号的距离称为节距，用符号y1表示，一般以槽数计。表示，一般以槽数计。y1 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角单层绕组的线圈节距均为整距极距极距：一个磁极在铁心圆周一个磁极在铁心圆周表面上所占的范围称为极距，表面上所占的范围称为极距，用符号用符号表示，通常以用槽数表示，通常以用槽数或长度计。或长度计。单层叠绕组单层叠绕组A相展开图，并联支路数相展开图，并联支路数a=1。线圈线圈线圈线圈线圈组线圈组线圈组线圈组线线圈圈组组：每每相相绕绕组组中中，相相邻邻的的线线圈圈串串联联在在一一起起，称称为为一一个个线线圈圈组组。一一个个线线圈圈组组中中的的线线圈圈个个数数为为每每极极每每相相槽数槽数q。绕组并联支路数并联支路数 每相的各个线圈每相的各个线圈组的感应电动势有组的感应电动势有效值相等，相位同效值相等，相位同相或反相。采用串相或反相。采用串并联方式形成并联方式形成a条条并联支路。并联支路。a=1a=2单层绕组每相最大并联支路数amax=p(极对数)单层叠绕组三相展开图，并联支路数单层叠绕组三相展开图，并联支路数a=1。单层同心式绕组单层同心式绕组A相展开图，并联支路数相展开图，并联支路数a=1。三相双层绕组 例：一台交流电机定子槽数例：一台交流电机定子槽数Z=36，极数，极数2p=4，并联支，并联支路数路数a=2，y1=7，试绘制三相双层叠绕组展开图。，试绘制三相双层叠绕组展开图。步骤步骤：画槽电动势星形图；画槽电动势星形图；分相；分相；构成线圈；构成线圈；构成线圈组；构成线圈组；画绕组展开图。画绕组展开图。二、叠绕组二、叠绕组 叠绕组：绕组嵌线时，相邻得两个串联线圈中，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，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极相组的电动势、电流方向与极相组的电动势后一个线圈紧后一个线圈紧“叠叠”在前一个线圈上。在前一个线圈上。电流方向相反。电流方向相反。连把尾端引出，或尾尾相连把首端引出。连把尾端引出，或尾尾相连把首端引出。双层叠绕组展开图双层叠绕组展开图(y1=7,a=2)。AX双层叠绕组双层叠绕组A相展开图相展开图(y1=7,a=2)。双层叠绕组每相有2p（极数）个线圈组，每相最大并联支路数 amax=2p-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：图：A A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）相绕组线圈的连接图（两条并联支路）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：感应电动势的频率：同步转速：同步转速：3 3、导体电动势的有效值、导体电动势的有效值 将将 代入上式得导体电动势代入上式得导体电动势 为为 二、整距线圈的电动势二、整距线圈的电动势单匝匝线圈圈电动势的有效的有效值 线圈有圈有 匝，匝，则线圈圈电动势为匝电势匝电势y1 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短距线圈的节距 ，用电角度表示时，用电角度表示时，节距为节距为 单匝线圈的电动势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，电动势比整距时应打的折扣，有效值有效值 为为四、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 个个线圈的合成圈的合成电动势 为式中，式中，外接圆的半径。外接圆的半径。把把 代入上式，得代入上式，得 图-5 极相组的合成电动势 式中，式中，个线圈电动势的代数和；个线圈电动势的代数和；绕组的基波分布因数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个分布线圈的合成电动势 小于小于 个集中线圈的个集中线圈的合成电动势合成电动势 ，由此所引起的折扣，由此所引起的折扣 。一个极相组的电动势为一个极相组的电动势为式中，式中，个线圈的总匝数；个线圈的总匝数；绕组的基波绕组因数。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，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。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设一相绕组的总串联匝数为 ，则一相的电动，则一相的电动势应势应 为为 线圈组线圈组线圈线圈线圈线圈电机的磁场并不完全为正弦分布（空间）电机的磁场并不完全为正弦分布（空间）付氏分解：基波与各次谐波付氏分解：基波与各次谐波 相电动势中相电动势中 次谐波电动势有效值：次谐波电动势有效值：对应的谐波绕组系数为：对应的谐波绕组系数为：谐波电动势谐波电动势 谐波电势的减小1.波形畸变率：波形畸变率：2.谐波电势的减小谐波电势的减小气隙磁场接近正弦波气隙磁场接近正弦波短距绕组短距绕组分布绕组分布绕组Y连接（线电势中不含有连接（线电势中不含有3K次谐波）次谐波）线电势线电势由由三角形、星形接法决定（基波）三角形、星形接法决定（基波）注意：线电势中不含注意：线电势中不含3k次谐波电势（因次谐波电势（因同相位）同相位）4 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一相绕组的磁动势为则单相绕组的基波磁动势为则单相绕组的基波磁动势为式中，式中，单相绕组基波磁动势的幅值，单相绕组基波磁动势的幅值，u相绕组磁动势为脉振磁动势。相绕组磁动势为脉振磁动势。结论（1）线圈通入交流电产生的气隙磁动势沿）线圈通入交流电产生的气隙磁动势沿定子内圆周呈矩形波分布，磁动势幅定子内圆周呈矩形波分布，磁动势幅值随时间脉动。值随时间脉动。（2）矩形波磁动势分解成的基波和谐波磁矩形波磁动势分解成的基波和谐波磁动势，都是在空间按余弦分布，都是动势，都是在空间按余弦分布，都是空间电角度的函数空间电角度的函数；幅值都随时间角幅值都随时间角频率按余弦变化，是频率按余弦变化，是时间电角度的函时间电角度的函数数。所以基波和谐波磁动势都所以基波和谐波磁动势都既是空既是空间函数，又是时间函数。间函数，又是时间函数。（3）基波和各次谐波磁动势的振幅位置均）基波和各次谐波磁动势的振幅位置均在线圈轴线在线圈轴线A处，即空间坐标的原处，即空间坐标的原点，振幅位置不随时间变化，称为点，振幅位置不随时间变化，称为脉脉振磁动势。振磁动势。脉振磁动势的分解脉振磁动势的分解结论结论w一一个个脉脉振振磁磁动动势势可可以以分分解解为为两两个个波波长长与与原原脉脉振振波波完完全全一一样样，朝朝相相反反方方向向旋旋转转的的旋旋转转波波，旋旋转转的的电电角角速速度度分分别别为为 和和 ，每每个个旋旋转转波波的的幅幅值值是是原原脉脉振振波波最最大大振振幅幅的的一一半半，等于，等于 FK1/2。w当通电电流为正的最大值时，脉振波的振当通电电流为正的最大值时，脉振波的振幅为最大值，两个旋转波的正振幅正好都幅为最大值，两个旋转波的正振幅正好都转到转到 0的地方，的地方，即在通电线圈的轴线即在通电线圈的轴线处，这时两个旋转波重叠在一起。处，这时两个旋转波重叠在一起。5 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三相绕组基波合成磁动势为为式中，式中，三相绕组基波磁动势的幅值。三相绕组基波磁动势的幅值。uA、B、C三三相相对对称称绕绕组组流流过过三三相相电电流流对对称称电电流流，设设三三相相电流瞬时值表达式如下电流瞬时值表达式如下三相绕组合成磁动势基波 uA、B、C每每相相绕绕组组产产生生的的磁磁动动势势均均为为脉脉振振磁磁动动势势，其其基基波波的的幅幅值值位位于于各各相相绕绕组组轴轴线线上。上。u三三相相绕绕组组轴轴线线在在空空间间相相差差120电电角角度度，各各相相绕绕组组磁磁动动势势基基波波空空间间相相位位差差为为120电电角角度度。将将空空间间坐坐标标原原点点取取在在A相相绕绕组组的的轴轴线上，于是三相绕组脉振磁动势基波的表达式分别为线上，于是三相绕组脉振磁动势基波的表达式分别为t=90 性质：是一个沿着气隙圆周连续推移的旋转磁动势波。性质：是一个沿着气隙圆周连续推移的旋转磁动势波。a)a)转速：转速：即即 。b)b)幅值位置：幅值位置：当某相电流达到交流的最大值时，基波当某相电流达到交流的最大值时，基波c)c)方向：方向：取决于交流电流的相序。取决于交流电流的相序。的轴线重合。的轴线重合。合成旋转磁动势波的幅值就将与该相绕组合成旋转磁动势波的幅值就将与该相绕组6、两相电枢绕组产生的磁通势、两相电枢绕组产生的磁通势 小功率交流电机电枢绕组只有两相绕组，通入两相电流后，也产生磁通势。小功率交流电机电枢绕组只有两相绕组，通入两相电流后，也产生磁通势。空间相距空间相距90电角度的两相绕组，通以时间上相差电角度的两相绕组，通以时间上相差90电角度的电角度的两相电流，且每相的磁通势彼此相等，产生的合成基波磁通两相电流，且每相的磁通势彼此相等，产生的合成基波磁通势有以下的特点。势有以下的特点。(1)幅值为：幅值为：常数，是圆形旋转磁通势。常数，是圆形旋转磁通势。(2)转向：两相合成基波旋转磁通势的转向决定于电流的相序，转向：两相合成基波旋转磁通势的转向决定于电流的相序，即有电流领先相向电流滞后相方向旋转。即有电流领先相向电流滞后相方向旋转。(3)转速：基波旋转磁通势相对于定子绕组的转速为同步转速。转速：基波旋转磁通势相对于定子绕组的转速为同步转速。(4)哪相电流达到正最大值时，合成基波旋转磁通势的正幅值哪相电流达到正最大值时，合成基波旋转磁通势的正幅值正好位于该相绕组的轴线处正好位于该相绕组的轴线处1.两相电枢绕组产生的圆形磁通势两相电枢绕组产生的圆形磁通势2.椭圆磁通势椭圆磁通势1）如果两相绕组产生的磁通势不相等，但两相电流的相位）如果两相绕组产生的磁通势不相等，但两相电流的相位相差相差90电角度。电角度。2）如果两相绕组产生的磁通势相等，但两相电流的相位不）如果两相绕组产生的磁通势相等，但两相电流的相位不是相差是相差90电角度。电角度。3）两相绕组在空间上相距不是）两相绕组在空间上相距不是90电角度，绕组产生的磁通电角度，绕组产生的磁通势又不相等，电流相位也不是相差势又不相等，电流相位也不是相差90电角度。电角度。以上三种情况，产生的合成磁通势一般都是椭圆磁通势以上三种情况，产生的合成磁通势一般都是椭圆磁通势 如果在两相绕组里通入同相的电流，则产生的正、反转合成基波旋如果在两相绕组里通入同相的电流，则产生的正、反转合成基波旋转磁通势的幅值相等，总磁通势为脉振磁通势。转磁通势的幅值相等，总磁通势为脉振磁通势。总之，两相绕组产生的总磁通势共有三种情况：总之，两相绕组产生的总磁通势共有三种情况：1）正、反转合成基波旋转磁通势中有一个为零，即为园磁通势；）正、反转合成基波旋转磁通势中有一个为零，即为园磁通势；2）正、反转合成基波旋转磁通势不等，是椭圆磁通势；）正、反转合成基波旋转磁通势不等，是椭圆磁通势；3）正、反转合成基波旋转磁通势相等，是脉振磁通势。）正、反转合成基波旋转磁通势相等，是脉振磁通势。三相对称绕组通以三相对称电流产生的合成总磁通势为三相对称绕组通以三相对称电流产生的合成总磁通势为园形磁通势园形磁通势。交流电机主磁通、漏磁通和漏电抗 u当当交交流流电电机机定定子子绕绕组组接接至至三三相相电电源源时时，便便有有对对称称三三相相电电流流在在绕绕组组中中流流过过，在在气气隙隙中中建建立立旋旋转转磁磁动动势势、产产生生相相应应的的旋旋转转磁磁场。场。u主主磁磁通通：由由基基波波旋旋转转磁磁动动势势所所产产生生的的穿穿过过气气隙隙与与定定子子绕绕组组、转转子子绕绕组组同同时时相相交交链链的的基基波波磁磁通通称称为为主主磁磁通通。图图示示一一台台4极极交交流流电电机机中中主主磁磁通通分分布布情情况况。主主磁磁通通经经过过的的路路径径为为：气气隙隙、定定子铁心、转子铁心。子铁心、转子铁心。u漏漏磁磁通通：定定子子三三相相电电流流产产生生与与定定子子绕绕组组相相交交链链而而不不与与转转子子绕绕组组相相交交链链的的磁磁通通，称称为为定定子子漏漏磁磁通通，用用1表表示示。定定子子漏漏磁通按路径可分为三部分。磁通按路径可分为三部分。(1)槽漏磁通槽漏磁通，穿过定子槽的漏磁通。穿过定子槽的漏磁通。(2)端部漏磁通端部漏磁通，交链定子绕组端部的漏磁通。交链定子绕组端部的漏磁通。(3)谐谐波波漏漏磁磁通通。定定子子绕绕组组通通入入三三相相交交流流电电时时，除除了了产产生生基基波波旋旋转转磁磁场场外外，在在空空间间还还产产生生一一系系列列高高次次谐谐波波磁磁动动势势及及谐谐波波磁磁通通。谐谐波波磁磁通通虽虽然然也也同同时时交交链链定定、转转子子绕绕组组，但但它它们们不不会会产产生生有有用用的的转转矩矩，而而它它们们在在定定子子绕绕组组中中感感应应的的电电动动势势的的频频率率却却仍仍为为基基波波频频率率，所所以以我我们们把把它它们们作作为为定定子子漏漏磁磁通通处处理，而称为谐波漏磁通理，而称为谐波漏磁通。u漏漏电电抗抗。当当定定子子电电流流交交变变时时，定定子子漏漏磁磁通通也也随随着着交交变变，于于是是在在定定于于绕绕组组中中感感应应电电动动势势称称为为漏漏电电动动势势。异异步步电电机机转转子子绕绕组组中中的的交交流流电电流流同同样样会会产产生生只只与与转转子子绕绕组组交交链链的的漏漏磁磁通通，它它们们也也会会在在转转子子绕绕组组中中感感应应漏漏电电动动势势。和和变变压压器器一一样样，漏漏电电动动势势可用漏电抗压降来表示可用漏电抗压降来表示。四四极极机机械械旋旋转转磁磁势势二二极极机机械械旋旋转转磁磁势势例 一台汽轮发电机，定子槽数Z=36，极数2p=2，采用双层叠绕，节距y1=14，每槽2根导体，并联支路数a=1，频率为50Hz。每极磁通量1=2.63Wb。试求：(1)导体电动势Ec1；(2)线圈电动势Ey1；(3)线圈组电动势q1；(4)相电势E1。解 极距 槽距电角每极每相槽数线圈匝数每相串联匝数(1)Ec1=2.22f1=2.22502.63 V291.9 V(2)Ey1=4.44Ncky1f1=4.4410.9397502.63V=548.7V(3)Eq1=4.44qNckN1f1=4.44610.8984502.63=3147 V(4)E1=4.44NkN1f1=4.44120.8984502.63 V=6294 V短距系数短距系数分布系数分布系数绕组系数绕组系数 三相绕组三相绕组Y连接或连接或连接时，由于三相三次谐波以及连接时，由于三相三次谐波以及3的倍数次谐波电动势的倍数次谐波电动势在时间相位上同相位，因此在三相的线电动势中不会有三次谐波电动势及在时间相位上同相位，因此在三相的线电动势中不会有三次谐波电动势及3的倍的倍数次谐波电动势的出现。数次谐波电动势的出现。【例例】一台三相异步电动机的定子槽数一台三相异步电动机的定子槽数Z1=36，双层短距分双层短距分布绕组，极对数布绕组，极对数p=3，绕组节距绕组节距y1=5，计算基波电动势，五计算基波电动势，五次谐波电动势的绕组系数。次谐波电动势的绕组系数。解：解：(1)基波：基波：极距极距 每极每相槽数每极每相槽数 槽距角槽距角 短距系数短距系数 分布系数分布系数 基波绕组系数基波绕组系数(2)五次谐波五次谐波 短距系数短距系数 分布系数分布系数 基波绕组系数基波绕组系数 上述计算结果对比后可知采用短距、分布绕组，基波电动势被削弱了上述计算结果对比后可知采用短距、分布绕组，基波电动势被削弱了6.8%，而，而5次谐波电动势被削弱了次谐波电动势被削弱了93.3%，使一相绕组中主要是基波电动势，使一相绕组中主要是基波电动势，从而改善了绕组的感应的电动势波形。从而改善了绕组的感应的电动势波形。例例 一一台台三三相相异异步步电电动动机机，定定子子采采用用双双层层短短距距叠叠绕绕组组，Y联联接接，定定子子槽槽数数Z=48，极极数数2p=4，线线圈圈匝匝数数Nc=22，节节距距y1=10，每每相相并并联联支支路路数数a=4，定子绕组相电流定子绕组相电流I=37A，f=50Hz，试求：，试求：(1)A相绕组所产生的磁动势基波；相绕组所产生的磁动势基波；(2)三相绕组所产生的合成磁动势基波及其转速。三相绕组所产生的合成磁动势基波及其转速。解解 极距极距槽距电角槽距电角 每极每相槽数每极每相槽数 每相串联匝数每相串联匝数 短距系数短距系数 分布系数分布系数 绕组系数绕组系数(1)每相脉振磁动势基波的振幅每相脉振磁动势基波的振幅将空间坐标原点取在将空间坐标原点取在A相绕组的轴线上，相绕组的轴线上，A相绕组脉振磁动相绕组脉振磁动势基波的表达式为势基波的表达式为 三相合成磁动势基波幅值三相合成磁动势基波幅值 合成磁动势基波的表达式为合成磁动势基波的表达式为合成磁动势基波的转速合成磁动势基波的转速